JPS6326542B2 - - Google Patents

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JPS6326542B2
JPS6326542B2 JP14615881A JP14615881A JPS6326542B2 JP S6326542 B2 JPS6326542 B2 JP S6326542B2 JP 14615881 A JP14615881 A JP 14615881A JP 14615881 A JP14615881 A JP 14615881A JP S6326542 B2 JPS6326542 B2 JP S6326542B2
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solder
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Yasutoshi Kurihara
Komei Yatsuno
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は絶縁型半導体装置、特に半導体基体
と、半導体基体を載置する金属支持体との間が電
気的に絶縁され、熱的に接続された半導体装置に
関する。
半導体装置の一例である高出力トランジスタを
複数個搭載した混成集積回路装置では、数アンペ
ア以上のコレクタ電流が流れるが、この際半導体
素子としてのトランジスタペレツトは通常発熱す
る。この発熱に起因する特性の不安定性や寿命の
加速的劣化を避けるためトランジスタペレツトが
許容制限温度を越えて昇温するのを防止しなけれ
ばならない。又、混成集積回路装置に搭載される
回路素子、中でも半導体素子としてのトランジス
タペレツトは他の回路素子と電気的に絶縁されな
ければならない場合が多い。さらに、高度な機能
の要求される混成集積回路装置では搭載された回
路素子が外部からの影響、特に電磁波妨害を受け
ないようにするための方策や、安全上の見地から
混成集積回路装置の搭載回路素子はその収能容器
から電気的にしや断されていなければならない。
このような要求を満たすためには熱伝導性や電
気絶縁性が優れ、限られたスペースに所定の電気
回路を構成する回路素子を搭載できる絶縁部材が
必要になる。このような絶縁部材の一例として、
第1図に示す断面図のように、ヒートシンクとし
ての役割を併せて担う銅の如き金属支持板1上に
鉛−錫系半田等からなる第1の金属ろう2を介し
て絶縁板3を接着し、この絶縁板3の他方の面上
に鉛−錫系半田等からなる第2の金属ろう4を介
して銅板の如き電極板5を接着した構造のものが
知られており、混成集積回路装置はさらにこの絶
縁基板の電極板5上に鉛−錫系半田等からなる第
3の金属ろうを介して半導体基体等の回路素子を
一体化し、所定の電気配線や封止処理を施して得
られる。かかる構造の混成集積回路装置におい
て、絶縁板3は電気絶縁性に優れ併せて高い熱伝
導性を兼ね備えていることが望ましく、この観点
から無機質絶縁物、例えばアルミナ、ベリリヤが
多用されている。しかしながら、アルミナやベリ
リヤを除く無機質絶縁物、例えば窒化アルミニウ
ム、窒化シリコンは体積抵抗率1014Ω・cm以上
(室温)と極めて優れた電気絶縁性を有するとと
もに、それぞれ熱伝導率0.21cal/cm・℃・S,
0.03cal/cm・℃・S(室温)と良好な熱伝導性を
兼ね備えており、前述した半導体装置用絶縁板と
して好ましい性質を持つている。にもかかわら
ず、これらの無機質絶縁物が半導体装置に実用さ
れることは殆んどなかつた。この理由は、アルミ
ナやベリリヤに比べて低コスト、均質かつ量産的
に製造するための方法が十分に確立されていなか
つたことの他に、これらの無機質絶縁物と金属と
の接着を信頼性高く実現すること、つまりこれら
無機質絶縁物表面に信頼性の高い金属化処理を施
すことが極めて困難であつたことにもよる。
本発明の目的は、前述した無機質絶縁物を用い
て熱伝導性に優れた絶縁型半導体装置を提供する
ことにある。
この目的を達成する本発明の絶縁型半導体装置
は、支持部材により支持され、支持部材と反対の
側で少なくとも1つの主平面を有する無機質絶縁
部材と、絶縁部材の主平面上に金属ろうにより接
着された金属板と、金属板の絶縁部材側と反対側
の表面に導電的に接着された少なくとも1つの半
導体基体とを含む半導体装置であり、上記絶縁部
材が窒化アルミニウム、窒化硼素、窒化シリコン
の群から選択された1つを主成分とする物質であ
り、この絶縁部材の少なくとも金属ろうにより金
属板を接着する領域の表面に、モリブデン及びタ
ングステンを含む粉末金属を還元性雰囲気下で焼
結された金属層を含む金属化領域を有することを
特徴とする。
本発明をさらに詳細に説明すると、前述した金
属化領域は、(1)無機質絶縁部材としての窒化アル
ミニウムや窒化シリコンとの反応性に富み強固な
接着性を有するモリブデン及びタングステン混合
粉末を印刷法により塗布し、この際混合粉末の塗
布は揮発性有機溶媒といつしよに混練してペース
ト状になされた混合粉末ペーストを厚さ約60μm
に印刷して行なわれ、(2)混合粉末ペーストを塗布
した無機質絶縁部材を還元性フオーミングガス雰
囲気(水素1:窒素10、容量比)中で1320℃(保
持時間:20分間)に加熱して前述の混合粉末ペー
スト中の有機質を揮散させるとともに粉末金属ど
うしの焼結と粉末金属と無機質絶縁部材との反応
を促進せしめ、(3)無機質絶縁部材に一体化された
焼結金属上に無電解ニツケルめつきを施して厚さ
3〜5μmのニツケルめつき層を形成し、そして
ニツケルめつき層を形成した無機質絶縁部材を水
素の如き還元性雰囲気中で810℃((保持時間3〜
5分間)して形成される。このようにして金属化
された無機質絶縁部材の両面には、鉛−錫系半田
の一般的なろの付け法により銅板等の金属板と一
体化される。一体化された金属板は一方が支持板
としての役割を担い、他方が半導体基体を搭載す
る導体板やヒートシンク板としての役割を担う。
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 本実施例では、絶縁型トランジスタについて説
明する。第2図は本実施例で得た絶縁型トランジ
スタの断面図である。このトランジスタは無機質
絶縁部材としての窒化アルミニウム板11の両面
に焼結して一体化したモリブデン及びタングステ
ンを含む金属層と同金属層上にめつき形成したニ
ツケル層とからなる積層金属層12を配し、この
窒化アルミニウム板11の一方の主面側に導体板
としての銅板13と半導体基体としてのシリコン
トランジスタペレツト14を順次積層して鉛−錫
系半田15により導電的に接着し、他方の主面側
に支持板としての銅板16を鉛−錫系半田17に
より接着した構造になつている。この際、トラン
ジスタペレツト14のエミツタ及びベース領域を
それぞれ所定の金属端子にアルミニウム細線を介
して導電的に接続し、銅板を所定の金属端子(コ
レクタ)に導電的に接続し、そしてトランジスタ
ペレツト14、銅板13、窒化アルミニウム板1
1等が完全に封止されるようにエポキシ樹脂でモ
ールドしている。
以上の構成で得られた絶縁型トランジスタのペ
レツト14から銅支持板16に至る間の熱抵抗は
0.85℃/Wと良好な放熱性を示し、そして銅板1
3と銅支持板16間に交流実効値電圧2000V(50
Hz)を連続して10時間印加したが絶縁破壊は生じ
なかつた。又、得られた絶縁型トランジスタに−
55℃(25分間)−室温(5分間)−+150℃(25分
間)−室温(5分間)の温度サイクルを2000回与
えたが熱抵抗の変動は認められなかつた。このよ
うに、放熱性や絶縁性に優れそして耐温度サイク
ル性に優れた絶縁型トランジスタが得られたの
は、窒化アルミニウムに接着強度に優れる積層金
属層で金属化処理ができ、金属板との一体化が可
能になつたことによる。
実施例 2 本実施例では、実施例1において無機質絶縁部
材として窒化シリコン板を用い、これら無機質絶
縁部材に実施例1と同様の積層金属層を設けて金
属化し、実施例1と同様の構造の絶縁型トランジ
スタを得た。
以上の構成で得られた絶縁型トランジスタの熱
抵抗は1.25℃/Wと良好な放熱性を有しており、
そして絶縁性や耐温度サイクル性は実施例1とほ
ぼ同等であつた。このように、放熱性や絶縁性に
優れそして耐温度サイクル性に優れた絶縁型トラ
ンジスタが得られたのは、窒化シリコンに接着強
度に優れる積層金属層で金属化処理できたため、
金属板との一体化が可能になつたことによる。
実施例 3 本実施例では10A級インバータの電流制御パワ
ーモジユールを例に採つて説明する。
このパワーモジユールは、第3図に示すよう
に、表面にニツケルめつきを施した70mm×140mm
×3.2mmのアルミニウム支持板21と、実施例1
と同様の積層金属層からなる金属化領域を両面に
設けた25mm×25mm×0.6mmの窒化アルミニウム板
221〜226、同じく15mm×15mm×0.6mmの窒
化アルミニウム板227,228及び同じく16mm
×15mm×0.6mmの窒化アルミニウム板229と、
そして表面にニツケルめつきを施した23mm×23mm
×0.25mmのアルミニウム載置板231〜236、
同じく13mm×13mm×0.25mmのアルミニウム載置板
237,238及び同じく14mm×13mm×0.25mmの
アルミニウム載置板239を順次鉛−錫系半田
(図示せず)を介して一体化し、アルミニウム載
置板上に鉛−錫系半田(図示せず)を介してトラ
ンジスタ、ダイオード、抵抗、双方向性サイリス
タを搭載して、第4図に示すような混成集積回路
を構成し、エポキシ樹脂からなる封止用ケース
(図示せず)で封止し、さらにケース内を絶縁性
樹脂で充填してモジユールを得た。このモジユー
ルは第4図に示す電気回路を構成しているが、一
点鎖線で表わした範囲の回路素子はそれぞれ対応
するアルミニウム載置板上に搭載されている。
以上の構成で得たモジユールのトランジスタ、
ダイオード、双方向性サイリスタの各ペレツトと
アルミニウム支持板との間の熱抵抗0.6℃/W以
下であり、実用上支障のない優れた放熱性を有し
ていることが確認された。又、同モジユールに実
施例1と同様の温度サイクルを50回与えたが、熱
抵抗の変動は認められなかつた。さらにアルミニ
ウム載置板とアルミニウム支持板間に実施例1と
同様の交流電圧を10時間印加したが、絶縁破壊は
認められなかつた。以上のように放熱性が良いた
め発熱の著しいパワー素子を多数収納でき、この
結果パワー回路を小型化することが可能になつ
た。
以上説明したように、本発明によれば窒化アル
ミニウム、窒化シリコンからなる無機質絶縁部材
を用いて熱伝導性に優れた絶縁型半導体装置を得
ることができる。これは、従来極めて困難であつ
た窒化アルミニウムや窒化シリコンに金属化でき
たこと、即ち接着強度に優れ、半田等の金属ろう
による接着が可能な焼結モリブデン及びタングス
テンを含む積層金属層で無機質絶縁部材を金属化
できたため、金属板等の一体化が可能になつたこ
とによる。又、本発明によれば、無機質絶縁部材
の金属化処理には一般的な印刷、焼付けによる金
属化の手法を用いることが可能であり、金属化し
た無機質絶縁板は通常の金属ろうによるリフロー
処理で金属板と一体化することができるため、半
導体装置の製作が容易である。
なお、本発明において半導体基体を載置する金
属板は半導体装置の主要な導電路を担うものであ
つて、金属ろうのみで導電路を確保できる場合は
金属板を除いても本発明の目的を達成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の絶縁型半導体装置の断面図、第
2図は本発明を適用した絶縁型トランジスタの断
面図、第3図は本発明を適用したパワーモジユー
ルの斜視図、第4図は第3図のパワーモジユール
の電気回路である。 11……窒化アルミニウム板、12……積層金
属層、13……銅板、14……シリコントランジ
スタペレツト、16……銅板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 支持部材により支持され、この支持部材側と
    反対側で少なくとも1つの主平面を有する無機質
    絶縁部材と、この絶縁部材の上記主平面上に金属
    ろうにより接着された金属板と、この金属板の上
    記絶縁部材側と反対側の表面に導電的に接着され
    た少なくとも1つの半導体基体とを具備し、上記
    絶縁部材が窒化アルミニウム、窒化シリコンの群
    から選択された1つを主成分とする物質であり、
    この絶縁部材の少なくとも金属ろうにより金属板
    を接着する領域の表面に、モリブデン及びタング
    ステンを含む粉末金属を還元性雰囲気下で焼結さ
    れた金属層を含む金属化領域を有することを特徴
    とする絶縁型半導体装置。 2 特許請求の範囲第1項において、半導体基体
    が金属ろうを介して前記金属化領域に導電的に接
    着されたことを特徴とする絶縁型半導体装置。
JP14615881A 1981-09-18 1981-09-18 絶縁型半導体装置 Granted JPS5848926A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14615881A JPS5848926A (ja) 1981-09-18 1981-09-18 絶縁型半導体装置

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JP14615881A JPS5848926A (ja) 1981-09-18 1981-09-18 絶縁型半導体装置

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Publication Number Publication Date
JPS5848926A JPS5848926A (ja) 1983-03-23
JPS6326542B2 true JPS6326542B2 (ja) 1988-05-30

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JP14615881A Granted JPS5848926A (ja) 1981-09-18 1981-09-18 絶縁型半導体装置

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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