JPH1041443A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH1041443A
JPH1041443A JP18898196A JP18898196A JPH1041443A JP H1041443 A JPH1041443 A JP H1041443A JP 18898196 A JP18898196 A JP 18898196A JP 18898196 A JP18898196 A JP 18898196A JP H1041443 A JPH1041443 A JP H1041443A
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JP
Japan
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copper post
thin film
post electrode
disk
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP18898196A
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English (en)
Inventor
Kazushiro Oishi
和城 大石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Cuポスト電極と、Moディスクの接触熱抵
抗を少なくする。 【解決手段】 シリコン素子の両面にそれぞれMoディ
スクを介してCuポスト電極で挟み圧力をかけて電気的
接合を行う平型圧接構造の半導体装置において、Cuポ
スト電極の表面及びMoディスクの表面部21にそれぞ
れスパッタ,蒸着,メッキ等によりAg,Al等の薄膜
1及び42を施す。Cuの表面61,Moの表面21に凹
凸があっても表面61及び21と薄膜41及び42との間に
は隙間が生じない。また、圧接面bはAg,Al等の軟
質の薄膜同士の面で圧接されることになるので、圧接面
bにも隙間ができない。したがってCuポスト電極とモ
リブデン電極との接触熱抵抗は少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、平型圧接構造の大
電力用半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図3に電力用半導体装置の平型圧接構造
を示す。同図において、1はシリコン素子、6は銅カソ
ードポスト電極、7は銅アノードポスト電極、8はゲー
ト電極部である。
【0003】銅ポスト電極6,7とセラミックケース1
1でケースを構成している。
【0004】一般に、不純物拡散,電極パターン等の形
成を行ったシリコン(Si)素子1の両面に、外部引出
電極及び高熱伝導・応力緩和材としての役割を果すモリ
ブデン(Mo)ディスク2,3を挟み、銅ポスト電極
6,7の両側から圧力をかけて密着させる。この時、銅
とモリブデンとの熱膨張差による応力等を緩和するため
に銀箔4,5を介在させる。
【0005】図4は上記半導体装置の実動作状態におけ
る構造を示す。半導体パッケージ内部は、Si素子1を
銅ポスト電極6,7及びMoディスク2,3で挟んだ構
造である。この半導体パッケージの両側にヒートシンク
(冷却フイン)17,18を取り付けている。
【0006】このヒートシンク17,18は実動作状態
においてSi素子1から発生した熱を外部(周囲)へ逃
がす役割を持つ、また、このヒートシンクはアルミ,銅
等の導電性のあるもので作られ、単に熱を逃がすためで
なく、電極としても使用する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図5は素子に電流が流
れることで発生した熱が周囲温度まで伝わる状態を放熱
等価回路として表したものである。ここで、 Tj:素子接合温度、Tc:ケース(Cuポスト電極)
温度、Tf:フイン温度、Ta:周囲温度 Rth(Si)、Rth(Mo)、Rth(Cu)、R
th(Fin):構成部品自身が持つ熱抵抗 Rth(Si−Mo)、Rth(Mo−Cu)、Rth
(Cu−Fin):構成部品間の接触熱抵抗 Rth(Fin−a):フインから周囲の大気に熱が逃
げる時の熱抵抗 熱抵抗Rth…は熱の伝わり難さのことでありこの値が
大きいほど冷却率が悪く、過剰に冷却しないと素子の温
度が定格以上に上昇し破壊に至る。
【0008】半導体パッケージ内のTj(接合温度)〜
Tc(ケース温度)までの熱抵抗Rth(j−c)につ
いては、この半導体パッケージ材料・構造によって決ま
る。次にTc〜Tfinまでの熱抵抗Rth(c−fi
n)について半導体パッケージと冷却フインとの間に発
生する熱抵抗であり、取り付け方によってはこの値が非
常に大きくなり、熱の逃げが妨げられる場合もある。
【0009】半導体素子が大口径化・大容量化になるに
つれ素子から発生する熱損失は増大する。従って、半導
体ケースが持つ熱抵抗を下げることは非常に重大な問題
なる。
【0010】現在のケースが持つ熱抵抗値を、構成部品
毎に占めている割合を計算した結果の一例を図6に示
す。この例では構成材料のうちMoディスクと銅ポスト
電極に介在している銀箔は省略したが、このMoディス
ク銅ポストと電極との間に発生する接触抵抗の占める割
合が一番大きく、次いでMoディスク自身、電極とMo
ディスクとの間の接触熱抵抗の割合が大きい。Si素子
自身は素子性能で厚み等が定められるのでこの値は不動
のものである。
【0011】
【表1】
【0012】表1にMoディスクと銅ポスト電極に介在
している銀箔の有無による熱抵抗への影響を計算した結
果を示す。表中、モデル〔1〕は銀箔が無い状態であ
る。Moディスクと銅ポスト電極との間の接触熱抵抗は
銅材料表面の硬さ、粗さに影響されるが、銀箔を入れた
モデル〔2〕では銅の表面には影響されず、約700%
程度の熱抵抗の低減ができることが得られている。
【0013】しかし現状の工程で用いられているよう
に、単純に銀箔を挟むだけでは図7の矢印gで示すよう
に銅、モリブデン表面に存在するミクロな隙間を埋める
ことができない。実際に銅表面の仕上げ精度は(▽▽
▽)であり、約6μmの凹凸がある。実際の銅ポスト電
極は、主にニッケルメッキを用いて表面を被覆(〜5μ
m程度)しており、表面の凹凸は小さくなっていると思
われるが、ニッケル材そのものが硬い材質であり、銀箔
との密着性は悪い。
【0014】モリブデンディスク表面は鏡面仕上げであ
るが、1μm程度以下の凹凸があるものと考えられる。
また製造途中で表面に傷が付く可能性もあり、かなり隙
間が生じていると考えられる。銀箔は本来柔らかい材質
であり、変形によりある程度の隙間を埋めることができ
るが、完全に密着しない。
【0015】接触熱抵抗の増大は以上で説明したミクロ
な隙間があることによって熱の伝わりが悪くなり、結果
的に熱抵抗の増大につながる。
【0016】本発明は、従来のこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは銅ポス
ト電極と、Moディスク,Si素子,冷却フイン間の接
触熱抵抗の少ない大電力用半導体装置を提供することに
ある。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン素子
の両面にそれぞれモリブデンディスクを介して銅ポスト
電極で挟み圧力をかけて電気的接合を行う半導体装置に
おいて、銅ポスト電極とモリブデンディスクの対向する
表面にそれぞれ高熱伝導で軟質の金属薄膜がコーティン
グする。
【0018】または、シリコン素子の両面を銅ポスト電
極で挟み圧力をかけて電気的接合を行う半導体装置にお
いて、銅ポスト電極のシリコン素子との圧接面を、複数
の低熱膨張金属材料で順次熱膨張率が低くなるようにク
ラッド化する。
【0019】そして、上記銅ポスト電極とその外側に設
けて使用する冷却フインとの対向する表面にもそれぞれ
高熱伝導で軟質の金属の薄膜をコーティングするとよ
い。
【0020】
【発明の実施の形態】
実施の形態1 図3,図4に示した半導体装置において、図1に示すよ
うに、モリブデン(Mo)ディスク2,3と銅ポスト電
極6,7の対向する表面21,31と61,71にそれぞれ
銀又はアルミ等の高熱伝導で軟質の金属をコーティング
し、薄膜41,42,51,52を形成する。
【0021】この薄膜生成方法としては、スパッタ,蒸
着,メッキ等の手法を使用する。これらの方法を用いる
ことで、Moディスク2,3と薄膜41,42との間の隙
間が矢印aで示すように完全に埋まり、密着する。
【0022】また、薄膜の厚さをモリブデンディスクの
表面粗さ以上に規定すれば、表面は完全に銀,アルミ等
の軟材料で被覆されるため、圧接面bは軟質金属同士の
圧接のため完全に密着し、銅ポスト電極に対する熱の伝
わりはMoディスクの表面粗さに影響されなくなる。表
面仕上げは、例えば、表2のように規定する。
【0023】
【表2】
【0024】従来、銅ポスト電極表面に硬質材料のニッ
ケル等でコーティングを行っていたものを、より柔らか
い軟質薄膜を形成されることで、銅ポスト表面粗さに影
響されなくなる。薄膜を形成したMoディスクとの間は
完全に薄膜同士の接触となり完全に密着する。
【0025】以上のように、Moディスク、銅ポスト電
極表面に銀等の薄膜を生成することで銅ポスト側との接
触面は薄膜を介在して接触する。形成された薄膜の平坦
性のために、接触面は薄膜同士が完全に密着され、熱伝
導性は向上する。
【0026】また、シリコン(Si)素子との接触面
は、従来はMoディスクとアルミ電極との接触問題であ
り、Moディスクの表面粗さ、硬さなどにより完全に密
着させることが不可能であった。しかし、軟質薄膜を介
在させることで、薄膜とアルミ電極との接触に変わるこ
とで、薄膜が変形することにより完全に密着させること
ができる。
【0027】相乗効果として、薄膜による表面被覆を行
うことからMoディスクの表面粗さをある程度緩めるこ
とができる。従来は接触を良くするために接触面を鏡面
仕上げ(▽▽▽以上)仕上げが必要であったが、銀,ア
ルミ等の薄膜で完全に被覆されるため、モリブデンディ
スク表面の凹凸は薄膜により完全に埋まる。従って、表
面仕上げを(▽▽▽)仕上げまたは(▽▽)仕上げまで
落とすことができ、大幅なコストの削減が可能になる。
【0028】なお、銅ポスト電極6,7において、冷却
フイン17,18との接触面に上記コーティング薄膜を
採用しても同様の効果があり、ケース〜冷却フイン間で
発生する接触熱抵抗を低減させることができる。軟質薄
膜材としては、銀,アルミの他に金,錫,アルミニウム
−金合金,アルミニウム合金(Al−10.2Zn−0.
9Mg−0.4Zr),亜鉛合金(Zn−22Al)な
どが適当である。
【0029】実施の形態2 図3,図4に示した平型圧接構造の電力用半導体におい
て、銅ポスト電極6(7)〜銀箔4(5)〜モリブデン
電極2(3)といった順序で圧接を行っている部分を図
2(a)のようにクラッド化(複合化)する。即ち、銅
ポスト電極6(7)の表面に、複数の低熱膨張金属を張
り合わせた構造にして、シリコン素子と圧接される部分
の熱膨張率がシリコンの熱膨張率に近い値となるように
する。
【0030】図2(b)の実線(イ)で示すようになだ
らかに熱膨張率が変化するのが理想であるが、同図
(a)のように、銅表面61(71)から順に低熱膨張率
となるように、クラッド材CMとして複数の低熱膨張金
属(1〜N)を張り合わせることで、同図(b)の点線
(ロ)で示すように低熱膨張率を階段状に変化させるこ
とができる。
【0031】クラッド化の方法は、圧延,爆着等を用
い、完全に密着(接合面は2主の材料が絡み合うように
接合される)させることで、上記接触熱抵抗をなくする
ことができる。
【0032】CuとMo/W間の中間材が一種類の場
合、表3の(1)〜(3)の材料が適当である。また、
CuとMo/W間の中間材が2種類又は3種類以上の場
合、表4の(1)のようにモリブデン/銅合金の銅含有
量を変えるか、表4の(2)のように表3の材料を組み
合わせる。
【0033】
【表3】
【0034】
【表4】
【0035】
【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に記載する効果を奏する。
【0036】(1)モリブデンディスク、銅ポスト電極
の表面に軟質材料をコーティングすることによって、圧
接時に発生するミクロな隙間を完全に埋めることがで
き、接触抵抗をなくすことができる。
【0037】(2)また銅ポスト電極と冷却フインの圧
接面にも軟質薄膜をコーティングすることによって、ケ
ース,フイン間の接触熱抵抗を減らすことができる。
【0038】(3)銅ポスト電極をクラッド化すること
で、銅ポスト電極とシリコン素子との間に介在されてい
た熱緩衝板としてのモリブデンディスクをなくすことが
できる。また、各熱低膨張材、銅との隙間は完全に密着
されているので、接触熱抵抗はなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1にかかる銅,モリブデン圧接部の
断面説明図。
【図2】実施の形態2にかかるもので、(a)はクラッ
ド化された銅ポスト表面の断面構造説明図、(b)はク
ラッド材の熱膨張率を示す線図。
【図3】電力用半導体平型圧接構造の断面分解説明図。
【図4】電力用半導体の圧接状態を示す断面図。
【図5】電力用半導体の放熱等価回路図。
【図6】ケース構造材料における熱抵抗の占める割合を
示すグラフ。
【図7】従来例にかかる銅,モリブデン接合面の断面状
況説明図。
【符号の説明】
1…シリコン(Si)素子(ウエハ) 11…アルミカソード電極 12…酸化膜 13…アノード電極 2,3…モリブデン(Mo)ディスク 21…モリブデンディスクの表面 4,5…銀箔 41,42,51,52…コーティングされた銀,アルミ等
の薄膜 6,7…銅ポスト電極 61,71…銅ポ電極の表面 8…ゲート電極部 81…銅ゲートリング 82…ゲートリード線 83…PPS樹脂カップ 11…セラミックケース 12,15…ウエルドリング 13…PPS樹脂リング 14…ゴム 17,18…ヒートシンク(冷却フイン) CM…クラッド材。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン素子の両面にそれぞれモリブデ
    ンディスクを介して銅ポスト電極で挟み圧力をかけて電
    気的接合を行う半導体装置において、 銅ポスト電極とモリブデンディスクの対向する表面にそ
    れぞれ高熱伝導で軟質の金属薄膜がコーティングされて
    いることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 シリコン素子の両面を銅ポスト電極で挟
    み圧力をかけて電気的接合を行う半導体装置において、 銅ポスト電極のシリコン素子との圧接面が、複数の低熱
    膨張金属材料で順次熱膨張率が低くなるようにクラッド
    化されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】 請求項1と2のいずれか1つにおいて、 銅ポスト電極の外側に冷却フインが圧接して設けられ、
    銅ポスト電極と冷却フインとの対向する表面にはそれぞ
    れ高熱伝導で軟質の金属の薄膜がコーティングされてい
    ることを特徴とした半導体装置。
JP18898196A 1996-07-18 1996-07-18 半導体装置 Pending JPH1041443A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006066464A (ja) * 2004-08-24 2006-03-09 Toyota Industries Corp 半導体装置
WO2008014163A3 (en) * 2006-07-25 2008-11-06 Honeywell Int Inc Synergistically-modified surfaces and surface profiles for use with thermal interconnect and interface materials, methods of production and uses thereof
JP2019145691A (ja) * 2018-02-21 2019-08-29 株式会社豊田中央研究所 半導体装置およびその製造方法
CN116364661A (zh) * 2023-06-02 2023-06-30 清华大学 压接型半导体器件

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JP2019145691A (ja) * 2018-02-21 2019-08-29 株式会社豊田中央研究所 半導体装置およびその製造方法
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