JPS5952853A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置に係シ、特に半導体基体が絶縁部
材上に金属板を介して載１ｈされた構造を有する絶縁型
の半導体装置に関する。

従来、半導体装置は電極及び熱伝導路を兼ねた金属から
成る支持部材上に半導体基体を載置して形成されたもの
が多かったが、近年、半導体装置の回路適用上の自由度
を改善させるため、或いは、電気回路のｖ積比を図るた
めなどから、半導体基体或いは回路ごとなどに絶縁部材
を介して同一支持部材上に載置させた絶縁型半導体装置
が考案されている。

例えば、絶縁型トライアックは双方向性３端子サイリス
タ基体をセラミック板上に載置し、このセラミック板を
金属からなるパッケージに封入したものであり、トライ
アックの全ての電極はセラミック板によりパッケージと
絶縁されて外部に引き出された構造を有している。この
ような絶縁型トライアックは、一対の主電極が回路上の
接地電位から電気的に絶縁されなければならない回路に
適用される場合であっても、パッケージを直接接地電位
部に固定できるので、回路適用上の自由度が改善される
。

また、混成集積回路装置或いは半導体モジュール装置（
以下、晶成ＩＣと一括して略称する）では、一般に、複
数の半導体素子などからなるまとまった電気回路から形
成されている。それらの回路の少なくとも一部と支持部
材或いは放熱部拐等の金属部材とを電気的に絶縁しなけ
ればならないことがあり、通常、金属支持部材と混成Ｉ
Ｃ基体との間に有機質或いは無機質の絶縁層を設けるこ
とによシ絶縁がなされている。このように形成された混
成ＩＣも絶縁型半導体装置である。

上述した絶縁型半導体装置にあって、半導体素子の動作
時に発生される熱は、半導体基体から接着材層及び絶縁
層を介して支持部材に伝導され、主としてこの支持部材
から気中々どへ放熱されることになる。この放熱が有効
になされなければ、半導体装置の動作が不安定になるな
どの障害が生じることから高い放熱性を備えていなけれ
ばならない。また、回路電圧の高電圧化或いは半導体装
置の経時的安定性及び耐湿性、耐熱性などの信頼性を向
上させるため高い絶縁性を備えていなければならない。

特に、半導体装置の発熱量が比較的大きく、且つ、高耐
電圧や高信頼性が要求されるものにあっては、十分前記
要求を満足させるものとして、例えば、絶縁層にはセラ
ミックスの如き無機質材料が、接着材ノーにはｐｂ−ｓ
ｎ系はんだの如き金層ろうが適用される。

また、一般に、絶縁型半導体装置では半導体基体は絶縁
層上に直接ではなく、半導体基体と外部の電源とを結ぶ
導電路及び半導体基体での発熱を絶縁層に効果的に伝え
る熱伝導路としての金属板を介して取り付けられる。こ
の金属板としては低抵抗で且つ高い熱伝導性を有する銅
等の材料が一般に適用されている。

ところが、銅の熱膨張係数は１８Ｘ１０”’／Ｃておる
のに対し、例えば半導体基体のシリコンと絶縁層のアル
ミナセラミックの熱膨張係数は各々３．５Ｘ１０″′６
７Ｃと６．３　Ｘ　１０−’／Ｃであり、それらの熱膨
張係数の差が非常に大きいことから、次に述べるような
問題を生ずることがあった。

即ち、上述のような絶縁型半導体装置のはんだ付は工程
は、通常、絶縁層と金属板と半導体基体とを各々はんだ
層を介して積層させた後、はんだの融点以上に昇温さぜ
、次に室温まで冷却させて接着させている。この冷却過
程のはんだ凝固点温度付近にてそれらの各部材が互いに
固着される。

この固着された状態のまま更に室温まで冷却されると、
各部材は固有の熱膨張係数に応じて収縮されるので、は
んだ接着部に熱歪が残留されることになる。この熱歪が
小さい場合は比較約款かい部材のはんだ層の変形によっ
て吸収されるが、熱歪が大きい場合には吸収しきれずに
、半導体基体や絶縁層に収縮応力が作用して半導体基体
を変形させ、電気特性に障害を与えたシ、さらには、半
導体基体あるいはアルミナセラミック板を機械的に破損
させてしまうという虞れを有していた。

また、上述のような絶縁型半導体装置の各部材は、通電
、休止の動作に伴って、繰り返し高温（約１００〜１５
０Ｃ）と低温（周囲温度）の温度状態変化を受ける。こ
のようなヒートサイクルごとに、各部材は膨張、収縮さ
れ、前述したように各部材の熱膨張係数の差によって主
としてはんだ層に熱応力による歪が印加される。したが
って、はんだ層はこの歪により周期的に圧縮、引張され
、ついには熱疲労現象によりもろくなってクラックを生
じ、はんだ層の接層力及び導電性、熱伝導性の低下が引
起されるという虞れがあった。特にこの現象ははんだ層
の露出端面部において顕著である。

上記した問題は各部材の熱膨張係数の差に起因して生起
されるものであるから、金属板の熱膨張係数が半導体基
体や絶縁部材のそれと比較的近似な値の材料（例えばモ
リブデンやタングステンなど〕を適用することにより解
決しようとすることが提案されている。例えば、銅など
の低抵抗で良熱伝導性を有する廉価な材料の金属板と、
半導体基体との間にモリブデン片を介装させたものが知
られている。これによれば、半導体基体と銅板との熱膨
張差に起因して半導体基体に作用する熱応力を緩和させ
、半導体基体の劣化防止を図ることができる。しかし、
アルミナセラミック板などの絶縁部材と銅板との熱膨張
差による熱応力を吸収させることはできないので、はん
だ付は時の変形防止やヒートサイクルによる熱疲労現象
の防止には全く効果がなかった。しかも、熱伝導性に劣
るモリブデン片及びはんだ層などが余分に介装されるこ
とＫなシ、特に半導体基体の過渡的な放熱効果が低下さ
れるという欠点を有するものであシ、且つ、製造面から
みても、部品数の増加やろう何部の増加を招くことから
コストアップになるという欠点を有するものであった。

本発明の目的は、製造時及び作動時の熱歪を低減し、各
部材の変形及び熱疲労破損を防止できる絶縁型の半導体
装置を提供することにある。

本発明は、金属ろう等から成るはんだ層の熱疲労破壊は
、そのはんだ層周端部から発生し成長するという現象に
鑑みなされたもので、金属板や支持部材としての金属部
材に対向する半導体基体と絶縁部材との面の周縁部と、
該周縁部に対向する前記金属部材の表面部との少なくと
も一方に、はんだ層の端部層厚を増大形成させる如く切
欠き部又は凹部を形成することにより、はんだ層の端部
に加わる熱歪を低減し、各部材の変形及び熱疲労破壊を
防止しようとするものである。

以下、本発明の図示実施例を用いて、更に詳細に説明す
る。

第１図に本発明の適用されだ一実施例の、１，５ＫＶＡ
級電流制御用混成ＩＣの要部斜視図が示されており、第
２図には第１図図示実施例の回路構成図が示されている
。

第１図に示されたように、金属部材からなる支持部材１
１の上面にアルミナ板からなる２枚の絶縁部材１２がは
んだにより固着されている。前記絶縁部材１２上に略同
−形状の金属板１３が各々金属ろうにニジ固着されてい
る。この金属板１３上に、第２図に示された回路が形成
されており、ダーリントン接続されたトランジスタ１４
及び１５、フライホイル用ダイオード１６が夫々金属板
１３上に直接ろう付けされている。また、スナバ用チッ
プコンデンサ１７及びこれと直列に接続されたチップ抵
抗１８が載置されている。

上記の各回路素子間は配線用ワイヤ１９或いは条片２０
、配線用金属片２１によって第２図に示された回路構成
図のように接続されている。外部端子２２は金属板１３
上に直接、外部端子２３は配線用金属片２１を介して、
外部端子２４は絶縁用有機樹脂膜２５及びその上に接続
された配線用金属片２１を介して、各々接続されている
。これら外部端子と反対側の金属板１３の端部には、ド
ライバ回路２６に接続される端子２７が、絶縁用有機樹
脂膜２５上に接着された配線用金属片２１上に設けられ
ている。

このように、複数の半導体基体（トランジスタ１４．１
５及びダイオード１６）を含む回路素子が、同一の金属
板１３上に直接はんだ付けされて混成ＩＣが形成されて
いる。このように形成された実施例の金属板１３と、絶
縁部材１２と、支持部材１１との接着部の断面図が、第
３図に示されている。

第３図において、金属支持部材１１は、厚さ３、２　ｒ
ｔｒｍ　Ｘ幅６１謔×長さ１０５ｍｍの銅板から形成さ
れておシ、その上表面には、載置される絶縁部材１２の
周縁部に対向する部分に、幅３１ＩＩＩＩ＋×深さ０、
５　ｒａｎの凹部２８が形成されている。

この金属支持部材１１の凹部２８の位置に一致させて、
２枚のアルミナ板の絶縁部材１２が鉛−６０％錫はんだ
層２９にょシ接庸されている。はんだ層２９の中央部厚
さは約０．１　ｍｍであシ、凹部２８の形成された端部
厚さは約０．６ｔ＋ｍとなっている。絶縁部材１２の接
着面には周知のメタライズ処理が施され、はんだに対す
るぬれ性が付与されている。絶縁部材１２は幅２８關×
長さ３３ｍＸ厚さ０．６ｍｍに形成されたアルミナ板で
ある。

各絶縁部材１２の上には、金属板１３が、はんだ層３０
によシ接着されている。このはんだ層３０は前記はんだ
層２９と同一組成、同一厚さのものである。絶縁部材１
２のはんだ層３ｏと対向する部分には上述と同様、メタ
ライズ処理が施されている。

金属板１３は厚さ２咽の銅板から形成されておシ、その
下面の周縁部には幅３咽×深さ０．５　ｍｍの切欠き部
３１が、また上面には載置される半導体基体１４，１５
．１６の周縁部に対向する部分に、幅１．５　ｒｔｒｍ
　Ｘ深さ０．５ｍｍの四部２８がプレスによって形成さ
れている。各金属板１３の上には半導体基体１４，１５
．１６　（面積８ｍＸ８ｍｍ、厚さ０．２５　ｒｒａｎ
　）が、はんだ層３２の中央部厚さは約０．１ｍであシ
、四部２８の形成された端部厚さは約０，６咽となって
いる。なお、はんだ層３２の組成は前記はんだ層２９．
３０と同一のものである。

このように構成されていることから、つまシ熱疲労の発
生起点となるはんだ層端部の厚みが、十分厚く形成され
ていることから、混成ＩＣの製造時や動作時に、はんだ
層端部に生ずる熱応力を十分に緩和させることができ、
これによって熱歪の発生及び熱疲労を効果的に防止させ
ることができる。

従って、従来構造の絶縁型半導体装置、即ち絶縁部材上
に銅などの金属板とモリブデン片を各々はんだにより接
着し、このモリブデン片上に半導体基体がはんだによシ
接着された構造のものにあっては、絶縁部材に作用され
る熱応力を緩オロさせることができないうえ、放熱効果
が低下されるという欠点を有していたが、本実施例によ
れば、放熱効果を損うことなく各部材にがかる熱歪をは
んだ層によって吸収するとともに、はんだＭ端部の熱応
力を緩和させて熱疲労破壊を防止させることができると
いう効果がある。

特に、大型の混成ＩＣ半導体装置において上述の効果は
著しいものとなる。即ち、大型混成ＩＣにあっては発熱
量が犬きく、シかも大面積の半導体基体が大数載置され
ることから、熱拡散板として機能する金属板が必然的に
大面積のものとなるので、熱膨張差による影響は極めて
大きな障害となっていたのである。このことについて、
第４図及び第５図に示されたヒートサイクル試験は、−
５５ｔｌ：’４−Ｊｐ１５００を１ザイクルとして、連
続１５０ザイクルの条件にて行ったものである。

図中、曲線Ｂは上述の従来例の混成ＩＣを示すものであ
る。図示されたように、絶縁部側（アルミナ板〕の面積
Ｓｒが約５００ｍｍ”までは、Ａ。

Ｂともに故障発生率Ｆは０％であった。しかし、約５０
０ｍｍ２を超えると、Ｂは加速度的に故障発生率が増加
するのに対して、Ａでは依然として０％である。なお、
ここで１つ故に；＋＋とは生としてはんだ層のクラック
発生、或いは部分的剥離を生じたものである。

また、第４図において、８！が５００ｍ’以下の場合、
上記の故障こそ発生しなかったが、金属支持部材の変形
を測定してみたところ、本実施例のものの長手方向のそ
りの高さは約２０μｍであったのに対し、従来例のもの
は約０，３３〜１．５順にもなっていた。このことは、
金属支持部材とエポキシ樹脂製等の枠或いは蓄との間に
すきを生じさせる原因となるので、半導体装置の密封性
の障害となり、ひいては耐湿性の点で支障をきだす原因
となるものである。しかるに、本実施例のものは変形が
小さいことから上記の虞れは全くないという効果を有し
ている。

第５図の横軸には１枚の半導体基体の面積Ｓｓが、縦軸
には混成ＩＣの故障発生率Ｆ２が示されている。ヒート
サイクル試験の条件と、図中曲線に付された符号Ａ、Ｂ
は第４図と同様である。ただし、実験に用いた従来構造
の混成ＩＣには、モリブデン片を介装させないものが適
用されている。

図示されたように、面積Ｓ＠が約２５咽２まではＡ、Ｂ
ともに故障発生率Ｆ２は０％であったが、約２５Ｈ２を
越えると、Ｂでは加速的に故障発生率が増加するのに対
して、Ａでは依然として０％に近い水準であった。ここ
で言う故障とは半導体基体と金属板（熱拡散板）間のは
んだ層のクラック発生、あるいは部分的剥離を生じたも
のである。

なお、上記実施例においては、各はんだ層２９゜３０．
３２０熱歪を吸収させる手段として、金属支持部材１１
に四部２８を、金属板１３に切欠き部３１と四部２８と
を設けている。これらの熱歪吸収手段を全て具えること
が、信頼性を向上させるという点で好ましいのであるが
、設計的には条件に応じて、必要とする熱歪吸収手段の
みを設ければよいことは言うまでもない。例えば、はん
だｊ＠３０と３２との信頼性にのみ主眼をおいた場合に
は、金属支持部材１１の凹部２８を省略することも可能
であり、この場合にはそりを十分低減できる厚みの金属
支持部材とすることが望捷しい。

また、金属支持部材１１又は金属板１３の金属部材に形
成する熱歪吸収手段は、上記実施例で述べたプレス法の
他に、サンドブラスト法、切削加工法、エツチング法、
研磨法等によって設けてもよいが、量産性の観点からは
プレス法によるものが最も有利である。この熱歪吸収手
段は金属部材に限らず、対応する絶縁部材１２又は半導
体基体１４．１５．１６に形成しても、同様の効果が得
られることは汀うまでもない。

第６図に本発明の適用された他の実姉例の主要部断面図
が示されている。

第６図において、支持部材３４はアルミナセラミックか
ら形成されており、その下面には放熱フィン３４ａが、
上面には例えばニッケル又は銅等の４膜から成る金属層
３５が設けられている。この金属層３５の上面に、はん
だ１−３０によって金属板１３が接着されている。この
金属板１３の上面には第３図実施例と同様に、混成ＩＣ
回路等が組み立てられるのであるが、本図では説明を簡
単にするため省略されている。なお、支持部材３４は幅
２５酎×長さ３０喘のアルミナ板、はんだ層３０は鉛−
５％錫−１，５％銀はんだ、金属板１３は幅２２岨×長
さ２７ｍの銅板であり、この金属板１３にはプレスによ
って切欠き部３１が形成されている。まだ、はんだ層３
０の中央部厚みは０．１咽であり、切欠き部３８の厚み
は０，６間となっている。

このように構成すれば、支持部材３４が絶縁部材として
の機能をも兼ね具えていることから、前記第３図図示実
施例の効果に加えて、構成が簡単になるという効果があ
る。

以上、２つの実施例に基づいて本発明を説明したが、本
発明はこれらの実施例に限られるものではなく、例えば
次に述べるようなものも含まれる。

まず、金属板の材質は銅板に代えて、ニッケル、亜鉛、
アルミニウム、金、銀、パラジウム等の如く、導電性や
熱伝導性に優れた金属、あるいはそれらを主成分とする
合金を適用できる。また、金属板等に形成する四部や切
欠き部の形状は、それぞれ第７図（ａ）〜（ｄ）、第８
図（ａ）〜（ｄ）に示された形状凹部２８や切欠き部３
１等から、選択的に適用可能である。

無機絶縁部材としては、アルミナの他、窒化アルミニウ
ム（ＡｔＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ベリ
リウム（Ｂｅｄ）、炭化シリコン（Ｓ　ｉＣ）等、ある
いはこれらを成分とする混合物又は焼結体が適用可能で
ある。

はんだとしては、鉛−６０％錫の組成の他、例えば鉛−
５％錫のもの、あるいはこれらに第３成分として銀、イ
ンジウム等を含むものが使用できる。その厚さも０．１
　ｍｍに限られず、それよシ厚くても薄くてもよい。一
般にはんだ層が厚いと熱歪を良く吸収するが、はんだそ
のものの熱伝導率はさほど高くないことから、混成ＩＣ
の放熱性が低下する。上述したように、本発明によれば
熱歪の発生を抑制し得るから、はんだ層の厚さを効果的
に減少し混成ＩＣの放熱性を高めることができるという
効果がある。

金属板上に載置される半導体基体の種類又は回路構成に
関しても、任意の半導体素子（シリコン以外の半導体を
用いたものを含む〕及び回路について適用できることは
言うまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、製造時や作動時
の熱歪を低減させることができ、各部材の変形及び熱疲
労破壊を防止させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用された一実施例の絶縁型混成ＩＣ
の斜視図、第２図は第１図図示実施例の回路図、第３図
は第１図図示実施例の要部断面図、第４図及び第５図は
本発明の詳細な説明するだめの故障発生率の実験値を示
す線図、第６図は本発明の他の実施例の要部断面図、第
７図（ａ）〜（ｄ）及び第８図（ａ）〜（ｄ）はそれぞ
れ凹部及び切欠き部の変形例を示す断面図である。 １１・・・支持部材、１２・・・絶縁部材、１３・・・
金属板、１４．１５．１６・・・半導体基体、２８・・
・四部、３１・・・切欠き部、２９，３０．３２・・・
はんだ層、代理人　弁理士　高橋明、米、　Ｌ） ・什、、１ 茅　１　目 ／／ 第２　区 ヒー　　　　、−−」〜２６ ＄３　目 ／／ 第４図 βｚ（ＱｆＸ摺２） 茅５目 βＳ（酢惧り 茅　　乙　　　図 第７目 ８ ！４６目 （α）研刑し、。 ／３ （ｃｌ）　　二ｍｍし３１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金属部材に半導体基体と無機絶縁部材の少なくとも
   一方が金属ろうからなるはんだ層により接合された構造
   を有する半導体装置において、前記半導体基体と前記絶
   縁部材との前記金属部材に対向する面の周縁部と１、該
   周縁部に対向する前記金属部材の表面部との少なくとも
   一方に、前記はんだ層の端部層厚を増大形成させる如く
   切欠き部又は凹部が形成されてなることを特徴とする半
   導体装置。