JPS58102532A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS58102532A
JPS58102532A JP20098081A JP20098081A JPS58102532A JP S58102532 A JPS58102532 A JP S58102532A JP 20098081 A JP20098081 A JP 20098081A JP 20098081 A JP20098081 A JP 20098081A JP S58102532 A JPS58102532 A JP S58102532A
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谷 敬造
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村本 顕一
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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】 発明の技術分野 本発明は、半導体ペレットを鋼材に直接ダイボンディン
グする半導体装置に関し、特に大サイズのべシラトラ用
いてもペレットにクラックの発生がないなどの利点を有
する半導体装置である。
発明の技術的背景 従来、約6ffロ以下というような小サイズのシリコン
ペレットヲ、コレクタ電極となる銅片(例えばステム)
に直接はんだ付けしてダイボンディングをした場合には
、180〜350℃のはんだ付は温度から常温にもどし
ても、ペレットサイズが小さいためクラックは発生しな
い。例えば、ペレットサイズが6H口であり、はんだ付
は温度が275℃である場合の熱収縮差を計算してみる
と、シリコンペレットは熱膨張°係数αがα= 7.3
X10 ’ U’であるので約11μm収縮し、一方銅
はα=17.0X10−6℃−1であるので約25.5
μm収縮し、両者の熱収縮差は約14μmである。この
ような熱収縮差によれば、シリコンペレットは凸状に反
っている筈であるが、この歪ははんだ層の弾性変形や塑
性変形によって緩和されて、実直にはクラックを起すま
でに至らない。
しかし、シリコンペレットが約7f1ロ以上に大きくな
ると、銅とシリコンとの熱収縮差による歪は大きくなり
、シリコンペレットにかかる応力が弾性限界を越えて、
ダイボンデインク後の冷却時或はその後の工程の温度サ
イクル中に、ペレットクラックが発生する。このため、
従来は、鋼材とシリコンペレットとの中間にシリコンと
熱膨張係数αが近い例えばMo板やW板の熱緩衝板を介
してダイボンディングを行っていた。
これを第1図によって説明すると、ペレット1、熱緩衝
用Mo板2、コレクタ電極となる銅板6、セラミック絶
縁板4、放熱用銅ペース5からなり、これらははんだ層
7〜10等によって固着されている。この場合、シリコ
ンペレットが10ff口であり、はんだ付は温度275
℃であるとして、前記したと同様に、シリコンペレット
1とMo板2との間の熱収縮差を計算すると、Moの熱
膨張係数αがα=4.9〜5.lX10”℃″″1であ
るので熱収縮差は約5,4−となる。同様Mo板2と銅
板6との間の熱収縮差は約30μmとなる。従ってシリ
コンペレットに加わる応力は小さいのでクラックは起ら
ず、Mo板は大きな応力を受けるが、縦弾性係数が大き
くまたシリコンペレットの厚さよりはるかに厚い0.5
〜t、On或はそれ以上の厚さにし゛て゛あるために、
クラックや反りの発生、を抑えることかできる。
背景技術の問題点 以上のように、半導体ペレットヲ鋼材に直接ダイボンデ
ィングをするときは、ペレットに歪やクラックを発生す
るおそれがある。また、Mo板やW板など熱緩衝板を介
してダイボンディングをしたときは、半導体素子を実動
作させて発熱させると熱緩衝板による熱伝導性に損失が
生ずる。またM。
板などは高価であるので装置の原価高となるのは避けら
れない。
発明の目的 本発明の目的は、鋼材の実質的な熱膨張係数を半導体ペ
レットの熱膨張係数に近づけた、銅又は銅合金からなる
部材を具備する半導体装置を提供    。
することにある。また別の目的は、特に大サイズの半導
体ペレットであっても、ペレットに歪やり   ゛ラッ
クを生ぜずに、鋼材に直接ダイポンディングをすること
ができる半導体装置を提供すること、さらにペレットか
らの放熱特性のよい半導体装置を提供することにある。
発明の概要 既に、銅とセラミックのような非金属耐火材料と全接触
させて配置し、反応性雰囲気中で加熱して生成する共晶
を利用して両者を強靭に接合すること、接合させたもの
から回路パターンを形成すること、およびこの方法によ
り非金属耐火材料間の気密封止をすることは知られてい
る(%開昭49−17381 )。また本発明者らは、
適量の酸素を含有させた銅や銅合金と非金属耐火材料と
を、不活性ガス雰囲気中で接触加熱しても、同様な共晶
により接合することを確認している。
本発明者らは、かかる共晶によって非金属耐火材料上に
接合された銅の熱膨張係数が、シリコンなど半導体ベレ
ットのそれに著しく近づき、熱緩衝板を介在させずに4
0311110というような大サイズのペレットを直接
接合基板の銅面にダイボンディングしてもペレットクラ
ックを生じないこと、加えてペレットからの熱放散性が
向上すること見出して本発明をなすに至った。
即ち、本発明は、銅又は銅合金のシートラ、非金属耐火
材料板の少なくとも一面に接触させて配置し、加熱して
生成する共晶を利用して接合した基板と、該基板の銅又
は銅合金面にダイボンディングした半導体ペレットとを
具備することを特徴とする半導体装置である。
先ず、加熱して生成する共晶を、銅と酸素との共晶を例
にとって説明する。酸素1to、oos重量%以上0・
39重量−未満含有した銅を、1065℃に加熱すると
、α銅とCu2Oとの共融体(その温度での酸素含量は
0.39重量%である)と固体α銅とが共存する。そし
てこの共存状態は1065〜1083℃の範囲内で保持
される。この共存状態において銅はシート原形を止めか
つその表面は共融体によって濡れてくる。そしてこの共
存状態の銅シートとセラミックのような非金属耐火材料
板とを接触させて冷却すれば、シート表面の共融体はα
銅とCu2Oとの共晶となって固化し、銅シートをセラ
ミ、りに接合させることができる。
このような共晶として、上記した銅/酸素共晶以外にも
、銅/燐、銅/硫黄、その他の元素との共晶が利用でき
ることが特開昭49−17381号に開示されている。
また、銅に代えてベリリウム、ニッケル、銀、アルミニ
ウム、亜鉛、錫、鉛等との銅合金も使用できる。
共晶生成のための酸素などの元素は、特開昭49−17
381号の開示のように反応性ガス雰囲気から供給させ
てもよいが、o、oos重量%以上0.39重量−未満
の酸素を含有する銅を非反応性雰囲気中で加熱するよう
に、予め銅シートに含有させた方が量産性に富み、良質
の接合基板かえられる。
非金属耐火材料としては、アルミナ、べIJ IJア、
フォルステライト、ジルコン、マグネシア、石英、スピ
ネル等が挙げられ、共晶はこれらすべての非金属耐火材
料に対して良好な接合を示す。前記のうちでも、熱膨張
係数が半導体ペレットのそれに近いか、或はそれより小
さいものが好ましい。
発明の実施例 以下に実施例により本発明を具体的に説明する。
第2図に示す半導体素子において、基板20は、96チ
Al2O3のセラミック板(厚さ1.0 MM ) 2
1に、酸素含有量0.04重量%の電解銅箔(厚さ25
0μm)22を密着させて、コンベア一式加熱炉中に仕
込み、N気流中1070℃に10分間保持し、徐冷して
取り出して得たもので、銅箔がセラミック板に強固に接
合したものである。
この基板20上の銅表面の熱膨張係数αを測定したとこ
ろ、約11 X 10” ’C”程度であった。これは
α=7.7X10″℃−1であるアルミナによって、α
−17,0X10”℃−1の銅が実質的に熱膨張係数が
低下したものである。この11 X 10−6℃−1の
熱膨張係数をもつ基板上の銅と151110のシリコン
ペレットとの間の、温度差250℃における熱収縮差を
計算してみると約14μmであって、この程度の数値で
あればペレットクラックが生じないと予想できる。そし
て実際にダイボンディングしても割れず、その後の温度
サイクル試験(−55℃〜150℃)でも半導体装置の
特性異常が認められなかった。
基板上の銅の熱膨張係数の低下は一次的に銅シートの厚
さとセラミック片の厚さによって決まる。
その低下は、共晶の種類によってはほぼ変らず、銅・銅
合金や七ラミックの種類によっては水準が異なるだけで
ある。第6図に、アルミナ(IMM厚A曲線、2ff厚
B曲線)を用い銅厚を変えたときの熱膨張係数の関係を
示す。第3図でわかるように、銅厚が0.6H以下にな
ると(銅の弾性限界をこえたためであろう)、セラミッ
クの熱膨張係数ニ近ツイテくる。従って、最も好ましい
銅とセラミックの組合せの一例を挙げれば、2M厚のセ
ラミックに50 pm厚の銅箔の組合せであって、この
場合ペレットのはんだ付けを歪が生じないように理想的
に行えば、40jlff口以上のペレットも熱緩衝板な
しにダイボンディングできることがわかった。
次に、銅厚がIBでセラミックと同厚であり、この銅を
セラミック片面に接合した場合には、±1チ程度の反り
が生ずる。銅厚がセラミック厚以上となると更に反りが
大となり、そのためにペレットクラックが発生するよう
になる。この場合の一つの対策としては、第2図に示す
ように、セミラック板の両面に夫々銅箔22.23 (
2枚の銅箔は同厚であることが好ましい)を同時に接合
すれば反りを回避できる。また別の対策としては、IM
M厚の銅を接合するのにo、58M厚の銅箔を2枚重ね
て接合することも↓い。しかし、両面に銅を接合する場
合銅厚がセラミック厚よりはるかに厚いときは、勿論反
りはないが、ダイボンディングの時或はその後の温度サ
イクル時に、セラミ、り板の破損のおそれがある。
本発明においてダイボンディングされる半導体ペレット
の種類は制限されない。なぜならば本発明は、銅の変更
された熱膨張係数を有利に利用するものであるからであ
る。そしてまた、はんだ付け、共晶接合、ろう付け、有
機接着剤付けなど、ダイボンディングの方法によっても
本発明は制限されない。
ペレットやセラミック板のクラック或は反りなどが発生
しないという面から実用的なものと確認できたペレット
サイズ、銅厚、セラミック厚の具体的組合せ範囲を第1
表に示す。
第1表 14   0.40   0.5 15   0.50   1.0 16   0.50   2.0 このように、本発明の基板上の銅は、共晶によって接合
されたものであるので、基板上の銅の熱膨張係数が非金
属耐火材料板の熱膨張係数に近づいたものとなり、半導
体ペレットの熱膨張係数との関係において利用すること
ができる。その利用の一つとして、従来熱緩衝板を介さ
ずに銅に直接グイボンディングできるシリコンペレット
のサイズが約6m口以下であったものが、約7nロ以上
例えば401110のものを銅に直接ダイボンディング
することができる。このことは工程の単純化、高価なM
o板の不要化など半導体装置のコストダウンに寄与する
ところが大きい。なお、本発明は、銅厚とセラミック厚
との関係によって制限されると解されてはならない。
さらに本発明の装置は、熱緩衝板がないこと及び銅と絶
縁層であるセラミック板との間に、はんだ層など固着層
がないことのために、ペレット下の銅が比較的薄、いも
のであっても、熱伝導性が高く、ペレットからの熱放散
性がよい。
具体的に説明すると、第4図(&)に示す従来例の熱抵
抗Rih(J−c)=0.17〜0.22℃/W、第4
図(b)に示す参考例の熱抵抗R−0,30〜0.36
℃席、第th(j−e)− 4図(e)の実施例の熱抵抗Rth(j−c) ” 0
.22〜0.26℃席であった。ただし、41は13.
61fl1口のシリコンペレット、42は0.5ff厚
のMo板、43は3.511’ll厚のCu板、44は
0.51fl厚のアルミナ板、45は3H厚のCuベー
ス、46はCuシー) 0.251111/アルミナ 
   ′・板0.5 ynx / Cuシート0.25
 ff組合せの本発明による共晶接合基板であり、Sは
固着はんだ層である。
本発明の装置の一例として第5図(a)の回路構成のも
のを第5図(b)の構造とした電力用モジュール1挙げ
る。
発明の効果 本発明によれば、銅又は銅合金のシートが共晶によって
非金属耐火材料板に接合された基板は、基板の銅又は銅
合金表面の熱膨張係数が実質的に低下するので、銅又は
銅合金面に熱緩衝板を介さずに半導体ペレッlダイボン
デインクしてもペレットクラックを生ずるおそれがなく
、ペレットに発生する熱の放散もよく、製作工程が簡単
となり、高価な熱緩衝板を必要としないなど数々の利点
を生ずる。
【図面の簡単な説明】
第1図は熱緩衝板が必要な従来例の半導体装置を示す側
面図、第2図は本発明の実施例の半導体装置の側面図、
第6図は本発明における銅厚−セラミック厚−基板上銅
面熱膨張係数の関係を示すグラフ、第4図は従来例(同
図6))、参考例(同図(b))、実施例(同図(C)
)の熱抵抗試験試料の説明図、第5図は本発明の具体例
の回路構成歯(同図(a))及び分解斜視図(同図Φ)
)である。 特許出願人 東京芝浦電気株式会’?f      。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 銅又は銅合金のシートラ、非金属耐火材料板の少な
    くとも一面に接触させて配置し、加熱して生成する共晶
    を利用して接合した基板と、該基板の銅又は銅合金面に
    ダイボンディングした半導体ペレットとを具備すること
    を特徴とする一半導体装置。 2 基板を接合するに用いる銅又は銅合金のシートが、
    非金属耐火材料板の厚さより厚くないものである、特許
    請求の範囲第1項記載の半導体装置。
JP20098081A 1981-12-15 1981-12-15 半導体装置 Granted JPS58102532A (ja)

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JPH0376578B2 JPH0376578B2 (ja) 1991-12-05

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