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JPS6231828B2 - - Google Patents
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JPS6231828B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6231828B2
JPS6231828B2 JP55125783A JP12578380A JPS6231828B2 JP S6231828 B2 JPS6231828 B2 JP S6231828B2 JP 55125783 A JP55125783 A JP 55125783A JP 12578380 A JP12578380 A JP 12578380A JP S6231828 B2 JPS6231828 B2 JP S6231828B2
Authority
JP
Japan
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layer
insulating layer
substrate
heat
conductor pattern
Prior art date
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Expired
Application number
JP55125783A
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English (en)
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JPS5750455A (en
Inventor
Kenji Nagashima
Hiroshi Matsumoto
Hiroshi Oohira
Nobuo Iwase
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS6231828B2 publication Critical patent/JPS6231828B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10WGENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20Arrangements for cooling
    • H10W40/25Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/255Arrangements for cooling characterised by their materials having a laminate or multilayered structure, e.g. direct bond copper [DBC] ceramic substrates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10WGENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00Package configurations
    • H10W90/701Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
    • H10W90/731Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of die-attach connectors
    • H10W90/734Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of die-attach connectors between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はパワー素子を組込んだ混成集積回路
に関する。
一般に、パワー素子例えばパワートランジスタ
は、基板上に他の素子例えば抵坑体、コンデン
サ、IC(集積回路)、小信号トランジスタ等と一
緒に組み込まれ、混成集積回路の回路機能が作り
上げられる。
ところで、このようなパワートランジスタを用
いた混成集積回路においては、大電力のため発熱
し、この発生した熱を外部に放熱させる放熱構造
が重要となる。従来、この放熱構造は例えば第1
図に示すようになつている。同図において、1は
パワートランジスタ、2はパワートランジスタ1
を固着させるための高温半田層、3はパワートラ
ンジスタ1で発生した熱を拡散させるためのCu
(銅)ブロツク層、4はCuブロツク層3を固着さ
せるための半田層、5はCu導体パターン、6は
エポキシ樹脂系接着剤からなる絶縁層、7はAl
(アルミニウム)基板、8は放熱板、9はAl基板
7を放熱板8に取り付けるためのねじである。す
なわち、この混成集積回路の放熱径路としては、
伝導、対流、輻射のうち伝導に注目すると、パワ
ートランジスタ1で発生した熱は、高温半田層
2、Cuブロツク層3、半田層4、Cu導体パター
ン5、絶縁層6、Al基板7、放熱板8と接続さ
れた順に伝導するように設計されている。
ところで、パワートランジスタ1で発生した熱
が速く放熱板8に伝わるためには、上記各素子の
熱伝導率がよいことが必要となる。一般に、伝導
する熱量は次式(1)で与えられる。
Q=K・A・Δ/Δ …(1) ここで、Q:移動する熱量、K:熱伝導率、
A:熱の移動する部分の面積、ΔX:物質の厚
み、ΔT:物質の厚みΔXの両端での温度差であ
る。式(1)を変形すると、 ΔT=Δ/K・A・Q …(2) これはちようど電気回路のV=I・R(V:電
圧、I:電流、R:抵坑)に対応し、Δ/K・A(= Rth)を熱抵坑と呼ぶ。この値の大小によつて熱
伝導の良し悪しを見ることができる。すなわち、
厚みが薄い程、面積が大きい程、また熱伝導率が
大きい程熱抵坑(Rth)が小さくなる。ここで、
パワートランジスタ1で発生した熱が第2図に示
すように45゜の方向に拡がつて熱拡散すると仮定
すると、図に示すW1からW2までの間の熱抵坑は
次式(3)で与えられる。
Rth=1/K∫ 2W11/(2x+B)dx …(3) 式(3)により第1図に示した各素子の熱抵坑を計
算すると、 Rth(1)=0.172℃/W(パワートランジスタ:A=
3mm2、ΔX=130μm、K=0.84W/cm・℃)、 Rth(2)=0.071℃/W(高温半田層;ΔX=40μ
m、K=0.63W/cm・℃)、 Rth(3)=0.248℃/W(Cuブロツク層;A=13
mm2、ΔX=3mm、K=3.88W/cm・℃)、 Rth(4)=0.023℃/W(半田層;ΔX=100μm、K
=0.471W/cm・℃)、 Rth(5)=0.001℃/W(Cu導体パターン;ΔX
3.5μm、K=3.88W/cm・℃)、 Rth(6)=0.571℃/W(エポキシ樹脂の絶縁層;Δ
X=25μm、K=0.0035W/cm・℃)、 Rth(7)=0.076℃/W(Al基板;ΔX=2mm、K=
2.06W/cm・℃)、 全体のRth=1.162℃/Wとなる。
これら熱抵坑のうち大きな割合を占めているの
は、高温半田層2、Cuブロツク層3及び絶縁層
6である。従つて、全体の熱抵坑を下げるために
は、これらの熱抵坑を下げればよいことがわか
る。しかし、これらのうち、高温半田層2は
TFT(熱疲労試験)等の特性上の問題からこれ
以上薄くすることは無理であり、またCuブロツ
ク層3の厚みを薄くすることは瞬間的に発生した
熱を吸収する役割を果たしている意味からも困難
である。残された絶縁層6は従来から使用されて
いる樹脂系絶縁層例えばエポキシ樹脂とすると、
前記のように0.571℃/Wと最も大きな熱抵坑を
有している。従つて、この絶縁層6の熱抵坑を下
げることが最も効果的である。従来、この樹脂系
の絶縁層6に無機質の粉(例えばAl2O3、SiO2
等)を混入させて熱伝導率を上げる方法もある
が、Al基板6との接着性の関係で、重量%で80
%が限度とされている。しかも、これら無機質の
粉は樹脂中で連続的に結合していなくて、分散さ
れているために熱伝導が樹脂層により阻止されて
しまい、せいぜい2倍程度の熱伝導率向上しか期
待できない。
また、この樹脂系の絶縁層6をさらに薄くすれ
ば熱抵坑を下げることは可能であるが、ピンホー
ルが発生しやすく、耐電圧特性の面から厚さは25
μm程度が限度と思われる。また、この絶縁層6
はエポキシ系樹脂を使用しているために耐熱性が
低く、常用で100℃が限界である。他の基本的な
問題として、絶縁層6が25μmの厚さでは第3図
a,bに示すように、Al基板7とCu導体パター
ン5との間に約140pF/cm2の浮遊容量(C=εO
εSS/α、εO=8.855×10-12F/m、εS=4)が存 在する。すなわち混成集積回路を形成した場合、
各導体間にそれぞれの面積に比例して容量が寄生
的に存在することになり、回路そのものが発振し
やすくなつたり、歪率が大きくなる等の欠点を有
してしまう。
この発明は上記実情に鑑みてなされたもので、
その目的は、回路全体の熱抵坑を効果的に下げる
ことができると共に耐熱性にも優れ、安定した動
作を行うことのできる混成集積回路を提供するこ
とにある。
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説
明する。すなわち、この発明は前述の従来欠点を
除去する手段として、樹脂系絶縁層の代りに絶縁
性のセラミツクを金属基板上に連続的に堆積さ
せ、その上に回路を形成させようとするものであ
る。第4図において、11はパワートランジス
タ、12は高温半田層、13はCuブロツク層、
14は半田層、15はCu導体パターン、16は
金属酸化物、例えばAl2O3(アルミナ)の絶縁
層、17はAl基板、18は放熱板、19はねじ
である。
上記Al2O3の絶縁層16の厚さを例えば100μ
mとした場合、前述の計算によると絶縁層16の
熱抵坑Rthは0.041℃/W(熱伝導率K=
0.260W/cm・℃)となり、従来の樹脂系絶縁層
(Rth=0.571℃/W)に比し約14分の1となる。
また耐熱性は1650℃と非常に高く、混成集積回路
の実用上なんら問題となることはない。さらに、
Al基板17とCu導体パターン15との間に存在
する浮遊容量は83pF/cm2となり、従来の樹脂系
絶縁層(140pF/cm2)と比較して大幅に減少で
き、回路の発振を防止し、歪率の改善をすること
が可能となる。
次に、上記混成集積回路の製造方法を説明す
る。まず、例えば厚さ2mmの純Al基板17の表
面を、Al2O3の粗い粉を吹き付けて10〜20μmに
荒す。しかる後、30分〜1時間以内にプラズマ溶
射装置(例えば第1メテコ社製のメテコ7M型)
を使つてAl2O3を100〜120μm堆積させ、絶縁層
16を形成させる。溶射はプラズマ溶射ガンと呼
ばれる電極間に不活性ガス、又は不活性ガスと水
素あるいはヘリウムとの混合ガスを流し、電気ア
ークを発生させガスを励起させ、1600℃まで調節
できる熱プラズマを生じさせる。この熱プラズマ
の発生した炎の中に平均粒度10μm程度のAl2O3
の粉を導入し、Al2O3を溶かした状態でAl基板1
7に付着させる。次に、Al2O3を100〜120μm堆
積したAl基板17上に、Cuペースト(例えばア
サヒ化学製のACP―030)を使つてスクリーン印
刷し、150℃で30分間焼成することによりCu導体
パターン15を形成する。そして、Cu入りの半
田層14を230℃のAl基板17上のCu導体パター
ン15上に付着させる。次に、例えば第5図に示
す回路図をAl基板17上に形成し、第4図に示
すように25cm×20cm×4cmのAl製無限大放熱板
18にシリコン・グリースを介してねじ19止め
する。
第6図は従来の樹脂系絶縁層6を用いた場合と
上記Al2O3絶縁層16を用いた場合の両者のCuブ
ロツク層上の温度と出力電力との関係を示すもの
である。同図において、○イは樹脂系絶縁層6の場
合、○ロはAl2O3絶縁層16の場合である。これに
よると明らかに、Al2O3絶縁層16の方が樹脂系
絶縁層6より熱伝導のよいことがわかる(Cuブ
ロツク層上の温度で約10℃の差がある)。
尚、上記実施例においては、絶縁層16として
金属酸化物のAl2O3(K=0.260W/cm・℃、εS
=9.4F/m)を用いて説明したが、他の金属酸
化物、例えばMgO・SiO2(ステアタイト;K=
0.025、εS=6.3)、2MgO・SiO2(フオルステラ
イト;K=0.034、εS=6.2)、ZrO2・SiO2(ジル
コン;K=0.050、εS=8.8)、MgO(マグネシ
ア;K=0.363、εS=5.6)、BeO(ベリリア;K
=1.173、εS=6.4)、TiO2(酸化チタン;K=
0.121、εS=8.6)等でもよい。また、金属酸化
物に限らず、金属窒化物、例えばAlN(窒化アル
ミニウム;K=0.60、εS=8.9)、BN(窒化ボロ
ン;K=0.287、εS=4.2)であつてもよい。
以上のようにこの発明によれば、金属基板上に
絶縁性のセラミツクを溶射法により連続的に堆積
し、このセラミツク上に回路を形成させる構成と
したので、熱抵坑を著しく低下させることができ
ると共に耐熱性にも優れる。従つて、Cuブロツ
ク層の大きさを小さくでき、また素子の使用温度
範囲を高くすることができるために、混成集積回
路の大きさを従来のものより小型にすることが可
能となる。また、導体と基板間の浮遊容量が減少
するので、回路の安定性や歪率の改良に効果的で
あり、実用上極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の混成集積回路の構成を示す断面
図、第2図はパワートランジスタで発生した熱の
拡散状態を説明するための図、第3図a,bは上
記回路における浮遊容量の形成状態を説明するた
めのもので、aは絶縁層部の断面図、bは等価回
路図、第4図はこの発明の一実施例に係る混成集
積回路の構成を示す断面図、第5図は上記回路の
具体的な電気回路図、第6図は出力電力とCuブ
ロツク層の温度との関係を、第1図及び第4図に
それぞれ示した回路を比較して示す図である。 11…パワートランジスタ、12…高温半田
層、13…Cuブロツク層、14…半田層、15
…Cu導体パターン、16…絶縁層(Al2O3)、1
7…Al基板、18…放熱板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 金属基板と、 この金属基板上にプラズマ容射法により堆積形
    成される絶縁性のセラミツク層と、 このセラミツク層上に形成される銅導体パター
    ンと、 この銅導体パターン上に半田層を介して固着さ
    れる銅ブロツク層と、 この銅ブロツク層上に半田層を介して固着され
    る半導体素子とを具備したことを特徴とする混成
    集積回路。
JP55125783A 1980-09-10 1980-09-10 Hybrid integrated circuit Granted JPS5750455A (en)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63193547A (ja) * 1987-02-06 1988-08-10 Showa Denko Kk 回路用基板
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0015053A1 (en) * 1979-01-27 1980-09-03 LUCAS INDUSTRIES public limited company A method of manufacturing a semi-conductor power device assembly and an assembly thereby produced

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