JPS603776B2 - 半導体素子 - Google Patents
半導体素子Info
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- JPS603776B2 JPS603776B2 JP52064720A JP6472077A JPS603776B2 JP S603776 B2 JPS603776 B2 JP S603776B2 JP 52064720 A JP52064720 A JP 52064720A JP 6472077 A JP6472077 A JP 6472077A JP S603776 B2 JPS603776 B2 JP S603776B2
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- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
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Description
本発明は半導体基体とその片側または両側に設けられた
支持電極を具備する半導体素子に関する。 シリコン、ゲルマニウム、金属間化合物などの半導体を
基体とする半導体装置の１つの大きな課題は、装置の運
転時に半導体基体が発生する熱をいかに有効に放出させ
るかということである。 この熱を有効に放散させないと、半導体基体が許容温度
以上に加熱され、漏えい電流の増大、スイッチング電圧
の低下等を招いて機能を発揮しなくなる。上記課題は半
導体基体を電気、熱伝導性の良好な金属、例えば、銅よ
り成る物体の上に配置することで解決できる。しかし半
導体基体と銅とは熱膨脹係数に大きな差があるので、両
者を接合すると熱膨脹係数の差により接合面に応力がか
かり、機械的にもろい半導体基体が破壊してしまう。そ
こで通常は半導体基体の片側または両側に、半導体基体
とほぼ等しい熱膨脹係数を有する材料を支持電極として
設ける。支持電極としては、主としてモリブデン、タン
グステンが使用される。モリブデン、タングステンはシ
リコン、ゲルマニウムにほぼ等しい熱膨脹係数を有し、
しかも熱、電気伝導性が比較的良好なので、この材料を
支持電極に用いると半導体基体に生じる熱を半導体基体
を破壊させることなく有効に放散させることができる。
しかしながら、この種分野における技術の進歩にはめざ
ましいものがあり、現状では半導体材料として新たに金
属間化合物が見出され、また製造プロセスも急激な進展
をとげている。 このため半導体装置の軽量化や小型化が一段と強く叫ば
れるようになっている。このような最近の半導体装置に
おいて、大別して２つの問題点が提起され、解決を目指
して種々研究されている。 第１は支持電極の問題である。即ち、半導体装置を大容
量化するに付随して半導体基体が発生する熱をより効果
的に放散させることが必要になる。このためには支持電
極の表面積を大きくとればよいが、これは半導体装置を
小型化するという要求に逆行する。したがって支持電極
の熱伝導性を高めることが必要になる。支持電極には更
にもう一つの大きな問題がある。 即ち半導体基体例えばシリコンを例にとると、シリコン
の熱膨脹係数は約３．５×１０‐６／℃であり、一方、
通常、支持電極として用いられているタングステンは約
４．４×１０‐６／℃、モリブデンは５．５×１０‐６
／℃である。他方、半導体装置においては、製造時にろ
う付などの高温熱履歴を経る。更に半導体装置製造後の
使用時においても熱が発生し、ある程度の温度履歴を経
る。このような熱履歴において、シリコンと支持電極（
タングステン、モリブデン）との熱膨脹係数差のため、
シリコン基体に曲りを生じてしまう。この現象は大口径
のシリコンを使用する大容量半導体装置になる程生じや
すい。第２の問題点は銅ポストである。鋼ポストの熱膨
脹係数は１６×１０‐６／℃であり、前記タングステン
、モリブデンなどの支持電極の熱膨脹係数との差が大き
いため、上記熱履歴時にシリコンと支持電極の熱膨脹差
のために生じたシリコンの曲りを更に増大してしまう。
これは支持電極を厚くすればある程度防止できるが、こ
れでは熱の放散が悪くなり、また半導体装置の小型化、
軽量化に反する。また鋼ポストの強度は元釆小さく、更
にろう付などの熱履歴のために軟化して極度に強度劣化
しているので、前記支持電極と銅ポストとの熱膨脹差の
ために生じる熱応力により鋼ポストの曲り破壊も生じ易
い。 本発明の目的は、半導体基体に破損を与えることなしに
そこに発生した熱を有効に放散できるようにした半導体
素子を提供するにある。 既に説明したように支持電極としてのタングステン、モ
リブデン及びポストとしての銅は、種々問題点がある。 この根本的対策として、支持電極およびポストを繊維複
合材料で構成することにより顕著な効果が現われること
を本発明者らは見出している。繊維複合材料は周知の如
く、金属中に炭素（Ｃ）、タングステン（Ｗ）、ＳＩＣ
などの繊維を埋め込み、マトリックスとなる金属と繊維
の利点を合わせ持つ材料である。 例えば、一方向に繊維を配列した複合材の強度ひｃは。 ｃＦの・Ｖｒ＋。ｍ（１一Ｖｆ）……
支持電極を具備する半導体素子に関する。 シリコン、ゲルマニウム、金属間化合物などの半導体を
基体とする半導体装置の１つの大きな課題は、装置の運
転時に半導体基体が発生する熱をいかに有効に放出させ
るかということである。 この熱を有効に放散させないと、半導体基体が許容温度
以上に加熱され、漏えい電流の増大、スイッチング電圧
の低下等を招いて機能を発揮しなくなる。上記課題は半
導体基体を電気、熱伝導性の良好な金属、例えば、銅よ
り成る物体の上に配置することで解決できる。しかし半
導体基体と銅とは熱膨脹係数に大きな差があるので、両
者を接合すると熱膨脹係数の差により接合面に応力がか
かり、機械的にもろい半導体基体が破壊してしまう。そ
こで通常は半導体基体の片側または両側に、半導体基体
とほぼ等しい熱膨脹係数を有する材料を支持電極として
設ける。支持電極としては、主としてモリブデン、タン
グステンが使用される。モリブデン、タングステンはシ
リコン、ゲルマニウムにほぼ等しい熱膨脹係数を有し、
しかも熱、電気伝導性が比較的良好なので、この材料を
支持電極に用いると半導体基体に生じる熱を半導体基体
を破壊させることなく有効に放散させることができる。
しかしながら、この種分野における技術の進歩にはめざ
ましいものがあり、現状では半導体材料として新たに金
属間化合物が見出され、また製造プロセスも急激な進展
をとげている。 このため半導体装置の軽量化や小型化が一段と強く叫ば
れるようになっている。このような最近の半導体装置に
おいて、大別して２つの問題点が提起され、解決を目指
して種々研究されている。 第１は支持電極の問題である。即ち、半導体装置を大容
量化するに付随して半導体基体が発生する熱をより効果
的に放散させることが必要になる。このためには支持電
極の表面積を大きくとればよいが、これは半導体装置を
小型化するという要求に逆行する。したがって支持電極
の熱伝導性を高めることが必要になる。支持電極には更
にもう一つの大きな問題がある。 即ち半導体基体例えばシリコンを例にとると、シリコン
の熱膨脹係数は約３．５×１０‐６／℃であり、一方、
通常、支持電極として用いられているタングステンは約
４．４×１０‐６／℃、モリブデンは５．５×１０‐６
／℃である。他方、半導体装置においては、製造時にろ
う付などの高温熱履歴を経る。更に半導体装置製造後の
使用時においても熱が発生し、ある程度の温度履歴を経
る。このような熱履歴において、シリコンと支持電極（
タングステン、モリブデン）との熱膨脹係数差のため、
シリコン基体に曲りを生じてしまう。この現象は大口径
のシリコンを使用する大容量半導体装置になる程生じや
すい。第２の問題点は銅ポストである。鋼ポストの熱膨
脹係数は１６×１０‐６／℃であり、前記タングステン
、モリブデンなどの支持電極の熱膨脹係数との差が大き
いため、上記熱履歴時にシリコンと支持電極の熱膨脹差
のために生じたシリコンの曲りを更に増大してしまう。
これは支持電極を厚くすればある程度防止できるが、こ
れでは熱の放散が悪くなり、また半導体装置の小型化、
軽量化に反する。また鋼ポストの強度は元釆小さく、更
にろう付などの熱履歴のために軟化して極度に強度劣化
しているので、前記支持電極と銅ポストとの熱膨脹差の
ために生じる熱応力により鋼ポストの曲り破壊も生じ易
い。 本発明の目的は、半導体基体に破損を与えることなしに
そこに発生した熱を有効に放散できるようにした半導体
素子を提供するにある。 既に説明したように支持電極としてのタングステン、モ
リブデン及びポストとしての銅は、種々問題点がある。 この根本的対策として、支持電極およびポストを繊維複
合材料で構成することにより顕著な効果が現われること
を本発明者らは見出している。繊維複合材料は周知の如
く、金属中に炭素（Ｃ）、タングステン（Ｗ）、ＳＩＣ
などの繊維を埋め込み、マトリックスとなる金属と繊維
の利点を合わせ持つ材料である。 例えば、一方向に繊維を配列した複合材の強度ひｃは。 ｃＦの・Ｖｒ＋。ｍ（１一Ｖｆ）……
【１１と表現でき
る。ここにおいて、繊維の強度を。ｆ、繊維の破断歪に
おけるマトリックスの強度を。ｍ、繊維の体積含有比を
Ｖｆとする。‘１｝式において、銅一炭素繊維複合材を
例にとると、ｏｆ＝２００ｋ９′磯、Ｖｆ＝０．ふ ひ
ｍ＝４．２ｋ９′めである故、複合材の強度。ｃは１０
２ｋ９／桝となる。このように複合材強度においては、
繊維強度の占める役割が圧倒的に大きく、マトリックス
は単に各繊維へ応力を伝える伝達煤質の役割を果たすに
すぎない。一方、電気および熱伝導性においては、マト
リックス本釆の性質が有効に利用される。たとえば銅一
５の本積（ｖｏｌ）％炭素繊維複合材の場合、仮りに炭
素繊維の導電率が零としても、鋼マトリックスの導電率
１００％を半分にした５０％の導電率を有することにな
る。実際上は炭素繊維の導電率は零でないので、複合材
の導電率は５０％以上となる。熱伝導性においても同様
である。他方、複合材の熱膨脹係数ＫＱ‘ま Ｋｆ．Ｅｆ．Ｖｒ＋ＫｍＥｍ（１−Ｖｆ）……【２，Ｋ
Ｑ＝ Ｅｒｖｆ＋Ｅｍ（１−Ｖｆ）と表現できる。 ここにおいて、ＫｆおよびＫｍは繊維およびマトリック
スの熱膨脹係数、ＥｆおよびＢｍはヤング率である。繊
維複合材の熱膨脹係数は、繊維の熱膨脹係数によって大
きく影響を受けることになる。以上述べたように繊維複
合材料は高導電、高熱伝導、低熱膨脹特性を有し、しか
も繊維配合量を変えることにより、これら性質を任意に
変化させることが可能であり、支持電極あるいはポスト
材に適していることがわかる。 支持電極およびポストは、三次元的な等万性は必ずしも
必要でないが、少なくともその平面上は熱膨脹係数等の
性質が等方的であることが必要である。即ちシリコン基
体と支持電極界面、支持電極とポスト界面で熱綱彰脹特
性などが均一でなければ界面上に局部的に歪が生じ、シ
リコンの破壊、曲りなどが生じてしまう。この点につい
てみると、繊維複合材はマトリックス中に繊維を埋込む
関係上、繊維の配列法により複合材としての性質が異な
ってくる。 二次元的に等万性を生じさせるためには、繊維を一方向
に配列するのではなく、何らかの配列法を見出す必要が
る。二次元等方性を生じさせる方法としては、繊維を適
当な長さに切断し、この繊維をランダムに二次元的に配
列する方法、あるいは繊維を網状に配列し、この絹を積
層していく方法などがある。しかしながら、短繊維をラ
ンダム配列する場合、特に炭素繊維などのように金属マ
トリックスと結合し難い繊維に顕著な現象であるが、３
００℃以上の高温にさらすと、複合材のふくれ、破壊な
どが生じることが判明した。これは繊維長さを短くして
いくと解決する。第１図に炭素繊維長さと体積増加率お
よび線熱膨脹係数の関係を示す。図において体積増加率
とは、複合材を８００００×３０分加熱前後の体積増加
率を示している。従って図において、体積増加率が１．
０の場合が、前述のふくれ、破壊現象が生じていないこ
とを示す。図からわかるように、体積増加率を減少させ
極力ふくれを生じさせないようにするには、Ｃ繊維長さ
は１伽以下にしなければならないことがわかる。しかし
ながらこのようにＣ繊維長さを短か〈すると、熱膨脹係
数は大きくなり、０．５助長さにおいては、１４×１０
‐６／℃となる。このように短繊維を単純にランダム配
列したのみでは、ふくれのない正常な低熱膨脹特性を有
する複合材は得られない。このふくれを防止するにはジ
ルコニウム（Ｚｒ）等の炭素繊維と反応して炭化物を生
成する元素すなわち炭化物生成元素を多量に添加しなけ
ればならず、その結果として導電率が低下してまう。ま
た短繊維の作製、これらのランダム配列、多量の添加元
素使用など複合材作製法が複雑となってしまう。一方、
網状繊維を使用する場合、Ｗ、炭素などの繊維を細かい
絹に織りあげることは困難であり、任意の繊維量は配合
できない。 そこで種々検討した結果、第２図に示す如く繊維をスパ
イラル状に配列することを考案した。 銅マトリックス中に、炭素繊維をスパイラル状に配列し
た複合材は、スパイラルの中心軸から半径方向へ向かう
熱膨脹を炭素繊維が止める働きをする。従ってＳｉ基体
に平行な面でスパイラル状を有するように炭素繊維を配
列すれば、Ｓｉ基体に平行な面での熱膨脹は等万性を有
し、且つ複合材の熱膨脹は非常に小さくなる。しかもＣ
繊維量を増減することにより、複合材の熱膨脹係数を任
意の大きさに人為的に調整でき、且つ複合材はスパイラ
ル状に連続的に配列されたＣ繊維で補強されているので
前述した如き高温でふくれ、破壊などが生じない。本発
明において、銅マトリックスはＺｒの如き炭素繊維と反
応して炭化物を生成する元素を含むことができる。 この場合、炭素繊維と反応して炭化物を生成する元素の
含有によって銅の性質が本質的に変わらないことが必要
である。複合材製造例 １ 粒径４仏仇のＺｄ分と２仏仇の銅（Ｃｕ）粉に３％メチ
ルセルローズ水溶液を加え、市販のらし、かし、機で混
合燈拝し、泥状（スラリ状）にした。 らし、かし、機は、鉢と杵の相対的な回転運動によって
混合、鏡梓を行う機械である。他方、線径９仏肌に、約
０．２山川のＣｕめつきを施したＣ繊維を５〜１０側長
さに切断し、これを上詩Ｚｒ粉とＣｕ粉からなるスラリ
にどぶづけし、Ｃ繊維間にスラリを合浸した。上記Ｚｒ
粉、Ｃｕ粉、Ｃ繊維からなるスラリを撹拝し、その後水
素ガス中で温度８００℃、圧力３００ｋ９／柵の条件で
ホットプレスし、４５ｖｏｌ％Ｃｕ−１仇ｏｌ％Ｚｒ−
４５ｖｏｌ％Ｃ複合材を作製した。作製した４５ｖｏｌ
％Ｃｕ−１仇ｏｌ％Ｚｒ−４５ｖｏｌ％Ｃ複合材から２
００×５ｔ試験片を採取し、熱膨脹測定に供した。熱膨
脹測定は窒素雰囲気中、５℃／ｍｉｎの昇温速度で室温
から８００午０までの温度範囲で試料を加熱、冷却し、
その時の熱膨脹係数を測定した。その結果、Ｃ繊維をラ
ンダム配列した４５ｖｏｌ％Ｃｕ一ＩＷｏｌ％Ｚｒ−４
５ｖｏｌ％Ｃ複合材の室温から３００午Ｃにおける線熱
膨脹係数は４．５×１０‐６／℃であった。又導電率も
測定したが、２５％であった。複合材製造例 ２Ｃｕめ
つきＣ繊維を５〜１仇肌こ切断し、これを水素中８００
；０でホットプレスして、Ｃ繊維をランダム配列した５
仇ｏｌ％Ｃｕ−５びｏｌ％Ｃ複合材を作製し、複合材製
造例１と同様の条件で熱膨脹係数を測定した。 その結果、４００℃前後の温度以上に試料を加熱すると
、試料が熱変形し、ふくれ、あるいは破壊してしまった
。複合材製造例 ３線径９仏肌のＣ繊維にＣｕめつきを
約０．２４肌の厚さに施したＣｕめつきＣ繊維を直径３
脚のＣｕ丸棒に巻き付けた。 これを黒鉛製錬型内に配置し、穴あきパンチを用いて水
素雰囲気中８００ｏｏで、Ｃｕ丸棒に巻き付けたＣｕめ
つきＣ繊維をホットプレスし、更に、Ｃｕ丸棒をホット
プレスされたＣｕめつきＣ繊維の板厚と同じ厚さに切断
した。こうしてＣ繊維がスパイラル状に配列された５び
ｏｌ％Ｃｕ−５０ｖｏｌ％Ｃ複合材を作製した。この複
合材から、複合材製造例１と同様に２００×５ｔ試験片
を採取し、窒素雰囲気中、室温から８００００の温度範
囲で熱膨脹係数を測定した。その結果、室温〜３００℃
における線熱膨脹係数は２．５ｘｌｏ−６／℃であった
。炭素繊維がスパイラルに配列された面に平行な方向の
体積増加率は約１％であり、ふくれが生じなかった。こ
れらの特性を第１図に示す。又導電率は約５０％であっ
た。複合材製造例 ４ 複合材製造例３と同様の方法で、Ｃ繊維をスパイラル状
に配列した６Ｗｏｌ％Ｃｕ−４びｏｌ％Ｃ複合材を作製
し、熱膨脹係数を測定した。 その結果、室温〜３００℃における線熱膨脹係数は３．
５×１０‐６／℃であった。複合材製造例 ５ ３％メチルセルローズ水溶液中に粒径４山肌のＺｒ粉と
粒径２仏ののＣｕ粉を混合し、撹拝してスラリ状にした
。 このスラリ中にＣｕ丸棒に巻き付けたＣ繊維を浸潰した
。Ｃｕ丸榛の直径は３肌、Ｃ繊維の線径は９仏肌とした
。Ｃ繊維およびＣｕ丸棒は、Ｃ繊維を巻き付けている途
中の過程でも前述スラリ中に数回浸潰した。スラリ中よ
り取出し、乾燥させた後、黒鉛製錬型内に配置し、以後
は複合材製造例３と同様水素雰囲気中８００℃でホット
プレスし、Ｃ繊維をスパイラル状に配列した４３ｖｏｌ
％Ｃｕ−１仇ｏｌ％Ｚｒ−４７ｖｏｌ％Ｃ繊維複合材を
作製した。この複合材の熱膨脹係数を複合材製造例１と
同様の方法で測定した。室温〜３００ｑｏにおける線熱
膨脹係数は２．６×１０‐６／℃であった。なお、８０
０００のホットプレスによって、Ｃｕ中へＺｒの拡散が
認められ且つＣｕとＣ繊維の界面にＺｒ炭化物の生成が
認められた。複合材製造例 ６ ＣｕめつきＣ繊維を網状に配列した５小ｏｌ％Ｃｕ−５
小ｏｌ％Ｃ複合材を作製し、熱膨脹係数を測定した結果
、室温〜３００ｏｏの範囲で２．７×１０‐６／℃であ
つた。 実施例 １ 複合材製造例５と同様の方法で作製し、Ｃ繊維をスパイ
ラル状に配列した５びｏｌ％Ｃｕ−１仇ｏ】％Ｚｒ−４
びｏｌ％Ｃ複合材を用い、第３図に示す如きサィリスタ
を製作した。 図において、Ｓｉ基体の両側には前記複合材からなる支
持電極２，２ａが備えられている。支持電極２ａとＳｉ
基体１間、Ｃｕポスト３と支持電極２，２ａ間は夫々薄
いろう層４，５および５ａによって接合されている。Ｃ
ｕポストはファーニコ６および７と接合され、、又ファ
ーニコは硝子８と接合されている。またＳｉ基体１は湿
気に極めて敏感であるので、外気との接触を封じるため
気密性の硝子８で囲み、内部に窒素ガスが封入されてい
る。このようにして製作されたサィリス外まＳｉ基体と
Ｃｕ−Ｃ複合材電極の熱膨脹差がほとんど無いため、サ
ィリスタ製造中の加熱によるシリコン基体の破壊、湾曲
などが生じなかつた。実施例 ２ 複合材製造例３〜４と同様の方法で作製し、Ｃ繊維をス
パイラル状に配列した６仇ｏｌ％Ｃｕ−４仇ｏｌ％Ｃ複
合材を用いてサィリスタを製作した。 半導体基体はシリコン、ポストは鋼でできており、また
シリコン基体は外気との接触を封じるため気密性の硝子
で囲み、内部に窒素を封入している。このようにして製
作されたサィリスタはＳｉ基体とＣｕ−Ｃ複合材電極と
の熱膨脹差がなく、またフアニコおよび硝子との熱膨脹
差も小さいため、製造時の加熱あるいは使用時の温度上
昇によるＳｉの破壊、湾曲などが生じなかった。以上の
複合材製造例および実施例から明らかなように本発明に
よれば熱膨脹が少なく、電気、熱伝導性の良好な支持電
極を得ることができる。 またこの支持電極はＳｉ基体に平行な面で等方的に熱膨
脹するので、Ｓｉ基体の破壊、変形を抑制することがで
きる。
る。ここにおいて、繊維の強度を。ｆ、繊維の破断歪に
おけるマトリックスの強度を。ｍ、繊維の体積含有比を
Ｖｆとする。‘１｝式において、銅一炭素繊維複合材を
例にとると、ｏｆ＝２００ｋ９′磯、Ｖｆ＝０．ふ ひ
ｍ＝４．２ｋ９′めである故、複合材の強度。ｃは１０
２ｋ９／桝となる。このように複合材強度においては、
繊維強度の占める役割が圧倒的に大きく、マトリックス
は単に各繊維へ応力を伝える伝達煤質の役割を果たすに
すぎない。一方、電気および熱伝導性においては、マト
リックス本釆の性質が有効に利用される。たとえば銅一
５の本積（ｖｏｌ）％炭素繊維複合材の場合、仮りに炭
素繊維の導電率が零としても、鋼マトリックスの導電率
１００％を半分にした５０％の導電率を有することにな
る。実際上は炭素繊維の導電率は零でないので、複合材
の導電率は５０％以上となる。熱伝導性においても同様
である。他方、複合材の熱膨脹係数ＫＱ‘ま Ｋｆ．Ｅｆ．Ｖｒ＋ＫｍＥｍ（１−Ｖｆ）……【２，Ｋ
Ｑ＝ Ｅｒｖｆ＋Ｅｍ（１−Ｖｆ）と表現できる。 ここにおいて、ＫｆおよびＫｍは繊維およびマトリック
スの熱膨脹係数、ＥｆおよびＢｍはヤング率である。繊
維複合材の熱膨脹係数は、繊維の熱膨脹係数によって大
きく影響を受けることになる。以上述べたように繊維複
合材料は高導電、高熱伝導、低熱膨脹特性を有し、しか
も繊維配合量を変えることにより、これら性質を任意に
変化させることが可能であり、支持電極あるいはポスト
材に適していることがわかる。 支持電極およびポストは、三次元的な等万性は必ずしも
必要でないが、少なくともその平面上は熱膨脹係数等の
性質が等方的であることが必要である。即ちシリコン基
体と支持電極界面、支持電極とポスト界面で熱綱彰脹特
性などが均一でなければ界面上に局部的に歪が生じ、シ
リコンの破壊、曲りなどが生じてしまう。この点につい
てみると、繊維複合材はマトリックス中に繊維を埋込む
関係上、繊維の配列法により複合材としての性質が異な
ってくる。 二次元的に等万性を生じさせるためには、繊維を一方向
に配列するのではなく、何らかの配列法を見出す必要が
る。二次元等方性を生じさせる方法としては、繊維を適
当な長さに切断し、この繊維をランダムに二次元的に配
列する方法、あるいは繊維を網状に配列し、この絹を積
層していく方法などがある。しかしながら、短繊維をラ
ンダム配列する場合、特に炭素繊維などのように金属マ
トリックスと結合し難い繊維に顕著な現象であるが、３
００℃以上の高温にさらすと、複合材のふくれ、破壊な
どが生じることが判明した。これは繊維長さを短くして
いくと解決する。第１図に炭素繊維長さと体積増加率お
よび線熱膨脹係数の関係を示す。図において体積増加率
とは、複合材を８００００×３０分加熱前後の体積増加
率を示している。従って図において、体積増加率が１．
０の場合が、前述のふくれ、破壊現象が生じていないこ
とを示す。図からわかるように、体積増加率を減少させ
極力ふくれを生じさせないようにするには、Ｃ繊維長さ
は１伽以下にしなければならないことがわかる。しかし
ながらこのようにＣ繊維長さを短か〈すると、熱膨脹係
数は大きくなり、０．５助長さにおいては、１４×１０
‐６／℃となる。このように短繊維を単純にランダム配
列したのみでは、ふくれのない正常な低熱膨脹特性を有
する複合材は得られない。このふくれを防止するにはジ
ルコニウム（Ｚｒ）等の炭素繊維と反応して炭化物を生
成する元素すなわち炭化物生成元素を多量に添加しなけ
ればならず、その結果として導電率が低下してまう。ま
た短繊維の作製、これらのランダム配列、多量の添加元
素使用など複合材作製法が複雑となってしまう。一方、
網状繊維を使用する場合、Ｗ、炭素などの繊維を細かい
絹に織りあげることは困難であり、任意の繊維量は配合
できない。 そこで種々検討した結果、第２図に示す如く繊維をスパ
イラル状に配列することを考案した。 銅マトリックス中に、炭素繊維をスパイラル状に配列し
た複合材は、スパイラルの中心軸から半径方向へ向かう
熱膨脹を炭素繊維が止める働きをする。従ってＳｉ基体
に平行な面でスパイラル状を有するように炭素繊維を配
列すれば、Ｓｉ基体に平行な面での熱膨脹は等万性を有
し、且つ複合材の熱膨脹は非常に小さくなる。しかもＣ
繊維量を増減することにより、複合材の熱膨脹係数を任
意の大きさに人為的に調整でき、且つ複合材はスパイラ
ル状に連続的に配列されたＣ繊維で補強されているので
前述した如き高温でふくれ、破壊などが生じない。本発
明において、銅マトリックスはＺｒの如き炭素繊維と反
応して炭化物を生成する元素を含むことができる。 この場合、炭素繊維と反応して炭化物を生成する元素の
含有によって銅の性質が本質的に変わらないことが必要
である。複合材製造例 １ 粒径４仏仇のＺｄ分と２仏仇の銅（Ｃｕ）粉に３％メチ
ルセルローズ水溶液を加え、市販のらし、かし、機で混
合燈拝し、泥状（スラリ状）にした。 らし、かし、機は、鉢と杵の相対的な回転運動によって
混合、鏡梓を行う機械である。他方、線径９仏肌に、約
０．２山川のＣｕめつきを施したＣ繊維を５〜１０側長
さに切断し、これを上詩Ｚｒ粉とＣｕ粉からなるスラリ
にどぶづけし、Ｃ繊維間にスラリを合浸した。上記Ｚｒ
粉、Ｃｕ粉、Ｃ繊維からなるスラリを撹拝し、その後水
素ガス中で温度８００℃、圧力３００ｋ９／柵の条件で
ホットプレスし、４５ｖｏｌ％Ｃｕ−１仇ｏｌ％Ｚｒ−
４５ｖｏｌ％Ｃ複合材を作製した。作製した４５ｖｏｌ
％Ｃｕ−１仇ｏｌ％Ｚｒ−４５ｖｏｌ％Ｃ複合材から２
００×５ｔ試験片を採取し、熱膨脹測定に供した。熱膨
脹測定は窒素雰囲気中、５℃／ｍｉｎの昇温速度で室温
から８００午０までの温度範囲で試料を加熱、冷却し、
その時の熱膨脹係数を測定した。その結果、Ｃ繊維をラ
ンダム配列した４５ｖｏｌ％Ｃｕ一ＩＷｏｌ％Ｚｒ−４
５ｖｏｌ％Ｃ複合材の室温から３００午Ｃにおける線熱
膨脹係数は４．５×１０‐６／℃であった。又導電率も
測定したが、２５％であった。複合材製造例 ２Ｃｕめ
つきＣ繊維を５〜１仇肌こ切断し、これを水素中８００
；０でホットプレスして、Ｃ繊維をランダム配列した５
仇ｏｌ％Ｃｕ−５びｏｌ％Ｃ複合材を作製し、複合材製
造例１と同様の条件で熱膨脹係数を測定した。 その結果、４００℃前後の温度以上に試料を加熱すると
、試料が熱変形し、ふくれ、あるいは破壊してしまった
。複合材製造例 ３線径９仏肌のＣ繊維にＣｕめつきを
約０．２４肌の厚さに施したＣｕめつきＣ繊維を直径３
脚のＣｕ丸棒に巻き付けた。 これを黒鉛製錬型内に配置し、穴あきパンチを用いて水
素雰囲気中８００ｏｏで、Ｃｕ丸棒に巻き付けたＣｕめ
つきＣ繊維をホットプレスし、更に、Ｃｕ丸棒をホット
プレスされたＣｕめつきＣ繊維の板厚と同じ厚さに切断
した。こうしてＣ繊維がスパイラル状に配列された５び
ｏｌ％Ｃｕ−５０ｖｏｌ％Ｃ複合材を作製した。この複
合材から、複合材製造例１と同様に２００×５ｔ試験片
を採取し、窒素雰囲気中、室温から８００００の温度範
囲で熱膨脹係数を測定した。その結果、室温〜３００℃
における線熱膨脹係数は２．５ｘｌｏ−６／℃であった
。炭素繊維がスパイラルに配列された面に平行な方向の
体積増加率は約１％であり、ふくれが生じなかった。こ
れらの特性を第１図に示す。又導電率は約５０％であっ
た。複合材製造例 ４ 複合材製造例３と同様の方法で、Ｃ繊維をスパイラル状
に配列した６Ｗｏｌ％Ｃｕ−４びｏｌ％Ｃ複合材を作製
し、熱膨脹係数を測定した。 その結果、室温〜３００℃における線熱膨脹係数は３．
５×１０‐６／℃であった。複合材製造例 ５ ３％メチルセルローズ水溶液中に粒径４山肌のＺｒ粉と
粒径２仏ののＣｕ粉を混合し、撹拝してスラリ状にした
。 このスラリ中にＣｕ丸棒に巻き付けたＣ繊維を浸潰した
。Ｃｕ丸榛の直径は３肌、Ｃ繊維の線径は９仏肌とした
。Ｃ繊維およびＣｕ丸棒は、Ｃ繊維を巻き付けている途
中の過程でも前述スラリ中に数回浸潰した。スラリ中よ
り取出し、乾燥させた後、黒鉛製錬型内に配置し、以後
は複合材製造例３と同様水素雰囲気中８００℃でホット
プレスし、Ｃ繊維をスパイラル状に配列した４３ｖｏｌ
％Ｃｕ−１仇ｏｌ％Ｚｒ−４７ｖｏｌ％Ｃ繊維複合材を
作製した。この複合材の熱膨脹係数を複合材製造例１と
同様の方法で測定した。室温〜３００ｑｏにおける線熱
膨脹係数は２．６×１０‐６／℃であった。なお、８０
０００のホットプレスによって、Ｃｕ中へＺｒの拡散が
認められ且つＣｕとＣ繊維の界面にＺｒ炭化物の生成が
認められた。複合材製造例 ６ ＣｕめつきＣ繊維を網状に配列した５小ｏｌ％Ｃｕ−５
小ｏｌ％Ｃ複合材を作製し、熱膨脹係数を測定した結果
、室温〜３００ｏｏの範囲で２．７×１０‐６／℃であ
つた。 実施例 １ 複合材製造例５と同様の方法で作製し、Ｃ繊維をスパイ
ラル状に配列した５びｏｌ％Ｃｕ−１仇ｏ】％Ｚｒ−４
びｏｌ％Ｃ複合材を用い、第３図に示す如きサィリスタ
を製作した。 図において、Ｓｉ基体の両側には前記複合材からなる支
持電極２，２ａが備えられている。支持電極２ａとＳｉ
基体１間、Ｃｕポスト３と支持電極２，２ａ間は夫々薄
いろう層４，５および５ａによって接合されている。Ｃ
ｕポストはファーニコ６および７と接合され、、又ファ
ーニコは硝子８と接合されている。またＳｉ基体１は湿
気に極めて敏感であるので、外気との接触を封じるため
気密性の硝子８で囲み、内部に窒素ガスが封入されてい
る。このようにして製作されたサィリス外まＳｉ基体と
Ｃｕ−Ｃ複合材電極の熱膨脹差がほとんど無いため、サ
ィリスタ製造中の加熱によるシリコン基体の破壊、湾曲
などが生じなかつた。実施例 ２ 複合材製造例３〜４と同様の方法で作製し、Ｃ繊維をス
パイラル状に配列した６仇ｏｌ％Ｃｕ−４仇ｏｌ％Ｃ複
合材を用いてサィリスタを製作した。 半導体基体はシリコン、ポストは鋼でできており、また
シリコン基体は外気との接触を封じるため気密性の硝子
で囲み、内部に窒素を封入している。このようにして製
作されたサィリスタはＳｉ基体とＣｕ−Ｃ複合材電極と
の熱膨脹差がなく、またフアニコおよび硝子との熱膨脹
差も小さいため、製造時の加熱あるいは使用時の温度上
昇によるＳｉの破壊、湾曲などが生じなかった。以上の
複合材製造例および実施例から明らかなように本発明に
よれば熱膨脹が少なく、電気、熱伝導性の良好な支持電
極を得ることができる。 またこの支持電極はＳｉ基体に平行な面で等方的に熱膨
脹するので、Ｓｉ基体の破壊、変形を抑制することがで
きる。
第１図はＣｕ−Ｃ繊維複合材の繊維長さと熱膨脹係数、
体積増加率との関係を示すグラフ、第２図はスパイラル
状に巻回された繊維の平面図、第３図は本発明の実施例
を示す断面図である。 １…・・・シリコン基体、２，２ａ・・・・・・支持電
極、３……銅ポスト、４，５，５ａ・・…・ろう層。 第１図−界Ｚ図 弟３図
体積増加率との関係を示すグラフ、第２図はスパイラル
状に巻回された繊維の平面図、第３図は本発明の実施例
を示す断面図である。 １…・・・シリコン基体、２，２ａ・・・・・・支持電
極、３……銅ポスト、４，５，５ａ・・…・ろう層。 第１図−界Ｚ図 弟３図
Claims (1)
- １ 半導体基体に支持電極が接合されているものにおい
て、上記支持電極は銅マトリツクス中に炭素繊維を埋め
込んだ複合材で構成され、上記炭素繊維は上記基体に平
行な面でスパイラル状に配列されていることを特徴とす
る半導体素子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP52064720A JPS603776B2 (ja) | 1977-06-03 | 1977-06-03 | 半導体素子 |
| GB25541/78A GB1602478A (en) | 1977-06-03 | 1978-05-31 | Semiconductor device |
| US05/911,078 US4196442A (en) | 1977-06-03 | 1978-05-31 | Semiconductor device |
| NL7805992A NL7805992A (nl) | 1977-06-03 | 1978-06-01 | Halfgeleiderinrichting. |
| DE2824250A DE2824250C2 (de) | 1977-06-03 | 1978-06-02 | Trägerelektrode eines Halbleiterbauelements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP52064720A JPS603776B2 (ja) | 1977-06-03 | 1977-06-03 | 半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS54568A JPS54568A (en) | 1979-01-05 |
| JPS603776B2 true JPS603776B2 (ja) | 1985-01-30 |
Family
ID=13266261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP52064720A Expired JPS603776B2 (ja) | 1977-06-03 | 1977-06-03 | 半導体素子 |
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| DE (1) | DE2824250C2 (ja) |
| GB (1) | GB1602478A (ja) |
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| JPS56142645A (en) * | 1980-04-07 | 1981-11-07 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
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| EP2447988B1 (en) | 2010-11-02 | 2015-05-06 | GE Energy Power Conversion Technology Limited | Power electronic device with edge passivation |
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| CN106783787A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-05-31 | 东莞市阿甘半导体有限公司 | 用于芯片封装的电极以及使用该电极的芯片封装结构 |
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-
1977
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-
1978
- 1978-05-31 GB GB25541/78A patent/GB1602478A/en not_active Expired
- 1978-05-31 US US05/911,078 patent/US4196442A/en not_active Expired - Lifetime
- 1978-06-01 NL NL7805992A patent/NL7805992A/xx not_active Application Discontinuation
- 1978-06-02 DE DE2824250A patent/DE2824250C2/de not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| DE2824250A1 (de) | 1978-12-07 |
| JPS54568A (en) | 1979-01-05 |
| GB1602478A (en) | 1981-11-11 |
| NL7805992A (nl) | 1978-12-05 |
| DE2824250C2 (de) | 1982-11-04 |
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