JPH08330465A

JPH08330465A - 半導体装置およびそれを用いた電子装置

Info

Publication number: JPH08330465A
Application number: JP13494395A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Kurihara; 保敏栗原; Takashi Hosokawa; 隆細川; Mamoru Sawahata; 守沢畠; 茂 ▲高▼橋; Shigeru Takahashi; Tadao Kushima; 忠雄九嶋; Hideo Shimizu; 英雄清水; Akira Tanaka; 明田中; Kazuji Yamada; 一二山田; Masayasu Miyagawa; 正康宮川
Original assignee: HITACHI METAL EE F T KK; Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: HITACHI METAL EE F T KK; Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1995-06-01
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】製造時または運転時に生ずる熱歪を低減し、
各部材の変形，変性，破壊の恐れが無く、熱放散性や信
頼性に優れた半導体装置を提供する。【構成】半導体基体１０１と、絶縁部材１２２と、前
記半導体基体１０１を一方の面に搭載し他方の面を絶縁
部材１２２にろう付けされた金属部材１０と、絶縁部材
１２２を一方の面にろう付けにより搭載した支持部材１
２５とからなる半導体装置において、金属部材１０また
は支持部材１２５の少なくとも一方が、無機質セラミッ
クス粉末が分散されたマトリックス金属で構成されてい
る。【効果】製造時または運転時に生ずる熱歪を低減し、
各部材の変形，変性，破壊の恐れが無く、熱放散性や信
頼性に優れ、消費電力が少ない電子装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置およびそれ
を用いた電子装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子基体を支持する部材
は、非絶縁型半導体装置の一電極を兼ねる場合が多かっ
た。例えば、Ｐｂ−Ｓｎろう材により、パワートランジ
スタチップを銅ベース上に一体化して搭載したパワート
ランジスタ装置では、銅ベースすなわち金属支持部材
は、トランジスタのコレクタ電極と支持部材とを兼ねて
いる。このような半導体装置では、数アンペア以上のコ
レクタ電流が流れる際に、トランジスタチップは内部で
発熱する。発熱に起因する特性の不安定化や寿命の劣化
を避けるため、銅ベースは、熱放散部材を兼ねている。
高耐圧化かつ高周波化され大電流を流せるＩＧＢＴ(Ins
ulated Gate Bipolar Transistor)チップを銅ベースに
直接ろう付けして搭載した場合、熱放散中継部材として
の銅ベースの役割は、一層重要となる。

【０００３】また、半導体装置のすべての電極を金属支
持部材から電気的に絶縁し、半導体装置の回路適用上の
自由度を増やした構造が出現している。絶縁型半導体装
置において、すべての電極は、絶縁部材により、金属支
持部材を含むすべてのパッケージ部材から絶縁されて外
部に引き出される。そのため、一対の主電極が回路上の
接地電位から浮いている使用例であっても、電極電位と
は無関係にパッケージを接地電位部に固定できるので、
半導体装置の実装が容易になる。

【０００４】一方、混成集積回路装置または半導体モジ
ュール装置では、一般に半導体素子を含むあるまとまっ
た電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも
１部とこれら装置の支持部材または放熱部材等の金属部
とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、杉浦ほかに
よる“半導体・通信用ＤＢＣ基板”：電子材料(Vol.44,
No.5),65〜69頁(1989年)には、熱膨張緩和材としての
Ｍｏを介してＳｉチップを銅板に搭載したアッセンブリ
を、Ｍｏメタライズ層を形成した後Ｎｉめっきを施した
アルミナ基板を介して、銅支持部材と一体化したパワー
モジュール装置が示されている。

【０００５】熱伝導率の低いアルミナ基板を絶縁体とし
て用いた場合、モジュール装置全体としての熱伝達効率
を高めるため、発熱の著しい半導体基体から絶縁基板に
至る熱流路に熱を拡散させて広げる機能を持つ銅板のよ
うな高熱伝導性部材を配置する必要がある。銅板を配置
する第１の目的は、このように熱を拡散させて広げる機
能を担わせることであるが、第２の目的として、モジュ
ール装置の主電流路の機能を果たさせることがある。

【０００６】ところが、銅板は熱膨張率が大きいため、
半導体素子を搭載するには、ＭｏやＷ等の熱膨張緩和材
を設けることが必要である。このようにＭｏやＷ等の熱
膨張緩和材を設けたモジュール装置も、絶縁型半導体装
置である。

【０００７】絶縁型半導体装置においても、半導体素子
を安全かつ安定に動作させるには、動作時に発生する熱
をパッケージ外に効率良く放散させる必要がある。熱の
放散は、通常の場合、発熱源である半導体基体から、こ
れと接着された各部材を通じて、気中に熱伝達させて達
成される。絶縁型半導体装置では、熱伝達経路中に、絶
縁体を含み、絶縁体と半導体基体とを接着する部分等に
接着材層を含む。

【０００８】半導体装置を含む回路の扱う電力が大きく
なるほど、または要求される信頼性すなわち経時的安定
性，耐湿性，耐熱性等が高くなるほど、完全な絶縁性が
求められる。ここでいう耐熱性は、半導体装置の周囲温
度が外因により上昇した場合のほかに、半導体装置の扱
う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくなっ
た場合の耐熱性も含む。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】半導体装置の発熱量が
少なく、要求される信頼性がそれほど高くない場合は、
半導体装置の構成部材としてどのような材料を用いても
問題は少ない。しかし、発熱量が大きく高い信頼性が要
求される場合は、構成部材は選択しなければならない。

【００１０】一般に、絶縁型半導体装置では、上記従来
技術のように、Ｓｉチップを熱膨張緩和材としてのＭｏ
板を介して銅板に搭載したアッセンブリを、Ｍｏメタラ
イズ層を形成した後Ｎｉめっきを施したアルミナ基板を
介して、ろう付けにより銅支持部材と一体化している。
ここで、熱伝導率が４０３Ｗ/ｍ・Ｋと高く、抵抗率が
１.７×１０~ ⁶Ω・ｃｍと小さい銅板が用いられる理由
は、熱流を広げて放熱効果を高めるとともに主電流路の
役割を持たせるためである。また、銅板とＳｉチップの
間にＭｏ板を介装するのは、銅板の熱膨張率が１６.７
×１０~ ⁶/℃とＳｉチップのそれ(Ｓｉ：３.５×１０~
⁶/℃)と大幅に異なるからでる。すなわち、熱膨張率の
差を緩和し(Ｍｏの熱膨張率：５.３×１０~ ⁶/℃)、Ｓ
ｉチップを一体化しているろう材およびチップそのもの
の熱疲労破壊を防止する。

【００１１】この場合の第１の問題は、Ｍｏ板と銅板と
の間の熱膨張率差が大きいことに起因する。両者を一体
化するためのろう材として、一般にそれ自体剛性が高
く、破壊強度が高くそして熱疲労破壊しにくい材料、例
えばＡｇ-２８ｗｔ％Ｃｕろう(銀ろう)やＡｕ-２０ｗｔ
％Ｓｎろうのような硬ろうが用いられる。硬ろう材を介
在させたＭｏ板と銅板との積層体を硬ろう材の融点以上
に加熱した後、室温まで冷却すると、Ｍｏ板と銅板は、
ろう材の凝固点で互いに固定される。その後、凝固した
ろう材により固定されたまま、各部材固有の熱膨張率で
収縮する。その際、熱膨張率差により各部材の収縮量が
異なり、各部材の接着部に熱応力および熱歪が残留する
とともに、一体化物にはそり等の変形を生ずる。

【００１２】その後、一体化物は半導体装置を組込むた
めの熱処理過程や、半導体装置の稼働による熱的変化の
過程を経る。ここで生ずる熱ストレスは、前記残留熱応
力や熱歪に重畳した形で印加されることになる。

【００１３】その結果、Ｍｏ板と銅板との間のろう付け
部は、破壊を生じ易くなる。また、半導体装置を組込む
過程で、一体化物のＭｏ板側には半導体基体がろう付け
され、銅板側にはアルミナ板がろう付けされる。

【００１４】一体化物の変形は、所望の厚さのろう層を
均一に形成することや、空洞のないろう層を形成するこ
とに対して、不利益をもたらす。ろう層の厚さの不均一
は熱疲労破壊寿命に悪影響を及ぼし、ろう層の空洞は半
導体装置の放熱性に悪影響を及ぼす。特に、半導体基体
は、熱を発生しおよび熱的変化を発生する源であり、銅
板は放熱路の主要部材であるから、半導体装置の安定動
作のためには変形等の発生は避けなければならない。

【００１５】第２の問題は、銅板とアルミナ板(熱膨張
率：６.３×１０~ ⁶/℃)との間の熱膨張率差が大きいこ
とに起因する。銅板およびアルミナ板は、Ｐｂ-６０ｗ
ｔ％Ｓｎろう材によりろう付けされ、ろう材の融点以上
に加熱した後、室温まで冷却する熱処理を受ける。した
がって、この場合も、各部材がろう材の凝固点で互いに
固定され、その後は固定されたまま各部材固有の熱膨張
率に従って収縮し、接着部に熱応力および熱歪が残留す
るとともに、変形を生ずる。

【００１６】パワー半導体基体は一般にそのサイズが大
きく、また、パワーモジュール装置では、一般に複数の
半導体基体や他の素子も搭載されるので、絶縁基板の面
積やろう付け面積も大きくなり、残留熱応力や歪が大き
く、各部材の変形も促進されやすい。特に、熱応力や歪
の残留はモジュール装置の稼働時の熱ストレスの重畳を
受けて、一層大きな応力や歪を生ずる根源となり、ろう
層の疲労破壊による熱流路の遮断の原因と、機械的に脆
い性質を持つ絶縁基板を破損させる原因になる。絶縁基
板の破損は、モジュール装置の正常な動作を阻害するだ
けでなく、安全上の問題も生ずる。

【００１７】第３の問題は、銅板に電極部材をろう付け
する際に生ずる。例えば、ＩＧＢＴチップを搭載した半
導体装置では、ゲートおよびエミッタ端子は、銅板から
電気的に絶縁されていなければならない。この場合、端
子金属は、ストリップにより絶縁され、このアルミナス
トリップは、Ｐｂ-６０ｗｔ％Ｓｎろう材によりろう付
けされるのが一般的である。アルミナストリップと銅板
との熱膨張率の差が大きく、第１の問題および第２の問
題と同様に、接着部における熱応力や歪の残留，変形お
よび空隙を生ずる。

【００１８】この接着部には、銅板を中継して熱変化が
与えられ、その際のストレスは、残留熱応力や歪に重畳
し、過大な応力や歪を生む。その結果、アルミナストリ
ップの破壊や端子の銅板からの剥離を生じ、半導体装置
の正常な電気的動作の妨げになる。また、接着部の変形
や空隙は、チップから端子に至る確実なワイヤボンディ
ングを妨げる。

【００１９】第４の問題は、Ｍｏ板を介在させると、半
導体装置の積層構造が複雑化することである。部品点数
および組込工数が増大し、経済性の面では不利益とな
る。また、複雑な積層構造をとる結果、放熱性について
も不利である。

【００２０】第５の問題は、銅支持部材とアルミナ板と
の間の熱膨張率が異なる点である。第２の問題と同様の
理由により、ろう層の破壊，熱流路の遮断，絶縁板の破
壊に基づく信頼性低下を生ずる。

【００２１】具体的には、アルミナ板と銅支持部材の熱
膨張率が互いに異なるため、これらの一体化物には残留
応力および歪が発生することである。モジュール装置に
稼動時の熱ストレスが繰返し与えられ、残留応力および
歪に新たな応力および歪が重畳されると、ろう層の疲労
破壊による熱流路の遮断を生ずる。また、機械的に脆い
性質を持つ絶縁基板の破損も生ずる。このような破壊
は、モジュール装置の正常な電気的動作を阻害するだけ
でなく、安全上の問題も生ずる。

【００２２】アルミナ板と銅支持部材の熱膨張率が互い
に異なるため、これらの一体化物に反りが発生する。モ
ジュール装置に反りが生ずると、これを冷却フィンに取
付ける際、モジュール装置から冷却フィンに至る経路の
熱伝達機能が不十分になり、放熱性が損なわれやすい。
このことも、モジュール装置の正常な電気的動作を困難
にする原因になる。また、モジュール装置を冷却フィン
上に強制的にネジ締め搭載した場合、新たな外力の印加
により絶縁基板の破損が助長される。

【００２３】本発明の目的は、製造時または運転時に生
ずる熱応力および熱歪を軽減し、各部材の変形，変性，
破壊の恐れがなく信頼性の高い半導体装置およびそれを
用いた電子装置を提供することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体基体と、絶縁部材と、半導体基体
を一方の面に搭載し他方の面を絶縁部材にろう付けされ
電気的に活性な領域では導電手段となり熱伝導路では熱
中継手段または熱流拡大手段となり半導体基体と絶縁部
材の間の熱応力を緩和する手段となる金属部材と、絶縁
部材を一方の面にろう付けにより搭載し電気的不活性領
域かつ熱伝導路では熱中継手段または熱流拡大手段とな
り絶縁部材と自らの間の熱応力を緩和する手段となる支
持部材とからなる半導体装置において、金属部材または
支持部材の少なくとも一方が、無機質セラミックス粉末
が分散されたマトリックス金属で構成されている半導体
装置を提案するものである。

【００２５】無機質セラミックス粉末は、ＳｉＣ，Ａｌ
Ｎ，ＢｅＯ，ＢＮの群から選択された少なくとも１種か
らなり、マトリックス金属は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ
の群から選択された少なくとも１種からなる。

【００２６】ＳｉＣは、ＢｅＯ，ＢＮのいずれか一方を
含有し、ＡｌＮがＹ₂Ｏ₃，ＣａＯのいずれか一方を含有
してもよい。

【００２７】いずれの場合も、金属部材または支持部材
の表面を、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択された少なくとも１種の金
属、または、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択された少なくとも２種の金
属を含む合金により被覆できる。

【００２８】無機質セラミックス粉末の粒径は、３〜３
００μｍであることが望ましく、金属部材または支持部
材の熱膨張率と絶縁部材の熱膨張率との差は、±７×１
０~⁶/℃以下とすることが好ましい。金属部材または支
持部材の熱伝導率は、９０Ｗ/ｍ・Ｋ以上とする。

【００２９】絶縁部材は、ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮ，アル
ミナの群から選択された少なくとも１種からなる。さら
に、絶縁部材は、Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯの群から選択された少
なくとも１種を含有しているＡｌＮとすることができ
る。

【００３０】半導体基体は、金属部材上に複数個搭載し
てもよいが、金属部材の面積に対する半導体基体の占有
面積は、５０％以下とする。半導体基体としては、ＩＧ
ＢＴ素子またはダイオード素子等が考えられる。

【００３１】金属部材または支持部材と絶縁部材とは、
ろう付けにより一体化されており、ろう付けにより一体
化された領域が５００ｍｍ²以上１００００ｍｍ²以下の
面積を有する。

【００３２】これらの半導体装置は、５０Ｈｚ以上３０
ｋＨｚ以下の周波数で作動する。

【００３３】本発明は、また、上記目的を達成するため
に、半導体基体と、半導体基体を一方の面に搭載し電気
的に活性な領域では導電手段となり熱伝導路では熱中継
手段または熱流拡大手段となり半導体基体と自らの間の
熱応力を緩和する手段となる金属部材とからなる半導体
装置において、金属部材が、無機質セラミックス粉末が
分散されたマトリックス金属で構成されている半導体装
置を提案するものである。

【００３４】無機質セラミックス粉末は、ＳｉＣ，Ａｌ
Ｎ，ＢｅＯ，ＢＮの群から選択された少なくとも１種か
らなり、マトリックス金属が、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ
の群から選択された少なくとも１種からなる。

【００３５】ＳｉＣは、ＢｅＯ，ＢＮのいずれか一方を
含有し、ＡｌＮは、Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯのいずれか一方を含
有できる。

【００３６】金属部材の表面は、Ｎｉ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｓ
ｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択された少なく
とも１種の金属、または、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｓ
ｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択された少なく
とも２種の金属を含む合金により被覆してもよい。

【００３７】無機質セラミックス粉末の粒径は、３〜３
００μｍであることが望ましい。金属部材の熱伝導率
が、９０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

【００３８】半導体基体は、例えば、ＩＧＢＴ素子また
はダイオード素子であり、金属部材の面積に対する半導
体基体の占有面積は、５０％以下とする。

【００３９】本発明は、さらに、上記目的を達成するた
めに、半導体基体と、絶縁部材と、半導体基体を一方の
面に搭載し他方の面を絶縁部材にろう付けされ電気的に
活性な領域では導電手段となり熱伝導路では熱中継手段
または熱流拡大手段となり半導体基体と絶縁部材の間の
熱応力を緩和する手段となる金属部材と、絶縁部材を一
方の面にろう付けにより搭載し電気的不活性領域かつ熱
伝導路では熱中継手段または熱流拡大手段となり絶縁部
材と自らの間の熱応力を緩和する手段となる支持部材と
からなり、金属部材または支持部材の少なくとも一方
が、無機質セラミックス粉末が分散されたマトリックス
金属で構成されている半導体装置が、負荷に給電する電
気回路に組み込まれた電子装置を提案するものである。

【００４０】半導体装置は、回転装置に給電する電気回
路に組み込まれ、回転装置の回転速度を制御する。半導
体装置は、また、移動装置に回転装置とともに組み込ま
れ、移動装置の移動速度を制御する。回転装置に給電す
る電気回路は、インバータ回路であることもある。

【００４１】半導体装置は、流体を撹拌しまたは流動さ
せる装置に組み込まれ、被撹拌物または流動物の移動速
度を制御することもでき、物体を加工する装置に組み込
まれて、被加工物の研削速度を制御することも可能であ
る。半導体装置は、さらに、発光体に給電する電気回路
に組み込まれ、発光体の放出光量を制御してもよい。い
ずれの半導体装置も、５０Ｈｚ以上３０ｋＨｚ以下の周
波数で作動する。

【００４２】本発明は、上記目的を達成するために、半
導体基体と、半導体基体を一方の面に搭載し電気的に活
性な領域では導電手段となり熱伝導路では熱中継手段ま
たは熱流拡大手段となり半導体基体と自らの間の熱応力
を緩和する手段となる金属部材とからなり、金属部材
が、無機質セラミックス粉末が分散されたマトリックス
金属で構成されている半導体装置が、負荷に給電する電
気回路に組み込まれた電子装置を提案するものである。

【００４３】半導体装置が、回転装置に給電する電気回
路に組み込まれ、回転装置の回転速度を制御する。半導
体装置は、また、移動装置に回転装置とともに組み込ま
れ、移動装置の移動速度を制御する。回転装置に給電す
る電気回路は、インバータ回路であることもある。

【００４４】半導体装置は、流体を撹拌しまたは流動さ
せる装置に組み込まれ、被撹拌物または流動物の移動速
度を制御することもでき、物体を加工する装置に組み込
まれて、被加工物の研削速度を制御することも可能であ
る。半導体装置は、さらに、発光体に給電する電気回路
に組み込まれ、発光体の放出光量を制御してもよい。い
ずれの半導体装置も、５０Ｈｚ以上３０ｋＨｚ以下の周
波数で作動する。

【００４５】

【作用】本発明において、金属部材および／または支持
部材は、無機質セラミックス粉末が分散されたマトリッ
クス金属からなる。ここで無機質セラミックス粉末は、
熱伝導率が高く、熱膨張率が小さいという基準で選択さ
れる。具体的には、ＳｉＣ(熱膨張率：３.７×１０~ ⁶/
℃，熱伝導率：２７０Ｗ/ｍ・Ｋ)，ＡｌＮ(４.３×１０
~ ⁶/℃，１７０Ｗ/ｍ・Ｋ)，ＢｅＯ(７.５×１０~ ⁶/
℃，２６０Ｗ/ｍ・Ｋ)，ＢＮ(３.７×１０~ ⁶/℃，９０
Ｗ/ｍ・Ｋ)の群から選択された少なくとも１種が、好ま
しい材料として挙げられる。

【００４６】一方、マトリックス金属は、熱伝導率が高
く、電気抵抗率が低いという基準で選択される。具体的
には、Ａｌ(熱伝導率：２４０Ｗ/ｍ・Ｋ，電気抵抗率：
２.７×１０~ ⁶Ω・ｃｍ)，Ｃｕ(４０３Ｗ/ｍ・Ｋ，１.
７×１０~ ⁶Ω・ｃｍ)が、最も好ましい材料として挙げ
られ、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ(４２８Ｗ/ｍ・Ｋ，1.６２×１
０~ ⁶Ω・ｃｍ)，Ｎｉ(９４Ｗ/ｍ・Ｋ，７.２４×１０~
⁶Ω・ｃｍ)の群から選択された少なくとも１種が、好
ましい材料として挙げられる。

【００４７】以上の素材を複合させた金属部材は、それ
ぞれの素材が持つ欠点を互いに補完しあう。図１は、本
発明による金属部材の構造の一例を示す模式断面図であ
る。例えば、金属部材１０は、図１に示すように、無機
質セラミックス粉末１０Ｂをマトリックス金属１０Ａに
分散させて構成されている。

【００４８】図２は、金属部材の熱膨張率を示す図であ
り、図３は、金属部材の熱伝導率を示す図であり、図４
は、金属部材の抵抗率を示す図である。金属部材１０の
熱膨張率，熱伝導率，抵抗率等の物性値は、これらの図
に示すように、セラミックスとマトリックス金属との中
間の値になっている。ＡｌＮ粉末をＣｕマトリックス金
属に分散させた金属部材１０の場合は、熱伝導率：２０
０Ｗ/ｍ・Ｋ，抵抗率：１０~ ⁴Ω・ｃｍ(ＡｌＮの分散
比率：６５体積％)であり、Ｃｕの特長をあまり失うこ
となく、熱膨張率：６.６×１０~ ⁶/℃を半導体基体や
絶縁部材の熱膨張率に近似させることができる。

【００４９】また、金属部材１０が、ＳｉＣ粉末１０Ｂ
をマトリックス金属１０Ａに分散させて(ＳｉＣの分散
比率：６０体積％)構成されている場合、物性値は、熱
膨張率：７.６×１０~ ⁶/℃，熱伝導率：２６５Ｗ/ｍ・
Ｋ，抵抗率：９×１０~ ⁴Ω・ｃｍであり、熱伝導率が
高く抵抗率が低いＡｌの性質をあまり失うことなく、熱
膨張率を半導体基体や絶縁部材の熱膨張率に近似させる
ことができる。

【００５０】本発明の金属部材１０は、複合材でありな
がら、無機質セラミックス粉末１０Ｂが、マトリックス
金属１０Ａ中に均一に分散されているから、物性的に方
向性を持たない。

【００５１】無機質セラミックス粉末１０Ｂの粒径は、
できる限り小さいことが望ましい。粒径が小さいほど、
マトリックス金属中で均一に分散し、金属部材１０の物
性値を制御しやすくなる。しかし、過度に細かくなる
と、粉末１０Ｂ同士の２次凝集を生じ、分散が不均一に
なり、物性値の制御性が低下する。一方、粒径が大き過
ぎると、粉末１０Ｂの性質が強調され、マトリックス金
属の優れた熱伝導性や電気伝導性が消失したりする。こ
れらの現象や作業性を考慮すると、最も好ましい無機質
セラミックス粉末１０Ｂの粒径は、３〜３００μｍであ
る。

【００５２】従来技術におけるＭｏ板と銅板との一体化
物の代わりに、本発明による複合材としての金属部材１
０を用いると、次のような効果が得られる。

【００５３】ａ．金属部材１０の熱膨張率が半導体基体
の熱膨張率と近似しており、半導体基体を直接金属部材
１０にろう付けして搭載できる。このろう付け領域は、
熱疲労破壊を生じにくく、半導体装置の信頼性向上に寄
与する。金属部材１０と半導体基体との間に高価で熱伝
導性のあまり良くないＭｏのような熱膨張緩衝部材を介
在させる必要がなく、経済性および放熱性の点で有利で
ある。

【００５４】ｂ．金属部材１０は、物性的に方向性を持
たないので、従来のＭｏ板と銅板とをろう付けした一体
化物のように接着部に熱応力および熱歪が残留したり反
りのような変形を生ずることがなく、金属部材１０その
ものの破壊や変形が無い。

【００５５】また、金属部材１０の変形が無いため、無
機質絶縁基板との一体化部は、厚さが均一で空洞の無い
ろう層が形成される。ろう層の厚さの均一性は、熱疲労
破壊寿命の向上に寄与し、空洞のないことは、放熱性の
向上に寄与する。

【００５６】ｃ．金属部材１０の熱膨張率が小さく、無
機質絶縁基板(アルミナ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮ)の熱膨
張率と近似するから、金属部材１０と無機質絶縁基板と
の間のろう層に、熱応力および熱歪が残留しない。その
結果、金属部材１０と無機質絶縁基板との一体化物は、
反り等の変形も生じない。一体化物には残留熱応力およ
び熱歪がないため、半導体装置の稼動時や休止時の熱変
化に基づく応力および歪の重畳を受けても、ろう層の疲
労破壊による熱流路の遮断や絶縁基板の機械的破壊を生
じにくい。

【００５７】ちなみに、従来のＭｏ板および銅板をろう
付けした一体化物とアルミナ絶縁基板との間は、発熱源
としての半導体基体に近い側に位置しており、半導体装
置の稼動／休止に伴う熱変化量が大きい。このため、一
体化物とアルミナ絶縁基板との間のろう層では、熱疲労
破壊が促進されやすい。

【００５８】これに対して、本願発明の金属部材１０で
代替した場合は、このような疲労破壊が大幅に軽減され
る。また、絶縁基板の破壊を生じにくいことは、半導体
装置の正常動作の維持と安全性の確保に大きく寄与す
る。

【００５９】ｄ．金属部材１０とゲートおよびエミッタ
端子を設けるアルミナストリップとの熱膨張率が近似し
ており、金属部材１０とアルミナストリップとの間の一
体化部には、熱応力および熱歪の残留や変形を生じな
い。この間のろう層にも空隙が生じない。したがって、
アルミナストリップの破壊や端子の剥離が避けられて、
半導体装置の正常動作を確実に維持できる。ろう層に空
隙を生じないことは、確実にワイヤボンディングする上
で有利となる。

【００６０】ｅ．金属部材１０は熱伝導性が高いから、
発熱の著しい半導体基体から絶縁基板に至る熱流路にあ
って、金属部材１０に熱流を拡散させて広げる役割を担
う。このことは、半導体装置全体の放熱性を高めるのに
有効である。

【００６１】ｆ．金属部材１０は電気伝導性も十分であ
り、半導体装置の主電流路内の電力損失を軽減できる。

【００６２】ｇ．金属部材１０が軽量化されているの
で、モジュール装置全体の軽量化に寄与する。

【００６３】複合材としての金属部材１０の構成は、銅
支持部材の代わりに適用できる。この複合材としての支
持部材(後述の図５の支持部材１２５)も、マトリックス
金属１２５Ａ中に無機質セラミックス粉末１２５Ｂが分
散されている。この場合、次の効果が得られる。

【００６４】ｈ．支持部材１２５の熱膨張率が小さく、
無機質絶縁基板(アルミナ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮ)のそ
れと近似しており、支持部材１２５と無機質絶縁基板と
の間のろう層には、熱応力および熱歪は残留しない。支
持部材１２５と無機質絶縁基板との一体化物は反り等の
変形も生じない。一体化物には残留熱応力および熱歪が
ないため、半導体装置の稼動／休止の熱変化に基づく応
力や歪の重畳を受けても、ろう層の疲労破壊による熱流
路の遮断や絶縁基板の機械的破壊を生じにくい。この点
は、絶縁基板から支持部材１２５に至る積層構造体の信
頼性維持に寄与する。

【００６５】ｉ．無機質絶縁基板と支持部材１２５の熱
膨張率が近似しており、これらの一体化物には、反りを
生じない。したがって、半導体装置から冷却フィンに至
る経路の放熱性が損なわれることはない。また、半導体
装置を冷却フィン上にネジ締め搭載する際に、無機質絶
縁基板の破損を生ずることはない。これらの点も、半導
体装置の電気的および熱的機能の維持と、安全性の確保
に有効である。

【００６６】ｊ．支持部材１２５が軽量化されているの
で、モジュール装置全体の軽量化が可能となる。

【００６７】ｋ．支持部材１２５は高い熱伝導性が付与
されているから、発熱の著しい半導体基体から絶縁基板
を経て支持部材に至る熱流路にあって、支持部材１２５
に熱流を拡散させて広げる役割を担わせることが可能で
ある。このことは、半導体装置全体の放熱性を高めるの
に有利となる。

【００６８】このように、本発明による半導体装置は、
製造時または運転時に生ずる熱応力および熱歪を軽減で
き、各部材の変形，変性，破壊の恐れがなく、信頼性が
高まる。その結果、この半導体装置を利用した電子装置
の信頼性も高くなる。

【００６９】

【実施例】次に、図５〜図２０を参照して、本発明によ
る半導体装置および電子装置の実施例を説明する。

【００７０】《実施例１》図５は、本発明による半導体
装置の一実施例の構造を示す斜視図であり、図６は、図
５の半導体装置の回路の一例を示す図である。図５およ
び図６に示した実施例は、半導体基体を搭載され、電気
的に活性な領域にあっては導電機能を果たし、熱伝導路
にあっては熱中継機能または熱流拡大機能を果たし、半
導体基体または絶縁部材との間の熱応力を緩和する機能
を兼ねる金属部材に本発明を適用した半導体装置とそれ
を用いた電子装置に関する。

【００７１】図５において、金属部材１０は、寸法が２
５ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍの複合金属であり、熱膨張
率：６.５×１０~ ⁶/℃，熱伝導率：２６０Ｗ/ｍ・Ｋ，
電気抵抗率：４.５×１０~ ⁴Ω・ｃｍ，密度３.１：ｇ/
ｃｍ³という物性値を示している。これらの物性値は、
方向性を持たない。このような性質を得るため、金属部
材１０は、ＳｉＣ焼結体粉末１０２が、Ａｌからなるマ
トリックス金属１０Ａに６５体積％分散されている。Ｓ
ｉＣ焼結体粉末１０Ｂは、ＢｅＯが１.５ｗｔ％添加さ
れており、ホットプレス法により１７００℃で焼結した
後、粒径７０μｍ以下に粉砕されたものである。Ａｌ地
金を真空電気炉において７００℃で溶解した後、ＳｉＣ
粉末１０Ｂを溶融Ａｌに添加して撹拌し、ダイキャスト
金型に鋳込み、上記寸法に成形した。この成形体には、
Ｃｒめっきに引き続いて、Ｎｉを約４μｍの厚さに電解
めっきした。粉末１０ＢにＢｅＯを添加したＳｉＣを用
いているのは、ＳｉＣに２７０Ｗ/ｍ・Ｋと極めて高い
熱伝導率が付与され、金属部材１０の高熱伝導化に有効
だからである。ＢｅＯの代替物質としては、ＢＮが挙げ
られ、ＢＮを用いても、ＢｅＯを添加した場合と同様
に、高熱伝導化できる。

【００７２】こうして得られた金属部材１０について、
−５５〜＋１５０℃の温度サイクル試験を実施した。こ
の試験を１０００回与えた後に、物性値を測定したが、
熱膨張率：６.３×１０~ ⁶/℃，熱伝導率：２６５Ｗ/ｍ
・Ｋ，電気抵抗率：４.５×１０~ ⁴Ω・ｃｍ，密度３.
１：ｇ/ｃｍ³となり、初期値とほとんど同じであり、方
向性もないことが確認された。また、金属部材１０の寸
法変化や変形は、全く観測されなかった。

【００７３】ＩＧＢＴ素子を搭載した２０００Ｖ，７５
Ａ級の半導体装置９００に上記金属部材１０を適用し
た。図５は、この半導体装置９００の要部の構造を示す
斜視図である。銅支持部材(Ｎｉめっき：３μｍ、４０
ｍｍ×９５ｍｍ×３ｍｍ)１２５上に、図示を省略した
厚さ：２００μｍのＰｂ−５０ｗｔ％Ｓｎろう１２４に
より、３１ｍｍ×６０ｍｍ×０.６３ｍｍのＡｌＮ絶縁
基板１２２が接着されている。絶縁基板１２２上には、
図示を省略した厚さ：２００μｍのＰｂ−５０ｗｔ％Ｓ
ｎろう１２３により、金属部材１０が２個並べて接着さ
れている。金属部材１０には、図示を省略した厚さ：２
００μｍのＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.
０５ｗｔ％Ｐろう１１３により、ＩＧＢＴ素子(１３ｍ
ｍ×１３ｍｍ×０.３ｍｍ)１０１とダイオード素子(１
０ｍｍ×１０ｍｍ×０.３ｍｍ)１０１Ａとが接着されて
いる。各素子１０１，１０１Ａには、直径：５５０μｍ
のＡｌ線１１７を用いて、ワイヤボンディングにより、
エミッタ電極１３ｂ，ゲート電極１３ｃが接続されてい
る。銅ストリップからなるこれら電極１３ｂ，１３ｃ
は、図示を省略した厚さ：２００μｍのＳｎ−５ｗｔ％
Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐろう層１３Ａ
により、３ｍｍ×２３ｍｍ×２ｍｍのアルミナストリッ
プ１１４に接着されている。アルミナストリップ１１４
は、図示を省略した同じろう材１４Ａにより、金属部材
１０に接着されている。

【００７４】このような構造の半導体装置９００におい
て、ＡｌＮ絶縁基板１２２は、焼結助材としてのＹ₂Ｏ₃
を約５ｗｔ％添加し、焼結体の緻密化と高熱伝導化とを
達成してある。焼結助材としては、Ｙ₂Ｏ₃の代りに、Ｃ
ａＯを用いてもよい。ＡｌＮ絶縁基板１２２の両主面に
は、Ｍｏ・Ｍｎメタライズ層が形成され、この層の表面
には、Ｎｉめっき層が形成されている。

【００７５】金属部材１０は、コレクタ電極１３ａの役
目を果たす。コレクタ電極１３ａ，エミッタ電極１３
ｂ，ゲート電極１３ｃには、それぞれ外部端子１１６，
１１６Ａや中継端子１２６が設けられ、さらに、各素子
１０１，１０１Ａ，金属部材１０等が外気から完全に遮
断されるように、図示を省略したエポキシ系樹脂製ケー
スを配置し、このケース内にシリコーンゲルやエポキシ
系樹脂を充填し、硬化させて、半導体装置９００を得
た。

【００７６】図６は、本発明による半導体装置の回路の
一例を示す図である。

【００７７】この半導体装置９００は、例えば、図６に
示す回路構成である。本実施例との比較用として、金属
部材１０を同寸法の銅板に置き換え、半導体基体搭載部
に先行技術例と同様にＭｏを設け、ＡｌＮ絶縁基板１２
２を同寸法のアルミナ絶縁基板に置き換えた試料も作製
した。半導体装置９００は、最終的に、図７に示す電動
機９５０の回転数制御用インバータ装置に組み込まれ
た。

【００７８】図７は、半導体装置が組込まれたインバー
タ装置の回路の一例を示す図である。半導体装置９００
のＩＧＢＴ素子１０１と銅支持部材１２５との間の熱抵
抗Ａは、０.２℃/Ｗとなり、比較用試料の熱抵抗Ｂの
０.４２℃/Ｗよりも低い値が得られた。

【００７９】低熱抵抗となった第１の要因は、熱流路を
金属部材１０やＡｌＮ絶縁基板１２２等の高熱伝導性部
材で構成したことと、熱膨張率差緩衝部材を省略して簡
素な積層構造を採用できたことである。

【００８０】低熱抵抗となった第２の要因は、絶縁基板
１２２から半導体基体１０１，１０１Ａに至る積層体の
変形を低減できたために、(銅支持部材１２５)−(絶縁
基板１２２)−(金属部材１０)間のろう付け接着部にお
ける気泡等の欠陥が低減されたことである。(半導体基
体１０１,１０１Ａ)−(金属部材１０)−(絶縁基板１２
２)の積層一体化物を形成した段階での反り量すなわち
腹の高さは、最大５０μｍであった。この数値は、比較
試料の(半導体基体)−(銅板)−(絶縁部材)の積層一体化
物の３００μｍより大幅に小さい値である。

【００８１】本実施例において、半導体装置の熱抵抗
は、比較試料と同等の０.４２℃/Ｗまでは許される。こ
の熱抵抗を得るために必要な金属部材１０の熱伝導率
は、９０Ｗ/ｍ・Ｋ以上である。このような熱伝導率は、
図２を参照すると、マトリックス金属がＣｕおよびＡｌ
であり、無機質セラミックス粉末がＳｉＣ,ＢｅＯ,Ａｌ
Ｎ,ＢＮである場合は、任意のセラミックス粉末量で得
られる。

【００８２】図８は、間欠通電試験による熱抵抗の推移
を示す図である。半導体装置９００に間欠通電し、支持
部材１２５の温度を３０〜１００℃間で繰返し変化させ
る試験を実施した。本実施例の半導体装置の熱抵抗Ａ
は、３００００回まではほとんど変動を示さず、４００
００回に至って０.２５℃/Ｗとわずかに上昇している。
しかし、この程度の熱抵抗上昇は、半導体装置９００の
機能に支障を及ぼす上昇ではない。

【００８３】これに対して、比較試料の熱抵抗Ｂは、試
験回数が増えるにつれて顕著な上昇を示し、１００００
回では初期値の２倍以上に達している。このように、本
実施例半導体装置９００は、比較試料よりも格段に安定
して優れた放熱性を維持している。比較試料が早期に放
熱性の低下を生じた主な原因は、半導体基体とＭｏ板と
の間のろう層ではなく、半導体基体搭載部にＭｏを設置
した銅板とアルミナ絶縁基板との間におけるろう層の熱
疲労破壊であった。その原因は、銅板とアルミナ絶縁基
板との熱膨張率が大幅に異なることと、Ｍｏを搭載した
銅板の変形が著しいことである。

【００８４】これに対して、本実施例の半導体装置９０
０が優れた信頼性を示した最大の理由は、金属部材１０
と半導体基体１０１,１０１Ａとの間の熱膨張率差がほ
とんどないため、ろう１１３に過大な熱応力や熱歪が作
用せず、このろうの熱疲労破壊が避けられたことであ
る。

【００８５】また、金属部材１０の熱膨張率が絶縁基板
１２２の熱膨張率と近似しているので、ろう１２３に作
用する熱応力や熱歪が軽減されたこと、積層一体化物の
反り量が少ないため、絶縁基板１２２と支持部材１２５
との間のろう層１２４に極端に薄い部分がないことも、
熱抵抗の変動が少なく信頼性が向上した理由である。

【００８６】図９は、金属部材と絶縁部材との間の熱膨
張率差と熱抵抗変化率との関係を示す図である。ここで
得たデータは、試料に上記と同様の間欠通電試験を３０
０００回施した試験の前後における熱抵抗の変化を示し
ている。用いた絶縁部材の種類に関係なく、また、用い
た金属部材の構成には関係なく、熱膨張率差が大きくな
ると、熱抵抗変化を生じやすく、特に熱膨張率差が７×
１０~ ⁶℃を越えた場合に顕著に生じている。このこと
は、ろう層１２３の高信頼化には、熱膨張率差を７×１
０~ ⁶℃以下になるように調整する必要があることを示
唆している。

【００８７】上記間欠通電試験では、金属部材１０と支
持部材１２５との間の電気絶縁性，金属部材１０とエミ
ッタ電極１３ｂとの間の電気絶縁性，ゲート電極１３ｃ
間の電気絶縁性を追跡した。この結果、４００００回の
試験後における絶縁耐圧(周波数：６０Ｈｚ)は７ｋＶ以
上であり、初期値と同等の値が維持され、絶縁基板１２
２の破壊による耐圧劣化は観測されなかった。この効果
も、上述と同様に、金属部材１０が絶縁基板１２２やス
トリップ１１４と近似した熱膨張率であるために、これ
らの部材に過大な熱応力や熱歪が作用しないから得られ
るのである。

【００８８】図１０は、接着面積と温度サイクル印加後
の故障発生率との関係を示す図である。本実施例によれ
ば、比較試料に比べて、放熱性を実質上犠牲にせず、信
頼性を向上させることができた。この効果は、絶縁基板
１２２の面積したがって金属部材１０の面積すなわち比
較試料における銅板の面積が大きくなるほど顕著であっ
た。図１０は、本実施例の半導体装置の(絶縁基板１２
２)−(金属部材１０)間の接着面積に対する温度サイク
ル印加後の故障発生率Ａと、比較試料の半導体装置Ｂの
(アルミナ絶縁基板)−(銅板)間の接着面積に対する温度
サイクル印加後の故障発生率Ｂとを示す図である。温度
サイクルは−５５〜＋１５０℃の範囲で５００回与え
た。

【００８９】図１０によれば、接着面積が約５００ｍｍ
²までは、本実施例Ａ，比較例Ｂともに故障発生率は０
％である。５００ｍｍ²を越えると、比較例Ｂでは加速
的に故障発生率が増加するのに対して、本実施例Ａでは
７０００ｍｍ²までは０％が維持されている。ここでい
う故障とは、主としてろう層１２３に生じるクラックま
たは部分的剥離のことである。

【００９０】図１１は、スイッチング周波数と半導体素
子すなわちＩＧＢＴ素子の発熱温度との関係を示す図で
ある。

【００９１】本実施例の半導体装置９００を組み込んだ
図７のインバータ装置を用いて、電動機９５０の回転数
制御を試みた。スイッチング損失は、周波数を増すにつ
れ増えるが、商用電源の５０から３０ｋＨｚまでの間で
は、素子１０１が安定して動作する温度の１２５℃を越
えることはなかった。この間、電動機９５０は特別な異
常を伴わずに作動した。

【００９２】なお、本実施例の半導体装置９００には密
度が３.１：ｇ/ｃｍ³と小さい金属部材１０が採用され
ているので、装置９００の重量が軽減されている。

【００９３】インバータ装置および電動機９５０は、電
気自動車にその動力源として組み込まれた。この自動車
においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化で
きたので、ギヤーの噛み込み比率の違いにより変速して
いた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され
た。さらに、この自動車は、０〜２５０ｋｍ/ｈの範囲
でスムーズな走行が可能であったほか、動力源を源とす
る振動や騒音の面でも、従来の気筒型エンジンを搭載し
た自動車の約１/２に軽減できた。

【００９４】以上では、Ａｌマトリックス金属そしてＳ
ｉＣセラミックス粉末からなる金属部材を用いた場合に
ついて説明した。しかし、金属部材がＡｌマトリックス
金属にＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮから選択されるいずれかの
セラミックス粉末を分散した物であっても、前記と同様
の作用および効果が得られる。

【００９５】《実施例２》本実施例では、Ｃｕマトリッ
クス金属とＡｌＮセラミックス粉末からなり、導電機
能，熱中継または熱流拡大機能，熱応力緩和機能を兼ね
備えた半導体基体搭載用金属部材を採用した半導体装置
およびこれを電子装置に適用した例を説明する。

【００９６】金属部材１０は、前記実施例１と同じ寸法
であり、熱膨張率：６.５×１０~ ⁶/℃，熱伝導率：２
１５Ｗ/ｍ・Ｋ，電気抵抗率：９.０×１０~ ⁵Ω・ｃ
ｍ，密度５.５：ｇ/ｃｍ³なる物性値(ＡｌＮ粉末の分散
量：６０体積％)を有している。これらの物性値は方向
性を持っていない。以上の性質を得るために、金属部材
１０は、マトリックス金属としてのＣｕ１０ＡにＡｌＮ
焼結体粉末１０Ｂが分散されている。ＡｌＮ粉末１０Ｂ
は、Ｙ₂Ｏ₃が焼結助材および高熱伝導化のために５ｗｔ
％添加されており、常圧焼結法で１７００℃で焼結した
後、粒径５０μｍ以下に粉砕されたものである。粒径３
０μｍ、純度９９.９９％のＣｕ粉末と上記ＡｌＮ粉末
１０Ｂをバインダーとともに混合した後成形し、この成
形体を真空中で１０００℃，１００ＭＰａのもとで加圧
熱処理し、上記寸法の成形体を得た。この成形体には、
Ｎｉを厚さ約４μｍに電解めっきした。ここで、粉末１
０ＢにＹ₂Ｏ₃を添加したＡｌＮを用いているのは、この
粉末１０Ｂに１９０Ｗ/ｍ・Ｋと高い熱伝導率を付与
し、金属部材１０の高熱伝導化を図るためである。金属
部材１０の高熱伝導化および低熱膨張化を図る目的のも
とでは、粉末１０ＢとしてＣａＯを助材にして焼結した
ＡｌＮを用いることが許される。

【００９７】以上の手順を経て得られた金属部材１０
に、−５５〜＋１５０℃の温度サイクル試験を施した。
この試験を１０００回与えた後、物性値を測定したが、
熱膨張率：６.３×１０~ ⁶/℃，熱伝導率：２１０Ｗ/ｍ
・Ｋ，電気抵抗率：９.０×１０~ ⁵Ω・ｃｍ，そして密
度５.５：ｇ/ｃｍ³と、上記初期値とほとんど同じであ
り、方向性もないことが確認された。また、金属部材１
０の寸法変化や変形は全く観測されなかった。

【００９８】本実施例２の金属部材１０は、実施例１の
半導体装置９００における金属部材１０の代替物として
適用された。これ以外の構成は、実施例１と同様であ
る。また、比較用として、金属部材１０を同寸法の銅板
そしてＡｌＮ絶縁基板１２２を同寸法のアルミナ絶縁基
板に置き換えた試料も作製した。半導体装置９００は最
終的に、図７に示した電動機９５０の回転数制御用イン
バータ装置に組み込まれた。

【００９９】半導体装置９００のＩＧＢＴ素子１０１−
銅支持板１２５間の熱抵抗は、０.２５℃/Ｗと、比較用
試料の０.４２℃/Ｗより低い値が得られた。低熱抵抗化
された第１の要因は、熱流路を金属部材１０やＡｌＮ絶
縁基板１２２等の高熱伝導性部材で構成したこと、およ
び、熱膨張率差緩和部材を除外して簡素な積層構造をと
り得たことである。第２の要因は、絶縁基板１２２から
半導体基体１０１，１０１Ａに至る積層体の変形を低減
できたため、(銅支持板１２５)−(絶縁基板１２２)−
(金属部材１０)間のろう付け接着部における気泡等の欠
陥が低減されたことである。(半導体基体１０１，１０
１Ａ)−(金属部材１０)−(絶縁基板１２２)の積層一体
化物を形成した段階での反り量(腹の高さ)は、最大４０
μｍであった。この数値は、比較試料の半導体基体−銅
板−絶縁部材の積層一体化物の３００μｍよりも大幅に
小さい。

【０１００】また、半導体装置９００に実施例１と同様
の間欠通電試験を施した。この試験を４００００回施し
た後の熱抵抗は０.２９℃/Ｗとわずかに上昇したが、比
較試料の１００００回における０.９５℃/Ｗと比べると
格段に優れた信頼性を有している。これは、(１)金属部
材１０と半導体基体１０１，１０１Ａ間の熱膨張率差が
ほとんどないため、ろう１１３に過大な熱応力や熱歪が
作用せず、同ろうの熱疲労破壊が避けられたこと、(２)
金属部材１０の熱膨張率が絶縁基板１２２と近似したた
め、ろう１２３に作用する熱応力や熱歪が軽減されたこ
と、そして、(３)上述の積層一体化物の反り量が少ない
ため、絶縁基板１２２−支持板１２５間のろう層１２４
に極端に薄い部分や空隙を有していないことに基づく。

【０１０１】上記間欠通電試験では、(金属部材１０)−
(支持板１２５)間の電気絶縁性、そして、(金属部材１
０)−(エミッタ電極１３ｂ，ゲート電極１３ｃ)間の電
気絶縁性を追跡した。この結果、４００００回の試験後
における絶縁耐圧(周波数：６０Ｈｚ)は７ｋＶ以上と、
初期値と同等の値が維持され、絶縁基板１２２の破壊に
よる耐圧劣化は観測されなかった。この効果も、実施例
１と同様に、金属部材１０が絶縁基板１２２やストリッ
プ１１４と近似した熱膨張率を有しているため、これら
の部材に過大な熱応力や熱歪が作用しないことによる。

【０１０２】本実施例２によれば、放熱性を実質上犠牲
にせずに信頼性を高めることができた。この効果は、絶
縁基板１２２の面積，金属部材１０の面積が大きくなる
ほど顕著であった。例えば、本実施例構造の場合は、−
５５〜＋１５０℃の温度サイクル試験８００回のもとで
は、(絶縁基板１２２)−(金属部材１０)間接着面積が１
００００ｍｍ²に達しても故障発生率は０％であった。
ここでいう故障も、主としてろう層１２３に生じるクラ
ックまたは部分的剥離のことである。

【０１０３】本実施例の半導体装置９００を組み込んだ
図７のインバータ装置を用いて、電動機９５０の回転数
制御を試みた。この結果、半導体装置９００のスイッチ
ング損失は周波数を増すにつれ増加したものの、５０Ｈ
ｚ〜３０ｋＨｚの間では素子１０１の温度は１２５℃を
越えることはなかった。この間、電動機９５０は特別な
異常を生ずることなく作動した。

【０１０４】また、上記インバータ装置および電動機
は、電気自動車にその動力源として組み込まれた。この
自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡
素化できたため、ギヤーの噛み込み比率の違いにより変
速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽
減された。さらに、この自動車は、０〜２５０ｋｍ/ｈ
の範囲でスムーズな走行が可能であったほか、動力源を
源とする振動や騒音の面でも、従来の気筒型エンジンを
搭載した自動車の１/２以下に軽減できた。

【０１０５】以上では、Ｃｕマトリックス金属そしてＡ
ｌＮセラミックス粉末からなる金属部材を用いた場合に
ついて説明した。しかし、金属部材がＣｕマトリックス
金属にＳｉＣ，ＢｅＯ，ＢＮから選択されるいずれかの
セラミックス粉末を分散した物であっても、前記と同様
の作用および効果が得られる。

【０１０６】また、本実施例における銅支持板１２５
は、熱膨張率がＡｌＮ絶縁基板１２２と近似した他の複
合材料、例えば、Ｃｕ−インバール−Ｃｕ構造のクラッ
ド材，Ｃｕ−炭素繊維またはＡｌ−炭素繊維複合材，Ｃ
ｕ−ダイヤモンド繊維複合材，炭素−炭素繊維複合材，
Ｍｏ，Ｗにより必要に応じて代替してもよい。これらの
材料を用いた場合は、(支持板１２５)−(絶縁基板１２
２)間のろう層１２４の熱疲労破壊耐量を大幅に向上さ
せることができる。このことは、半導体装置９００の信
頼性を飛躍的に向上させるのに役立つ。

【０１０７】《実施例３》本実施例では、実施例１にお
いて、金属部材を絶縁基板を介装してろう付け搭載し、
電気的不活性領域かつ熱伝導路にあって熱中継または熱
流拡大の機能、そして絶縁部材との間の熱応力緩和機能
を兼備した支持部材を適用した半導体装置およびこれを
電子装置に用いた例について説明する。

【０１０８】支持部材１２５は、前記実施例１における
金属部材１０と同じ物性値を有し、寸法４０ｍｍ×９５
ｍｍ×３ｍｍ(Ｎｉめっき：３μｍ)に成形されている。
これらの物性値は方向性を持っていない。

【０１０９】支持部材１２５単体には、−５５〜＋１５
０℃の温度サイクル試験が施された。この試験を１００
０回与えた後物性値を測定したが、熱膨張率：６.５×
１０~⁶/℃，熱伝導率：２６０Ｗ/ｍ・Ｋ，電気抵抗率：
４.５×１０~ ⁴Ω・ｃｍ，そして密度３.１：ｇ/ｃｍ³
と、初期値とほとんど同じであり、方向性もないことが
確認された。この際、支持部材１０の寸法変化や変形は
全く観測されなかった。また、寸法１１０ｍｍ×１５０
ｍｍ×５ｍｍ(Ｎｉめっき：３μｍ)の部材１２５にも同
様の温度サイクル試験を施したが、寸法，形状，物性値
の変化は観測されなかった。このように、部材１２５は
寸法が大幅に大きくなっても、その性質は安定に維持さ
れる。

【０１１０】支持部材１２５は、ＩＧＢＴ素子を搭載し
た２０００Ｖ，７５Ａ級の半導体装置９００に適用され
た。作製された半導体装置９００の要部構造および部品
構成は、支持部材１２５以外には図５と同様である。支
持部材１２５上に、３１ｍｍ×６０ｍｍ×０.６３ｍｍ
のＡｌＮ絶縁基板１２２が、Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｓｎろう
１２４(厚さ：２００μｍ)により接着され、絶縁基板１
２２上には前記実施例１と同様の金属部材１０が２個並
んでＰｂ−５０ｗｔ％Ｓｎろう１２３(厚さ：２００μ
ｍ)により接着され、金属部材１０にはＩＧＢＴ素子１
０１がダイオード素子１０１ＡとともにＳｎ−５ｗｔ％
Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐろう１１３
(厚さ：２００μｍ)により接着されている。各素子１０
１，１０１ＡにはＡｌ線(直径：５５０μｍ)１１７によ
るワイヤボンディングが施され、エミッタ電極１３ｂ，
ゲート電極１３ｃに接続されている。銅ストリップから
なるこれらの電極１３ｂ，１３ｃは、アルミナストリッ
プ１１４にろう層(Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎ
ｉ−０.０５ｗｔ％Ｐ，厚さ：２００μｍ)１３Ａにより
接着され、アルミナストリップ１１４は同じろう材１４
Ａにより金属部材１０に接着されている。

【０１１１】この半導体装置９００は、図６に示したよ
うな回路を構成している。金属部材１０は、コレクタ電
極１３ａを担う。コレクタ電極１３ａ，エミッタ電極１
３ｂ，ゲート電極１３ｃには、それぞれ外部端子１１
６，１１６Ａや中継端子１２６が設けられ、さらに各素
子１０１，１０１Ａ，金属部材１０等が外気から完全に
遮断されるように、エポキシ系樹脂製ケースを設けると
ともに同ケース内にシリコーンゲルやエポキシ系樹脂を
充填，硬化させて半導体装置９００を得た。なお、本実
施例では比較用として、金属部材１０を同寸法の銅板
(半導体基体搭載部に先行技術例と同様にＭｏを設けて
いる)そしてＡｌＮ絶縁基板１２２を同寸法のアルミナ
絶縁基板，そして支持部材１２５を同寸法の銅支持板に
置き換えた試料も作製した。半導体装置９００は、最終
的に、図７に示す電動機９５０の回転数制御用インバー
タ装置に組み込まれた。

【０１１２】半導体装置９００の(ＩＧＢＴ素子１０１)
−(支持部材１２５)間の熱抵抗は０.３℃/Ｗと、比較試
料の熱抵抗０.４２℃/Ｗより低い値が得られた。低熱抵
抗化が図られたのは、(１)熱流路を金属部材１０やＡｌ
Ｎ絶縁基板１２２等の高熱伝導性部材で構成したこと、
(２)熱膨張率差緩和部材を除外して簡素な積層構造をと
り得たこと、(３)絶縁基板１２２から半導体基体１０
１，１０１Ａに至る積層体の変形を低減できたため、
(銅支持板１２５)−(絶縁基板１２２)−(金属部材１０)
間のろう付け接着部における気泡等の欠陥が低減された
こと、(４)熱流路を構成する支持部材１２５を高熱伝導
性部材で構成したこと、(５)絶縁基板１２２から支持部
材１２５に至る積層体の変形を低減できたため、この間
のろう付け接着部における気泡等の欠陥が低減されたこ
とに基づく。

【０１１３】本実施例において、半導体装置９００は、
放熱性の観点では比較試料の熱抵抗(０.４２℃/Ｗ)と同
等以下であることが許される。この仕様を満たすために
は、支持部材の熱伝導率は９０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であるこ
とが必要である。図２を参照すると、マトリックス金属
がＣｕおよびＡｌであり、無機質セラミックス粉末がＳ
ｉＣ，ＢｅＯ，ＡｌＮ，ＢＮである組合せの場合には、
任意の粉末量でのこのような熱伝導率が得られる。

【０１１４】(半導体基体１０１，１０１Ａ)−(金属部
材１０)−(絶縁基板１２２)−(支持部材１２５)構成の
積層一体化物を形成した段階での反り量(腹の高さ)は、
最大３０μｍであった。これは、比較試料の(半導体基
体)−(銅板)−(絶縁部材の積層)の一体化物の４００μ
ｍより大幅に小さい。これは、半導体装置９００を冷却
フィンに取り付ける際に熱伝道路が遮断されるのを防止
するのに役立つとともに、取り付ける際のネジ締めによ
る半導体装置９００の構成部品の破損を防止するのに寄
与する。

【０１１５】図１２は、間欠通電試験による熱抵抗の推
移を示す図である。半導体装置９００には間欠通電し、
支持部材１２５の温度を３０〜１００℃間で繰返し変化
させた。熱抵抗は６００００回までの試験でほとんど変
動を示していない。このように、本実施例の半導体装置
９００は、図８に示した比較試料Ｂの推移に比べて、格
段に安定して優れた放熱性を維持している。比較試料が
早期に放熱性の低下を生じた主な原因は、半導体基体搭
載部にＭｏを設置してある銅板とアルミナ絶縁基板との
間におけるろう層の熱疲労破壊に加えて、アルミナ絶縁
基板と銅支持板間とのろう層の熱疲労破壊が生じたため
であった。特に、後者は、銅支持板とアルミナ絶縁基板
との熱膨張率が大幅に異なること、および、銅支持板の
変形が著しいことによる。本実施例の半導体装置９００
が優れた信頼性を示した最大の理由は、実施例１と同様
の作用，効果に加えて、支持部材１２５の熱膨張率が絶
縁基板１２２と近似したため、ろう１２４に作用する熱
応力や熱歪が軽減されたこと、そして、上述の積層一体
化物の反り量が少ないため、(絶縁基板１２２)−(支持
部材１２５)間のろう層１２４に極端に薄い部分を持っ
ていないことである。

【０１１６】図１３は、支持部材と絶縁部材との間の熱
膨張率差と熱抵抗変化率との関係を示す図である。本実
施例では、支持部材１２５と絶縁部材１２２の間の熱膨
張率差の信頼性に対する影響を調べた。ここで得たデー
タは、試料に上述と同様の間欠通電による熱疲労試験を
３００００回施し、試験の前後における熱抵抗変化を示
している。用いた絶縁部材の種類や支持部材の構成には
関係なく、熱抵抗変化は熱膨張率差が大きくなると生じ
やすく、特に熱膨張率差が７×１０~ ⁶℃を越えた場合
に顕著に生じている。このことは、ろう層１２４の高信
頼化のためには、熱膨張率差を７×１０~ ⁶/℃以下にな
るように調整する必要があることを示唆している。

【０１１７】図１４は、接着面積と温度サイクル印加後
の故障発生率との関係を示す図である。本実施例によれ
ば、比較試料に比べて、放熱性を実質上犠牲にせずに信
頼性を向上させることができた。この効果は、絶縁基板
１２２の面積、したがって支持部材１２５の面積(比較
試料における銅支持板の面積)が大きくなるほど顕著で
あった。図１４は、本実施例構造Ａの半導体装置の(絶
縁基板１２２)−(支持部材１２５)間接着面積および比
較試料構造Ｂの半導体装置の(アルミナ絶縁基板)−(銅
支持板)間接着面積と温度サイクル印加後の故障発生率
との関係を示すグラフである。温度サイクルは−５５〜
＋１５０℃のもとで１０００回与えた。

【０１１８】図１４によれば、接着面積が約３００ｍｍ
²までは、試料Ａ，Ｂともに故障発生率は０％である。
３００ｍｍ²を越えると、比較試料構造Ｂでは加速的に
故障発生率が増加するのに対して、本実施例構造Ａでは
５００００ｍｍ²までは０％が維持されている。なお、
ここでいう故障とは、主としてろう層１２５に生じるク
ラック、または部分的剥離のことである。このように本
実施例の場合は、温度サイクル数が１０００回と多いに
もかかわらず、前記実施例１の場合より大面積の領域ま
で故障を生じていない。これは、金属部材１０と支持部
材１２５の熱膨張率が近似していて、絶縁基板１２２を
これらによりサンドウイッチ状に挟んだ一体化物の応力
バランスがとれていることによる。

【０１１９】なお、本実施例の半導体装置９００には密
度が３.１：ｇ/ｃｍ³と小さい金属部材１０および支持
部材１２５が適用されているため、装置９００の重量が
大幅に低減されている。

【０１２０】本実施例の半導体装置９００を組み込んだ
図７のインバータ装置を用いて、電動機９５０の回転数
制御を試みた。この結果、半導体装置９００のスイッチ
ング損失は周波数を増すにつれ増加したものの、５０Ｈ
ｚ〜３０ｋＨｚの間では素子１０１の温度は１２５℃を
越えることはなかった。この間、電動機９５０は特別な
異常を生ずることなく作動した。

【０１２１】また、上記のインバータ装置および電動機
は、電気自動車にその動力源として組み込まれた。この
自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡
素化できたため、ギヤーの噛み込み比率の違いにより変
速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽
減された。さらに、この自動車は、０〜２５０ｋｍ/ｈ
の範囲でスムーズな走行が可能であったほか、動力源を
源とする振動や騒音の面でも従来の気筒型エンジンを搭
載した自動車の１/２以下に軽減できた。

【０１２２】《実施例４》本実施例では、実施例３と同
様の部材構成をとり、多数個の半導体基体が密集して搭
載された半導体装置とそれを用いた電子装置について説
明する。

【０１２３】本実施例の金属部材(６２ｍｍ×８０ｍｍ
×２ｍｍ、Ｎｉめっき：５μｍ)１０および支持部材１
２５は、前記実施例３と同様の材料から構成されてい
る。金属部材１０はＡｌＮ絶縁基板(６８ｍｍ×８６ｍ
ｍ×０.６３ｍｍ)１２２上に、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−
０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐろう(厚さ：２００
μｍ)１２３により搭載され、これらのアッセンブリ
は、支持部材１２５(９５ｍｍ×１１０ｍｍ×５ｍｍ)に
Ｐｂ−６０ｗｔ％Ｓｎろう(厚さ：２００μｍ)１２４に
より接着された。金属部材１０には、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓ
ｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐろう(厚さ：２
００μｍ)１１３により、ＩＧＢＴ素子(１３ｍｍ×１３
ｍｍ×０.３ｍｍ、６個)１０１と、ダイオード素子(１
３ｍｍ×１３ｍｍ×０.３ｍｍ、２個)１０１Ａが接着さ
れた。実施例１と同様の部材搭載，配線，パッケージン
グを施し、半導体装置９００を得た。この半導体装置９
００は、搭載された全ての素子が並列に接続されてい
る。図１５は、半導体装置の等価回路を示す図である。

【０１２４】本実施例における支持部材１２５から半導
体素子１０１，１０１Ａに至る部材構成では、(半導体
基体１０１，１０１Ａ(３.５×１０~ ⁶/℃))−(金属部
材１０(６.５×１０~ ⁶/℃))−(絶縁基板１２２(４.３
×１０~ ⁶/℃))−(支持部材１２５(６.５×１０~ ⁶/
℃))と、熱膨張率が近似している。このため、接着面積
が４９６０ｍｍと大きいにもかかわらず、一体化物の
反りは１５μｍに過ぎず、接着部に残留する熱応力も少
ない。これは、半導体装置９００を冷却フィンに取り付
ける際に熱伝導路が遮断されるのを防止するのに役立つ
とともに、取り付けの際のネジ締めによる半導体装置９
００の構成部品の破損を防止するのに多大の寄与をす
る。

【０１２５】得られた半導体装置９００の(半導体基体
１０１)−(支持部材１２５)間の熱抵抗は、０.０４３℃
/Ｗと極めて小さい値であった。このように低い値が得
られたのは、実施例３の場合と同様の理由の他に、多数
の発熱素子１０１，１０１Ａが有効な熱伝導路領域内に
搭載されているため、実施例１〜３の場合より実効的な
放熱性が向上していることによる。すなわち、発熱素子
１０１，１０１Ａが金属部材１０の面積に締める割合は
２７.３％に及んでいる。このように、本実施例の構造
は、特に、発熱素子の占有面積が大きくなる場合に放熱
機能が有効に発揮される。

【０１２６】図１６は、金属部材の面積に対する半導体
基体の占有面積と熱抵抗との関係を示す図である。占有
面積が４０％になるまでの範囲では、金属部材の熱流拡
大の機能が有効に作用するため、熱抵抗は逐次減少す
る。しかし、４０％を越えると熱流拡大の機能が反映さ
れなくなるため、熱抵抗は上昇に転ずる。したがって、
本実施例構成の半導体装置は、半導体基体の占有面積率
４０％までは放熱機能を向上させることが可能である。

【０１２７】半導体装置９００には、−５５〜＋１５０
℃の温度サイクルが３０００回印加された。(半導体基
体１０１)−(支持部材１２５)間の熱抵抗は、０.０４７
℃/Ｗとわずかに変化したものの、この変化量は、半導
体装置９００の実使用上は、全く問題ない範囲である。
熱抵抗変化を生じなかった最大の理由は、実施例３の場
合と同様の理由の他に、(半導体基体１０１，１０１Ａ)
−(金属部材１０)−(絶縁基板１２２)−(支持部材１２
５)積層構造体全体の熱膨張率が整合しているため、ろ
う層１１３，１２３，１２４の熱疲労破壊が抑制された
ことによる。

【０１２８】図１７は、間欠通電試験による熱抵抗の推
移を示す図である。半導体装置９００に間欠通電試験を
施し、支持部材１２５の温度を３０〜１００℃の間で繰
返し変化させた。熱抵抗は５００００回まではほとんど
変動を示さず、６００００回に至ってわずかに上昇し始
めているのみである。このように安定した放熱性が維持
されたのは、上記温度サイクル試験の場合と同様の理由
に基づく。

【０１２９】次いで、２４個の本実施例半導体装置９０
０が、図７と同様のインバータ回路に組み込まれた。こ
こでは、１相分として８個の半導体装置９００が割り当
てられている。これにより得られたインバータ装置(電
源電圧：２０００Ｖ，ピーク出力電流：６５０Ａ，平均
周波数：２ｋＨｚ)は、電車用の主電動機(１９０ｋＷ)
の速度制御に供された。この結果、走行開始(加速)時に
電動機が発する騒音は平均周波数１.５ｋＨｚの場合よ
り１/３低く、そして、短い駅間距離(１.２ｋｍ)を想定
した走行試験でも表定速度４０ｋｍ/ｈと優れた運行性
能が得られた。これは、高周波化されて発熱の著しい半
導体基体１０１，１０１Ａを効率的に冷却できるため、
同基体が安定的に作動するためである。

【０１３０】以上に説明したように、本実施例の半導体
装置９００は、電動機の回転速度や移動装置の走行速度
等を制御するのに有効である。本実施例と同様の半導体
装置がエレベータ，エスカレータ，ベルトコンベア等の
物体運搬装置に組み込まれた場合でも、電車に組み込ま
れた場合と同様の効果が得られる。

【０１３１】なお、本実施例において、金属部材１０や
支持部材１２５には複数の種類の無機質セラミックス粉
末が添加されていても、その効果は変わらない。例え
ば、ＳｉＣ粉末とともに第２の無機質セラミックス粉末
ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮ(３.７×１０~ ⁶/℃，９０Ｗ/ｍ
・Ｋ)のいずれかが添加されていてもよい。マトリック
ス金属がＣｕの場合、これにＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，
ＢＮの群から選択された２種類以上の無機質セラミック
ス粉末が添加されても、格別の支障は伴わない。

【０１３２】また、本実施例において、金属部材１０の
代替物として、炭素を主体とする焼結基体に金属層を設
けた部材であって、電気的に活性な領域にあって導電機
能，熱伝導路にあって熱中継または熱流拡大の機能，半
導体基体または絶縁部材との間の熱応力を緩和する機能
を兼備する金属化炭素部材を用いてもよい。例えば、炭
素焼結体は、熱膨張率：４.３×１０~ ⁶/℃，熱伝導
率：２３０Ｗ/ｍ・Ｋそして抵抗率：１００×１０~ ⁶Ω
・ｃｍを有していて、導電機能，熱中継または熱流拡大
の機能，熱応力緩和機能を有している。金属化炭素部材
は、マトリックスとしての炭素の中にＣｕ，Ａｌ，Ａ
ｇ，Ａｕ，Ｉｎ，Ｃｄ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｇ，Ｂｅ，
Ｉｒ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｚｎの群から選択された少なくとも
１種の金属粉末、または、ＳｉＣ，ＢｅＯ，ＡｌＮ，Ｂ
Ｎ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃の群から選択された少なくとも
１種のセラミックス粉末を分散したものであってもよ
い。この場合も，(半導体基体１０１，１０１Ａ(３.５
×１０~ ⁶/℃))−(金属化炭素部材(４.３×１０~ ⁶/
℃))−(絶縁基板１２２(４.３×１０~ ⁶/℃))−(支持部
材１２５(６.５×１０~ ⁶/℃))と、熱膨張率が近似して
いる。したがって、本実施例と同等の信頼性が得られ
る。

【０１３３】さらに、本実施例において、金属部材１０
や支持部材１２５を構成するマトリックス金属としての
Ａｌを、他の金属または合金で代替できる。例えば、代
替金属が、Ｃｕ，Ｎｉであり、代替合金が、Ａｌ，Ｃ
ｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｎから選択された少な
くとも１種を主成分として含んでいてもよい。

【０１３４】《実施例５》本実施例では、１個のシリコ
ン基体の中にＩＧＢＴ素子を６個，ダイオード素子を６
個内蔵した半導体基体１０１を搭載した半導体装置およ
びこれを用いた電子装置について説明する。

【０１３５】金属部材１０(３５ｍｍ×３５ｍｍ×１ｍ
ｍ，Ｎｉめっき：３μｍ)および支持部材１２５(５０ｍ
ｍ×６０ｍｍ×３ｍｍ，Ｎｉめっき：３μｍ)は、実施
例２における金属部材１０と同様の材質のものである。
支持部材１２５上には、４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.６３
ｍｍの窒化アルミニウム絶縁基板１２２が接着され、絶
縁基板１２２上には金属部材１０が１個接着され、金属
部材１０には上記半導体基体(１５ｍｍ×１５ｍｍ×０.
３ｍｍ)１０１が接着されている。基体１０１にはＡｌ
線(直径：３００μｍ)１１７によるワイヤボンディング
が施され、電極１３ｂ，１３ｃに接続されている。銅ス
トリップからなるこれらの電極１３ｂ，１３ｃはアルミ
ナストリップ１１４にろう付けされ、アルミナストリッ
プ１１４は金属部材１０にろう付けされている。以上の
積層体を樹脂封止して半導体装置９００を得た。この半
導体装置９００は、これのみで図７と同様のインバータ
回路を構成している。

【０１３６】図１８は、本発明の電動機の効率を従来の
電動機の効率と比較して示す図である。半導体装置９０
０からなるインバータ装置は、ブラシレス直流電動機と
ともに家庭用冷暖房機(暖房時の消費電力：１５０〜１
８６０Ｗ，冷房時の消費電力：２００〜１３７５Ｗ，電
源電圧：１００Ｖ)に組み込まれた。図１８は、本実施
例のインバータ装置を用いた電動機の効率Ａを示すグラ
フで、従来の交流電動機を用いた場合Ｂと比較して示
す。本実施例の場合は、比較した全回転数範囲で、従来
の場合よりも１０％以上高い効率を示している。この点
は、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。
また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するま
での時間は、本実施例の場合は、従来の交流電動機を用
いた場合よりも約１/２に短縮された。

【０１３７】本実施例と同様の効果は、半導体装置９０
０が他の流体を撹拌または流動させる装置、例えば洗濯
機，流体循環装置等に組み込まれた場合でも得られる。

【０１３８】本実施例において、金属部材１０および支
持部材１２５にはＮｉめっきが施されている。このＮｉ
めっきは、ろう材に対するぬれ性を付与するものであ
り、最表面に存在している必要がある。Ｎｉめっき層の
代替物質としては、Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｐｄが挙げられる。これらの金属は単体であ
る必要はなく、合金化されていたり、積層されていても
よい。また、これらの金属はめっき法によるだけでな
く、一般的な蒸着法やスパッタリング法で形成してもよ
い。さらに、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｐｄから選択された単体金属、または、これ
らの金属の群から選択された少なくとも１種からなる合
金の箔をろう付け法により形成してもよい。

【０１３９】《実施例６》本実施例では、電気的に活性
な領域にあって導電機能，熱伝導路にあって熱中継また
は熱流拡大の機能を兼備する半導体基体搭載用金属部材
を適用した非絶縁型半導体装置、およびこれを用いた電
子装置について説明する。

【０１４０】金属部材１０は、実施例１と同様の素材１
０Ａ(２０ｍｍ×３５ｍｍ×１ｍｍ，Ｎｉめっき：３μ
ｍ)からなり、これに厚さ１００μｍの無酸素銅箔１１
１ＢをＡｕ−１２ｗｔ％Ｇｅ合金によりろう付けしたも
のである。

【０１４１】また、本実施例では、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，
Ｎｉの群から選択された２種以上の金属からなるマトリ
ックス金属１０ＡＡと、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮ
の群から選択された２種以上からなる無機質セラミック
ス粉末１０ＡＢで構成された金属部材１０も作製した。

【０１４２】

【表１】

【０１４３】表１は、金属部材１０の仕様とその物性値
を示す。ここで、マトリックス金属１０ＡＡ中には、無
機質セラミックス粉末１０ＡＢが５０体積％添加されて
いる。ここに示すいずれの金属部材１０も、半導体基体
を搭載し、電気的に活性な領域にあって導電機能，熱伝
導路にあって熱中継または熱流拡大の機能を兼備するに
は十分な性能を有している。

【０１４４】図１９は、非絶縁型パワートランジスタ装
置用金属部材の一実施例の構造を示す斜視図である。金
属部材１０には、無酸素銅箔１１１ＢがＡｕ−１２ｗｔ
％Ｇｅ共晶合金によってろう付け形成されている。銅箔
１１１Ｂ上には、図示を省略したが、トランジスタ素子
基体(１３ｍｍ×１３ｍｍ×０.３ｍｍ)１０１が接着さ
れ、銅箔１１１Ｂから延長された領域１１１には、これ
も図示を省略したが、銅−ベリリウム合金からなるコレ
クタ端子１１６Ａがろう付けされている。

【０１４５】銅箔１１１Ｂに厚さ５０μｍのＰｂ−５ｗ
ｔ％Ｓｎ−１.５ｗｔ％Ａｇろう１１３により固着され
た基体１０１は、Ａｌ線(直径：３００μｍ)１１７のワ
イヤボンディングにより銅−ベリリウム合金からなるリ
ードフレームと電気的に接続し、最後にエポキシ樹脂に
よるモールドを経てトランジスタ装置９００が完成し
た。ワイヤボンディングにより接続されたリードフレー
ムはトランジスタ装置のエミッタ端子およびベース端子
を構成する。

【０１４６】このようにして得たトランジスタ装置９０
０は、電源の整流装置および屋外の照明設備の光量を制
御するインバータ装置に組み込まれて、屋外に設置され
た。

【０１４７】本実施例において、金属部材１０上に設け
られる銅箔１１１Ｂは、部材１０Ａの主面の全面に設け
られてもよい。電気伝導性や熱伝導性に関して支障がな
い限り、その上に搭載する素子や部材がろう付けされる
領域にのみに選択的に設けられても良く、選択的に設け
られる銅箔１１１Ｂは複数であってもよい。

【０１４８】本実施例において、銅箔１１１Ｂは金属部
材１０Ａの対向する面に分離されて形成されなくても良
く、また金属部材１０Ａの側面に延長してもうけられて
も本発明の効果は変わらない。

【０１４９】本実施例において、ろう材に対するぬれ性
を向上させるために、銅箔１１１Ｂの表面にＣｕ，Ｎ
ｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｚ
ｎ，または、これらの合金を被覆することが好ましい。

【０１５０】本実施例における非絶縁型半導体装置は、
負荷に供電する電気回路に組み込まれて使用される。こ
の際、(１)半導体装置が、回転装置に給電する電気回路
に組み込まれて前記回転装置の回転速度を制御するか、
または、それ自体が移動する装置に回転装置とともに組
み込まれて前記移動装置の移動速度を制御する場合、
(２)前記回転装置に給電する電気回路がインバータ回路
である場合、(３)前記半導体装置が流体を撹拌または流
動させる装置に組み込まれて、被撹拌物または流動物の
移動速度を制御する場合、(４)前記半導体装置が物体を
加工する装置に組み込まれて、被加工物の研削速度を制
御する場合、(５)前記半導体装置が発光体に給電する電
気回路に組み込まれて、前記発光体の放出光量を制御す
る場合、(６)前記半導体装置が５０Ｈｚ以上３０ｋＨｚ
の周波数のもとで作動する場合も、本実施例の非絶縁型
半導体装置を適用可能である。

【０１５１】本発明においては、ろう材１１３，１２
３，１２４等は、実施例に開示した材料のみには限定さ
れない。半導体装置が製作されるプロセス、半導体装置
に要求される特性特に耐熱疲労信頼性に応じて、種々の
成分および組成のものを選択し得る。例えば、Ｐｂ−５
ｗｔ％Ｓｂ，Ｐｂ−５２ｗｔ％Ｓｎ−８ｗｔ％Ｂｉ，Ａ
ｕ−１２ｗｔ％Ｇｅ，Ａｕ−６ｗｔ％Ｓｉ，Ａｕ−２０
ｗｔ％Ｓｉ，Ａｌ−１１.７ｗｔ％Ｓｉ，Ａｇ−４.５ｗ
ｔ％Ｓｉ，Ａｕ−８５ｗｔ％Ｐｂ，Ａｕ−２６ｗｔ％Ｓ
ｂ，Ｃｕ−６９.３ｗｔ％Ｍｇ，Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｍ
ｎ，Ｃｕ−３６ｗｔ％Ｐｂ，Ｃｕ−７６.５ｗｔ％Ｓ
ｂ，Ｃｕ−１６.５ｗｔ％Ｓｉ，Ｃｕ−２８ｗｔ％Ｔ
ｉ，Ｃｕ−１０ｗｔ％Ｚｒ，または、これらを任意に組
合わせたろう材を適用できる。

【０１５２】本発明において、支持部材１２５上に搭載
される無機質絶縁基板１２２は単数であることには限定
されず、複数であってもよい。

【０１５３】本発明において、金属部材１０に搭載され
る回路素子は、半導体基体に限定されず、例えばコンデ
ンサ，抵抗体，コイル等であってもよい。

【０１５４】図２０は、半導体装置に内蔵された他の電
気回路の例を示す図である。本発明において、絶縁型半
導体装置の電気回路は、図６，７および１５に示したも
のに限定されない。例えば、図２０に示すように、半導
体装置の内部で種々の電気回路が設けられていること
は、これを電子装置に用いる上で支障になるものではな
い。また、半導体装置の内部の電気回路に受動素子が組
み込まれていることも、好ましいことである。

【０１５５】

【発明の効果】本発明によれば、製造時または運転時に
生ずる熱歪を低減し、各部材の変形，変性，破壊の恐れ
がなく、熱放散性や信頼性に優れた非絶縁型または絶縁
型半導体装置を提供できる。

【０１５６】また、運転時の性能や信頼性が優れてお
り、消費電力の少ない電子装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による金属部材の構造の一例を示す模式
断面図である。

【図２】金属部材の熱膨張率を示す図である。

【図３】金属部材の熱伝導率を示す図である。

【図４】金属部材の抵抗率を示す図である。

【図５】本発明による半導体装置の一実施例の構造を示
す斜視図である。

【図６】本発明による図５の半導体装置の回路の一例を
示す図である。

【図７】半導体装置が組込まれたインバータ装置の回路
の一例を示す図である。

【図８】間欠通電試験による熱抵抗の推移を示す図であ
る。

【図９】金属部材と絶縁部材との間の熱膨張率差と熱抵
抗変化率との関係を示す図である。

【図１０】接着面積と温度サイクル印加後の故障発生率
との関係を示す図である。

【図１１】スイッチング周波数と半導体素子の発熱温度
との関係を示す図である。

【図１２】間欠通電試験による熱抵抗の推移を示す図で
ある。

【図１３】支持部材と絶縁部材との間の熱膨張率差と熱
抵抗変化率との関係を示す図である。

【図１４】接着面積と温度サイクル印加後の故障発生率
との関係を示す図である。

【図１５】半導体装置の等価回路を示す図である。

【図１６】金属部材の面積に対する半導体基体の占有面
積と熱抵抗との関係を示す図である。

【図１７】間欠通電試験による熱抵抗の推移を示す図で
ある。

【図１８】本発明の電動機の効率を従来の電動機の効率
と比較して示す図である。

【図１９】非絶縁型パワートランジスタ装置用金属部材
の一実施例の構造を示す斜視図である。

【図２０】半導体装置に内蔵された他の電気回路の例を
示す図である。

【符号の説明】

１０金属部材１０Ａマトリックス金属１０Ｂ無機質セラミックス粉末１０１半導体基体１０１Ａ半導体基体１１３ろう材１１４絶縁部材１１６端子１１６Ａ端子１２２絶縁部材１２３ろう材１２４ろう材１２５支持部材１２５Ａマトリックス金属１２５Ｂ無機質セラミックス粉末１２６中継端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細川隆茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者沢畠守茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 ▲高▼橋茂茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者九嶋忠雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者清水英雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者田中明茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者山田一二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者宮川正康東京都千代田区丸の内二丁目１番２号日立金属株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基体と、絶縁部材と、前記半導体
基体を一方の面に搭載し他方の面を前記絶縁部材にろう
付けされ電気的に活性な領域では導電手段となり熱伝導
路では熱中継手段または熱流拡大手段となり前記半導体
基体と前記絶縁部材の間の熱応力を緩和する手段となる
金属部材と、前記絶縁部材を一方の面にろう付けにより
搭載し電気的不活性領域かつ熱伝導路では熱中継手段ま
たは熱流拡大手段となり前記絶縁部材と自らの間の熱応
力を緩和する手段となる支持部材とからなる半導体装置
において、前記金属部材または支持部材の少なくとも一方が、無機
質セラミックス粉末が分散されたマトリックス金属で構
成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体装置において、前記無機質セラミックス粉末が、ＳｉＣ，ＡｌＮ，Ｂｅ
Ｏ，ＢＮの群から選択された少なくとも１種からなり、前記マトリックス金属が、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉの群
から選択された少なくとも１種からなることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項３】請求項２に記載の半導体装置において、前記ＳｉＣが、ＢｅＯ，ＢＮのいずれか一方を含有し、
前記ＡｌＮがＹ₂Ｏ₃，ＣａＯのいずれか一方を含有して
いることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか一項に記載
の半導体装置において、前記金属部材または支持部材の表面が、Ｎｉ，Ａｇ，Ａ
ｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択
された少なくとも１種の金属、または、Ｎｉ，Ａｇ，Ａ
ｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択
された少なくとも２種の金属を含む合金により被覆され
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか一項に記載
の半導体装置において、前記無機質セラミックス粉末の粒径が、３〜３００μｍ
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれか一項に記載
の半導体装置において、前記金属部材または支持部材の熱膨張率と前記絶縁部材
の熱膨張率との差が、±７×１０~ ⁶/℃以下であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれか一項に記載
の半導体装置において、前記金属部材または支持部材の熱伝導率が、９０Ｗ/ｍ
・Ｋ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれか一項に記載
の半導体装置において、前記絶縁部材が、ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＢＮ，アルミナの群
から選択された少なくとも１種からなることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項９】請求項８に記載の半導体装置において、前記絶縁部材が、Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯの群から選択された少
なくとも１種を含有しているＡｌＮであることを特徴と
する半導体装置。
【請求項１０】請求項１ないし８のいずれか一項に記
載の半導体装置において、前記半導体基体が、前記金属部材上に複数個搭載されて
いることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】請求項１ないし１０のいずれか一項に
記載の半導体装置において、前記金属部材の面積に対する前記半導体基体の占有面積
が、５０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】請求項１ないし１１のいずれか一項に
記載の半導体装置において、前記半導体基体が、ＩＧＢＴ素子またはダイオード素子
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】請求項１ないし１２のいずれか一項に
記載の半導体装置において、前記金属部材または支持部材と前記絶縁部材とが、ろう
付けにより一体化されており、前記ろう付けにより一体
化された領域が５００ｍｍ²以上１００００ｍｍ²以下の
面積を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】請求項１ないし１３のいずれか一項に
記載の半導体装置において、前記半導体装置が、５０Ｈｚ以上３０ｋＨｚ以下の周波
数で作動することを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】半導体基体と、前記半導体基体を一方
の面に搭載し電気的に活性な領域では導電手段となり熱
伝導路では熱中継手段または熱流拡大手段となり半導体
基体の間の熱応力を緩和する手段となる金属部材とから
なる半導体装置において、前記金属部材が、無機質セラミックス粉末が分散された
マトリックス金属で構成されていることを特徴とする半
導体装置。
【請求項１６】請求項１５に記載の半導体装置におい
て、前記無機質セラミックス粉末が、ＳｉＣ，ＡｌＮ，Ｂｅ
Ｏ，ＢＮの群から選択された少なくとも１種からなり、前記マトリックス金属が、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉの群
から選択された少なくとも１種からなることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項１７】請求項１６に記載の半導体装置におい
て、前記ＳｉＣが、ＢｅＯ，ＢＮのいずれか一方を含有し、
前記ＡｌＮが、Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯのいずれか一方を含有し
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】請求項１５ないし１７のいずれか一項
に記載の半導体装置において、前記金属部材の表面が、Ｎｉ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓ
ｂ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択された少なくとも１
種の金属、または、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｓ
ｂ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｄの群から選択された少なくとも２
種の金属を含む合金により被覆されていることを特徴と
する半導体装置。
【請求項１９】請求項１５ないし１８のいずれか一項
に記載の半導体装置において、前記無機質セラミックス粉末の粒径が、３〜３００μｍ
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２０】請求項１５ないし１９のいずれか一項
に記載の半導体装置において、前記金属部材の熱伝導率が、９０Ｗ/ｍ・Ｋ以上である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２１】請求項１５ないし２０のいずれか一項
に記載の半導体装置において、前記半導体基体が、ＩＧＢＴ素子またはダイオード素子
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２２】請求項１５ないし２１のいずれか一項
に記載の半導体装置において、前記金属部材の面積に対する前記半導体基体の占有面積
が、５０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２３】半導体基体と、絶縁部材と、前記半導
体基体を一方の面に搭載し他方の面を前記絶縁部材にろ
う付けされ電気的に活性な領域では導電手段となり熱伝
導路では熱中継手段または熱流拡大手段となり前記半導
体基体と前記絶縁部材の間の熱応力を緩和する手段とな
る金属部材と、前記絶縁部材を一方の面にろう付けによ
り搭載し電気的不活性領域かつ熱伝導路では熱中継手段
または熱流拡大手段となり前記絶縁部材と自らの間の熱
応力を緩和する手段となる支持部材とからなり、前記金
属部材または支持部材の少なくとも一方が、無機質セラ
ミックス粉末が分散されたマトリックス金属で構成され
ている半導体装置が、負荷に給電する電気回路に組み込
まれたことを特徴とする電子装置。
【請求項２４】請求項２３に記載の電子装置におい
て、前記半導体装置が、回転装置に給電する電気回路に組み
込まれ、前記回転装置の回転速度を制御する半導体装置
であることを特徴とする電子装置。
【請求項２５】請求項２３に記載の電子装置におい
て、前記半導体装置が、移動装置に回転装置とともに組み込
まれ、前記移動装置の移動速度を制御する半導体装置で
あることを特徴とする電子装置。
【請求項２６】請求項２３ないし２５のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記回転装置に給電する電気回路が、インバータ回路で
あることを特徴とする電子装置。
【請求項２７】請求項２３ないし２６のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記半導体装置が、流体を撹拌しまたは流動させる装置
に組み込まれ、被撹拌物または流動物の移動速度を制御
する半導体装置であることを特徴とする電子装置。
【請求項２８】請求項２３ないし２６のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記半導体装置が、物体を加工する装置に組み込まれ、
被加工物の研削速度を制御する半導体装置であることを
特徴とする電子装置。
【請求項２９】請求項２３に記載の電子装置におい
て、前記半導体装置が、発光体に給電する電気回路に組み込
まれ、前記発光体の放出光量を制御する半導体装置であ
ることを特徴とする電子装置。
【請求項３０】請求項２３ないし２９のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記半導体装置が、５０Ｈｚ以上３０ｋＨｚ以下の周波
数で作動することを特徴とする電子装置。
【請求項３１】半導体基体と、前記半導体基体を一方
の面に搭載し電気的に活性な領域では導電手段となり熱
伝導路では熱中継手段または熱流拡大手段となり半導体
基体と自らの間の熱応力を緩和する手段となる金属部材
とからなり、前記金属部材が、無機質セラミックス粉末
が分散されたマトリックス金属で構成されている半導体
装置が、負荷に給電する電気回路に組み込まれたことを
特徴とする電子装置。
【請求項３２】請求項３１に記載の電子装置におい
て、前記半導体装置が、回転装置に給電する電気回路に組み
込まれ、前記回転装置の回転速度を制御する半導体装置
であることを特徴とする電子装置。
【請求項３３】請求項３１に記載の電子装置におい
て、前記半導体装置が、移動装置に回転装置とともに組み込
まれ、前記移動装置の移動速度を制御する半導体装置で
あることを特徴とする電子装置。
【請求項３４】請求項３１ないし３３のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記回転装置に給電する電気回路が、インバータ回路で
あることを特徴とする電子装置。
【請求項３５】請求項３１ないし３４のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記半導体装置が、流体を撹拌しまたは流動させる装置
に組み込まれ、被撹拌物または流動物の移動速度を制御
する半導体装置であることを特徴とする電子装置。
【請求項３６】請求項３１ないし３４のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記半導体装置が、物体を加工する装置に組み込まれ、
被加工物の研削速度を制御する半導体装置であることを
特徴とする電子装置。
【請求項３７】請求項３１に記載の電子装置におい
て、前記半導体装置が、発光体に給電する電気回路に組み込
まれ、前記発光体の放出光量を制御する半導体装置であ
ることを特徴とする電子装置。
【請求項３８】請求項３１ないし３７のいずれか一項
に記載の電子装置において、前記半導体装置が、５０Ｈｚ以上３０ｋＨｚ以下の周波
数で作動することを特徴とする電子装置。