JP2000091362A - 圧接型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は特に圧接力と接触熱抵抗を低減で
きるようにした圧接型半導体装置を提供することにあ
る。 【解決手段】 半導体基体５の両主面に電極６ａ，６ｃ
を設けた半導体素子１と、前記半導体素子の両面に設け
た熱緩衝板２ａ，２ｃと、熱緩衝板の外側に設けたポス
ト電極３ａ，３ｃとを有し、ポスト電極を介して上下方
向から加圧する圧接型半導体装置において、熱緩衝板と
ポスト電極とを接合一体化し、かつ、ポスト電極の熱緩
衝板と接合する一方の面側を格子状の溝４ａ，４ｃによ
り複数の接合面３ｄに分割したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧接型半導体装置に
関わり、特に圧接力と接触熱抵抗を低減した圧接型半導
体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧接型半導体装置の構造は図１１
に示すように、半導体基体５の主表面に電極６ａ，６ｃ
を設けた半導体素子１と、半導体素子１の上下に位置
し、モリブデンまたはタングステンからなる熱緩衝板２
ａ，２ｃ、さらに、この各々の熱緩衝板２ａ，２ｃの外
側に位置するポスト電極３ａ，３ｃから構成されてい
る。これらの部材は絶縁性材料で作られた円筒形容器８
内に収納され、この円筒形容器８は金属製フランジ９
ａ，９ｃを介してポスト電極３ａ，３ｃと接合され、そ
の内部は不活性ガスで密封されている。一方、各々のポ
スト電極３ａ，３ｃの外側には、半導体素子１から発生
した熱を除去するための図示しない水冷のヒート・シン
クがあり、このヒート・シンクの外側から半導体装置１
０を加圧することにより各部材を接触させている。

【０００３】半導体装置は運転時に流れる大電流により
発熱するが、半導体素子１の耐熱温度はせいぜい１５０
℃程度であることから、半導体素子１の上下に位置した
ヒート・シンクから除熱し、いかに半導体素子１の温度
上昇を抑えるかが技術的な大きな課題となっている。特
に、半導体素子の大形化や大容量化に伴い発熱量は増大
する傾向にあり、今後の大形・大容量の半導体装置の実
用化には半導体素子の冷却が極めて重要であると言え
る。

【０００４】一方、圧接型半導体装置は図１１に示した
ような積層構造であり、各部材の接触部では必ず接触熱
抵抗が存在する。この接触熱抵抗は圧接力に依存し、圧
接力が大きくなるにしたがって低下する傾向を示すこと
が知られている。そのため、上記の圧接型半導体装置は
一般に５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の圧接力で上下方向から
加圧する必要が有り、そのための大型の加圧機構が不可
欠となっている。

【０００５】また、上記のような大きな圧接力で加圧し
た場合でも接触熱抵抗はゼロにはならず、半導体装置を
冷却するための大型の冷却ユニットも不可欠になってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような半導体装置
の圧接力や接触熱抵抗を低減する方法については幾つか
提案されている。例えば特開平５−３０４１７９号公報
では半導体素子に接する熱緩衝板に、同心円状の溝を加
工することにより応力の均一化を図っている。一般に圧
接面の端部では圧接応力が高く、逆に中央部では低くな
るため、中央部の接触熱抵抗を低減させるために必要な
応力（約５０ｋｇf ／ｃｍ^２）を付加するためには、端
部で応力が高くなる分たけ過大な圧接力を加える必要が
ある。しかし、このような方法により端部での応力集中
を緩和することにより、圧力の均一化を図ることで圧接
力を低減させることができる。しかし、低減される圧接
力はせいぜい１０〜１５％程度であり、かつ、接触熱抵
抗に関しては全く低減することができない。

【０００７】また、特開平８−１６７６２５号公報では
半導体素子の表裏面に熱緩衝板を接合することにより圧
接力の低減と接触熱抵抗の低減を図っている。本方法で
は半導体素子と熱緩衝板の間の接触熱抵抗がほぼゼロに
なり、半導体装置の熱抵抗の低減には有効である。しか
し、熱緩衝板と半導体素子では熱膨張率が異なるため、
熱緩衝板と半導体素子との接合時における加熱や、使用
時の熱サイクルにより熱応力が発生し、脆性的な半導体
素子が破壊する可能性が高い。このような半導体素子に
作用する熱応力を低減させるためには、接合温度の低温
化とともに熱緩衝板の厚さを薄くすることが有効であ
る。しかし、接合温度の低温化には限界があり、実際に
は熱緩衝板の厚さを薄くすることで対応する必要があ
る。その結果、従来では剛性の高い熱緩衝板により、半
導体基体に作用する外部からの圧接力を均一化すること
ができたが、熱緩衝板の厚さが薄くなることにより剛性
が低下し、不均一な圧接力が半導体基体に作用し、半導
体素子が破損する可能性が高い。

【０００８】本発明は上記課題を鑑みてなされたもの
で、半導体基体の温度分布や圧力分布の均一性を保つこ
とで半導体装置の高い信頼性を維持し、かつ、接触熱抵
抗および圧接力を著しく低減させた、圧接力半導体装置
およびその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、半導
体基体の両主面に電極を設けた半導体素子と、前記半導
体素子の両面に設けた熱緩衝板と、熱緩衝板の外側に設
けたポスト電極堵を有し、ポスト電極を介して上下方向
から加圧する圧接型半導体装置において、熱緩衝板とポ
スト電極とを接合一体化し、かつ、ポスト電極の熱緩衝
板との接合する一方の面側を格子状の溝により複数の接
合面に分割したことを特徴とする。

【００１０】それによって、接合体で発生する熱応力や
たわみが低減されるとともに、接触熱抵抗を低減させる
ための圧接力を低減させることができる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記ポスト電極の熱緩衝板との接合面側に形成した
格子状の溝は、前記ポスト電極の他方の面に貫通せず、
かつ、ポスト電極の中心線に対して対称の位置に形成さ
れていることを特徴とする。

【００１２】それによって、接合と一体化された接合体
に生じる変形や応力が均一化されることになる。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
の発明において、前記ポスト電極において、熱緩衝板と
接合する一方の面側に形成した格子状の溝によって区切
られた１つの接合面の一辺の長さが３０ｍｍ以下である
ことを特徴とする。

【００１４】それによって、ポスト電極と熱緩衝部材と
を、剥離面積の少ない、良好な状態で接合一体化するこ
とが可能となる。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１から３のいず
れかに記載の発明において、前記ポスト電極の格子状の
溝によって区切られた接合面のコーナー部には幅が０．
２ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上の面取りが形成
されていることを特徴とする。

【００１６】それによって、熱緩衝板からポスト電極へ
の熱伝導面積の大幅な減少を招くことなく、接合面の端
部での応力集中を緩和し、良好な接合状態を得ることが
できる。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１から３のいず
れかに記載の発明において、前記ポスト電極の熱緩衝板
との接合面側に形成した格子状の溝に対して、前記ポス
ト電極の厚さから前記格子状の溝の深さを差し引いた、
ポスト電極の残部厚さが、５ｍｍ以下であることを特徴
とする。

【００１８】それによって、圧接時の半導体素子やヒー
ト・シンクとの密着性の向上を計りつつ、接合時や組立
時に小さな外力による不要な変形を低減することができ
る。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１から５のいず
れかに記載の発明において、前記ポスト電極の熱緩衝板
と接合する一方の面側に形成した格子状の溝の幅が０．
５ｍｍ以上であることを特徴とする。

【００２０】それによって、割れや剥離が発生しにく
く、しかも接合時にろう材が溝を埋めて熱応力緩和効果
が低減するのを防止することができる。

【００２１】請求項７の発明は、請求項１から６のいず
れかに記載の発明において、前記ポスト電極の厚さに対
する前記熱緩衝板の厚さの比が、０．０５以上であるこ
とを特徴とする。

【００２２】それによって、たわみ量の少ない接合体を
得ることができる。

【００２３】請求項８の発明は、請求項１から７のいず
れかに記載の発明において、前記熱緩衝板とポスト電極
との接合体において、半導体素子と接触する熱緩衝板側
の表面粗さと、ヒートシンクと接するポスト電極側の表
面粗さが６μｍ以下であることを特徴とする。

【００２４】それによって、熱緩衝板とポスト電極とを
接合一体化することと相俟って接触熱抵抗を大幅に低減
することができる。

【００２５】請求項９の発明は、請求項１から８のいず
れかに記載の発明において、前記ポスト電極の材質が
銅、またはアルミニウム、またはこれらの金属を主成分
とする合金で、前記熱緩衝板の材質がタングステン、ま
たはモリブデン、またはこれらの金属を主成分とする合
金であることを特徴とする。

【００２６】それによって、ポスト電極は熱緩衝板との
接合一体化に際して発生する熱応力とひずみを緩和する
ことができ、熱緩衝板は外部からの圧力を半導体素子に
均一に伝達することが可能となる。

【００２７】請求項１０の発明は、請求項１から９のい
ずれかに記載の発明において、前記ポスト電極と前記熱
緩衝板との接合部に、前記ポスト電極と前記熱緩衝板と
の中間の熱膨張率を有する材料を挿入することを特徴と
する。

【００２８】それによって、ポスト電極と熱緩衝板との
接合界面に熱疲労による割れや剥離が発生するのを抑制
することができる。

【００２９】請求項１１の発明は、請求項１０に記載の
発明において、前記ポスト電極と前記熱緩衝板との接合
部に挿入する、前記ポスト電極と前記熱緩衝板との中間
の熱膨張率を有する材料は、前記ポスト電極に形成した
格子状の溝によって区切られた熱緩衝板と接合する一方
の面に合わせて分割されることを特徴とする。

【００３０】それによって、ポスト電極と熱緩衝板との
接合界面に熱疲労による割れや剥離が発生するのをポス
ト電極と熱緩衝板との接合部に挿入する材料を分割しな
い場合に比べて大幅に低減することができる。

【００３１】請求項１２の発明は、半導体基体の両主面
に電極を設けた半導体素子と、前記半導体素子の両面に
設けた熱緩衝板と、熱緩衝板の外側に設けたポスト電極
とを有し、ポスト電極を介して上下方向から加圧する圧
接型半導体装置の製造方法において、上記ポスト電極と
熱緩衝板とを接合一体化して接合体とする工程と、接合
体を加圧してたわみを付与する工程とを具備したことを
特徴とする。

【００３２】それによって、所定の接触熱抵抗値を得る
ための圧接力を低減することができる。

【００３３】請求項１３の発明は、請求項１２の発明に
おいて、前記接合体には熱緩衝板側が凹状になるたわみ
が付与されることを特徴とする。

【００３４】それによって、所定の接触熱抵抗値を得る
ための圧接力をより一層、低減することができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１に本発
明による圧接型半導体装置の構造を示す。圧接型半導体
装置は、半導体基体５の両主面に電極６ａ，６ｃを設け
た半導体素子１と、電極６ａ，６ｃの上下に位置し、モ
リブデンやタングステンからなる熱緩衝板２ａ，２ｃ
と、この各々の熱緩衝板２ａ，２ｃの外側に位置するポ
スト電極３ａ，３ｃとがたとえばろう付けなどの手段に
よって接合一体化された接合体７ａ，７ｃとから構成さ
れている。

【００３６】これらの部材は絶縁性材料で作られた円筒
形容器８内に収納され、この円筒形容器８は金属製フラ
ンジ９ａ，９ｃを介してポスト電極３ａ，３ｃと接合さ
れ、その内部は不活性ガスで密封されている。

【００３７】一方、各々の熱緩衝板２ａ，２ｃとポスト
電極３ａ，３ｃとの接合体７ａ，７ｃの外側には、半導
体素子１から発生した熱を除去するための図示しない水
冷のヒートシンクがあり、このヒートシンクの外側から
同じく図示しない外部加圧機構により半導体装置１０を
加圧することで各部材を接触させている。

【００３８】ポスト電極３ａ，３ｃの熱緩衝板２ａ，２
ｃと接合する一方の面側には、図２（ａ）〜（ｂ）に示
すようにポスト電極３ａ，３ｃの厚さ方向に格子状の溝
４ａ，４ｃを加工することで、矩形状の複数の接合面３
ｄが分割形成されており、上記格子状の溝４ａ，４ｃに
より熱緩衝板３ａ，３ｃとポスト電極２ａ，２ｃを接合
する際の加熱や、使用時に熱サイクルが負荷された場合
に、接合体７ａ，７ｃで発生する熱応力やたわみを低減
している。

【００３９】上記ポスト電極３ａ，３ｃに形成する格子
状の溝４ａ，４ｃは接合による変形や応力を均一化する
ために、ポスト電極３ａ，３ｃの中心線に対して対称形
が望ましく、このような観点から、溝４ａ，４ｃの形態
は図２（ａ）に示すような格子状が適している。なお、
図１に示したようにポスト電極３ａ，３ｃはフランジ９
ａ，９ｃを介して絶縁性容器８と接合され、半導体装置
１０内を密封状熊にするため、格子状の溝４ａ，４ｃは
ポスト電極３ａ，３ｃの外表面である他方の面までは到
達しないことが必要である。

【００４０】図３は本発明の効果として、図１に示した
本発明による半導体装置の構造を模擬し、直径１００ｍ
ｍ、厚さ約１ｍｍの半導体素子１の上下に、直径９０ｍ
ｍ、厚さ約２ｍｍのモリブデン製熱緩衝板２ａ，２ｃ
と、同じく直径８０ｍｍ、厚さ約２０ｍｍの純銅製ポス
ト電極３ａ，３ｃとを接合した接合体７ａ，７ｃを積層
し、外部から５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で圧接した場合
における半導体装置１０の接触熱抵抗を測定した結果を
示す。また、図中には比較例として、図１１に示した従
来構造を模擬し、直径９０ｍｍ、厚さ約２ｍｍのモリブ
デン製熱緩衝板２ａ，２ｃと、直径８０ｍｍ、厚さ約２
０ｍｍの純銅製ポスト電極３ａ，３ｃとを接合しない状
態で積層し、同じく外部から５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力
で圧接した場合における半導体装置の接触熱抵抗を測定
した結果も併せて示す。

【００４１】同図より、本発明により熱緩衝板２ａ，２
ｃとポスト電極３ａ，３ｃとを一体化することにより、
半導体装置１０の接触熱抵抗を従来の１／３以下に低減
できることがわかる。

【００４２】また、図４は図３の接触熱抵抗を測定した
場合と同じく、本発明による半導体装置の構造と従来の
半導体装置の構造について、従来構造と同じ接触熱抵抗
を得るために必要な圧接力を測定した結果を示す。図４
の結果から、接触熱抵抗を低減させるために最も大きな
圧接力を必要とする熱緩衝板２ａ，２ｃとポスト電極３
ａ，３ｃとの接触面を接合一体化することにより、圧接
力は従来構造の１／３程度に低減できることがわかる。

【００４３】（第２の実施の形態）下記表１には図３と
図４に示した本発明によりポスト電極３ａ，３ｃの熱緩
衝板２ａ，２ｃと接合する一方の面側に格子状の溝４
ａ．４ｃを形成し、熱緩衝板２ａ，２ｃと接合した場合
の割れ発生状況を示す。

【００４４】同実験では、ポスト電極には直径８０ｍ
ｍ、厚さ２０ｍｍの純銅、熱緩衝板には直径９０ｍｍ、
厚さ２ｍｍのモリプデンを用い、ポスト電極に形成した
格子状の溝により複数の接合面に分割された熱緩衝板と
接合する一方の面の上記接合面大きさの一辺の長さ（以
下、格子サイズと言う、図２（ｂ）のＤ）を５ｍｍから
１００ｍｍ（格子上の溝の加工なし）と変えて接合試験
を実施した。

【００４５】また、接合一体化に用いたろう材は微量な
チタンを添加した活性金属ろう材と、通常の銀ろう材の
２種類で、接合（ろう付け）温度を７００℃から９００
℃と変えて実施した。なお、活性金属ろう材は銀ろう材
に比べて融点が若干高いため、接合温度も若干高めにな
っている。また、表１では接合部を超音波により検査
し、剥離している領域の面積から表１に示すような４段
階に分けて記述した。

【００４６】

【表１】

【００４７】表１の結果より、格子状の溝を加工せずに
接合した試験体では、いずれの接合材料でも、全ての結
合温度で評価が×になった。これは、主としてポスト電
極と熱緩衝板の熱膨張差が大きいため外周部の近傍に応
力集中を生じ、外周部から発生した割れが接合界面に沿
って内部に進展したためである。

【００４８】一方、本発明によりポスト電極の熱緩衝板
と接合する一方の面側に格子状の溝を加工した場合で
は、上記の従来方法に比べて剥離面積は減少する傾向を
示しており、接合材として銀ろうを用いた場合では、格
子サイズを３０ｍｍ以下にすることにより、概ね良好な
接合状態が得られることがわかる。したがって、ポスト
電極に加工ずる格子サイズは３０ｍｍ以下に設定する必
要があることがわかる。また、活性金属ろう材では接合
温度が高いため銀ろう材に比べて大きな熱応力が発生
し、格子サイズが３０ｍｍではまだ比較的高い剥離領域
を生じるが、格子サイズを２０ｍｍ以下にした場合では
比較的良好な接合状態が得られている。活性金属ろう材
は銀ろう材に比べて高い接合強度が得られるため、活性
金属ろう材を使用する場合には、ポスト電極に加工する
格子サイズは２０ｍｍ以下に設定することが好ましいと
言える。

【００４９】（第３の実施の形態）（第２の実施の形
態）で説明したように、本発明によりポスト電極の熱緩
衝板と接合する一方の面側に格子状の溝を加工し、ポス
ト電極の一方の面を複数の接合面に分割することによ
り、接合面の割れや剥離を防止できることが明らかにな
った。しかし、表１の格子サイズを２０ｍｍとし、活性
金属ろう材を用いて８５０℃で接合した試験体（評価は
Δ）を切断し、割れの発生状況を詳細に調査した結果、
割れ（剥離）は格子状の溝により区切られたポスト電極
と熱緩衝板との接合部の端部に発生しており、一方の面
を小さな接合面に分割しても各接合部の端部には応力集
中が生じることがわかった。

【００５０】そこで、図２（ｃ）に示すように、熱緩衝
板と接合されるポスト電極のコーナー部に面取り部３ｅ
を形成し、その幅（図２（ｃ）のｗ）を種々変えて接合
試験を実施した。なお、格子サイズは表１に示した結果
で、比較的良好な接合状態が得られた２０ｍｍで行っ
た。

【００５１】下記表２には面取り部３ｅの幅（ｗ）を変
えた接合試験結果を示す。なお、表中の「面取り幅の値
が０」は面取りを施さない場合の結果を示している。同
結果より、いずれの接合条件においても面取りの幅を大
きくするほど応力集中が緩和され、良好な接合状態が得
られることがわかる。しかし、面取りの幅を大きくする
と熱緩衝板からポスト電極への熱伝導面積が減少し、半
導体素子の過熱を引き起こす可能性が高くなるので、過
剰な面取りの幅は好ましくない。表２の結果から、面取
り幅としては０．２ｍｍ以上が適正と考えられ、熱負荷
が厳しくない半導体装置については０．５ｍｍ以上が好
ましいと言える。

【００５２】

【表２】

【００５３】（第４の実施の形態）図１に示した本発明
により、ポスト電極に格子状の溝を形成させる目的は、
接合部における熱応力を緩和し割れや剥離の発生を防止
することに加えて、ポスト電極の剛性を低下させて、ポ
スト電極と熱緩衝板とを接合一体化した接合体の変形
（たわみ）を抑制することにある。このポスト電極の剛
性はポスト電極の厚さ（図２（ｃ）のｔ）から格子状溝
の深さ（図２（ｃ）のｔ_２）を引いた残部の厚さ（図２
（ｃ）のｔ_１）に大きく影響される。そこで、直径８０
ｍｍ、厚さ２０ｍｍの純銅製のポスト電極と、直径９０
ｍｍ、厚さ２ｍｍのモリブデン製の熱緩衝板を用い、ポ
スト電極に形成する格子サイズを２０ｍｍとし、溝の深
さを変えて接合試験を実施した。なお、接合材料は活性
金属ろう材を用い、接合温度は８５０℃で実施した。

【００５４】図５にはポスト電極の残部厚さ（図２
（ｃ）のｔ_１）を変えて熱緩衝板と接合した際の、ポス
ト電極と熱緩衝板との接合体のたわみ量を測定した結果
を示す。同結果より、残部厚さが小さくなるほどポスト
電極の剛性は低下し、たわみ量は減少する傾向を示すこ
とがわかる。また、このように残部厚さを低減させ、接
合体の剛性を低下させることにより、低い圧接力でも接
合体が半導体素子やヒート・シンクと良好な面接触が得
られるという利点も有している。

【００５５】しかし、残部厚さが小さくなると溝加工が
困難になるとともに、接合時や組立時に小さい外力によ
り容易に変形する可能性が高くなり、残部厚さの過度の
低減は好ましくない。図５の結果、および、圧接時の半
導体素子、ヒート・シンクとの密着性から、残部厚さは
５ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下が適正値と言える。

【００５６】（第５の実施の形熊）下記表３には直径８
０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの純銅製のポスト電極と、直径９
０ｍｍ、厚さ２ｍｍのＭｏ製の熱緩衝板を用い、ポスト
電極１に形成させる格子サイズを２０ｍｍとし、溝の幅
（図２（ｂ）のｄ）を変えて接合試験を実施した結果を
示す。

【００５７】同結果より、溝の幅が小さいと割れや剥離
を生じやすくなることがわかる。接合試験体の切断調査
を実施した結果、溝の幅が小さいと溶融状態のろう材が
毛管現象により溝の内部を充填し、溝による接合時の熱
応力緩和効果が減少することが判明した。

【００５８】このようなろう材による溝の充填は、使用
したろう材の濡れ性や表面張力および接合温度等により
異なるが、本実験の結果から溝の幅は０．５ｍｍ以上、
好ましくは１ｍｍ以上が必要なことがわかる。なお、溝
の幅が拡がるにつれて熱緩衝板からポスト電極への熱伝
導面積が減少し、半導体素子の過熱を引き起こす可能性
が高くなるので、溝の幅を過剰に拡げることは好ましく
ない。

【００５９】

【表３】

【００６０】（第６の実施の形態）図６には熱緩衝板の
厚さと熱緩衝板のポスト電極接合体のたわみ量との関係
を示す。図では直径９０ｍｍのモリブデン製熱緩衝板
と、同じく直径８０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、格子サイズ２
０ｍｍ、ポスト電極の残部厚さ５ｍｍの条件で、活性金
属ろう材を用いて８５０℃で接合後、室温まで冷却した
時に熱緩衝板とポスト電極との接合体に発生したたわみ
量を求めたものである。同図より、接合体に発生するた
わみ量は、熱緩衝板の厚さが厚くなる程低下することが
わかる。

【００６１】熱緩衝板として適していると考えられるモ
リブデンやタングステンは機械加工性が悪く、たわみ量
が大きい場合には接合体の平行度を出すための機械加工
代が増加する。図６の結果から、熱緩衝板とポスト電極
との厚さの比が０．０５以上からたわみ量は徐々に飽和
する傾向を示すことから、熱緩衝板とポスト電極との厚
さの比は０．０５以上、好ましくは０．１以上が必要と
考えられる。

【００６２】（第７の実施の形態）図７には、図１に示
した本発明の圧接型半導体装置の構造に従い、直径約１
００ｍｍの半導体素子の上下に、直径９０ｍｍ、厚さ２
ｍｍのモリブデン製熱緩衝板を、直径８０ｍｍ、厚さ２
０ｍｍの銅製ポスト電極に接合一体化した接合体を置
き、上下方向から５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で加圧した
場合の接触熱抵抗値を測定した結果を示す。なお、銅製
ポスト電極の熱緩衝板との接合面には、格子サイズの一
辺の長さ２０ｍｍ、ポスト電極の残部厚さが５ｍｍとな
るよう溝の深さを設定し、半導体素子と接触する熱緩衝
板の表面粗さと、水冷ヒート・シンクと接するポスト電
極の表面粗さを変えて測定を行った。

【００６３】図３に示したように、本発明により熱緩衝
板とポスト電極とを接合一体化することだけでも接触熱
抵抗を従来の約１／３に低減できるが、図７に示したよ
うに、接触面の表面粗さを小さくするに従い半導体装置
の接触熱抵抗はさらに低減でき、接触面の表面粗さを
０．５μｍにすることにより、半導体装置の接触熱抵抗
を１／６以下に低減できることがわかる。

【００６４】（第８の実施の形態）図８は熱緩衝板とポ
スト電極に使用する材料を選定するために実施した、代
表的な金属材料について熱抵抗と弾性率を測定した結果
を示す。熱緩衝板とポスト電極からの発熱を抑制するた
めには、これらを電気抵抗の小さい材料で形成すること
が適しており、また、半導体素子の熱をヒート・シンク
で冷却するために熱抵抗の小さい材料が好ましい。この
ような観点から熱緩衝板やポスト電極に使用する材料と
してはステンレス鋼（ＳＵＳ）やニッケル（Ｎｉ）など
は適しておらず、図８に示したような銅（Ｃｕ），アル
ミニウム（Ａ１），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），モリブデ
ン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）が適している。

【００６５】前述のように、熱緩衝板においては外部か
らの圧力を均一に半導体素子に伝達するため、弾性係数
が大きいことが重要である。図８より、このような要求
を満たす材料として銅，アルミニウム，銀，金は適して
おらず、タングステンとモリブデンで適していることが
わかる。

【００６６】一方、ポスト電極材料については、熱緩衝
板との接合に際して発生する熱応力とひずみを緩和する
ために、弾性係数の小さい材料が好ましく、このような
観点から、逆にタングステンやモリブデンは適しておら
ず、鋼，アルミニウム，銀，金が適していると言える。
なかでも、コスト的な観点から銅およびアルミニウムが
最適と考えられる。

【００６７】（第９の実施の形態）図１に示した本発明
により、ポスト電極に格子状の溝を形成させることによ
り、ポスト電極と熱緩衝板との接合体の割れや剥離およ
びたわみ量を低減できるが、ポス卜電極と熱緩衝板では
熱膨張率が大きく異なるため、大きな残留応力が発生し
ている。半導体装置の使用に際しては繰返し熱負荷がか
かるため、熱サイクルによリポスト電極と熱緩衝板との
接合界面には熱疲労により割れや剥離が発生することが
予想される。

【００６８】図９には代表的なポスト電極材料として
銅、また、熱緩衝板材料としてモリブデンを選定し、両
者の間に熱膨張率が異なる厚さ１ｍｍの板を挿入した場
合に、ポスト電極に発生する熱応力を弾性解析により算
出した結果を示す。なお、図の縦軸にはポスト電極と熱
緩衝板を直接接合した時の熱応力を１とし、熱膨張率が
異なる板を挿入した場合の熱応力値の比を取っている。
同計算結果より、ポスト電極に発生する熱応力は、熱膨
張率がポスト電極に近い板を挿入するほど低下すること
がわかる。

【００６９】そこで、直径９０ｍｍ、厚さ２ｍｍのモリ
ブデン製熱緩衝板と、直径８０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの銅
製ポスト電極を用い、ポスト電極に格子サイズが２０ｍ
ｍ、残部厚さが５ｍｍの溝を加工し、両者を接合した場
合（表４の実施例Ｉ）、両者の間に直径８０ｍｍ、厚さ
１ｍｍ、熱膨張係数が約１１×１０−６／℃の銅／タン
グステン合金板を挿入して接合した場合（表４の実施例
II）、およびポスト電極と熱緩衝板の接合部に格子サイ
ズと同じ大きさの２０ｍｍ×２０ｍｍで厚さが１ｍｍの
同材を各接合面に対応させて挿入して接合した場合（表
４の実施例III）の３種類の試験体を製作し、ヒート・
サイクル試験を実施した結果を表４に示す。なお、熱サ
イクル試験は−５０℃と１５０℃の間を繰返し、一定サ
イクル毎に割れおよび剥離状況を超音波により評価し
た。

【００７０】表４の結果から、実施例Ｉと実施例IIでは
１×１０３サイクル後に、接合界面に微細な割れの発生
が確認されたが、分割型試験体では５×１０３サイクル
後でも割れや剥離は検出されず、中間熱膨張率材料の挿
入による接合部の熱疲労特性の向上が確認された。

【００７１】

【表４】

【００７２】（第１０の実施の形態）図５、図６に示し
たように、本発明によりポスト電極に格子状の溝を加工
し、熱緩衝板と接合した場合でも、両者の熱膨張率との
差によりポスト電極と熱緩衝板との接合体にはわずかな
たわみが発生する。使用時においては接触面における接
触熱抵抗を低減させるために、ポスト電極と熱緩衝板と
の接合体は平行かつ平滑にする必要があり、その分大き
な圧接荷重が必要になる。

【００７３】そこで、直径９０ｍｍ、厚さ２ｍｍのモリ
ブデン製熱緩衝板と、直径８０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの銅
製ポスト電極を用い、ポスト電極に格子サイズが２０ｍ
ｍ、残部厚さが５ｍｍの溝を加工し、ポスト電極と熱緩
衝板を接合した試験体を作成した。この段階では、ポス
ト電極と熱緩衝板との接合体には０．６ｍｍ程度のたわ
みが生じ、また、熱緩衝板に比べてポスト電極の方が熱
膨張率が大きいため、その接合体はポスト電極側が凹面
形状になっている。

【００７４】実施例Ｉでは、そのままの状態で半導体装
置内に組み込み、図１１に示した従来構造の半導体装置
と同じ圧接力（５０ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧した時の接
触熱抵抗値と、従来構造の半導体装置と同じ接触熱抵抗
を得るために必要な圧接力を測定した。

【００７５】実施例IIでは、ポスト電極と熱緩衝板との
接合体を上下方向から加圧し、加圧状熊でその接合体の
上下面が平行・平滑になっているが、除圧後では弾性変
形分がスプリングバックし、約０．２ｍｍ程度のたわみ
が残留している。

【００７６】さらに、実施例III ではポスト電極と熱緩
衝板との接合体を球面座に押しつけ、除圧後には熱緩衝
板側に約０．１ｍｍのたわみを強制的に与えた。つま
り、熱緩衝板側に凹状になる変形を与えた。

【００７７】図１０には実施例Ｉ、実施例IIおよび実施
例III の接触熱抵抗と圧接力の測定結果を示す。同図で
は実施例Ｉの場合の接触熱抵抗値と圧接力を基準とし、
実施例IIおよび実施例III の接触熱抵抗と圧接力は実施
例Ｉの値に対する比で表してある。

【００７８】図１０の結果より、実施例IIの接触熱抵抗
値は実施例Ｉとほぼ同じ値を示しているが、圧接力は実
施例Ｉの７５％程度の値を示しており、加圧変形させる
ことにより圧接力が低減できることが確認された。ま
た、実施例III では接触熱抵抗値は実施例Ｉの約８５
％、圧接力は実施例Ｉの６０％程度の値を示しており、
ポスト電極と熱緩衝板との接合体に、熱緩衝板側に強制
的にたわみを付与することにより、さらに圧接力を低減
できることがわかる。これは球面座上で変形させること
により変形を均一化できるとともに、使用時の温度上昇
によりポスト電極が膨張するため、使用時にはポスト電
極と熱緩衝板との接合体のたわみがほとんどゼロになる
ためである。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、接触熱抵抗が著しく小
さい半導体素子を製造することが可能となり、冷却ユニ
ットの大幅なコンパクト化と低コスト化が可能になる。
さらに、半導体素子を均一に冷却でき、かつ、外部加圧
力を半導体素子に均一に付加することも可能であり、信
頼性の高い半導体装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示すによる圧接型半導
体装置の構造模式図。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は同じく圧接型半導体装置に用
いるポスト電極表面に形成する溝の形状模式図。

【図３】本発明と従来構造の半導体装置における接触熱
抵抗を比較したグラフ。

【図４】本発明と従来構造の半導体装置における圧接力
を比較したグラフ。

【図５】たわみ量と残部厚さとの関係を示すグラフ。

【図６】ポスト電極と熱緩衝板との接合体のたわみ量に
及ぼす熱緩衝板厚さの影響を示すグラフ。

【図７】本発明と従来構造の半導体装置の接触熱抵抗に
及ぽす表面粗さの影響を示すグラフ。

【図８】ポスト電極および熱緩衝板候補材料の熱抵抗値
と弾性係数とを比較したグラフ。

【図９】熱膨張率と熱応力の関係を示すグラフ。

【図１０】加圧成形による熱抵抗、圧接力の変化を示す
グラフ。

【図１１】従来の圧接型半導体装置の構造模式図。

【符号の説明】

１…半導体素子 ２ａ，２ｃ…熱緩衝板 ３ａ，３ｃ…ポスト電極 ４…溝 ５…半導体基板 ６ａ，６ｃ…電極 ７ａ，７ｃ…接合体 ８…絶緑性容器 ９ａ，９ｃ…金属フランジ １０…半導体装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 犬飼 隆夫 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 永田 晃則 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 草野 貴史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 Ｆターム(参考） 5F005 BA02 GA01 GA02 5F047 JA02 JA08 JA12 JA13 JA14

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基体の両主面に電極を設けた半導
   体素子と、前記半導体素子の両面に設けた熱緩衝板と、
   熱緩衝板の外側に設けたポスト電極とを有し、ポスト電
   極を介して上下方向から加圧する圧接型半導体装置にお
   いて、 熱緩衝板とポスト電極とを接合一体化し、かつ、ポスト
   電極の熱緩衝板と接合する一方の面側を格子状の溝によ
   り複数の接合面に分割したことを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記ポスト電極の熱緩衝板との接合面側
   に形成した格子状の溝は、前記ポスト電極の他方の面に
   貫通せず、かつ、ポスト電極の中心線に対して対称の位
   置に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半
   導体装置。
3. 【請求項３】 前記ポスト電極において、熱緩衝板と接
   合する一方の面側に形成した格子状の溝によって区切ら
   れた１つの接合面の一辺の長さが３０ｍｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記ポスト電極の格子状の溝によって区
   切られた接合面のコーナー部には幅が０．２ｍｍ以上、
   好ましくは０．５ｍｍ以上の面取りが形成されているこ
   とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導
   体装置。
5. 【請求項５】 前記ポスト電極の熱緩衝板との接合面側
   に形成した格子状の溝に対して、前記ポスト電極の厚さ
   から前記格子状の溝の深さを差し引いた、ポスト電極の
   残部厚さが、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項
   １から３のいずれかに記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 前記ポスト電極の熱緩衝板と接合する一
   方の面側に形成した格子状の溝の幅が０．５ｍｍ以上で
   あることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載
   の半導体装置。
7. 【請求項７】 前記ポスト電極の厚さに対する前記熱緩
   衝板の厚さの比が、０．０５以上であることを特徴とす
   る請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置。
8. 【請求項８】 前記熱緩衝板とポスト電極との接合体に
   おいて、半導体素子と接触する熱緩衝板側の表面粗さ
   と、ヒートシンクと接するポスト電極側の表面粗さが６
   μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいず
   れかに記載の半導体装置。
9. 【請求項９】 前記ポスト電極の材質が銅、またはアル
   ミニウム、またはこれらの金属を主成分とする合金で、
   前記熱緩衝板の材質がタングステン、またはモリブデ
   ン、またはこれらの金属を主成分とする合金であること
   を特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の半導体
   装置。
10. 【請求項１０】 前記ポスト電極と前記熱緩衝板との接
    合部に、前記ポスト電極と前記熱緩衝板との中間の熱膨
    張率を有する材料を挿入することを特徴とする請求項１
    から９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 【請求項１１】 前記ポスト電極と前記熱緩衝板との接
    合部に挿入する、前記ポスト電極と前記熱緩衝板との中
    間の熱膨張率を有する材料は、前記ポスト電極に形成し
    た格子状の溝によって区切られた熱緩衝板と接合する一
    方の面に合わせて分割されることを特徴とする請求項１
    ０記載の半導体装置。
12. 【請求項１２】 半導体基体の両主面に電極を設けた半
    導体素子と、前記半導体素子の両面に設けた熱緩衝板
    と、熱緩衝板の外側に設けたポスト電極とを有し、ポス
    ト電極を介して上下方向から加圧する圧接型半導体装置
    の製造方法において、 上記ポスト電極と熱緩衝板とを接合一体化して接合体と
    する工程と、接合体を加圧してたわみを付与する工程と
    を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記接合体には熱緩衝板側が凹状にな
    るたわみが付与されることを特徴とする請求項１２記載
    の半導体装置の製造方法。