JPS58135658A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置に係ｂ、４ＩＫ半導体基体が絶縁
部材上に金属板を介して載置された構造を有する絶ｍａ
ｉｏ半導体装置に陶する。

従来、半導体装置線電極及び熱伝導路を兼ねえ金属から
成る支持部材上に半導体基体を載置して形成され丸もの
が多かったが、近年、半導体装置の回路適用上の自由度
を改善させるため、或いは、電気回路Ｏ集積化を図る九
めなどから、半導体基体或いは回路ごとなどに絶縁部材
を介して同一支持部材上に載置させ九絶縁型半導体装置
が考案されている。

例えに、絶縁型トライブックは双方向性３熾子サイリス
タ基体を七うオツク板上に載置し、この４ｇ’）ｔツク
板を金属からなるパッケージに封入し友ものてあシ、ト
ライアックの全ての電極はセラミック板によｐパッケー
ジと絶縁されて外部に引亀出された構造を有している。

このような絶縁履トライアックは、一対の主電極が回路
上の接地電位から電気的に絶縁されなければならない回
路に適用される場合であっても、パッケージを直接接地
電位部に固定できるので、回路適用上の自由度が改善さ
れる。

を九、混成集積回路装置或いは半導体モジュール装置ｔ
（以下、混成ＩＣと一括して略称する）では、一般に、
複数の半導体素子などから成るまとまった電気回路から
形成されている。それらの回路の少なくとも一部と支持
部材或いは放熱部材等の金属部材とを電気的に絶縁しな
ければならないことがらシ、通常、金属支持部材と混成
ＩＣ基体との間に有機質或いは無機質の絶縁層を設ける
ことにより絶縁がなされている。このように形成された
混成ＩＣも絶縁型半導体装置である。

上述した絶縁型半導体装置にあって、半導体素子の動作
時に発生される熱は、半導体基体から接着材層及び絶縁
層を介して支持部材に伝導され、主としてこの支持部材
から気中などへ放熱されることになる。この放熱が有効
になされなければ、半導体装置の動作が不安定になるな
どの障害が生しることから高い放熱性を備えていなけれ
ばならない。又、回路電圧の高電圧化或いは半導体装置
の経時的安定性及び耐湿性、耐熱性などの信額性を向上
させるため高−４８縁性をも備えてぃなければならない
。

特に、半導体装置の発熱量が比較的大龜＜、且つ、高耐
電圧や高信頼性が要求されるものに６つては、十分前記
要求を満足させるものとして、例えば、絶縁層にはセラ
ミックスの如き無機質材料が、接着材層にはｐ　ｂ　−
５ｎ系はんだの如き金＾ろうが適用される。

又、一般に、絶縁型半導体装置では半導体基体は絶縁層
上に直接ではなく、半導体基体と外部の電源とを結ぶ導
電路及び半導体基体での発熱を絶縁層に効果的に伝える
熱伝導路としての金属板を介して取付けられる。この金
属板としては低抵抗　　　　　）。

で且つ高熱伝導性を有する鋼勢の材料が一般に適用され
ている。

ところが、銅の熱膨張係数は１８　Ｘ　１０−”ＩＣで
あるのに対し、例えば半導体基体のシリコンと絶縁層の
アルミナ上５ミンクの熱膨張係数は各々ａ　５　ｘ　１
ｏ−”ＩＣと＆３Ｘ１０−・／Ｃ″ｅＴｏ！Ｄ、それら
Ｏ熱膨張係数の差が非常に大きいことから、次に述べる
ような問題を生ずることがあった。

即ち、上述のような絶縁型半導体装置のはんだ付は工程
は、通常、絶縁層と金属板と半導体基体とを各々はんだ
層を介して積層させ九後、紘んだの融点以上に昇温させ
、次に室温まで冷却させて接着させている。この冷却過
程のはんだ凝固点温に付近にてそれらの各部材が互に固
着される。この固着された状態のまま更に室温まで冷却
されると、各部材は固有の熱膨張係数に応じて収縮され
るので、はんだ接着部に熱歪が残留されることになる。

この熱歪が小さい場合は比較約款かい部材のはんだ層の
変形によって吸収されるが、熱歪が大きい場合には吸収
しきれずに、半導体基体中絶縁層に収縮応力が作用して
半導体基体を変形させ、電気特性に障害を与えたシ、さ
らには、半導体基体あるいはアルミナセラミック板を機
械的に破損させてしまうという虞れを有していた。

ｉ九、上述のような絶縁型半導体装置の各部材は、通電
、休止の動作に伴って、繰シ返し室温（約１００〜１５
　ＱＣ）と低温（周囲温度）の温度状態変化を受ける。

このようなヒートティクルごとく、各部材は膨張・収縮
され、前述したように各部材９熱ｇ張係数の差によって
主、とじてはんだ層に熱応力による歪が印加される。シ
九がって、はんだ層はこＯ歪によシ周期的に圧縮・引張
され、ついにはｍ疲労現象によりもろくなってクラック
を生じ、はんだ層の接着力及び導電性、熱伝導性の低下
が引起されるという虞れがあった。４Ｉにこの現象はは
んだ層の篇出端面部において顕著である。

上鮎した問題は各部材の熱膨張係臀の差に起因して生起
されるものであるか、ら、金属板の熱膨張係数が半導体
基体や絶縁部材のそれと比較的近似な値の材料（例えば
モリブデンやタングステンなど）を適用する、ことによ
ｐ解決しようとするものが考案されている。

しかしながら、従来よ）知られてｉる金属又は合金で半
導体基体と近似な熱膨張係数を有するもツバ、導電性や
熱伝導性において劣って匹九シ、或いは、高価であるな
どの理由から広く実用化されるには至っていない。そこ
で、また従来、鋼などの低抵抗で良熱伝導性を庸する廉
価な材料の金属板と半導体基体との間にモリブデン片を
介装させたものが知られている。これによれば、半導体
基体と銅板との熱膨張差に起因して半導体基体に作用す
る熱応力を緩和させ、半導体基体の劣化防止を図ること
ができる。しかし、アル２ナセラミツク板などの絶ａｍ
材と銅板との熱膨張差による熱応力を吸収させることは
できないので、はんだ付は時の変形防止やヒートサイク
ルによる熱疲労現象の防止には全く効果が無かった。し
かも、熱伝導性に劣るモリブデン片及びはんだ層などが
余分に介装されると七になシ、特に半導体基体の過渡的
な放熱効果が低下されるという欠点を有するものであり
、且つ、製造面からみても、部品数の増加やろう打部の
増加を招くことからコストアップになるという欠点を有
するものであつ九。

本発明の目的は、熱歪を低減して各部材の変形及び熱疲
労現象を防止できる絶縁属の牛導体装置を提供すること
にある。

本発明は、半導体基体と絶縁部材との間に金属ろうによ
シ接着される金属板を、平板状の第１金＾体と該ｌｌ５
１金属体の周縁部に一体形成された少なくとも一重の環
帯状第２金属体とから成る複合金属板とし、該複合金属
板の熱膨張係数が前記半導体１体の熱ｌｌ張係数と前記
絶縁部材Ｏ熱膨張係数との間の直に形成されたものどす
ることにより熱歪を低減して各部材の変形及び熱疲労現
象を防止しようとするものである。

即ち、前述したように、半導体基体と絶縁部材との間に
設けられる金属板は、電路としての良導電性と、半導体
基体で発生された熱を効果的に絶縁部材及び支持部材を
介して放熱フィン等の放熱手段へ拡散伝導させ、基体温
度の異常上昇を防ぐ丸めの良熱伝導性とを備えたもので
なければならない、一方、熱歪を低減させるため金属板
の熱膨張係数（以下α菖と称する）と半導体基体Ｏ熱膨
張係数（以下α１と称する）と絶縁部材Ｏ熱膨張係数（
以下αＩと称するンとの差の小さなものが望ましい。

そこで、本発明において、第１金属体として熱膨張係数
（以下α凰と称する）が大きくても、電導性及び熱伝導
性に優れ丸材群を用い、第１金属体として熱膨張係数（
以下６３と称する）Ｏ小さな材料を用いて、例えば％Ｊ
Ｉ１１図に示され喪ような形状の複合金属板とすること
によル、全体としてのα菫をαＳ及びα夏に近づけ且つ
導電性及び熱伝導性に優れ九金属板を形成しようとする
ものである。

第１図（λ）は平面図であシ、第１図（Ｂ）はその断面
図である。

第１図において、半径ｒ１０円板状の第１金属体ｌの外
周に外半径ＨＯ環帯状の第２金属体２が一体化されてい
る。いま、第１金属体と第２金域体との縦弾性係数を各
々Ｅｌ　＃　Ｅｓとし、又、それらのポアソン比を各々
シ１．シ雪とすると、第１図図示の複合金属板の半径方
向の見かけの熱膨張係数α麓は次式（１）で表わされる
ものとなる。

式（１）から明らかなよりに、主として、ａｚ及びｒｌ
とｒｌとの比率を適轟なものとするととによｐ１所望と
するαｙを有する金属板を得ることができ、前述し九よ
うにα虐とα！の間の値に形成させることができる。

なお、複合金属板は上述のような円板に限られるもので
はなく、矩形成いは多角形などの所菫形状に形成しても
同様の効果を得ることができる。

を良、本発明に係る複合金属板の見かけ熱膨張係数ｇ舅
の一整因子としては、（１）金属体の徨類、（２）金属
体が合金の場合はその組成比、（３）２以上の金属体の
体積率、（４）加工率、などがあげられる。

例えば、合金の熱膨張係数の例として５４％４％鉄−２
９ッケルー１７％コパル）合金ハ＆ｓｘ１０−’／Ｃ，
５２％鉄−３６％ニックルー１２％クロム合金は＆０Ｘ
１０°“／Ｃであシ、鉄−３６％ニッケル合金は極めて
小さな熱膨張係数を有している。そこで、例えば第１金
属体を導電性及び熱伝導性に優れた銅板とし、第２金属
体を上記Ｏ鉄−３６％ニッケル合金とすれば、鋼板Ｑ熱
膨張が第２金属体によって効果的に抑制される。この場
合、鋼の占有体積率を変えれば複合金属板としての見か
け熱膨張係数を開蓋することができ、銅の体積率を４０
％、ＳＯ％、ｇｏ％、８０％とした場合、その見かけ熱
膨張係数は各々＆３Ｘ１０−’／Ｃ，＆９ＸＩＣＶ”／
Ｃ，４４８１０”／Ｃ。

＆４Ｘ１０−’／ｌ：’であった。従って、所望とする
値の熱膨張係数を有し、且つ、導電性及び熱伝導性に優
れ丸金属板を形成することができる。

さらに、上ＥＯ複合金属板は冷間圧延法などによって例
えば棒状に形成し、この複合金属棒をクエハ状に切断し
て所望厚さの複合金属板とする０であるが、圧延成形時
の加工率を変えることによプ、この複合金属板の見かけ
熱膨張係数を１ｌＩ１１することができる。

以下、本発明の図示実施例を用いて、更に詳細に説明す
る。

第２図に本発明の適用され九−実施例のＬＳＫＶＡ級電
流制御用混成ＩＣの要部俯緻図が示されておル、第３図
には第２図図示実施例の回路構成図が示されている。

＃１２図に示され九ように、複合金属板からなる支持部
材１１Ｃ）上面にアルｉナ板からなる２枚の絶縁部材１
２がはんだにより固着されている。前記絶縁部材１２上
に略同−形状の複合金属板１３が各々金属ろりにより固
着されている。この複合金属板１３上に、第２図に示さ
れ九回路が形成されてお転ダーリントン接続されたトラ
ンジスタ　　　　　１１４及び１５．フライホイル用ダ
イオード１６が夫々複合金属板１３上に直接ろり付けさ
れている。

又、スナバ用テッグコンデンナ１７及びこれと直列に接
続されたチップ抵抗１８が載置されている。

上記の各回路素子間は配線用ワイヤ１１１或い紘条片２
０、配線用金属片２１によって第３図に示され九回路構
成図のように接続されている。外部端子２２は複合金属
板１３上に直接、外部端子２３は配線用金属片２１を介
して、外部端子２４は絶縁用有機樹脂＄２５及びその上
に接着された配線用金属片２１を介して、各々接続され
ている。これら外部端子と反対＠０複会金属板１３の端
部にはドラ４フ回路２６Ｋｌｉ絖される端子２７が絶縁
用有機樹脂膜２５上Ｋｍ着され九配線用金属片２１上に
設けられてｉる。

このように、複数の半導体基体（トランジスタ１４．１
５及びダイオード１６）を含む回路素子が、同一の複合
金属板１３上に直接はんだ付けされて混成ＩＣが形成さ
れている。このように形成され九実施例の複合金属板１
３と絶縁部材１２と支持部材１１との接着部の断面図が
第４図に示され工いる。

第４図において、金属支持部材１ｉＦｉ、廖さ＆Ｏ■、
幅６１■、長さ１０５■の長方形に形成された複合金属
板であシ、銅板１１１の周縁部を包囲するように鉄−３
６％ニッケル板１１２が冷間圧延法によシ他部材を介さ
ず直接一体化された物である。この金属支持部材１１の
見かけの熱膨張係数は約＆４Ｘ１０”″・／Ｃであり、
アルＺすの熱膨張係数（ａ３Ｘ１０−＠／Ｔ）に近似さ
せて形成されている。金属支持部材１１の一方の主＃！
面上には、２枚のアル２す板の絶縁部材１２が鉛−６０
％錫はんだ層２８にょ１接着されている。はんだ／１１
２８の厚さ線約α１■である。絶縁部材１２０ｍ着面に
は周知のメタライズ処理が施され、はんだに対するぬれ
性が付与されている。絶縁部材１２は幅２８■、長さ３
３■、厚さα２５■に形成され九アルオす板である。

各絶縁部材１２の上には、複合金属板１３が、はんだ層
２９によル接着されている。このはんだ層２９は前記は
んだ層２８と同一組成、同一厚さのものである。絶縁部
材１２のはんだ層２９と対向する部分には上述と同様、
メタ２イズ処思が麹されている、この複合金属板１３１
は、厚さα６箇、幅２５冒、長さ３０■の長方形に形成
されておシ、銅板１３１０周縁部を包囲するように鉄−
３６％ニッケル板１３２が冷間圧延法により他部材を介
さず直接一体化された物である。この複合金属板１３Ｃ
）見かけの熱膨張係数は＆０Ｘ１０“６／Ｃであり、ア
ルミナの熱膨張係数（亀３ＸＩＱ−＠／Ｕ）と半導体基
体の材料であるシリコン０ｆｌｋ膨張係数（ａ５Ｘ１０
＝’／Ｃ）の間の値に一整して形成されている。

従って、ＩＰ３鰍部材部材上などの金属板とモリブデン
片を各々はんだによシ接着し、このモリブデン片上に半
導体基体がはんだによシ接着された構造を有する従来の
絶鍬皺半導体装置にあっては、絶縁部材に作用される熱
応力を緩和させることができないうえ、放熱効果が低下
されるという欠点を有していたが、本実施例によれば熱
伝導性及びはんだのぬれ性に優れる鋼板からなる複合金
属板を用い、しかも、この複合金属板の熱膨張をｌＩ接
される半導体基体及び絶縁部材と同等なものとし九こと
によ）、放熱効果を低下させることなく、各部材にかか
る熱応力を低減させることができることから、各部材の
変形及び熱疲労現象を防止することができるという効果
を有している。

又、本実施例によれば、籍に大ａｌｏａｉＩｔＩＣ半導
体装置において上述の効果は着るしいものとなる。

即ち、本ｍ温成ＩＣにあっては発熱量が大きいことから
、熱拡散板として機能する金属板が必然的に大面積のも
のとなるので、熱膨張差による影響は極めて大きな障害
となってい九のである。このことについて、第５図に示
されたヒートサイクル試験の実験例によル説明する。

第６図の横軸には１枚の絶縁部材の開環８１（金属板面
積と同等）が、縦軸には混成ＩＣの故障発生率ｒが示さ
れている。ヒートサイクル試験は、−１５５００１！Ｏ
Ｃを１サイクルとして、連続１５０ｆイクルの条件にて
行っ九ものである。

図中、曲線ムは本実施例の混成ＩＣを示すものであシ、
曲線Ｂは上述の従来例の混成ＩＣを示すものである０図
示されたように、絶縁部材（アルｉナ板）の面積ａｔが
約５ｏｏ■８までは、ム。

Ｂともに故障発生率ＦＦ１Ｏ％でありた。しかし、約５
００■２を越えると、Ｂは加速度的に故障発生率が増加
するのく対して、ムでは依然として０％である。なお、
ここで言う故障とは主としてはんだ層のクラック発生、
或いは部分的＠離を生じたものである。

又、第５図において、８冨が５００５ｍ’以下の場合、
上記の故障こそ発生しなかつ九が、金属支持部材の変形
を測定してみたところ、本実施例のものの長手方向のそ
シの高さは約−２０μｍであったのに対し、従来例のも
のは約＋ａ３〜Ｌ５■にもなっていた。このこと鉱、金
属支持部材と枠或いは蓋との間にすきを生じる−ので、
半導体装置の密封性に障害とな〉、ひいては耐湿性の点
で支障をきたす原因となるものであシ、さらに１金属支
持部材と外部放熱フィン等との取付面にもすき間が生以
放熱性が低下される原因となる−のである。しかるに、
本実施例のものは変形が小さいことから上記の虞れは全
くないという効果を有してめる。

なお、上記実施例において、金属支持部材として熱膨張
係数がアルｉナ板と近似され九複合金属板を用いて、混
成ＩＣＯ傭頼性をより高めたものである。しかし、複合
金属板上に直接接着され九半導体基体の保護、半導体基
体と複合金属板とＯ閣のろう材（半導体基体の通電、放
熱％性を左右する）の劣化防止を達成するという観点か
らは、金属支持部材として複合金属板以外Ｏ金属、ｈえ
ば鋼板等を使用し得る。その場合、そｐを低減するため
にさらに厚いもＯがｉｌましい。

又、金属支持部材及び複合金属板のはんだ付は面に、は
んだのぬれ性を良くするためにニッケルや銀等の金属膜
をめっき法辱によｐ形成しておくのは好ましいことであ
る。

次に、上述し九実施例の変形例について列記する。

まず、無機質絶縁部材としては、アル電すの外、窒化ア
ル１＝ウム（ムＡＮ）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化シリコ
ン（８４ｓ　Ｎ４　）、炭化シリコン（８ｉＣ）、酸化
ベリ１７ウム（Ｂｅｄ）等或いはこれらを成分として含
む焼結体等が使用できる。

複合金属板としては、例えば＊ＳＯ金属体として銅の代
シにニッケル、亜鉛、アル建二りム、金銀、パラジウム
等、電気、熱伝導に優れ九金属或いはこれらを主成分と
する合金を使用することができ、これら０ｍ１ｏ金属体
Ｏｊｌ鍬部を包囲して一体化されるＫＮ（Ｄ金属体とし
て鉄−８６％ニッケル合金の代シに鉄−ニッケル系合金
にマンガン、コバルト、クロム、シリコン、タングステ
ン、炭系等を種々の組成比になるように添加され九多元
合金を愛用できる。

なお、複合金属板ｏＲ法としては、前述の冷間圧延法の
外、熱間圧延法や引出し法等を用い得る。

はんだとしては、鉛−６０％錫の組成の外、例えば鉛−
５％錫のもの或いはこれらに第８成分として銀、インジ
ウム等を含むものが使用できる。

その厚さもαｌ簡に限られず、それよシ厚くても薄くて
も良い。一般にはんだ層が厚いと熱歪を良く吸収するが
、はんだそのものの熱伝導率がさほど鳥くないことから
、混成ＩＣＯ熱放歇性が低下される。つｔ、ｂ上述の実
施例のように複合金属板を使用することによって熱歪の
発生を抑制し得ることから、はんだ層の厚さを効果的に
減少させることができ、混成ＩＣの放熱効果を高め得た
のである。

次に、複合金属板上に載置される半導体基体の徨類及び
回路構成については、任意の半導体素子（シリコン以外
の半導体を用いたものを含む）及び回路について適用で
龜、この際複合金属板とこれを載置するセラミクス板は
略同等の面積にはならす、伺えばセラミクス板上に複合
金属板及び同複合金属板と電気的に絶縁されながら搭載
され九個の金属板を有するような場合についても適用で
きることは言うまでもない。

以上説明しえように、本発明によれば、熱歪を低減して
各部材の変形及び熱疲労現象を防止で舞るという効果が
ある。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１

【図面の簡単な説明】

第１図は説明の丸めの複合金属板の１例を示しくＡ）は
平面図、（Ｂ）は断面図、第２１１は本発明の一実施例
の混成ＩＣの俯緻図、第３図は第２図図示実施例の回路
構成図、第４ｗＡは第８図図示実施例の要部断面図、第
ｓＷＡは絶縁部材の面積と故障発生率の関係を示すｉＩ
ｗＡである。 １１−−・支持部材、１２−・・絶縁部材、１３・・・
複合金属板、１４．１５−）う／ジスタ、１６・・・ダ
イオード、１１１−１１１金属体、１１２−第２金属体
、２５ 第１図 （Ａ） （Ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体と絶縁部材とが金属板を介して各各金属
   ろうによシ接着され九構造を有する半導体装置において
   、前記金属板は平Ｗ状の第１金属体とＩｌ＊第１金属体
   の周縁部に一体形成された少なくとも一重の環帯状第２
   金属体とから成る被合金属板であることを特徴とする半
   導体装置。 ２、半導体基体が金属板を介して絶縁部材の一方の面と
   金属ろうによシ接着され、前記絶縁部材の他面が支褥部
   材に金属ろうによシ接着され九構造を有する半導体装置
   にシｉて、前記金属板及び前記支持部材線各々の平板状
   の＃Ｉｌ金属体と該第１金属体の周縁部に一体形成され
   九少なくとも一重の環帯状第２金属体とから成る複合金
   属板であることを特徴とする半導体装置。 ３、特許請求の範Ｓ第１項又鉱第２項記載の発明におい
   て、前記複合金属板から成る前記金属板は、熱膨張係数
   が前記半導体基体の熱膨張係数と絶縁部材Ｏ熱膨張係数
   とＯ１′Ｉ４１の値になるように形成されたものである
   ことを特徴とする半導体装置。