JPS62781B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は電子装置用部品、特に金属とセラミク
スとを固着して一体化した半導体素子搭載用基板
の製造法に関する。 半導体を用いた電子装置の一例である高出力ト
ランジスタを複数個搭載した混成集積回路装置で
は、数アンペア以上のコレクタ電流が流れるが、
この際半導体素子としてのトランジスタペレツト
は通常発熱する。この発熱に起因する特性の不安
定性や寿命の加速的劣化を避けるため、トランジ
スタペレツトが許容制限温度を越えて昇温するの
を防止する方法がとられなければならない。又、
混成集積回路装置に搭載される回路素子、中でも
トランジスタペレツトは他の回路素子と電気的に
絶縁されなければならない場合が多い。さらに、
高度な機能の要求される混成集積回路装置では搭
載された回路素子が外部からの影響、とくに電磁
波妨害を受けないようにするための方策や安全上
の見地から混成集積回路装置の搭載回路素子はそ
の収納容器から電気的にしや断されていなければ
ならない。 このような要請を満すためには放熱性や電気絶
縁性に優れ、限られたスペースに所定の電気回路
を構成する全回路素子を搭載できる絶縁基板、即
ち金属とセラミツクスとの一体化部品が必要にな
る。このような絶縁基板の一例として、第１図に
示すような、銅のごとき支持板１上に鉛−錫系は
んだ２を介してアルミナ板３を固着・一体化した
構造の絶縁基板が知られている。この際、アルミ
ナ板３のはんだ２と接する側の面には所定の金属
化された領域４を有し、他方の側の面には回路素
子を搭載したり電気回路を構成するのに必要な金
属化された領域５，５′，５″が選択的に設けられ
ている。混成集積回路装置は、前述した絶縁基板
に半導体素子を含む回路素子を搭載して所定の電
気配線や電気端子を設け（図示せず）、外気から
搭載回路素子をしや断する例えばエポキシ系樹脂
などからなる封止用ケース６をエポキシ系接着剤
の如き物を介して支持板１上に固着し、そして必
要ならば支持板１やケース６とで構成する空間に
回路素子を電気的に保護するための樹脂物等を充
填して得られる。 しかしながら、以上の如き従来の絶縁基板を用
いた混成集積回路装置では、次のような未解決の
課題が残されていた。 アルミナ板３の熱膨張係数は6.3×10^-6／℃と
支持板１としての銅の18×10^-6／℃に比べて著し
く小さく、これらにはんだ２による一体化処理を
施すと、一体化領域即ちはんだ２の領域にはこの
熱膨張係数差に起因する熱歪が残留し、はんだ２
の領域が同熱歪を完全に吸収しきれない場合はア
ルミナ板３及び支持板１が変形するという問題が
ある。一般には支持板１の変形が著しい。この変
形モードは、第１図に破線で示したように、支持
板１のアルミナ板３を一体化した部分が凸になる
ようなそりを生ずるのが一般的である。このそり
量を定量的に例示すると、(1)縦60mm、横32mm、厚
さ1.6mmの銅支持板に、縦32mm、横25mm、厚さ0.6
mmのアルミナ板を厚さ0.1mmの93.5Pb−5Sn−
1.5Ag系はんだを介して一体化した場合、銅支持
板の長手方向のそり（腹の高さ）は0.33〜0.84
mm、(2)縦31mm、横90mm、厚さ1.6mmの銅支持板
に、縦25mm、横25mm、厚さ0.6mmのアルミナ板２
枚を厚さ0.1mmの93.5Pb−5Sn−1.5Ag系はんだを
介して一体化した場合、銅支持板の長手方向のそ
り（腹の高さ）は0.75〜1.5mm程度になる。した
がつて、従来の混成集積回路装置用絶縁基板にお
いては、(1)アルミナ板３と支持板１との一体化部
（換言するなら、はんだ２領域）の残留歪が大き
く、一体化部の熱疲労による破壊やアルミナ３の
破壊を生じやすいこと、(2)支持板１のそりが大き
く、ケース６の気密的な一体化が困難なことな
ど、混成集積回路装置を製作する上で、また装置
の品質を高度に保つ上での問題が存在している。
これらの問題は絶縁基板の放熱性や電気絶縁性を
阻害する大きな要因につながるため、この改善が
強く望まれている。又、このことは混成集積回路
装置の電力容量が大きく、そして高度な回路機能
を持たせるために回路素子の数を増すほど、つま
り大きな接着面積を有する絶縁基板ほど深刻であ
る。 以上に従来の金属−セラミツクス一体化部品の
欠点を混成集積回路装置用絶縁基板を例に採つて
説明したが、金属とセラミツクスとの一体化構造
をとる他の電子部品においても同様の問題が存在
していた。 本発明は前述の状況に鑑みなされたものであ
り、従来の電子装置用金属−セラミツクス一体化
部品の欠点を改め、一体化部品のそりを軽減し、
併せて一体化部の熱疲労の防止と電気絶縁性及び
熱伝達性を安定に保ち得る半導体素子搭載用基板
の製造法を提供することを目的とする。 本発明は、第１の金属と第２の金属とを直接一
体化した複合金属板とセラミツクスとを固着一体
化した前記複合金属板上に半導体素子を搭載する
基板の前記セラミツクス面を金属支持体に金属接
合する半導体素子搭載用基板の製造法であつて、
前記複合金属板は芯部を構成する金属板と該金属
板の両面に前記芯部の板厚よりも薄い金属層とか
らなり、前記芯部又は両面の金属層のいずれか一
方が電気抵抗率6.9×10^-6Ω・cm以下の前記第２
の金属からなり、かつ他の一方が前記第２の金属
よりも熱膨張係数が小さい前記第１の金属からな
り、前記複合金属板の熱膨張率が前記セラミツク
スの熱膨張率に近似しており、前記複合金属板と
セラミツクスとを接合した後、前記セラミツクス
面を金属支持体に接合することを特徴とする半導
体素子搭載用基板の製造法にある。 即ち、本発明半導体素子搭載用基板の製造法
は、金属とセラミクスとの間の一体化部に残留す
る熱歪を低減し、金属やセラミクスの変形とくに
金属のそりを軽減するため、セラミクスに固着さ
れる金属として異種金属を直接一体化した複合金
属を用い、この複合金属の熱膨張係数をセラミク
スのそれに略一致するように調整したことを基本
としている。 かかる本発明電子装置用金属−セラミクス一体
化部品では、第１の金属としては鉄−ニツケル系
合金材又は同合金材にコバルトを添加した合金材
が好ましく、この際第１の金属の熱膨張係数は合
金材の組成あるいは加工率によつて調節される。
例えば、鉄−ニツケル合金材では、36％ニツケル
の場合０〜１×10^-6／℃、43％ニツケルの場合
7.9×10^-6／℃、そして鉄−ニツケル−コバルト
合金材では54％鉄−31％ニツケル−15％コバルト
の場合５×10^-6／℃と組成による熱膨張係数の制
御が可能であり、又例えば54％鉄−29％ニツケル
−17％コバルト合金では圧延率０％の場合5.5×
10^-6／℃、同60％の場合５×10^-6／℃、同90％の
場合６×10^-6／℃と加工率によつても熱膨張係数
を制御できる。したがつて、本発明において第１
の金属を用いる理由は、セラミクスに固着される
複合金属の熱膨張係数を同セラミクスのそれに略
等しくなるように調節するためである。 一方、第２の金属としては銅（16.7×10^-6／
℃、3.85J／cm・Ｓ、Ｋ、1.69×10^-6Ω・cm）、ニ
ツケル（12.8×10^-6／℃、0.91J／cm・Ｓ・Ｋ、
6.9×10^-6Ω・cm）、亜鉛（30×10^-6／℃、1.13J／
cm・Ｓ・Ｋ、6.1×10^-6Ω・cm）、アルミニウム
（23×10^-6／℃、2.4J／cm・Ｓ・Ｋ、2.62×10^-6
Ω・cm）のように、鉄−ニツケル系合金や鉄−ニ
ツケル−コバルト系合金より熱伝導率が大きく電
気抵抗が小さく、そして比較的廉価に入手できる
金属が最も好しいが、熱伝導率や電気抵抗等機能
上の必要があれば金（14.4×10^-6／℃、3.0J／
cm・Ｓ・Ｋ、2.4×10^-6Ω・cm）、銀（19.2×
10^-6／℃、4.2J／cm・Ｓ・Ｋ、1.62×10^-6Ω・
cm）、パラジウム（11.8×10^-6／℃、0.68J／cm・
Ｓ・Ｋ、10.8×10^-6Ω・cm）の如き金属であつて
もよい。この際前記第１の金属にこれら第２の金
属を熱的及び電気的に連続になるように一体化す
る理由は、第１の金属で十分でない電気伝導性と
放熱性を補なうためである。複合金属は蒸着法、
スパツタリング法、気相成長法等により形成させ
ることができる。又、前記複合金属と固着される
セラミクスは、電気絶縁性や熱伝導性に優れるア
ルミナ、ベリリヤ、窒化硼素、窒化アルミニウ
ム、窒化シリコン、炭化シリコンの如き物が好ま
しい。これらのセラミクスが複合金属と固着され
るためには、エポキシ系樹脂あるいはシリコーン
系樹脂の如き物質によつて一体化してもよいが、
より緻密な一体化を実現して放熱性を維持するた
めには、例えば鉛−錫系はんだや銀−亜鉛系ろう
材の如き金属により一体化することが一層望まし
い。このためには、セラミクスの少なくとも一体
化領域にはこれら金属に対してぬれ性のよい金属
をメタライズしておく必要がある。さらに、前記
複合金属は一体化されるセラミクスの熱膨張係数
と略一致するように第１の金属及び第２の金属と
の組合せを選択する必要がある。 なお、従来から異種金属を一体化した複合金属
の電子装置用部品としての応用例はいくつか提案
されている。例えば、特公昭42−21969号では銅
板の両面にニツケル、鉄、またはニツケルもしく
は鉄を主成分とする合金より成る層を熱間圧延法
等による合板技術により設け、この合板の表面に
シリエン素子を鑞付けし、反対面をステムに鑞付
け又は低抗溶接するという開示、特公昭51−
27983号では銅板を主体とし、この銅板の半導体
素子接着側にニツケル、銅等の層を介してアンバ
ーをクラツドして構成した電極板を半導体素子と
銅ベース間に介在するように固着するという開
示、特開昭52−11768号によれば鉄層の両側に銅
層が設けられた複合構成の放熱電極板の一方の銅
層上に半導体素子が直接若しくは間接的に鑞付け
により電気的および機械的に結合されるという開
示が、それぞれなされている。しかしながら、こ
れらの開示における複合金属との被一体化物は金
属又は半導体であり、この一体化面積も然程大き
くない。即ち、複合金属との被一体化物がセラミ
クスでありしかも一体化の面積が広くなる場合
は、前記従来例と異なる課題を生ずることは当然
である。例えば、熱膨張係数の異なるセラミクス
と金属との一体化を実現する際、これら一体化物
のそりを軽減する必要のあること、一体化部の熱
歪に起因する一体化部やセラミクスの破壊を防止
する必要のあること、一体化物は相互に電気的に
絶縁されしかも熱的に結合されている必要のある
こと、等がそれであり、これらの課題を克服する
ための開示は上記従来例から見出すことはできな
い。又、特開昭49−59965号によれば鉄やニツケ
ル系、モリブデン系等比較的硬く折曲強度の大き
な金属をベースにし、少なくともその表面に銅や
銀等延性に富む薄い金属層を設け、更にその上側
に金や白金等の貴金属層が設けられている構成に
おいて、該貴金属層は電子回路基板（アルミナ）
上に設けられている導電パターンの表面の貴金属
層と同質にした熱圧着用電子回路部品用外部引出
リードに関する開示があり、この外部引出リード
は電子回路基板と一体化されるものであるが、幅
0.6mmと一体化面積の小さい場合の応用例を示し
ているのみである。即ち、本発明がなされるに至
つた技術的課題は前記従来例にはなく、従つてそ
の課題を克服するための手段についても何ら開示
されていない。更に、エレクトロニクス実装技術
便覧（工業調査会、1973年１月15日、280ペー
ジ）によれば、複合金属の構成部分と要求される
特性の関係を示しており、複合金属（リードフレ
ーム）が樹脂やセラミクスと接してチツプを外気
と遮断する部分に要求される特性として、接着力
の大きいこと及び熱伝導度や電気伝導度の良いこ
と等の開示があるが、前述したそりの問題に関す
る示唆等は見出されない。即ち、上述した種種の
従来例においては、本発明における金属−セラミ
クス一体化部品を生むための、技術的課題（目
的）を見出すことはできないし、当然課題の克服
策を見出すこともできない。 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明す
る。 実施例 １ 本実施例では5kVA級電流制御パワーモジユー
ル用の金属−セラミクス一体化部品について説明
する。 この一体化部品は、第２図に示すように、厚さ
0.5mmの銅板の両面に厚さ0.05mmの鉄−36％ニツ
ケル合金板を圧延技術によつて一体化した面積22
mm×27mmの複合金属板１１を、金属化領域１２，
１３を両面に設けた厚さ0.6mm、面積25mm×30mm
のアルミナ板１４と鉛−５％錫半田１５により固
着して一体化したものである。この際、複合金属
板１１の熱膨張係数は7.5×10^-6／℃でアルミナ
板１４のそれ（6.3×10^-6／℃）に近接した値を
持つように調節されている。 以上の構成で得た金属−セラミクス一体化部品
のそり量（腹の最大高さ）は、20μｍ程度であ
り、同様のアルミナ板に厚さ0.5mm、面積22mm×
27mmの銅板を鉛−５％錫半田により固着して一体
化した場合の約200μｍに比べ大幅に低減するこ
とができた。又、この一体化部品に−55〜＋150
℃の熱サイクルを500回与えたが、一体化部及び
部品を構成する各部材には何等の機械的損傷も見
出されなかつた。このようにそりが大幅に低減さ
れ、優れた耐熱疲労性を有する一体化部品が得ら
れたのは、アルミナ板１４と一体化された複合金
属板１１が実質的にアルミナ板１４とほぼ等しい
熱膨張係数を有するように調節されているため、
一体化熱処理によつて一体化部や構成部材に残留
する熱歪が軽減されるとともに、一体化後の温度
変化によつても一体化部に新たな熱歪を生じにく
いことに起因する。さらに、複合金属板１１上に
シリコンからなるゲートターンオフサイリスタペ
レツトとダイオードペレツトを半田により固着
し、金属化領域１３側に半田を介して銅支持板を
固着した構造のパワーモジユールを作成した。こ
の結果、シリコンペレツトと銅支持板間の熱抵抗
は0.3℃／Ｗと小さく、定格出力の150％に相当す
る過負荷運転を試みたが、正常な電気機能を有し
ていることを確認した。このように熱抵抗が小さ
いのは一体化部品のそり量が少なく支持板との間
に空隙の少ない緻密な一体化を実現できたこと、
複合金属板に熱伝導性のよい銅を用いているため
然程放熱性が阻害されないことに基づき、又過負
荷運転に十分耐えるのは前述の如く熱抵抗が小さ
く冷却効果が大きいこと、複合金属板に電気抵抗
の小さい銅を用いているためそれほど導電路の抵
抗損失を高めることにはならず同損失による発熱
を小さくできることによる。 実施例 ２ 本実施例では5kVA級電流制御パワーモジユー
ル用の金属−セラミクス一体化部品について説明
する。 この一体化部品は、実施例１と同じ寸法の窒化
アルミニウム（4.8×10^-6／℃）、窒化ボロン
（1.4×10^-6／℃）、炭化シリコン、（４×10^-6／
℃）、窒化シリコン（3.5×10^-6／℃）、そして酸
化ベリリウム（7.6×10^-6／℃）と、実施例１と
同じ面積の鉄−ニツケル系合金又は鉄−ニツケル
−コバルト系合金の両面に銅を圧延技術により一
体化した複合金属板を第１表に示す組合せにより
鉛−５％錫半田で固着、一体化したものである。
この際、複合金属板の熱膨張係数は同表に示した
ようにそれぞれ組合わされたセラミクスのそれに
近似するように調節されている。

【表】 以上の構成で得た金属−セラミクス一体化部品
のそり量（腹の最大高さ）は10〜30μｍと大幅に
低減された。又実施例１と同様の熱サイクルによ
つても異常は見出されなかつた。このように、そ
り量が低減され、優れた耐熱疲労性を持つ一体化
部品が得られた理由は前記実施例１と同様であ
る。さらに、これらの一体化部品を用いて実施例
１と同様のパワーモジユールを作成した。この結
果、シリコンペレツト−銅支持板間の熱抵抗は第
１表に示す如く0.1〜0.5℃／Ｗと小さく、150％
相当の過負荷運転によつても機能上の異常は全く
見出されなかつた。このように、熱抵抗が小さ
く、過負荷運転に十分耐えるモジユールが得られ
たのは実施例１と同様の理由による。 実施例 ３ 本実施例では5kVA級電流制御パワーモジユー
ル用の金属−セラミクス一体化部品について説明
する。 この一体化部品は、第３図に示すように、前記
実施例１で作成した複合金属板１１−アルミナ板
１４の鉛−５％錫半田１５による一体化物（金属
化領域は示さず）を、厚さ1.6mm、面積29mm×92
mmの銅板の両面に厚さ0.25mmの鉄−36％ニツケル
合金板を圧延技術によつて一体化した複合金属支
持板１６を、鉛−60％錫半田１７により固着、一
体化したものである。この際、複合金属支持板１
６の熱膨張係数は6.8×10^-6／℃とアルミナ板１
４のそれに近似するように調節されている。 以上の構成で得られた金属−セラミクス一体化
部品のそり量（複合金属支持板の腹の最大高さ）
は0.15mmと著しく低減された。又、この一体化部
品に−55〜＋150℃の熱サイクルを1000回与えた
が、これら部品の各構成部材及び一体化部には何
等の機械的損傷も見出されず、絶縁性の劣化も見
られなかつた。このように、複合金属板を支持板
として用いた場合はそり低減、耐熱サイクル性が
一層増すことが確認された。この理由は実施例１
と同様であるが、さらにアルミナ板１４の両面に
同アルミナ板とほぼ同等の熱膨張係数を有する複
合金属板を配し、アルミナ板１４がこれらによつ
てサンドウイツチ状に介在される形態をとるた
め、機械的に一層保護されやすいためである。さ
らに、この一体化部品の複合金属板１１上にシリ
コンからなるゲートターンオフサイリスタペレツ
トとダイオードペレツトを半田により固着し、所
定の電気配線を施し、エポキシ系樹脂からなるケ
ース（いずれも図示せず）を取付けたパワーモジ
ユールを作成した。この結果、シリコンペレツト
と複合金属支持板１６間の熱抵抗は0.4℃／Ｗと
小さく、同モジユールに定格出力の150％に相当
する過負荷運転を試みたが、正常な電気機能を持
つて駆動することを確認した。このように、熱抵
抗が小さく、過負荷運転に十分耐えるのは、実施
例１の場合と同様であることに加え、アルミナ板
１４と複合金属支持板１６との間を空隙の一層少
ない緻密な一体化を実現できたことによる。な
お、前述したように、複合金属支持板１６のそり
量が極めて少ないためケースによる気密封止の信
頼性が一層向上することが確認された。第２表は
この信頼性確認の例であるが、いずれの試験にお
いても搭載半導体素子の著しい劣化は見出されて
おらず、気密封止性の優れていることを示唆して
いる。

【表】 実施例 ４ 本実施例では5kVA級電流制御パワーモジユー
ル用の金属−セラミクス一体化部品について説明
する。 この一体化部品は、第４図に示すように、実施
例２と同様の寸法の窒化ボロン板１８を、実施例
２と同様の複合金属支持板１９とを鉛−60％錫半
田１７により固着、一体化したものである。この
際、複合金属支持板１９の熱膨張係数を種々の値
になるように調節した。 以上の構成で得た金属−セラミクス一体化部品
のそり量（複合金属支持板の腹の最大高さ）は、
第３表に示すように熱膨張係数を0.5〜5.2×
10^-6／℃に調整すると５〜55μｍと小さいが、
7.2×10^-6／℃に調節した場合は260〜385μｍと
大幅に増大した。又、これらの一体化部品に実施
例１と同様の熱サイクルを与えた場合の機械的確
損等の破壊発生率や同一体化部品を用いて作成し
た実施例３と同様のパワーモジユールの高温高湿
試験による半導体素子の事故発生率は第３表に

【表】 示したように、そり量の少ない一体化部品を用い
た場合はいずれも０％であり、そり量が大幅に増
大した部品を用いた場合は大きな値を示してい
る。このように、熱膨張係数が1.4×10^-6／℃と
小さい窒化ボロンに対しては複合金属支持板の熱
膨張係数を0.5〜5.2×10^-6／℃に調節すればよい
ことが確認された。 実施例 ５ 本実施例では5kVA級電流制御パワーモジユー
ル用の金属−セラミクス一体化部品について説明
する。 この一体化部品は、実施例４と同様の構造のも
のであり、実施例２と同様の寸法の酸化ベリリウ
ムを、前記実施例２を同様の複合金属支持板を鉛
−60％錫半田により固着、一体化したものであ
る。この際、複合金属支持板の熱膨張係数を種々
の値になるように調節した。 以上の構成で得た金属−セラミクス一体化部品
のそり量（複合金属支持板の腹の最大高さ）は、
第４表に示すように、熱膨張係数を3.1〜11.5×
10^-6／℃に調整すると５〜60μｍと小さいが、
1.5×10^-6／℃あるいは15.2×10^-6／℃に調整した
場合は100μｍを起えるそり量を示した。又、こ
れらの一体化部品に実施例１と同様の熱サイクル
を与えた場合の機械的破損等の破壊発生率や同一
体化部品を用いて作成した実施例３と同様のパワ
ーモジユールの高温高湿試験による半導体素子の
事故発生率は同表に示したように、

【表】 そり量の少ない一体化部品を用いた場合はいずれ
も０％であり、そり量が大幅に増大した部品を用
いた場合は大きな値を示している。このように、
熱膨張係数が7.6×10^-6／℃と比較的大きい酸化
ベリリウムに対しては複合金属支持板の熱膨張係
数を3.1〜11.5×10^-6／℃に調節すればよいこと
が確認された。 以上までに説明したように、本発明によれば次
のような利点ないし効果を奏することができる。 (1) セラミクスと一体化される複合金属の熱膨張
係数が適度に調節されているため、一体化熱処
理によつて一体化部や構成部品に残留する熱歪
が軽減されるため、金属−セラミクス一体化部
品のそり量が小さい。 (2) 複合金属とセラミクスの熱膨張係数が近接す
るように構成されているため、耐熱サイクル性
に優れる金属−セラミクス一体化部品が得られ
る。 (3) (1)により金属とセラミクスとを緻密に固着で
きるため、熱伝導性のよい金属−セラミクス一
体化部品が得られる。 (4) 複合金属は熱伝導性や電気伝導性に優れる第
２の金属を含む構成になつているため、金属−
セラミクス一体化部品による電力損失や放熱性
低下を少く抑えることができる。 (5) (1)により電子素子を気密に封止すること及び
気密封止性に関する信頼性を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の金属−セラミクス一体化部品を
示す概略断面図、第２〜４図は本発明による金属
−セラミクス一体化部品の実施例を説明する概略
図である。 １１……複合金属板、１４……アルミナ板、１
５……半田。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の金属と第２の金属とを直接一体化した
   複合金属板とセラミツクスとを固着一体化した前
   記複合金属板上に半導体素子を搭載する基板の前
   記セラミツクス面を金属支持体に金属接合する基
   板の製造法であつて、前記複合金属板は芯部を構
   成する金属板と該金属板の両面に前記芯部の板厚
   よりも薄い金属層とからなり、前記芯部又は両面
   の金属層のいずれか一方が電気抵抗率6.9×10^-6
   Ω・cm以下の前記第２の金属からなり、かつ他の
   一方が前記第２の金属よりも熱膨張係数が小さい
   前記第１の金属からなり、前記複合金属板の熱膨
   張率が前記セラミツクスの熱膨張率に近似してお
   り、前記複合金属板とセラミツクスとを接合した
   後、前記セラミツクス面を金属支持体に接合する
   ことを特徴とする半導体素子搭載用基板の製造
   法。 ２ 前記第１の金属は鉄を主成分としニツケルを
   含む合金からなり、第２の金属は銅、ニツケル、
   アルミニウム、亜鉛、金、銀、パラジウムから選
   択された金属からなる特許請求の範囲第１項に記
   載の半導体素子搭載用基板の製造法。