JPS6214943B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体素子を絶縁物を介して金属支持
体上に載置した電子装置に関する。

半導体装置の一例である高出力トランジスタで
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
の内部において発熱を伴なう。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ている。温
度上昇を防ぐ方法の１つとして、従来、トランジ
スタペレツトの支持体としてのステムを放熱器に
取付け、トランジスタペレツトで発生した熱をス
テムや放熱器を介して外部へ放出させる方法がと
られてきた。しかしながら、高出力トランジスタ
の場合、上述したように大きなコレクタ電流を流
すため、その電流路を確保することや効率的に熱
放散させる必要から、コレクタ領域が直接ステム
に固着されるようにトランジスタペレツトを載置
している。ところが、この種のトランジスタは通
常エミツタまたはベース接地にして使用されるた
め、コレクタ端子即ちステムは多くの場合接地状
態におかれる放熱器（またはシヤーシ）などに直
接取付けることができない。このため、通常はス
テムと放熱器との間に、例えばマイカまたはテレ
フタル酸ポリエステル（マイラ）などの絶縁板を
はさんで電気的に絶縁し、かつ放熱を助けるため
にステム−絶縁板間および絶縁板−放熱器間に空
隙を埋めるためのグリースを介し、そしてステム
と放熱器とを絶縁ワツシヤを介したネジ締めによ
つて固定していた。しかしこの場合でも、コレク
タ領域がステムに電気的に接続されている（ステ
ムを接地状態にできない）ため、このままでは電
磁波妨害による雑音の影響を避けることが困難で
ある。

一方、電気絶縁、効率的な熱放散、および電磁
波妨害防止をはかる試みとして金属支持体上にベ
リリヤ磁器やアルミナ磁器を介して半導体素子を
載置した例がある。しかしながら、ベリリヤ磁器
を用いた場合は具体的に次のような問題があつ
た。(1)ベリリヤ自体強い毒性を有していてその取
扱いに厳重な注意を要し、しかも入手困難で高価
である。(2)ベリリヤ磁器の熱膨張係数は7.6×
10^-6／℃と支持体やコレクタ電極を兼ねるペレツ
ト載置板として広く用いられる銅（18×10^-6／
℃）やアルミニウム（25×10^-6／℃）との差が大
きく、そのままではベリリヤ磁器−支持体間ある
いはベリリヤ磁器−載置板間接合部に熱疲労を生
じやすく、両者間の強固な一体化が困難である。
(3)接合部の熱疲労を緩和するには歪緩和のための
緩衝領域を設ける必要があり、このためには例え
ば接合部のソルダ層を厚くしたり、あるいはモリ
ブデン（5.2×10^-6／℃）やタングステン（4.3×
10^-6／℃）などのスペーサを絶縁板に加えて介す
必要があるが、この場合は一体化に要する部品点
数や処理工数の面で損失が多くなるほか熱放散上
も不利になり。(4)絶縁板としてベリリヤ磁器を用
いた場合に不可欠なスペーサとしてのモリブデン
やタングステンは重い金属である（モリブデンの
比重：10.27、タングステンの比重19.3）ことか
ら、半導体装置の軽量化をはかる際の障害とな
る。一方、アルミナ磁器を用いた場合でも、毒性
の問題を除いては前述したベリリヤ磁器と同様の
問題を伴なう。

以上の背景から種々検討した結果、例えば第１
図に示すように、半導体素子１を銅支持体２上に
載置するにあたり、ポリイミド３および接着剤と
してのフツ素化エチレン４，４′を介して銅支持
体２に一体化した銅載置板５からなる構成が電子
装置として極めて有効であるとの知見を得た。し
かしながら、次の理由からさらに高出力の電子装
置として適用することが困難であつた。

(1) ポリイミド３自体フレキシブルな性質を有し
ていることおよび接着剤としてのフツ素化エチ
レン４，４′層が薄いことと相まつて接着層、
即ち支持体２−ポリイミド３間あるいはポリイ
ミド３−載置板５間に局部的に空隙を生じ、均
一な接着が困難である。

(2) (1)の結果、接着率（空隙を生じない面積／全
接触面積）が低い。

(3) (1)、(2)の結果、熱伝導に寄与する有効面積が
少なく、放熱性が阻害される。

(4) (1)、(2)の結果、接着面積の拡張が困難であ
る。

以上にトランジスタを例にして従来の電子装置
の欠点を説明したが、トランジスタに限らず、ダ
イオードやサイリスタなど他の半導体装置、ある
いは少なくとも半導体素子を含む混成集積回路装
置とした場合でも同様の問導点を残していた。

本発明の目的は、接着効率を高めることによつ
て放熱性を改善した電子装置を提供するにある。

本発明は、半導体素子を載置する金属載置体と
これを支持する金属支持体とをポリイミドを介し
て一体化する際に銅層と金属ソルダ層とから成る
金属層を介して行うようにしたものである。

この場合、銅層はポリイミドのフレキシブル性
を抑制して高温下の一体化熱処理時にも平坦性を
保持せしめる役割および金属ソルダとの接着性を
保持するための役割を担うものであり、そして金
属ソルダ層は載置体または支持体との一体化を遂
行するとともにこれらの面の非平坦性に起因する
空隙を埋め合せる役割を担うものである。

第２図は本発明の実施例を示す正面図である。

第２図に示すように、半導体素子としてのシリ
コントランジスタペレツト１１を載置する銅載置
板１５を銅支持板１２上にポリイミド１３を介し
て一体化するにあたり、支持板１２とポリイミド
１３の間に銅層１４と鉛−スズ系ハンダ層１４′
を介して一体化し、他方ポリイミド１３を載置板
１５間にフツ素化エチレン層１６を介して一体化
したものである。この際以上の一体化物のトラン
ジスタペレツト１１のエミツタおよびベース領域
をそれぞれアルミニウム線１７，１８で接続し、
そしてコレクタ領域は銅載置板１５を介してアル
ミニウム線１９に電気接続し、その後通常用いら
れる方法でアルミニウム線１７，１８，１９を銅
リード（図示せず）に接続し、そして銅支持板１
２および銅リードの一部を除く少なくとも前述の
各部が完全に外気からしや断されるように樹脂で
モールド（図示せず）した。

このような構成で得られた電子装置の接着率
は、ポリイミド１３−載置板１５間では約75％と
第１図構造の従来例の約60％より向上され、支持
板１２−ポリイミド１３間では約96％大幅に向上
した。後者で大幅な向上が見られたのは、ハンダ
層１４′が溶融して空隙を埋める働きを効果的に
行つたためであり、前者で小幅ながら向上したの
は銅層１４の存在によりポリイミド１３の本質で
あるフレキシブル性が抑制され、空隙の新たな発
生が抑制されたためである。この結果、トランジ
スタペレツト１１−支持板１２間の熱抵抗は第１
図の従来構造の場合に比べて約50％低い値を示し
た。このように、本実施例によれば接着部の空隙
が軽減されているため放熱性の優れることが確認
された。また、絶縁耐圧は2000V以上が得られ、
−20℃〜＋150℃間の熱サイクルを1000回与えた
ときの接着部には何等の異常も見出されなかつ
た。このように高い絶縁耐圧が得られたのは、ポ
リイミドの優れた絶縁性が有効に生かされている
ためであり、熱疲労の生じにくい堅牢な一体化が
可能であるのは、ポリイミドやフツ素化エチレン
が銅支持板や銅載置板とほぼ同等の熱膨張係数を
有するとともにハンダ層が銅と銅の間にはさまれ
た構造になつているため熱ストレスによる変形作
用を受けにくいことに起因する。

第３図は本発明の第２の実施例を示す正面図で
ある。

第３図に示すように、第２図の実施例と同様に
銅載置板１５をポリイミド１３を介して銅支持板
１２上に一体化するにあたり、ポリイミド１３−
支持板１２間に銅層１４と鉛−スズ系ハンダ層１
４′を介するとともに、載置板１５−ポリイミド
１３間にもハンダ層２１′と銅層２１を介して一
体化したものである。また、この上に前記第１の
実施と同様にトランジスタペレツトを載置すると
ともに所定の電気配線やモールデイングをして電
子装置を構成する。

このような構成で得られた電子装置の接着率
は、支持板１２−ポリイミド１３間では約95％と
前記第１の実施例とほぼ同等であり、ポリイミド
１３−載置板１５間では約93％と前記実施例１の
場合より大幅に向上された。支持板１２側、載置
板１５側とも接着率が向上したのは、ポリイミド
１３の両側に銅層１４，２１ではさまれた構造の
ためポリイミドの本質であるフレキシブル性が抑
制され、空隙の新たな発生が抑制されたことと、
ハンダ層１４′，２１′が溶融して空隙を埋める働
きが効果的になされたためである。その結果、こ
の電子装置のトランジスタペレツト−支持板１２
間の熱抵抗は前記実施例１の場合より約30％低い
値を示した。このように、本実施例によれば、放
熱性を一層向上できることが確認された。また、
前記第１の実施例と同様、優れた電気絶縁性や耐
熱疲労性が確認された。

第４図は本発明の第３の実施例を示す正面図で
ある。

第４図に示すように、銅支持板３１上に銅載置
板３２，３２′と銅電極板３３をポリイミド３４
を介して一体化するにあたり、銅支持板３１−ポ
リイミド３４間に銅層３５と鉛−スズ系ハンダ層
３６を介して一体化し、他方ポリイミド３４−銅
載置板３２，３２′および銅電極板３３間にフツ
素化エチレン層３７を介して一体化したものであ
る。この際、サイリスタ３８、ダイオード３９，
４０、チツプコンデンサ４１、チツプ抵抗４２が
載置され、所定の配線およびモールデイングがさ
れた電流制御用電子装置を得ている。

このような構成で得られた電子装置の接着率は
前記第１の実施例の場合とほぼ同等であり従来法
による電子装置より大幅に向上した。この理由は
前記第１の実施例の場合と同様である。また、電
流制御用電子装置に80Wの電力を印加し銅支持板
３１の温度を80℃に保つたときのサイリスタ３
８、ダイオード３９，４０の各温度を測定したと
ころ高々115℃にしかならず、そしてチツプ抵抗
４２の抵抗値変化も高々５％にしかならなかつ
た。このように、第４図の実施例によれば、半導
体素子や受動素子などを多数載置した混成集積回
路を構成する電子装置としてもその機能を十分に
果し得ることが確認された。この主な理由は前記
第１の実施例と同様に、接着率の向上にともなう
放熱性の向上による。さらに、電気絶縁性および
耐熱疲労性についても前記第１の実施例とほぼ同
等であることが確認された。

第５図は本発明の第４の実施例を示す正面図で
ある。

本実施例における電子装置は、銅支持板５７上
に前記第３の実施例と同様にして第１銅載置板５
１と銅電極板３３を一体化したものの第１銅載置
板５１上に、さらにフツ素化エチレン５３−ポリ
イミド５１−銅５５−ハンダ５６から構成される
積層体を介して第２銅載置板５２を一体化したも
のである。この際、発熱量の比較的少ないダイオ
ード４０を第２銅載置板５２に載置し、他の回路
素子は前記第３の実施例と同様にして載置して、
前記第３の実施例と同等の電力容量を持つ電流制
御用電子装置を得ている。

このような構成電子装置に80Wの電力を印加し
銅支持板５７の温度を80℃に保つた場合でもサイ
リスタ３８、ダイオード３９，４０、およびチツ
プ抵抗４２の温度は115℃を越えず、熱放散上の
支障は見出されなかつた。また、電気特性および
耐熱疲労性についても、前記第３の実施例同様支
障となる点は見出されなかつた。さらに、本実施
例の場合は、回路素子の実装密度が高められたた
め、前記第３の実施例と同等の電力容量を有する
電子装置でありながら実装面積を約25％小さくす
ることができた。

以上、各実施例を用いて本発明を説明したが、
本発明はこれのみに限定されるものではなく、例
えば次のような場合でも本発明の効果ないし利点
を享受できる。

(1) 電子装置を構成する支持体や載置体が表面に
金、ニツケル、銀などで表面被覆した銅または
アルミニウムである場合。

(2) 電子装置を構成する金属ソルダ層用材料が少
なくとも金−ゲルマニウム、金−シリコンなど
の金系合金ソルダまたは銀−スズなどの銀系合
金ソルダである場合。

(3) 電子装置を構成する載置体にコンデンサや抵
抗体などの受動素子を載置した場合。

以上詳細に説明したように、本発明の実施例に
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) ポリイミドと支持体または載置体間に銅層と
金属ソルダ層を介しているため、金属ソルダが
溶融して空隙を埋める働きをするとともに銅層
の存在によりポリイミドのフレキシブル性が抑
制されて空隙の発生が防止される。

(2) (1)の結果、接着率が向上する。

(3) (1)、(2)の結果放熱性が向上する。

(4) (3)の結果、電子装置の回路素子実装密度を上
げられるため、同装置を小型化できる。

(5) ポリイミドの絶縁性が優れるため、電子装置
の絶縁性がよい。

(6) ポリイミドやフツ素化エチレンが支持板や載
置板の母材となる銅やアルミニウムとほぼ同等
の熱膨張係数を有するとともに、金属ソルダ層
がほぼ同等の熱膨張係数を有する銅層−支持体
または銅層−載置体間にはさまれる構造のた
め、熱ストレスによる疲労の生じにくい電子装
置を実現できる。

なお、本発明を構成するにあたり、ポリイミド
と銅層とは直接一体化されていることが最も望ま
しいが、接着材を介して一体化されていてもよ
い。また、金属ソルダは熱ストレスに対する信頼
性や、コスト、作業温度等の観点から鉛−スズ系
ハンダが望ましいが、例えばインジウム、アンチ
モン、金、銀、アルミニウム、シリコン、ゲルマ
ニウム、鉛、スズ、の中から選択された少なくと
も１種の金属を含む合金ソルダであつても良い。

以上より明らかなように本発明によれば、放熱
性の良い電子装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電子装置の正面図、第２図は本
発明の第１の実施例の正面図、第３図は本発明の
第２の実施例の正面図、第４図は本発明の第３の
実施例の正面図、第５図は本発明の第４の実施例
の正面図である。 １１……シリコントランジスタペレツト、１
２，３１，５７……銅支持板、１３，３４，５４
……ポリイミド、１４，２１，３５……銅層、１
４′，２１′，３６……ハンダ層、１５，３２，３
２′……銅載置板、１６，３７，５３……フツ素
化エチレン層、３３……銅電極板、３８……サイ
リスタ、３９，４０……ダイオード、４１……チ
ツプコンデンサ、４２……チツプ抵抗、５１，５
２……第１、第２載置板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体素子等を載置する金属載置体と該金属
   載置体を支持する金属支持体との間にポリイミド
   を介して一体化形成してなる電子装置において、
   前記金属載置体または前記金属支持体のいずれか
   一方と前記ポリイミドとの間に、銅層と金属ソル
   ダとから成る金属層を介在させたことを特徴とす
   る電子装置。