JPS6342414B2 - - Google Patents
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- JPS6342414B2 JPS6342414B2 JP57024473A JP2447382A JPS6342414B2 JP S6342414 B2 JPS6342414 B2 JP S6342414B2 JP 57024473 A JP57024473 A JP 57024473A JP 2447382 A JP2447382 A JP 2447382A JP S6342414 B2 JPS6342414 B2 JP S6342414B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は新規な半導体装置に係り、特に半導体
素子を有する半導体パワーモジユールや高密度集
積回路装置に関する。
素子を有する半導体パワーモジユールや高密度集
積回路装置に関する。
従来、シリコンチツプや厚膜抵抗などの回路要
素を形成載置した半導体装置の絶縁基板は、主に
アルミナ基板が使用されていた。しかし、近年電
気装置は一段と小型で回路の高密度化が要求さ
れ、基板の単位面積当りの素子や回路要素の集積
度が高くなつている。その結果、基板の発熱が大
幅に増加し、アルミナ基板では熱放散が十分でな
いという問題が生じている。このため、アルミナ
基板よりも熱伝導率が大きく、熱放散性に優れた
絶縁基板が必要になつてきた。
素を形成載置した半導体装置の絶縁基板は、主に
アルミナ基板が使用されていた。しかし、近年電
気装置は一段と小型で回路の高密度化が要求さ
れ、基板の単位面積当りの素子や回路要素の集積
度が高くなつている。その結果、基板の発熱が大
幅に増加し、アルミナ基板では熱放散が十分でな
いという問題が生じている。このため、アルミナ
基板よりも熱伝導率が大きく、熱放散性に優れた
絶縁基板が必要になつてきた。
絶縁基板が具備すべき主な性質は、(1)電気絶縁
性に優れ、(2)熱伝導率及び(3)機械的強度が大き
く、(4)熱膨脹係数でシリコンチツプなどの熱膨脹
係数に近いことである。こうした性能を有する基
板材料として高密度に焼結した炭化ケイ素焼結体
についてその特性を調べた。しかし、炭化ケイ素
そのものは電気的には半導体に属し、比抵抗が１
〜10Ωcmオーダで電気絶縁性でないためそのまま
では使用できない。
性に優れ、(2)熱伝導率及び(3)機械的強度が大き
く、(4)熱膨脹係数でシリコンチツプなどの熱膨脹
係数に近いことである。こうした性能を有する基
板材料として高密度に焼結した炭化ケイ素焼結体
についてその特性を調べた。しかし、炭化ケイ素
そのものは電気的には半導体に属し、比抵抗が１
〜10Ωcmオーダで電気絶縁性でないためそのまま
では使用できない。
一般に、炭化ケイ素焼結体から成る基板に電気
絶縁性を付与するには、(1)該基板を高温酸化気中
で熱処理して基板表面に熱酸化膜（シリカ膜）を
形成する。(2)該基板表面に有機フイルム、ガラス
あるいはセラミツクなどの絶縁物層を被着させ
る、などの方法が考えられる。しかし、これらの
方法では均質な薄膜層が得にくいこと、熱酸化膜
やガラス、セラミツクなどの膜を形成した場合は
膜中にピンホールが発生し易く、また、ガラスや
セラミツクス膜形成の際の高温処理過程で炭化ケ
イ素の一部が分解してガス化することによつてボ
イドが発生するので、問題がある。
絶縁性を付与するには、(1)該基板を高温酸化気中
で熱処理して基板表面に熱酸化膜（シリカ膜）を
形成する。(2)該基板表面に有機フイルム、ガラス
あるいはセラミツクなどの絶縁物層を被着させ
る、などの方法が考えられる。しかし、これらの
方法では均質な薄膜層が得にくいこと、熱酸化膜
やガラス、セラミツクなどの膜を形成した場合は
膜中にピンホールが発生し易く、また、ガラスや
セラミツクス膜形成の際の高温処理過程で炭化ケ
イ素の一部が分解してガス化することによつてボ
イドが発生するので、問題がある。
炭化ケイ素は融点が高く非常に焼結し難いの
で、焼結には少量の焼結助剤を添加し、高温で加
圧するいわゆるホツトプレス法により作られる。
炭化ケイ素焼結体の電気抵抗は炭化ケイ素粒子自
身の抵抗が小さいことから主に粒子間の界面での
抵抗と不純物に依存すると考える。本発明者らは
この点に着目し、焼結体の電気抵抗は粒子相互を
結合する焼結助剤の種類や添加量が影響するとみ
て助剤の効果を調べた結果本発明に至つた。
で、焼結には少量の焼結助剤を添加し、高温で加
圧するいわゆるホツトプレス法により作られる。
炭化ケイ素焼結体の電気抵抗は炭化ケイ素粒子自
身の抵抗が小さいことから主に粒子間の界面での
抵抗と不純物に依存すると考える。本発明者らは
この点に着目し、焼結体の電気抵抗は粒子相互を
結合する焼結助剤の種類や添加量が影響するとみ
て助剤の効果を調べた結果本発明に至つた。
本発明の目的は、半導体素子を直接基板に載置
でき、放熱性の高い半導体装置を提供するにあ
る。
でき、放熱性の高い半導体装置を提供するにあ
る。
本発明は、炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウ
ム及び窒化ホウ素の少なくとも１種を含む電気絶
縁性焼結体からなる基体表面に炭化ケイ素を除く
セラミツクス又は樹脂からなる絶縁層を有し、該
絶縁層上に回路導体を有し、かつ半導体素子が接
合されていることを特徴とする半導体装置にあ
る。
ム及び窒化ホウ素の少なくとも１種を含む電気絶
縁性焼結体からなる基体表面に炭化ケイ素を除く
セラミツクス又は樹脂からなる絶縁層を有し、該
絶縁層上に回路導体を有し、かつ半導体素子が接
合されていることを特徴とする半導体装置にあ
る。
炭化ケイ素を主成分とする焼結体は、ベリリウ
ム及び窒化ホウ素の１種以上を添加することによ
つて電気絶縁性が得られる。ベリリウムとして酸
化ベリリウムがよい。
ム及び窒化ホウ素の１種以上を添加することによ
つて電気絶縁性が得られる。ベリリウムとして酸
化ベリリウムがよい。
主成分の炭化ケイ素粉末には、一般にSi，Al，
Fe，Ti，Niの単体またはその酸化物および遊離
炭素などの不純物が含まれている。
Fe，Ti，Niの単体またはその酸化物および遊離
炭素などの不純物が含まれている。
Alは、比抵抗値を低めるので、できるかぎり
少ないことが望ましい。
少ないことが望ましい。
本発明において炭化ケイ素粉末に添加する酸化
ベリリウム、窒化ホウ素の添加量は要求される比
抵抗値によつて選択される。比抵抗値として約
1010Ωcm以上が好ましい。炭化ケイ素中のAlが酸
化アルミニウムとして約0.1％含まれている粉末
を用いた場合、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の添
加量は、炭化ケイ素粉末100重量部に対し２重量
部以上添加すると、その比抵抗値は1010Ωcm以上
となる。
ベリリウム、窒化ホウ素の添加量は要求される比
抵抗値によつて選択される。比抵抗値として約
1010Ωcm以上が好ましい。炭化ケイ素中のAlが酸
化アルミニウムとして約0.1％含まれている粉末
を用いた場合、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の添
加量は、炭化ケイ素粉末100重量部に対し２重量
部以上添加すると、その比抵抗値は1010Ωcm以上
となる。
不純物としてAlを含むときは、酸化アルミニ
ウム量にして５倍以上、好ましくは10倍以上の酸
化ベリリウム、窒化ホウ素を添加するのが良い。
ウム量にして５倍以上、好ましくは10倍以上の酸
化ベリリウム、窒化ホウ素を添加するのが良い。
次に本発明を具体的な実施例について説明す
る。
る。
本発明における炭化ケイ素焼結体を次のように
製造した。不純物中に酸化アルミニウムを0.1％
含有する純度98％の炭化ケイ素粉末（平均粒径
2μｍ）100重量部に、酸化ベリリウム粉末３重量
部（酸化アルミニウム量の約30倍に相当）を添加
し、十分に混合した後直径50φの円板に仮成形し
た。次いで仮成形品を黒鉛製治具に入れ、真空ホ
ツトプレス装置により真空度10-3〜10-5Torrの
減圧下で加圧力200Kg／cm2、温度2000℃で焼結し
た。こうして得られて相対密度97％以上の炭化ケ
イ素焼結体（厚さ0.5mm）の表面を鏡面研磨した
後20×30mmに切断して基板を形成し、基板両面に
アルミ蒸着膜電極をつけて比抵抗並びに耐電圧を
測定した。室温（25℃）における比抵抗が1012Ω
ｍ、直流印加によるリーク電流が10-9Aになつた
時の電圧で表わした耐電圧は3400Vであり、良好
な電気絶縁特性であつた。
製造した。不純物中に酸化アルミニウムを0.1％
含有する純度98％の炭化ケイ素粉末（平均粒径
2μｍ）100重量部に、酸化ベリリウム粉末３重量
部（酸化アルミニウム量の約30倍に相当）を添加
し、十分に混合した後直径50φの円板に仮成形し
た。次いで仮成形品を黒鉛製治具に入れ、真空ホ
ツトプレス装置により真空度10-3〜10-5Torrの
減圧下で加圧力200Kg／cm2、温度2000℃で焼結し
た。こうして得られて相対密度97％以上の炭化ケ
イ素焼結体（厚さ0.5mm）の表面を鏡面研磨した
後20×30mmに切断して基板を形成し、基板両面に
アルミ蒸着膜電極をつけて比抵抗並びに耐電圧を
測定した。室温（25℃）における比抵抗が1012Ω
ｍ、直流印加によるリーク電流が10-9Aになつた
時の電圧で表わした耐電圧は3400Vであり、良好
な電気絶縁特性であつた。
また、熱伝導率は0.7cal／cm・ｓ・℃、熱膨脹
係数は39×10-7／℃、機械的強度（３点曲げ強
さ）は55Kg／mm2であつた。これらの値を高アルミ
ナ質基板の特性と比較すると、熱伝導率が約10
倍、機械的強度が約２倍、熱膨脹係数が3/5であ
り、いずれも絶縁基板として非常にすぐれた特性
であつた。
係数は39×10-7／℃、機械的強度（３点曲げ強
さ）は55Kg／mm2であつた。これらの値を高アルミ
ナ質基板の特性と比較すると、熱伝導率が約10
倍、機械的強度が約２倍、熱膨脹係数が3/5であ
り、いずれも絶縁基板として非常にすぐれた特性
であつた。
本発明の大きな利点は、熱伝導率が大きい基板
を使用するので放熱性が高い半導体装置が得られ
ることである。基板の放熱性の良否を表わす熱抵
抗（基板厚さ／熱伝導率）は、熱伝導率が大き
く、基板厚さが薄いほど小さくなるが、本発明で
は機械的強度が高い基板を使用できるため板厚を
薄くでき、実質的な熱抵抗をアルミナ基板を使用
したものの1/20程度となる。さらに、基板を銅、
アルミなど高熱伝導性金属のヒートシンク材と組
合せれば放熱性は飛躍的に向上する。
を使用するので放熱性が高い半導体装置が得られ
ることである。基板の放熱性の良否を表わす熱抵
抗（基板厚さ／熱伝導率）は、熱伝導率が大き
く、基板厚さが薄いほど小さくなるが、本発明で
は機械的強度が高い基板を使用できるため板厚を
薄くでき、実質的な熱抵抗をアルミナ基板を使用
したものの1/20程度となる。さらに、基板を銅、
アルミなど高熱伝導性金属のヒートシンク材と組
合せれば放熱性は飛躍的に向上する。
第１図は、不純物の酸化アルミニウムを約0.1
％含有する純度98％の炭化ケイ素粉末に酸化ベリ
リウム又は窒化ホウ素の添加量を変えて焼結した
炭化ケイ素焼結体の比抵抗（25℃）との関係を示
すものである。ホツトプレス条件により若干の違
いはあるが、添加量が１重量部以下では添加効果
が乏しく、焼結もしにくい。しかも添加量に伴う
比抵抗の増加が急峻なためその値がばらつくなど
の難点がある。一方、添加量が10重量部以上にな
ると比抵抗が飽和すると共に焼結体に気孔（ボイ
ド）が多くなる傾向がある。
％含有する純度98％の炭化ケイ素粉末に酸化ベリ
リウム又は窒化ホウ素の添加量を変えて焼結した
炭化ケイ素焼結体の比抵抗（25℃）との関係を示
すものである。ホツトプレス条件により若干の違
いはあるが、添加量が１重量部以下では添加効果
が乏しく、焼結もしにくい。しかも添加量に伴う
比抵抗の増加が急峻なためその値がばらつくなど
の難点がある。一方、添加量が10重量部以上にな
ると比抵抗が飽和すると共に焼結体に気孔（ボイ
ド）が多くなる傾向がある。
第２図に本発明の半導体装置の一例として半導
体素子を載置した集積回路装置の断面図を示す。
100重量部の炭化ケイ素粉末に３重量部の酸化ベ
リリウム粉末を添加し焼結した前述のSiC焼結体
絶縁基板１１の上面にシリコンからなるトランジ
スタペレツト１４、回路導体１９、厚膜抵抗１
５、及び金属製ヒートシンク１８の上に載置した
シリコンからなるパワートランジスタペレツト１
７などを搭載したものである。SiC絶縁基板を用
いた半導体装置は、前述の如く、熱放散性が優れ
ているので各素子の容量アツプまたは集積密度を
高めることができた。
体素子を載置した集積回路装置の断面図を示す。
100重量部の炭化ケイ素粉末に３重量部の酸化ベ
リリウム粉末を添加し焼結した前述のSiC焼結体
絶縁基板１１の上面にシリコンからなるトランジ
スタペレツト１４、回路導体１９、厚膜抵抗１
５、及び金属製ヒートシンク１８の上に載置した
シリコンからなるパワートランジスタペレツト１
７などを搭載したものである。SiC絶縁基板を用
いた半導体装置は、前述の如く、熱放散性が優れ
ているので各素子の容量アツプまたは集積密度を
高めることができた。
本発明における基体は熱膨脹係数がシリコンチ
ツプの熱膨脹係数に近似しているため、従来アル
ミナ基板では不可能であつた大型チツプの基板へ
の直接接合が可能である。また、基板は熱的機械
的特性がすぐれているので、電気的装置製造時の
ろう付、溶接など各種の熱的、機械的変化に対し
て十分な強度を保つと共に、半導体装置の動作時
の温度上昇に伴う熱歪、または熱サイクルにも十
分に耐え得るので、信頼性の高い半導体装置が得
られる。
ツプの熱膨脹係数に近似しているため、従来アル
ミナ基板では不可能であつた大型チツプの基板へ
の直接接合が可能である。また、基板は熱的機械
的特性がすぐれているので、電気的装置製造時の
ろう付、溶接など各種の熱的、機械的変化に対し
て十分な強度を保つと共に、半導体装置の動作時
の温度上昇に伴う熱歪、または熱サイクルにも十
分に耐え得るので、信頼性の高い半導体装置が得
られる。
本発明においては基板表面に絶縁層として熱酸
化膜、高熱伝導性のアルミナや窒素ケイ素などの
炭化ケイ素以外のセラミツクス、ポリイミドフイ
ルムなどの絶縁樹脂層をコートするものである。
但しこれらの際はボイドの発生を極力抑える必要
がある。
化膜、高熱伝導性のアルミナや窒素ケイ素などの
炭化ケイ素以外のセラミツクス、ポリイミドフイ
ルムなどの絶縁樹脂層をコートするものである。
但しこれらの際はボイドの発生を極力抑える必要
がある。
第１図は本発明の半導体装置に使用する炭化ケ
イ素焼結体絶縁基板の比抵抗と酸化ベリリウム又
は窒化ホウ素の添加量との関係を示す曲線図、第
２図は本発明のSiからなる半導体素子を載置した
集積回路装置の一例を示す断面図である。 １１…SiC絶縁基板、１２…金属製放熱フイ
ン、１３…半田層、１４…トランジスタペレツ
ト、１５…厚膜抵抗体、１６…ボンデイングワイ
ヤ、１７…パワートランジスタペレツト、１８…
金属製ヒートシンク、１９…回路導体。
イ素焼結体絶縁基板の比抵抗と酸化ベリリウム又
は窒化ホウ素の添加量との関係を示す曲線図、第
２図は本発明のSiからなる半導体素子を載置した
集積回路装置の一例を示す断面図である。 １１…SiC絶縁基板、１２…金属製放熱フイ
ン、１３…半田層、１４…トランジスタペレツ
ト、１５…厚膜抵抗体、１６…ボンデイングワイ
ヤ、１７…パワートランジスタペレツト、１８…
金属製ヒートシンク、１９…回路導体。
Claims (1)
- １ 炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム及び窒
化ホウ素の少なくとも１種を含む電気絶縁性焼結
体からなる基体表面に炭化ケイ素を徐くセラミツ
クス又は樹脂からなる絶縁層を有し、該絶縁層上
に回路導体を有し、かつ半導体素子が接合されて
いることを特徴する半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2447382A JPS57164550A (en) | 1982-02-19 | 1982-02-19 | Electric device with improved heat radiating property |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2447382A JPS57164550A (en) | 1982-02-19 | 1982-02-19 | Electric device with improved heat radiating property |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP54142059A Division JPS5831755B2 (ja) | 1979-11-05 | 1979-11-05 | 電気絶縁用基体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57164550A JPS57164550A (en) | 1982-10-09 |
| JPS6342414B2 true JPS6342414B2 (ja) | 1988-08-23 |
Family
ID=12139130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2447382A Granted JPS57164550A (en) | 1982-02-19 | 1982-02-19 | Electric device with improved heat radiating property |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57164550A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0834273B2 (ja) * | 1987-03-06 | 1996-03-29 | 株式会社日立製作所 | 発熱体の放熱構造 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5666086A (en) * | 1979-11-05 | 1981-06-04 | Hitachi Ltd | Electrically insulating board |
-
1982
- 1982-02-19 JP JP2447382A patent/JPS57164550A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5666086A (en) * | 1979-11-05 | 1981-06-04 | Hitachi Ltd | Electrically insulating board |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57164550A (en) | 1982-10-09 |
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