JP3044952B2 - 半導体チップの実装構造 - Google Patents
半導体チップの実装構造Info
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- JP3044952B2 JP3044952B2 JP4331089A JP33108992A JP3044952B2 JP 3044952 B2 JP3044952 B2 JP 3044952B2 JP 4331089 A JP4331089 A JP 4331089A JP 33108992 A JP33108992 A JP 33108992A JP 3044952 B2 JP3044952 B2 JP 3044952B2
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- Japan
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- semiconductor chip
- heat
- aluminum
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- H10W72/07351—
-
- H10W72/30—
-
- H10W72/381—
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体チップの実装構
造、詳しくはシリコンチップの熱膨張による歪、応力を
容易に吸収し得る半導体チップの実装構造に関する。
造、詳しくはシリコンチップの熱膨張による歪、応力を
容易に吸収し得る半導体チップの実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子、特にパワートランジスタや
半導体整流素子等では、動作面積当りの消費電力が大き
い。このため、半導体素子のケースやリードからの熱量
の放出だけでは、発生熱量を放出しきれず、半導体素子
の内部温度が上昇して、熱破壊を起こしてしまう。その
ために、半導体素子の発熱を吸収する熱溜めが必要であ
り、従来、絶縁基板とシリコンチップ（半導体素子）と
の間に放熱板を介在させて熱を吸収、放散させていた。
半導体整流素子等では、動作面積当りの消費電力が大き
い。このため、半導体素子のケースやリードからの熱量
の放出だけでは、発生熱量を放出しきれず、半導体素子
の内部温度が上昇して、熱破壊を起こしてしまう。その
ために、半導体素子の発熱を吸収する熱溜めが必要であ
り、従来、絶縁基板とシリコンチップ（半導体素子）と
の間に放熱板を介在させて熱を吸収、放散させていた。
【０００３】この放熱板の材質としては、熱伝導性が良
いことからＣｕが使われていた。特に、発熱量が多い場
合には、放熱板としては、該シリコンチップの熱膨張係
数に近似している熱膨張係数を有するＣｕ−Ｗ合金、あ
るいは、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材が使われる。
いことからＣｕが使われていた。特に、発熱量が多い場
合には、放熱板としては、該シリコンチップの熱膨張係
数に近似している熱膨張係数を有するＣｕ−Ｗ合金、あ
るいは、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材が使われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このようにＣｕは、熱
伝導率は高いものの、その固有の特性として剛性が高い
ため、熱変形が起こりにくく、シリコンチップに発生し
た熱応力を吸収しにくい。例えば、０．２％耐力（４．
９ＭＰａ）が大きいので、外力を印加した場合の弾性変
形範囲が広く、加工硬化も大きい。すなわち、熱応力が
塑性変形により吸収される割合が少ない。また、Ｃｕ−
Ｗ合金またはＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材は、ともに熱
伝導率が極端に小さいだけでなく、コスト的に高価であ
るという難点を有している。さらに、Ｃｕ系材料を用い
た放熱板は、基板全体として重量が過大になるという課
題があった。
伝導率は高いものの、その固有の特性として剛性が高い
ため、熱変形が起こりにくく、シリコンチップに発生し
た熱応力を吸収しにくい。例えば、０．２％耐力（４．
９ＭＰａ）が大きいので、外力を印加した場合の弾性変
形範囲が広く、加工硬化も大きい。すなわち、熱応力が
塑性変形により吸収される割合が少ない。また、Ｃｕ−
Ｗ合金またはＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材は、ともに熱
伝導率が極端に小さいだけでなく、コスト的に高価であ
るという難点を有している。さらに、Ｃｕ系材料を用い
た放熱板は、基板全体として重量が過大になるという課
題があった。
【０００５】本発明の目的は、半導体素子の熱サイク
ル、断続通電等により、シリコンチップと放熱板との間
に介在する接合層界面の熱疲労による割れやその剥離が
起こりにくい半導体チップの実装構造を提供することに
ある。
ル、断続通電等により、シリコンチップと放熱板との間
に介在する接合層界面の熱疲労による割れやその剥離が
起こりにくい半導体チップの実装構造を提供することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、放熱材を純度
９９．９％以上のアルミニウムを用いて作製し、この放
熱材の積層方向の厚みを０．２ｍｍ以上とする。このよ
うに柔性の高い金属であるアルミニウムを使用すること
により、上記の目的は達成される。
９９．９％以上のアルミニウムを用いて作製し、この放
熱材の積層方向の厚みを０．２ｍｍ以上とする。このよ
うに柔性の高い金属であるアルミニウムを使用すること
により、上記の目的は達成される。
【０００７】
【作用】本発明にあっては、半導体チップ実装用の放熱
材に使用される純アルミニウムは、熱膨張率はＣｕと比
較してほぼ同等である。また、その熱伝導率もＣｕ−Ｗ
合金、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材と比較して遜色がな
く、Ｃｕ単体と比較した場合は、やや劣るものの、それ
以上に変形抵抗が少ないため、熱応力の吸収材として非
常に有効である。例えば、０．２％耐力（２．９ＭＰ
ａ）が小さいため、容易に塑性変形を起こす。すなわ
ち、熱応力に対して抵抗せずに、順応し易いので、熱応
力の吸収が効果的に行われる。また、Ｃｕに比べて加工
硬化が少ないため、外力に対して柔軟に対応することが
できる。すなわち、金属に外力を印加して塑性変形を起
こさせ、一旦外力を取り除き、再度外力を印加した場
合、Ｃｕをはじめ、大部分の金属は、初めの外力よりか
なり大きな外力でないと、再び塑性変形を起こさない
が、アルミニウムはより小さな外力で塑性変形を起こ
す。
材に使用される純アルミニウムは、熱膨張率はＣｕと比
較してほぼ同等である。また、その熱伝導率もＣｕ−Ｗ
合金、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材と比較して遜色がな
く、Ｃｕ単体と比較した場合は、やや劣るものの、それ
以上に変形抵抗が少ないため、熱応力の吸収材として非
常に有効である。例えば、０．２％耐力（２．９ＭＰ
ａ）が小さいため、容易に塑性変形を起こす。すなわ
ち、熱応力に対して抵抗せずに、順応し易いので、熱応
力の吸収が効果的に行われる。また、Ｃｕに比べて加工
硬化が少ないため、外力に対して柔軟に対応することが
できる。すなわち、金属に外力を印加して塑性変形を起
こさせ、一旦外力を取り除き、再度外力を印加した場
合、Ｃｕをはじめ、大部分の金属は、初めの外力よりか
なり大きな外力でないと、再び塑性変形を起こさない
が、アルミニウムはより小さな外力で塑性変形を起こ
す。
【０００８】本発明においては、このアルミニウムの純
度を９９．９％以上とする。この範囲未満では、本発明
の実効が発現しない。さらに本発明においては、アルミ
ニウム製放熱材の積層方向の厚さを０．２ｍｍ以上とす
る。この値より薄いと熱応力の緩和効果が少なくなるだ
けでなく、熱溜めとして有効に機能しなくなる。そし
て、このアルミニウム製放熱材は、Ｃｕ系放熱材と比較
して軽量であり、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラ
ッド材よりもコストが安い。
度を９９．９％以上とする。この範囲未満では、本発明
の実効が発現しない。さらに本発明においては、アルミ
ニウム製放熱材の積層方向の厚さを０．２ｍｍ以上とす
る。この値より薄いと熱応力の緩和効果が少なくなるだ
けでなく、熱溜めとして有効に機能しなくなる。そし
て、このアルミニウム製放熱材は、Ｃｕ系放熱材と比較
して軽量であり、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラ
ッド材よりもコストが安い。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図１を参照
して説明する。この図に示すように、セラミックス、樹
脂、アルミニウム絶縁基板等を用いて作製された絶縁基
板１１の上面には、例えばアルミニウム製の回路形成用
導体基板１２がろう材等により接合されている。この導
体基板１２の上面には、アルミニウム放熱板１３がはん
だ１４により固着されている。このアルミニウム放熱板
１３の表面にははんだ１４との濡れ性を良くするためめ
っき層１５が被着されている。そして、このアルミニウ
ム放熱板１３の上面にはシリコンチップ１６が例えばは
んだ１７により固着されて搭載されている。ここで、放
熱板１３は純度９９．９％以上のアルミニウムを用いて
いる。図２はアルミニウムの引張性質に及ぼす不純物の
影響を示すグラフである。
して説明する。この図に示すように、セラミックス、樹
脂、アルミニウム絶縁基板等を用いて作製された絶縁基
板１１の上面には、例えばアルミニウム製の回路形成用
導体基板１２がろう材等により接合されている。この導
体基板１２の上面には、アルミニウム放熱板１３がはん
だ１４により固着されている。このアルミニウム放熱板
１３の表面にははんだ１４との濡れ性を良くするためめ
っき層１５が被着されている。そして、このアルミニウ
ム放熱板１３の上面にはシリコンチップ１６が例えばは
んだ１７により固着されて搭載されている。ここで、放
熱板１３は純度９９．９％以上のアルミニウムを用いて
いる。図２はアルミニウムの引張性質に及ぼす不純物の
影響を示すグラフである。
【００１０】また、放熱板１３の厚さは、０．２ｍｍ以
上、好ましくは０．２〜２．０ｍｍとする。厚さがこの
範囲を超えると実用的でない。はんだ層１４、１７との
濡れ性を高めるために放熱板１３の表裏面に被着された
めっき層１５に用いられるめっき材としては、ニッケル
またはＡｕ／Ｎｉを用いる。このめっき層１５を挟んで
設層されるはんだ層１４、１７としては、通常のＰｂ−
Ｓｎ系、Ｓｕ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｉｎ系、Ａｕ−Ｓｉ系、
あるいは、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを用いる。殊に、Ｐｂ−
Ｓｎ系はんだを用いれば、ニッケルめっき層１５は、搭
載されるシリコンチップ１６が小型の場合、シリコンチ
ップ１６のはんだ付けが必要な部分のみに設層すれば、
シリコンチップ１６の位置ずれが防止でき好適である。
このような構成に係る実装構造にあっては、シリコンチ
ップ１６にパワートランジスタ等を形成した場合でも放
熱板１３が発熱を伝達、放散することとなる。そして、
トランジスタ等の繰り返しての使用にあってもはんだ１
４、１７の割れ、剥がれ、シリコンチップ１６の割れが
生じにくい。これはアルミニウム放熱板１３が容易に塑
性変形することにより熱応力を緩和、吸収するからであ
る。
上、好ましくは０．２〜２．０ｍｍとする。厚さがこの
範囲を超えると実用的でない。はんだ層１４、１７との
濡れ性を高めるために放熱板１３の表裏面に被着された
めっき層１５に用いられるめっき材としては、ニッケル
またはＡｕ／Ｎｉを用いる。このめっき層１５を挟んで
設層されるはんだ層１４、１７としては、通常のＰｂ−
Ｓｎ系、Ｓｕ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｉｎ系、Ａｕ−Ｓｉ系、
あるいは、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを用いる。殊に、Ｐｂ−
Ｓｎ系はんだを用いれば、ニッケルめっき層１５は、搭
載されるシリコンチップ１６が小型の場合、シリコンチ
ップ１６のはんだ付けが必要な部分のみに設層すれば、
シリコンチップ１６の位置ずれが防止でき好適である。
このような構成に係る実装構造にあっては、シリコンチ
ップ１６にパワートランジスタ等を形成した場合でも放
熱板１３が発熱を伝達、放散することとなる。そして、
トランジスタ等の繰り返しての使用にあってもはんだ１
４、１７の割れ、剥がれ、シリコンチップ１６の割れが
生じにくい。これはアルミニウム放熱板１３が容易に塑
性変形することにより熱応力を緩和、吸収するからであ
る。
【００１１】表１は耐熱サイクル試験の結果を示すもの
である。この表にあって、本発明品としては純度９９．
９％のアルミニウムを放熱板として用い、比較品として
はＣｕを放熱板として用いたものである。試験条件は以
下の通りである。すなわち、１サイクルは、上記絶縁基
板を、−４０℃で６０分保持した後、室温で１０分間保
持し、さらに１２５℃にて６０分間保持し、室温で１０
分間保持するものである。
である。この表にあって、本発明品としては純度９９．
９％のアルミニウムを放熱板として用い、比較品として
はＣｕを放熱板として用いたものである。試験条件は以
下の通りである。すなわち、１サイクルは、上記絶縁基
板を、−４０℃で６０分保持した後、室温で１０分間保
持し、さらに１２５℃にて６０分間保持し、室温で１０
分間保持するものである。
【００１２】
【表１】
【００１３】図３は上記熱サイクル試験後の比較品のは
んだ部分の割れを１００倍に拡大して示す顕微鏡写真で
ある。
んだ部分の割れを１００倍に拡大して示す顕微鏡写真で
ある。
【００１４】
【発明の効果】本発明の半導体チップの実装構造にあっ
ては、放熱材の変形抵抗が小さく、塑性変形し易いので
シリコンチップを接合するはんだ層内で発生する熱応力
の緩和効果が高く、シリコンチップに対する熱サイクル
や断続通電に際して、シリコンチップの破壊などを効果
的に抑えることができる。
ては、放熱材の変形抵抗が小さく、塑性変形し易いので
シリコンチップを接合するはんだ層内で発生する熱応力
の緩和効果が高く、シリコンチップに対する熱サイクル
や断続通電に際して、シリコンチップの破壊などを効果
的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る半導体チップの実装構
造を示す断面図である。
造を示す断面図である。
【図２】本発明に係る高純度アルミニウムの降伏応力と
耐力とを示すグラフである。
耐力とを示すグラフである。
【図３】本発明を説明するための比較品の顕微鏡写真で
ある。
ある。
１１ 絶縁基板 １３ 放熱板 １６ シリコンチップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−348（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−125463（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/373
Claims (2)
- 【請求項１】 絶縁基板と、この絶縁基板上に接合層を
介して搭載された半導体チップと、これらの絶縁基板と
接合層との間に介装された放熱材と、を備えた半導体チ
ップの実装構造において、 上記放熱材を、純度９９．９％以上のアルミニウムによ
り形成したことを特徴とする半導体チップの実装構造。 - 【請求項２】 上記放熱材の積層方向の厚さを０．２ｍ
ｍ以上とした請求項１に記載の半導体チップの実装構
造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4331089A JP3044952B2 (ja) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | 半導体チップの実装構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4331089A JP3044952B2 (ja) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | 半導体チップの実装構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06163764A JPH06163764A (ja) | 1994-06-10 |
| JP3044952B2 true JP3044952B2 (ja) | 2000-05-22 |
Family
ID=18239736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4331089A Expired - Fee Related JP3044952B2 (ja) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | 半導体チップの実装構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3044952B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8198540B2 (en) | 2006-06-06 | 2012-06-12 | Mitsubishi Materials Corporation | Power element mounting substrate, method of manufacturing the same, power element mounting unit, method of manufacturing the same, and power module |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5729052A (en) * | 1996-06-20 | 1998-03-17 | International Business Machines Corporation | Integrated ULSI heatsink |
| US7239016B2 (en) | 2003-10-09 | 2007-07-03 | Denso Corporation | Semiconductor device having heat radiation plate and bonding member |
-
1992
- 1992-11-17 JP JP4331089A patent/JP3044952B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8198540B2 (en) | 2006-06-06 | 2012-06-12 | Mitsubishi Materials Corporation | Power element mounting substrate, method of manufacturing the same, power element mounting unit, method of manufacturing the same, and power module |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06163764A (ja) | 1994-06-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000215 |
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| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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