JPS62287649A - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な半導体装置に係り、特に半導体素子搭載
用絶縁基板として熱膨張係数の低いＳｉＣやＡ　Ｑ　Ｎ
セラミックスを絶縁に使用した接続構造に関する。

〔従来の技術〕

従来のセラミックスと金属材料との接続は特開昭５６−
１３５９４８号等に記載されているようにセラミックス
表面をＭ　ｏ　、　Ｗ　、　Ｎ　ｉ　、　Ｍ　ｏ　−Ｍ
　ｎ合金のごとき金属を蒸着法やスクリーン印刷法によ
って金属化したのち、ヒートシンクとなるべき金属材料
の表面に半田や銀ロウ等のロウ材を介して接続する方法
がとられている。しかし、ＳｉＣやＡｌＲＮ等熱膨張係
数、の低いセラミックスに於いては金属材料との整合性
が悪く、ロウ付時の熱処理等によりセラミックス内部に
残る応力によって、その後の熱サイクル試験等信頼性試
験でクラックが発生し、気密もれや絶縁抵抗の低下等問
題が生じ苦慮していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術はＳｉＣやＡＱＮセラミックスの熱膨張係
数に関しては充分な配慮がなされておらずセラミックス
の破壊による絶縁不良あるいは気密もれなど半導体装置
のパッケージ構成するに当り問題があった。

本発明の目的はＳｉＣとＡｕＮ等低熱膨張のセラミック
スを破壊することなく、異なる熱膨張係数をもつ材料、
特にヒートシンクとなる金属材料に接続した半導体装置
を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、半導体素子と金属からなるヒートシンク金属
との間に高熱伝導性セラミックスを挿入して絶縁分離さ
れている半導体装置において、前記セラミックス端部を
金属フレームで覆い、該フレームを前記ヒートシンクに
接続することにより前記セラミックスをヒートシンクに
接続することを特徴とする半導体装置にある。

更に、本発明はセラミックスとヒートシンクとの間に純
銅又は純銅より軟い金属箔を介在させることにある。

セラミックスとして、炭化ケイ素、窒化ケイ素。

窒化アルミ等の室温で０．０５ｃａ１２／口、　３８Ｃ
・℃以上の熱伝導率を有し、室温の熱膨張係数が５×１
０−”／”Ｃ以下の焼結体が好ましい。特に、熱伝導率
は０．２ｃａＱ　／Ｃｏｔ、３８ｃ・℃以上のものが好
ましい。また、アルミナ、ジコニア焼結体でもよい。

特に、セラミックスとして厚さは０．４〜１ｍが好まし
く、Ｌｏｗ角以上の大きさのものに対し本発明の効果が
大きく現われる。従って、特に１０〜３０＋＋ａ角に対
し好ましい結果が得られる。

ヒートシンクとしては金属が好ましく、銅、アルミニウ
ムが特に好ましく、板状又は放熱フインチ、セラミック
スとヒートシンクとの間に介在させる金属箔は純銅又は
それより軟い材料からなる。

具体的には、Ｃｕ、ＡＰ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕ。

Ａｇ、Ｎｉ、Ｚｎ等が好ましく、０．０１〜０．５画の
厚さが好ましい。特に、０．１〜０．２＋ｏｍが好まし
い。

上記した問題点は熱膨張係数の小さなＳｉＣ。

ＡｕＮ等のセラミックスを熱膨張係数の大きな金属材料
に半田やＡｇロウで直接接続するがために残るストレス
によって発生するためである。

これに対して大型の電力用半導体装置に於いては一方の
電極をシリコンと比較的熱膨張係数の近いＭ　ｏ　、又
はＷ等の緩衝板をロウ材によって接続し主電極（Ｃｕ）
との間は圧接によって導通をとる方法が一般的に用いら
れている。

そこで発明者らは上記した目的を解決するため接続法に
着目した。つまり、メタライズ層を形成したセラミック
スと半導体素子との接続は従来法と同じく半田、ロウ材
等を用いるが、セラミックスをヒートシンク等金属材料
との接続は圧接構造にすることにした。

゛亙作用〕 ＳｉＣやＡＱＮ等のセラミックスの熱膨張係数は半導体
装置の素材シリコンとほぼ等しいためそれらの接続に関
しては従来法がそのまま使用でき特に問題とはならない
。

一方、ＳｉＣやＡ　Ｑ　Ｎ等のセラミックスとヒートシ
ンク材、一般的にはＣｕ系、Ｆｓ系の金属材料との接続
を半田やＡｇロウを介して行なうとこれまでのＡＱｘＯ
δとは異なり残留する応力によりクラックが発生する。

この現象はセラミックスのサイズが大きいほど発生する
割合が高く、又、熱サイクル試験等信頼性試験に於いて
はクラックの発生が初期の段階に見られていた。そこで
、ヒートシンク材とセラミックスの接続はロウ材等は用
いず圧接構造とすることにより、メタライズされたＳｉ
Ｃ又はＡＩＮセラミックスとヒートシンク材の間にＡＱ
やＣｕ箔等のやわがらい金属材料を挿入し、セラミック
ス端部を覆うように構成されたフレーム自体をヒートシ
ンクに接続するこでセラミックスとヒートシンクとのよ
り高い密着が得られる。この方法によれば例え金属材料
の加熱され伸びてもセラミックスには影響を及ぼさずク
ラックも発生しない、一方、この方法によってセラミッ
クスとヒートシンク間の熱伝導率が若干低下するが、Ｓ
ｉＣやＡ４２Ｎセラミツクス等はＡＱｔ’ｓに対して４
〜８倍程高いためあまり問題とはならない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す半導体装置の断面図で
ある。半導体チップ１５がＳＩＣやＡｆｌＮ等の焼結体
１２で絶縁分離された絶縁型半導体装置に於いて、セラ
ミックス１２とヒートシンク１０内にＡＭ、Ｃｕ箔等の
熱応力によって変形し緩和するやわらかい金属からなる
緩衝板１１を挿入し、セラミックス１２とヒートシンク
１０との接続は金属フレーム１３の端部１４をパーカッ
ション法、又は半田等によりヒートシンク１０に接着さ
せることによって圧接固定される。半導体チップ１５が
搭載されるセラミックスの主表面には半田付可能なメタ
ライズ層が形成されているが、本発明の場合、緩衝板１
１と接する裏面には半田付する必要はない。緩衝板１１
はＡ１１．Ｃｕ箔の２者に特定されるものでなく、Ａｇ
＋半田箔等やわらかく良熱伝導体の金層箔であれば良い
。一方、ヒートシンクの材料は半導体装置で一般的に用
いられているＣ　ｕ　！　Ｆ　ａ　ＨＡ　ｎ等のいずれ
でも良い。

第２図は他のパワー半導体装置の例を示す断面図である
。ヒートシンク１０の凹部２０を施け、これに緩衝板１
１、セラミックス１２を落しこみ、フレームを接着する
ことでセラミックスを圧接するよう構成されたものであ
る。

凹部２０はセラミックス１２の位置決めが容品となり、
その深さはセラミックスの位置決めができる程度でよい
。

以上、本発明の実施例をパワー半導体装置（サイリスタ
）の例で説明したが、半導体チップ以外の抵抗体やコン
デンサ等地の電子部品を混載してなる半導体モジールや
ハイブリットＩＣあるいは高圧Ｉｃ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ
、ＥＣＬ等を搭載する基板して使用できる。

セラミックス１２として使用したＳｉＣ又はＡＱＮ焼結
体はいずれもＢｅ０２重量％を含み、ホットプレス焼結
によって製造さ九たものであり、前者は室温で約０．’
１ｃａＱ／ｅｘ、ｓｅｃ・℃及び後者は０．３ｃａｕ　
／ｃｎ、ｓｓｃ・℃の熱伝導性を有する。これらの焼結
体として、厚さ０．６１ｆｆｌ、１５１Ｉｎ角のものを
製造した。

金属フレーム１３は焼結体１２の端部が金属フレームに
２ＩｌＩ１１かかるように全周にわたって接触するよう
になっており、０．１１厚さで、セラミックス１２と同
じ大きさのＡＱからなる緩衝板１１を介在させて若干加
圧させた状態でろう等によって接続される。従って、セ
ラミックス１２はヒートシンク１ｏに密着させることが
でき、放熱効果を向上させることができる。なお、金属
フレーム１３は焼結体の両端部でもよい、半導体素子１
２は、Ａｕ−８ｉろう、　Ａ　ｕ−Ｇ　ｅろう、Ａｕ−
５ｎはんだ、Ｐｂ−８ｎはんだ等によって金属フレーム
１３の接続の前後のいずれにおいてもセラミックス上に
接合できる。半導体素子１５をＳｉＣセラミックス１２
にはんだによって接合する場合にはＣｒペーストによっ
てメタライズして反応層を形成した後、その反応層上に
Ｎｉ、Ｃｕめつきを施し、はんだで接合する。また、Ａ
ｕ系合金によって接合する場合には１０％以下のＣｄを
含有させることによって直接接合することができる。

第３図は本発明の他の一実施例を示すパワー半導体装置
の断面図である−　５ＩＣＩ　ＡＱＮ前述の焼結体等セ
ラミックスの主表面の金属フレーム１３と接触する部分
と裏面全体にＡＱ等のやわらかい厚さ５〜３０μｍの金
属膜３０を形成する。

この金属膜３０は裏面に施いてはセラミックス表面の熱
を緩衝板１１に効率良く伝えるためであり、緩衝板１１
と反応しないＡ２等が好的である。又、主表面の一部に
施ける金属膜３０は金属フレーム１３とセラミックス１
２とが効果的に接触させるためのもので基本的には裏面
のＡＱと同じで良いが、この外に主表面に形成するＣｕ
系、Ａｕ系のやわらかい金属であっても良い。

本発明の第２図に於ける緩衝板１１を常温〜５０℃では
固体でその後液体となる低融点金属を用いることによっ
ても実施できる。この場合は半導体装置のや作時に於い
ては緩衝板１１は液体となり、あたかも沸騰冷却構造と
類似し、セラミックス上に搭載された発熱する半導体装
置の熱をヒ−トシンクに効率よく伝える媒体となり得る
。

−六本発明を遂行する上で重要な緩衝板１１はＰｂ、Ｓ
ｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｄ等の中から選ばれた金属で構成さ
れた低融点合金で液相点が６５〜１５０℃の範囲内にあ
るものが好的である。具体的にはＢｉ　　４２．５〜６
７重量％、Ｐｂ１７．２〜４０．２重量％、Ｓｎ０〜５
０重量％、Ｉｎ０〜５０重量％、ＣｄＯ〜１２．５重量
％から選ばれた合金であれば良い。

以上説明したごとき材料を用いて構成された絶縁基板を
用いることによって発熱する半導体装置を効果的に放熱
できる。

〔発明の効果〕

本発明によればセラミックスと比較的熱膨張係数の大き
な金層材料とを直接の接続をさけた圧接構造をとるため
、比較的ＳｉＣやＡ２８等熱膨張係数の小さなセラミッ
クスであっても容易に接続できることや大型セラミック
スの使用が可能となる。このことは池数の電子部品が混
載される半導体モジュールの熱放散に関する設計が容易
になるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は本発明の一実施例を示すパワ
ー半導体装置の縦断面図である。 １０・・・ヒートシンク、１１・・・緩衝板、１２・・
・セラミックス、１３・・・フレーム、１４・・・端部
（接合部）、１５・・・半導体チップ、１６・・・カソ
ード端子、１７・・・ゲート端子、１８・・・アノード
端子、２０・・・凹部、３０・・・金属膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子と金属からなるヒートシンク金属との間
   に高熱伝導性セラミックスを挿入して絶縁分離されてい
   る半導体装置において、前記セラミックス端部を金属フ
   レームで覆い、該フレームを前記ヒートシンクに接続す
   ることにより前記セラミックスをヒートシンクに接続す
   ることを特徴とする半導体装置。 ２、半導体素子と金属からなるヒートシンクとの間に高
   熱伝導性セラミックスを挿入して絶縁分離されている半
   導体装置において、前記セラミックスとヒートシンクと
   の間に純銅又は純銅よりやわらかい金属箔を介在させ、
   前記セラミックス端部を金属フレームで覆い、該フレー
   ムを前記ヒートシンクに接続することにより前記セラミ
   ックスをヒートシンクに接続することを特徴とする半導
   体装置。