JPS5846073B2 - 半導体素子支持用熱伝導性導電性支持体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の分野〉 本発明は応力除去部材に関するもので、更に詳しく言え
ば、半導体素子（発熱要素）と伝熱部材（伝熱要素）と
を熱的および電気的インピーダンスが低くかつ応力が小
さい状態で接合するために役立つ熱膨張率整合用の半導
体素子支持体に関する。

〈従来技術〉 発熱要素と伝熱要素とを電気的かつ熱的に連結して効率
的な冷却を行うために役立つ熱的インピーダンスの低い
応力除去部材は、半導体素子製造をはじめとする様々な
分野において絶えず要望されている。

従来においては、半導体素子に対する効率的な熱の除去
および低インピーダンスの電気的接続を行いながら温度
循環時の応力を低減させるため、発熱要素と伝熱要素と
の中間の熱膨張率を持った熱膨張率整合用の半導体素子
支持体が両者間に配置されてきた。

たとえば、半導体素子と銅製の伝熱要素とを接合する場
合には、タングステンおよびモリブデンのごとき材料か
ら成る中間層が半導体素子支持体として使用されてきた
。

これらの材料は割合に効果的ではあるが、最適の熱的整
合をもたらすとは言えず、しかも比較的高価である。

半導体パッケージ内において半導体素子（発熱要素）と
伝熱部材（伝熱要素）とを接合する際には、異種要素間
に信頼度の高い硬ろう界面層を使用することが望ましい
。

このようにすれば、温度循環に際して膨張および収縮を
繰返した後にかかる半導体素子支持体の界面が疲労を示
す傾向は低滅する。

しかしながら、熱膨張率が著しく異なる２種の要素同士
を接合する場合には、温度循環時の破壊が早期に起こり
易いためにかかる硬ろう界面層の使用は実行不可能であ
る。

それ故、接合すべき２種の要素がもたらす応力を効果的
に除去するような熱膨張率整合用の半導体素子支持体を
開発するために実質的な努力が行われてきた。

たとえば、シーメンス（Ｓ ｉ ｅｍｅｎｓ ’）０）
米国特許第３０９７３２９号明細書中には、２種の粉末
の焼結体から成る熱膨張率整合板が記載されている。

かかる整合板は主としてタングステンから成る第１の表
面および主として銅から成る第２の表面を有していて、
それらの間では組成が徐々に変化する。

見かけ上、この整合板は一力の側においてタングステン
の熱膨張率を有し、かつ他力の側において銅の熱膨張率
を有するから、それを用いて半導体素子と銅製の伝熱外
被部材とを結合すれば半導体素子に過度の熱応力が加わ
ることはない。

このような整合板を製造するためには加圧成形および焼
結操作が必要であって、特に焼結操作は水素雰囲気を使
用しながら１０００℃を越える温度下で行わねばならな
い。

フィッシュマン（Ｆ ｉ ｓ ｈｍａｎｎ ）等の米国
特許第３３６８１２２号明細書中には、応力除去板とし
ての機能を果たし得るやや異なった構造物が記載されて
いる。

かかる応力除去板は、一実施態様に従えば、ニッケルー
鉄−コバルト組成物であるコバール（ｋｏｖａｒ）のご
とく実質的に小さい熱膨張率を有する材料の環または帯
によって包囲された銅製の円板から成っている。

別の実施態様では、コバールのごとき熱膨張率の小さい
材料から成る大形円板の開口内に多数の銅製円板がはめ
込まれている。

フィッシュマン等の応力除去板は半導体素子に対して純
銅板よりもかなり良好な整合をもたらすけれども、フィ
ッシュマン等の特許明細書中の第１図に示された銅製の
伝熱スタッド１３との界面における応力を実質的に除去
するには至らない。

それ故、その他の点では望ましくない軟ろうの界面層を
応力除去板と伝熱スタッドとの間に使用しなければなら
ない。

〈発明の概要〉 さて本発明の好適な実施態様に従えば、第１の主要接合
面において−の熱膨張率を有しかつ第２の主要接合面に
おいて、これとは異なる他の−の熱膨張率を有する熱膨
張率整合用の半導体素子支持体が提供される。

かかる半導体素子支持体は、第１の熱膨張率を示す第１
の材料から成りかつ第１および第２の主要接合面を有す
る本体並びにその本体の第１の接合面に埋込まれた第２
の熱膨張率を示す熱膨張率調整材料製の格子から構成さ
れる結果、単独の本体材料および単独の格子材料の中間
の熱膨張率を示すことになる。

発熱性の半導体素子を銅製またはその他の伝熱性外被部
材に接合する目的にとって特に適する本発明の実施態様
に従えば、熱膨張率整合用の半導体素子支持体の本体は
熱的および電気的インピーダンスの小さい銅のごとき第
１の材料から成り、かつ一般に第１および第２の主要表
面を持ったほぼ板状の形態を有している。

この場合、第２の表面は上記の伝熱性外被部材に接合す
るため特に適するのに対し、第１の表面にはインパール
（１ｎ−ｖａｒ）のごとき熱膨張率調整材料製の格子が
埋込まれている結果として単独の銅および単独のインパ
ールの中間の熱膨張率を示す整合面が得られることにな
る。

本発明の更に別の実施態様に従えば、互いに独立に選定
可能な熱膨張率を示す複数の接合面を有しかつ同数の異
種要素同士を接合するために役立つ半導体素子支持体が
提供される。

添付の図面を参照しながら以下の説明を読めば、本発明
は最も良く理解されよう。

〈実施例の記載〉 先ず第１図を見ると、本発明の一実施態様に基づく熱膨
張率整合用の半導体素子支持体１０が示されている。

かかる半導体素子支持体１０は、第１の熱膨張率を示す
第１の塑性変形可能な材料（たとえば銅）から成る本体
１２を含んでいる。

本体１２の第１の表面１６には、熱膨張率調整材料（た
とえばインパールやその他適宜の材料）から戒る格子１
４が埋込まれている。

格子１４を表面１６に埋込むためには、格子１４を本体
１２に対して加圧することにより、本体１２の材料に常
温流れを起こさせて格子１４の開口１８内に圧入するこ
とが好ましい。

半導体素子支持体１０の総合熱膨張率は、本体１２およ
び格子１４用として選ばれた材料の種類並びに開口の面
積と半導体素子支持体材の全面積との比によって決定さ
れる。

すなわち、総合熱膨張車αＴは次式によって表わすこと
ができる。

式中、α１は本体材料の熱膨張率（前述の第１の熱膨張
率）、α２は格子材料の熱膨張率（同第２の熱膨張率）
、そしてＡ１およびＡ２はそれぞれ本体材料および格子
材料の表面積である。

また、格子材料の埋込まれた表面に対して垂直な真向に
おける本発明の半導体素子支持体の伝導率（熱伝導率ま
たは導電率）ＫＴは次式によって表わすことができる。

式中、Ａ１およびＡ２は式（１）に関連した定義した通
りであり、またに１およびに２はそれぞれ本体材料およ
び格子材料の伝導率（熱伝導率または導電率）である。

かかる半導体素子支持体の残りの部分に関する伝導率は
、勿論、本体材料の伝導率に等しい。

本発明の熱膨張率整合用の半導体素子支持体を一層容易
に理解し得るようにするため、発熱性の半導体素子をそ
れのパッケージの伝熱部材に接合する本発明の実施例を
以下に説明しよう。

通例、半導体素子はパッケージ内に封入されている。

かかるパッケージの一部として、半導体素子それ自体か
らの熱を伝導によって除去するためパッケージに取付け
られた放熱体に接続される伝熱性（かつまた場合によっ
ては低電気抵抗）の部材が含まれている。

このような伝熱部材としては、たとえば機械的手段によ
って放熱体に固定し得る銅板が使用されることがある。

本発明の説明は、かかる銅板に発熱性の半導体素子を取
付けることに関連するものである。

銅の熱膨張率は約１７×１０−６インチ／インチ／摂氏
度（℃）である。

他力、シリコンの熱膨張率は約３Ｘ１０−６インチ／イ
ンチ／摂氏度（’Ｃ）である。

シリコン製の半導体素子を銅製の伝熱部材に直接に取付
けることによって生じる応力は、正規の動作に際して半
導体素子の破砕をもたらすほどに大きい。

それ故、半導体素子と伝熱部材との間に熱膨張率整合用
の半導体素子支持体を介在させなければならない。

本発明に従えば、かかる半導体素子支持体は第１図に示
されるごとく銅製の本体から或っている。

この場合の銅はたとえば０ＦＨＣ銅であり、しかも高度
の焼なましを受けていないことが好ましい。

銅製本体の表面には、やはり第１図に示されるごとく、
熱膨張率の小さい材料（たとえば３６係ニツケル一６４
％鉄合金）から成る格子が埋込まれている。

アメックス社（Ａｍｅｘ Ｃｏｒｐ−）からインパール
の商品名で入手し得るようなかかる合金の熱膨張率は約
２Ｘ１０”−’インチ／インチ／摂氏度（’Ｃ）より小
さい。

本発明に従って製造された半導体素子支持体の熱膨張率
は、接合面における格子材料および本体材料の表面積の
比に依存する。

たとえば、接合面における本体材料および格子材料の表
面積が相等しい場合、上記の式（１）に従って計算すれ
ば９．５Ｘ１０−６インチ／インチ／摂氏度（℃）の熱
膨張率が得られる。

一層小さな熱膨張率が所望される場合には、格子材料の
本体材料に対する比を大きくすればよい。

たとえば、接合面が３３％の銅および６７％のインパー
ルによって占められる場合には７ＸＩＱ−６インチ／イ
ンチ／摂氏度（℃）の熱膨張率が得られる。

熱膨張率がこのように小さければ、発熱性のシリコン半
導体素子を本発明の半導体素子支持体に対して直接に取
付けても、上記のごとき大きな応力が生じてシリコン半
導体素子の破砕をもたらすことはない。

更にまた、シリコン半導体素子を本発明の半導体素子支
持体に接合する際、熱疲労なしに長い寿命を得る目的に
とって望ましい硬ろう界面層を使用することもできる。

本発明の上記実施例において記載されたような銅および
インパールばかりでなく、本発明の熱膨張率整合用の半
導体素子支持体においてはその他の本体材料および格子
材料を使用することもできる。

たとえば、本体材料としては銅塊外に銀、アルミニウム
およびマグネシウムも使用可能であって、特に重さが重
要な因子である場合にはマグネシウムが望ましい。

また、格子材料としてはニッケルー鉄合金以外にモリブ
デン、タングステン、炭素、ガラスおよびセラミックも
使用可能である。

なお、格子材料を容易に埋込むことができるようにする
ため、本体材料としては耐力の小さなものを選定するこ
とが好ましい。

更に、熱膨張率整合用の半導体素子支持体の製造後に熱
処理を施せば、それの熱膨張率を上記の式（１）によっ
て予測される値よりも低下させ得ることが見出された。

本体材料として銅を使用しかり格子材料としてインパー
ルを使用するような本発明の実施例に関して述べれば、
表面積の比率が５０％ずつである場合、式（１）によっ
て予測される熱膨張率は９．５Ｘ１０−’インチ／イン
チ／摂氏度（℃）である。

しかるに、７５０℃の温度下でｌ〜２時間にわたり焼結
を行った後に測定したところ、８．５Ｘ １０−６イン
チ／インチ／摂氏度（’Ｃ）の熱膨張率が得られた。

これによって達成された熱膨張率の低下は１ｏ％よりや
や太きいわけで、小さな総合熱膨張率が要求される場合
には望ましいものである。

熱処理を施すと式（１）によって予測される値を越えて
熱膨張率が低下する理由は、本体材料および格子材料の
相互拡散が起こることにあると信じられる。

たとえば、７００℃という低い温度における銅およびα
鉄の溶解度は約１．２５係である。

本発明に基づく熱膨張率整合用の半導体素子支持体は、
融通性および経済性をもって製造することができる。

好ましくは、一定配列の開口を有する所定材料製の格子
が用意される。

この場合、格子材料の全表面積のうちで開口の合計面積
が占める割合は式（１）によって決定されるものとする
。

このような格子は公知の力量に従って容易に製造するこ
とができる。

たとえば、所定材料の薄板を用意し、次いで打抜き、切
抜きまたはその他適宜の手段によってその一部を除去す
れば所望の格子が得られる。

本発明に従えば、格子材料に設けられる開口の形状は様
々に変化させることができる。

かかる開口の形状に応じ、得られた部材の熱膨張率は全
ての力量について一様であったり、あるいは接合面に対
して平行な様々の力量について相異なっていたりする。

たとえば、第１図に示されるような一定配列の円形開口
を設ければ一様な熱膨張率が得られる。

しかるに、力量に応じて変化する熱膨張率が要求される
場合には、一定配列の縞模様、長方形、正方形、三角形
などを使用すればよい。

次に、格子との合体に先立って本体の表面に清浄処理が
施される。

たとえば、本体材料として銅が使用される場合には、た
とえば塩化メチルなどによって脱脂した後、０ＦＨＣ銅
については４７５℃以−上（好ましくは５００〜７００
℃）の温度下で少なくとも約１時間の焼なましを行うこ
とが好ましい。

メンパールから成る格子の清浄処理は、１０饅塩酸溶液
および水を用いて行うのが有利である。

その後、銅が常温流れを起こして格子の開口内に侵入す
るのに十分な圧力下で加圧することにより、格子と本体
が合体させられる。

この場合、少なくとも１４０ｋｐｓｉの圧力を使用すれ
ば有利であることが判明している。

合体後、所望ならば上記のごとき熱処理操作を施しても
よい。

本発明の熱膨張率整合用の半導体素子支持体を大量に製
造する必要のある場合には、格子および本体を高圧のロ
ール間に通して本体材料中に格子を埋込むことが望まし
いと予測される。

なお、かかる圧延作業に際しては完成した半導体素子支
持体のゆがみを防止するように適当な注意を払う必要が
あり、またゆがみが生じた場合には適当な平坦化作業を
行うべきである。

随意の熱処理操作に続き、得られた半導体素子支持体を
ろう付は可能な材料（たとえばニッケル）でめっきする
ことが好ましい。

このようなニッケルめっきは無電解めっき法によって行
うのが簡便である。

半導体素子支持体にシリコン半導体素子を接合する場合
、かかるめっきは特に好ましい。

なぜなら、半導体素子と半導体素子支持体との界面にケ
イ化銅が生成し、そのために半導体素子の性能が悪影響
を受けることが防止されるからである。

シリコン半導体素子との併用が所望されるような本発明
の実施例に関して説明すれば、めっき作業に先立ち、完
成した半導体素子支持体の表面に対してたとえば塩酸を
用いた清浄処理が施される。

その後、無電解めっき法によってニッケルがめつきされ
る。

ニッケルめっき済みの半導体素子支持体はメタノールで
洗浄され、次いで好ましくはサージ電流特性を向上させ
るために銀めっきが施される。

特に大電力の用途が予定されている場合には、本発明に
従えば、半導体素子に面接合される半導体素子支持体の
表面上に厚さ数ミルの銅層を設置し、次いでかかる銅層
の表面に厚さ約５０〜２００マイクロインチのニッケル
めっきを施すことが好ましい。

更にまた、本発明に基づく単一の、熱膨張率整合用の半
導体素子支持体によって多数の要素同士を接合し得るこ
とも本発明の特徴のひとつである。

かかる目的にとって有用な半導体素子支持体２０が第２
図に示されている。

半導体素子支持体２０を構成する本体２２の材料は、第
１図の半導体素子支持体１０に関連して上記に述べたよ
うな考慮事項に従って選定することが好ましい。

本体２２の第１の表面２４には、第１および第２の格子
２６および２８が埋込まれている。

格子２６および２８は表面２４上において互いに離隔し
ており、しかもそれらの材料は相異なる熱膨張率を持っ
た発熱要素を支持するための接合面が得られるよう独立
に選定される。

たとえば、シリコン、ヒ化ガリウム、ゲルマニウムなど
から成る基板を含む半導体素子が現在製造されている。

これらの材料の熱膨張率は同一でなく、しかも２種以上
のかかる半導体素子を単一のパッケージ内に収容するこ
とはしばしば所望される。

従来技術に基づく均質な応力除去部材では、整合特性を
損することなしにそのような多素子形の構成に適用する
ことは不可能である。

しかるに、第２図の熱膨張率整合用の半導体素子支持体
はこのように相異なる熱膨張率に対しても適用し得るの
である。

そのためには、格子２６および２８に対して別種の材料
を選定するか、あるいは同じ材料を使用しながらも格子
材料の面積比率を変えることにより、相異なる総合熱膨
張率が得られるようにすればよい。

第２図の半導体素子支持体２０は一力の表面に２つの半
導体素子支持部分を持った熱膨張率整合用の半導体素子
支持体を例示するもので、各部分の熱膨張率は互いに独
立に決定されている。

同様に、半導体素子支持体２０の他力の表面にも格子を
埋込んでそれの熱膨張率を調整し得ることは勿論である
。

たとえば、下方の表面３０に特定の格子を埋込むことに
より、本体２２とは著しく異なる熱膨張率を持った材料
への接合が可能となるのである。

これまでのところ、２種の接合すべき要素間に配置され
る熱膨張率整合用の半導体素子支持体を提供する目的に
とって特に適した実施態様に関連して本発明を説明して
きたが、半導体素子のごとき発熱要素を支持しながらパ
ッケージの主要構造部品を成すような半導体素子支持体
を提供することも本発明の範囲内にある。

第３図は本発明に基づくかかる半導体素子支持体を例示
するもので、これはねじ部分３４および台座部分３６を
含むスタッド３２から成る半導体素子支持体である。

このような半導体素子支持体は中電力の半導体素子を支
持するために広く使用されていて、特にねじ部分３４の
使用によって放熱体に連結することが可能である。

従来、台座部分３６の表面３８上にはタングステン板ま
たはモリブデン板のごとき整合板が配置され、次いでそ
れに半導体素子が取付けられていた。

第１図に示されるもののような熱膨張率整合用の半導体
素子支持体を従来の整合板の代りにそのまま使用するこ
ともできるが、スタッド３２の表面３８に熱膨張率調整
材料製の格子４０を直接に埋込めばかかる整合板の必要
性を完全に排除し得ることが本発明の追加の利点である
。

格子４０の材料は第１図の材料に関連して上記に述べた
ような考慮事項に従って選定すればよく、またスタッド
３２の表面３８の総合熱膨張率は式（１）によって計算
することができる。

次の第４図には、大電力の半導体素子用として特に適し
た本発明の更に別の実施例が示されている。

完成した半導体装置４４は、周辺フランジ５０および５
２をそれぞれ有する第１および第２の塊状極片部材４６
および４８を含んでいる。

フランジ５０および５２は環状の絶縁体５４に対して気
密に接合されていることが好ましい。

かかるパッケージにおいては、従来、極片部材４６およ
び４８と半導体素子５６との間に１個以上の応力除去用
熱膨張率整合部材を配置することが行われてきた。

しかるに本発明に従えば、上記のごとくにして極片部材
４６および４８の素子支持面５８および６０に熱膨張率
調整用の格子６２および６４を埋込むことにより、半導
体素子５６を直接に接合することが可能となる。

なお、格子材料および面積比率の選定に関する上記の考
慮事項は半導体装置４４に対しても適用し得る。

第４図に示されるようなパッケージはまた、十分な応力
除去を達成するために従来必要とされてきた乾燥滑動形
の界面に代えて、半導体素子５６と極片部材４６および
４８との間に硬ろう界面層を使用し得るという追加の利
点をも有する。

本発明はまた、電気的に絶縁された構造を要求する装置
において応力除去を達成するためにも有用である。

すなわち、第５図に示されるごとく、好ましくは高い熱
伝導率および高い電気抵抗を持った材料（たとえばアル
ミナまたはべＩＪ ＩＪア）から成る絶縁基体６６にた
とえば銅から成る熱伝導性の素子支持層６８が接合され
る。

かかる接合は任意公知の手段によって行い得るが、好ま
しくは米国特許第３９９４４３０号明細書中に記載の力
法に従って行われる。

素子支持層６８の上面７０には上記のごとくにして熱膨
張率調整用の格子７２が埋込まれている結果、応力除去
部材を介在させることなく上面７０に対して半導体素子
を直接に接合することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は２つの異種要素同士を接合するために役立つよ
うな本発明の一実施態様に基づく熱膨張率整合用の半導
体素子支持体の斜視図、第２図は多数の異種要素同士を
接合するために役立つ熱膨張率整合用の半導体素子支持
体の斜視図、第３図は本発明に従って改変されたスタッ
ド形の半導体素子支持体の断面図、第４図は本発明に基
づくプレスパック形の半導体装置の断面図、そして第５
図は本発明に基づく半導体素子支持用の絶縁基体の斜視
図である。 図中、１０は熱膨張率整合用の半導体素子支持体、１２
は本体、１４は格子、１６は第１の表面、１８は開口、
２０は別の熱膨張率整合用の半導体素子支持体、２２は
本体、２４は第１の表面、２６および２８は格子、３０
は第２の表面、３２はスタッド形の半導体素子支持体、
３４はねじ部分、３６は台座部分、３８は素子支持面、
４０は格子、４４はプレスパック形の半導体装置、４６
および４８は極片部材、５０および５２は周辺フランジ
、５４は絶縁体、５６は半導体素子、５８および６０は
素子支持面、６６は絶縁基体、６８は素子支持層、７０
は素子支持面、モして７２は格子を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体素子の熱膨張率に近い値の熱膨張率をもつ熱
   膨張率調整材料製の格子を、本体の半導体素子支持面に
   埋め込んだことを特徴とする半導体素子支持用熱伝導性
   導電性支持体。 ２ 前記本体の材料が銅、銀、アルミニウムおよびマグ
   ネシウムから成る群より選ばれる特許請求の範囲第１項
   記載の支持体。 ３ 前記格子の熱膨張率調整材料がニッケルー鉄合金、
   モリブデンおよびタングステンから成る群より選ばれる
   特許請求の範囲第１項記載の支持体。 ４ 前記格子が表面積を１０〜９０饅だけ低減させる一
   定配列の円形開口を設けた薄板から成る特許請求の範囲
   第１項記載の支持体。 ５ 前記格子が一定配列の非対称的開口を設けた薄板か
   ら成る特許請求の範囲第１項記載の支持体。 ６ 前記格子が複数個あって互いに離隔して前記半導体
   素子支持面に埋め込んである特許請求の範囲第１項記載
   の支持体。