KR100705868B1 - 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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후지 덴키 디바이스 테크놀로지 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 반도체 장치의 방열 성능을 향상시킴과 함께, 접합부의 열응력에 의한 변형을 방지하고, 제조 공정에서의 조립 정밀도를 확보하여 그 신뢰성을 향상시키는 반도체 장치를 제공하는 것으로서, 반도체 장치(1)는, 회로 기판(10)의 표리면에 반도체 칩(2), 방열용 베이스(3)를 각각 솔더 접합하여 구성되어 있다. 이 반도체 장치(1)의 방열용 베이스(3)는, 열전도에 이방성을 가지며, 절연 기판(11)과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 형성되어 있다. 또한, 열전도에 이방성이 없는(또는 작은) 회로 기판(10)의 도체 패턴(13)의 두께를 어느정도 확보하여, 절연 기판(11)을 경유하여 전달되는 열을 방열용 베이스(3)와의 접합면의 방향으로 미리 확산하여 전도 면적을 넓히도록 하였다.
반도체 장치, 반도체 칩, 방열용 베이스, 회로 기판, 절연 기판

Description

반도체 장치 및 그 제조 방법{Semiconductor device and the method of manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 반도체 장치의 개략 구성을 도시한 단면도.
도 2는 회로 기판의 표리면에 형성된 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 도시한 설명도.
도 3은 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 도시한 설명도.
도 4는 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 도시한 설명도.
도 5는 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 도시한 설명도.
도 6은 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 도시한 설명도.
도 7은 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 도시한 설명도.
도 8은 종래의 반도체 장치의 개략 구성을 도시한 단면도.
도 9는 종래의 반도체 장치의 문제점을 도시한 설명도.
도 10은 종래의 반도체 장치의 문제점을 도시한 설명도.
도 11은 종래의 반도체 장치의 문제점을 도시한 설명도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 : 반도체 장치 2 : 반도체 칩
3 : 방열용 베이스 10 : 회로 기판
11 : 절연 기판 12, 13 : 도체 패턴
14, 15 : 솔더층
본 발명은, 회로 기판의 한쪽 면에 반도체 칩을, 다른쪽의 면에 반도체 칩에서 발생한 열을 방열시키는 방열용 베이스를 접합한 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 회로 기판과 방열용 베이스가, 솔더 등의 솔더재에 의해 솔더링 접합된 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
(종래의 기술)
근래의 전자 기기 등에 조립되는 반도체 장치의 고성능화에 수반하여, 그 반도체 장치에서의 발열량도 증가하고 있다. 이 때문에, 이러한 반도체 장치를 보호하기 위해, 발생한 열을 히트싱크 등 외부의 방열 수단에서 방열시키는 구성이 채용되고 있다. 도 8은, 이와 같은 종래의 반도체 장치의 개략 구성을 도시한 단면도이다.
동 도면에 도시한 바와 같이, 이러한 반도체 장치(101)는, 예를 들면 세라믹 등으로 이루어지는 절연 기판(111)의 양면에 구리박이나 알루미늄박으로 이루어지 는 도체 패턴(회로 패턴)(112, 113)을 형성한 회로 기판(110)에 대해, 그 한쪽 면에 IGBT나 FWD(Free Wheel Diode) 등의 발열 칩 부품(실리콘 칩 : 반도체 칩)(102)을 솔더 접합하고, 다른쪽의 면에 구리판 등의 금속판으로 이루어지는 방열용 베이스(103)를 솔더 접합하여 구성되어 있다.
여기서, 회로 기판(110)은, 절연 기판(111)의 표리 양면에 직접 접합법(Direct Bonding) 또는 활성 금속 접합법(Active Metal Bonding) 등에 의해, 도체 패턴(112, 113)을 접합하여 구성된다. 그리고, 그 표면측의 도체 패턴(112)에 반도체 칩(102)을 솔더링하고, 이면측의 도체 패턴(113)에 방열용 베이스(103)를 솔더링하고 있다. 따라서, 반도체 칩(102)과 회로 기판(110)의 사이 및 회로 기판(110)과 방열용 베이스(103)의 사이에는, 각각 솔더층(114, 115)이 형성되어 있다.
상술한 바와 같은 종래의 반도체 장치(101)는, 예를 들면 표 1에 표시한 바와 같이, 통상, 절연 기판(정확하게는 회로 기판)과 방열용 베이스에서 열팽창률이 다른 부재를 솔더 접합한 적층 구조를 갖는다. 이 결과, 반도체 장치의 조립 공정이나 그것을 조립한 전자 기기의 조립 공정에 있어서, 이종 재료의 열팽창 차에 의해, 도 9에 도시한 바와 같이, 그 조립 직후에 방열용 베이스(103)에 볼록형상의 휘어짐이 발생한다.
Figure 112004017137838-pat00001
도 11은, 방열용 베이스와 회로 기판의 접합에 납(Pb)을 함유한 솔더를 이용한 경우와, 납을 함유하지 않는 솔더를 이용한 경우의 각각에 있어서의 방열용 베이스의 휘어짐량 △t(㎚)를, 솔더 접합 직후부터의 시간(h) 경과와 함께 측정한 것이다. 동 도면에서는, 납을 함유한 솔더로서 주석(Sn)을 베이스로 하고 납(Pb)을 60중량% 포함한 것을 사용하고, 납을 함유하지 않은 솔더로서 주석(Sn)을 베이스로 하여 안티몬(Sb)을 5중량% 포함한 것을 사용한 예를 도시하고 있다.
동 도면으로도 알 수 있는 바와 같이, 솔더의 소재로서 납을 함유한 것을 선정하면, 솔더 자체가 크립(creep)하여 그 열응력을 완화하기 때문에, 그 볼록 형상은 시간과 함께 평탄하게 되돌아간다.
그러나, 근래의 환경 문제에 대응하기 위해, 회로 기판과 방열용 베이스와의 사이에 납을 포함하지 않는 주석(Sn)을 주성분으로 하는 단단한 솔더를 이용한 경우에는, 솔더 자체가 크립 변형하기 어렵기 때문에, 솔더링 후에 상술한 휘어짐이 그대로 남아서, 볼록형상으로 변형한 그대로 되어 버린다. 발명자들의 실험예에 의하면, 예를 들면 길이 90㎜ 내지 110㎜, 폭 43㎜ 내지 60㎜, 두께 3㎜의 구리판으 로 이루어지는 방열용 베이스(103)를 사용한 경우, 그 볼록형상의 휘어짐량(도 9의 △t)이 0.3㎜ 내지 0.7㎜ 정도로 매우 크게 된 것이 확인되어 있다.
이와 같은 휘어짐이 발생하면, 솔더링 공정 이후에 행하여지는 조립 공정에 있어서, 소망하는 조립 정밀도를 얻을 수 없게 된다는 불합리함이 초래된다. 또한, 반도체 장치(101)는, 그 방열용 베이스(103)를 냉각 핀을 갖는 히트싱크 등의 방열 수단에 부착하여 사용되는데, 방열용 베이스가 볼록형상으로 휘어 있으면, 도 10에 도시한 바와 같이 반도체 장치(101)와 방열 수단(120)과의 사이에 간극이 생기고, 그들의 접촉면이 감소한다. 그 결과, 접촉 열저항의 증대를 초래하고, 반도체 칩(102)에서 발생한 열의 방산이 방해되고, 최종적으로는, 해당 반도체 칩(102)이 이상한 온도 상승에 의해 열파괴되어 버린다.
한편으로, 예를 들면 차량에 이용되는 반도체 장치에서는, 히트사이클 시험에 있어서의 신뢰성 향상이, 종래보다 증가 요청되고 있다. 이 히트사이클 시험에 있어서의 반도체 장치의 수명은, 기본적으로 회로 기판과 방열용 베이스 사이의 솔더층의 수명에 결정되어 있다. 솔더 접합물(회로 기판 및 방열용 베이스)의 열팽창률의 차가 솔더층에 열응력을 가하고, 해당 솔더층을 파괴하여 버리기 때문이다. 따라서, 이와 같은 열응력을 억제함과 함께, 그 열전도 효율을 향상시키는 것이 요망된다.
또한, 차량용의 반도체 장치에는 경량화가 필수의 과제로 되기 때문에, 그것에의 대응이 요구된다.
이러한 가운데, 예를 들면 흑연 결정을 포함하는 탄소 입자 또는 탄소섬유를 포함하는 탄소 성형체에, 알루미늄, 구리, 은 또는 이들 금속의 합금을 용탕(溶湯) 등에 의해 가압 함침시킴으로써 얻어진 탄소기 금속 복합 재료 판형상 성형체를, 회로 소자가 실장된 회로 기판에 솔더 접합 등을 행하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조). 이러한 기술은, 방열용 베이스로서, 경량이며 열전도율이 높고, 양방향의 탄성률이 작고 기계 가공성이 좋은 기판을 이용하여, 열응력에 의한 접합부에서의 파손을 방지하는 것이다.
또한, 방열성 탄소 복합판으로서 탄소 매트릭스 중에서, 두께 방향으로 탄소섬유가 배열하여 이루어지는 판형상의 탄소 복합체에 액상 경화 재료를 함침시키므로서, 탄소 복합체의 열전도율 향상 및 강도의 향상을 실현하는 기술도 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 2 참조).
또한, 탄소 단섬유 강화 탄소 복합재로 이루어지고, 열전도율에 이방성을 갖는 방열판에 관해서도 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 3 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특개2001-58255호 공보(단락 번호[0026], 도 4)
[특허 문헌 2] 일본 특개평11-54677호 공보(단락 번호[0009], 도 1, 2)
[특허 문헌 3] 일본 특개2001-39777호 공보(단락 번호[0005])
그러나, 상술한 어느 문헌에 있어서도, 방열 성능을 향상시키는 동시에, 접합부의 열응력에 의한 변형을 방지하고, 전체로서 고성능의 반도체 장치를 제공할 수 있는 기술의 상세함에 관해서는 개시되어 있지 않다.
본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 반도체 장치의 방열 성능을 향상시킴과 함께, 접합부의 열응력에 의한 변형을 억제 또는 방지하고, 제조 공정에 있어서의 조립 정밀도를 확보하여 그 성능상의 신뢰성을 향상시키고, 보다 바람직하게는, 경량화를 실현할 수 있는 반도체 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 과제를 감안하여, 본 발명에서는, 절연 기판의 양면에 각각 도체 패턴을 형성하여 이루어지는 회로 기판과, 상기 회로 기판의 한쪽 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 접합된 반도체 칩과, 상기 회로 기판의 다른쪽의 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 솔더링 접합되고, 상기 반도체 칩에서 발생한 열을, 상기 도체 패턴과는 반대측에 배치된 외부 방열 수단으로 열전도시키는 방열용 베이스를 구비한 반도체 장치로서, 상기 방열용 베이스는, 열전도성에 이방성을 갖는 재료로 구성되고, 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 상기 재료를 배향하여 형성되고, 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 상기 절연 기판의 상기 접합면에 따른 방향의 열팽창률과의 차가, 상기 방열용 베이스와 상기 회로 기판과의 사이에 발생하는 열응력에 의해 상기 솔더링 접합의 솔더재가 파손되는 것을 방지하는 미리 정한 소정치 이하로 되도록, 그 재질이 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 제공된다.
여기서, 절연 기판과 그 양면에 형성된 도체 패턴은 회로 기판을 형성하고, 솔더링 접합에는, 솔더 등의 금속솔더가 사용된다. 또한, 반도체 칩은, 회로 기판에 대해 솔더링 접합하여도 좋고, 반도체 칩 그 자체의 일부를 용착 등에 의해 직접 접합하도록 하여도 좋다.
이와 같은 반도체 장치에서는, 방열용 베이스로서, 열전도성에 이방성을 갖는 재료로 구성된 것을 이용한다. 그리고, 회로 기판과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향(두께 방향)으로 열전도율이 커지도록 재료를 배향함으로써, 회로 기판으로부터 전도된 열을 외부 방열 수단으로 효율적으로 전도될 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 방열용 베이스의 재질로서, 그 방열용 베이스의 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 절연 기판의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과의 차가 소정치 이하로 되도록 하여, 방열용 베이스와 회로 기판의 사이에 발생하는 열응력에 의해 솔더링 접합의 솔더재가 파손되는 것을 방지할 수 있는 것을 채용하고 있다.
그 결과, 해당 반도체 장치에 의하면, 접합부의 열응력에 의한 변형을 억제 또는 방지함에 의해, 반도체 장치의 방열 성능을 향상시키는 동시에, 제조 공정에 있어서의 조립 정밀도를 확보하여 그 성능상의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 특히 현안으로 되어 있는 방열용 베이스와 회로 기판 사이의 솔더링 접합부의 파손을 방지하는 것인데, 이들 방열용 베이스와 회로 기판 사이의 솔더링 접합부의 변형이 방지됨에 의해, 결과적으로, 반도체 칩과 회로 기판의 접합부의 파손도 방지되는 것으로 이어진다.
또한, 상기 구성에서는, 특히, 회로 기판으로부터의 전도열을 방열용 베이스에 전도할 때에 접합면에 따른 방향으로 확산하여 두면, 그 후, 방열용 베이스로부터 방열 수단으로 열전도되는 때의 전도 면적이 커지고, 방열 효율을 향상시키는데 바람직하다.
그래서, 절연 기판과 방열용 베이스의 사이에 개장된 도체 패턴을, 접합 방향의 두께가 미리 정한 설정치 이상이 되도록 형성하고, 회로 기판으로부터 전달된 열의 접합면에 따른 방향으로의 확산량을 미리 정한 소정량 이상으로 유지하도록 하면 좋다.
이러한 구성에 의하면, 반도체 칩에서의 발생열을 방열용 베이스에 도달하기 전에 그 접합면에 따라 확산할 수 있고, 방열용 베이스에서의 방열면을 넓힐 수 있다. 그리고, 그 상태에서 방열용 베이스의 상기 이방성을 이용함으로써, 방열용 베이스로부터 방열 수단으로의 신속한 열전도를 실현할 수 있다. 그 결과, 반도체 칩에서 발생한 열의 방열 효율을 한층 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 절연 기판의 양면에 각각 도체 패턴을 형성하여 이루어지는 회로 기판과, 상기 회로 기판의 한쪽 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 접합된 반도체 칩과, 상기 회로 기판의 다른쪽 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 솔더링 접합되고, 상기 반도체 칩에서 발생한 열을, 상기 도체 패턴과 반대측에 배치된 외부 방열 수단으로 열전도시키는 방열용 베이스를 구비한 반도체 장치의 제조 방법으로서, 상기 방열용 베이스를, 열전도성에 이방성을 갖는 재료로 구성하고, 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 상기 재료를 배향하여 형성함과 함께, 상기 방열용 베이스로서, 상기 방열용 베이스의 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 상기 절연 기판의 상기 접합면에 따른 방향의 열팽창률이, 상기 방열용 베이스와 상기 회로 기판의 사이에 발생하는 열응력에 의해 상기 솔더링 접합의 솔더재가 파손되는 것을 방지하는 미리 정한 소정치 이하로 되는 재질의 것을 사용하고, 상기 도체 패턴이 형성된 상기 회로 기판에 대해, 상기 반도체 칩과 상기 방열용 베이스를, 상기 도체 패턴을 통하여 동시에 접합하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
이와 같은 반도체 장치의 제조 방법에서는, 도체 패턴이 형성된 회로 기판에 대해, 반도체 칩과 방열용 베이스를 도체 패턴을 통하여 동시에 솔더링 접합할 수 있다. 즉, 종래는, 상술한 열응력에 기인한 변형에 의한 접합부의 파손을 고려하여, 반도체 칩을 회로 기판에 대해 접합한 후에, 그 접합체에 대해 방열용 베이스를 접합하는 형태를 취하고 있지만, 상술한 바와 같이 반도체 장치를 그 변형을 방지할 수 있는 구성으로 함으로써, 이들 반도체 칩과 방열 베이스를 회로 기판에 동시에 접합할 수 있는 것이다.
즉, 이러한 제조 방법은, 상기 반도체 장치의 구성에 특화된 제조 방법이라고 할 수 있고, 반도체 장치의 제조 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 반도체 장치의 실시 형태를, 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 1은 해당 반도체 장치의 개략 구성을 도시한 단면도이다.
동 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 반도체 장치(1)는, 회로 기판(10)의 표리면에 반도체 칩(2), 방열용 베이스(3)를 각각 솔더 접합하여 구성되어 있다. 이 반도체 장치(1)는, 전자 기기에 조립될 때에, 그 방열용 베이스(3)가 도시하지 않은 냉각 핀을 갖는 히트싱크(외부 방열 수단)에 부착된다. 전자 기기의 운용시에는, 반도체 칩(2)에서 발생한 열이, 열전도에 의해 회로 기판(10) 및 방열용 베이스(3)를 통하여 히트싱크로 전도되고, 그 히트싱크에 의해 방열된다.
구체적으로는, 회로 기판(10)은, 산화 알루미늄(알루미나)으로 이루어지는 세라믹 절연 기판(11)의 표리면에, 도체층인 구리제의 도체 패턴(12, 13)을 상기 직접 접합법 또는 활성 금속 접합법 등에 의해 형성하여 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 절연 기판(11)은, 길이 62㎜, 폭 37㎜, 두께 0.25㎜로 형성되고, 각 도체 패턴(12, 13)은, 그 두께가 0.25㎜로 형성되어 있다.
그리고, 회로 기판(10)의 한쪽 면에 형성된 도체 패턴(12)에 대해, Sn-Ag계의 솔더(14)를 통하여 반도체 칩(2)이 솔더 접합되고, 다른쪽의 면에 형성된 도체 패턴(13)에 대해, Sn-Sb계의 솔더(15)를 통해 방열용 베이스(3)가 솔더 접합되어 있다. 반도체 칩(2)은, IGBT나 FWD 등의 실리콘 칩으로 이루어지고, 방열용 베이스(3)는, 예를 들면 일본 특개평6-128063호 공보에도 기재된 바와 같은 카본(탄소계 다공질 재료)에 알루미늄이나 구리 등의 금속 재료를 함침시킨 탄소섬유 복합 재료나 탄소 복합 재료(이하「C/C 재료」라고 한다)로 이루어진다.
이 C/C 재료는, 금속의 함침 비율(배합비)에 의해 그 열팽창률을 조정할 수 있는 것이다. 즉, 금속의 비율을 많게 하면, 그 열팽창률은 금속의 열팽창률에 근접하도록 커지고, 카본의 비율을 많게 하면, 그 열팽창률은 카본의 열팽창률에 근접하도록 작아진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 반도체 칩(2)으로부터 회로 기판(10)을 통하여 전도된 열을 히트싱크로 효율적으로 전하기 위해, 방열용 베이스(3)에 열전도성에 이방성이 있는 C/C 재료를 사용하고 있고, 절연 기판(11)과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 재료를 배향하여 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 방열용 베이스(3)는, 길이 90㎜, 폭 43㎜ ,두께 3㎜로 형성되고, 회로 기판(10)과의 접합 방향의 열전도율이 320W/m·K, 접합면에 따른 방향(접합 방향과 직교하는 방향)의 열전도율이 172W/m·K가 되도록 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 방열용 베이스(3)에는, 5㎛의 니켈 도금(Ni-P 도금)이 시행되어 있다.
그리고, 또한 회로 기판(10)과의 솔더 접합 직후에 발생하는 방열용 베이스(3)의 휘어짐이 극력 작아지도록, 해당 방열용 베이스(3)의 절연 기판(11)과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 회로 기판(10)(정확하게는 절연 기판(11))의 해당 접합면에 따른 방향의 열팽창률과의 차가, 방열용 베이스(3)와 회로 기판(10)과의 사이에 발생하는 열응력에 의해 솔더층(15)이 파손되는 것을 방지할 수 있는 미리 정한 소정치 이하로 되도록, 그 재질이 선택되어 있다. 즉, 방열용 베이스(3)에 있어서의 금속 재료의 함유량을 조정함으로써, 방열용 베이스(3)의 열팽창률을 그와 같이 조정하고 있다.
또한, 여기서 말하는 「소정치」는, 제로에 근접할수록 바람직하지만, 실용상 선택 가능한 범위나 설계상의 안전률을 고려하는 등, 실험 등을 통하여 경험적으로 적절히 설정할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 절연 기판(11)으로서 알루미나를 이용하고 있고, 그 열팽창률이 약 7.8ppm/K로 되어 있다. 이 때문에, C/C 재료로 이루어지는 방열용 베이스(3)에는, 그 절연 기판(11)과의 접합 방향으로 약 4ppm/K, 그 접합면에 따른 방향으로 약 7ppm/K의 열팽창률을 갖는 것을 이용하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 회로 기판(10)을 경유한 전도열을, 방열용 베이스(3)와의 접합면에 따른 방향으로 확산한 다음 방열용 베이스(3)에 전달하기 위해, 적어도 절연 기판(11)과 방열용 베이스(3)와의 사이에 개장된 도체 패턴(13)을, 그 두께가 미리 정한 설정치 이상이 되도록 형성하고 있다.
즉, 본 실시 형태의 방열용 베이스(3)는, 상술한 바와 같이 열전도에 이방성을 갖고, 절연 기판(11)과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 형성되어 있다. 이 때문에, 도체 패턴(13)의 두께가 얇으면, 반도체 칩(2)에서의 발생열은, 회로 기판(10)을 경유하여 거의 그대로의 전도 면적(여기서는, 열이 전해지는 면적을 말한다)으로 방열용 베이스(3)로 전도되고, 히트싱크로 전해지는 것으로 된다.
그래서, 열전도에 이방성이 없는(또는 작은) 도체 패턴(13)의 두께를 어느 정도 확보하고, 절연 기판(11)을 경유하여 전달되는 열을 방열용 베이스(3)와의 접합면의 방향으로 미리 확산하여 전도 면적을 넓히는 것으로 하였다. 그로 인해, 방 열용 베이스(3)측에서 열을 수취하는 면적이 커지고, 또한, 그 상태에서 방열용 베이스(3)의 열전도의 이방성(접합 방향으로 크다)을 이용함으로써, 방열용 베이스(3)로부터 히트싱크로의 신속한 열전도를 실현하고 있다.
그리고, 이상과 같이 하여, 반도체 장치(1)의 방열 성능을 향상시키는 동시에, 열팽창률의 상위에 의한 접합부의 열응력에 기인한 변형을 억제 또는 방지하는 구성으로 함으로써, 해당 반도체 장치(1)의 제조를 효율적으로 행할 수 있다.
즉, 본 실시 형태의 반도체 장치(1)는, 방열용 베이스(3)의 회로 기판(10)에의 솔더 접합시의 변형을 억제 또는 방지할 수 있기 때문에, 도체 패턴(12, 13)이 형성된 절연 기판(11)에 대해, 반도체 칩(2)과 방열용 베이스(3)를 각 도체 패턴을 통하여 동시에 접합하여도, 그 접합부가 열응력에 의해 파손된다는 문제가 발생하지 않는다.
이 때문에, 본 실시 형태의 반도체 장치(1)의 제조 공정에서는, 절연 기판(11)의 양면에 도체 패턴(12, 13)을 형성한 후, 이들의 도체 패턴이 형성된 절연 기판(11)에 대해, 반도체 칩(2)과 방열용 베이스(3)를 각 도체 패턴을 통하여 동시에 접합한다.
[실시예]
본 발명의 효과를 확인하고자, 발명자들은, 방열용 베이스의 휘어짐량, 반도체 칩의 상승 온도, 솔더 접합부의 피로 수명 등에 관해, 종래 구성과의 비교를 행하는 히트사이클 시험을 행하였다. 이하, 표 2 내지 표 4 및 도 2 내지 도 7은 각 시험의 결과를 나타내고 있다.
우선, 표 2는, 방열용 베이스 및 솔더의 종류에 의해, 솔더 접합 후의 방열용 베이스의 휘어짐량이 어떻게 변하는지를 나타내는 것이다. 본 시험은, 방열용 베이스에 상술한 C/C 재료를 적용한 실시예와, 방열용 베이스에 종래의 구리판을 사용한 비교예에 관해, 방열용 베이스와 회로 기판과의 접합에 납(Pb)을 함유한 솔더를 이용한 경우와, 납을 함유하지 않은 솔더를 이용한 경우의 각각에 있어서의 방열용 베이스의 휘어짐량을 측정한 것이다.
또한, 본 시험에서는, 방열용 베이스로서, 길이 90㎜, 폭 43㎜, 두께 3㎜의 이하「90㎜×43㎜×3㎜」와 같이 표기한다)을 사용하고, 절연 기판(11)으로서 62㎜×37㎜×0.25㎜의 것을 사용하고, 솔더링 온도 300℃에서 6분의 시험 조건으로 행하였다.
Figure 112004017137838-pat00002
표 2에 의하면, 납을 함유한 솔더를 사용한 경우에는, 비교예에서의 휘어짐량이 90㎛임에 대해, 실시예에서의 휘어짐량은 제로이었다(또한, 동 표에서는, 도 4에 도시한 바와 같은 위로 볼록한 휘어짐량 △t를 마이너스의 값으로 나타내었다). 또한, 납을 함유하지 않은 솔더를 사용한 경우에는, 비교예에서의 휘어짐량이 350㎛임에 대해, 실시예에서의 휘어짐량은 제로이었다.
즉, 실시예 및 비교예에 있어서, 납을 함유한 솔더를 사용한 경우에 휘어짐량이 감소하는 것은, 상기 종래 기술의 란에서 기술한 크립 현상에 의한 것이지만, 실시예에서는, 납을 함유하지 않은 솔더를 사용한 경우에 있어서도 휘어짐량이 제로라는 결과를 얻을 수 있고 있다. 이것은, 실시예에서는, C/C 재료를 사용함으로서, 방열용 베이스의 회로 기판과의 접합 방향의 열팽창률이 근접하였기 때문에, 열응력에 의한 방열용 베이스의 변형이 방지된 것이라고 생각된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 납을 함유하지 않은 솔더를 적극적으로 이용하여 반도체 장치를 제조할 수 있고, 환경 문제에 대응한 납을 포함하지 않는 납 프리 구조의 반도체 장치를 제공할 수 있다.
다음에, 표 3은, 절연 기판의 종류에 의한 방열 효과의 차이를 나타내고 있다. 본 시험은, 방열용 베이스에 C/C 재료를 적용한 실시예와, 방열용 베이스에 종래의 구리판을 사용한 비교예에 관해, 절연 기판의 재료로서 알루미나를 이용한 경우와, 질화 알루미늄을 이용한 경우의 각각에 있어서의 반도체 칩의 상승 온도를 측정한 것이다.
또한, 본 시험에서는, 방열용 베이스로는, 실시예 및 비교예 모두 상기한 것과 같은 것을 사용하고, 반도체 칩으로서 9.8㎜×9.8㎜×0.15㎜의 것을 사용하였다. 또한, 절연 기판이 알루미나로 이루어지는 경우에는 해당 알루미나의 두께를 O.25㎜로 하고, 절연 기판이 질화 알루미늄으로 이루어지는 경우에는 해당 질화 알루미늄의 두께를 0.635㎜로 하였다. 또한, 각 절연 기판의 양면에는 구리제의 도체 패턴을 각각 형성하고, 그 두께를 모두 0.25㎜로 하였다. 그리고, 반도체 칩에 160W의 전력을 인가하면서, 5분 후의 온도를 측정하였다.
Figure 112004017137838-pat00003
표 3에 의하면, 절연 기판의 재료로서 질화 알루미늄을 이용함으로써, 방열용 베이스의 재료로서 C/C 재료를 이용하여도, 종래 구성과 동등 이상으로 반도체 칩의 온도 상승을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 구리보다도 열전도율이 낮은 C/C 재료를 이용하여도, 같은 방열 효과를 얻어짐을 알 수 있다. 또한, 동 표에는 나타내지 않았지만, 절연 기판의 재료로서, 질화 알루미늄 대신에 질화 규소를 이용하여도 같은 효과가 얻어지는 것을 알고 있다.
다음에, 도 2 내지 도 7은, 절연 기판의 표리면에 형성된 도체 패턴의 두께에 의한 방열 효과의 차이를 나타내고 있다. 본 시험은, 방열용 베이스에 C/C 재료를 적용한 실시예에 있어서, 절연 기판의 재료로서 알루미나, 질화 알루미늄, 질화 규소를 이용한 경우에 있어서의 반도체 칩의 상승 온도를 측정한 것이다.
각 도면에 있어서, 실시예의 시험 결과는 실선으로 도시되어 있다. 또한, 비교 대조하는 기준으로서, 방열용 베이스에 종래의 구리판을 사용한 비교예(현행 구조)에 관해 도면중 점선으로 도시하고 있다. 또한, 비교예는, 절연 기판으로서 알루미나로 이루어지는 세라믹, 표리의 도체 패턴으로서 열전도에 이방성이 없는 구 리를 채용하고, 각 두께를 0.25㎜로 한 것이다. 이 비교예에 관해서는, 반도체 칩의 상승 온도는 125℃로 되어 있다.
우선, 도 2 내지 도 4는, 절연 기판의 재료로서 비교예와 같은 알루미나를 사용하고, 그 두께를 각각 0.25㎜, 0.32㎜, 0.635㎜로 한 것이다. 또한, 방열용 베이스 및 반도체 칩에는 상기한 것과 같은 것을 사용하였다.
각 도면에 도시된 바와 같이, 본 시험에서는, 도체 패턴의 두께가 0.25㎜, 0.35㎜, 0.40㎜, 0.50㎜, 0.60㎜의 5종류의 것을 준비하고, 각각의 회로 기판을 구비한 반도체 장치에 있어서 반도체 칩에 160W의 전력을 인가하면서, 5분 후의 온도를 측정하였다.
이들의 도면에 의하면, 도체 패턴의 두께가 커질수록 반도체 칩의 상승 온도가 내려가고, 방열 효과가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 절연 기판(알루미나)의 두께가 커질수록 칩 온도가 상승하는 것을 알 수 있다.
이들 도 2 내지 도 4의 데이터에 의거하여, 비교예(현행 구조)와 동등 이하의 칩 온도를 실현하기 위한, 절연 기판(알루미나)의 두께 x와 도체 패턴(구리)의 두께 y와의 관계를 나타내면 도 5와 같이 되고, 수학식으로 표시하면 하기 식 1과 같이 된다.
y≥0.6886x＋0.218
따라서 상기 두께 y의 범위에서 도체 패턴을 형성하면, 종래 이상의 방열 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이것은, 도체 패턴의 두께를 상기 범위로 함으로써, 반도체 칩 바로 아래 및 절연 기판 바로 아래의 발열을 횡방향(접합면에 따른 방향)으로 확산시키고, 반도체 칩의 온도 상승을 억제하고 있는 것에 의한 것이다. 이와 같이, 도체 패턴의 두께를 어느 정도 크게 취함으로써, 열전도성에 이방성을 갖는 C/C 재료를 이용하여도, 종래 구조와 동등 이상으로 반도체 칩의 상승 온도를 억제할 수 있다. 즉, 절연 기판의 열전도율에 의하는 일 없이, C/C 재료의 열전도율의 이방성에 의한 디메리트를 보충할 수 있는 것이다.
다음에, 도 6, 도 7은, 절연 기판의 재료로서, 각각 질화 알루미늄, 질화 규소를 사용하고, 그 두께를 0.635㎜로 한 것이다. 또한, 방열용 베이스 및 반도체 칩에는 상기한 것과 같은 것을 사용하였다.
각 도면에 도시된 바와 같이, 본 시험에서도, 도체 패턴의 두께가 0.25㎜, 0.35㎜, 0.40㎜, 0.50㎜, 0.60㎜의 5종류의 것을 준비하고, 각각의 회로 기판을 구비한 반도체 장치에 있어서 반도체 칩에 160W의 전력을 인가하면서 5분 후의 온도를 측정하였다. 또한, 비교예에 관해서는 상기한 바와 같다.
이들의 도면에 의하면, 도체 패턴의 두께가 커질수록 반도체 칩의 상승 온도가 내려가고, 방열 효과가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 어느 두께에 있어서도, 비교예보다 반도체 칩의 상승 온도가 낮게 되어 있다.
이상에 의해, 절연 기판의 재료로서 질화 알루미늄 또는 질화 규소를 사용한 경우에는, 두께에 의하지 않고 종래 구조보다도 우수한 방열 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
단, 일반적으로, 알루미나를 사용한 절연 기판은, 질화 알루미늄 또는 질화 규소를 사용한 절연 기판보다도 저가이기 때문에, 알루미나를 상술한 범위의 두께로 사용한 절연 기판을 채용하는 의의는 크다고 할 수 있다.
다음에, 표 4는, 방열용 베이스와 절연 기판과의 사이의 솔더 접합부의 수명이, 방열용 베이스의 종류에 의해 어떻게 변하는지를 나타내고 있다. 본 시험은, 방열용 베이스에 C/C 재료를 적용한 실시예와, 방열용 베이스에 종래의 구리판을 사용한 비교예에 관해, 그 솔더 접합부에 발생한 휘어짐과, 솔더 접합부의 수명을 측정한 것이다.
또한, 본 시험에서는, 방열용 베이스 및 반도체 칩에는, 실시예 및 비교예 모두 상기한 것과 같은 것을 사용하고, 회로 기판에 관해서는, 절연 기판을 구성하는 알루미나의 두께를 0.25㎜로 하고, 그 절연 기판의 양면에 형성한 구리제의 도체 패턴의 두께를 0.25㎜로 하였다. 그리고, 반도체 장치를 -40℃의 용기에 1시간, 실온(25℃)의 용기에 30분, 125℃의 용기에 1시간의 조건으로 히트사이클 시험을 반복하고, 솔더 접합부가 파손되기 까지의 수명(사이클)을 측정하였다. 또한, 반도체 장치를 125℃의 용기로부터 꺼내어, 솔더 접합부에 발생한 휘어짐량을 측정하였다.
Figure 112004017137838-pat00004
표 4에 의하면, 발생 휘어짐에 관해서는, 비교예가 1.28%였음에 대해, 실시예에서는 0.73%이고, C/C 재료를 채용함으로써, 휘어짐의 발생이 상당히 억제되어 있다. 또한, 솔더 접합부의 수명에 관해서는, 비교예가 약 200O사이클(실측)인데 대해, 실시예에서는 약 15000사이클(휘어짐량-수명곡선에 의거하여 산출)로서, C/C 재료를 채용함으로써, 솔더 접합부의 수명이 크게 늘어나 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 절연 기판의 열팽창률에 가까운 방열용 베이스를 채용함으로서, 솔더 접합부의 수명을 연장시키고, 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이것은, 솔더 접합부의 피로 열화가, 피접합재인 회로 기판(절연 기판)과 방열용 베이스의 열팽창률의 차에 의해 생기는 전단 휘어짐이 솔더 접합부에 작용함에 의해 진행하기 때문에, 이 열팽창률의 차를 작게 함으로써, 피로 열화가 억제된 것이라고 생각된다.
또한, 절연 기판의 재료로서, 질화 알루미늄이나 질화 규소보다도 염가의 알루미나를 이용하여도 양호한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 반도체 장치를 저코스트로 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 방열용 베이스로서 C/C 재료를 이용하였기 때문에, 종래의 구리판을 이용한 경우보다도 방열용 베이스를 경량화할 수 있고(상기 실시 형태에서는 종래의 1/4), 그 결과, 반도체 장치 전체의 경량화를 도모할 수 있다.
이상, 본 발명의 한 실시 형태 및 대응하는 실시예에 관해 설명하였지만, 본 발명의 실시 형태는, 상기에서 설명한 상태에 전혀 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러가지의 형태를 취할 수 있음은 말할 것도 없다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 회로 기판, 도체 패턴, 반도체 칩, 및 방열용 베이스의 재질이나 치수의 한 예를 나타내었지만, 본 발명의 작용 효과를 이루는 그 밖의 재질이나 치수를 선택하는 것도 가능한다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 방열용 베이스의 재질로서 C/C 재료를 예로 들었지만, 열전도성 및 열팽창률에 이방성이 있는 재료로서, Cu-36Ni·Fe-Cu의 다층으로 이루어지는 클래드재를 채용하는 것도 가능하다. 또는, 저열팽창률을 갖는 재료로서, Cu-SiC, Cu-Cu20, Al-SiC, Cu-W, Cu-Mo, Cu-Mo-Cu, Cu-Cu·Mo-Cu 등의 재료를 선택하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 절연 기판에 대해 반도체 칩 및 방열용 베이스를 솔더를 이용하여 접합한 예를 나타내었지만, 솔더 이외의 금속솔더 등을 이용하여 솔더링 접합하여도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 절연 기판의 양면에 대하여 동일 두께의 도체 패턴을 형성한 예를 나타냈지만, 접합되는 도체 패턴 두께를 절연기판과 방열용 베이스 사이의 도체 패턴의 두께보다 두껍게 하여도 좋다. 이와 같이 구성하는 것도 반도체 칩의 방열에 유효하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 절연 기판으로서, 알루미나 등의 세라믹 기판을 채용한 예를 나타내었지만, 소위 프린트 기판을 구성하는 수지제의 기판이라도 좋다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명의 반도체 장치에서는, 방열용 베이스를 열전도성에 이방성을 갖는 재료로 구성하고, 그 회로 기판과의 접합 방향으로 열전도율이 커지도록 함과 함께, 방열용 베이스의 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 절연 기판의 그 접합면에 따른 방향의 열팽창률과의 차가 작아지도록 하고 있다.
그 결과, 반도체 장치의 방열 성능을 향상시키는 동시에, 접합부의 열응력에 의한 변형을 억제 또는 방지하고, 제조 공정에 있어서의 조립 정밀도를 확보하여 그 성능상의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 특히, 절연 기판과 방열용 베이스와의 사이에 개장된 도체 패턴의 두께를 미리 정한 설정치 이상이 되도록 형성함으로써, 절연 기판으로부터 전달되는 열을 방열용 베이스에 달하기 전에 확산하고, 방열용 베이스에서의 방열면을 넓힐 수 있고, 그 결과, 반도체 칩에서 발생한 열의 방열 효율을 한층 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 절연 기판의 양면에 각각 도체 패턴을 형성하여 이루어지는 회로 기판과,
    상기 회로 기판의 한쪽 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 접합된 반도체 칩과,
    상기 회로 기판의 다른쪽의 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 솔더링 접합되고, 상기 반도체 칩에서 발생한 열을, 상기 도체 패턴과는 반대측에 배치된 외부 방열 수단으로 열전도시키는 방열용 베이스를 구비한 반도체 장치에 있어서,
    상기 방열용 베이스는,
    열전도성에 이방성을 갖는 재료로 구성되고, 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 상기 재료를 배향하여 형성되고,
    상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 상기 절연 기판의 상기 접합면에 따른 방향의 열팽창률의 차가, 상기 방열용 베이스와 상기 회로 기판의 사이에 발생하는 열응력에 의해 상기 솔더링 접합의 솔더재가 파손되는 것을 방지하는 미리 정한 소정치 이하로 되도록, 그 재질이 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방열용 베이스가, 탄소계 다공질 재료에 소정의 금속 재료를 함유시킨 탄소섬유 복합 재료 또는 탄소 복합 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방열용 베이스는, 상기 방열용 베이스의 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 상기 절연 기판의 상기 접합면에 따른 방향의 열팽창률이 거의 같게 되도록, 상기 금속 재료의 함유량이 조정된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 기판이, 질화 알루미늄 또는 질화 규소를 포함하는 세라믹 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 기판과 상기 방열용 베이스와의 사이에 개장된 도체 패턴은, 상기 반도체 칩에서 발생한 열의 상기 접합면에 따른 방향으로의 확산량을 미리 정한 소정량 이상으로 유지하기 위해, 그 상기 접합 방향의 두께가 미리 정한 설정치 이상이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 절연 기판으로서, 알루미나로 이루어지는 세라믹 재료를 이용하는 한 편, 상기 방열용 베이스와의 사이에 개장되는 도체 패턴으로서, 구리로 이루어지는 패턴을 이용하고,
    상기 도체 패턴의 상기 접합 방향의 두께 y가, 상기 절연 기판의 두께를 x로 하였을 때, 식 y≥0.6886x＋0.218 로 나타내는 두께로 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 절연 기판의 양면에 각각 도체 패턴을 형성하여 이루어지는 회로 기판과,
    상기 회로 기판의 한쪽 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 접합된 반도체 칩과,
    상기 회로 기판의 다른쪽 면에, 상기 도체 패턴을 통하여 솔더링 접합되고, 상기 반도체 칩에서 발생한 열을, 상기 도체 패턴과는 반대측에 배치된 외부 방열 수단으로 열전도시키는 방열용 베이스를 구비한 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 방열용 베이스를, 열전도성에 이방성을 갖는 재료로 구성하고, 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향보다도 접합 방향인 두께 방향으로 열전도율이 커지도록 상기 재료를 배향하여 형성하는 공정과,
    상기 방열용 베이스로서, 상기 방열용 베이스의 상기 회로 기판과의 접합면에 따른 방향의 열팽창률과, 상기 절연 기판의 상기 접합면에 따른 방향의 열팽창률이, 상기 방열용 베이스와 상기 회로 기판의 사이에 발생하는 열응력에 의해 상기 솔더링 접합의 솔더재가 파손되는 것을 방지하는 미리 정한 소정치 이하로 되는 재질의 것을 사용하는 공정과,
    상기 도체 패턴이 형성된 상기 회로 기판에 대해, 상기 반도체 칩과 상기 방열용 베이스를, 상기 도체 패턴을 통하여 동시에 접합하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 절연 기판과 상기 방열용 베이스의 사이에 개장(介裝)된 도체 패턴을, 상기 반도체 칩에서 발생한 열의 상기 접합면에 따른 방향으로의 확산량을 미리 정한 소정량 이상으로 유지하기 위해, 그 상기 접합 방향의 두께가 미리 정한 설정치 이상이 되도록 형성한 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
KR1020040028584A 2003-05-06 2004-04-26 반도체 장치 및 그 제조 방법 KR100705868B1 (ko)

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