JPS59186332A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS59186332A
JPS59186332A JP58059303A JP5930383A JPS59186332A JP S59186332 A JPS59186332 A JP S59186332A JP 58059303 A JP58059303 A JP 58059303A JP 5930383 A JP5930383 A JP 5930383A JP S59186332 A JPS59186332 A JP S59186332A
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JP
Japan
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metal
thermal expansion
solder layer
loop
copper
Prior art date
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Pending
Application number
JP58059303A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasutoshi Kurihara
保敏 栗原
Tadashi Minagawa
皆川　忠
Komei Yatsuno
八野　耕明
Takayuki Wakui
和久井　陽行
Michio Ogami
大上　三千男
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体基体がそれ全支持するための支持部材上
に４電的に又は絶縁して載置された構造の半導体装置に
関する。
〔発明の背景〕
従来、半導体装置の支持部材は半導体装置の−電極を兼
ねる場合が多かった。このため、半導体基体は支持部材
上に導電的に接着される必要があり、例えば鉛−錫系は
んだの如き金属ろうを用いて接着されていた。又、半導
体装置が作動する際には電力損失が避けられず、これに
伴ない半導体基体に発熱が生ずる。半導体装ｔｔ’ｒ安
全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動作時
に生ずる熱をパッケージ外部に有効に元散さぜる必妥が
ある。との熱放散は通常、発熱源である半導体基体から
これと連なる各部材を通じ気中へ熱体等されることで達
成される。との熱伝導経路の主要部には上述の金属ろう
で接着された部分や支持部材を含む。
又、上述の支持部材は半導体装置の一電極を兼ねると同
時に主要な放熱路を兼るため、上述の接沼部は導電的か
つ堅牢、緻密に形成されていなければならない。
この場合、次のような解決しなければならない問題点が
あった。一般に、半導体装置スは、支持都椙として例え
ば銅の如き低抵抗、高熱伝導性を有する材料が選ばれる
。ところが、この金属と半導体基体とは熱膨張係数が大
幅に異なる。例えば半導体がンリｊンの場合熱膨張係数
は３．５　Ｘ　１０−’／Ｃであるのに対して、銅の熱
膨張係数は１８×１０−６／ｒ　と非常に太きい。この
場合の間糧点は、この柚子導体装置の使用時に生ずるこ
とである。
即ち、半、！す体装置の通電、休止の繰返し動作に伴な
って、上述の接着部には高温状態（約１００〜１５０Ｃ
）と低温状態（周囲温度）が繰返し訪れる。とのよ″）
な高温−低温の繰返しくその１周期音ヒートザイクルと
呼ぶ）毎に、各部材はそれらに固有の熱膨張係数に従っ
て膨張、収縮を繰り返す。谷部相は互に固着されている
から、各部材の熱膨張係数の違いに基ずく膨張、収縮量
の差は、最も軟かい部洞であるはんだ層に加わる熱歪と
なって秘１．れる。そして、ヒートザイクル故が多くな
ると、はんだ層は引張り歪や圧縮歪の周期的かつ１屯な
る印加により、次第にもろくなり、ついには熱疲労現象
を生ずるに至る。例えばはんたｊ曽にクラックを生じた
り、接着力の低下、電気及び熱伝導性の低下を引き起す
。このような現象ははんだ層の露出端面において顕著で
ある。
上述の問題点全緩和するために、半導体基体と垂直、導
熱のための支持部拐との間に、熱膨張係数が半導体基体
のそれと比較的近似した金属片。
例えばモリブデン片を弁装させることが知られている。
しかし、このような対策は半導体基体の劣化防止には役
立つものの、熱伝導性つまり放熱性の低下をまぬがれ得
ない。更に、モリツブ／やタングステン等の金属片は簀
源的にも貝重な午属でるり、半導体装置の、製品コス）
ｋ高める要因になる。
以上に、従来の半導体装置の問題点を、半？Ｈ体基体が
支持部制上に導電的に接着されｌｃ、非絶縁型半導体装
置を用いて説明した。一方、近年半導体装置の全ての電
極を全極支持部材から電気的に絶縁し、もって半導体装
置の回路適用上の目出度を増した構造が提案されている
。例えば、双方向性３端子ザイリスタ（トライブック）
基体全セラミックス板上に載置し、このセラミックス板
を金属パッケージに個人してなる絶縁型トライアックで
は、トライアックの全ての電極はセラミックス板により
パッケージと絶縁されて外部へ引出される。そのために
、一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている便用
例であっても、電極電位とは無関係にパッケージ全接地
電位部に固定できるので、半導体装置の実装が容易にな
る。又、混成集積回路装置あるいは半導体モジュール装
置（以下混成ＩＣと一括して略称する）では、一般に半
得体系子會含むあるまとまった電気回路が組込壕れるた
め、その回路の少なくとも一部と混成ＩＣの支持部材と
を電気的に絶縁する必豊かある。代表的カ混成ＩＣでは
、金属の支持部材上に無機質あるいは有機質の絶縁層を
配置し、この絶縁層上に所定の電気回路を組み立てるこ
とにより、上述の絶縁を１！４成している。
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
板としては例えば銅の如き低抵抗、高熱伝導性を有する
材料が選ばれる。このような絶縁型半導体装置も寸た半
導体装置の一種であシ、このような装置においても、上
述した非絶縁型半導体装置と本質的に同じ接着部に関係
する問題点’ｔ［している。これは、非絶線型半導体装
置における半導体基体と支持部相間の熱疲労の問題は、
絶縁型半導体装置における半導体基体と金属板間にもあ
てはまるからである。
〔発明の目的〕
本発明の目的は上述の問題点を解決し、運転時に接着部
に生ずる熱歪全低減し、変性おるいは破損の恐れがない
改善された半導体装置を提供する点にある。
〔発明の概要〕
本発明半導体装置の％徴とするところは、半纏体基体と
、該半寺体基体全搭載する金属支持部材とを接着する金
属ろう層中に異種の２以上の金属層が互いに直接接着さ
れた槙層梅造を有する複合金属から成りかつループ状に
成形された金属部材を配置した点にある。
本発明における金属支持部材は、半導体装置が非絶縁型
の場合半導体基体に対する導電路及び半導体基体で発生
した熱全外部へ直接放散させる放熱板を兼ねるものであ
り、そして絶縁型の場合半ノ専体基体に対する導電路及
び半導体基体で発生した熱を絶縁部材へ効果的に伝達す
るための熱拡散板として働らく。
本発明における中央部に切欠部を有するループ状をなし
かつ熱膨張係数が調節された複合金属からなる金属部材
は金属ろう層の劇ヒートサイクル性を向上させる働＠全
する。
この点につき史に詳細に説明する。１ず、ループ状金属
部材は、金属支持部材とこの上に搭載される半導体−ｌ
、体との間の金属ろう贋金所定の厚さを保って均一に形
成するだめの厚さ調整用部拐として働らく。本発明者ら
の検討結果では、半導体基体が傾斜したままろう伺けさ
れると、ヒートサイクルが加えられた場合金属ろう層が
薄くなっている部分から熱疲労が急速に進行し、半導体
基体が金属支持部材と平行にろう付けされた場合に比べ
て熱疲労が進行しやすいことが見出された。本発明によ
る半導体装置では、金属ろう層の厚さ全所定の値に保つ
ことが容易であり、金属ろう層の厚さに起因する熱疲労
を抑制できる。
次に、ループ状金属部材は、金属支持部材と半纏体基体
間の熱膨張係数差全緩和する熱膨張整合用部材として働
らく。更に具体的に言えば、上述のループ状金属部材の
全体としての熱膨張係数α１．　ｆ上述の金属支持部材
の熱膨張係数αＭと上述の半導体基体の熱膨張係数αＳ
との間の値に選ぶ。このループ状金属部材は複合金属板
から成り、この全体としての熱膨張係数は、複合金属板
が一般にｎ層から成る場合、各層の素材金属の熱膨張係
数をα＋（Ｃ−’）、縦弾性係数全Ｅｉ（Ｋり７ｇ２）
、厚さｉｔ＋（ｍ）とすれば次式（１）で近似されるも
のである。
本発明においては、制ヒートサイクル性全向上させるた
めにαＬ’ｃαＭとαＢの間に選ぶものであり、特に各
層金属の素材及び厚さを選択することにより熱疲労の抑
制をはかるものである。
〔発明の実／１１！１例〕 以下、本発明全実施例により更に詳細に説明する。
第１図に本発明の一実施例の４５０Ｖ、５０Ａ級トラン
ジスタの賛部断面図を示す。図において、１は長さ５５
朋２幅３５闘、厚さ３配の銅板からなる支持部材であシ
、この支持部材上にシリコントランジスタ基体２（１３
ｍｍＸ１３陥Ｘ０．２５陥）が９３．５％鉛−５％錫−
１．５％銀糸はんだ層３により４祇的に接着されてお９
、このはんだ層３に埋設されるように、ループ状金属部
月４が介装されている。ループ状金属部材４は外寸法１
２．５　ｒｒａｒｌ×１２５咽、内寸法１１．５切Ｘ　
１１．５　＋ｒｔｍ、厚さ０゜０５嘔の薄片である。第
２図は第１図におけるループ状金属部材４は中央部に切
欠部４４ケ有する複合金属板からなり、厚さ０．０２＋
ａ＋（７）鉄−３６％ニッケル合金層４２０両生表面に
厚さ０．０１５η１７＋１の銅層４１及び４３が冷間圧
延法により直接一体化さｎたものである。このループ状
金属部材４の熱膨張係数は約７　Ｘ　１０””　／Ｃで
あシ、銅の熱膨張係数（１８Ｘ１０’″６／Ｃ）とシリ
コンの熱膨張係数＜　３．　ｓ　ｘ　ｔｏ、−’　／Ｃ
）の間の値になっている。
以上説明した本実施例半導体装置によれば、ループ状金
属部材４の存在によシばんだ層３は７０〜８０μｍと均
一な厚さに形成され、しかもループ状金属部材４の熱膨
張係数がシリコンの熱膨張係数より大きく銅のそれより
小さく調整さ扛ているため、トランジスタの運転時に過
大な熱歪が発生するのが抑制され、その結果はんだ層３
の熱疲労が避けることができる。以下、この点について
６兄明する。
第３図は本実施例のトランジスタに断続的に通電して、
支持部材１が＋５０〜＋１５０Ｃの温度変化（ヒートサ
イクル）を生ずるようにしながら、トランジスタ基体２
から支持部材１に至る放熱経路の熱抵抗全追跡した結果
（Ａ）である。同図には、本実施例と同様のトランジス
タであって、ル−プ状金属部材４を用いない構造の結果
（Ｂ）を比較して示す。同図より次が明確である。（１
）本実施例トランジスタの熱放散性（熱抵抗の初期値）
はループ状金属部材４全用いない構造と同等である。（
２）本実施例トランジスタの削ヒートサイクル性１はル
ープ状金属部材４を介さない構造に比べ格段に向上して
いる。即ち、本実施例トランジスタては、放熱性を吾す
ることなく耐ヒートサイクル・註全向上できる。
なお、本実施例構造の場合、トランジスタ基体２と支持
部材ｌの間の周辺部のはんだ層３は、ループ状金属ｔｌ
Ｂ伺４が存在しない中央部より薄くなるのは避けられな
い。しかしこの場合でも、ループ状金属部拐４は０．０
５既と薄くフレキシブル性を保持しているため、ループ
状蛍属部桐４自体も熱歪を吸収する緩衝部材としての役
割を演する。
したがって、はんだ層３の周辺部が薄く形成されること
による熱疲労の進行は、実質的ｅこＣｉあ１り問題には
ならない。
上述したように、ループ状金属部＠４の熱膨張係数は、
索材として用いる金属層の禅類や、θ金の場合にはその
組成比を変えることによりＡ整可能である。又、各金属
層の厚さを俊えることによっても調整可能である。更に
、複合金属板會圧姑法にて形成する時の圧延率を変える
ことによっても調整可能である。例えば、５４％妖−２
９％ニッケルー１７％コバルト合金の相分、圧延しない
ときの熱膨張係数が５．５　Ｘ　１０−６／Ｕ　でりつ
７ζものが、圧延率６０％（厚きが圧延前の４０％にな
る圧延条件）では５　Ｘ　］、　］Ｏ−６／Ｃ、圧延率
９０％では６　Ｘ　１０−６／Ｃに変化した。
ループ状金属部材４における一対の外側金属層４１．４
３は、電気、熱伝導性に優れるという観点で選ばれ、中
間層４２は熱膨張係数がシリコン基体２のそれと近似で
あるという観点から選ばれる。又、本実施例のトランジ
スタを作成するにあたっては、鋼支持部材１上に、はん
だ層３源となるはんだシート（１３咽×１３叫Ｘ　Ｏ，
Ｏ６５陥）、ループ状金属部材４、トランジスタ基体２
會順次積層し、これら積層物を水累万囲気中で３５０Ｃ
に加熱して接着した。この際、はんだ層３源としては１
枚のはんだシートのみであるが、ループ状金属部拐４の
中央部には切欠部が設けられてお９、浴融はんだが容易
に回シ込めるようになっている。
このように、ループ状金属部材４は溶融はんだの流動を
促進させる作用をも崩している。このため、被接着物で
あるトランジスタ２及び銅支持部材１表面にフレッシュ
なはんだ材が供給さ扛る。このことは、はんだ層３のボ
イド低減に有効である。
例えば、本実施例の場合ボイド発生率は１〜３％であっ
た。なお、ループ状金属部材４の表面に、はんだに対す
るぬれ性全付与するためニッケル等の金属膜をめっき法
等により形成しておくのは好ましいことである。
次に、本発明の他の実施列について、第４図を用いて説
明する。第４図に１２００Ｖ、６０Ａ級混成ＩＣの要部
俯敞図を示す。図において、銅板からなる支持板５上に
２枚のアルミナ板６が並んで接着てれ、各アルミナ板上
にアルミナ板と略同形の銅板からなる金属板１がそれぞ
れ接着されている。なお、第４図では図面の簡単化のた
めに各部材間の金属ろう層等は図示されていない。上述
の金属板１上には、第５図に示す回路が組立てられてい
る。即ち、サイリスタ２１　（８ｍｍＸ　８ｍｍＸ０、
３５　ｍ　）　、フライホイル用ダイオード２２（４ｔ
ａｎ　Ｘ　４　潤Ｘ　Ｏ，２５ＴｒＲ）がそれぞれ金属
板１上に導電的に接着されている。各回路素子間は配線
用ワイヤ、配線用金属片７３によって第５図に示す回路
図のように接続されている。７１０１，７１０２及び７
１０３は外部端子であυ、外部端子７１０１は金属板１
上に直接、７１０２および７１０３は金属板１上に接着
された絶縁用アルミナ板８２およびその上に接着された
配線用金属片７３上に設置されている。
さらに、第６図に本実施例混成ＩＣのうち、支持板５か
ら半導体基体としてのサイリスタ２１に至る部分のみの
断面全模式的に示す。図において、支持板５は厚さ３．
２咽の銅板であシ、幅３０瑞。
長さ９２＃の大きさケ有する。支持板５の一方の主表面
には、アルミナ板６が４０％鉛−６０％錫はんだ層３０
１によシ接着されている。はんだ層３０１の厚さは約０
．１朝である。アルミナ板６の接着面には周仰の金属化
層が形成され、はんだに対するぬれ性が付与されている
。アルミナ板６は幅２５闘、長さ３０ｔａｎ＋厚さ０．
３　ｒｒｒｍである。アルミナ板６の」二には、金属板
１がはんだ層３０１と同じ組成、同じ厚さのはんだ層３
０２により接着されている。アルミナ板６のはんだ層３
０２と対向す勺部分には上述と同様の金属化層が形成さ
れている。この金属板ｌは厚さ２ｒｎｍ、幅２２＋＋ｏ
ｎ、長さ２７濶の銅板で構成され、電気的には第１にお
ける支持部材１と等価な作用を持つものである。
金属板１の十にはサイリスタ２１がはんだ層３０１と同
じ組成のはんだ層３０３によシ接着されているが、これ
らの間には複合金属板からなるループ状金属部材４がは
んだ層３０３とともに介装されている。このループ状金
属部材４は、外寸法７．５ＢＸ７．５ｎ＋ｍ、内寸法６
　ｍｍ　Ｘ　６　ｒｒｒｍ　、厚さ０．０７　ｍｍの薄
片であり、厚さ０．０４ｔａｎの６４％鉄−３６％ニッ
ケル合金層の両面に、厚さ０．０１ｍの銅層を直接一体
化した素材から成る。このループ状金属部材の熱膨張係
数は約６　Ｘ　１０−６／Ｃであった。
以上の構成で得られた本実施例混成ＩＣのはんだ層３０
３の厚さは９５〜１００μｍと均一に形成されていた。
第７図は本実施例混成ＩＣのヒートサイクル（支持板５
の温度変化＋５０〜＋１１００）にともなう熱抵抗の推
移（Ａ）である。同図に本実施例と同様の混成ＩＣであ
って、ループ状金属部材４ｆｔ用いない場合の結果（Ｂ
）を示すが、これと比較すると本実施例混成ＩＣの耐ヒ
ートサイクル性が向上していることが明らかである。
次に、本発明の各種変形例について例示する。
本発明は上述した実施例の外、種々の態様にて実施する
ことが可能である。
ループ状金属部材は閉ループを形成する必要はなく、第
８図に示すように閉ループの一部が欠除されているよう
な場合やスパイラル状になっていてもよい。又、ループ
は四角形状である必要はなく例えば円形であってもよい
。ループ状金属部材の成形にあたっては、公知のプレス
打抜き法、化学エツチング法、レーザ切断法を用いるこ
とができる。史に、ループ状金属部材は導電性、導熱性
の観点で選ばれた金属層の両面に、熱膨張係数を半導体
基体に近似させる観点で選ばれる金属層を直接一体化し
た複合金属板であってもよい。コストを富めて導電、導
熱の観点で選択し得る金属としては、銅、アルミニウム
等が好ましく、そして熱膨張係数の観点で選択し得る金
属としては、鉄。
鉄−ニッケル系合金等が好ましい。なお、金属ろうとし
ては上述の鉛−錫はんだの他、これらに第三ｊＪｋ分と
して銀等を含むものも使用できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば熱歪に基ずく金属
ろう接着部の変性あるいは破損の恐れのない改善された
半導体装置を提供するのに効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明半導体装置の一実施例を示す断面図、第
２図はループ状金属部材の構成を示す図、第３図は第１
図の実施例のヒートサイクルと熱抵抗の関係を示す図、
第４図ないし第６図は本発明半導体装置の他の実施例を
示す図、第７図は第６図の一実施例のヒートサイクル数
と熱抵抗の関係を示す図、第８図は本発明に係るループ
状金属部材の変形例を示す図である。 １・・・支持部材、２・・・半導体基体、３・・金属ろ
う層、ｔ５閃 （（１）　　　　　　　（ｂ）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体と、上記半導体基体を搭載する金属支持
    部材と、半導体基体と支持部材と全接着する金属ろう層
    と、上記金属ろう層内に配置され１、Ｎ種の２以上の金
    属層が互いに直接接着された積層構造を有する複合金属
    板から成りかつループ状に成形された金属部材とを具備
    することヲ！ｌ−′ｌ徴とする半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記金属支持部材
    が絶縁部材上に金属ろうにより接着されたこと全％倣と
    する半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記金属部材の熱
    膨張係数が上記半導体基体の熱膨張係数と上記金属支持
    部材の熱膨張係数との間になるように調整されているこ
    とを特徴とする半導体装置。
JP58059303A 1983-04-06 1983-04-06 半導体装置 Pending JPS59186332A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014041876A (ja) * 2012-08-21 2014-03-06 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
JP2018195724A (ja) * 2017-05-18 2018-12-06 三菱電機株式会社 パワーモジュールおよびその製造方法ならびに電力変換装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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