JPH08264680A - 半導体実装構造体 - Google Patents
半導体実装構造体Info
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- JPH08264680A JPH08264680A JP7084574A JP8457495A JPH08264680A JP H08264680 A JPH08264680 A JP H08264680A JP 7084574 A JP7084574 A JP 7084574A JP 8457495 A JP8457495 A JP 8457495A JP H08264680 A JPH08264680 A JP H08264680A
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- JP
- Japan
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- substrate
- aluminum
- semiconductor
- ceramics
- ceramic
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
- H10W72/851—Dispositions of multiple connectors or interconnections
- H10W72/874—On different surfaces
- H10W72/884—Die-attach connectors and bond wires
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、耐ヒートサイクルの優れた
半導体実装構造体を得るにある。 【構成】 上面にアルミニウムの電子回路を形成し、下
面に放熱板を形成したセラミックス絶縁基板と、半田で
電子回路に接合した半導体チップと、半導体の電極と、
電子回路を接続するためのアルミニウムリード線と、半
田で放熱板に接合したヒートシンク体とより成る半導体
実装構造体。上記セラミックス絶縁基板は酸化物、窒化
物、炭化物である。
半導体実装構造体を得るにある。 【構成】 上面にアルミニウムの電子回路を形成し、下
面に放熱板を形成したセラミックス絶縁基板と、半田で
電子回路に接合した半導体チップと、半導体の電極と、
電子回路を接続するためのアルミニウムリード線と、半
田で放熱板に接合したヒートシンク体とより成る半導体
実装構造体。上記セラミックス絶縁基板は酸化物、窒化
物、炭化物である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はパワーモジュール等の電
子部品の実装に好適な半導体実装構造体に関し、更に詳
しくは特に優れた耐ヒートサイクル特性が要求される自
動車用電子部品の実装構造体を提供することを目的とす
る。
子部品の実装に好適な半導体実装構造体に関し、更に詳
しくは特に優れた耐ヒートサイクル特性が要求される自
動車用電子部品の実装構造体を提供することを目的とす
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、パワーモジュールのような電子部
品の実装に使用する基板としてセラミックス基板の表面
に銅板を接合して作製された銅張りセラミックス複合基
板が使用されている。この複合基板は更に使用するセラ
ミックス基板の種類やその製造法によって銅／アルミナ
直接接合基板、銅／窒化アルミニウム直接接合基板、銅
／アルミナろう接基板、及び銅／窒化アルミニウムろう
接基板に分けられている。
品の実装に使用する基板としてセラミックス基板の表面
に銅板を接合して作製された銅張りセラミックス複合基
板が使用されている。この複合基板は更に使用するセラ
ミックス基板の種類やその製造法によって銅／アルミナ
直接接合基板、銅／窒化アルミニウム直接接合基板、銅
／アルミナろう接基板、及び銅／窒化アルミニウムろう
接基板に分けられている。
【０００３】上記のいずれかの方法によって製造された
銅／セラミックス複合基板は広く使用されているが、製
造中及び実用上幾つかの問題点を有している。その中で
最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用中にセラ
ミックス基板の内部にクラックが形成し基板の表裏間を
電気的に導通することによる故障である。
銅／セラミックス複合基板は広く使用されているが、製
造中及び実用上幾つかの問題点を有している。その中で
最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用中にセラ
ミックス基板の内部にクラックが形成し基板の表裏間を
電気的に導通することによる故障である。
【０００４】これは銅の熱膨張係数がセラミックスの熱
膨張係数より約一桁大きいことに起因する。即ち、接合
する場合、セラミックスと銅が１０００℃近くまで加熱
され、接合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の
違いにより複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
膨張係数より約一桁大きいことに起因する。即ち、接合
する場合、セラミックスと銅が１０００℃近くまで加熱
され、接合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の
違いにより複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
【０００５】また、パワーモジュール等の電子部品を実
装するときに銅／セラミックス複合基板は４００℃近く
まで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱に
より、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に変
動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラミ
ックス基板にクラックが発生する。
装するときに銅／セラミックス複合基板は４００℃近く
まで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱に
より、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に変
動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラミ
ックス基板にクラックが発生する。
【０００６】上記複合基板の重要な評価項目の一つに耐
ヒートサイクル特性がある。これは基板を−４０℃から
１２５℃まで繰り返し、加熱・冷却する際の熱応力によ
って基板にクラックが発生するまでの循環回数を示して
いるが、従来の銅／セラミックス複合基板は約５０回で
ある。
ヒートサイクル特性がある。これは基板を−４０℃から
１２５℃まで繰り返し、加熱・冷却する際の熱応力によ
って基板にクラックが発生するまでの循環回数を示して
いるが、従来の銅／セラミックス複合基板は約５０回で
ある。
【０００７】しかもこのような特性を得るために、セラ
ミックス基板の厚さを両主表面に接合された銅板の厚さ
の合計より厚くするという制限条件が有り、セラミック
ス基板の厚さを基板本来の電気絶縁性を保つために必要
な厚さより倍以上に厚くしなければならないという問題
があった。逆に上記複合基板にとってもう一つ重要な特
性である熱伝導性の方は犠牲にされているのが現状であ
る。
ミックス基板の厚さを両主表面に接合された銅板の厚さ
の合計より厚くするという制限条件が有り、セラミック
ス基板の厚さを基板本来の電気絶縁性を保つために必要
な厚さより倍以上に厚くしなければならないという問題
があった。逆に上記複合基板にとってもう一つ重要な特
性である熱伝導性の方は犠牲にされているのが現状であ
る。
【０００８】近年、電気自動車用パワーモジュールの開
発により、耐ヒートサイクル特性の優れた複合基板への
要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度
変化が激しく、振動が大きいという使用条件の場合に
は、複合基板の耐ヒートサイクル特性が３０００回以上
必要であると言われているが、現在使用されている銅／
セラミックス複合基板では、このような要望に対応でき
ない。
発により、耐ヒートサイクル特性の優れた複合基板への
要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度
変化が激しく、振動が大きいという使用条件の場合に
は、複合基板の耐ヒートサイクル特性が３０００回以上
必要であると言われているが、現在使用されている銅／
セラミックス複合基板では、このような要望に対応でき
ない。
【０００９】銅と同じように優れた電気と熱伝導性を有
するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前
からあり、例えば、特開昭５９−１２１８９０号公報に
はこのような構想が記述されている。さらに、特開平３
−１２５４６３号公報、特開平４−１２５５４号公報及
び特開平４−１８７４６号公報には、ろう接法で作製し
たアルミニウム−セラミックス基板が開示されている
が、この方法によって作製されたアルミニウム−セラミ
ックス基板の耐ヒートサイクル特性は約２００回であ
り、上述のように高い耐ヒートサイクル特性が要求され
る用途には依然として充分対応できないものであった。
するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前
からあり、例えば、特開昭５９−１２１８９０号公報に
はこのような構想が記述されている。さらに、特開平３
−１２５４６３号公報、特開平４−１２５５４号公報及
び特開平４−１８７４６号公報には、ろう接法で作製し
たアルミニウム−セラミックス基板が開示されている
が、この方法によって作製されたアルミニウム−セラミ
ックス基板の耐ヒートサイクル特性は約２００回であ
り、上述のように高い耐ヒートサイクル特性が要求され
る用途には依然として充分対応できないものであった。
【００１０】しかもこの場合、接合は真空中で行なわな
ければならなく、また、非酸化物セラミックスの場合、
あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面に酸化
物を形成しなければならないという問題もあり、製造コ
スト及び熱伝導性の面においても満足できないところが
あった。
ければならなく、また、非酸化物セラミックスの場合、
あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面に酸化
物を形成しなければならないという問題もあり、製造コ
スト及び熱伝導性の面においても満足できないところが
あった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来製造
された銅／セラミックス接合基板やアルミニウムろう接
基板は耐ヒートサイクル特性の面からは、電気自動車向
けの基板としては向かなかった。本発明は、電気自動車
向けの耐ヒートサイクル特性として３０００回以上の性
能を有する新規な基板をベースとした半導体実装構造体
を提供することを目的とする。
された銅／セラミックス接合基板やアルミニウムろう接
基板は耐ヒートサイクル特性の面からは、電気自動車向
けの基板としては向かなかった。本発明は、電気自動車
向けの耐ヒートサイクル特性として３０００回以上の性
能を有する新規な基板をベースとした半導体実装構造体
を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ろう接に
使用されるろう材は接合する金属より硬いとの事実に着
眼した。この場合、硬いろう材の使用により金属自身が
持つ応力緩和機能が阻害され、基板中に比較的大きい熱
応力が発生し、耐ヒートサイクル性などは低下する。
使用されるろう材は接合する金属より硬いとの事実に着
眼した。この場合、硬いろう材の使用により金属自身が
持つ応力緩和機能が阻害され、基板中に比較的大きい熱
応力が発生し、耐ヒートサイクル性などは低下する。
【００１３】本発明者らは、熱応力が低く、且つ耐ヒー
トサイクル特性の優れた基板を開発するために鋭意研究
したところ、優れた耐ヒートサイクル特性を有するアル
ミニウム−セラミックス直接接合基板を作製することが
でき、該基板をベースに半導体実装構造体を提供するこ
とができた。
トサイクル特性の優れた基板を開発するために鋭意研究
したところ、優れた耐ヒートサイクル特性を有するアル
ミニウム−セラミックス直接接合基板を作製することが
でき、該基板をベースに半導体実装構造体を提供するこ
とができた。
【００１４】即ち本発明において、第１の発明は、セラ
ミックス絶縁基板上にアルミニウムを直接接合せしめた
複合基板をベースとし、上面には複数の電子回路を形成
し、その上部に半導体チップを搭載すると共にリード線
で他の回路と導通せしめてあり、一方、下面は放熱部と
ヒートシンク体とを半田接合してなる。
ミックス絶縁基板上にアルミニウムを直接接合せしめた
複合基板をベースとし、上面には複数の電子回路を形成
し、その上部に半導体チップを搭載すると共にリード線
で他の回路と導通せしめてあり、一方、下面は放熱部と
ヒートシンク体とを半田接合してなる。
【００１５】上記セラミックス絶縁基板は、酸化物、窒
化物、炭化物である。
化物、炭化物である。
【００１６】
【実施例】以下図面を参照して本発明の半導体実装構造
体について詳細に説明する。
体について詳細に説明する。
【００１７】本発明において使用する基板としては、ア
ルミナ、窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア等の
セラミックス基板やガラス等であり、この場合、高強度
の素材であればなお好ましい。
ルミナ、窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア等の
セラミックス基板やガラス等であり、この場合、高強度
の素材であればなお好ましい。
【００１８】また本発明で用いる金属はアルミニウムの
純金属であるが、これにより導電性が向上し、且つ、軟
らかさを得るものである。この場合、純度が高い程導電
性が向上するが、逆に価格が高くなるため本発明では９
９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムを使用した。
純金属であるが、これにより導電性が向上し、且つ、軟
らかさを得るものである。この場合、純度が高い程導電
性が向上するが、逆に価格が高くなるため本発明では９
９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムを使用した。
【００１９】この金属とセラミックス基板との接合は溶
湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥
のない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として窒
素雰囲気下で行なうことができるため、従来法のように
真空下で行なう必要がなく製造コストが安くなり、さら
に窒化アルミニウム基板にも表面改質することなく直接
に接合することができる。
湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥
のない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として窒
素雰囲気下で行なうことができるため、従来法のように
真空下で行なう必要がなく製造コストが安くなり、さら
に窒化アルミニウム基板にも表面改質することなく直接
に接合することができる。
【００２０】セラミックス基板の厚さとアルミニウム金
属の厚さとの関係においては、従来の銅張りのセラミッ
クス接合基板に比べ、金属の厚さを更に厚くする一方、
セラミックス基板の厚さを逆に薄くすることができるた
め、金属／セラミックスの厚さの比は、従来品よりさら
に大きくすることができる。この結果、本発明の複合基
板の放熱性及び流れる電流の量は増大することが容易に
判断される。
属の厚さとの関係においては、従来の銅張りのセラミッ
クス接合基板に比べ、金属の厚さを更に厚くする一方、
セラミックス基板の厚さを逆に薄くすることができるた
め、金属／セラミックスの厚さの比は、従来品よりさら
に大きくすることができる。この結果、本発明の複合基
板の放熱性及び流れる電流の量は増大することが容易に
判断される。
【００２１】図２は本発明で使用するアルミニウム−セ
ラミックス直接接合基板を製造するための設備の原理図
である。
ラミックス直接接合基板を製造するための設備の原理図
である。
【００２２】（実施例１）純度９９．９％のアルミニウ
ムをルツボ５にセットしてから蓋３を閉めてケース７の
内部に窒素ガスを充填する。ヒーター６で７５０℃に加
熱し、アルミニウムを溶化してから、ルツボ５内に設け
たガイド一体型ダイス４の左側入口からセラミックス基
板１として図３に示すブレークラインを有する３６ｍｍ
×１１２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板を順番に
挿入した。ルツボ５内に入った該アルミナ基板にアルミ
ニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において凝固させ
ることによって、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板２が
両面に接合されたアルミニウム−アルミナ直接接合基板
を得た（接合工程）。
ムをルツボ５にセットしてから蓋３を閉めてケース７の
内部に窒素ガスを充填する。ヒーター６で７５０℃に加
熱し、アルミニウムを溶化してから、ルツボ５内に設け
たガイド一体型ダイス４の左側入口からセラミックス基
板１として図３に示すブレークラインを有する３６ｍｍ
×１１２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板を順番に
挿入した。ルツボ５内に入った該アルミナ基板にアルミ
ニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において凝固させ
ることによって、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板２が
両面に接合されたアルミニウム−アルミナ直接接合基板
を得た（接合工程）。
【００２３】次いで、該複合基板上のアルミニウム部上
下面にエッチングレジストを加熱圧着し、遮光現像処理
を行なって所望のパターンを形成した後（露光工程）塩
化第二鉄−塩酸−水から構成して成るエッチング液を吹
き付ける処理によって片面に図４に示す電子回路及びそ
の裏面に図５に示す放熱部を形成した（エッチング工
程）。
下面にエッチングレジストを加熱圧着し、遮光現像処理
を行なって所望のパターンを形成した後（露光工程）塩
化第二鉄−塩酸−水から構成して成るエッチング液を吹
き付ける処理によって片面に図４に示す電子回路及びそ
の裏面に図５に示す放熱部を形成した（エッチング工
程）。
【００２４】この場合、アルミニウムは空気と反応して
表面に通常薄い不動能酸化皮膜が形成されることからこ
れらの表面を先ず亜鉛置換して通常の無電解めっき処理
を施し金属表面（表裏面）に１〜５μｍのＮｉめっき層
を得た。（めっき工程）。
表面に通常薄い不動能酸化皮膜が形成されることからこ
れらの表面を先ず亜鉛置換して通常の無電解めっき処理
を施し金属表面（表裏面）に１〜５μｍのＮｉめっき層
を得た。（めっき工程）。
【００２５】このようにして得た複合基板をブレークラ
インに沿って分割し、２枚の幅２６ｍｍ、長さ５１ｍｍ
のアルミニウム−アルミナ複合電子回路基板を得た。
インに沿って分割し、２枚の幅２６ｍｍ、長さ５１ｍｍ
のアルミニウム−アルミナ複合電子回路基板を得た。
【００２６】次いで、電子回路面の一部に半導体チップ
としてＳｉ製チップ８を半田１０で接合すると共に、ア
ルミニウムリード線９で他の回路面と接合して導通さ
せ、一方セラミックス絶縁基板の下面では、放熱板であ
るアルミニウム板１３に銅製ヒートシンク体１１（取付
け板）を半田接合して本発明の目的物である半導体実装
構造体として製品化できた。
としてＳｉ製チップ８を半田１０で接合すると共に、ア
ルミニウムリード線９で他の回路面と接合して導通さ
せ、一方セラミックス絶縁基板の下面では、放熱板であ
るアルミニウム板１３に銅製ヒートシンク体１１（取付
け板）を半田接合して本発明の目的物である半導体実装
構造体として製品化できた。
【００２７】上記接合工程で得られた複合基板の諸特性
を測定したところ、以下の結果を得た。
を測定したところ、以下の結果を得た。
【００２８】ピール特性＞３０ｋｇ／ｃｍ（アルミニウ
ムが切れる）
ムが切れる）
【００２９】ヒートサイクル＞３０００回（クラックな
し）
し）
【００３０】抗折強度：６９ｋｇ／ｍｍ2
【００３１】たわみ：２８６μｍ
【００３２】（実施例２）セラミックス基板１としてア
ルミナに代えて窒化アルミニウム板（３６ｍｍ×１１２
ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を用いた他は、実施例１と同様
の手段でアルミニウム−窒化アルミニウム直接接合基板
を得た。
ルミナに代えて窒化アルミニウム板（３６ｍｍ×１１２
ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を用いた他は、実施例１と同様
の手段でアルミニウム−窒化アルミニウム直接接合基板
を得た。
【００３３】この複合基板の諸特性は以下の通りであっ
た。
た。
【００３４】ピール特性＞２０ｋｇ／ｃｍ
【００３５】ヒートサイクル＞３０００回
【００３６】抗折強度：５３ｋｇ／ｍｍ2
【００３７】たわみ：２３０μｍ
【００３８】上記特性は、いずれも耐ヒートサイクル特
性が自動車向けとして好ましいものであり、これらの複
合基板を用いて実施例１と同様の手順で半導体実装構造
体として製品化できた。
性が自動車向けとして好ましいものであり、これらの複
合基板を用いて実施例１と同様の手順で半導体実装構造
体として製品化できた。
【００３９】
【発明の効果】上述のように本発明に係るアルミニウム
／セラミックス複合基板をベースとして得た半導体実装
構造体は、従来の複合基板では得られなかった耐ヒート
サイクル特性に富み、電気自動車向け基板として好まし
いものであった。
／セラミックス複合基板をベースとして得た半導体実装
構造体は、従来の複合基板では得られなかった耐ヒート
サイクル特性に富み、電気自動車向け基板として好まし
いものであった。
【図１】本発明に係る半導体実装構造体の模式図であ
る。
る。
【図２】本発明に使用する複合基板の製造装置の原理図
である。
である。
【図３】本発明に使用するセラミック基板の概略図であ
る。
る。
【図４】本発明におけるエッチング処理を施して得た電
子回路面の概略図である。
子回路面の概略図である。
【図５】本発明におけるエッチング処理を施して得た放
熱面の概略図である。
熱面の概略図である。
【符号の説明】 １ セラミックス基板 ２ アルミニウム板 ３ 蓋 ４ ガイド一体型ダイス ５ ルツボ ６ ヒーター ７ ケース ８ Ｓｉチップ ９ アルミニウムリード線 １０ 半田 １１ 銅ヒートシンク体 １２ 電子回路面 １３ 放熱板 １４ ブレークライン
フロントページの続き (72)発明者 永田 長寿 東京都千代田区丸の内一丁目８番２号 同 和鉱業株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】 セラミックス絶縁基板上にアルミニウム
を直接接合せしめた複合基板をベースとし、上面には複
数の電子回路を形成し、その上部に半導体チップを搭載
すると共にリード線で他の回路と導通せしめてあり、一
方、下面は放熱部とヒートシンク体とを半田接合してな
ることを特徴とする半導体実装構造体。 - 【請求項２】 上記セラミックス絶縁基板が、酸化物、
窒化物、炭化物であることを特徴とする請求項１記載の
半導体実装構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08457495A JP3383892B2 (ja) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | 半導体実装構造体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08457495A JP3383892B2 (ja) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | 半導体実装構造体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08264680A true JPH08264680A (ja) | 1996-10-11 |
| JP3383892B2 JP3383892B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=13834452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08457495A Expired - Fee Related JP3383892B2 (ja) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | 半導体実装構造体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3383892B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208760A (ja) * | 2001-01-09 | 2002-07-26 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 回路基板及びその製造方法 |
| KR100373471B1 (ko) * | 1998-12-10 | 2003-02-25 | 가부시끼가이샤 도시바 | 절연 기판 및 그 제조 방법과 이 절연 기판을 갖는 모듈반도체 장치 |
| JP2008283210A (ja) * | 2008-07-14 | 2008-11-20 | Dowa Holdings Co Ltd | 金属セラミックス回路基板の製造方法 |
| JP2011134949A (ja) * | 2009-12-25 | 2011-07-07 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
-
1995
- 1995-03-17 JP JP08457495A patent/JP3383892B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100373471B1 (ko) * | 1998-12-10 | 2003-02-25 | 가부시끼가이샤 도시바 | 절연 기판 및 그 제조 방법과 이 절연 기판을 갖는 모듈반도체 장치 |
| JP2002208760A (ja) * | 2001-01-09 | 2002-07-26 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 回路基板及びその製造方法 |
| JP2008283210A (ja) * | 2008-07-14 | 2008-11-20 | Dowa Holdings Co Ltd | 金属セラミックス回路基板の製造方法 |
| JP2011134949A (ja) * | 2009-12-25 | 2011-07-07 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3383892B2 (ja) | 2003-03-10 |
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