JPS5952854A - 絶縁型半導体装置の製法 - 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、半導体基体が絶縁部材上に金鵬板を介して載
置された構造を有する絶縁型半導体装置の製法に関する
。

従来、半導体装置は電極及び熱伝導路を兼ねた金属から
成る支持部材上に、半導体基体が直接載置されたものが
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、電気回路の集積化を図るなど
のためから、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て成る絶縁型半導
体装置が考案されている。

例えば、絶縁型トライアックは双方向性３端子サイリス
タ基体をセラミック板上に載置し、このセラミック板を
金属からなるパッケージにｌ入し、トライブックの全て
の電極をセラミック板によりパッケージから絶縁して外
部に引き出した構造を有している。このような絶縁型ト
ライブックは、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。

また、混成集積回路装置或いｔま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、
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としての金机部材とを、電気的に
絶縁しなければならないことがあり、通常、金に楯支持
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
時に発生された熱は、接着層及び絶縁層を介して支持１
）ｔ（材に伝導され、主としてこの支持部材から気中な
とへ放熱されるようになっている。

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ずることから、それらの構
成部材は高い伝熱性と放熱性とを、具えたものでなけれ
ばならない。父、回路電圧の高電圧化或いは、半導体装
置の経時的安定性、耐湿性及び耐熱性などの信頼性を向
上させるためなどから、全体として商い絶縁性が要求さ
れる。

これらのことから、絶縁型半導体装置の構成部材のうち
、パッケージや金属板には、一般に熱伝導や電気伝導に
優れた金属、例えば銅やアルミニウムが用いられ、絶縁
層や接着層には上記金属板と熱膨張係数の近い有機質材
料、例えば絶縁層には面］熱・絶縁性に優れたポリイミ
ド糸Ｊ：ｊＪ脂、また接着層には弗素系樹脂が好適であ
る。この弗素系樹脂は熱可塑性のものであり、その軟化
温度は約２５０Ｃである。

これらの構成部材を用いた絶縁型半導体装置の製造工程
は、絶縁層としてのポリイミド系樹脂の両面に、接着層
としての弗素系６１脂を介在させて、それぞれ支持部利
と金属板とを重ね合わせた後、温度３５０Ｃにて熱処理
して接糸形成させる第１の工程と、このように形成され
たものの金九板上面に、半導体基体を金属ろうにて接着
させる第２の工程とを含んで構成されている。なお、弗
素系樹脂などの樹脂は、一般に無機絶誠月料に比べて熱
伝導率が小さいことから、このような樹脂接着層は可及
的に薄く且つ密着性を高めて良伝熱性を確保すべく、前
記第１の工程の熱処理面に、金属板と支持部材間に一定
の圧力を加える熱圧着法が採用されている。

ところが、第２の工程の半導体基体の接着層は、通常鉛
−６０％錫のはんだ（融点約１８０Ｃ）、或いは鉛−５
％錫のはんだ（融点約３１００）などの金属ろうから成
るはんだ層となっていることから、第１の工程において
形成さ一均た弗素系の樹脂接着層が、再び軟化温度以上
に熱せられ、再軟化されることになる。これによって、
樹脂接着層により機械的に拘束されてい友各部材の相互
位置が、ずれてしまうという欠点があった。

また、樹脂接着層の再軟化によって、前記の密着性が低
下され、伝熱性が悪くなってしまうという欠点があった
。

これらの欠点を解消するため、前記第１と第２の工程順
序を逆することも考えられるが、前述したように樹脂接
着層形成の熱圧着時に、密着性を高めるために３５０Ｃ
に加熱する必要がおり、これによってはんだ層が再溶融
されてしまうことになる。このはんだ層の再溶融によっ
て、半導体基体に含まれているオーム接触用金属成分な
どの異種金属が、はんだ層の金属ろう材中に溶解混入さ
れてしまうということがある。この異種金属の溶解混入
量が多くなると、半導体基体と金属板間の接触抵抗が増
大したｐｌさらに多くなると、それらの接着が不可能に
なってしまうという問題がある。

本発明の目的は、樹脂接着層やはんだ層の再軟化或いは
再溶解による変性を防止させることができる絶縁型半導
体装置の製法を提供することにある。

本発明は、上面に金属箔が形成され下面に半硬化状の熱
硬化性樹脂膜が形成された耐熱性を有する平板状の樹脂
絶縁部材を、支持部材上に載置し抑圧を付与しながら加
熱する第１の工程と、半導体基体を含む回路素子が搭載
される金縞板を前記金属箔面に金属ろうを介して載置し
加熱する第２の工程と、から成る製法とすることにより
、樹脂接着層を再軟化或いはけんだｊ−をμＪ溶融させ
ることなく、伝熱性及び絶縁性に優れ商い信頼性を有す
る絶縁型半導体装置を製造しようとするものである。

即ち、本発明の特徴は、支持部材と絶縁部材との接着層
として熱硬化性樹脂を用いることにより、後の加熱工程
における再軟化を防止させるとともに、絶縁部材と金属
板とをろう付するにあたって、予め絶縁部材面に金属箔
を施してろう付温度を低下させることにより、金属板と
半導体基体等間のはんだ層の再溶８１１１を防止させよ
うとすることにある。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）、　（ｂ）に本発明の一実施例の主要工程
における半導体装置の要部断１ｎ１が模式化されて示さ
れている。

第１図（ａ）の工程に示されたように　ＸＦ３縁部材と
しての絶・家フィルム１は、７５μｍ１１のポリイミド
フィルムから形成されており、その上面には予め、載置
される金属板に対応する領域に５０μｍ厚の＠箔２と、
同じ厚みの銅箔にニッケルメッキを施して成る配線パタ
ーン３とが、エポキシ接着材（図示せず）により接着さ
せて、もしくは他の方法により一体に形成されている。

また、絶縁フィルム１の下面には、樹脂接着層として半
硬化状のエポキシ接着材４が予め塗布されている。この
ように形成された１配線絶縁フーイルム５を、支持部材
としての放熱６の平面部６ａ上に載置し、それらの間に
押圧（１００Ｋｑ／ｌｙｎ”　　）を付与しながら、温
度１６０Ｃの空気牙囲気中にて５分間加熱して接着させ
る。なお、押圧力は０．　Ｉ　Ｋｑ　／　ｃｍ　２とし
たが、さらに高圧（例えば、３０１＜ｇ／ｃｍ２程度）
にすれば密着度が一層高められるので好ましい。また、
加熱温度はエポキシ接着材４の硬化速度全左右するもの
でｉ５　Ｆ）　、例えば１２０Ｃにすれば３０分程度、
２５０Ｃにすれは１程度度の処理時間となる。

次に、第１図（ｂ）に示されたように、予め半導体基体
７が第１のはんだ層（、ｌ・１１−５　’Ｖｎ錫−Ｊ、
５ツ）候）８によって接着されている金ｈ−１１板９を
、銅箔２上にはんだ（鉛−６％錫）を介して載置した後
監度２５０Ｃにて５分間加熱して第２のはんだ層１０を
形成させ１．金属板９と姉ｌ消２とを接着させる。

なお、このはんだ付けの工程は、フランクスニヨる揚台
は空気中にて行うことができ、フラックスによらない場
合は水、、雰囲気若しくは不活曲ガス雰囲気にて行うの
がよい。また、複数の半導体基体７を含め他の回路素子
（図示せず）を同時にはんだ付けすることが望ましい。

従って、上記した実施例製法によれば、樹脂接着層とし
てのエポキシ接着材４が熱硬化性のものであるから、第
１図（ａ）の工程において硬化されると、以後の工程に
加熱工程が含まれていても、樹脂接着層が再軟化される
ということがなくなる。

また、金属板９を絶縁フィルム１上に接着させるにあた
って、その金属板９が載置される絶縁フィルム面に、銅
箔２をエポキシ接着材などの如き再熱処理に影響されな
い接着手段で形成し、この銅箔２と金属板９とを第２の
はんだ層により接着させていることから、金属同志のは
んだ付けとなり、これによって、低融点のはんだを適用
することができ、しかもぬれ性が高いことから、絶縁フ
ィルムと金属板との密着性が著るしく向上される。

さらに、第２のはんノビ層１０が低融点化されたことか
ら、前記第１のはんだ層８に高融点のものを用いれば、
第２のはんだ層１０の熱処理工程において第１のはんだ
層８が再溶融されるということがなくなる。

なお、逆に第２のはんだ層１０を形成した後、第１のは
んだ層８の熱処理を施すと、第２のはんだ層１０が再溶
融されることになるが、この場合にあっても、はんだの
表面張力によって、銅箔２と金属板９との相対位置すれ
ば防止されるようになる。

第２図に、本発明によって形成された、絶縁型半導体装
置の一実施例の斜視図が示されており、これは第３図に
示された回路構成？有する６００Ｗ級の、電流制御用混
成集積回路装置である。なお、図中第１図図示実施例と
、同一機能構成を有する部材には、同一符号が付されて
いる。

第２図において、支持部ｌｌＡとしてのアルミニウムか
ら成るヒレ付き放熱フィン６の平面部６ａ上に、１枚に
形成された絶縁部材としての絶縁フィルム１が接着され
、この絶縁フィルム１上表面に選択的に形成された銅箔
２に、６枚の金属板９が夫々接着さ化１金属板９上には
発熱素子であるダ−リントントランジスタペレット７が
夫々接着載置され、また絶縁フィルム１上にはもう１つ
の発熱素子となるセメント抵抗１１が搭載されている。

前記各々の素子は絶縁フィルム１上に選択的に形成され
た銅箔からなる配線パターン３と金属細線１２．１３に
よって電気的に接続され、第３図に示す回路が形成され
ている。なお、第２図では図面の簡単化のために各部材
間の接着層は図示されていない。また、配線パターンの
終端部にはこの回路を駆動するための制御回路と接続す
るための端子が取付けられているが、図中では省略され
ている。

なお、各部材の形状寸法等は、放熱フィン６は幅９８Ｂ
×長さ１００鰭×高さ２５ｍｍ、絶縁フィルム１は幅７
５朗×長さ８０ｍｍ、銅箔２は厚さ５０μｍ１配線パタ
ーン３は厚さ５０μｍ銅箔（表面ニッケルメッキ処理）
、金属板９は幅１５＋ｍＸ長さ１５闘×厚さ２謔銅板、
銅箔２と金属板９間のはんだ層は鉛−６０％錫、金属細
線１２゜１３は直径３００μｍアルミ線である。

このように形成された混成ＩＣの、トランジスタペレッ
ト７から放熱フィン６に至る間の熱抵抗は１．８Ｃ／Ｗ
であった。これは従来の弗素系樹脂を接着材としたもの
の熱抵抗２．５Ｃ／Ｗに比較して、十分に低減されてお
り、放熱性即ち接着部の密着性が格段に向上され友こと
を示している。

また、位置ずれ等に起因する不良発生率においても、従
来製法によるものは２．５％であったのに対し、本実施
例によれば０．１％以下に低減させることができ、歩留
りの向上が達成された。

さらに、トランジスタペレット７と金属板９間に形成さ
れたはんだ層が再溶融されることがないので、不良の発
生を完全に防止させることができた。

さらにまた、−５５ｔ：’〜＋１５０Ｃの温度サイクル
を１０００回経験させても、熱抵抗は前記初期値と同等
であった。このことは、本実施例接着部に熱歪による破
壊ないしは変性が生じていないことを意味するものであ
り、信頼性の点でも実用上の支障を持ｔないことが確認
された。

なお、上記各実施例で、銅箔２、配線パターン３はポリ
イミドの絶縁フィルム１と、エポキシ接着材により一体
化させているが、接着材を介さずに直接一体化させても
よく、また材質も銅箔に限られるものではなく、例えば
ニッケル、アルミニウムのような金属であってもよい。

金属板９は銅以外のニッケル、アルミニウム、モリブデ
ン等の金属であってもよい。放熱フィン６もアルミニウ
ム以外の金属例えば銅のようなものであってよい。

なおまた、金属板９上に載置される半導体基体は、あら
かじめパッケージに封入された個別型半導体装置であっ
てもよいし、ダイオード、サイリスタ動作をする半導体
基体であってもよい。

以上説明し友ように、本発明によれば、製造過程におけ
る変性を防止させることができ、信頼性及び歩留りを向
上させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明の一実施例の工程図、
第２図は本発明製法の適用された絶縁型半導体装置の一
実施列の斜視図、第３図４第２図図示半導体装置の回路
構成図である。 １・・・絶縁フィルム、２・・・銅箔、３・・・配線パ
ターン、４・・・樹脂接着層、６・・・放熱フィン、７
・・・半導体基体、８・・・第１のはんだ層、９・・・
金属板、工ｏ・・・第２のはんだ層。 茅１目 茅２目

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、上面に金属箔が形成され下面に半硬化状の熱硬化性
   樹脂膜が形成された耐熱性を有する平板状の樹脂絶縁部
   材を、支持部材上に載置し押圧を付与しながら加熱する
   第１の工程と、半導体基体を含む回路素子がはんだ層を
   介して搭載されたあるいは搭載される金楓板を前記金属
   箔面に金属ろうを介して載置し加熱する第２の工程と、
   を含んで成る絶縁型半導体装置の製法。