JPS639665B2 - - Google Patents

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JPS639665B2
JPS639665B2 JP56005019A JP501981A JPS639665B2 JP S639665 B2 JPS639665 B2 JP S639665B2 JP 56005019 A JP56005019 A JP 56005019A JP 501981 A JP501981 A JP 501981A JP S639665 B2 JPS639665 B2 JP S639665B2
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JP
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alumina
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solder
insulating plate
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JP56005019A
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Hitoshi Oonuki
Tateo Tamamura
Masao Funyu
Keiichi Kunya
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • H01L23/3733Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置に係り、特に半導体素子
を絶縁板を介して放熱板に接着した構造の半導体
装置に関する。
大容量サイリスタあるいはトランジスタの開発
にともなつて、半導体素子を放熱板上に配置した
パワー半導体装置が必要になつてきている。また
複数の半導体素子を1つの放熱板上に配置したハ
イブリツドICも開発されている。
第1図は従来のこの種の半導体装置の断面図で
ある。金属から成る放熱板1上に絶縁板5が設け
られ、その絶縁板5上に所定の回路網を形成した
配線膜6,6a,6bが設けられ、さらに該配線
膜6a,6b間に半導体素子8がリード線9で接
続されている。配線膜6は銅などの導電材料、放
熱板1は銅、絶縁板5としてはアルミナ、ガラス
で被覆したアルミナ,ルビー等があるが主として
アルミナが用いられている。特に、絶縁板5は放
熱板1とはんだ2aにより接着されるために、モ
リブデンあるいはタングステンのメタライズ層4
を設け、さらにニツケル鍍金層3を施してある。
また半導体素子8と配線膜6とは熱膨張係数が著
しく異なることから緩衝材7が用いられている。
尚、図中2b〜2eもはんだである。
半導体装置は、その運転時に半導体素子8に熱
が発生するとともに運転停止に伴つて冷却され、
熱サイクルを生ずる。この熱サイクルに伴い半導
体素子8と配線膜6b及び絶縁板5との間に生じ
る熱応力が原因でこれらの接着部が劣下し、つい
には破壊する。このために、一般に熱サイクルに
よる熱応力を緩和させるため半導体素子8と配線
膜6bとの間に緩衝材7が設けられている。緩衝
材7は半導体素子8と配線膜6bとの熱膨張係数
の差を小さくするもので、熱膨張が両者の中間の
値をもつモリブデンやタングステン等が用いられ
ている。緩衝材7の厚さは0.5mm程度であるが、
半導体素子8に発生した熱を放散する上で抵抗と
なり、半導体装置が過熱されるという問題があ
る。また、前述した従来の半導体装置が十分な放
熱特性を有しない原因の1つは金属から成る放熱
板1に比べ熱伝導率が著しく低いアルミナから成
る絶縁板5があり、その厚さが通常のもので600
〜800μmと厚すぎることである。
このように半導体素子8に発生した熱の放散が
悪いことに起因する障害がいくつかある。例え
ば、半導体素子8は過熱されるとリーク電流の増
大が生ずる。
したがつて半導体素子8に発生した熱を有効に
拡散させることは半導体装置の性能劣化を抑制す
る上で重要な意味がある。
したがつて絶縁板5の厚さを従来の600〜
800μmよりも300μm程度に薄くできれば放熱特性
が著しく改善されることが十分に予想される。し
かし、このように薄いアルミナ板はその製造及び
取扱い上の問題及びこのアルミナ板をCuから成
る放熱板1に接着した場合、熱応力による変形や
割れを生じる問題がある。特に大出力用の放熱板
は面積が大きいので熱応力による変形及びアルミ
ナ板の割れが顕著である。
アルミナ板を薄くしても、アルミナ板の割れを
防止するためには、放熱板1として、熱膨張係数
がアルミナの7×10-6/℃に近く、しかも熱伝導
率が銅のように高い材料が望ましい。このような
要求を満足する材料としては、銅のように熱伝導
率の高い金属をマトリツクスとし、その中に熱膨
張係数の著しく低いC繊維を埋め込んだCu―C
複合材が考えられる。Cu―C複合材は、C繊維
量により熱膨張係数を自由に変えられ、しかも高
い熱伝導率を有する材料である。
配線膜6a,6bも上記Cu―C複合材により
作製すれば、Cu―C複合材の熱膨張係数を半導
体素子のそれに極めて近づけることができるた
め、緩衝材7を省略できる。また、Cu―C複合
材は種々の形状に加工できる利点もある。
したがつて第1図において、放熱板1を銅から
Cu―C複合材に代え、加えて配線膜6a,6b
の銅及び緩衝材7のモリブデンをCu―C複合材
に代え、はんだによつてこれらを接続した構造の
半導体装置は第1図に示したような構造のものに
比べ、アルミナ板を薄くしてもアルミナ板は割れ
ず放熱特性にも優れていると考えられる。
しかし、Cu―C複合材を使用した構造におい
ても、アルミナ板にはタングステンあるいはモリ
ブデンのメタライズ層を施し、さらにその上にニ
ツケル鍍金層を設けなければアルミナとCu―C
複合材とをはんだにより接着できない。タングス
テン,モリブデンのメタライズは加工に1500℃も
の高温を要するため、メタライズしたアルミナ板
は、メタライズを施さないアルミナ板に比べ、コ
ストが2倍程度高くなるという欠点を有する。さ
らにはんだは、耐熱疲労特性が悪く、しかも熱伝
導率が低いという欠点がある。したがつて、低コ
スト、高熱伝導性、さらに熱疲労特性に優れた半
導体装置を得るためには、アルミナにメタライズ
を施さなくとも、Cu―C複合材と接着できる構
造を見出す必要がある。
このため、亜酸化銅とアルミナ板との重ね、こ
れらの共晶温度に加熱し、接着することも試みら
れている。この構造は銅板には適しているが、
Cu―C複合材には接着温度が1000℃以上である
ために不適当である。なぜなら、Cu―C複合材
は800℃以上の温度になると膨れを生じ易いから
である。
それゆえ、本発明の目的は、高熱伝導性で、耐
熱疲労特性に優れた、低コストの半導体装置を提
供することにある。
本発明は上記目的を達成するために種々検討し
た結果得られたものであり、メタライズをしない
アルミナ板とCu―C複合板とをアルミニウム鑞
で直接接着することを特徴としている、上記アル
ミニウム鑞中にはシリコンの他にマグネシウム,
マンガン,チタン,カルシウム,ニツケルが数%
含有されていると良い。マグネシウムなどが含有
されている場合、シリコンは多少少なくても良
い。またアルミナと接着するCu―C複合材には
ニツケルあるいは銀鍍金層を施した方が良い。こ
れは鑞中のシリコンと複合材中の銅の反応を防止
するためである。アルミニウム―シリコン鑞は、
はんだに比較して熱伝導率は高く、また硬鑞に属
するため耐熱疲労特性に富む。
以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。
実施例 1 ニツケル鍍金層を設けたCu―C複合材と、10
%NaOH中でエツチングして表面を清浄化した
アルミナ板を、0〜20%の範囲でシリコンを含有
させた厚さ50μのアルミニウム鑞により、アルゴ
ンガス中で600℃に10分程度加熱保持して接着後
(ここで、接着時の加圧力は1Kg/mm2とした。)、
接着部の引張強度を調べた結果を第2図に示す。
また本図にはタングステンメタライズ層を設け、
更にニツケル鍍金層を設けたアルミナ板とCu―
C複合材とをはんだにより接着(350℃,水素ガ
ス中)した比較品の引張強度を調べた結果も示し
てある。本発明によれば引張強度はシリコンの含
有量が10%以上になるとあまり変らなくなり、約
2〜3Kg/mm2である。一方はんだを用いた比較品
の引張強度は1〜1.5Kg/mm2であつた。
ここで使用したCu―C複合材は銅鍍金したC
繊維を網状に編み、窒素ガス中で1000℃に250
Kg/cm2の圧力で60分間加熱保持して作製した。こ
の網状のCu―C複合材の熱膨張係数はC繊維の
含有量により4〜10×10-6/℃と自由に調節可能
である。
実施例 2 ニツケル鍍金層を設けたCu―C複合材、およ
びニツケル鍍金層を設けていないCu―C複合材
を用意してこれらと表面を清浄化したアルミナ板
とをシリコンを20%含有するアルミニウム鑞によ
り、温度を変え、アルゴンガス中で加熱接着して
引張強度を調べた。接着時の加圧力は1Kg/mm2
した。その結果を第3図に示した。500℃では、
いずれの場合も引張強度は小さい。ニツケル鍍金
層を設けたCu―C複合材の場合、550℃以上での
引張強度はほぼ同じである。一方、ニツケル鍍金
層をを設けていない場合は600℃以上になると引
張強度は小さくなることがわかつた。
実施例 3 以上の結果に基づき、半導体装置を作製した例
を第4図に示した。本図は第1図において銅から
成る放熱板1の代りにCu―35%C複合材からな
る放熱板11を用い、配線膜6a,6bと緩衝板
7の代りにCu―50%複合材からなる配線膜16
a,16bを用い、これらにニツケル鍍金層13
a〜13cを設け、厚さ0.3mmのアルミナ板15
とシリコンを20%含有するアルミニウム鑞(厚さ
50μm)12a〜12bにより、アルゴンガス中
で600℃に加熱し接着後、半導体素子18をはん
だ20により接着したものである。尚、19はリ
ード線である。本発明によると、従来法に比べは
んだ20の使用量を1/3以下にでき、導電率のよ
いアルミニウム鑞12a〜12bを用いており、
しかもアルミナ板15を従来の1/2の厚さにでき
るため、熱伝導率は向上し、熱抵抗を従来の30%
程度に低減できた。また半導体素子18を接着す
るにははんだでも良いが、アルミニウムを主成分
とする鑞材を用いても良い。
以上ようにして作製した半導体装置を−50〜
150℃の温度範囲で加熱冷却を繰り返すヒートサ
イクル試験を100サイクル繰り返したが、アルミ
ナ板15には割れは生じなかつた。
実施例 4 実施例3ではシリコンを20%含有するアルミニ
ウム鑞12a,12bを用いて半導体装置を作製
したが、シリコンを11.7%含有するアルミニウム
鑞を用いて同様に半導体装置を作製した。実施例
3と同様に熱抵抗は従来の30%程度に低減でき、
ヒートサイクル試験にも十分耐えることがわかつ
た。
実施例 5 実施例と同様に半導体装置を作製した。ただ
し、アルミニウム鑞12a,12b中にシリコン
の他にマグネシウム,マンガン,チタン,カルシ
ウム,ニツケル等を更に含有させた。添加量を変
えてみたところ、数%以下で、実施例3と同様な
引張強度が得られた。これれらの元素を添加含有
させた時、シリコンの含有量を少なくしても良い
ことも分つた。また、一種だけでなく、二種以
上、同時に含有させても同じ結果が得られた。
これらの元素は、接着時の加熱によつて、アル
ミナ板15中に拡散し、そのため、接着性が良く
なるのである。
実施例 6 アルミナ板15の表面にシリコンを1〜5μmの
厚さにスパツタ,電子ビーム,イオンプレーテイ
ング等により付着させておいてから、シリコンを
含有するアルミニウム鑞12a,12bを用いて
実施例3と同様に半導体装置を作製した。実施例
3と同様な引張強度を得るための接着時の加圧力
は実施例3の場合の約1/2程度で良かつた。
以上のように本発明によれば、低コストで高熱
伝導性で、熱抵抗が低く、熱疲労特性に優れた半
導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体装置を示す断面図、第2
図はアルミナ板とCu―C複合材の引張強度とア
ルミニウム鑞中のシリコン含有量との関係を示す
図、第3図はアルミナ板とCu―C複合材の引張
強度と接着温度との関係を示す図、第4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。 11……放熱板、12a,12b……アルミニ
ウム鑞、13a〜13c……ニツケル鍍金層、1
5……アルミナ板、16a,16b……配線膜、
18……半導体素子、19……リード線、20…
…はんだ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 少なくとも1個の半導体素子を絶縁板を介し
    て放熱板に接着されている半導体装置において、
    該放熱板として炭素繊維を銅マトリツクス中に埋
    込んでなる複合材が用いられ、絶縁板と放熱板が
    アルミニウム鑞で接着されていることを特徴とす
    る半導体装置。 2 特許請求の範囲第1項において、アルミニウ
    ム鑞中にはシリコン,マグネシウム,マンガン,
    チタン,カルシウム,ニツケルのうちの一種又は
    複数種が含有されていることを特徴とする半導体
    装置。 3 特許請求の範囲第1項において、放熱板上に
    はニツケルまたは銀の層が設けられていることを
    特徴とする半導体装置。 4 特許請求の範囲第1項において、絶縁板はア
    ルミナガラス層で被覆されたアルミナあるいはル
    ビーからなることを特徴とする半導体装置。 5 特許請求の範囲第1項において、半導体素子
    と絶縁板の間には炭素繊維を銅マトリツクス中に
    埋込んでなる複合材からなる配線膜が設けられて
    いることを特徴とする半導体装置。 6 特許請求の範囲第5項において、配線膜と絶
    縁板はアルミニウム鑞で接続されていることを特
    徴とする半導体装置。 7 特許請求の範囲第6項において、アルミニウ
    ム鑞中にはシリコン,マグネシウム,マンガン,
    チタン,カルシユウム,ニツケルのうちの一種又
    は複数種が含有されていることを特徴とする半導
    体装置。 8 特許請求の範囲第5項において、配線膜上に
    はニツケルまたは銀の層が設けられていることを
    特徴とする半導体装置。
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