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KR100363054B1 - 반도체장치 - Google Patents

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KR100363054B1
KR100363054B1 KR1019960000776A KR19960000776A KR100363054B1 KR 100363054 B1 KR100363054 B1 KR 100363054B1 KR 1019960000776 A KR1019960000776 A KR 1019960000776A KR 19960000776 A KR19960000776 A KR 19960000776A KR 100363054 B1 KR100363054 B1 KR 100363054B1
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KR
South Korea
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oxide
substrate
ceramic substrate
less
weight ratio
Prior art date
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KR1019960000776A
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English (en)
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KR960030386A (ko
Inventor
마사하루 니시우라
아키라 모로즈미
도미오 시미즈
가츠미 야마다
시게마사 사이토
Original Assignee
후지 덴키 가부시끼가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은 원료비가 염가인 산화 알루미늄 분말체를 주재료로 하여, 기계적 강도를 높이며, 응력 완화의 특수한 구조를 채용하지 않고서 기판 자체의 박형화에 의해서 방열성의 개선이 도모될 수 있도록 한 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 그 구성은 파워 트랜지스터·모듈에 이용하는 CBC(Ceramic Bonding Cupper)기판(2)은 세라믹스 기판(2a)의 내면 및 외면에 박형의 동판(2b, 2c)을 예컨대 다이렉트 본드 컷퍼법에 의해 직접 접합한 것으로서, 상면측의 동판(2c)에 회로패턴이 형성되어 있다. 세라믹스 기판 (2a)은 산화 알루미늄을 주성분으로 하여 이것에 산화지르코늄을 첨가하고, 또 첨가제로서 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화세륨중 어느 하나를 각각 0.1-2wt%, 0.02∼0.5wt%, 0.02∼0.4wt%, 0.02∼0.5wt% 첨가한 고온 소성체이다. 산화 알루미늄 단일체의 세라믹스 기판과 비교하여 특히 휨 강도가 대폭 높아지고, 열전도율이 한층 더 향상된다. 기판 자체의 박형화가 가능하고 방열성에 뛰어난 반도체 장치를 얻을 수 있다

Description

반도체 장치
본 발명은 스위칭 전원 장치, 정전압 정주파수 제어 장치(CVCF), 가변 전압 가변 주파수 전원 장치(VVVF) 등의 소위 컨버터, 인버터에 이용되고, 반도체 소자가 실장된 회로 기판을 케이스 틀(frame) 내에 수납한 파워 트랜지스터 모듈로 지칭되는 반도체 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로, 반도체 소자를 납땜 등에 의해 탑재하는 절연 기판에 있어서, 세라믹스 기판(절연 심판)에 박(箔)형의 동판을 직접 접합한 맞붙임 기판(CBC 기판:Ceramic Bonding Cupper)에 관한 것이다.
파워 트랜지스터 모듈은 예컨대 제1도에 도시된 바와 같이, 방열 금속 베이스(1) 상에 땜납 등으로 고착된 맞붙임 기판(CBC 기판)(2)과, 이 위에 장착된 IGBT등의 반도체 칩(3)과, 굴곡 선단부가 CBC 기판(2)의 표면 동판(2c)의 회로 패턴에 납땜된 외부 도출 단자(리드 프레임)(4)와, 복수의 외부 도출 단자(4)를 상호 고정하는 단자 블록(7)과, 반도체 칩(3)과 외부 도출 단자(4)의 굴곡 선단부가 고착된 회로 패턴을 접속하는 본딩 와이어(5)와, 방열 금속 베이스 (1)와 수지 케이스(6)를 접착제 등으로 고착하고, 그 내부 공간에 충전된 겔형 수지(9)와, 수지 케이스(6)를 덮는 밀봉 수지(8)를 가지고 있다. 여기서, CBC 기판(2)은 산화알루미늄(Al2O3) 또는 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹스 기판(절연 심판(絶緣芯板)(2a))에 대하여, 그 기판의 전면과 후면에 박형의 얇은 동판(2b, 2c)을 예컨대 다이렉트 본드·커퍼법(direct bonding cupper method: 구리와 미량의 산소와의 반응에 의해 생성되는 Cu-O 공정 액상을 접합제로서 이용하여 접합하는 방법)에 의해 직접 접합 한 것으로, 주요 표면측(전면측)의 동판(2c)에 회로 패턴(후막(厚膜) 회로 패턴)이 형성되어 있다.
그런데, 상기와 같이, CBC 기판(2)을 파워 트랜지스터 모듈 등의 파워 반도체 칩(3)을 탑재하는 후막 회로 기판으로 이용한 경우, 다음과 같은 문제점이 있다.
(1) 파워 트랜지스터 등의 반도체 칩(3)에서는 통전(通電) 동작에 수반하여 다량의 열이 발생하고, 이 열이 CBC 기판(2)을 통하여 방열 금속 베이스(1)에 전도된 후에 방열 금속 베이스(1)에서 외부로 방열되기 때문에, CBC 기판(2)의 열전도성의 좋고 나쁨이 반도체 장치 자체의 전류 용량을 좌우하는 중요한 인자로 되어있다.
그러나, CBC 기판(2)은 세라믹스 기판(2a)이 절연 기재(基材)(심재)이고 이 세라믹스 기판(2a)에 동판(2b, 2c)을 맞대어 붙인 적층 구조를 지니기 때문에, 열전도성이 비교적 낮다. 여기서, 세라믹스 기판(2a)의 재료로 이용하고 있는 산화알루미늄과 질화알루미늄의 열전도성은 다음과 같다.
산화알루미늄: 21W/m.k
질화알루미늄: 180W/m.k
질화알루미늄이 산화알루미늄에 비하여 열전도성이 훨씬 우수하지만, 질화알루미늄은 산화알루미늄에 비하여 재료 비용이 2배 이상 비싸다고 하는 결점이 있다.
(2) 반도체 장치의 방열성을 높이기 위해서, 방열 금속 베이스(1)를 볼트로 히트 싱크 등에 부착하는 경우가 있지만, 이 때, 히트 싱크 등에 존재하는 휘어짐의 영향 때문에 휨 응력을 받아, 방열 금속 베이스(1) 및 그것에 납땜된 CBC 기판(2)이 휨 응력에 의해 휠 때가 있다. 결과적으로, 휨 강도(flexural strength)및 휨 허용량(deflection tolerance)이 작은 세라믹스의 경우, 크랙 또는 쪼개짐 등이 발생하여 절연성이 나빠진다.
질화알루미늄과 산화알루미늄을 비교해 보면, 휨 강도가 각각 300MPa, 400MPa 정도이고 휨 허용량이 각각 0.2mm, 0.3mm 정도로서 질화알루미늄이 더 약하다. 통상 히트 싱크의 휘어짐은 약 100㎛ 이하이지만, 경우에 따라 차이가 존재할 수도 있다. 이러한 차이를 고려하여 여러 가지 크랙 발생의 방지 대책을 강구할 필요가 있다.
A) 크랙 발생의 방지 대책으로서, CBC 기판을 분할함으로써, CBC 기판에 필요한 휨 허용량을 반도체 장치에 가해지는 휨량의 수분의 1이 되도록 설계하는 것이 가능하다. 그러나, 금속 베이스(1)상에 복수개의 독립적인 CBC 기판이 고착되기 때문에, CBC 기판 사이의 격리 공극(空隙)으로 인하여, 집적화에 역행되고, 반도체장치의 대형화가 초래되며, 또한 부품 점수가 증대하는 동시에 CBC 기판간의 내부배선의 접속 공정이 번잡하게 된다. 따라서, CBC 기판의 분할에 의한 소형화는 유효한 해결책이 되지 않는다.
B) 크랙 발생의 방지 대책으로, 제2도에 도시하는 바와 같이, 외부 도출 단자(리드 프레임)(4)의 내부 리드 부분에 있어서 선단부(4a) 근처에 응력 흡수용의 탄력성 굴곡부(4b)를 형성하는 동시에, 세라믹스 기판(2a)상의 회로 패턴을 갖는 동판(2c)의 가장자리가 그 세라믹스 기판(2a)으로부터 약간 뜨게 하고 있다. 이러한 탄력성 굴곡부(4b)와 동판(2c)의 가장자리의 띄움 구조에 의해서 세라믹스 기판(2a)에 생기는 응력을 완화할 수 있으므로, 크랙 등의 발생을 억제할 수 있다.그러나, 외부 도출 단자(4)의 내부 리드 부분에 탄력성 굴곡부(4b)를 형성하기 위해서는 단자마다 프레스 공정을 수행해야 하기 때문에, 다수의 외부 도출 단자(4)가 설치된 타이 바(tie bar) 부착의 리드 프레임에 단자 블록으로 조립하고, 내부 리드 선단을 납땜한 후에 타이 바 절단을 행하는 일괄적 조립법을 이용하는 데에는 적합하지 않다. 또한, 동판(2c)의 가장자리의 띄움 구조를 얻기 위해서는 에칭 공정, 세정 공정 등을 필요로 하며, CBC 기판 자체의 제조 비용의 상승을 초래한다.
이러한 상황에 있어서, 본 발명자는 재료비가 싼 산화알루미늄 원료를 이용하여 제조된 세라믹스 기판에 대하여, 방열성을 높이기 위해서 판두께를 극히 얇게하고 전열 저항을 작게 억제하는 것을 시도하였다. 그러나, 산화알루미늄 원료의 세라믹스 기판의 판두께를 예컨대 0.3mm 정도까지 얇게 하면, 기판의 실제 강도(충격에 대한 저항성)가 저하된다. 기판의 실제 강도 저하에 따라 반도체 칩(실리콘)(3)과 동판(2c)과의 접합 고착시에 각 재료의 열팽창 계수차에 기인하여 열응력이 발생하고, 이것에 의하여 절연성 기판의 불량이 발생하기 쉬워짐이 밝혀졌다. 또, 상기 각 재료의 열팽창 계수를 열거하면 다음과 같다.
실리콘(반도체 칩) : 4.0 ×10-6/℃
산화알루미늄 : 7.5 ×10-6/℃
구리 : 18.0 ×10-6/℃
그래서, 상기의 사항을 감안하여 본 발명의 과제는 원료비가 염가인 산화알루미늄 분말체를 주재료로 한 세라믹스 기판에 관하여 그 재료 조성을 개량함으로써 소재의 기계적 강도, 특히 파괴 인성(靭性)(휨 특성)(fracture toughness; toughness against deflection)을 높이고, 응력 완화의 특수 구조를 채용하지 않고 기판 자체의 박형화에 의한 방열성의 개선이 도모될 수 있도록 한 반도체 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 내부 리드를 지니는 리드 프레임과, 내부 리드의 선단에 전기적으로 접속되는 반도체 칩과, 금속제의 방열 베이스와, 금속제의 방열 베이스의 내면에 고착되는 절연 기판을 포함하고, 여기에서 반도체 칩은 절연 기판 상에 장착되어서, 절연 기판이 금속제의 방열 베이스와 반도체 칩 사이에 위치하게 되고, 절연성 기판은 주성분인 산화 알루미늄에 산화 지르코늄이 첨가되는 세라믹 판을 포함하고, 세라믹 판은 산화이트륨, 산화칼슘, 산화 마그네슘 및 산화세륨으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 산화알루미늄의 중량비는 70% 이상 100% 이하의 범위에, 산화지르코늄의 중량비는 0% 이상 30% 이하의 범위에, 그리고 상기 적어도 하나의 첨가제의 중량비는 0.02% 이상 2% 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 적어도 하나의 첨가제가 산화이트륨일 때 그 첨가량의 중량비는 0.1% 이상 2% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 적어도 하나의 첨가제가 산화칼슘일 때 그 중량비는 0.02% 이상 0.5% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 또, 적어도 하나의 첨가제가 산화마그네슘일 때 그 중량비는 0.02% 이상 0.4% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 적어도 하나의 첨가제가 산화세륨일 때 그 중량비는 0.02% 이상 0.5% 이하의범위인 것이 바람직하다.
상기의 첨가제는 단독으로 첨가되어도 좋고 본 발명에 관한 세라믹스 기판으로서 적어도 2종류가 첨가되어도 좋다. 첨가제가 2종류 이상 첨가되는 경우는 그 총첨가량(mol%)이 0.05% 이상 1.0% 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 그리고, 더욱 바람직하게는 산화알루미늄의 중량비는 82% 이상 97% 이하의 범위, 산화지르코늄의 중량비는 2.5% 이상 17.5% 이하의 범위로 한다. 또, 세라믹스 원료 분말체의 입자 직경으로서는 0.5㎛ 이상 3㎛ 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 상술한 바와 같은 세라믹스 기판의 전면과 후면에 박형의 동판을 접합하여 이루어진 CBC 기판을 반도체 장치용 기판으로 하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 산화알루미늄을 주성분으로 하고 이것에 산화지르코늄을 첨가하고, 다시 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화세륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종류 이상의 첨가제를 첨가하여 소결된 세라믹스 기판은 산화알루미늄 단일체의 세라믹스 기판과 비교하여 기계적 강도, 특히 휨 강도가 대폭 높아진다. 또한, 이 경우에 산화지르코늄의 첨가량을 2.5wt%∼17.5wt%의 범위로 선정함으로써, 기계적 강도, 특히 휨 특성을 열화시키지 않고 세라믹스 기판의 열전도율을 한층 더 향상시킬 수 있다. 이것에 의해, 기판 자체를 박형화하는 것으로 반도체 장치의 기판으로서 방열성에 뛰어난 CBC 기판을 얻을 수 있다.
또한, 산화알루미늄에 가해지는 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화 세륨은 세라믹스 기판의 소성 온도를 낮게 하면서, 산화지르코늄 결정 입자의 인성을 개선시키는 효과를 갖는다. 또, 산화이트륨, 산화칼습, 산화마그네슘, 산화세륨은 단독으로 첨가되거나, 또는 이들 첨가제의 사용으로 안정화 또는 부분 안정화된 산화지르코늄을 첨가해도 같은 효과를 얻을 수 있다.
이러한 절연 기판을 이용함으로써, 기판 사이즈의 대형화에 의해 반도체 장치의 고집적화를 도모할 수 있고, 또한 응력 완화를 위한 리드 부분에 굴곡부를 형성하지 않고도 가능하기 때문에 장치의 박형화를 실현할 수 있으며, 또 동판의 가장자리를 띄우는 구조를 배제할 수 있으므로 공정수 삭감에 의해 저가(低價)화가 가능하다.
다음에, 본 발명의 실시예에 관해서 설명한다. 제3도의(a)는 본 발명의 실시예에 관한 반도체 장치를 도시하는 부분 평면도이고, 제3도의(b)는 제3도의(a)의 A-A' 선에 따라서 절단한 상태를 도시한 부분 단면도이다. 본 실시예의 반도체 장치는 파워 모듈 또는 인텔리전트 파워 모듈로 지칭되는 반도체 모듈이다. 이 반도체 장치는 리드 프레임이 부착된 절연 수지제 케이스 틀(16)과, 이 케이스 틀(16)의 한쪽 면에 고착되어 개구를 폐쇄시키는 방열 금속 베이스(11)와, 이 방열 금속베이스(11)의 내면에 땜납 등으로 고착되어 반도체 칩(13)을 탄재하는 CBC 기판(2)과, 이 CBC 기판(2)의 박형의 동판(2c)에 내부 리드 선단(14a)이 납땜 등으로 접속된 외부 도출 단자(리드 프레임)(14)와, CBC 기판(2) 및 외부 도출 단자를 침지하는 겔형 수지(실리콘 수지) 밀봉재(19)와, 케이스 틀(16)의 다른 면측에 접착제로 고착되어 개구를 덮는 절연 수지제의 뚜껑판(20)을 가지고 있다. 밀봉재(19)와 뚜껑판(20) 사이에 공극(21)이 남아 있다. 본 실시예에 있어서의 외부 도출 단자(리드 프레임)(14)의 내부 리드 부분에는 제2도에 도시된 바와 같은 탄력성 굴곡부가형성되어 있지 않다. CBC 기판(2)은 제1도에 도시된 바와 같은 구조로, 본 실시예 독자적인 세라믹스 기판(절연 심판)(2a)에 대하여, 그 표면의 전면과 후면에 박형의 얇은 동판(2b, 2c)을, 예컨대 다이렉트 본드·커퍼법(구리와 미량의 산소와의 반응에 의해 생성하는 Cu-O 공정 액상을 접합제로서 이용하여 접합하는 방법)에 의해 직접 접합한 것으로, 주요 표면측(전면측)의 동판(2c)에 회로 패턴(후막 회로패턴)이 형성되어 있다. 그리고, 본 실시예의 CBC 기판(2)에서는 제2도에 도시된 바와 같은 동판(2c)의 가장자리를 띄우는 구조가 없다. 탄력성 굴곡부나 동판의 가장자리를 띄우는 구조를 채용하지 않더라도 가능한 이유는 본 실시예의 CBC 기판(2), 즉 세라믹스 기판(2a)이 이하에 설명하는 바와 같이 종래에 비하여 파괴 인성등의 강도가 향상되어 있기 때문이다.
(세라믹스 기판, CBC 기판)
본 실시예에서는 다음과 같은 조성 및 제조법에 의해 세라믹스 기판(2a)을 얻었다. 우선, 산화알루미늄(Al2O3)에, 산화지르코늄(ZrO2), 산화이트륨(Y2O3)을 첨가하여 입자 직경 0.5∼3 ㎛ 정도로 분쇄 혼합하고, 또 바인더로서 폴리비닐부티랄(PVB)을 8wt%, 용제로서 토르엔, 크실렌 혼합액을 50wt%, 가소제로서 프탈산디옥틸(DOP)을 2wt% 첨가하여 약 20시간 혼합한 후, 닥터 블레이드(doctor blade)법에 의해 시트형으로 성형하여 그린 시트(green sheet)를 얻었다. 다음에, 그 그린 시트를 프레스 가공에 의해 소정의 형상으로 만든 후, 온도 1550∼1650℃에서 소성하여, 판두께 0.2mm∼0.7mm의 세라믹스 기판의 소결체를얻었다.
제4도는 산화알루미늄에 산화지르코늄과 산화이트륨(0.75wt%)을 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 특성을 도시하며, 산화알루미늄에의 산화지르코늄의 첨가량을 변화시켜, 폭 5mm×길이 60mm×두께 0.5mm의 샘플을 제조하여 열전도율을 평가한 것을 제4도의(a)에, 휨 강도를 평가한 것을 제4도의(b)에 도시한다. 이 경우에 부분 안정화 조제로서 산화이트륨(Y2O3)을 0 75wt% 첨가하고 있다. 열전도율은 산화지르코늄량을 감소시킴에 따라서 큰 값을 나타낸다. 그리고, 0wt%에서 30wt% 까지의 범위 내에서 산화알루미늄 단일체(절선으로 표시)로 얻어지는 열전도보다 큰 값이 얻어졌다. 또 a -산화알루미늄으로서 지금까지 얻어진 가장 높은 열전도율 30W/km을 넘는 열전도율이 산화지르코늄 첨가량 약 2.5wt%∼17.5wt%의 사이에서 얻어졌다. 이것은 조제 산화이트륨 첨가의 피크적 효과라고 생각된다. 한편, 휨 강도의 데이타(4점 휨)를 제4도의(b)에 도시한다. 0 표로 나타낸 것은 세라믹스 기판 그 자체의 데이타이다. 산화지르코늄의 첨가량이 증대함에 따라서, 휨 강도가 증대하며, 약 25% 이상으로 포화하는 경향을 나타낸다. □표로 나타낸 것은 세라믹스기판 표면의 전면과 후면에 동판을 접합하여 형성한 CBC 기판의 데이타이다. 인성이 있는 동판으로 샌드위치형으로 끼워 넣은 구조가 되므로, 세라믹스 기판의 경우에 비하여, 약 2배 정도의 휨 강도의 값이 얻어지며, 산화지르코늄의 첨가량이 감소하더라도 세라믹스 기판 자체와 비교하여 휨 강도가 현저하게 저하되지 않았다. 통상의 세라믹스 소성시 불순물 정도의 산화이트륨(0.01wt% 이하 첨가)이 불가항력적으로 들어가 있는 것에 대하여, 본 실시예에서 다량(0.75wt%)의 산화이트륨을 첨가하였기 때문에 위와 같은 효과가 나타난 것으로 보인다.
제5도에 산화이트륨 첨가량의 영향을 도시하는 데이타를 도시한다. 제5도의(a)는 산화지르코늄이 산화알루미늄에 5wt% 첨가되어 있는 세라믹스의 열전도율의 산화이트륨 첨가량 의존성을 도시한다. 0.2∼0.6wt%에서 열전도율의 최대치(피크치)가 나타나고, 0%(의식적으로 산화이트륨을 첨가하지 않은 경우)에서, 제4도의(a)에 도시하는 바와 같은 통상의 산화알루미늄의 열전도율(약 22W/m.k) 과 유사한 값이 된다.
제5도의(b)에 휨 강도의 데이타를 도시한다. 세라믹스 기판 자체에서는 0.25wt%에서 강도가 최대치를 나타내지만, CBC 기판에서는 산화이트륨이 감소함에 따라서 강도가 서서히 저하한다. 이 경우도 열전도율의 경우와 같이 산화이트륨 첨가 없는 곳(0wt%)에서는 급격한 강도의 저하를 나타낸다. 이상으로 조제 산화이트륨의 첨가량이 특성 향상에 크게 기여하고 있음을 알 수 있다. 단지, 산화이트륨이 2wt%를 넘으면 세라믹스의 수축율, 강도에 큰 격차가 생기게 된다. 따라서 산화이트륨 첨가량의 적량은 0.1∼2wt%라고 할 수 있다.
휨 강도와 파괴에 이르기까지의 휨 양은 세라믹스의 두께에 크게 의존한다. 산화지르코늄 첨가량 22.5wt%, 산화이트륨 첨가량 0.75wt%의 경우의 세라믹스 단일체의 휨 강도와 휨 양이 판 두께와 함께 변화하는 예를 제6도에 도시한다. 아울러 종래의 산화알루미늄 단일체의 세라믹스 기판의 경우 및 질화알루미늄의 세라믹스기판의 경우를 도시한다. 산화지르코늄 22.5wt%, 산화이트륨 0.75wt%을 첨가한 산화알루미늄의 세라믹스쪽이 강도가 높고, 휨 특성(인성)이 풍부하고, 충격 저항성에 우수한 것이 판명되었다.
제7도에 이들 세라믹스 기판을 이용하여 CBC 기판을 구성한 경우의 휨 강도와 휨 양이 세라믹스 판두께에 의존하는 모습을 도시한다. 어느 쪽의 기판도 휨 강도, 휨 양이 동시에 증대하고 있지만, 제6도와의 비교에서 분명한 바와 같이 본 실시예의 산화지르코늄 22.5wt%, 산화이트륨 0.75wt%를 첨가하여 얻을 수 있는 세라믹스 기판을 사용하는 CBC 기판 쪽의 특성이 향상되었다.
여기서, CBC 기판의 휨 강도가 종래에 비하여 매우 향상된 점으로부터 다음과 같은 효과가 생긴다. 제3도에 도시된 바와 같이, CBC 기판(2)을 히트 싱크로서의 방열 금속 베이스(11)상에 탑재하여 반도체 장치를 구성하는 경우에 있어서는 방열 금속 베이스(11)의 주면에 휘어짐이 불가피하게 존재하며, 금속 베이스(11)의 제조 방법에 의해서는 그 휘어짐이 제품마다 크게 다르다. 금속 베이스(11)의 휘어짐에 의해서 CBC 기판(2)에 휨의 초기 응력이 가해지지만, CBC 기판(2)의 휨 강도가 높고, 휨 양이 크므로, CBC 기판(2)에 쪼깨짐 등이 생기는 일이 없다. 따라서, 고열전도율의 CBC 기판을 박형화할 수 있으므로, 상승(相乘)적으로 열전도성이 향상된다.
또한, 본 조성은 산화알루미늄을 기초로 한 것이고, 산화알루미늄을 제조하는 제조 장치 및 그 제조 방법 모두 거의 동일하고, 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스에 비하여 저가의 세라믹스 기판을 제공할 수 있다.
조제로서 산화이트륨 이외의 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO),산화세륨(CeO2)의 첨가의 효과를 검토하였지만, 산화칼슘 및 산화세륨은 산화이트륨과 거의 같은 효과를 나타내는 것이 발견되었다. 이하에 설명하는 바와 같이, 산화마그네슘의 첨가에서는 산화이트륨보다 특성 면에서 약간의 개선이 발견되었다.
제8도 및 제9도에 그 예를 도시한다. 제8도는 산화마그네슘 0.75wt%인 경우의 열전도율과 휨 강도의 데이타이다. 제8도의(a)의 열전도율은 산화이트륨에 비교하여 5wt% 정도의 특성 향상이 보인다. 제8도의(b)의 휨 강도에 관해서는 첨가량이 적은 곳에서 강도가 향상하고 있다. 그 결과, CBC 기판의 특성도 약간 향상하고 있다.
제9도의(a)는 열전도율의 산화마그네슘 첨가량 의존성을 도시하고, 제9도의(b)는 휨 강도의 산화마그네슘 첨가량 의존성을 도시하고 있다. 산화이트륨의 경우의 제5도와 비교하면, 열전도율 및 휨 강도는 거의 같은 특성을 나타내고 있다. 그러나, 산화마그네습 첨가량이 0.4wt%를 넘으면, 세라믹스의 수축률, 강도에 큰 격차가 생기게 되며, 산화마그네슘 첨가량의 적량은 0.01∼0.4wt%라고 할 수 있다.
또, 산화칼슘, 산화세륨에 관해서도 거의 같은 효과가 인지되었지만, 첨가량의 적량은 산화칼슘의 경우가 0.02∼0.5wt%, 산화세륨의 경우가 0.05∼2wt%이었다.
다음에, 산화이트륨, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨등의 첨가제를 2종류이상 혼합하고 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 결과를 조사하였다. 이들의 다른종류의 첨가제를 첨가한 효과는 첨가량을 mol%로 표시함으로써 설명할 수 있었다.
제10도에 산화이트륨과 산화칼슘을 혼합 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 결과를 도시한다. 산화지르코늄의 첨가량이 5wt%의 경우에 산화이트륨과 산화칼슘을 합친 첨가량 0.1∼0.3mol% 에서 열전도율이 최대치를 나타내며, 세라믹스 기판의 휨 강도는 0.1∼0.2mol% 에서 최대치가 얻어졌다.
또한, 산화이트륨과 산화세륨을 혼합한 것, 산화칼슘과 산화세륨을 혼합한 것, 산화이트륨과 산화세륨과 산화칼슘을 혼합한 것이라도, 상기 산화이트륨과 산화칼슘을 혼합하여 제조한 세라믹스 기판과 같은 효과가 얻어졌다. 그러나, 첨가량이 1mol%를 넘으면, 세라믹스의 수축률이나 강도에 격차가 생기게 된다. 따라서, 이들 혼합물의 첨가량의 적량은 0.05∼1mol%라고 할 수 있다.
제11도에 산화마그네슘과 산화이트륨을 혼합하여 제조한 세라믹스 기판의 결과를 도시한다. 산화지르코늄 첨가량은 5wt%이다. 산화마그네슘 단일체를 첨가한 경우(제9도 참조)와 비교하면, 휨 강도가 약간 향상하는 경향이 보였다. 산화마그네슘과 산화칼슘, 산화마그네슘과 산화세륨, 산화마그네슘과 산화이트륨과 산화칼슘, 산화마그네슘과 산화칼슘과 산화세륨, 산화마그네슘과 산화이트륨과 산화칼슘과 산화세륨의 조합으로 첨가한 경우도 같은 효과를 보였다. 그러나, 상기 조제의 총첨가량이 1mol%를 넘으면, 세라믹스의 수축율이나 강도에 격차가 나타났다. 따라서, 첨가량의 적량은 0.05∼1mol%라고 할 수 있다.
또, 상기의 실시예에서는 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨 중의 하나를 혼합하여 제조한 경우에 있어서도, 또한 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨, 산화이트륨 중 어느 하나를 조합시켜 제조한 경우에 있어서도, 산화이트륨 첨가의 경우에나타난 제6도, 제7도의 효과를 확인할 수 있었다.
다음에, 본 실시예의 0.2mm 두께의 세라믹스 기판 및 CBC 기판을 이용하여 제3도의 반도체 장치를 조립하였다. 또한 비교예로서, 별도 판두께 0.63mm의 질화알루미늄의 CBC 기판을 이용하여 같은 반도체 장치를 조립하고, 이들의 조립체에 관하여 기계적인 변형 내성 시험(mechanical deformation tolerance test) 및 단속 통전 시험(temperature rise by a discontinuous current flow)을 행하였다.
변형 내성 시험에서는 방열 금속 베이스(1)에 외력을 가하여 강제적인 변형을 부여하고, 세라믹스 기판(2a)의 절연 불량에 이를 때까지의 변형량과 강도를 조사하였다. 이 결과, 본 실시예의 세라믹스 기판을 이용한 것은 질화알루미늄 기판을 이용한 것과 비교하여, 강도에서는 2.5배 향상되고, 변형량에서는 4배 신장되며, 절연 불량에 이를 때까지의 강도가 매우 개선됨이 판명되었다. 즉, 산화알루미늄에 산화지르코늄 및/ 또는 첨가제(산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨, 산화이트륨)를 적량 첨가함으로써, 실용적으로는 세라믹스 기판(2a)의 판 두께를 1/3까지 얇게 할 수 있게 되었다.
단속 통전 시험에서는 본 실시예의 세라믹스 기판을 이용한 것은 질화알루미늄 기판을 이용한 것과 비교하여, 동일 콜렉터 손실을 부여할 경우의 반도체 칩의 접합 온도 상승분 △T는 같거나 작으며, 통상의 산화알루미늄 기판을 이용한 것에 비하여 단속 통전 내량(斷續 通電 耐量)이 수배 향상됨이 인지되었다.
이것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 세라믹스 기판은 산화알루미늄 및 질화알루미늄 기판과 비교하여 기계적 특성에서 우수하고, 절연 기판의 세라믹스 기판 자체의 박막화가 가능하며, 방열성이 높은 반도체 장치용의 절연 기판으로서 충분히 기대할 수 있다.
이러한 CBC 기판(2)을 이용하면, 제3도에 도시된 본 실시예의 반도체 장치에서는 세라믹스 기판의 강도가 향상됨과 동시에, 세라믹스 기판과 동판의 접착력이 증대한 것, 리드와 동판의 땜납 접착면이 증대된 것 및 밀봉재(19) 상에 공극(21)을 설치하였기 때문에 겔형 수지 밀봉재(19)의 열팽창이 완화된 것 등이 상승적으로 기능하고 있다.
또한, 종래에서는 동판의 띄움 구조가 필요하였지만, 본 실시예로서는 세라믹스 기판의 강도가 향상되기 때문에, 그 띄움 구조는 불필요하다 이 때문에, 에칭후의 세척이나 에칭 잔재가 극간으로부터의 번져 나오는 등의 문제가 없다.
또 내부 리드 부분의 응력 완화의 굴곡부를 없앨 수 있기 때문에, 복수의 리드의 일체적 리드 프레임화가 가능하고, 조립 작업성의 향상을 도모할 수 있다.
또, 상기의 실시예에서는 세라믹스 기판의 판두께로서 0.5mm, 0.2mm의 예를 나타내었지만, 형성법으로서 닥터 블레이드법, 압출 압연법, 캘린더법 등을 이용하면 판 두께 0.05∼5mm의 시트형의 기판을 제조할 수 있다. 또한, 원료 분말에 폴리비닐알콜(PVA) 등의 결합제를 첨가하고, 습식 혼합후에 스프레이 건조기로 건조 조립한 원료를 이용하여 성형하는 프레스 성형법을 채용하면, 단면 형상의 변화가 큰 기판의 제조도 가능하다.
습식 혼합후에 압출법을 채용하면, 길이 방향은 일정하고 단면 형상이 다른 기판도 가능하다. 또한 사출 성형법에 의하면 길이 방향의 단면 형상도 다른 임의의 형상의 기판도 가능하다. 이들의 기판은 오목 부분을 이용하여 동판과의 위치를 미리 정할 수 있으므로 접합 공정에 있어서 위치의 변위를 일으키기 어렵다고 하는 점에서 우수하다.
상기의 실시예에서는 세라믹스 기판과 동판의 접합은 다이렉트 본딩법의 예를 채용하여 설명하고 있지만, 일반적으로 화학적 접합법으로서, 예컨대 활성금속 법, 금속화법과 같이 은 땜납(silver solder)에 Ti를 첨가하여 접합하는 것도 가능하다.
이들은 접합 온도를 낮게 설계할 수 있으므로, 휘어짐이 적은 평활한 기판설계를 용이하게 하는 등의 점에서 우수하다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 반도체 장치에 있어서는 CBC 기판의 세라믹스 기판으로서 산화알루미늄에 산화지르코늄 및 또는 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화세륨 등의 첨가제를 첨가하여 고온 소성한 세라믹스를 이용하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 종래의 산화알루미늄 단일체의 기판이나 질화알루미늄 기판과 비교하여 기계적 강도를 대폭 증강할 수 있다. 따라서, 실용상으로 세라믹스 기판의 박형화가 가능하고, 이것에 의해 반도체 장치용의 기판으로서 방열성이 높은 CBC 기판을 얻을 수 있으며, 특히 파워 트랜지스터 모듈등의 기판에 적용되는 것으로 반도체 장치의 소형화, 저가화 및 전류 용량의 증대화를 도모할 수 있다. 기판 사이즈의 대형화에 의해 반도체 장치의 고집적화를 도모할 수 있으며, 또한 응력 완화를 위한 리드 부분에 굴곡부를 형성하지 않고 끝내기 때문에, 장치의 박형화를 실현할 수 있고, 또 동판의 가장자리 띄움 구조를 배제할수 있으므로 공정수 삭감에 의해 저가화가 가능하다.
특히, 산화알루미늄의 중량비가 70% 이상 100% 이하의 범위에, 산화지르코늄의 중량비가 0%에서 30%까지인 범위에, 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화세륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제의 총량의 중량비가 0.02% 이상 2% 이하의 범위에 있는 경우에는 실용적으로 뛰어난 휨 강도와 고열전도율의 세라믹스 기판을 얻을 수 있으며, 상기의 효과가 현저해진다.
제1도는 파워 트랜지스터 모듈의 일반적 구성을 도시하는 단면도.
제2도는 파워 트랜지스터 모듈에 있어서 CBC 기판과 외부 도출 단자와의 접속 구조를 도시하는 부분 단면도.
제3도의 (a)는 본 발명의 실시예에 관한 반도체 장치를 도시하는 부분 평면도이고, (b)는 제3도의 (a)의 A-A'선에 따라서 절단한 상태를 도시하는 부분 단면도.
제4도의 (a)는 본 발명의 실시예에 있어서 산화이트륨 0.75wt%을 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 열전도율의 산화지르코늄 첨가량 의존성을 도시하는 그래프이고, (b)는 동일 세라믹스 기판 및 그것을 이용한 CBC 기판의 휨 강도의 산화지르코늄 첨가량 의존성을 도시하는 그래프.
제5도의 (a)는 본 발명의 실시예에 있어서 산화지르코늄 5wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 열전도율의 산화이트륨 첨가량 의존성을 도시하는 그래프이고, (b)는 동일 세라믹스 기판 및 그것을 이용한 CBC 기판의 휨 강도의 산화이트륨 첨가량 의존성을 도시하는 그래프.
제6도는 본 발명의 실시예에 있어서 산화이트륨 0.75wt%와 산화지르코늄 22.5wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 휨 강도, 휨량, 판두께의 관계를 산화알루미늄 단일체의 세라믹스 기판과 질화알루미늄 세라믹스 기판의 비교로써 도시하는 그래프.
제7도는 본 발명의 실시예에 있어서 산화이트륨 0.75wt%와 산화지르코늄 22,5wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판을 이용한 CBC 기판의 휨 강도, 휨량, 판두께의 관계를 산화알루미늄 단일체의 CBC 기판과 질화알루미늄의 CBC 기판의 비교로써 도시하는 그래프.
제8도의 (a)는 본 발명의 실시예에 있어서 산화마그네슘 0.75wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 열전도율의 산화지르코늄 첨가량 의존성을 도시하는 그래프이고, (b)는 동일 세라믹스 기판 및 그것을 이용한 CBC 기판의 휨 강도의 산화지르코늄 첨가량 의존성을 도시하는 그래프.
제9도의 (a)는 본 발명의 실시예에 있어서 산화지르코늄 5wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 열전도율의 산화이트륨 첨가량 의존성을 도시하는 그래프이고, (b)는 동일 세라믹스 기판 및 그것을 이용한 CBC 기판의 휨 강도의 산화마그네슘 첨가량 의존성을 도시하는 그래프.
제10도의 (a)는 본 발명의 실시예에 있어서 산화지르코늄 5wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 열전도율의 산화이트륨과 산화칼슘과의 혼합 첨가량 의존성을 도시하는 그래프이고, (b)는 동일 세라믹스 기판 및 그것을 이용한 CBC 기판의 휨 강도의 산화이트륨과 산화칼슘과의 혼합 첨가량 의존성을 도시하는 그래프.
제11도의 (a)는 본 발명의 실시예에 있어서 산화지르코늄 5wt%를 첨가하여 제조한 세라믹스 기판의 열전도율의 산화마그네슘과 산화이트륨의 혼합 첨가량 의존성을 도시하는 그래프이고, (b)는 동일 세라믹스 기판 및 그것을 이용한 CBC 기판의 휨 강도의 산화마그네슘과 산화이트륨과의 혼합 첨가량 의존성을 도시하는 그래프.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 11 : 방열 금속 베이스
2 : CBC기판
2a : 세라믹스 기판
2b, 2c : 동판
3, 13 : 반도체 칩
4, 14 : 외부 도출 단자
5 : 본딩 와이어
6, 16 : 수지 케이스
7 : 단자 블록
8 : 밀봉 수지
20 : 뚜껑판

Claims (13)

  1. 내부 리드를 지니는 리드 프레임과,
    상기 내부 리드의 선단에 전기적으로 접속되는 반도체 칩과,
    금속제의 방열 베이스와,
    상기 금속제의 방열 베이스의 내면에 고착되는 절연 기판을 포함하고,
    상기 반도체 칩은 상기 절연 기판 상에 장착되어서, 상기 절연 기판이 상기 금속제의 방열 베이스와 상기 반도체 칩 사이에 위치하고,
    상기 절연성 기판은 주성분인 산화 알루미늄에 산화 지르코늄이 첨가되는 세라믹 판을 포함하고,
    상기 세라믹 판은 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화세륨으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 판은 1550℃ 내지 1650℃ 사이에서 소결되는 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제가 산화이트륨인 경우, 그 중량비는 0.1% 이상 2%이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제가 산화칼슘인 경우, 그 중량비는 0.02% 이상 0.5% 이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제가 산화마그네슘인 경우, 그 중량비는 0.02% 이상 0.4% 이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제가 산화세륨인 경우, 그 중량비는 0.02% 이상 0.5% 이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제는 상기 첨가제들 중 적어도 2개의 첨가제를 포함하고, 그 총첨가량(mol%)이 0.05% 이상 1.0% 이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 절연 판에서 상기 산화알루미늄의 중량비가 70% 이상 100% 이하 의 범위에 있고, 상기 산화 지르코늄의 중량비가 0% 이상 30% 이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세라믹스 절연판에 포함되는 적어도 하나의 첨가제의 중량비, 즉 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화세륨으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제의 중량비는 0.02% 이상 2% 이하의 범위에 있는 반도체장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 판은 1550℃ 내지 1650℃ 사이에서 소결되는 반도체 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹 판은 입자 직경이 0.5㎛ 이상 3㎛ 이하인 원료 분말체로 제조되는 반도체 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 산화알루미늄의 중량비가 82% 이상 97% 이하의 범위에 있고, 상기 산화지르코늄의 중량비가 2.5% 이상 17.5% 이하의 범위에 있는 반도체 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 판은 입자 직경이 0.5㎛ 이상 3㎛ 이하인 원료 분말체로 제조되는 반도체 장치.
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