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1. (WO1979000302) SEMICONDUCTOR DEVICE
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明 細 書

発明の名称

半導体装置

技術分野

本発明は半導体装置に関 し、 特に放熱性が改善され た半導体装置に関する ものである。

背景技術 '

半導体装置及びそれを実装 した電子回路装置に於い ては近時顕著 速度で高集積化が進め られ、 その結果 半導体の電力消費密度が増大した。 一方高出力の半導 体装置は多量の熱を発生する も のである。従って、半 導体素子の適切な放熱、 云いかえれば半導体装置の適 切 ·な冷却は半導体装置並びに電子回路装置の必須条件 と るつてきた。

従来か ら半導体装置例えば大型半導体集積回路素子 に用い られている容器の先行技術の第 1 例(米国特許 第 3 8 7 2 5 8 3 号)を第 1 図に示す。

同図において、 1 1 はセラミック基板、 1 2 は半導 体素子、 1 3 はメタライズ配線層、 1 4 は外部接続端 子、 1 5 はセラミック枠、 1 6 は蓋、 1 7 は円筒状放 熱用ス タッド、 1 8 は放熱用 フィンである。

半導体素子 1 2 はセラミック基板 1 1 の一主面の中 央部の凹部へ収容され鎩材に よって固着される。 又該 半導体素子 1 2 のワイヤンディング · ハ° ッドからは リード線が導出 され、メタライズ配線層 1 3 の内端へ

-BUREAU

OMP1

、 wiPO ^ 接続され、 又 メタラィズ配線層の外端は外部接続端子

1 4 へ接続される 。又蓋 1 6 がセラミック枠 1 5 へ固 着されて、 半導体素子 1 2 は凹部内に気密封止される c 又、 放熱用ス タツド 1 7 はセラミック基板 1 1 の他主 面に設け られた メタライズ層へ固着され、 該放熱用ス タ ツ P 1 7 へ放熱フィン 1 8 を E入してスタツド上に 固定される

こ のよ > 搆造を有 した容器へ半導体素子が収容さ れてる る半導体装置においては、 その動作状態におけ る半導体素子 1 2 からの発熱はセ ラミック基板 1 1 を 介 して放熱用 スタッド 1 7 、放熱用フィン 1 8 へ導カゝ れ る o しかし、セラミックの熱伝導性が比較的低いの で、 セラミック基板の充分な放熱は期待 し得な い。一 方セ ラミック素子 1 2 とセラミック基板 1 1 或はセラ ミ ック基板 と放熱用ス タッ F 1 7 は相互に強 く固 着されて るので、 セラミック基板 1 1 と放熱用スタ ッ 1 7 間の熱膨張係数の差に よってセラミック基板 1 1 に熱的応力が発生する と、セラミック基板にクラ ッ クを生ぜしめると同時に半導体素子 1 2 にもクラッ ク を生じ易い 0

又、 放熱用 フィン 1 8 を放熱用スタツド 1 7 へ圧入 する だけで確実に挿入 しょうとする場合に、放熱用 フ イ ン 1 8 の内径と放熱用スタツド 1 7 の外径とを 1 / 1 0 0 匸應〕程の寸法精度をもって形成し ¾ くてはなら い。 このような高い寸法精度を有する部品間 におい

て圧入が行 われる と、 セラミック基板 1 1 及び外部 接続端子 1 4 へ機械的に大き な圧力が及ぼされ、 これ らの破壊 ,変形等を生ずる恐れがあ る 。

上述の欠点除去を 目的として、本発明の出願人は下 記に述べる半導体装置を提案 している 。第 2 図はその 先行技術の第 2 例(特開昭 5 0 - 1 3 9 6 7 4 ) を示 す。 第 2 図において、 セラミック基板のほぼ中央部に 穿設 した貫通孔内に半導体素子を有する半導体装置に おいて、 上記貫通孔の一方の開口 を覆ってセ ラ ミック 基板の ^主面にベ リリア板が固着され、 該ベ リリア板 の一面 と上記セ ラミック基板の貫通孔と によ 1) 形成さ れた凹部底部に無酸素銅板及びモ リブデン板を介して 半導体素子が固着され、 上記ベ リリア板の他面に俛、の 無酸素銅板を介して放熱用 スタ ッドが固着され、 さら に放熱用ス タ ッドに放熱用 フィンがねじ止めされ、又 上記セ ラミック基板の他の主面に半導体素子の ワイヤ ボ ンディング · ハ。ッドょ導出された外部接続端子が 設け られている。

第 2 図において 2 1 はセ ラミック基板、 2 2 は半導 体素子、 2 3 はメタライズ配線層、 2 4 は外部接続端 子、 2 5 はセ ラミック枠、 2 6 は蓋、 2 7 は放熱用ス タ ッド、 2 8 は放熱用フィン、 2 9 は両面モリプデン メ タライズされたベリリア(酸ィ匕ベリリウム: B e O ) 板、 3 0 はモリプデン板、 3 1 , 3 1'は無酸素銅板で ある 。

半導体素子 2 2 はセラミック基板 2 1 の中央部に設 け られた貫通孔において、 該セ ラミック板 2 1 の一方 の主面に固着されたべ リリア板 2 9 に、モリブデン板 3 0 及び無酸素銅板 3 1 を介して固着される。

又、 半導体素子 2 2 のワイヤボンディング · ッド か らは、例えばア ルミ二ゥム ^ らるるリード線が導出 され、 例えばタ ンダステン表面に金メツキされたメタ ラ イズ配線層 2 3 の内端へ接続され、 メ タライズ配線 層 2 3 の外端は例えばコ パー ルよ ]? ¾ る外部接続端子 2 4 へ接続される。

又、 例えばコ バ一ルから ¾る蓋 2 6 が表面にメタラ ィズされたセ ラミック枠 2 5 へ固着されて半導体素子 2 2 は凹'部内に気密封止される。

更に前記べ リリア板 2 9 の他面には無酸素銅板 3 1' を介して放熱用 ス タッド 2 7 が固着される。該放熱用 ス タツド 2 7 には予め雄ねじが切られてお ]9、該雄ね じ と同ヒ。ツチの雌ねじを有する放熱用 フィン 2 8 が、 同放熱用 スタツド 2 7 へねじ込まれる。

こ のよう ¾構造を有する半導体装置においては、 そ の動作状態における半導体素子か らの発熱は、 モ リプ デ ン板→無黢素銅板→ぺ リリ了板—無酸素銅板→放熱 用 スタツド→放熱フィンによって放散される。

半導体素子とモ リプデン板とは熱膨張係数がほぼ等 しいため、 半導体素子にク ラックを生じない。そして ベ リリア板はセラミック板に比べ熱伝導性が良 く、半

OMPI

、 W1PO 導体素子か らの発熱を良好に放熱ス タ ツドへ伝える。 更に該放熱用 スタツドと放熱用フィンとは通常のねじ に よる係合が されるため、 高い寸法精度は要求され ず、 放熱甩フ ィンその取 付け ,' 取!?外しが極めて容 易であ )、組立作業中にセ ラミック基板あるいは外部 接続端子に E力が加わ らずこれ らの破壊 , 変形を生ず る恐れが い。

ところが、このよう ¾特長を有する本件出願人の.先 の提案にお いて も、半導体素子の支持部材と してベ リ リァを用いる点並びに放熱用ス タツド、と放熱フィンを 別 々に製作する必要であ る点か らして、比較的高価に な らざるを得なかった。

又前記べ リリアは、その原料粉、末が入体に有害であ る ことが判明したので半導体装置用 としては実用化禁 止の方向にあ る。

発明の開示

本発明は、 これ らの問題点を解決 し得る半導体装置 及びそれを実装 した電子回路装置の搆造を提供する も のである。

本発明は、 半導体素子か らの発熱を、 良好に放散す ることができる容器をよ ]?安価に得る ことを目的とす る

本発明は、 組立時あ るいは動作時にその構成要素に 対して、熱的 ,機械的る衝撃を与える こ とのない容器 よ ]) 安価に得る ことを目的とする。

本発明は、 よ ]? 信頼性が高 く且つ大電力 ,高集積半 導体素子を収容 し得る半導体装置を得る こ とを目的と する。

上記の 目的は、セラミック基体のほぽ中央部に穿設 した貫通孔内に半導体素子を有する半導体装置におい て、 本発明に よれば、 上記貫通孔の 一方の開口 を覆つ て セラミック基体の一主面に、柔軟性金属板 とモ リプ デ ン板を積層一体化 した高熱伝導性金属板を固着 し、 上記半導体素子を上記高熱伝導性金属板の一面 と上記 貫通孔に よ ]) 形成された凹所底部に他の モ リプデン板 を介して固着 し、 上記高熱伝導性金属板の他面に放熱 装置を結合し、 又上記セ ラ ミック基体の他の主面に設 けた外部接続端子を上記半導体素子の電極に接続 した 半導体装置に よ 達成される

こ こにおいて、高熱伝導性金属板は、 モ リブデン板 と これに積層一体化された柔軟性金属板例えば無酸素 銅板か ら搆成される。

セ ラミック基体に設けられた貫通孔を覆って金属板 を固着し ょ うとする際、モリプデンは該セラミックと 熱膨張係数が同程度であ るため有利であ る。 ところが モ リブデン及びセラミックは夫々剛性に富んだ材料で あ るため、両材料を相互に固着 した場合両材料間の僅 かる熱膨張係数の差に も対応で きない。そのためセラ ミ ック基体にモ リプデン板を固着した後に加熱 · 冷却 を繰 ]?返えすと機械的に弱いセ ラ ミック基体に機械的

OMPI 歪を生 じク ラックを発生する。

このため、 セラミック基体とモリプデン板との間に、 両者の間の機械的 ,熱的応力 を緩衝するために柔軟性 に富む金属 として例えば無酸素銅板が介在される。 柔 軟性に富む金属 と して、無酸素銅の他に金 ,銀ある はニ ッケル等を用いる こともできるが価格の点で不利

る。

お、 該無酸素銅板 と該無酸素銅板上に載置される 半導体素子 との間には、 モリプデン板が介在される。

図面の簡単な説明

第 図並びに第 2 図は従来の半導体装置を示す一部 破断の分解斜視図、 第 3 図は本発明にかかる半導体装 置の構造を示す一、部破断の分解斜視図、 第 4 図は第 3 図の縦断面図、 第 5 図は蓋及び半導体素子が搭載され てい い状態を示す第 3 図の平面図であ る'。

発明を実施するための最良の形態

以下、 添付図面について本発明の最良の形態を説明

本発明にかかる半導体装置を示す第 3 図及び第 4 図 に おいて 1 0 1 はセラミック基体、 1 0 2 は半導体素 子、 1 0 3 はメタライズ配線、 1 0 4 は外部接続端子、 1 0 5 はセ ラミック枠、 1 0 6 は蓋、 1 0 7 は放熱用 ス タッド、 1 0 8 は放熱フィン、 1 1 0 はモリプデン 板、 1 0 0 は例えば無酸素銅板の よ うな柔軟性金属板 1 0 9 とモリプデン板 1 1 1 によ ]? 積層一体搆造化し

O PI

、 wipo た高熱伝導性金属板であ る。

セ ラミック基体 1 0 1 は多層セラミック搆造とされ、 層内部に半導体素子 1 0 2 の接地用導電層 1 1 2 が形 成されている 。

半導体素子 1 0 2 は、セラミック基体 1 0 1 の中央 部に設けた貫通孔内に設け られ、 高熱伝導性金属板 1 0 0 の銅板 1 0 9 力セラミック.基体 1 0 1 の一主面 に固着される状態で、 該半導体素子 1 0 2 が高熱伝導 性金属板 1 0 0 上にモ リプデン板 1 1 0 を介して固着 される。 この結果半導体素子 1 0 2 は、銅板 1 0 9 と これに接する前記導電層 1 1 2 を介して外部接続端子 1 0 4 の少なくとも一つへ接続される 。

また、 該半導体素子 1 0 2 の表面に形成されている 複数の ワイヤポ、ンディング · 0ッドへは、例えばアル ミ ニゥムからなるリード線 1 1 3 の一端が接続され、 該ア ルミニウムリード線 1 1 3 の他端は、セラミック 基体 1 0 1 の他方の主表面上に複数本ス ク リーン印刷 して形成され、 例えばタ ン グステン表面に金メッキさ れたメ タライズ配線 1 0 3 の内端へ接続される。 該メ タ ラィズ配線 1 0 3 の外端へは、 例えばコ パ一ルから ¾ る外部接続端子 1 0 4 が接続される。

そ して前記セ ラミック基体 1 0 1 の他方の主表面上 へは、 複数の メタライズ配線 1 0 3 のそれぞれ少 ¾ く とも一部を覆って、 上面に メタライズ層を有するセ ラ ミック枠 1 0 5 が配置固着される。 セラミック基体

1 0 1 にセラミック枠 1 0 5 を固着した後、セラミツ ク枠 1 0 5 のメタライズ層に例えぱコパ一ルカらなる 蓋 1 0 6 を固着してセラミック基体 1 0 1 内に半導体 素子 1 0 2 を気密封止する 。

ここで前記外部接続端子 1 0 4 の外端は、 蓋 1 0 6 表面 よ ]9 も更にセラミック基体 1 0 1 の他方の主表面 か ら遠ざかる方向に延在さ れる 。

更に、 前記銅板 1 0 9 の他面にはモ リプデン板 1 1 1 を介 して例えばアル ミニウムからる放熱用スタツド 1 0 7 が接着剤 1 1 4 例えばエポキシ系樹脂或は低融 点ろう材によって固着される 。該放熱用スタツド 107 には予め放熱 フィン 1 0 8 が一体に形成さ れている 。 、各放熱 フィン 1 0 8 は放熱用スタツド 1 0 7 の周 ] に 同心状に配列 される 。前述のように高熱伝導性金属板 1 0 0 はモリブデン板 1 . 1 1 と柔軟性金属板 1 0 9 と に よ ]9 形成されるので、それらの間のパイメタル作用 に よ ]? 変形を生ずる。このパイメタル作用を打消すた めにモリブデン板 1 1 1 と放熱用スタツド 1 0 7 間に 更に別の柔軟性金属板 (図示せず )を用いた構造であ つて もよい。

また、本発明に よる半導体装置においては、 第 5 図 に示さ れるように、半導体素子 1 0 2 が収容されるセ ラ ミック基体 1 0 1 内の貫通孔は略四角形 とされ、そ の 四隅に丸味を付け る 。このような構造によれば、該 セ ラミック基体 1 0 1 と銅板 1 0 9 とを組立てる際に、

OMPI

、、 W1PO 機械的ス ト レスが四角形孔の四隅へ集中する こ とが四 隅の丸味に よ i? 防止され、該セラミック基体 1 0 1 の 破壊が防止でき る 。

上述した如 く、このようにして構成した半導体装置 はす ぐれた耐熱抵抗性を有 し、例えば米国 MI L ( 基準

8 8 3 A , 手法 1 0 1 1 . 1 ,条件 c ) の厳重な試験に 充分耐える ことができる 0

¾お、 同図において 、 1 0 4 a 〜 1 0 4 d はその断 面積が大き くされた電源並びに接地用外部接続端子で あ ])、他の 1 0 4 は信号用外部接続端子で 。

こ のようる構造を有する半導体装置においては、 動 作状態における.半導体素子 1 0 2 からの発熱は、 モリ ブ デン板 1 1 0 →銅板 1 0 9 ~ モリブデン板 1 1 1 → 放熱用ス タ ツド 1 0 7 →放熱フィン 1 0 8 と導かれ、 速やかに放散される。

高熱伝導性金属板 1 0 0 は前記従来の半導体装置に おいて使用されたセ ラ ミック基板、ベリリア板等に比 較 して熱伝導性が良 く、半導体素子 1 0 2 からの発熱 を良好に放熱用ス タツド 1 0 7 方向へ伝える。

ま た、半導体素子 1 0 2 と、該半導体素子 1 0 2 が 載置されるモ リプデン板 1 1 0 とは、その熱膨張係数 がほぼ等 しいため、 該半導体素子 1 0 2 に機械的 ,熱 的な応力が発生する こ とが く、該半導体素子 1 0 2 へク ラック等を生じ い o

ま た、放熱フィン 1 0 8 があらかじめ一体に形成さ れた放熱用 ス タツド 1 0 7 は、モリブデン板 1 1 1 へ 樹脂或は低融点ろ う材 1 1 4 によ!)固着されるため、 その取 ]? 付けが極めて容易であ ]9 、この作業中にセ ラ ミ ック基体 1 0 1 あるいは外部接続端子 1 0 4 等へ圧 力が加わ らず、 これらの変形 ,破壊を生ずる恐れはな い。 モリプデン板 1 1 1 と放熱用スタツド 1 0 7 を固 着後、 放熱用 スタッド 1 0 7 とセラミック基体 1 0 1 間の熱膨張係数の相違に よ る熱的歪の発生は、 セラミ ッ ク基体 1 0 1 と放熱用ス タツド 1 0 7 間に介在する 剛性材料例えばモ リプデンで形成した金属板に よって 阻止する こ とができる。

¾お樹脂或はろ う 材 1 1 4 の厚さは 1 0 0 wi以下で, 銅板 1 0 9 並びにモ リブデン板 1 1 1 が半導体素子 102 の熱伝導用に設け られているので、 先行技術の第 1 例 に比較 して本装置の熱抵抗は大いに低減される。

ま た、半導体素子 1 0 2 の支持部材 として柔軟性金 属板 1 0 9 例えば無酸素銅板を用い、 放熱用 スタツド 1 0 7 と放熱フ ィン 1 0 8 を一体に形成して使用する ため、 前記従来の半導体装置に比較 して よ)安価に製 造する ことができる。

更に、 本発明の装置は先行技術第 2 例の半導体装置 の如 く高価なベ リリアを用いない。

従って、 この ような本発明に よれば、放熱性が良好 であって、 組立て時並びに動作時において各構成要素 に対 して熱的 ,機械的な耐久性が得 られ、 もって信頼

"BUREAU OMPI

W1PO 性が高 く高電力 ,高集積半導体素子を収容 し得る半導 体装置を安価に得る こ とができる。