JPH01106451A

JPH01106451A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH01106451A
Application number: JP62262635A
Authority: JP
Inventors: Hiroyo Fujino; 藤野　裕代; Noboru Sugiura; 登杉浦; Ryoichi Kobayashi; 良一小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-20
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1989-04-24
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH07105460B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体素子用絶縁板に係り、特に発熱体とな
る半導体素子を積層するのに適したメタライズパターン
を有する絶縁板に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に半導体素子用絶縁板は、半導体素子をヒートシン
ク（金属ベース）等に取付ける場合の電気的絶縁のため
に用いられるもので、ヒートシンク上にはんだ、銀ろう
等のろう付により接合されている。このような絶縁板は
、電気的な絶縁を行なう他に、特に発熱性の半導体素子
を搭載する場合には、半導体素子のそのものに発生した
熱をヒートシンク側に放熱させる役割をも兼ねるもので
。

絶縁板としては、例えばアルミナ等の絶縁部材が用いら
れる。

ところで、この種の絶縁板に半導体素子を搭載したり、
絶縁板自身をヒートシンク上に取付ける場合には、はん
だ等のろう付を用いて行なわれるが、絶縁板となるアル
ミナ等は、ろう付けに適さないため、絶縁板の表裏面に
半導体素子と接合するためのメタライズ面や、ヒートシ
ンクと接合するためのメタライズ面を設けている。メタ
ライズ面は、モリブデン、タングステン膜等が用いられ
る。

更に従来のこの種の絶縁板では、例えば特開昭’５５−
１１８６４１号公報等に開示されるように、絶縁板に施
されたメタライズ面に複数のスリットを設けて、はんだ
等のろう付は時に発生するボイドをスリットから逃して
ボイドの　低減を−図ったり、或いは、はんだ等の接合
部に生じるクラック発生率は、接合される部材の線膨張
係数差の大きさに左右される他に、接合部の長さが長い
程、部材間の歪が大きくなってクラックが生じ易いので
１例えば特開昭５５−１６５６５６号公報等に開示され
るように、絶縁板の裏面メタライズ面を表面側に搭載さ
れる半導体素子の直下に配置して、絶縁板とヒートシン
クとの接合部（ろう何部）を半導体素子直下に°集中さ
せ、このようにしてメタライズ面ひいては接合部の長さ
をできるだけ短かくして、接合部のクラックの発生を減
少させたり、また、この半導体素子直下のメタライズの
面の他に半導体素子チップ取付は面の水平を保つため、
第２のメタライズ面を設ける等種々の配慮がなされてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した如く、従来よりこの種絶縁板には、メタライズ
面にスリットを形成したり、メタライズ面の配置位置を
特定しつつ接合部の長さをできるだけ短かくする等、メ
タライズパターンに種々の配慮を施して、熱伝導低下原
因たるボイド発生を防止したり、クラックの減少化を図
っている。

しかしながら、上記従来技術の中で、メタライズ面にス
リットを形成する従来例では、ボイド低減を図る点に重
点が置かれ、絶縁板とヒートシンク間の接合部のクラッ
ク低減を図る点については充分な配慮がなされていなか
った。すなわち、従来のスリット方式は、メタライズ面
２１に施されるはんだ等の接合８Ｐに発生するボイドや
熱を第４図の従来例に示すように、絶縁板１のメタライ
ズ面２１に設けた十文字のスリット部２２を介して外部
に逃している。しかし、熱応力の長期繰返し印加により
生じるクラックは、図の矢印に示すように絶縁板の四隅
及び絶縁板の端面より中心方向に進行する性質を有して
いるため、十文字スリットで区分されるはんだ等の接合
部がすべてクラックで侵される傾向があった。特に、−
度クラックが発生すると、クラックが切欠きどなって切
欠部に応力集中が発生する切欠き効果が働き、クラック
の進行を助長する。なお、第４図の斜線２３で示す部分
は、クラックが末だ進行してない部分をクラック進行状
況として表わしたもので、同図では、絶縁板１のＡ側よ
りもＢ側の方がクラックの進行が著るしいが、このよう
になるのは、接合部の厚みがＡ側よりＢ側の方が薄いと
いった場合に起こる。すなわち、接合部が薄いほど熱応
力が増大する傾向にあるためである。

このような接合部の厚みの不均衡は、特に絶縁板上の半
導体素子の搭載される箇所とそれ以外の箇所の重量の不
均衡に起因して生じる。

また、上記従来技術の中で、絶縁板の裏面メタライズを
半導体素子搭載箇所の直下に形成する方式のものは、ク
ラックの発生を減少できる反面、絶縁板とヒートシンク
間に空間が存在するため、その分、絶縁板からヒートシ
ンク側への熱伝導が低下して、半導体素子のチップ温度
が上昇子る傾向があった。特に電流制限付イグナイタの
場合には、電流制限時に発熱が増大、するため、初期的
にも熱応力が増大し、長期的な信頼性の面で改善すべき
点があった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、ヒートシンクとの接合箇所における
ボイド、クラック等の発生を有効に抑制し、しかも放熱
面積を充分に確保して、半導体素子、絶縁板、ヒートシ
ンク等で構成される半導体組立体の耐久性、信頼性の向
上化を図り得る半導体素子用絶縁板を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、絶縁板の裏面メタライズの中で、第１のメ
タライズ面を絶縁板表面側の半導体素子搭載箇所の直下
部に形成し、且つ第２のメタライズ面を第１のメタライ
ズ面の周囲にスリット部を介して配設し、前記スリット
部の少なくとも一部を絶縁板の端面にまで延設すること
で達成される。

〔作用〕

既に「発明が解決しようとする問題点」でも述べたよう
に、絶縁板とヒートシンク間の接合部のクラックは、絶
縁板の端面及び四隅から中央に向かって進行し、且つ絶
縁材が傾きをもって接合された場合には、接合部の厚み
の薄い方がクラックの進行度合が大きい。しかも、クラ
ック部には。

クラック自身の切欠効果が働き、応力集中を生じるため
、更にクラックは進行する性質を有する。

ところで１本発明の如き絶縁板色ヒートシンク上に積層
する場合には、絶縁板裏面の第１．第２メタライズ面と
ヒートシンクの間がはんだ等のろう材が接合されるが、
第１のメタライズ面の周りには、メタライズの施されな
いスリットがあるため、この部分は、ろう材が存在しな
い非接合箇所となる。すなわち、絶縁板の第１のメタラ
イズ面とヒートシンク間の接合部（これを第１の接合部
と称する）と、第１の接合部の周りに配される第２のメ
タライズ面とヒートシンク間の接合部（これを第２の接
合部と称する）との間には、スリット状の非接合部が存
在することになる。

しかして、このような接合構造によれば、第１の接合部
の周囲、すなわち第２の接合部に絶縁板の四隅及び端面
からクラックが生じたとしても、そのクラックがスリッ
ト状の非接合部に至ることにより、切欠効果が消失し応
力集中がなくなるため、クラックの進行を止め、第２の
接合部側にクラックが及ぶことを有効は防止することが
できる。

更に第１の接合部は、スリットを介して第２の接合部と
区分けされ、第１の接合部の長さをできるだけ短かくす
ることができるので、ヒートシンクと絶縁板の接合部間
の熱ひずみを極力小さくできること、及び接合部の厚み
に傾きがあって厚さの不均衡が生じても、半導体搭載箇
所の直下の接合部は、傾きの始点（絶縁板一端の接合箇
所で接合部の厚さが最も薄いところ）から外れた位置に
あるので、その厚みも充分に確保され、熱応力も低減さ
れるので、第１接合部自身がクラックの生じにくい状態
にある。従って１本発明によれば、第２の接合部にクラ
ックが生じたとしても、第１の接合部は、前記スリット
によるクラック進行防止効果と第１接合部自身がクラッ
クの生じにくい構造特性をもたせたことから、接合箇所
の必要範囲での健全性を充分に保持できる。

更に、第１のメタライズ面の他に、この周りに配される
第２のメタライズ面もヒートシンクとろう材により接合
するので、熱伝導性が向上し半導体の温度上昇を低減で
きる。このため、各接合部に印加される熱応力を減少で
き、初期的なりラックが入るまでの時間も長くできる。

更に、本発明においても、従来同様にヒートシンクと絶
縁板の接合部をスリットにより分断できるので、スリッ
トによるボンド低減を行ない得る。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図は本発明の第１実施例たる半導体素子用絶縁板の
裏面図である。

図中、１は絶縁板で１例えばアルミナ、窒化アルミニウ
ム等で形成され、絶縁板１の裏面に以下に述べる第１の
メタライズ面２、スリット部３゜３′、第２のメタライ
ズ面４が配設される。

第１．第２のメタライズ面２，４は１例えば、絶縁材１
の裏面に施されるモリブデン膜或いはタングステン膜等
で構成され、更に、通常は、モリブデン膜等が酸化し易
いので、これらの膜上に更にニッケル等の金属メツキを
施してなる。これらのメタライズ面の中で、第１のメタ
ライズ面２は、絶縁板における半導体素子搭載位置の直
下に形成される。また、第１のメタライズ面２の周囲に
メタライズを施さないスリット部３が確保され、このス
リット部３を介して第１のメタライズ面２の周囲に第２
のメタライズ面４が配設されるパターン構成となってい
る。第２のメタライズ面４は、複数のスリット部３′に
より複数のメタライズパターンに区分されている。本実
施例の各スリット部３′はスリット部３を夫々絶縁板１
の各端面に至るまで直線的に延長したものである。

スリット部３，３′は、その幅ｄが３ｍ以上確保されて
いる。これは、スリット幅を３ＩＩＩ１１以下にすると
、後述するヒートシンク７Ｌ絶縁板１の各メタライズ面
２，４をはんだ等で接合した場合に、各接合部のフィレ
ット部がスリットを超えて接合してしまい、スリットの
存在意義がなくなるためである。なお、絶縁板１の表面
にも、半導体素子或いは別のヒートシンク板を接合する
ためのメタライズ面（図示せず）が形成されている。

このような絶縁板１を用いた半導体組立体の積層構造例
を第２図（ａ）　、　（ｂ）に示す。

第２図（ａ）は第１の積層構造例で、図中、５は半導体
素子（パワートランジスタ等）、６は第１のヒートシン
ク（例えばモリブデン板）、７はニッケルメッキを施し
た銅又はアルミニウムよりなる第２のヒートシンク（金
属ベース）であり、上から順に、半導体素子５．第１の
ヒートシンク６゜絶縁板１．第２のヒートシンク７が積
層され、且つこれらの部品間は符号８，９．１０で示す
はんだにて接合されている。なお、本実施例では、絶縁
板１は、アルミナよりな°）、絶縁板１上には、ヒート
シンク６を介して半導体素子５を塔載する。

絶縁板１の裏面における第１．第２のメタライズ面２，
４は、はんだ１０にて第２のヒートシンク７に接合され
る。１１はワイヤボンディング用の部材であり、はんだ
１２により絶縁板１に接続される。

第２図（ｂ）は第２の積層構造例に示すもので、本例で
は、絶縁板１を窒化アルミニウム基板としたときの積層
構造を示し、図中、第２図（ａ）と同一符号は同一部品
を示すものであり、特に本例では、絶縁板１が高熱伝導
性を有する窒化アルミニウムで構成するので、半導体素
子５をはんだ９を介して直接絶縁板１上に搭載したもの
である。

しかして、第２図（ａ）　、　（ｂ）に示すように、絶
縁１の第１．第２のメタライズ面２，４とヒートシンク
７をはんだ１０を介して接合した場合には。

スリット部３に対応する部分にスリット状の非接合部１
５が形成される。

第３図は、第２図（ａ）の積層構造を全体的にみた半導
体組立体の平面図で、同図に示すように第２のヒートシ
ンク７上には、半導体５．第１のヒートシンク　６等が
配設される他に印刷基板１３が接合され、半導体素子５
と印刷基板１３上のワイヤボンディング部材１１とがワ
イヤ１４により接続され、電気的導通がとられている。

次に本実施例の作用を説明する。

一般にヒートシンクと絶縁板間の接合部を生じるクラッ
クは、線膨張係数差の大きい被接合部材間で発生しやす
く、且つ接合部の長さが長くなる程、接合部における被
接合部間の熱膨張差（熱歪）が大きいので生じやすい。

第２図（ａ）を例にとれば各部材の線膨張係数は絶縁板
１がアルミナ基板であり６．８　Ｘ　１０’″Ｂ、はん
だ１０は２８×１０″″Ｂ、金属ベース７は銅で１７Ｘ
１０″″Ｂ、アルミニウムの場合で２４ＸＩＯ−０であ
る。すなわち、最もはんだ付は面積の大きく、線膨張係
数差の大きい絶縁板１と第２のヒートシンク（金属ベー
ス）７間のはんだ接合部１ｏにクラックが発生しゃすい
。

また第２図（ｂ）の場合は、絶縁板１は窒化アルミニウ
ムで線膨張係数は４．３　Ｘ　１０″″Ｂであり、第２
図（ａ）と同様にクラックははんだ１ｏで発生しやすい
。クラックの発生及び進行は、熱伝達率を低下させ、ひ
いては装置の信頼性を低下させる。

これらのクラックの進行は、〔発明が解決しようとする
問題点〕の項でも既述したように、その性質上、絶縁基
板１の四隅及び端面から進行するもので、且つ接合部１
０に傾きがある場合には、接合部の薄い方に生じ易い。

第２図（ａ）　、　（ｂ）では、絶縁板１及び接合部１
０に傾きが生じた場合、第１のヒートシンク６及び半導
体素子５の自重により、接合部１ｏのＡ側の厚みが薄く
なる傾向にある。そして、一端クラックが発生すると、
クラック自身応カ朶中を発生させる切欠効果が働き、ク
ラックの進行を助長することになる。

しかして、本実施例の場合の絶縁板１とヒートシンク７
間の接合部１ｏでは、長期的な熱疲労サイクルが加わる
と、絶縁板１の一端及び四隅にある第２の接合部（第２
のメタライズ面４に対応するもの）１０ｂからクラック
が生じることになるが、本実施例では、スリット状の非
接合部３ａにクラックが至ると、クラックの切欠効果が
消失してクラックの進行が止まる。更に第１の接合部１
０ａは、スリット状の非接合部１５を介して第２の接合
部１０ｂと区分けされ、第１の接合部１０ａの長さをで
きるだけ短かくすることができるので、ヒートシンク７
と絶縁板１の接合部１０ａ間の熱ひずみを極力小さくで
きると、及び接合部１０全体の厚みに傾きがあって厚さ
の不均衡が生じても、半導体搭載箇所の直下の接合部１
０ａは。

傾きの始点（絶縁板１一端の接合箇所１０ｂで接合部の
厚さが最も薄いところ）から外れた位置にあるので、そ
の厚みも充分に確保され、熱応力も低減されるので、第
１接合部１０ａ自身がクラックの生じにくい状態にある
。従って、本実施例によれば、第２の接合部１０ｂにク
ラックが生じたとしても、第１の接合部１０ａは、前記
スリット状非接合部１５によりクラック進行防止効果と
第１ユク部自身がクラックの生じにくい構造特性をもた
せたことから、両者の相乗効果で接合箇所の必要範囲で
の健全性を充分に保持できる。

更に、第１のメタライズ面２の他に、この周りに配され
る第２のメタライズ面４もヒートシンクとろう材により
接合するので、熱伝導性が向上し半導体の温度上昇を低
減できる。このため、各接合部に印加される熱応力を減
少でき、初期的なりラックが入るまでの時間も長くでき
る。

更に、ヒートシンク７と絶縁板１の接合部１０をスリッ
ト３により分断できるので、スリットに　　、よるボン
ド低減を行ない得る。

第５図（ａ）　、（ｂ）は、本発明の第２．第３実施例
を示す絶縁板１の裏面図である。

第５図（ａ）における符号２で示す部分が第１実施例と
同様に半導体素子直下の第１のメタライズ面であり、そ
の周囲にスリット３を介して配される第２のメタライズ
面４を複数のスリット３′を介して更に細分化した例で
あり、また、第５図（ｂ）　ｔｚスリット３′の入れ方
を変更した例である。

これＳの実施例によるメタライズパターンでも第１実施
例と同様の効果を奏し得る。

第６図（ａ）は本発明の第４実施例を示す絶縁板の表面
図、同図（ｂ）はその裏面図を示すものである。本実施
例は、半導体素子を複数搭載するための絶縁板の具体例
を示したもので、斜線部はメタライズ面である。第６図
（、）のメタライズ面２’ａ〜２’ｃには、各半導体素
子５が接合を介して搭載され、また、各メタライズ面２
’ａ〜２’ｃは互いの耐圧性を保持するため所定の間隔
で分離配置されている。第６図（ｂ）は裏面のメタライ
ズパターンを示し、２ａ〜２ｃが各半導体素子搭載箇所
の２’ａ〜２’ｃの直下に配置される第１のメタライズ
面で、この第１のメタライズ面２ａ〜２Ｃの夫々の周囲
に第２のメタライズ面４がスリット部３を介して配設さ
れている。また、第２のメタライズ面４はスリット部３
に通じるスリット部３′により複数に細分化されている
。

第６図（Ｃ）は絶縁板１の裏面メタライズパターンの変
形例（第５実施例）を示すものである。

第７図（ａ）　、　（ｂ）は、第４実施例の絶縁板１を
用いた半導体組立体の積層構造例を示すものであり、既
述した第２図（ａ）　、　（ｂ）の積層構造例と同一符
号は、同−或いは共通する要素を示すものである。第７
図（ａ）では、複数の半導体素子５、絶縁板（アルミナ
基板）１、ヒートシンク７、金属ベース７′をはんだ９
．１０．１０’　を介して順次接合したもので、特にヒ
ートシンク７と金属ベース７′とを別個にし、且つ絶縁
板１と接合すべきヒートシンク７を半導体素子５の数に
応じて分割してなる。そして、絶縁板１とヒートシンク
７の接合部１ｏは、第１のメタライズ面２ａ。

２ｂ、２ｃの夫々とヒートシンク７とが接合される第１
の接合部１０ａと、第２のメタライズ面４とヒートシン
ク７とが接合される第２の接合部１０ｂとで構成され、
第１の接合部１０ａと第２の接合部１０ｂとの間にスリ
ット状の非接合部１５が確保される。

第７図（’ｂ　’）は、第７図（ａ）と異なりヒートシ
ンク７を分割せずに１個のヒートシンク７としたもので
、また、ヒートシンク７を金属ベースと兼用させ、絶縁
板１を窒化アルミニウムで構成したものである。

第８図は、第７図（ａ）の積層構造を全体的にみた半導
体組立体の平面図で、金属ベース７′に接着された印刷
基板１３上のワイヤボンディング部材１１とアルミワイ
ヤ１４とにより、各々の半導体素子５が印刷基板１３と
電気的に接続されている。また、絶縁板１上のワイヤボ
ンディング部材１１は、図示しない外部端子とアルミワ
イヤで超音波接続される。なお、第７図（ａ）のヒート
シンク７とアルミベース７′は、はんだ等のろう付を用
いることなく、超音波溶接も可能であり、このような接
合によれば、接合の信頼性を大幅に向上させることがで
きる６しかして、本実施例においても、絶縁板１とヒートシン
ク（或いは金属ベース）゛７間接合部１０にクラックが
生じ易いが、既述した他の実施例同様に、スリット３に
対応する非接合部１５のクラック進行防止効果、及び第
１メタライズ面２ａ。

２ｂ、２ｃに対応する第１接合部１０ａの接合長をでき
るだけ短くし且つ接合部１０ａの厚みは。

充分に確保できる構造特性から、第１接合部１０山自身
でのクラック発生を有効に防乏し、且つスリット３，３
′を介して接合部のボイド発生を低減できるので、第１
メタライズ面２ａ、２ｂ。

２ｃでの接合部１０ａにて必要最小限の放熱面積を確保
できる。

従って、接合部の信頼性の向上を図り、且つ半導体組立
体の耐久性、信頼性を向上させることができ、また１本
実施例では、−枚の絶縁板に複数の半導体素子を実装で
き、半導体素子ごとに個別に絶縁板を用意して接合する
ことがないので、半導体組立体の製造工程の簡略化を図
り得る。

第９図は、本発明の第６実施例を示すもので、本実施例
は、絶縁板１の裏面に形成される第１のメタライズ面２
ａ、２ｂ、２ｃの周囲にスリット３を介して配設される
第２のメタライズ面４を、多数のスリット３′を介して
細分化したものである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、絶縁板とヒートシンク間
の接合部のボイド、クラック等の発生を有効に抑制し、
しかも放熱面積を充分に確保して、半導体素子、Ｊ′４
！！縁板、ヒートシンク等で構成される半導体組立体の
耐久性、信頼性の向上化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例たる絶縁板の裏面図、第２
図（ａ）　、　（ｂ）は上記第１実施例の絶縁板を用い
た半導体組立体の積層構造例を表わす側面図、第３図は
第２図（ａ）の半導体組立体の全体を表わす平面図、第
４図は従来の絶縁板の裏面図。第５図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の第２．第３実施例
たる絶縁板の裏面図、第６図（ａ）　、　（ｂ）は本発
明の第４実施例たる絶縁板の表面図及び裏面図、第６図
（ｃ）は本発明の第５実施例たゐ」絶縁板の裏面図。第７図（ａ）　、　（ｂ）は上記第４実施例を用いた半
導体組立体の積層構造例を表わす側面図、第８図は第７
図（ａ）の半導体組立体の全体を表わす平面図。第９図は本発明の第６実施例たる絶縁板の裏面図である
。１・・・絶縁板、２・・・第１のメタライズ面、２ａ。２ｂ、２ｃ・・・第１のメタライズ面、３・・・第１の
メタライズ面周囲のスリット部、３′・・・スリット部
、４・・・第２のメタライズ面、５・・・半導体素子、
７・・・ヒートシンク、１０・・・接合部（ろう何部）
、１０ａ・・・第１接合部、１０ｂ・・・第２接合部、
１５・・・スリット状の非接合部。第１圓第３回第５　口第　６　口第７回（ａ）第３図

Claims

【特許請求の範囲】

１．表面に半導体素子を搭載し、裏面にはヒートシンク
と接合するためのメタライズ面を有する半導体素子用の
絶縁板において、前記メタライズ面は、前記半導体素子
の搭載箇所の直下に形成される第１のメタライズ面と、
この第１のメタライズ面の周囲にメタライズを施さない
スリト部を介して配設される第２のメタライズ面とで構
成され、且つ前記スリット部は、少なくとも一部が前記
絶縁板の端面まで延設されてなることを特徴とする半導
体素子用絶縁板。
２．特許請求の範囲第１項において、前記第２のメタラ
イズ面は、複数のスリットにより複数のパターンに区分
されてなる半導体素子用絶縁板。
３．特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
半導体素子は複数よりなり、前記絶縁板の表面の半導体
素子搭載箇所及び裏面の前記第１のメタライズ面は、そ
れぞれ前記半導体素子の数と同数で、一定の間隔を置い
て配置されてなる半導体素子用絶縁板。