JPS63173348A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は半導体装置に関する。

（従来の技術） 従来、電子機器に広く用いられている半導体装置は、第
５図で示すように表面及び内部に導体配線を施した絶縁
性の基板１の中央部に半導体チップ２を載置して、この
半導体チップ２を基板１の導体配線にワイヤボンディン
グで接続し、基板１の半導体チップ配置部を封止材（蓋
）３で封止したものである。

そして、この半導体装置における基板１には、高電気絶
縁性を有し、機械的強度が高く経済性も良いことからセ
ラミックス材料が採用されており、一般にはアルミナ基
板が用いられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかして、半導体装置においては、半導体チップが発熱
するために半導体チップの熱により装置が熱せられて温
度上昇し、装置温度が半導体チップの許容温度を越える
と半導体チップの正常な動作がそこなわれてしまう。こ
のため、半導体チツブの熱による装置の温度上昇を抑制
して半導体チップの機能劣化の発生を防止する必要があ
る。

しかるに、半導体チップの発熱に対する冷却を半導体装
置自身で行なう手段として、半導体チップの熱を基板に
伝導させて外部に放出させる方法がある。

しかしながら、従来の半導体装置におけるアルミナ基板
の熱伝導性（熱伝導率的２０ｗ／ｍｋ）は、半導体の熱
を良好に伝導して外部に放出し半導体装置の温度上昇を
確実に抑制するには不充分であり、特に高出力、高集積
度の半導体装置では装置の温度上昇により半導体の機能
劣化をひきおこす。そこで、従来の特に高出力、高集積
度の半導体装置においては、空冷式または水冷式の複雑
な構成をなす冷却装置を付帯させ、この冷却装置を用い
て半導体装置を冷却することにより温度上昇を抑制する
方法が採用されている。

従って、従来の冷却装置を付帯した半導体装置はデバイ
スとして大型化するとともに価格が高くなるという問題
がある。

本発明は前記事情に基づいてなされたもので、冷却装置
を不要又は簡略化として小型化および低価格化を図った
自己冷却能力が優れた高出力用の半導体装置を提供する
ことを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するだの手段と作用） 前記目的を達成するために本発明の半導体装置は、開口
部が形成されたアルミナ基板と、このアルミナ基板の開
口部を覆ってアルミナ基板に接合された窒化アルミニウ
ム板と、前記アルミナ基板の開口部に位置して前記窒化
アルミニウム板に載置された半導体チップとを具備して
なることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置の基本的な構成を第１図について説
明する。

図中１１はアルミナ焼結体からなるアルミナ多層基板で
、このアルミナ多層基板１１の中央部は例えば凹部とな
っており、この凹部の底部には開口部１２が形成されて
いる。また、アルミナ多層基板１１の表面及び内部には
導体配線が形成されている。１３は窒化アルミニウム（
ＡＲＮ）の焼結体からなる窒化アルミニウム板で、この
窒化アルミニウム板１３はアルミナ多層基板１１の底面
中央部に開口部１２を覆って接合されている。窒化アル
ミニウムは熱伝導率（７０〜２６０Ｗ／ｍ　ｋ　）がア
ルミナに比して非常に大きく放熱性に優れており、また
電気絶縁性も大変優れている。この窒化アルミニウム板
１３の厚さは０．３〜３．０ａｍである。１４は半導体
チップ例えばＳｉチップで、この半導体チップ１４はア
ルミナ多層基板１１の開口部１２においてアルミナ多層
基板１１に接合された窒化アルミニウム板１３に載置し
て設けられている。この半導体チップ１４はワイヤ１５
によりアルミナ多層基板１１の導体配線と電気的に接続
されている（ワイヤボンディング）。また、Ｓ１チツプ
の熱膨張係数（３，７Ｘ１０−６／’Ｃ）は窒化アルミ
ニウムの熱膨張係数（４，５Ｘ１０−６　／’Ｃ）と近
似しているため、大形サイズのＳｉチップを直接ハンダ
付けにより載置することができる。アルミナ基板（熱膨
張係数７．Ｏｘ１０−６／℃）の場合は、両者の熱膨張
係数差が大きくハンダ付は時の熱応力でＳｉチップを破
壊させることがある。１６はＦｅ−Ｎｉ合金などからな
る封止材で、この封止材１６はアルミナ多層基板１１の
凹部つまり半導体チップ配置部の上部を覆ってアルミナ
多層基板１１の表面に接合されている。なお、１７はア
ルミナ多層基板１１の表面に取付けられた電気入出力用
端子ビンで、アルミナ多層基板１１にろう付けされ、ア
ルミナ多層基板の内部導体配線と接続されている。

次にアルミナ多層基板１１と窒化アルミニウム板１３と
の接合構造について説明する。

この接合構造として好ましいものは第２図ないし第４図
で示す３種類の構造が挙げられる。

第２図で示す接合構造は、アルミナ多層基板１１と窒化
アルミニウム板１２とをろう材１８を用いてろう付けに
より直接接合したものである。

ろう材１８としてＡＱ−Ｃｕ−８ｎ合金、ＡＣ）−Ｃｕ
−Ｉｎ合金などの低温のろう材を使用し、約−〇− ６００℃の温度でろう付けを行なう。なお、アルミナ多
層基板１１と窒化アルミニウム板１３の夫々の接合面に
は、前処理としてＭＯメタライズを施した後にＮ＋メッ
キを施してろう材が確実に溶着するようにする。この接
合構造によれば、低温でろう付けを行なっているので、
ろう付けの熱処理によりアルミナ多層基板１１と窒化ア
ルミニウム板１３に大きな熱的応力を生じさせることが
ない。アルミナ多層基板１１と窒化アルミニウム板１３
は比較的熱膨張係数差が大きく、そのため大きな熱応力
が生じると破損することが多いので、この破損を防止で
きる。

第３図で示す接合構造は、アルミナ多層基板１１と窒化
アルミニウム板１３との間に環状をなす１個のスペーサ
１９を介在させ、アルミナ多層基板１１とスペーサ１９
とをろう材１８によるろう付けで接合し、また窒化アル
ミニウム板１３とスペーサ１９とを同じくろう付けによ
り接合したものである。スペーサ１９にはアルミナと窒
化アルミニウムの両者の熱膨張係数を緩和する両者の中
間の熱膨張係数を有する材料などからなる板材を使用す
る。例えばＣｕ単体からなる板、あるいはＣｕ／Ｍｏ／
Ｃｕクラツド材を用いる。Ｃｕ板は、熱膨張係数（１８
ｘ１０−６／’Ｃ）は大きいが、塑性変形が著しく容易
であり熱応力を緩和する。スペーサ１９の厚さは０．１
〜０．３ＷＲである。ろう付けにはろう材１８としてＡ
ｏ−Ｃｕ汎用の共晶ろう材を使用し、約８１０℃の温度
でろう付を行なう。この共晶ろう材を用いた場合の利点
は拡散がよく、気密性に優れ低価格であるということで
ある。勿論、第２図で示す接合構造に用いる低温ろう材
を用いることもできる。

第４図で示す接合構造は、アルミナ多層基板１１と窒化
アルミニウム板１３との間に複数個例えば２個の環状を
なすスペーサ２０．２１を重ねて介在させ、アルミナ多
層基板１１とスペーサ２０、スペーサ２０とスペーサ２
１、スペーサ２１と窒化アルミニウム板１３を夫々ろう
材１８を用いたろう付けにより接合する。スペーサ２０
には例えばＦＦｅｔ６４％−Ｎ１２９％−ＧＯ１７％合
金（コバール）、Ｆｅ５８％−Ｎｉ４２％合金などの材
料で形成した板材を使用し、スペーサ２１には例えばＭ
ＯｌＷからなるものを使用する。

これらの材料で形成するスペーサ２０．２１の熱膨張係
数は夫々６〜７×１０〜６／℃、４／６×１０−６／’
Ｃであり、アルミナ多層基板１１、窒化アルミニウム基
板のそれに近似させる。その厚さは０．１〜０．３ｍで
ある。ろう材１８は第３図で示す接合構造に用いるもの
と同様である。この接合構造によれば、接合面積が大き
くてもろう付けにて生じた熱応力をスペーサ２０．２１
が吸収してＡ１２０ａ　、ＡＩＮの各セラミック基板に
作用することを阻止してセラミックスのクラックの発生
を防止できる。

アルミナ多層基板１１と窒化アルミニウム板１３との接
合部の大きざによりそこに発生する熱応力が異なるため
に、接合部の大きさに応じて各接合構造を選択的に採用
する。

しかして、本発明の半導体装置はアルミナ多層基板１１
に接合した窒化アルミニウム板１３に半一〇− 導体チップ１４を載置しているので、半導体チップ１４
の発熱が高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム板１３
によって良好に伝導され外部に放出される。このため、
この半導体装置は半導体チップ１４の発熱による装置の
温度上昇を確実に抑制でき、低出力、低集積度のものは
勿論のこと高出力、高集積度ものにおいても複雑な構成
の空冷式あるいは水冷式の冷却装置を付帯させる必要が
なくなり、装置の小形化、低価格化が達成できる。

また、半導体チップ１４を窒化アルミニウム板１３に直
接載置でき、その作業性及び信頼性を向上させることが
できる。勿論、基板としてアルミナ多層基板１１及び窒
化アルミニウム基板１３を用いているので、機械的強度
が優れ耐熱性も良いという利点も得られる。

なお、本発明はＤＩＲ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ　　Ｐａｃｋａｑｅ）、 ＰＧＡ（Ｐｉｎ　　Ｇｒｉｄ　　Ａｒｒａｙ）、；ｙラ
ットパッケージなどの半導体装置に広く適用できる。

（実施例） 本発明例としてアルミナ多層基板（開口部１２×１２Ｍ
）に第３図で示す接合構造で窒化アルミニウム板（１６
ｘ１６ｘｔ０．６３５姻）をＡΩ−ＣＵ共晶ろう材で接
合した。スペーサにはＣｕ板（ロ１６×口１２×ｔｏ、
１５ｍ）を用いた。そして、窒化アルミニウム板に寸法
が１０×１０厘の８１チツプ（ＬＳＩ）を載置して半導
体装置を製作した。この半導体装置に電流を通じて５ｗ
の消費電力のもとて過度熱抵抗を測定した結果、自然対
流の場合１６，９℃／Ｗ、ヒートシンク取付け（２ｍ／
ｓｅｃ空冷）の場合４．０’Ｃ／Ｗであった。

従来例として第５図に示すアルミナ多層基板を使用し、
この基板に寸法が１０×１０＃であるＳ１チツプを載置
して上記に相当する半導体装置の場合には、夫々２８．
６℃／Ｗ、１３．２℃／Ｗであった。本発明の半導体装
置では、いずれの冷却方式においても従来基板と比較し
て放熱性が著しく改良され、半導体の高出力°化、品値
信頼性、高寿命化が達成された。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の半導体装置によれば、アル
ミナ基板と窒化アルミニウム板を組合わせた基板構造を
採用して自己冷却能力に優れているので、特別に冷却装
置を付帯させる必要がなく高出力でかつ小型で安価に製
作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置を示す断面図、第２図ない
し第４図は本発明の半導体装置におけるアルミナ多層基
板と窒化アルミニウム板との接合構造を示す断面図、第
５図は従来の半導体装置を示す断面図である。 １１・・・アルミナ多層基板、１３・・・窒化アルミニ
ウム板、１４・・・半導体チップ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１因 第２図 第３図 第４区 第５囚

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）開口部が形成されたアルミナ基板と、このアルミ
   ナ基板の開口部を覆つてアルミナ基板に接合された窒化
   アルミニウム板と、前記アルミナ基板の開口部に位置し
   て前記窒化アルミニウム板に載置された半導体チップと
   を具備してなることを特徴とする半導体装置。
2. （２）窒化アルミニウム板はアルミナ基板に直接ろう付
   けされている特許請求の範囲第１項に記載の半導体装置
   。
3. （３）アルミナ基板と窒化アルミニウム板との間にろう
   付けに伴なう熱応力緩和用のスペーサが介在され、アル
   ミナ基板とスペーサおよび窒化アルミニウム板とスペー
   サとが夫々ろう付けされている特許請求の範囲第１項記
   載の半導体装置。