JPH077810B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH077810B2 JPH077810B2 JP13014186A JP13014186A JPH077810B2 JP H077810 B2 JPH077810 B2 JP H077810B2 JP 13014186 A JP13014186 A JP 13014186A JP 13014186 A JP13014186 A JP 13014186A JP H077810 B2 JPH077810 B2 JP H077810B2
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- ceramics
- heat sink
- metal
- semiconductor device
- ceramic
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な半導体装置に係り、特に半導体素子搭載
用絶縁基板として熱膨張係数の低いSiCやAlNセラミツク
スを絶縁に使用した接続構造に関する。
用絶縁基板として熱膨張係数の低いSiCやAlNセラミツク
スを絶縁に使用した接続構造に関する。
従来のセラミツクスと金属材料との接続は特開昭56−13
5948号等に記載されているようにセラミツクス表面をM
o,W,Ni,Mo−Mn合金のごとき金属を蒸着法やスクリーン
印刷法によつて金属化したのち、ヒートシンクとなるべ
き金属材料の表面に半田や銀ロウ等のロウ材を介して接
続する方法がとられている。しかし、SiCやAlN等熱膨張
係数の低いセラミツクスに於いては金属材料との整合性
が悪く、ロウ付時の熱処理等によりセラミツクス内部に
残る応力によつて、その後の熱サイクル試験等信頼性試
験でクラツクが発生し、気密もれや絶縁抵抗の低下等問
題が生じ苦慮していた。
5948号等に記載されているようにセラミツクス表面をM
o,W,Ni,Mo−Mn合金のごとき金属を蒸着法やスクリーン
印刷法によつて金属化したのち、ヒートシンクとなるべ
き金属材料の表面に半田や銀ロウ等のロウ材を介して接
続する方法がとられている。しかし、SiCやAlN等熱膨張
係数の低いセラミツクスに於いては金属材料との整合性
が悪く、ロウ付時の熱処理等によりセラミツクス内部に
残る応力によつて、その後の熱サイクル試験等信頼性試
験でクラツクが発生し、気密もれや絶縁抵抗の低下等問
題が生じ苦慮していた。
上記従来技術はSiCやAlNセラミツクスの熱膨張係数に関
しては充分な配慮がなされておらずセラミツクスの破壊
による絶縁不良あるいは気密もれなど半導体装置のパツ
ケージ構成するに当り問題があつた。
しては充分な配慮がなされておらずセラミツクスの破壊
による絶縁不良あるいは気密もれなど半導体装置のパツ
ケージ構成するに当り問題があつた。
本発明の目的はSiCとAlN等低熱膨張のセラミツクスを破
壊することなく、異なる熱膨張係数をもつ材料、特にヒ
ートシンクとなる金属材料に接続した半導体装置を提供
するにある。
壊することなく、異なる熱膨張係数をもつ材料、特にヒ
ートシンクとなる金属材料に接続した半導体装置を提供
するにある。
本発明は、半導体素子と金属とからなるヒートシンク金
属との間に高熱伝導性セラミツクスを挿入して絶縁分離
されている半導体装置において、前記セラミツクス端部
を金属フレームで覆い、該フレームを前記ヒートシンク
に接続することにより前記セラミツクスをヒートシンク
に接続することを特徴とする半導体装置にある。
属との間に高熱伝導性セラミツクスを挿入して絶縁分離
されている半導体装置において、前記セラミツクス端部
を金属フレームで覆い、該フレームを前記ヒートシンク
に接続することにより前記セラミツクスをヒートシンク
に接続することを特徴とする半導体装置にある。
更に、本発明はセラミツクスとヒートシンクとの間に純
銅又は純銅より軟い金属箔を介在させることにある。
銅又は純銅より軟い金属箔を介在させることにある。
セラミツクスとして、炭化ケイ素，窒化ケイ素，窒化ア
ルミ等の室温で0.05cal/cm,sec・℃以上の熱伝導率を有
し、室温の熱膨張係数が５×10-6/℃以下の焼結体が好
ましい。特に、熱伝導率は0.2cal/cm,sec・℃以上のも
のが好ましい。また、アルミナ，ジコニア焼結体でもよ
い。特に、セラミツクスとして厚さは0.4〜1mmが好まし
く、10mm角以上の大きさのものに対し本発明の効果が大
きく現われる。従つて、特に10〜30mm角に対し好ましい
結果が得られる。
ルミ等の室温で0.05cal/cm,sec・℃以上の熱伝導率を有
し、室温の熱膨張係数が５×10-6/℃以下の焼結体が好
ましい。特に、熱伝導率は0.2cal/cm,sec・℃以上のも
のが好ましい。また、アルミナ，ジコニア焼結体でもよ
い。特に、セラミツクスとして厚さは0.4〜1mmが好まし
く、10mm角以上の大きさのものに対し本発明の効果が大
きく現われる。従つて、特に10〜30mm角に対し好ましい
結果が得られる。
ヒートシンクとしては金属が好ましく、銅，アルミニウ
ムが特に好ましく、板状又は放熱フインチ、セラミツク
スとヒートシンクとの間に介在させる金属箔は純銅又は
それより軟い材料からなる。具体的には、Cu,Al,Sn,Pb,
Au,Ag,Ni,Zn等が好ましく、0.01〜0.5mmの厚さが好まし
い。特に、0.1〜0.2mmが好ましい。
ムが特に好ましく、板状又は放熱フインチ、セラミツク
スとヒートシンクとの間に介在させる金属箔は純銅又は
それより軟い材料からなる。具体的には、Cu,Al,Sn,Pb,
Au,Ag,Ni,Zn等が好ましく、0.01〜0.5mmの厚さが好まし
い。特に、0.1〜0.2mmが好ましい。
上記した問題点は熱膨張係数の小さなSiC,AlN等のセラ
ミツクスを熱膨張係数の大きな金属材料に半田やAgロウ
で直接接続するがために残るストレスによつて発生する
ためである。
ミツクスを熱膨張係数の大きな金属材料に半田やAgロウ
で直接接続するがために残るストレスによつて発生する
ためである。
これに対して大型の電力用半導体装置に於いては一方の
電極をシリコンと比較的熱膨張係数の近いMo、又はＷ等
の緩衝板をロウ材によつて接続し主電極（Cu）との間は
圧接によつて導通をとる方法が一般的に用いられてい
る。
電極をシリコンと比較的熱膨張係数の近いMo、又はＷ等
の緩衝板をロウ材によつて接続し主電極（Cu）との間は
圧接によつて導通をとる方法が一般的に用いられてい
る。
そこで発明者らは上記した目的を解決するため接続法に
着目した。つまり、メタライズ層を形成したセラミツク
スと半導体素子との接続は従来法と同じく半田，ロウ材
等を用いるが、セラミツクスをヒートシンク等金属材料
との接続は圧接構造にすることにした。
着目した。つまり、メタライズ層を形成したセラミツク
スと半導体素子との接続は従来法と同じく半田，ロウ材
等を用いるが、セラミツクスをヒートシンク等金属材料
との接続は圧接構造にすることにした。
〔作用〕 SiCやAlN等のセラミツクスの熱膨張係数は半導体装置の
素材シリコンとほぼ等しいためそれらの接続に関しては
従来法がそのまま使用でき特に問題とはならない。
素材シリコンとほぼ等しいためそれらの接続に関しては
従来法がそのまま使用でき特に問題とはならない。
一方、SiCやAlN等のセラミツクスとヒートシンク材、一
般的にはCu系,Fe系の金属材料との接続を半田やAgロウ
を介して行なうとこれまでのAl2O3とは異なり残留する
応力によりクラツクが発生する。この現象はセラミツク
スのサイズが大きいほど発生する割合が高く、又、熱サ
イクル試験等信頼性試験に於いてはクラツクの発生が初
期の段階に見られていた。そこで、ヒートシンク材とセ
ラミツクスの接続はロウ材等は用いず圧接構造とするこ
とにより、メタライズされたSiC又はAlNセラミツクスと
ヒートシンク材の間にAlやCu箔等のやわらかい金属材料
を挿入し、セラミツクス端部を覆うように構成されたフ
レーム自体をヒートシンクに接続するこでセラミツクス
とヒートシンクとのより高い密着が得られる。この方法
によれば例え金属材料の加熱され伸びてもセラミツクス
には影響を及ぼさずクラツクも発生しない。一方、この
方法によつてセラミツクスとヒートシンク間の熱伝導率
が若干低下するが、SiCやAlNセラミツクス等はAl2O3に
対して４〜８倍程高いためあまり問題とはならない。
般的にはCu系,Fe系の金属材料との接続を半田やAgロウ
を介して行なうとこれまでのAl2O3とは異なり残留する
応力によりクラツクが発生する。この現象はセラミツク
スのサイズが大きいほど発生する割合が高く、又、熱サ
イクル試験等信頼性試験に於いてはクラツクの発生が初
期の段階に見られていた。そこで、ヒートシンク材とセ
ラミツクスの接続はロウ材等は用いず圧接構造とするこ
とにより、メタライズされたSiC又はAlNセラミツクスと
ヒートシンク材の間にAlやCu箔等のやわらかい金属材料
を挿入し、セラミツクス端部を覆うように構成されたフ
レーム自体をヒートシンクに接続するこでセラミツクス
とヒートシンクとのより高い密着が得られる。この方法
によれば例え金属材料の加熱され伸びてもセラミツクス
には影響を及ぼさずクラツクも発生しない。一方、この
方法によつてセラミツクスとヒートシンク間の熱伝導率
が若干低下するが、SiCやAlNセラミツクス等はAl2O3に
対して４〜８倍程高いためあまり問題とはならない。
第１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。半導体チツプ15がSiCやAlN等の焼結体12で絶縁分
離された絶縁型半導体装置に於いて、セラミツクス12と
ヒートシンク10内にAl,Cu箔等の熱応力によつて変形し
緩和するやわらかい金属からなる緩衝板11を挿入し、セ
ラミツクス12とヒートシンク10との接続は金属フレーム
13の端部14をパーカツシヨン法、又は半田等によりヒー
トシンク10に接着させることによつて圧接固定される。
半導体チツプ15が搭載されるセラミツクスの主表面には
半田付可能なメタライズ層が形成されているが、本発明
の場合、緩衝板11と接する裏面には半田付する必要はな
い。緩衝板11はAl,Cu箔の２者に特定されるものでな
く、Ag,半田箔等やわらかく良熱伝導体の全層箔であれ
ば良い。一方、ヒートシンクの材料は半導体装置で一般
的に用いられているCu,Fe,Al等のいずれでも良い。
ある。半導体チツプ15がSiCやAlN等の焼結体12で絶縁分
離された絶縁型半導体装置に於いて、セラミツクス12と
ヒートシンク10内にAl,Cu箔等の熱応力によつて変形し
緩和するやわらかい金属からなる緩衝板11を挿入し、セ
ラミツクス12とヒートシンク10との接続は金属フレーム
13の端部14をパーカツシヨン法、又は半田等によりヒー
トシンク10に接着させることによつて圧接固定される。
半導体チツプ15が搭載されるセラミツクスの主表面には
半田付可能なメタライズ層が形成されているが、本発明
の場合、緩衝板11と接する裏面には半田付する必要はな
い。緩衝板11はAl,Cu箔の２者に特定されるものでな
く、Ag,半田箔等やわらかく良熱伝導体の全層箔であれ
ば良い。一方、ヒートシンクの材料は半導体装置で一般
的に用いられているCu,Fe,Al等のいずれでも良い。
第２図は他のパワー半導体装置の例を示す断面図であ
る。ヒートシンク10の凹部20を施け、これに緩衝板11、
セラミツクス12を落しこみ、フレームを接着することで
セラミツクスを圧接するよう構成されたものである。
る。ヒートシンク10の凹部20を施け、これに緩衝板11、
セラミツクス12を落しこみ、フレームを接着することで
セラミツクスを圧接するよう構成されたものである。
凹部20はセラミツクス12の位置決めが容易となり、その
深さはセラミツクスの位置決めができる程度でよい。
深さはセラミツクスの位置決めができる程度でよい。
以上、本発明の実施例をパワー半導体装置（サイリス
タ）の例で説明したが、半導体チツプ以外の抵抗体やコ
ンデンサ等他の電子部品を混載してなる半導体モジール
やハイブリツトICあるいは高圧IC,LSI,VLSI,ECL等を搭
載する基板して使用できる。
タ）の例で説明したが、半導体チツプ以外の抵抗体やコ
ンデンサ等他の電子部品を混載してなる半導体モジール
やハイブリツトICあるいは高圧IC,LSI,VLSI,ECL等を搭
載する基板して使用できる。
セラミツクス12として使用したSiC又はAlN焼結体はいず
れもBeO2重量％を含み、ホツトプレス焼結によつて製造
されたものであり、前者は室温で約0.7cal/cm,sec・℃
及び後者は0.3cal/cm,sec・℃の熱伝導性を有する。こ
れらの焼結体として、厚さ0.6mm,15mm角のものを製造し
た。
れもBeO2重量％を含み、ホツトプレス焼結によつて製造
されたものであり、前者は室温で約0.7cal/cm,sec・℃
及び後者は0.3cal/cm,sec・℃の熱伝導性を有する。こ
れらの焼結体として、厚さ0.6mm,15mm角のものを製造し
た。
金属フレーム13は焼結体12の端部が金属フレームに2mm
かかるように全周にわたつて接触するようになつてお
り、0.1mm厚さで、セラミツクス12と同じ大きさのAlか
らなる緩衝板11を介在させて若干加圧させた状態でろう
等によつて接続される。従つて、セラミツクス12はヒー
トシンク10に密着させることができ、放熱効果を向上さ
せることができる。なお、金属フレーム13は焼結体の両
端部でもよい。半導体素子12は、Au−Siろう,Au−Geろ
う,Au−Snはんだ,Pb−Snはんだ等によつて金属フレーム
13の接続の前後のいずれにおいてもセラミツクス上に接
合できる。半導体素子15をSiCセラミツクス12にはんだ
によつて接合する場合にはCrペーストによつてメタライ
ズして反応層を形成した後、その反応層上にNi,Cuめつ
きを施し、はんだで接合する。また、Au系合金によつて
接合する場合には10％以下のCdを含有させることによつ
て直接接合することができる。
かかるように全周にわたつて接触するようになつてお
り、0.1mm厚さで、セラミツクス12と同じ大きさのAlか
らなる緩衝板11を介在させて若干加圧させた状態でろう
等によつて接続される。従つて、セラミツクス12はヒー
トシンク10に密着させることができ、放熱効果を向上さ
せることができる。なお、金属フレーム13は焼結体の両
端部でもよい。半導体素子12は、Au−Siろう,Au−Geろ
う,Au−Snはんだ,Pb−Snはんだ等によつて金属フレーム
13の接続の前後のいずれにおいてもセラミツクス上に接
合できる。半導体素子15をSiCセラミツクス12にはんだ
によつて接合する場合にはCrペーストによつてメタライ
ズして反応層を形成した後、その反応層上にNi,Cuめつ
きを施し、はんだで接合する。また、Au系合金によつて
接合する場合には10％以下のCdを含有させることによつ
て直接接合することができる。
第３図は本発明の他の一実施例を示すパワー半導体装置
の断面図である。SiC,AlN前述の焼結体等セラミツクス
の主表面の金属フレーム13と接触する部分と裏面全体に
Al等のやわらかい厚さ５〜30μｍの金属膜30を形成す
る。この金属膜30は裏面に施いてはセラミツクス表面の
熱を緩衝板11に効率良く伝えるためであり、緩衝板11と
反応しないAl等が好的である。又、主表面の一部に施け
る金属膜30は金属フレーム13とセラミツクス12とが効果
的に接触させるためのもので基本的には裏面のAlと同じ
で良いが、この外に主表面に形成するCu系,Au系のやわ
らかい金属であつても良い。
の断面図である。SiC,AlN前述の焼結体等セラミツクス
の主表面の金属フレーム13と接触する部分と裏面全体に
Al等のやわらかい厚さ５〜30μｍの金属膜30を形成す
る。この金属膜30は裏面に施いてはセラミツクス表面の
熱を緩衝板11に効率良く伝えるためであり、緩衝板11と
反応しないAl等が好的である。又、主表面の一部に施け
る金属膜30は金属フレーム13とセラミツクス12とが効果
的に接触させるためのもので基本的には裏面のAlと同じ
で良いが、この外に主表面に形成するCu系,Au系のやわ
らかい金属であつても良い。
本発明の第２図に於ける緩衝板11を常温〜50℃では固体
でその後流体となる低融点金属を用いることによつても
実施できる。この場合は半導体装置の動作時に於いては
緩衝板11は液体となり、あたかも沸騰冷却構造と類似
し、セラミツクス上に搭載された発熱する半導体装置の
熱をヒートシンクに効率よく伝える媒体となり得る。
でその後流体となる低融点金属を用いることによつても
実施できる。この場合は半導体装置の動作時に於いては
緩衝板11は液体となり、あたかも沸騰冷却構造と類似
し、セラミツクス上に搭載された発熱する半導体装置の
熱をヒートシンクに効率よく伝える媒体となり得る。
一方本発明を遂行する上で重要な緩衝板11はPb,Sn,In,B
i,Cd等の中から選ばれた金属で構成された低融点合金で
液相点が65〜150℃の範囲にあるものが好適である。具
体的にはBi42.5〜67重量％,Pb17.2〜40.2重量％,Sn0〜5
0重量％,In0〜50重量％,Cd0〜12.5重量％から選ばれた
合金であれば良い。
i,Cd等の中から選ばれた金属で構成された低融点合金で
液相点が65〜150℃の範囲にあるものが好適である。具
体的にはBi42.5〜67重量％,Pb17.2〜40.2重量％,Sn0〜5
0重量％,In0〜50重量％,Cd0〜12.5重量％から選ばれた
合金であれば良い。
以上説明したごとき材料を用いて構成された絶縁基板を
用いることによつて発熱する半導体装置を効果的に放熱
できる。
用いることによつて発熱する半導体装置を効果的に放熱
できる。
本発明によればセラミツクスと比較的熱膨張係数の大き
な金属材料とを直接の接続をさけた圧接構造をとるた
め、比較的SiCやAlN等熱膨張係数の小さなセラミツクス
であつても容易に接続できることや大型セラミツクスの
使用が可能となる。このことは他数の電子部品が混載さ
れる半導体モジユールの熱放散に関する設計が容易にな
るという効果もある。
な金属材料とを直接の接続をさけた圧接構造をとるた
め、比較的SiCやAlN等熱膨張係数の小さなセラミツクス
であつても容易に接続できることや大型セラミツクスの
使用が可能となる。このことは他数の電子部品が混載さ
れる半導体モジユールの熱放散に関する設計が容易にな
るという効果もある。
第１図，第２図，第３図は本発明の一実施例を示すパワ
ー半導体装置の縦断面図である。 10……ヒートシンク、11……緩衝板、12……セラミツク
ス、13……フレーム、14……端部（接合部）、15……半
導体チツプ、16……カソード端子、17……ゲート端子、
18……アノード端子、20……凹部、30……金属膜。
ー半導体装置の縦断面図である。 10……ヒートシンク、11……緩衝板、12……セラミツク
ス、13……フレーム、14……端部（接合部）、15……半
導体チツプ、16……カソード端子、17……ゲート端子、
18……アノード端子、20……凹部、30……金属膜。
フロントページの続き (72)発明者 井上 広一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 八野 耕明 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 実開 昭60−79752（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭59−3580（ＪＰ，Ｙ２)
Claims (2)
- 【請求項１】半導体素子と金属からなるヒートシンク金
属との間に高熱伝導性セラミツクスを挿入して絶縁分離
されている半導体装置において、前記セラミツクス端部
を金属フレームで覆い、該フレームを前記ヒートシンク
に接続することにより前記セラミツクスをヒートシンク
に接続することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】半導体素子と金属からなるヒートシンクと
の間に高熱伝導性セラミツクスを挿入して絶縁分離され
ている半導体装置において、前記セラミツクスとヒート
シンクとの間に純銅又は純銅よりやわらかい金属箔を介
在させ、前記セラミツクス端部を金属フレームで覆い、
該フレームを前記ヒートシンクに接続することにより前
記セラミツクスをヒートシンクに接続することを特徴と
する半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13014186A JPH077810B2 (ja) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13014186A JPH077810B2 (ja) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62287649A JPS62287649A (ja) | 1987-12-14 |
| JPH077810B2 true JPH077810B2 (ja) | 1995-01-30 |
Family
ID=15026945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13014186A Expired - Lifetime JPH077810B2 (ja) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH077810B2 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE9114268U1 (de) * | 1991-11-15 | 1992-01-09 | Siemens AG, 8000 München | Hochspannungs-Isolierscheibe |
| JP2000091485A (ja) | 1998-07-14 | 2000-03-31 | Denso Corp | 半導体装置 |
| US6072240A (en) | 1998-10-16 | 2000-06-06 | Denso Corporation | Semiconductor chip package |
| JP4085536B2 (ja) | 1998-11-09 | 2008-05-14 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 電気機器およびその製造方法並びに圧接型半導体装置 |
| JP3769139B2 (ja) * | 1999-03-04 | 2006-04-19 | 三菱電機株式会社 | パワー半導体モジュール |
| JP3919398B2 (ja) * | 1999-10-27 | 2007-05-23 | 三菱電機株式会社 | 半導体モジュール |
| US6703707B1 (en) | 1999-11-24 | 2004-03-09 | Denso Corporation | Semiconductor device having radiation structure |
| US6693350B2 (en) | 1999-11-24 | 2004-02-17 | Denso Corporation | Semiconductor device having radiation structure and method for manufacturing semiconductor device having radiation structure |
| JP4479121B2 (ja) | 2001-04-25 | 2010-06-09 | 株式会社デンソー | 半導体装置の製造方法 |
| US7344296B2 (en) | 2003-02-07 | 2008-03-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Socket for led light source and lighting system using the socket |
| JP5050633B2 (ja) * | 2007-05-02 | 2012-10-17 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
| CN108011035B (zh) * | 2017-12-13 | 2021-02-26 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 一种压电陶瓷片的键合方法 |
-
1986
- 1986-06-06 JP JP13014186A patent/JPH077810B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62287649A (ja) | 1987-12-14 |
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