JPS5982734A - 絶縁型半導体装置 - 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】 本発明は半導体素子が、それを搭載する金属支持板と電
気的に絶縁された構造の絶縁型半導体装置に係り、特に
、耐熱サイクル寿命に優れた絶縁型半導体装置に関する
。

従来、半導体装置の金属支持板は半導体装置の一電極を
兼ねる場合が多かった。近年、半導体装置の全ての電極
を金属支持板から電気的に絶縁し、半導体装置の回路適
用上の自由度を増すことのできる構造が出現している。

例えば、双方向性３端子サイリスタ（トライアック）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
パッケージに封入した絶縁型トライアックでは、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
と絶縁されて外部へ引出される。そのため、一対の主電
極が回路上の接地電位から電気的に浮いている使用例で
あっても電極電位とは無関係にパッケージを接地電位部
に固定できるので、半導体装置の実装が容易になる。

また、混成集積回路装置あるいは半導体モジュール装置
（以下、混成ＩＣと一括して略称する）では、一般に、
半導体素子を含むあるまとまった電気回路が組込まれる
ため、その回路の少なくとも一部と混成ＩＣの金属支持
板あるいは放熱部材等の金属部とを電気的に絶縁する必
要がある。代表的な混成ＩＣでは、金属支持板上に無機
質あるいは有機質の絶縁層を配置し、この絶縁層上に所
定の電気回路を組立てることにより、上述の絶縁を達成
している。このような混成ＩＣも、また、絶縁型半導体
装置である。

一方、半導体装置を安全、かつ、安定に動作させるため
には、半導体装置の動作時に生ずる熱をパッケージ外部
に有効に放散させる必要がある。

この熱放散は通常、発熱源である半導体素子からこれと
接着された各部材を通じ、気中へ熱伝達させることで達
成される。絶縁型半導体装置では、この熱伝導経路中に
絶縁層及び絶縁層と半導体素子を接着する部分等に用い
られた接着材層を含む。

また、半導体装置を含む回路の扱う電圧が高くなればな
るほど、あるいは要求される信頼性（経時的安定性、耐
湿性、耐熱性等）が高くなればなるほど、完全な絶縁性
が要求される。上述の耐熱性には半導体装置の周囲の温
度が外因により上昇した場合の他、半導体装置の扱う電
力が大きく、半導体素子で発生する熱が大きくなった場
合の耐熱性も含む。

絶縁型半導体装置内での発熱が比較的小さく、かつ、耐
圧や要求される信頼性がさほど高くない場合には、絶縁
層や接着材層としてどのようなものを用いても問題はな
い。しかし、発熱が大きい場合や信頼性に対する要求が
高い場合は、絶縁層としてセラミックスのような無機質
材料が選択される。また、接着材層として、例えば、鉛
−錫系はんだのような金属ろうが選択される。有機材料
では末だ耐熱性や信頼性の点で不安が残るからである。

その場合、次のような解決すべき問題点があった。一般
に絶縁型半導体装置では、半導体素子は絶縁層上に直接
ではなく、半導体素子と外部の電源とを結ぶ導電路及び
半導体素子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増付けられる。この金属板とし
ては銅等の低抵抗、高熱伝導性のものが選ばれる。とこ
ろが、この金属と半導体素子や絶縁層とは熱膨張係数が
大幅に異なる。例えば、半導体がシリコン、絶縁層がア
ルミナである場合、熱膨張係数は各々３．５Ｘ　１　ｏ
Ｊ／℃、６．３Ｘ１０−’／℃であるのに対し、銅の熱
膨張係数は１８　Ｘ　Ｉ　Ｑ−’／ｌ：、と極めて太き
い。この場合の問題点の第１は、この熱膨張係数の差に
よって、絶縁型半導体の製造時に半導体素子を上述の金
属板にはんだ付けした時に生ずる。

即ち、金属板、半導体素子をはんだ層を介して積層した
後、はんだの融点以上まで温度を上昇させ、室温まで冷
却してはんだ付けするが、冷却工程ではんだの凝固点で
各部材が互いに固定される。その後は凝固したはんだに
より固定された状態で、各部材固有の熱膨張係数に従っ
て収縮する。この時、上述の熱膨張係数の差によって各
部材の収縮量が異なり、各部材の接合部に、いわゆる、
熱歪が残留する。熱歪はそれが小さい時は、最も軟らか
い部材であるはんだ層で吸収されるが、吸収しきれない
時には接合部、従って接着された各部材が変形するに至
る。特に、半導体素子の変形は半導体装置の電気的特性
を損うと共に、機械的にもろい性質をもつ半導体素子を
破損させる恐れが生じる。

問題点の第２は、この種半導体装置の使用時に生ずる。

即ち、半導体装置の通電、休止動作に伴って、上述の接
合部には高温状態（約１００〜１５０℃）と低温状態（
周囲温度）・か繰返し訪れる。このような高温−低温の
繰返しくその１周期を熱サイクルと呼ぶ）毎に、各部材
はそれらに固有の熱膨張係数で膨張、収縮を繰返す。各
部材は互いに固着されているから、各部材の熱膨張係数
の違いに基づく膨張、収縮量の差は、最も軟かい部材で
るるはんだ層に加わる熱歪となって現われる。そして、
熱サイクル数が多くなると、はんだ層は引張り歪、圧縮
歪の周期的、かつ、塵室なる印加により、次第に脆くな
り、ついには熱疲労現象を生じるに至る。例えば、はん
だ層にクラックが生じ、接着力の低下空気及び熱伝導性
の低下等を引き起こす。このような現象ははんだ層の露
出端面で顕著である。

第１の問題点、特に、半導体素子に加わる応力を緩和す
るために、半導体素子と金属板との間に、熱膨張係数が
半導体素子のそれと比較的近似した金属片、例えばモリ
ブデン片等を介装させることが知られている。しかし、
このような対策は半導体素子の劣化防止には役立つもの
の、その他の部材の変形防止には効果がない。また、第
２の問題点の解決に対しては無力である。更に、部品点
数の増加、ろう付は部分の増加を招き、コスト、放熱性
の点でも問題があった。また、第１及び第２の問題点を
避けるために、金属支持板にはんだ付けされる絶縁層の
表面にはんだがぬれない非金属化領域を設けることが知
られている。しかし、このような対策は、本発明者らの
検討結果によれば、第１の問題点に対しては若干の効果
を見出し得るが、第２の問題点に関してはあまり効果的
でない。

また、放熱性の点でも問題があった。

本発明の目的は、製造時あるいは運転時に生ずる熱歪を
低減し、各部材の変形、変性、あるいは破壊の恐れがな
く、特に、第２の問題である耐熱サイクル性に優れた絶
縁型半導体装置全提供するにある。

本発明の特徴は、絶縁性半導体装置において、無機絶縁
部材上に金属ろうを用いて金属板を接着し、この金属板
上に直接金属ろうを用いて半導体素子を接着し、この際
、金属板の厚さをＱ、　５　ｍ　ｍ〜１．５ｍｍの範囲
内にするにある。

本発明において、金属板は半導体素子に対する導′成路
及び半導体素子で発生した燃を絶縁部材及びこれと連な
って配置されている放熱フィン等の放熱手段へ効果的に
伝達するための熱拡散板として働く。特に、大容量の混
成ＩＣでは半導体素子の発熱が著しいために、大きな熱
拡散板を必要とすること、また複数の半導体素子が用い
られるということもあって、金属板の面積、従って、絶
縁部材との接着面積は小容量混成ＩＣの場合に比較して
非常に大きくなる。また、大容量の混成ＩＣでは大電流
を扱う関係上、半導体素子の面積、従って、金属板との
接着面積も小容量混成ＩＣの場合に比べて著しく大きく
なる。このような場合、介装された金属ろうの耐熱サイ
クル性を向上させるためには金属板の厚さを調整する必
要がめることがわかった。

以下、本発明を混成ＩＣを例にとり更に詳細に説明する
。

第１図に本発明の一実施例の１．５ｋＶＡ級電流制御用
混成ＩＣの要部斜視図を示す。図において金属支持板１
上に２枚のアルミナ板２が並んで接着され、各アルミナ
板２上に金属板３が各々接着されている。なお、第１図
では図面の簡単化のために各部材間の金属ろうは図示さ
れていない。

金属板３上には、第２図に示す回路が組立てられている
。即ち、ダーリントン接続されたトランジスタ４０１及
び４０２、フライホイル用ダイオード４０３が各々金属
板３上に直接はんだ付けされている。また、スナバ用チ
ップコンデンサ４０４及びこれと直列に接続されたチッ
プ抵抗４０５が載置されている。各回路素子間は配線用
ワイヤあるいは条片４４０、配線用金属片４３０によっ
て第２図に示す回路図のように接続されている。金属板
３の第１図上手前側には外部端子４１０１　。

４１０２及び４１０３が設けられる。外部端子４１０１
は金属板３上に直接、４１０２は配線用金属片４３０を
介して、４１０３は絶縁用アルミナ板４２０及びその上
に接着された配線用金属片４３０を介してそれぞれ設置
されている。また、金属片３の第１図上これら外部端子
と反対側の端部には、ドライバ回路４０６に連なる端子
４１１が絶縁用アルミ（９） す板４２０上に接着された配線用金属片４３０上に設け
られている。

本実施例において重要なことは、金属板３が電気及び熱
の良導体である点、金属板３の大きさがアルミナ板２と
略同じであり、その上に全ての回路素子が載置されてい
る点、半導体素子（トランジスタ４０１，４０２及びダ
イオード４０３）が金属板３上に直接はんだ付けされて
いる点である。

以下、これらの点について説明する。

第３図に本実施例の構造のうち、金属支持板１から半導
体素子４０２　（４０１，４０３は省略）に至る部分の
みの断面を模式的に示す。第３図において、金属支持板
１は厚さ３．２　ｍ　ｍの銅板、絶縁板２は２８Ｘ３３
Ｘ０．６’のアルミナ板、また金属板３は本発明の最も
重要な部材であり、厚さ０．３〜３ｍｍの銅板である。

半導体素子を含むこれらの部材を各々厚さ１００μｍの
Ｐｂ−６０Ｓｎ系はんだにより一括接着した。なお、ア
ルミナ板２の接着面にはＷメタライズが、さらにその上
ＫＮｉめつきが５μｍ施され、はんだに対するぬれ（１
０） 性が付与されている。本実施例構造の熱サイクル試験結
果を次に述べる。

第４図は金属板の厚さと耐温度サイクル寿命の関係を示
すグラフである。なお、熱サイクル条件は一５５〜＋１
５０℃で、耐熱サイクル寿命は熱抵抗が初期値の１．５
倍に達した時点の熱サイクル数とした。第４図から、耐
熱サイクル寿命は、金属板が最も厚い３．２　ｍ　ｍの
場合には、１００回であり、また２ｍｍの場合には１４
０回で、これよりも金属板が薄い場合に比べて耐熱サイ
クル寿命は短かい。しかし、金属板の厚さが１．５　ｍ
　ｍ以下では耐熱サイクル寿命は急激に向上し、厚さ０
．５ｍｍでは９５０回、またＱ、　３　ｍ　ｍでは約１
１００回にも達しており、金属板が薄いほど耐熱サイク
ル性が優れていることがわかる。また、１．５ｋＶＡ級
混成ＩＣの信頼性はモードルに組込んで使用した実技か
ら耐熱サイクル寿命にして２００回以上が必要であるが
、第４図から耐熱サイクル寿命２００回を満足するだめ
の金属板の厚さは１．５ｍｍ以下であればよいことがわ
かる。

（ｎ） また、金属板の厚さか０．３〜１．５　ｍ　ｍの場合は
、厚さがこれ以上の場合に比較して金属支持板の反りの
大きさという点で勝っていた。即ち、混成ＩＣ完成後、
金属板の厚さが０．３〜１．５　ｍ　ｍの範囲では、金
属支持板１の長手方向での返りは高さで表わすと約２０
〜４５μｍであったが、金属板の厚さがこれよりも厚い
範囲（２〜３ｍｍ）では約０．２７〜１．６ｍｍにもな
った。

このような反りは、金属支持板のアルミナ板が接着され
た部分の外周部にエポキシ樹脂等の枠あるいは蓋を設置
する時に、枠あるいは蓋と金属支持板との間にすき間を
生ずるので密封性、従って耐湿性の点で好ましくない。

本実施例によれはこれらの欠点は生じない。

次に、半導体素子の発熱温度と信頼性の関係について述
べる。混成ＩＣが正常に作動するためには素子の発熱温
度をある一定温度以下にすることが重要である。例えば
１．５ｋＶＡ級混成ＩＣでは、半導体素子の温度が１２
５℃以上になると、発生した熱によって作動が不安定に
なったり、極端な（１２） 場合には、素子の破壊や装置の破損につながる恐れがあ
るので、素子の温度は１２５℃以下にする必要がある。

第５図は金属板の厚さと半導体素子の温度との関係を示
すグラフである。半導体素子の温度は、金属板の厚さが
Ｑ、　３　ｍ　ｍでは約１８０℃で素子の発熱限界温度
を超えているが、金属板が薄くなるとともに素子の温度
は少しずつ低下しており、厚さ２ｍｍでは８０℃である
。これ以上厚くしても温度が低下する効果は小さい。ま
た、この図から半導体素子の温度を１２５℃以下に保つ
ことができる金属板の厚さはＱ、５ｍｍ以上厚ければよ
いことがわかる。

以上の結果から、最適な金属板の厚さを求めると次の通
りである。即、ち、耐温度サイクル寿命２００回以上を
満足する金属板の厚さは１．５　ｍ　ｍ以下であること
及び、半導体素子の温度が１２５℃以下であるための金
属板の厚さは０．５ｍｍ以上必要なこととを併せて考慮
すると、両方を満足する金属板の厚さは０．５〜１．５
　ｍ　ｍの範囲が最適で（１３） ある。更につけ加えるなら、上述した金属板の厚さが０
．５〜１．５　ｍ　ｍの範囲内であれば金属支持板の反
りも小さい利点がある。

なお、本実施例では金属板に銅板を用いたが、銅板の代
りにニッケル、亜鉛、アルミニウム、金、銀、パラジュ
ーム等、眠気伝導性や熱伝導性に優れた金属あるいはこ
れらを主成分とする合金を用いることができる。また、
本実施例で使用したのははんだ鉛−６０係錫の組成（厚
さＱ、ｌ　ｍｍ　）であるが、これ以外の、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
、インジューム等を含むものが使用できる。その厚さも
０．１ｍｍに限らず、それよりも厚くても薄くてもよい
。

本発明によれば、耐熱サイクル寿命に優れた絶縁型半導
体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は本発明の一実施例の混成ＩＣのそれ
ぞれ斜視図及び側面図、第２図は混成ＩＣの電気回路図
、第４図は本発明の実施例に々る金属板の厚さと耐熱サ
イクル寿命の関係を示す図、（１４） 第５図は金属板の厚さと半導体素子の温度との関係を示
す図である。 （１５） 第１図 第２図 し−一−−−ヒー博θ乙 第３　目 第４−　口 金１板の４之　く凰ｑへ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体素子、この半導体素子を搭載する金属板、こ
   の金属板を搭載する絶縁板及びこの絶縁板を載置する金
   属支持板の各々をろう材を用いて一体化した絶縁型半導
   体装置において、前記金属板の厚さを０．５〜１．５　
   ｍ　ｍにしたことを特徴とする絶縁型半導体装置。