JPS6250982B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は半導体装置に関し、とくに炭化ケイ素
焼結体のようなセラミクスと金属との一体化構造
物を含む半導体装置に関する。 セラミクス、例えば酸化アルミニウムや酸化ベ
リリウム等と金属との一体化構造物は広範な工業
製品の分野で使用されているが、中でも半導体工
業の分野での利用は最近とくに著しい。セラミク
スと金属との一体化構造物を半導体製品に応用し
た例としては混成集積回路装置用絶縁基板や半導
体集積回路素子を塔載または収納するためのパツ
ケージ等がある。 このようなセラミクスと金属との一体化物と半
導体素子とは、多くの場合、電気的には分離され
るが、熱的には結合されることが要求される。更
に、機械的な強度の大きいことが要求される。例
えば、電力容量の大きな混成集積回路装置の絶縁
基板には、銅のごとき金属からなる放熱支持板と
半導体素子をはじめとする回路素子等を塔載する
金属板との間に、酸化アルミニウムや酸化ベリリ
ウムのごときセラミクス板を介してなる一体化構
造物が普通に用いられる。 その際、前記一体化構造物には、 (1) 前述した金属板と支持体間の電気絶縁が良好
になされていること、 (2) セラミクス板と金属板または支持体間の固
着、一体化が強固になされていること、 (3) 半導体素子をはじめとする回路素子から発生
される熱を効率よく支持体側へ伝達できるこ
と、 等の性能が要求される。そして、前記の一体化物
はこれらの要求をかなりの程度まで満し得る。 しかしながら、混成集積回路装置の大容量化、
即ち、塔載回路素子の電力容量を高めたいという
要求があり、その場合、このような大容量化にと
もなつて一層増大する回路素子の熱損失、つまり
回路素子の過熱の問題を克服することが極めて重
要である。従来用いられている絶縁基板としての
セラミクス―金属一体化構造物では、この熱的な
問題を克服するのに、なお改善の余地が残されて
いる。 即ち、金属板と支持体間に介在されて、両者を
電気的に分離する酸化アルミニウムセラミクス
（99％Al₂O₃）は、0.064cal／cm・℃・ｓと、セラ
ミクスの中では高い熱伝導率を有してはいるもの
の、金属板や支持体として広く用いられるアルミ
ニウム（0.53cal／cm・℃・ｓ）や銅（0.94cal／
cm・℃・ｓ）に比べると、１桁低い熱伝導率しか
もたず、このことが大容量化をはかる場合の障害
の一因にもなつている。 また、酸化ベリリウムセラミクスは、
0.55cal／cm・℃・ｓとアルミニウムに匹敵する
熱伝導率を有してはいるものの、毒性の問題をと
もなうため、その使用には安全性への配慮を特段
に施す必要がある。 以上のような事情から、従来のセラミクス―金
属一体化構造物に代る新しいセラミクス―金属一
体化構造物の出現が望まれている。 本発明は上述の状況に鑑みてなされたもので、
従来のセラミクス―金属一体化構造物の欠点を補
い、電気的に分離かつ熱的に結合されるととも
に、特に熱伝導性や機械的強度に優れたセラミク
ス―金属一体化構造物を含んだ半導体装置を提供
するものである。 前述の目的を達成するために、本発明の半導体
装置におけるセラミクス―金属一体化構造物は、
炭化ケイ素を主成分とし、酸化ベリリウムを含む
電気絶縁性炭化ケイ素焼結体基体と、該炭化ケイ
素基体の表面に設けられたチタニウム、クロス、
モリブデン、タングステン、アルミニウムの群か
ら選択された少なくとも１種の第１の金属層、第
１の金属層上に設けられた銅、ニツケル、パラジ
ウム、白金の群から選択された少なくとも１種の
第２の金属層、および第２の金属層上に設けられ
た金、銀、白金の群から選択された少なくとも１
種の第３の金属層の積層金属層とを有することを
特徴とする。各金属層に複数の材料を用いる場
合、それらは合金としてでも、混合物としてでも
よい。 即ち、本発明は、炭化ケイ素基体（相対密度98
〜100％）は、(イ)曲げ強度約100Kg／cm²（室温）、
ビツカース硬度（300ｇ）3700〜4000と機械的に
堅牢で、(ロ)熱拡散率（室温）0.229cm²／ｓ，熱伝
導率（室温）0.7cal／cm・℃・ｓと、金属とほぼ
同等の熱伝導性を有し、(ハ)熱膨脹係数も×10^-6／
℃とシリコンのそれに近い値を有し、そして(ニ)同
炭化ケイ素に微量の酸化ベリリウムを含む焼結体
は、前述の機械的堅牢性や熱伝導性を兼ね備えた
まま良好な絶縁性（抵抗率：10¹²Ω・cm）を示す
ことを確認したことに基づく。さらに実際に前記
炭化ケイ素基体と前記積層金属層とを組合わせた
一体化構造物が優れた電気絶縁性と熱伝導性を有
し、しかも強固な接着性を保ち得ることを確認し
てなされたものである。 ここで、炭化ケイ素基体の表面に設ける前記積
層金属層は、第１の金属層として、炭化ケイ素と
の強固な接着性を有するチタニウム、クロム、モ
リブデン、タングステンの群から選択された少な
くとも１種の金属を、第２の金属層として、鉛―
錫系はんだと前記第１の金属層との合金化反応を
抑制する作用のある銅、ニツケル、パラジウム、
白金の群から選択された少なくとも１種の金属
を、さらに第３の金属層として、前記第２の金属
層の酸化を防止し、併せて鉛―錫系はんだの良好
なぬれ性を保持できる金、銀、白金の群から選択
された少なくとも１種の金属を順次積層して形成
したものが好しい。なお、これら金属の形成にあ
たつては、蒸着法やスパツタリング法を用いるの
が都合よい。 以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明
する。 実施例 １ 本実施例は、炭化ケイ素―金属一体化構造物を
ステムとして用いた絶縁型トランジスタである。 第１図ａは本実施例に用いた一体化構造物であ
り、酸化ベリリウムを約２重量パーセント添加し
た面積が30mm×15mm厚さが１mmの焼結炭化ケイ素
板１の一方の主面２上に、通常の抵抗加熱蒸着法
により第１の金属層としての厚さ約0.1μｍのチ
タニウム層３，第２の金属層としての厚さ約0.3
μｍのパラジウム層４，および第３の金属層とし
ての厚さ約0.2μｍの金属５を順次積層して設け
たものである。 また、第１図ｂは、前述した炭化ケイ素―チタ
ニウム・パラジウム・金積層金属層一体化構造物
上に、鉛―錫―銀系はんだ層６を介してトランジ
スタペレツト７を固着し、同ペレツト７のエミツ
タ、ベース、そしてコレクタ領域から電気端子
（図示せず）を引出し、さらに所定のレジンモー
ルド（図示せず）を施した絶縁型トランジスタで
ある。 以上の構成で得られた絶縁型トランジスタの、
トランジスタペレツト７と炭化ケイ素板１との間
に、8KHz交流電圧5000V（実効値）を印加した
が、720時間の電圧印加によつても絶縁破壊を生
ずることはなかつた。また、同トランジスタのト
ランジスタペレツト７と炭化ケイ素板１との間の
熱抵抗は0.2℃／Ｗ以下と小さく、良好な放熱性
を示した。さらに、同トランジスタペレツト７と
炭化ケイ素板１との間に引張り荷重を与えたとこ
ろ、１cm²当り200〜300Kgの荷重を与えたときに、
はんだ層６の破断を生じたが、炭化ケイ素板１と
積層金属層間には何等異常は見出されなかつた。 このように、優れた電気絶縁性、放熱性、そし
て接着強度を兼備した絶縁型トランジスタが得ら
れたのは、電気抵抗が高く、しかも熱伝導率の高
い炭化ケイ素セラミクスと、熱伝導性はもとより
炭化ケイ素セラミクスとの接着性にも優れたチタ
ニウム―パラジウム―金構成の積層金属層とを一
体化した構造物を用いたことによる。 実施例 ２ 本実施例では、電力用半導体混成集積回路装置
の絶縁基板として使用するための炭化ケイ素―金
層一体化構造物の例を説明する。 第２図ａは絶縁基板であり、炭化ケイ素板１０
とその両面に積層して設けた積層金属層１１との
一体化構造物を鉛―錫系はんだ層１２を介して、
一方はニツケルメツキを施した銅電極板１３に、
他方はニツケルメツキを施した銅ヒートタンク板
１４に、それぞれ一体化したものである。 ここで用いた一体化構造物は、第２図ｂに示し
たように、２重量％の酸化ベリリウムと少量の窒
化ホウ素を添加した焼結炭化ケイ素板１０の両面
に、蒸着法により、第１金属層としての厚さ約
0.1μｍのクロム層１５，第２金属層としての厚
さ約0.7μｍの銅層１６，および第３金属層とし
ての厚さ約0.1μｍの金層１７を順次積層して設
けたものである。また、この絶縁基板を用いてゲ
ートターンオフサイリスタを２つ、ダイオードを
４つ、抵抗を２つ、そしてコンデンサを２つ塔載
した5KVA級インバータ用混成集積回路装置を得
た。 以上の構成で得られた混成集積回路装置の電極
板１３とヒートシンク板１４間に、8KHzの交流
電圧5000V（実効値）を印加したが、720時間の
電圧印加によつても絶縁破壊を生じることはなか
つた。また、電極板１３とヒートシンク板１４間
の熱抵抗は0.2℃／Ｗ以下と小さく、良好な放熱
性を示し、同回路装置を定格電力の1.5倍の過負
荷状態で動作させても塔載したゲートターンオフ
サイリスタやダイオードなどが100℃以上に昇温
することはなかつた。 さらに、電極板１３―ヒートシンク板１４間の
接着強度は200〜300Kg／cmと前記実施例１とほぼ
同等であり、同絶縁基板に−50℃〜＋150℃間の
熱衝撃を100サイクル加えたが何等の異常も見出
されなかつた。このように本実施例炭化ケイ素―
金属一体化物が優れた電気絶縁性、放熱性および
接着性を兼備し、電力容量の大きい混成集積回路
装置用として好適な絶縁基板になり得たのは、電
気抵抗が高く、しかも熱伝導率の高い炭化ケイ素
セラミクスと、熱伝導性はもとより炭化ケイ素セ
ラミクスとの接着性に優れたクロム―銅―金構成
の積層金属層とを一体化した構造物になつている
ためである。 実施例 ３ 本実施例は、炭化ケイ素―金属一体化構造物を
歪伝達用支持部材として用いた半導体変位変換器
である。 第３図ａは半導体変位変換器であり、一端がハ
ウジング２０に固定されたカンチレバ２２の他端
に変位を与えるようにしたものである。変位に応
じた電気信号を得るように、シリコン歪ゲージペ
レツト２１を一体化するに際し、歪伝達部材とし
ての炭化ケイ素カンチレバ２２に、積層金属層２
３を設けた炭化ケイ素―金属一体化構造物に、金
系ソルダ２４を介して歪ゲージペレツト２１を固
着している。 この炭化ケイ素―金属一体化物は、第３図ｂに
示すように、酸化ベリリウムを約２重量パーセン
ト添加した焼結炭化ケイ素カンチレバ２２の表面
に、電子ビーム蒸着法により、第１の金属層とし
ての厚さ約0.1μｍのクロム層２５，第２金属層
としての厚さ約0.7μｍの銅層２６，および第３
金属層としての厚さ約0.1μｍの金属を順次積層
して設けたものである。 このような変位変換器においては、歪伝達部材
２２は優れた弾性体であると同時に、機械的に強
固でなければならない。また、歪ゲージペレツト
２１をハウジング２０から電気的に絶縁しておく
必要があり、さらに、歪ゲージペレツト２１に精
度よく歪を伝達するためには、カンチレバ２２と
同ペレツト２１との固着を強固にしなければなら
ない。 以上の構成で得られた変位変換器の、歪ゲージ
ペレツト２１とハウジング２０間の絶縁抵抗は、
10⁴MΩ以上を示した。また、炭化ケイ素カンチ
レバ２２に変位を与えた場合の歪ゲージペレツト
２１の電気出力特性の非直線誤差は0.01％以下
（歪量3500×10^-6），またヒステリシスは0.01％以
下（歪量3500×10^-6）と小さい値を示した。さら
に、歪ゲージペレツト２１の歪量は換算して7000
×10^-6に相当する変位を、炭化ケイ素カンチレバ
２２に与えたが、炭化ケイ素カンチレバ２２や積
層金属層２３には何等の異常をも生じなかつた。 このように本実施例の変位変換器が優れた電気
絶縁性、誤差が少なく直線性のよい変位―電気出
力特性、そして機械的強靭性を示し得たのは、炭
化ケイ素カンチレバ２２が好ましい絶縁性と機械
強度および弾性を兼ね備えており、しかも同炭化
ケイ素カンチレバ２２との接着性に優れたクロム
―銅―金構成の積層金属層を一体化した炭化ケイ
素―金属一体化構造物を用いたことによる。 実施例 ４ 本実施例では第１表に示すような組合わせで炭
化ケイ素板上に積層金属層を設け、前記実施例１
と同様の炭化ケイ素―金属一体化構造物および絶
縁型トランジスタを得た。

【表】 以上の構成で得られたトランジスタの電気絶縁
性、放熱性、そして接着強度は前記実施例１と同
等であつた。 以上に実施例を用いて説明したが、本発明は、
これのみに限定されるものではなく、電気絶縁
性、熱伝導性、機械的強度等を兼備した性能の要
求される半導体装置全般に利用できることは言う
までもない。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよび第３図ａ，ｂはそれぞれ本
発明の実施例を示す断面図、第２図ａは本発明の
他の実施例の斜視図、第２図ｂはその一部詳細断
面図である。 １…炭化ケイ素板、２…一方の主面、３…第１
金属層、４…第２金属層、５…第３金属層、６…
はんだ層、７…トランジスタペレツト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炭化ケイ素を主成分とし、酸化ベリリウムを
   含む電気絶縁性炭化ケイ素焼結基体と、該炭化ケ
   イ素基体の表面にチタニウム，クロム，モリブデ
   ン，タングステン，アルミニウムの群から選択さ
   れた少なくとも１種よりなる第１の金属層，銅，
   ニツケル，パラジウム，白金の群から選択された
   少なくとも１種よりなる第２の金属層、および
   金，銀，白金の群から選択された少なくとも１種
   よりなる第３の金属層を順次積層して形成された
   積層金属層と、該積層金属層上に固着された半導
   体素子とを具備することを特徴とする半導体装
   置。