JPS5929142B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
- Publication number
- JPS5929142B2 JPS5929142B2 JP3986377A JP3986377A JPS5929142B2 JP S5929142 B2 JPS5929142 B2 JP S5929142B2 JP 3986377 A JP3986377 A JP 3986377A JP 3986377 A JP3986377 A JP 3986377A JP S5929142 B2 JPS5929142 B2 JP S5929142B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal plate
- silicon substrate
- main electrode
- semiconductor element
- plate
- Prior art date
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- Expired
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、半導体素子と支持金属板を主電極により圧
接挾持する半導体装置に関するものである。
接挾持する半導体装置に関するものである。
一般、大電力用の半導体素子は、モリブデンあるいはタ
ングステン等の支持金属板に、アルミニウム等の高融点
ろう材を用いて合金付けを行うことにより、半導体素子
中に発生する熱を支持金属板中に放熱するようにしてい
る。
ングステン等の支持金属板に、アルミニウム等の高融点
ろう材を用いて合金付けを行うことにより、半導体素子
中に発生する熱を支持金属板中に放熱するようにしてい
る。
すなわち、第１図で示すように、ＰＮ接合が形成された
ダイオードあるいはサイリスタ等のシリコン基板１は、
アルミニウム合金層２を介して支持金属板３にろう接さ
れている。なお、シリコン基板１表面にはアルミニウム
層４が蒸着等で形成されて、電極が作られている。そし
て、前記シリコン基板１と、これにろう接された支持金
属板３は、第２図にその断面を示すように、アルミニウ
ム層４および支持金属板３側に、例えば銅で作られた主
電極体５および６が、この主電極体５、６とアルミニウ
ム層４及び支持金属板３と接触熱抵抗を減少させるべく
図示の如く薄い銀板Ｔを介してそれぞれ圧接されている
。前記主電極体５および６は、環状絶縁体８により保持
され、これらはそれぞれ銅などによつて作られたダイヤ
フラム９および鉄あるいは鉄ニッケル合金等によつて作
られた溶接フランジ１０、１σを介して一体となつてい
る。このように構成した半導体装置１００は、主電極体
５、６を外部冷却体に固定して用いられる。一方、近年
に於ては半導体素子の大電流・高耐圧化が進み、シリコ
ン基板１の厚みが１ｕ〜１．５ｎ）直径が６０〜８０ｎ
にも及ぶようになり、このシリコン基板１を支持金属板
３にろう接するとき、前記シリコン基板１の周縁部に大
きなストレスが生じて、素子の電気的特性を悪化させて
しまう。
ダイオードあるいはサイリスタ等のシリコン基板１は、
アルミニウム合金層２を介して支持金属板３にろう接さ
れている。なお、シリコン基板１表面にはアルミニウム
層４が蒸着等で形成されて、電極が作られている。そし
て、前記シリコン基板１と、これにろう接された支持金
属板３は、第２図にその断面を示すように、アルミニウ
ム層４および支持金属板３側に、例えば銅で作られた主
電極体５および６が、この主電極体５、６とアルミニウ
ム層４及び支持金属板３と接触熱抵抗を減少させるべく
図示の如く薄い銀板Ｔを介してそれぞれ圧接されている
。前記主電極体５および６は、環状絶縁体８により保持
され、これらはそれぞれ銅などによつて作られたダイヤ
フラム９および鉄あるいは鉄ニッケル合金等によつて作
られた溶接フランジ１０、１σを介して一体となつてい
る。このように構成した半導体装置１００は、主電極体
５、６を外部冷却体に固定して用いられる。一方、近年
に於ては半導体素子の大電流・高耐圧化が進み、シリコ
ン基板１の厚みが１ｕ〜１．５ｎ）直径が６０〜８０ｎ
にも及ぶようになり、このシリコン基板１を支持金属板
３にろう接するとき、前記シリコン基板１の周縁部に大
きなストレスが生じて、素子の電気的特性を悪化させて
しまう。
また、直径が大きくなることによりシリコン基板１と支
持金属板３との熱膨張率の相違から生ずる変形が大きく
なり、主電極体５、６とアルミニウム層４及び支持金属
板３との間に隙間が生じることとなり、接触熱抵抗が増
大することになるため、それを防止するために、主電極
体５、６の圧接を強化しなければならず、これに伴つて
装置が大型化してしまう。なお、シリコン基板１の周縁
部に生じるストレスを軽減させるために、支持金属板３
の厚みを減少させることも考えられるが、このようにす
るとシリコン基板１と支持金属板３との変形が極めて大
きくなり、これを主電極体５、６の圧接により防ごうと
すると、シリコン基板１にクラックが発生してしまう。
持金属板３との熱膨張率の相違から生ずる変形が大きく
なり、主電極体５、６とアルミニウム層４及び支持金属
板３との間に隙間が生じることとなり、接触熱抵抗が増
大することになるため、それを防止するために、主電極
体５、６の圧接を強化しなければならず、これに伴つて
装置が大型化してしまう。なお、シリコン基板１の周縁
部に生じるストレスを軽減させるために、支持金属板３
の厚みを減少させることも考えられるが、このようにす
るとシリコン基板１と支持金属板３との変形が極めて大
きくなり、これを主電極体５、６の圧接により防ごうと
すると、シリコン基板１にクラックが発生してしまう。
また、主電極体５，６と電気的接続される電極４および
支持金属板３との間に、この部分における熱抵抗を減少
させるための薄い銀板７が介在されているために、この
薄い銀板７は貴金属であるためコストが大幅に増大して
しまう欠点を有している。
支持金属板３との間に、この部分における熱抵抗を減少
させるための薄い銀板７が介在されているために、この
薄い銀板７は貴金属であるためコストが大幅に増大して
しまう欠点を有している。
したがつて、本発明の目的は、半導体素子に変形が生じ
る場合においても主電極体との接触を良好にし、これに
より電気・熱的特性の劣化防止するとともに、低コスト
の半導体装置を提供するものである。
る場合においても主電極体との接触を良好にし、これに
より電気・熱的特性の劣化防止するとともに、低コスト
の半導体装置を提供するものである。
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
第３図は本発明に係わる半導体装置の一実施例を示す要
部断面図であり、第２図と同一部分または相当部分は同
一符号を用いてある。同図において、第２図との相違点
は、銀板７の代わりに、シリコン基板１とこれをろう接
した支持金属板３が変形したときに生ずる凹面の最大深
さに相当する厚さ程度で、かつ約２５０℃の熱処理によ
つて焼きなましされたアルミニウム板１１を用いたこと
がある。つまり、シリコン基板１とこれをろう接した支
持金属板３とをアルミニウム板１１を介して主電極体５
，６により圧接挟持したものである。この様にしたこと
により、アルミニウム板１１が軟らかいために圧接力に
より変形するので、凹面側において、支持金属板３の凹
面に密着し且つ主電極体６の平面に密着し、凸面側にお
いて、支持金属板３の凸面に密着し且つ主電極体５の平
面に密着するため、支持金属板３とシリコン基板１は変
形されたままでも接触熱抵抗が増大することはないもの
である。しかも、支持金属板３とシリコン基板１の変形
を無理矢理戻すようにしていないのでシリコン基板１に
悪影響を及ぼさないものである。ところで、シリコン基
板１とこれをろう接した支持金属板３との熱膨張率の差
によつて生ずる変形と、電気的特性を劣化させずに主電
極体５，６を圧接する際の圧接を実験的に調べて見ると
、第４図および第５図のようになるものである。
部断面図であり、第２図と同一部分または相当部分は同
一符号を用いてある。同図において、第２図との相違点
は、銀板７の代わりに、シリコン基板１とこれをろう接
した支持金属板３が変形したときに生ずる凹面の最大深
さに相当する厚さ程度で、かつ約２５０℃の熱処理によ
つて焼きなましされたアルミニウム板１１を用いたこと
がある。つまり、シリコン基板１とこれをろう接した支
持金属板３とをアルミニウム板１１を介して主電極体５
，６により圧接挟持したものである。この様にしたこと
により、アルミニウム板１１が軟らかいために圧接力に
より変形するので、凹面側において、支持金属板３の凹
面に密着し且つ主電極体６の平面に密着し、凸面側にお
いて、支持金属板３の凸面に密着し且つ主電極体５の平
面に密着するため、支持金属板３とシリコン基板１は変
形されたままでも接触熱抵抗が増大することはないもの
である。しかも、支持金属板３とシリコン基板１の変形
を無理矢理戻すようにしていないのでシリコン基板１に
悪影響を及ぼさないものである。ところで、シリコン基
板１とこれをろう接した支持金属板３との熱膨張率の差
によつて生ずる変形と、電気的特性を劣化させずに主電
極体５，６を圧接する際の圧接を実験的に調べて見ると
、第４図および第５図のようになるものである。
すなわち、第４図は、直径６５１１１厚さ１ｍ１のシリ
コン基板と、直径６５１ｎＬ１厚さ１１！１１１！，２
１』３ｍｍ，４１１の支持金属（モリブデン）板を順次
選択し、それぞれ直径６５１１１厚さ２０μｍのアルミ
ニウム板を介在して真空中で約６２０℃で合金化したと
きの支持金属板の変形状態を示したものである。なお、
ここで述べる変形量（そり量）は、変形によつて生ずる
凹面の最大深さを示す。第５図は、このような変形をな
くすために、必要な圧接力を厚み１１１１，２ｍ』３露
１，４ｍｍの支持金属板ごとに示したものである。これ
らの実験結果より、支持金属板の厚さが４詣のものにつ
いて考察すると、支持金属板の変形量は５５μｍとなつ
ており、この変形をなくすには９３ｋｇ／Ｃ７ｌ以上の
圧接力が必要となる。
コン基板と、直径６５１ｎＬ１厚さ１１！１１１！，２
１』３ｍｍ，４１１の支持金属（モリブデン）板を順次
選択し、それぞれ直径６５１１１厚さ２０μｍのアルミ
ニウム板を介在して真空中で約６２０℃で合金化したと
きの支持金属板の変形状態を示したものである。なお、
ここで述べる変形量（そり量）は、変形によつて生ずる
凹面の最大深さを示す。第５図は、このような変形をな
くすために、必要な圧接力を厚み１１１１，２ｍ』３露
１，４ｍｍの支持金属板ごとに示したものである。これ
らの実験結果より、支持金属板の厚さが４詣のものにつ
いて考察すると、支持金属板の変形量は５５μｍとなつ
ており、この変形をなくすには９３ｋｇ／Ｃ７ｌ以上の
圧接力が必要となる。
これは例えば第２図にしめすようにシリコン基板１と支
持金属板３とを平面状態にして構成した場合に必要とさ
れる圧接力が３３００ｋｇとなるものである。これに対
して、本実施例のように軟らかいアルミニウム板１１を
用いてこのアルミニウム板１１の塑性変形を利用して第
３図に示したもののように構成した場合には１１００１
＜ｇですむものであつた。このことはすなわち、２５０
℃以上の熱処理で焼きなましされたアルミニウム板は、
１０ｋ９／Ｃｄ以下の圧接力で塑性変形するためであり
、シリコン基板１と支持金属板３とのそりをなくす必要
がないことによるものである。この結果、シリコン基板
１にクラツクが生じない。また、主電極体５，６との電
気・熱的な接触抵抗も小さくすることができる。さらに
、アルミニウムは貴金属である銀と比べて廉価であるこ
とから低コスト化を図ることができる。また、圧接力を
小さくすることができることから、主電極体５，６の支
持機構が従来と比戟して極めて簡単になり、装置の小型
化を図ることができる。なお、本実施例においては、ア
ルミニウム板１１の厚さをシリコン基板１とこれをろう
接した支持金属板３が変形した時に生ずる凹部の最大深
さに相当する寸法としたが、主電極体５，６の圧接力の
増大が許せば実験よりシリコン基板の最大そりの１／２
以上であれば何等問題はない。
持金属板３とを平面状態にして構成した場合に必要とさ
れる圧接力が３３００ｋｇとなるものである。これに対
して、本実施例のように軟らかいアルミニウム板１１を
用いてこのアルミニウム板１１の塑性変形を利用して第
３図に示したもののように構成した場合には１１００１
＜ｇですむものであつた。このことはすなわち、２５０
℃以上の熱処理で焼きなましされたアルミニウム板は、
１０ｋ９／Ｃｄ以下の圧接力で塑性変形するためであり
、シリコン基板１と支持金属板３とのそりをなくす必要
がないことによるものである。この結果、シリコン基板
１にクラツクが生じない。また、主電極体５，６との電
気・熱的な接触抵抗も小さくすることができる。さらに
、アルミニウムは貴金属である銀と比べて廉価であるこ
とから低コスト化を図ることができる。また、圧接力を
小さくすることができることから、主電極体５，６の支
持機構が従来と比戟して極めて簡単になり、装置の小型
化を図ることができる。なお、本実施例においては、ア
ルミニウム板１１の厚さをシリコン基板１とこれをろう
接した支持金属板３が変形した時に生ずる凹部の最大深
さに相当する寸法としたが、主電極体５，６の圧接力の
増大が許せば実験よりシリコン基板の最大そりの１／２
以上であれば何等問題はない。
つまり、少なくとも凹部の最大深さを埋める分だけのア
ルミニウム板１１で良いものである。なお、シリコン基
板１の直径が１５ｍ１以上の大電力用の半導体素子の場
合には、電気的特性から上記圧接力を１００１＜ｇ／Ｃ
ｆｉｌ未満にすることが望ましいという実験結果を考慮
して、各素子の種類によつてアルミニウム板１１の厚さ
が設定される。また、本実施例では、従来の貴金属であ
る銀板のかわりにアルミニウム板を用いたものであるが
、本発明はこれに限定されるものではなく、上記したよ
うに素子の電気的特性の面から圧接力が１００ｋ９／０
ｆ１Ｌで塑性変形できる軟らかさのもの、言い換えれば
ビツカース硬度４０Ｈｖ以下の非鉄金属であればよく、
例えばカドミウム、銅、インジウム、鉛、スズ、亜鉛そ
れぞれの単一金属またはアルミニウムを含んで上記単一
金属を主成分とする合金材料を使用しても同様な効果が
得られるものであり、要はビツカース硬度４０Ｈｖ以下
で加工性および展延性に優れ、且つ結晶構造が面心立方
格子あるいは面心正方格子である非鉄金属であれば同様
の効果を有するものである。
ルミニウム板１１で良いものである。なお、シリコン基
板１の直径が１５ｍ１以上の大電力用の半導体素子の場
合には、電気的特性から上記圧接力を１００１＜ｇ／Ｃ
ｆｉｌ未満にすることが望ましいという実験結果を考慮
して、各素子の種類によつてアルミニウム板１１の厚さ
が設定される。また、本実施例では、従来の貴金属であ
る銀板のかわりにアルミニウム板を用いたものであるが
、本発明はこれに限定されるものではなく、上記したよ
うに素子の電気的特性の面から圧接力が１００ｋ９／０
ｆ１Ｌで塑性変形できる軟らかさのもの、言い換えれば
ビツカース硬度４０Ｈｖ以下の非鉄金属であればよく、
例えばカドミウム、銅、インジウム、鉛、スズ、亜鉛そ
れぞれの単一金属またはアルミニウムを含んで上記単一
金属を主成分とする合金材料を使用しても同様な効果が
得られるものであり、要はビツカース硬度４０Ｈｖ以下
で加工性および展延性に優れ、且つ結晶構造が面心立方
格子あるいは面心正方格子である非鉄金属であれば同様
の効果を有するものである。
以上述べたように、本発明に係わる半導体装置によれば
、主電極体間に圧接される半導体素子に変形が生じても
、小さな圧接力で主電極体との接触を良好にし、これに
より電気・熱的特性の劣化を防止するとともに、低コス
ト化を図ることができる等の種々の優れた効果を有する
。
、主電極体間に圧接される半導体素子に変形が生じても
、小さな圧接力で主電極体との接触を良好にし、これに
より電気・熱的特性の劣化を防止するとともに、低コス
ト化を図ることができる等の種々の優れた効果を有する
。
第１図はシリコン基板とこれにろう接される支持金属板
を説明するための断面図、第２図は従来の半導体装置の
一例を示す断面図、第３図は本発明に係わる大電力用の
半導体装置の一実施例を示す断面図、第４図および第５
図はシリコン基板と支持金属板との熱膨張率の差によつ
て生ずる変形および圧接力を示す図である。 図において、１・・・・・・シリコン基板、２・・・・
・・アルミニウム合金層、３・・・・・・支持金属板、
４・・・・・・アルミニウム層、５，６・・・・・・主
電極体、８・・・・・・絶縁体、９・・・・・・ダイヤ
フラム、１０，１５・・・・・・溶接フランジ、１１・
・・・・・アルミニウム板。
を説明するための断面図、第２図は従来の半導体装置の
一例を示す断面図、第３図は本発明に係わる大電力用の
半導体装置の一実施例を示す断面図、第４図および第５
図はシリコン基板と支持金属板との熱膨張率の差によつ
て生ずる変形および圧接力を示す図である。 図において、１・・・・・・シリコン基板、２・・・・
・・アルミニウム合金層、３・・・・・・支持金属板、
４・・・・・・アルミニウム層、５，６・・・・・・主
電極体、８・・・・・・絶縁体、９・・・・・・ダイヤ
フラム、１０，１５・・・・・・溶接フランジ、１１・
・・・・・アルミニウム板。
Claims (1)
- １ 半導体素子と、この半導体素子がろう付けされた支
持金属板と、この半導体素子と支持金属板を圧接挾持す
る主電極とを有し、上記主電極による半導体素子と支持
金属板の圧接圧力が１００ｋｇ／ｃｍ＾２未満である半
導体装置において、上記主電極体と半導体素子との間あ
るいは主電極体と半導体素子との間の少なくとも一方に
、ビツカス硬度４０Ｈｖ以下の軟らかい非鉄金属からな
り、その厚さが上記半導体素子の最大そりの１／２以上
である金属層を設けたことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3986377A JPS5929142B2 (ja) | 1977-04-06 | 1977-04-06 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3986377A JPS5929142B2 (ja) | 1977-04-06 | 1977-04-06 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS53124975A JPS53124975A (en) | 1978-10-31 |
| JPS5929142B2 true JPS5929142B2 (ja) | 1984-07-18 |
Family
ID=12564796
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3986377A Expired JPS5929142B2 (ja) | 1977-04-06 | 1977-04-06 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5929142B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6025899Y2 (ja) * | 1980-07-14 | 1985-08-03 | 日本電気株式会社 | 電力用半導体装置 |
| JPH0693468B2 (ja) * | 1988-08-09 | 1994-11-16 | 株式会社東芝 | 圧接平型半導体装置 |
-
1977
- 1977-04-06 JP JP3986377A patent/JPS5929142B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS53124975A (en) | 1978-10-31 |
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