JPH0745749A

JPH0745749A - 半導体チップ用支持体

Info

Publication number: JPH0745749A
Application number: JP5206916A
Authority: JP
Inventors: Moroo Nakagawa; 師夫中川; Yoshiyuki Yasutomi; 義幸安富
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【構成】マトリックスが７０〜９０重量％の炭化ケイ素
焼結体からなり、モリブデンまではタングステンの微粒
子２〜１０重量％及び窒化ケイ素質ウイスカ２〜１２重
量％含む高熱伝導・高靭性・高強度半導体チップ用支持
体。【効果】半導体チップ用支持体は、熱伝導率，抵抗率，
曲げ強度，破壊靭性，誘電率などの特性をすべて充たす
ものであり、組立て構造は簡単になり、コストの問題を
解決することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高熱伝導率，高電気抵抗
率を有する半導体チップ用支持体及びその製造法に係
り、炭化ケイ素をマトリックスとし、焼結体の構造が制
御された半導体チップ用支持体及びその製造性に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体工業の進歩は目ざましく、
大規模集積回路等に使用される半導体チップ用支持体に
は回路構成要素が、ますます高密度に形成されるように
なってきた。さらに、小型化に対する要請も大きくな
り、使用する半導体チップ用支持体への流入熱量は大幅
に増加してきた。従来、半導体チップ用支持体材料とし
てアルミナ磁器が、また、熱放散をも必要とする場合は
ベリリア磁器が使用されてきた。しかし、アルミナ基板
では集積度が高まるにつれ、熱放散はほぼ限界に達し
た。また、ベリリア磁器は、その製造過程で取扱うベリ
リアの有害性のため、現在国内では全く生産されていな
い。このため、より熱放散が大きい半導体チップ用支持
体材料の開発が要請されるようになってきた。

【０００３】半導体チップ用支持体材料が具備すべき条
件には、（１）電気絶縁性が大きいこと。

【０００４】（２）熱伝導率が大きいこと。

【０００５】（３）熱膨張係数が半導体の熱膨張係数に
近いこと。

【０００６】（４）機械的強度及び靭性が大きいこと。

【０００７】また、用途によっては誘電損失が小さいこ
と等が挙げられる。これらの条件のうち、炭化ケイ素は
熱膨張係数は約３７×１０^-7／℃でアルミナ磁器の熱膨
張係数が約８０×１０^-7／℃であるのに比べてシリコン
の熱膨張係数に極めて近く、機械的強度もアルミナ磁器
に比べて高強度である。また、炭化ケイ素の熱伝導率は
４２〜３０Ｗ／ｍ℃が知られており、アルミナ磁器の約
３倍以上を有する。

【０００８】さらに、炭化ケイ素の単結晶では１７０〜
５００Ｗ／ｍ℃の高い値を有するものが知られている。
しかし、炭化ケイ素は電気的には半導体に属し、電気抵
抗率が１〜１０Ω・ｍオーダで電気絶縁体ではない。従
って、大きな電気絶縁性を有し電気的損失の少ない高密
度の焼結体を得ることは困難と考えられており、従来、
前記の条件を満足する焼結体は得られていない。さら
に、使用される周波数が高くなるにつれて誘電損失が大
きくなり、その熱エネルギとしての損失は基板の発熱を
促進し熱放散に対して大きな障害となる。

【０００９】従来、高密度の炭化ケイ素焼結体を得るた
めには、種々の添加剤が加えられている。例えば、高密
度を得るための添加剤としてアルミニウムや鉄を添加し
てホットプレスすることにより、炭化ケイ素の理論密度
に対し９８％密度を有する焼結体得られている（Allieg
ro et al．J．Am．Ceram．Soc．３９３８６〜３８９
〔１９５６〕）。また、高密度化助剤としてホウ素と炭
素を用いて、ホットプレスまたは無加圧法で高密度化を
達成できる方法が開示されている（特開昭49−99308
号，同50−34608号公報）。また、アルミニウム化合物
を用いる方法も開示されている（特開昭49−7311号公
報）。さらに、多くの高密度化助剤を用いる方法が開示
されているが、これらはいずれもホウ素またはアルミニ
ウム化合物を使用するもので、これらの高密度化助剤を
用いた炭化ケイ素焼結体においてはその電気抵抗率は１
００Ω・ｍ以下である。

【００１０】特開昭53−67711号公報によれば，炭化ケ
イ素粉末に０.５〜５重量％の過剰炭素と約０.０３〜３
重量％のベリリウム含有化合物(元素状ベリリウム，炭
化ベリリウム）から構成される粉末であり、ホットプレ
ス法または無加圧法によって炭化ケイ素の理論密度の８
５％以上の密度を有する焼結体が得られる。さらに、炭
化ケイ素粉末に０.５〜５重量％の過剰炭素と約０.０３
〜３重量％のベリリウムとホウ素との混合物から成る粉
末をホットプレス法または無加圧法によって炭化ケイ素
の理論密度の８５％以上の密度を有する焼結体が得られ
る。

【００１１】しかし、これには焼結体の熱伝導率および
電気抵抗率の値は示されていないが、熱伝導率は約２１
０Ｗ／ｍ℃と高いが電気抵抗率は１００Ω・ｍ以下と予
想され絶縁性を必要とする半導体チップ用支持体として
は使用できない。

【００１２】しかし、近年、炭化ケイ素にベリリウム量
またはベリリウム含有物質中のベリリウム量が０.０２
〜１５重量％の高熱伝導性電気絶縁材を得る方法が開
示されている（特開昭57−180006号公報）。また、前述
の材料は電気絶縁基板として使用する方法が開示されて
いる（特開昭63−1267号公報）。しかし、炭化ケイ素焼
結体は焼結している（特開昭57−180006号公報）。ま
た、前記の材料は電気絶縁基板として使用する方法が開
示されている（特開昭63−1267号公報）。しかし、前記
の炭化ケイ素焼結体は焼結助剤としてベリリウムを少量
でも含んでおり、製造過程での有害性の問題があるばか
りではなく、高速信号伝達が要求される半導体素子支持
体としては誘電損失による信号の遅延が問題となる。更
に強度や靭性が不十分であるため工業的に使用する半導
体チップ用支持体としては必ずしも満足のいく特性を備
えていない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の焼結体を半導体
チップ用支持体として用いる場合、前記のような欠点が
あるため、その欠点を補うために組立て構造での特別な
工夫が必要であり複雑な構造となるため、信頼性が低下
するばかりではなくコスト高の原因となっている。

【００１４】また、従来の焼結体は半導体チップ用支持
体として十分に満足出来る特性を備えていないため、半
導体の性能を十分に引き出すことが出来ないばかりか、
半導体の寿命を短くする結果ともなっている。

【００１５】本発明の目的は熱伝導率が高く、しかも電
気絶縁性に優れ、半導体チップ用支持体として必要な強
度や靭性を有し、しかも用途に応じて誘電損失の少ない
炭化ケイ素をマトリックスとした半導体チップ用支持体
及びその製造法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには半導体チップ用支持体として必要な諸特性を備え
た焼結体が必要となる。そのために従来の高熱伝導性炭
化ケイ素焼結体を得るために用いられていた焼結助剤を
添加付した加圧焼結法や無加圧焼結法では解決出来な
い。従って、本発明では課題を解決するための手段とし
て焼結助剤を必要としない反応焼結法について検討し
た。また、必要な機械的性質や電気的性質を得るために
焼結体の構造制御をすることが考えられた。すなわち、
熱伝導率や強度を向上させる目的で絶縁抵抗を所定の値
に保つ範囲で高融点金属の微粒子を添加し、これを結晶
粒の中に取り込むことが考えられた。また、靭性の向上
を目的として焼結体中にウイスカを取り込むことが考え
られた。但し、ウイスカはアスベストなどと同様に健康
上有害な物質であるので可能であれば焼結過程で成長さ
せることが望ましい。更に、用途に応じては、誘電損失
を少なくする必要がある。これは地球上に実在する物質
で空気の誘電率が最も小さいのでこれを有効に活用する
ことが望ましい。従って所定の熱伝導率，抵抗率が得ら
れる範囲で焼結体中に気孔を取り込むことが考えられ
る。

【００１７】

【作用】先ず、高熱伝導炭化ケイ素焼結体を保つには高
純度で微細な金属シリコン及びカーボンを反応させ欠陥
の少ない炭化ケイ素焼結体を得ることが必要である。ま
た、モリブデンやタングステンの超微粒子を原料粉の中
に均一に配合しておくことにより焼結体中に取りこまれ
強度向上ばかりではなく高熱伝導性にも寄与する。靭性
を改善するためにウイスカや繊維を焼結体の中に配向さ
せることは良く知られているが、ウイスカや短い繊維は
健康上有害物質であるので取扱が困難であり、また、長
い繊維は半導体チップ用支持体のように薄い材料では方
向性が顕著となるため必要な特性向上が図れない。そこ
で本発明ではシリコンとカーボンの反応焼結において未
反応のシリコンが残留するような原料配合とし、未反応
のシリコンを窒素雰囲気中で処理し、窒化ケイ素質のウ
イスカを成長される方法をとった。更に、用途に応じて
誘電損失が問題となる半導体素子用支持体では焼結体中
の気孔を制御することにより必要な誘電特性を得た。

【００１８】次に本発明の応用について考える。半導体
チップ用支持体が具備すべき特性は用途に応じて異な
る。すなわち、モ−タを利用した産業における可変速に
対する飽く無き要求によって各種の可変速手段が考案さ
れ、パワー半導体素子等による多くの制御手段や技術が
開発され自由自在にパワーや速度を制御出来るようにな
った。パワー半導体素子としてはMOSFETやＩＧＢＴ等が
実用化され、さらに、パワー半導体素子は一つの支持体
の上にいくつも載せるようになったので熱伝導性や絶縁
性の大きい材料が要求されている。発熱量が大きいため
熱伝導率は１４０Ｗ／ｍ℃以上を必要とし、また、高電
圧のため抵抗率は１０⁸Ω・ｍ以上を必要とする。さら
に、支持体の面積が大きく稼働条件も厳しいところで使
用されるので曲げ強度は５００ＭＰａ以上、破壊靭性は
７ＭＰａ・√ｍ以上を必要とする。また、ＬＳＩやＶＬ
ＳＩなどの半導体チップでは高集積化に伴い、チップの
発熱量とチップ寸法は共に増大する傾向にある。特に大
型計算機などの信号伝播速度が問題となる機器ではバイ
ポーラトランジスタを用いた素子が用いられるが、ＭＯ
Ｓ−ＩＣに比べて伝播速度，消費電力共に二桁以上も大
きい。従って、高熱伝導で低誘電率の支持体が要求され
る。超高速論理ＬＳＩの発熱密度は１０Ｗ／cm²にも達
するので素子の機能を正常に働かせるための熱放散に必
要な熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ℃以上であるが、低電圧の
ため抵抗率は１０⁶Ω・ｍ以上あればよい。しかし、信
号の遅延を限界内に押さえるには誘電率が１ＭＨｚで
６.５以下である必要がある。また、支持体の信頼性を
得るためには曲げ強度が４００ＭＰａ以上，破壊靭性が
５ＭＰａ・√ｍ以上を必要とする。

【００１９】以下、本発明を実施例により具体的に説明
する。

【００２０】

【実施例】（実施例１）粒径が０.５μｍ以下の金属Ｓ
ｉ粉末と粒径が０.７μｍ以下のＣ粉末を重量比で１：
０.９７とし、更に粒径が１.０μｍ以下のＷ粉末をＳｉ
とＣ粉末に対して重量比で１.０から１５.０％まで加え
て混合した。次いで、該混合粉末を室温で１００ＭＰａ
の圧力をかけて成形した。成形体を黒鉛製の容器に入
れ、Ａｒガス不活性雰囲気中で１６００℃まで５℃／mi
n で加熱し，１６００℃で２時間保持して炭化ケイ素
（ＳｉＣ）焼結体を得た。

【００２１】次いで、焼結体を炉中で１１００℃まで冷
却したのち、ＡｒガスをＮ₂ガスで置換し、Ｎ₂ガス雰
囲気とした。１１００℃から昇温速度５℃／min で昇温
し、１３９０℃で１時間保持して未反応ＳiとＮ₂の反応
により窒化ケイ素(Ｓｉ₃Ｎ₄)質ウイスカをＳｉＣ焼結体
の空隙部に生成させた。

【００２２】焼結体を所定の試験片寸法に加工したの
ち、種々の特性を測定した。すなわち、直方体状の試料
を製作し、三点曲げ試験法により曲げ強度と破壊靭性を
測定した。次に円板状試料を用いることによりレーザフ
ラッシュ法により熱伝導率を測定した。また、交流ブリ
ッジを用いて各種試料の抵抗，静電容量及び誘電損失を
測定し誘電率を求めた。更に、同試料を用いアルキメデ
ス法により比重を測定し、各組成の割合と真密度から相
対密度を求めた。その結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】表１に示したようにＷ超微粉末を２.０〜１０.０％添加
した時に半導体素子用支持体として満足出来る高熱伝導
性，高絶縁性及び機械的強度が得られた。すなわち、Ｗ
量が２％より少ない場合には熱伝導率，機械的強度共に
低く、また、Ｗ量が１０％より多い場合にはＷによる導
電パスが形成されるため絶縁性の低下が認められた。更
に、Ｗの替わりにＭｏを添加して同様の実験をした結
果、Ｗの場合とまったく同じ傾向の結果が得られた。

【００２４】（実施例２）Ｓｉ量１に対してＣ量を０.
３〜１.０の範囲で１０段階に変え、更にＷを５重量％
加えた混合粉について、実施例１と同じ反応焼結条件で
ＳｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄ウイスカを生成させた試料につき種
々の特性値を求めた結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】但し、ウイスカ量はＳｉの反応焼結でＳｉＣとならなか
った未反応のＳｉはすべてＳｉ₃Ｎ₄ウイスカになったも
のとして計算により求めた。

【００２６】表２に示した結果より、焼結体中のＳｉ₃
Ｎ₄ウイスカの量が多いほど強度や靭性は向上するが特
に靭性の向上が顕著である。しかし、ウイスカの量が多
くなると絶縁性はよくなるが熱伝導性は悪くなるのでウ
イスカの量は２〜１２重量％の範囲とすることが望まし
い。Ｓｉ₃Ｎ₄ウイスカは図１に示すようにＳｉＣ焼結体
の空隙に生成し、気相で生成したと思われる直径が０.
５μｍ以下のものと液相で生成した直径が１〜２μｍ
のものが見られるが、強度や靭性の向上に寄与している
のは後者と考えられる。

【００２７】表２に示したデータから気孔率＝１−相対
密度とし、気孔率と誘電率の関係を求め図２を得た。こ
れより、気孔率と誘電率の間にはほぼ逆比例の関係が認
められ気孔率が増すにつれて誘電率は低下する。従っ
て、表１及び表２の諸特性評価結果から本発明の材料に
おいては高速信号半導体素子用支持体に要求される誘電
率６.５を得るための気孔率は７％以上であることが必
要である。

【００２８】（実施例３）本発明の炭化ケイ素焼結体を
半導体素子用支持体として用いた半導体パワーモジュー
ルについて説明する。本発明の炭化ケイ素焼結体の製造
は以下の通りである。粒径が１.０μｍ以下の金属Ｓｉ
粉末と粒径が１.０μｍ以下のＣ粉末を重量比で１：０.
６とし、更に粒径が０.５μｍ以下のＷ粉末をＳｉとＣ
粉末に対して５.０重量％加えて混合した。次いで混合
粉末を室温で１００ＭＰａの圧力をかけて成形した。成
形体を黒鉛製の容器に入れ、Ａｒガス不活性雰囲気中で
1600℃まで５℃／min で加熱し、１６００℃に２時間保
持して炭化ケイ素（ＳｉＣ）焼結体を得た。更に、焼結
体を炉中で１１００℃まで冷却したのち、炉中のＡｒガ
スをＮ₂ガスで置換し、Ｎ₂ガス雰囲気とした。焼結体
を１１００℃から昇温速度５℃／min で昇温し、１３９
０℃で１時間保持して未反応ＳｉとＮ₂の反応により窒
化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）質ウイスカをＳｉＣ焼結体の空隙
部に生成させた。得られた焼結体を２０×３０mmの寸法
に加工した。支持体の表面にあらかじめ設定したパター
ンをＭｏ−Ｍｎペーストを用いて印刷し、１３００℃で
１時間の焼成を行い、電極を形成した。次にニッケル電
気めっきをし、シリコンパワー半導体素子をはんだ付け
してパワーモジュールを作製した。また、従来のパワー
モジュールの作製法については省略するが図３は従来構
造の組立断面図である。導体４とヒートシンク６及びヒ
ートシンク６と金属支持板８の間を有機絶縁物５及びア
ルミナ焼結体基板７で絶縁し、また、シリコン素子１と
ヒートシンク６との熱膨張係数の差による歪を緩和する
ためにスペーサ３を介在させてある。図４は本発明にな
る支持体を用いたモジュールの組立断面図である。半導
体素子用支持体として必要な諸特性を備えているので支
持体１５はシリコン素子１１と直接にろう付け１４され
ており、非常に簡単な組立て構造となっている。

【００２９】半導体装置を−６０℃で３０分保持したの
ち、室温にして５分保持し、更に１２５℃に昇温して３
０分保持するヒートサイクルを加えた。図３に示した従
来法になる半導体装置は２０回のヒートサイクルでアル
ミナ焼結体基板にクラックが発生すると共にろう付けし
た所から剥離が生じた。本発明の半導体装置は、２００
回のヒートサイクルを与えたあとでも異常は認められな
かった。また、従来のモジュールと本発明になるモジュ
ールに稼働条件で電流を流した結果、従来のモジュール
では素子の温度が８０℃まで上昇するのに対して本発明
になるモジュールでは５０℃以下に抑えることが出来
た。従って本発明の支持体を用いることにより熱の放散
が良くなり半導体の超寿命化が図れるものと考えられ
る。また、部品点数が少なくなるための原価低減と信頼
性の向上が図れるものと期待される。

【００３０】（実施例４）本発明の炭化ケイ素焼結体を
半導体素子用支持体として用いた大形電子計算機に使わ
れる論理ＬＳＩパッケージに適用した結果について説明
する。本発明の炭化ケイ素焼結体の製造は以下の通りで
ある。粒径が２.０μｍ以下の金属Ｓｉ粉末と粒径が
１.０μｍ以下のＣ粉末を重量比で１：０.８とし、更
に粒径が１.０μｍ以下のＷ粉末をＳｉとＣ粉末に対し
て重量比で５.０％加えて混合した。次いで混合粉末を
室温で１００ＭＰａの圧力をかけて成形した。成形体を
黒鉛製の容器に入れ、Ａｒガス不活性雰囲気中で１６０
０℃まで５℃／min で加熱し、１６００℃に２時間保持
して炭化ケイ素(ＳｉＣ)焼結体を得た。更に、焼結体を
炉中で１１００℃まで冷却したのち、炉中のＡｒガスを
Ｎ₂ガスで置換し、Ｎ₂ガス雰囲気とした。焼結体を１
１００℃から昇温速度５℃／min で昇温し、1390℃で１
時間保持して未反応ＳｉとＮ₂の反応により窒化ケイ素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）質ウイスカをＳｉＣ焼結体の空隙部に生成
させた。得られた焼結体の相対密度９３％であり気孔率
は７％で３０μｍ以下の気孔が存在している。これを２
０×２０mm，厚さ１.０mm の支持体寸法に加工した。支
持体の表面にＬＳＩチップをＡｕ−Ｓｉ共晶はんだを用
いて接合し、リードフレーム及びキャップをのせ低温軟
化ガラスにより気密封止し、論理ＬＳＩパッケージを作
製した。

【００３１】

【発明の効果】従来の半導体チップ用基板は半導体チッ
プ用支持体として必要な熱伝導率，抵抗率，曲げ強度，
破壊靭性，誘電率などの特性をすべて充たすものでは無
く、そのために組立て構造は複雑と成り、コスト高とな
るばかりでなく信頼性の低下の原因ともなっていた。本
発明になる半導体チップ用支持体は必要な特性をすべて
充たすものであり、組立て構造は簡単に成り、コストと
信頼性の問題を同時に解決することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳｉＣ焼結体の空隙部に生成したＳｉ₃Ｎ₄質ウ
イスカを示す顕微鏡写真。

【図２】気孔率と誘電率との特性図。

【図３】従来法によるシリコン半導体装置の組立て断面
図。

【図４】本発明によるシリコン半導体装置の組立て断面
図。

【符号の説明】

１，１１…シリコンチップ、２，１２…アルミニウムリ
ード線、３…モリブデンスペーサ、４，１３…導体、５
…有機絶縁物、６…ヒートシンク、７…アルミナ基板、
８…支持板、９，１０，１１…はんだ、１５…本発明の
シリコンチップ支持体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ℃以上，抵抗率が
１０⁸Ω・ｍ以上，曲げ強度が500ＭＰａ以上，破壊靭
性が７ＭＰａ・√ｍ以上であることを特徴とする半導体
チップ用支持体。
【請求項２】熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ℃以上，抵抗率が
１０⁶Ω・ｍ以上，曲げ強度が400ＭＰａ以上，破壊靭
性が５ＭＰａ・√ｍ以上，誘電率が１ＭＨｚで７以下で
あることを特徴とする半導体チップ用支持体。
【請求項３】マトリックスが７０〜９０重量％の炭化ケ
イ素焼結体からなり、モリブデンまではタングステンの
微粒子２〜１０重量％及び窒化ケイ素質ウイスカ２〜１
２重量％含むことを特徴とする半導体チップ用支持体。
【請求項４】マトリックスが７０〜８０重量％の炭化ケ
イ素焼結体からなり、それにモリブデンまたはタングス
テンの微粒子を７〜１０重量％及び窒化ケイ素質ウイス
カ１〜１０重量％含み、残りが５０μｍ以下の気孔であ
ることを特徴とする半導体チップ用支持体。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
半導体チップ用支持体を用いているパワーモジュール及
びＬＳＩパッケージ。