KR910007016B1 - 반도체 장치용 부품간의 접속 구조물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

반도체 장치용 부품간의 접속 구조물

제1a, 1b 및 1c도는 알루미늄이나 기판과 리드 프레임간의 접속 구조물과 같은 반도체 장치용 부품간의 종래 구조물을 도시한 평면도 및 단면도.

제2a 및 2b도는 절연 기판상에 설치된 반도체 장치를 기밀적으로 둘러싸는 캡에 사용될 접속구조물과 같은 반도체 장치용 부품간의 종래 접속 구조물을 도시한 단면도.

제3a 및 3b도는 본 발명에 따라 반도체 장치용 부품간 접속 구조물을 제조하는 2가지 방법을 개략적으로 도시한 공정도.

제4a, 4b 및 4c도는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치용 부품간 접속 구조물, 즉 리드 프레임, 응력제거 부재 및 질화 알루미늄 기판간 접속 구조물을 도시한 평면도 및 단면도.

제5a, 5b 및 5c도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치용 부품간 접속 구조, 즉 복합금속판의 리드 프레임 및 질화 알루미늄 기판간 접속 구조물을 도시한 평면도 및 단면도.

제6a, 6b, 6c 및 6d도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 반도체 장치용 부품간 접속구조물, 즉 3층 복합 구조의 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간 접속 구조물을 도시한 평면도 및 단면도.

제7도는 반도체 장치용 부품간 접속물이 캡에 적용되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도.

제8도는 반도체 장치용 부품간 접속 구조물이 캡에 적용되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도.

제9도는 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간 접속 구조물의 예에서 치수 관계를 도시한 측면도.

제10도는 질화 알루미늄 기판에 접합된 리드 프레임의 접합 강도를 측정하는 시험 방법을 설명하기 위한 측면도.

제11도는 캡 예의 프레임 부재에 있어서 휨이 측정되는 부분을 도시한 도.

제12도는 제11도의 캡의 기밀을 측정하는 시험 방법을 설명하기 위한 도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 금속화층

3 : 리드 프레임 3a : 3층 복합 금속부

3b : 단일층 금속부 4 : 반도체 장치

5 : 결합 화이어 6 : 열 싱크

7 : 도금층 8 : 도금층

9 : 금속 땜납 11 : 덮개 부재

13 : 응력 제거부재 23 : 금속층

30 : 프레임 부재 101 : 세라믹 기판

111 : 금속 프레임 112 : 절연체층

130 : 응력 제거 부재 230 : 금속층

본 발명은 반도체 장치용 부품간 접속 구조물에 관한 것으로, 특히 강력 트랜지스터 또는 레이저 다이오드와 같이 상당한 열 발생을 수반하는 반도체 장치의 설치시 높은 열 전도율이 요구되는 접속 구조물에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 장치의 부품간의 접속 구조물은 절연 기재와 거기에 접합된 접속 부재를 포함한다. 예를 들어, 접속 구조물은 반도체 장치가 설치되는 절연기판과, 접속 회로 등이 절연 기판상에 형성되는 예정된 부분에 은납을 사용하여 납땜함으로써 접속되는 리드 프레임을 포함한다. 그와 같은 경우, 반도체 장치로부터의 절연을 유지하기 위하여, 절연 기판은 보통 양호한 전기 절연, 높은 기계적 강도 및 반도체 장치로부터의 열소산을 위해 높은 열 전도율을 가질 필요가 있다. 리드 프레임은 낮은 전기 저항과 높은 기계적 강도를 가질 필요가 있다. 예를 들어, 리드 프레임에 요구되는 구체적인 특성은 MIL STD 883B에 나타나 있다. 이러한 표준은 그와 같은 특성을 리드 프레임에 요구되는 인장강도, 굽힘 강도 및 피로로서 구체화하고 있다. 반도체 장치의 부품간의 그와 같은 접속 구조물에 사용되는 절연기판의 재료로서, 종래 기술에서는 상술된 요구 조건을 만족시키는 알루미나(A1₂O₃)가 보통 선택된다. 리드 프레임에 있어서는 상술된 표준의 요구조건을 만족시키는 재료로서 코바르(Kovar)(상표명, 즉 Fe-29중량%, Ni-17중량% Co)와 42합금(즉 Fe-42중량% Ni)와 같은 철-니켈 합금이 보통 선택된다. 1984년 3월 "가가꾸 고교"의 전자 세라믹에 관한 특수 간행물로서 기술 논문"세라믹 기판 및 IC 패키지" 제59 내지 67페이지에는, 알루미나의 절연기판상에 접속 회로로서 형성된 금속화층에 코바르(상표명)의 리드 프레임이 은납으로 고정되고, 접속 구조물은 반도체 장치가 설치되는 베이스로서 사용되는 것에 대해 기술되어 있다.

제1a도는 상술된 바와 같은 반도체 장치의 부품간의 종래의 접속 구조물의 예를 도시한 평면도이고, 제1b도는 그 단면도이며, 제1c도는 리드 프레임(3)과 알루미나 기판(1) 사이의 접합 부분의 상세를 도시한 단면도이다. 이들 도면을 참조하면 이러한 접속 구조물에 있어서, 금속화층(2)은 알루미나 기판(1)의 주 평면의 특정된 영역상에 형성되고, 리드 프레임(3)은 금속 땜납등에 의해 금속화층(2)에 접합된다. 상당한 열 발생을 수반하는 전계 효과 트랜지스터와 같은 반도체 장치(4)는 기판(1)의 예정된 위치상에 설치되고, 그것은 결합 와이어(5)에 의해 금속화층(2) 또는 리드 프레임(3)에 접속된다. 게다가, 반도체 장치(4)가 설치되는 상기 주평면의 반대쪽, 즉 기판(1)의 다른 면에는 텅스텐 합금, 즉 구리-텅스텐 합금의 열 싱크(6)가 고정된다. 더우기, 제1c도에 도시된 바와 같이 기판(1)과 리드 프레임(3)사이의 접합부에 있는 금속화층(2)상에는 얇은 도금층(7)이 형성되고, 필요시 금속 땜납(9)의 안전한 습윤성을 보증하기 위하여 리드 프레임(3)의 면상에는 도금층(8)이 형성된다.

비록 전기 절연 및 기계적 강도에 있어서 알루미나가 우수하지만, 열 전도율이 17W^m-1K^-1와 같이 낮기 때문에 열 소산을 양호하지 못하다.

따라서, 알루미나는 예를 들어 상당한 열 발생을 수반하는 전계 효과 트랜지스터가 설치되는 기재에는 적합하지 못하다. 또한 상당한 열 발생을 수반하는 반도체 장치에 설치하는 데는 260Wm^-1k^-1와 같이 높은 열 전도율을 가진 베릴리아(BeO)를 사용한 절연 기판이 사용되고 있음은 알려져 있다. 그러나, 베릴리아는 독성이 있고, 사용시 안전을 보증하기 위해 취해지는 방법이 복잡하다.

게다가, 일본 공개 특허 제21032/1984호에는 반도체 장치를 설치하기 위해 높은 열 전도율을 가진 기판으로서 텅스텐 또는 몰리브덴에 2 내지 30중량%의 구리를 포함하는 재질로 형성된 기판이 기술되어 있다. 그러나, 이 기판은 전기 절연이 되어 있지 않고 장치를 둘러싸는 재료로서 열 소산이 양호하지 못한 알루미나가 사용되고 있다.

이러한 상황하에서, 상당한 열 발생을 수반하는 반도체 장치를 설치하기 위해 절연 베이스 메탈로서 최근 질화 알루미늄(AIN)이 특별한 관심을 끌고 있으며 그 이유는 질화 알루미늄이 베릴리아와 같이 양호한 열전도율 즉 200Wm^-1k^-1을 가지고 또 독성이 없으며 알루미나와 같이 양호한 전기 절연 및 기계적 강도를 가지기 때문이다.

그러나, 리드 프레임이 금속 땜납, 예를 들어 은납(Ag-Cu)에 의해 질화 알루미늄 기판에 납땜된다면, 실온에서 은납땜 온도(780℃)범위에서의 질화 알루미늄의 평균 열 팽창 계수는 4.3×10^-bk^-1정도로 작고, 리드 프레임의 철-니켈 합금의 평균 열 팽창 계수는 매우 높으며, 예를 들어 코바르의 경우 10×10^-bk^-1이고 42 합금의 경우 11×10^-bk^-1이다. 따라서, 질화 알루미늄 기판의 열 팽창 계수와 리드 프페임의 그것과의 차이는 질화 알루미늄 기판에 리드 프레임의 은납땜을 위한 냉각 처리시 질화 알루미늄 기판에서 잔류 응력으로서 큰 응력에 의한 변형을 일으킨다. 따라서, 리드 프레임이 기판으로부터 분리되는 방향으로 당겨진다면 접속 구조물은 쉽게 파손되고 리드 프레임의 충분한 접합 강도가 보증될 수 있다.

게다가, 열 응력에 의한 변형을 제거하기 위해 질화 알루미늄의 열팽창 계수와 동일한 계수를 갖는 몰리브덴의 리드 프레임을 사용하는 것이 제안되어 왔다. 그러나, 몰리브덴은 값이 비싸고 양호한 성형성을 가지고 있지 않기 때문에, 반도체 장치용 부품 사이에 적용되는 데는 사용이 용이하고 값싼 접속 구조물을 제공하는 역할을 하지 못한다.

한편, 일본국 공개 특허 제167833/1987호에는, 리드 프레임의 재료로서 사용되는 철-니켈-코발트 합금의 조성에 대한 조정으로 리드 프레임의 열 팽창 계수를 바꿈으로써 질화 알루미늄과 같이 낮은 열 팽창계수를 가진 세라믹의 소결체에 리드 프레임의 납땜으로 생기는 잔류 응력 및 변형을 없애거나 감소시키게 되어 있는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 기술에 의하면, 리드 프레임의 재료로서 종래 사용되고 있는 바와 같이 철-니켈-코발트 합금의 조성을 정교하게 조정할 필요가 있고 따라서 제조 공정이 복잡하게 된다.

반도체 장치용 부품간 접속 구조물의 다른 예로서 절연 기판상에 설치된 반도체 장치를 기밀적으로 둘러싸는 캡이 있다. 반도체 장치를 둘러싸는 캡의 재료는 물론 높은 신뢰성이 요구되어, 예를 들어 42 합금이나 코바르(상표명)와 같은 낮은 열 팽창 합금 재료, 또는 알루미나 혹은 뮤라이트와 같은 세라믹 재료이다. 캡의 구조는 제2a 및 2b도에 도시되어 있다. 반도체 장치(4)는 세라믹 기판(101)상에 설치되고 또 덮개 부재(11)로 덮여 있다. 만일 덮개 부재(11)가 절연 세라믹으로 형성된다면, 즉 제2a도에 도시된 바와 같이 경우, 덮개 부재(11)를 둘러싸기 위해 스커트형 금속 프레임(11)이 구비된다. 만일 덮개 부재(11)가 전도율을 가진 합금 재료로 형성된다면, 즉 제2b도에 도시된 바와 같은 경우, 덮개 부재(11)와 반도체 장치(4)간의 접촉 부분에 절연체층(112)이 구비된다. 이와 같이 상기한 대로의 절연체를 구비한 캡은 반도체 장치(4)로부터 전류 누설을 방지하는 구조로 되어 있다. 제2a 및 제2b도의 양쪽의 경우, 접합 부분에는 금속화층(2)이 형성되고, 덮개 부재(11)상에는 열 소산을 향상시키기 위한 열 싱크(6)가 구비된다.

반도체 장치는 발생된 열을 상당히 증가시키는 경향이 있기 때문에, 열 소산이 우수한 캡을 개발하는 것이 매우 시급하다. 예를 들어, 높은 열 전도율을 가진 금속 재료로 된 캡이 사용된다면, 제조 코스트의 증가뿐만 아니라 열 전도율상의 열화를 생기게 하지 않는 상술의 절연체 부분을 제공할 필요가 있다.

그러므로, 높은 열 전도율과 우수한 절연을 가지는 재료를 사용한 캡에 대해서 매우 관심이 높아지고 있다. 베릴리아(BeO), 실리콘 카바이드(SiO) 및 질화 알루미늄(AIN)은 그와 같은 요구 조건을 만족시키는 재료로 간주되고 있다. 그러나, 베릴리아 및 실리콘 카바이드는 독성과 전기적 특성의 관점에서 또 공급의 불규칙성 때문에 유리하지 못하다. 따라서, 질화 알루미늄이 가장 적절하다. 그러나, 덮개 재료로서 질화 알루미늄을 사용한 캡을 제조하기 위해서는 질화 알루미늄의 덮개 재료의 표면상의 프레임 부재에 접합될 부분에 금속화를 적용하고 또 덮개 부재를 프레임 부재에 금속 땜납으로 납땜할 필요가 있다.

그와 같은 경우, 만일 금속 납땜, 예를 들어 은납(Ag-Cu)땜이 적용되는 경우, 질화 알루미늄의 평균 열 팽창 계수와 철-니켈 합금의 열 팽창 계수간에는 상기한 바와 같이 상당한 차이가 있다. 특히, 질화 알루미늄의 평균 열 팽창 계수는 낮으며, 즉 실온에서부터 은납땜 온도(780℃)까지의 범위에서 4.3×10^-bk^-1이고, 반면 프레임 부재에 보통 사용을 낮은 열 팽창 계수의 철 -니켈 합금의 평균 열 팽창 계수는 매우 높으며, 즉 10×10^-bK^-1(코바르의 경우)에서 11×10^-bK^-1(42합금의 경우)이다. 그 결과, 질화 알루미늄의 덮개 부재에서 생긴 강한 열 응력에 기인하여 잔류 변형이 생긴다. 잔류 변형은 질화 알루미늄의 덮개 부재에서의 균열 및 휨을 생기게 하거나 프레임 부재에서의 변형을 생기게 한다. 따라서, 상술된 종래 기술은 높은 치수 정밀도, 양호한 기밀 및 높은 신뢰성을 가진 캡을 제공할 수가 없다.

본 발명의 목적은 상당한 열 발생을 수반하는 반도체 장치의 설치에 적합한 양호한 열 소산을 가진 질화 알루미늄의 기재를 사용하면서 적절한 접합 강도로 기재에 접속 부재를 접합시키는 것이 가능한, 반도체 장치의 부품간의 접속 구조물을 제공하는데 있다.

본 발명은, 만일 질화 알루미늄의 기재와 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트 합금중의 어느 것을 포함하는 접속 부재 사이의 특정된 열 응력 제거 부재가 개재된다면 납땜시 냉각 처리에서 생기는 열 응력에 기인한 잔류 변형이 유효히 제거될 수 있다는 본 발명자들의 발견에 기초하여 성취될 수 있다.

본 발명의 한 양상에 의하면, 반도체 장치의 부품간 접속 구조물은 반도체 장치가 설치되는 주 표면을 가진 질화 알루미늄의 기재와, 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈-코발트 합금중의 어느 것을 포함하는 접속 부재와, 응력 제거 부재와, 기재, 응력 제거 부재 및 접속 부재를 결합시키는 납땜 부재를 포함한다. 응력 제거 부재는 기재와 접속 부재 사이에 기재되고, 높은 소성 변형성을 가진 연성 금속 및 연성 합금중의 어느 것으로 형성되어 응력 제거 부재 그 자체의 소성 변형에 의해 기재의 열 팽창 계수와 접속 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하게 되어 있다.

양호하게는, 응력 제거 부재는 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 형성될 수 있다. 접속 부재는 예를 들어 0.1mm의 두께와 8mm의 폭을 가진 리드 프레임이고, 그 값은 응력 제거 부재가 0.01 내지 1mm의 두께를 가지도록 한다. 질화 알루미늄의 기재는 소결체를 포함한다. 게다가, 반도체 장치용 부품간의 접속 구조물은 기재의 접합면상에 형성된 금속화층을 포함한다. 양호하게는, 금속화층은 텅스텐과 몰리브덴중에서 선택된 적어도 하나의 금속과, 질화 알루미늄, 산화 알루미늄 및 산호 질화 알루미늄의 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 알루미늄 화합물과, 산화 칼슘을 포함한다. 도금층은 납땜 재료와 결합되기 위하여 금속화층의 접합면상에 양호하게 형성된다. 또한, 도금층은 납땜 재료와 결합되기 위하여 접속 부재의 표면상에 양호하게 형성된다.

따라서, 연성 금속 및 연성 합금중의 어느 재료가 질화 알루미늄의 기재와 접속 부재간의 응력 제거 부재로서 사용된다면, 응력 제거 부재는 납땜를 위한 온도 근방에서 더욱 연화되고 소성적으로 쉽게 변형된다. 그 결과, 질화 알루미늄 기재와 접속 부재의 열 팽창 계수의 차이에 의해 생기는 대부분의 열 응력은 응력 제거 부재의 소성 변형에 의해 흡수되고, 따라서 질화 알루미늄의 기재에서의 잔류 응력이 없어질 수 있다. 동시에 소요의 납땜 강도가 얻어질 수 있다.

만일 접속 부재로서의 리드 프레임이 두께 0.1mm와 폭 8mm의 치수를 가진다면, 응력 제걱부재의 두께는 양호하게는 0.01 내지 1mm 범위이다. 만일 0.01mm 미만이라면, 응력 제거 부재는 너무 얇아 충분한 양의 소성 변형을 허용할 수 없고 열 응력을 만족스럽게 흡수할 수 없다. 만일 응력 제거 부재의 두께가 1mm 이상이라면, 납땜시 응력 제거 부재 그 자체의 열 팽창에 의해 생기는 열 응력은 경시될 수 없다. 특히, 리드 프레임과 질화 알루미늄 기재의 열팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력이 응력 제거 부재의 소성 변형에 의해 흡수될 수 있다 하더라도 응력 제거 부재 그 자체의 상당히 큰 열 응력은 리드 프레임과 질화 알루미늄의 기재에 악영향을 미치고 그 결과 그와 같은 부재에서 열 변형이 생긴다.

게다가, 금속화층은 질화 알루미늄의 기재의 접합면상에 양호하게 형성되고, 만일 금속화층이 텅스텐과 몰리브덴에서 선택된 적어도 하나의 금속과, 질화 알루미늄, 산화 알루미늄 및 산소 질화 알루미늄에서 선택된 적어도 하나의 알루미늄 화합물과 산화 칼슘을 포함한다면 소요의 접합 강도와 열 전도율을 가지게 된다.

만일 도금층이 납땜 재료와 결합될 금속화층의 표면상에 형성된다면, 균일하고 안정한 납땜이 될 수 있다. 이것은 납땜 재료의 습윤성 때문이고 그 금속화층은 그 사이에 구비된 도금층에 의해 형성될 수 있다. 납땜 부재와 결합될 접속 부재의 표면상에 형성된 도금층도 동일한 효과를 가진다. 그와 같은 도금층은 니켈 도금에 의해 양호하게 형성된다. 특히, 금 도금와 같은 처리가 후처리에서 적용된다면, 금 도금의 접착과 부착을 향상시키고 니켈 도금상에 균인한 금 도금층을 형성하는 목적상 니켈 도금을 하는 것이 좋다.

본 발명의 다른 양상에 의하면, 반도체 장치의 부품간 접속 구조물은 질화 알루미늄의 기재와, 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트 합금중의 어느 것을 포함하는 접속 부재와, 기재와 접속 부재를 결합시키는 납땜 재료를 포함하고, 이 접속 구조물은 후술의 특징을 가진다. 기재에 결합된 접속 부재의 적어도 한 표면은 높은 소성 변형성을 갖는 연성 금속과 연성 합금중의 어느 것으로 형성되고 따라서 접속 부재 자체의 표면은, 기재와 접속 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하기 위하여 소성적으로 변형된다. 반도체 장치의 부품간의 상술의 접속 구조물에 있어서, 접속 부재와 기재간의 접합면은 구리, 구리합금, 니켈, 니켈합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 양호하게 형성된다.

접속 부재는 리드 프레임을 양호하게 포함한다. 게다가, 기재에 결합되는 접속 부재의 적어도 한 부분은 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트중의 어느 것으로 형성된 내층부와, 연성 금속 및 연성 합금중의 어느 것으로 형성된 외층부를 양호하게 포함한다. 그 경우, 기재에 결합된 부분을 제외한 접속 부재의 다른 부분은 철-니켈 합금과 철-니켈-코발트 합금중의 어느 것으로 양호하게 형성된다.

상술된 접속 구조물에서, 질화 알루미늄의 기재에 결합되는 접속 부재의 표면을 형성하는 연성 금속 및 연성 합금의 어느 것도, 질화 알루미늄의 기재의 열 팽창 계수와 접속 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하기 위하여 소성적으로 변형된다. 따라서, 질화 알루미늄의 기재와 접속 부재가 납땜된다면, 접속 구조물은 그 사이에서 생기는 열 응력이 제거되기 때문에 충분히 높은 접합 강도를 제공할 수 있다. 따라서, 접속 구조물은 높은 신뢰성과 열 응력에 대한 높은 저항성을 가진다.

질화 알루미늄의 기재에 접속 부재를 납땜할 경우, 만일 기재에 결합되는 접속 부재의 적어도 한 부분이 철-니켈 합금 또는 철 -니켈 -코발트 합금으로 형성되는 내층부와, 연성 금속 또는 연성 합금으로 형성되는 외층부를 포함한다면, 질화 알루미늄의 기재에 결합되는 연성 금속 또는 연성 합금의 외층부는 질화 알루미늄의 기재와 접속 부재간에 생기는 열 응력을 제거하기 위하여 소성적으로 변형된다. 그와 같은 경우, 전체 접속 부재가 내층부와 외층부를 포함하는 3층 구조를 가진다면, 접속 부재 그 자체의 굽힘 강도는 낮아지고, 이는 실용상 불편하다. 이러한 이유로, 접속 부재는 높은 굽힘 강도를 유지하기 위해 열 응력을 받는 접합 부분만 3층 구조를 가지고 다른 부분은 철-니켈 합금 또는 철 -니켈 -코발트 합금의 단일층 구조를 가지도록 형성된다. 연성 금속 또는 연성 합금의 단일 응력 제거층이 납땜될 리드 프레임와 같은 접속 부재의 한 부분에 형성되는 그러한 2층 복합 구조가 채용된다면, 이러한 2층 복합 구조물도 열 응력 제거의 효과를 가진다. 그러나, 이러한 2층 복합 구조에서, 고온에서의 납땜시 바이메탈 효과에 기인하여 리드 프레임에는 휨 또는 변형이 생길수 있고, 리드 프레임과 질화 알루미늄의 기재간의 접합 부분에는 기공이 쉽게 발생할 수 있다. 이와 같이, 리드 프레임과 같은 접속 부재의 접합 강도는 균일하게 될 수 없고 접속 구조물 그 자체의 신뢰성은 낮아진다.

예를 들어, 기재에 결합될 접속 부재 표면의 연성 금속 재료로서 구리가 선택되고, 접속 부재의 주 재료로서 코바르(상표명, 즉 Fe-29중량% Ni -17중량% Co)가 선택되고, 그와 같은 재료의 조합에 의해 형성된 복합 금속판이 은납에 의해 질화 알루미늄의 기재에 납땜되는 경우를 가정하자. 이 경우 구리는 780℃의 은납땜 온도 또는 그보다 높은 온도에서 약 200℃까지의 온도 범위에서 소성적으로 변형되고, 따라서 코바르와 질화 알루미늄간에 생기는 열 응력은 제거될 수 있다. 비록 구리의 열 팽창 계수는 18×10^-bK^-1정도로 높고, 이 값은 질화 알루미늄의 그것보다 상당히 크며 납땜의 냉각 처리시 발생되는 열 응력에 기인한 잔류 변형을 거의 일으키지 않는다. 그 이유로 구리는 냉각 처리시 소성적으로 변형되는 높은 소성 변형을 가지기 때문이다. 게다가, 산소 없는 구리가 접합면용 구리로 사용된다면 그것은 특히 열 응력 제거의 현저한 효과를 가진다. 철-니켈 -코발트 합금의 하나인 코바르는, 공업적으로 리드 프레임의 재료로서 적합할 뿐만 아니라 금속 재료중에서 질화 알루미늄의 열 팽창 계수에 가까운 열 팽창 계수를 가지기 때문에 접속부재의 주 재료로서 선택된다. 복합 금속판에 의해 리드 프레임과 같은 접속 부재를 형성하는 이유는 연성금속 재료 자체만으로 형성된 리드 프레임은 낮은 인장 강도 및 굽힘 강도를 가지며 실용상 단점을 가지기 때문이다.

연성 금속 재료는 구리 또는 구리 합금 뿐만 아니라 니켈, 철 및 알루미늄 금속 또는 그 합금이 될 수 있다. 그러나, 알루미늄이 사용된다면 저 융점 납땜 재료에 의해 납땜을 하는 경우만 소기의 효과가 얻어질수 있다.

본 발명의 또다른 양상에 의하면, 반도체 장치의 부품간 접속 구조물은 절연 기판상에 설치된 반도체 장치를 기밀적으로 둘러싸는 캡을 포함한다. 이 캡은 반도체 장치를 보호하기 위하여 반도체 장치상의 구비된다. 캡은 질화 알루미늄으로 형성된 덮개 부재와, 덮개 부재 아래에 위치된 반도체 장치를 둘러싸기 위하여 덮게 부재에 결합되도록 철-니켈 합금과 철-니켈 -코랄트 합금중의 어느 것을 포함하는 프레임 부재와, 응력 제거 부재와, 덮개 부재, 응력 제거 부재 및 프레임 부재를 결합시키는 납땜 재료를 포함된다. 응력제거 부재는 덮개 부재와 프레임 부재 사이에 개재되고 그것은 높은 소성 변형성을 가진 연성 금속 및 연성 합금중의 어느 것으로 형성되어, 그 자체의 소성 변형에 의해 덮개 부재의 열 팽창 계수와 프레임 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하게 되어 있다. 응력 제거 부재는 구리, 구리합금, 니켈, 니켈합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 양호하게 형성된다.

본 발명에 따른 캡은 덮개 부재, 프레임 부재 및 납땜 재료를 포함하고 후술의 특징을 가진다. 프레임 부재와 덮개 부재간의 적어도 접합면은 높은 소성 변형성을 가진 연성 금속 또는 연성 합금으로 형성되고 따라서 납땜시의 냉각 처리시 덮개 부재의 열 팽창 계수와 프레임 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하도록 그 자체 소성적으로 변형된다. 이 경우, 접합면은 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈합금, 철 및 알루미늄의 어느 것으로 양호하게 형성된다. 덮개 부재에 결합되는 프레임 부재의 적어도 한 부분은 철-니켈 합금과 철 -니켈 -코발트 합금중의 어느 것으로 형성된 내층부와, 연성 금속 및 연성 합금 중의 어느 것으로 형성된 외층부를 포함한다.

본 발명에 따른 캡에 있어서, 덮개 부재와 프레임 부재 사이에 개재되는 응력 제거 부재, 또는 덮개 부재에 결합될 프레임 부재의 부분의 연성 금속 재료는, 납땜시의 냉각 처리시 덮개 부재의 열 팽창 계수의 프레임 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하도록 소성적으로 변형된다. 게다가, 덮개 부재에 결합될 프레임 부재의 부분이 철-니켈 합금의 내층부와 연성 금속 재료의 외층부를 포함하기 때문에, 질화 알루미늄의 덮개 부재에서의 균열 발생을 억제하고 바이메탈 효과를 억제할 수 있고, 따라서 프레임 부재의 휨 및 변형이 감소될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 높은 치수 정밀도와 높은 신뢰성을 가지면서 양호한 기밀성을 보장하는 캡을 제공할 수 있다. 납땜될 접합면의 표면층 부분이 적어도 연성 금속 재료로 형성되기 때문에, 그 연성 금속은 접합면에 적용되는 열 응력을 제거하는 역할을 하고 따라서 캡의 각 부재간의 접합 강도가 충분히 높고 또 신뢰성도 향상시키게 된다. 예를 들어, 연성 금속 재료로서 구리가 선택되고, 프레임 부재의 주 재료로서 코바르(상표명)가 선택되고, 그 결합에 의해 형성되는 3층 복합 금속판이 은납에 의해 질화 알루미늄의 덮개 부재에 납땜되는 경우를 가정하자. 이 경우, 구리는 은납땜 온도 즉 780℃ 또는 그 보다 높은 온도에서 약 200℃까지의 온도 범위에서 소성적으로 변형되어 코바르와 질화 알루미늄간에 적용되는 열 응력이 제거된다. 이 예에서, 각 부재의 재료는 리드 프레임과 질화 알루미늄의 기판간의 접속 구조물의 예와 관련한 상술의 것과 동일한 기능을 가진다.

본 발명의 이들 목적 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

진술한 바와 같이, 본 발명은 질화 알루미늄의 기재를 사용한 반도체 장치의 부품간 접속 구조물을 형성하기 위한 기술의 개량에 관한 것이다. 본 발명에서 사용될 소결체로서 질화 알루미늄은 예를 들어 이하에 기술될 방법에 의해 얻어진다.

본 발명에 사용되는 질화 알루미늄의 소결체로 형성된 기재는 주 성분으로서 질화 알루미늄을 포함하고 또 주기율표 그룹 IIIa의 원소 0.01 내지 1.0중량% 및 산소 0.001 내지 0.5중량%를 포함하며, 그 열 전도율은 180Wm^-1K^-1보다 높다. 기재 형성시, 우선 희토류 원소를 포함하는 화합물의 희토류 원소의 변환에 의해 계산된 0.01 내지 1.0중량%를 포함하도록 희토류 원소를 포함하는 화합물에 질화 알루미늄 분말을 혼합한다. 성형 첨가제로서 피라핀, PVB, PEG 등이 사용된다. 소결체에서의 잔류 카본을 조절하기 위하여, 분해에 의해 잔류 카본을 생기게 하는 페놀 수지류, 혹은 카본 분말 등이 첨가될 수 있다. 희토류 화합물은 예를 들어 스테아린산, 팔미틴산, 알콕사이드 니트레이트, 키보네이트 또는 하이드록시드이다.

양호하게는 스테아린산과 같은 고 폴리머 화합물이 사용된다. 그와 같은 재료는 희토류의 함량을 감소시키고 양호한 상태의 질화 알루미늄을 가진 혼합물을 준비할 수 있게 해준다고 생각된다. 특히, 스테아린산은 신형 첨가제로서의 기능 뿐만 아니라 질화 알루미늄 분말로 혼합되는 특성, 잔류 카본의 양의 관점에서 볼 때 가장 양호하다. 질화 알루미늄 분말은 미세하고 균일한 입자로 될 필요가 있다. 질화 알루미늄 분말의 평균 입경은 1㎛ 또는 그 미만이고 분말속의 산소 함량은 2.0중량 % 또는 그 미만이다. 그와 같은 질화 알루미늄 분말은 직접 질화법(즉, 금속 알루미늄의 질화를 이용한 방법)에 의해서 쉽게 얻어질 수 있다. 그것은 환원 질화법(즉, 산화 알루미늄의 환원 질화를 이용하는 방법)에 의해서 얻어질 수 있다. 만일 직접 질화법이 채용된다면, 반응의 조절, 입경의 분류 등에 특별히 주의를 기울일 필요가 있다.

혼합물 분말이 소요의 형태로 형성된 후 질소를 포함하는 비산화분위기에서 소결한다. 소결체가 높은 열전도율을 가지도록 하기 위해서, 평균 입경이 5㎛ 이상이 되도록 5시간 이상 1000 내지 2100℃ 온도에서 소결을 행한다. 소결후 냉각을 급속히 수행한다. 만일 냉각이 천천히 수행된다면 소결 첨가제가 퇴적되어 소결표면은 상당히 열화된다. 이러한 이유로 냉각은 200℃/시간의 율로 150℃까지 수행된다.

이와 같이 얻어진 질화 알루미늄의 소결체의 기재의 표면에 금속화층을 형성하는 처리는 다음과 같이 수행된다.

우선, 질화-알루미늄의 소결체의 기판을 상기와 같은 방법으로 준비한다. 금속화층의 재료로서, 칼슘 화합물 분말, 알루미늄 화합물 분말 및 텅스텐 또는 몰리브덴의 금속 분말을 혼합하고 전색제와 같은 유기 결합제를 첨가하여 금속 페이스트를 준비한다. 금속 페이스트의 조성은 40 내지 98중량%의 금속 분말, 1 내지 25중량 %의 알루미늄 화합물 및 1 내지 35중량%의 산화 칼슘이다. 낮은 온도에서의 후처리로서 소결 처리를 행하기 위하여, 소결 온도를 강하시키는 촉매제로서 구리 또는 니켈을 첨가할 수 있다. 이와 같이 준비된 금속 페이스트를 질화 알루미늄의 소결체로 형성된 기판이 주 표면에 코팅한다. 질화 알루미늄의 소결체의 기판은 1500 내지 1800℃ 온도에서 질소 등의 비활성 분위기에 소성되고, 따라서 기판의 표면에는 금속화층이 형성된다. 만일 알루미늄 화합물로서 1 내지 10중량%의 산화 알루미늄과 금속 분말로서 텅스텐 분말을 사용하여 1 내지 20중량%의 산화 칼슘을 포함하기 위하여 금속화층이 형성되거나, 혹은 알루미늄 화합물로서 1 내지 10중량%의 산화 알루미늄과 금속 분말로서 몰리브덴 분말을 사용하여 1 내지 35중량%의 산화칼슘을 포함하기 위하여 금속화층이 형성된다면, 질화알루미늄 소결체의 기판과 금속화층의 소요의 접착 강도와 양호한 열 전도율을 가진 접속 구조물을 제공할 수 있다.

질화 알루미늄 소결체에 의해 형성된 기판의 표면상에 금속화층을 형성하는 단계는, 금속 페이스트로 한번에 코팅된 질화 알루미늄 소결체는 소결하여 다음과 같이 수행할 수 있다.

우선, 그린 시트와 같은 규정된 형상으로 상기 혼합 분말을 형성함으로써 질화 알루미늄 형성체의 기판을 준비한다. 상기 언급한 것과 유사하게 금속 페이스트를 제공하기 위하여, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 산화 칼슘, 산화 이트륨 및 스테아린산 이트륨 등의 그룹에서 선택된 적어도 하나의 첨가제와 텅스텐 분말을 반죽하여 금속화층의 재료를 준비한다. 이와 같이 준비된 금속 페이스트를, 프린팅 또는 코팅에 의해 질화 알루미늄 형성체에 의해 형성된 기판의 표면에 입힌다. 질화 알루미늄 소결체에 의해 형성된 기판의 표면상에 금속화층을 구비시키기 위해, 상기 조건과 유사하게 금속 페이스트로서 질화 알루미늄 형성체에 의해 형성된 기판을 소결한다. 따라서, 높은 열 전도율을 가진 금속화층 구비의 질화 알루미늄 소결체를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 반도체 장치의 부품간 접속 구조물을 형성하기 위한 방법의 전형적인 예에 대하여 설명한다. 제3a 및 3b도는 본 발명에 따른 장치의 부품간 접속 구조물을 형성하기 위한 2가지 방법을 도시한 공정도이다. 우선, 제3a도에서 질화 알루미늄 소결 기판이 준비된다. 이때, 상술된 방법에 의해 얻어진 금속 페이스트를 질화 알루미늄 소결 기판의 표면에 코팅한다. 예정된 패턴, 예를 들어 예정된 희로 패턴에 따라 코팅된 금속 페이스트에 스크린 프린팅 처리를 할 수 있다. 그 후, 스크린 프린트된 금속 페이스트를 건조한다. 예정된 온도로 가열된 비활성 가스 분위기에서 질화 알루미늄 소결 기판을 소성한다.

상기 단계는 다음과 같이 수행될 수 있다. 제3b도를 참조하면 우선 질화 알루미늄 형성 기판을 준비한다. 이때 상술된 방법을 통해서 얻어진 금속 페이스트를 질화 알루미늄 형성 기판의 표면에 바른다. 그 후 그와 같이 발라진 금속 페이스트를 건조한다. 이때 예정된 온도로 가열된 불활성 가스 분위기에서 금속 페이스트와 함께 질화 알루미늄 형성 기판을 소결한다. 따라서, 금속화층을 구비한 질화 알루미늄 소결 기판이 형성된다.

소성/소결 후, 질화 알루미늄 소결 기판상에 형성된 금속화층의 표면에 니켈 도금을 한다. 니켈 도금의 강도와 기밀을 향상시키기 위해 약 800℃에서 열 처리를 하고, 따라서 니켈 도금이 소결된다. 이때 질화 알루미늄소결 기판, 리드 프레임, 캡용 프레임 부재 등을 결합하기 위해 니켈 도금의 표면에 납땜을 행한다. 게다가, 접합 부분에 금 도금을 한다. 따라서, 본 발명에 따른 접속 구조물이 형성될 수 있다.

본 발명의 한 양상에 따라 상기와 같이 형성된 반도체 장치의 부품간 접속 구조물, 예를 들어 리드 프레임, 응력 제거 부재 및 질화 알루미늄 기판의 접합 구조물의 실시예에 대해 도면을 참조하여 기술하자. 제4a도는 반도체 장치를 설치하기 위해 기판에서 사용되는 본 발명의 실시예를 도시한 평면도이고, 제4b도는 그 단면도이며ㅡ 제4c도는 질화 알루미늄의 기판(1)과 리드 프레임(3)의 접합 부분의 상세 단면도이다. 도면에 있어서, 접속 구조물는 질화 알루미늄 소결 기판(1)의 주 표면의 특정 영역상에 상술된 공정에 의해 형성된 금속화층(2)과, 금속 땜납 등에 금속화층(2)에 땜납된 리드 프레임(3)을 포함한다. 니켈 도금층으로 코팅된 구리와 같은 연성 금속의 응력 제거 부재(13)가 금속화층(2)과 각 리드 프레임(3)사이에 개재된다.

상당한 열 발생을 수반하는 FET와 같은 반도체 장치(4)는 질화 알루미늄 기판(1)의 예정된 위치상에 설치된다. 반도체 장치(4)는 결합 와이어(5)에 의해 금속화층(2) 또는 리드 프레임(3)과 접속된다. 더우기, 텅스텐 합금, 예를 들어 구리-텅스텐 합금의 열 싱크가, 상기 주 표면의 반대쪽의 질화 알루미늄 기판(1)의 다른 표면에 부착된다. 게다가, 제4c도에 도시된 바와 같이, 질화 알루미늄 기판(1)과 각 리드 프레임(3)사이의 접합 부분은 금속 땜납(9)의 습윤성을 보증하기 위해 금속화층(2)상에 형성된 얇은 도금층(7)과, 필요시 코바르 등의 금속층(23)의 외면에 형성된 도금층(8)에 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 장치의 부품간 접속 구조물, 예를 들어 연성 금속 재료의 응력 제거층과 철-니켈 합금의 금속층을 가진 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간의 접속 구조물의 다른 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 제5a 및 5b도에 도시된 바와 같이, 금속화층(2)은 질화 알루미늄 기판(2) 표면의 특정 영역상의 형성되고, 복합 금속층의 리드프레임(3)은 금속 땜납 등의 납땜에 의해 금속화층(2)에 결합된다. 각 리드 프레임은 구리 등의 응력 제거층(13)과 코바르 등의 금속층(23)을 가진다. 상당한 열 발생을 수반하는 FET와 같은 반도체 장치(4)는 질화 알루미늄 기판(1)의 예정된 위치상에 설치되고 또 결합 와이어(5)에 의해 복합 금속판의 리드 프레임(3) 혹은 금속화층(2)과 접속된다. 게다가, 열 싱크는 질화 알루미늄 기판(1)의 다른 표면에 부착한다.

금속화층(2)은, 절연 기판에 리드 프레임을 납땜 하기 위해 종래에서 사용되는 것일 수 있다. 예를 들어, 그것은 질화 알루미늄 기판상의 주 성분으로서 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함하는 금속 페이스트를 코팅하고 기판과 함께 소성하는 상술의 단계에 의해서 형성되거나, 또는 금속화 후처리에 의해서 형성될 수 있으며, 혹은 진공 증착 또는 스퍼터링에 의해 형성된 티타늄, 크롬 또는 니켈의 얇은 필름으로 될 수 있다. 금속 납땜 재료는 은납이 양호하지만, 그러나 납땜 재료로서 양호한 습윤성을 가진 얇은 금속 코딩층을 형성함으로써 복합 금속판의 금속 재료와 금속화층 사이에 양호한 접합을 보장할 수 있다면 다른 납땜 재료가 사용될 수 있다. 은납을 사용하는 경우에도, 예를 들어 제5c도에 도시된 바와 같이, 필요시 금속화층(2)이 주성분으로서 텅스텐을 포함한다면 금속화층(2)상에 얇은 니켈 도금층(7)을 형성하고 또 필요시 금속 땜납(9)의 안정한 습윤성을 보장하기 위하여 복합 금속판의 각 리드 프레임(3)의 표면상에 니켈 도금층(8)을 형성하는 것이 좋다.

본 발명의 또다른 양상에 따른 반도체 장치의 부품간 접속 구조물, 예를 들어 3층 복합 구조를 가진 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판의 접속 구조물의 다른 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 제6a도 내지 제6d에 도시된 바와 같이,이러한 접속 구조물에 있어서, 금속화층(2)은 질화 알루미늄 기판(1)의 주 표면의 특정 영역상에 형성되고, 3층 복합 금속부(3a)와 단일층 금속부(3b), 또는 3층 복합 금속부(3a)만을 포함하는 각 리드 프레임(3)은 금속화층(2)에 결합된다. 리드 프레임(3)의 3층 복합 금속부(3a)만이 금속 땜납(9)의 납땜에 의해 금속화층(2)에 결합된다. 상당한 열 발생을 수반하는 FET와 같은 반도체 장치(4)는 질화 알루미늄 기판(1)의 예정된 위치상에 설치되고 또 결합 와이어(5)에 의해 금속화층(2) 또는 리드 프레임(3)에 접속된다. 게다가, 필요하다면 질화 알루미늄 기판(1)의 다른 주 표면에는 열 싱크(6)가 부착될 수 있다.

게다가, 각 리드 프레임(3)이 3층 복합 금속부(3a)와 단일층 금속부(3b)를 포함한다면, 제6c도의 확대도에서 도시된 바와 같이, 3층으로부터 코바르 등의 금속층 (23)은 단일층 금속부(3b)의 개선과 같이 낮은 팽창 금속 재료로 형성되고, 금속층(23)의 양쪽에 있는 응력 제거층(13)은 동일의 연성 금속 재료로 형성된다. 3층 복합 금속부(3a)는 리드 프레임(3)로부터 납땜되는 금속층(23)의 양쪽에 있는 응력 제거층(13)이 클래드타입 형성법에 의해 클래드 재료로서 형성되는 것과 같이 형성될 수 있다. 제6d도에 도시된 바와 같이, 리드프레임(3)에서 납땜될 부분의 양면은 얇게 될 수 있고, 3층 복합 금속부(3a)가 단일층 금속부(3b)의 두께와 거의 같은 두께를 하기 위해 상기 표면상에 응력 제거층(13)이 형성될 수 있다.

제6d도는 3층 복합금속부(3a)로만 형성된 리드 프레임(3)의 다른 예의 확대도이다.

질화 알루미늄 기판(1)상에 금속화층(2)을 형성하는 방법은 절연 기판에 리드 프레임을 납땜하기 위해 종래에서 사용되는 방법일 수 있고, 혹은 질화 알루미늄 기판상에 텅스텐, 몰리브덴 등을 포함하는 금속 페이스트를 코팅하고 기판과 함께 페이스트를 소성하는 것과 같은 상술의 방법, 혹은 진공 증착 또는 스퍼터링에 의해 티타늄, 크롬 등의 얇은 필름을 형성하는 방법일 수 있다. 금속 납땜 재료는 은납이 양호하다. 그러나 납땜 재료로서 양호한 습윤성을 가진 얇은 금속 코팅층을 형성함으로써 복합 리드 프레임(3)의 3층 복합 금속부(3a)와 질화 알루미늄 기판(1)상에 형성된 금속화층(2) 사이에 양호한 접합을 보장할 수 있다면 다른 납땜 재료가 사용될 수 있다. 은납을 사용하는 경우에도, 금속화층(2)이 주 성분으로서 텅스텐을 포함한다면 필요시 금속화층(2)상에 니켈 등의 얇은 도금층(7)과, 금속 땜납(9)의 안정한 습윤성을 보장하기 위하여 각 리드 프레임(3) 3층 복합 금속부(3a) 표면상에 니켈 등의 도금층(8)을 형성하는 것이 좋다. 도금층은 각 리드 프레임(3)의 모든 표면상에 형성될 수 있다. 이와 같이 해서, 후처리에서 적용되는 금 도금등의 접착 및 부착은 개선될 수 있고 금 등의 균일한 도금층이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 장치의 부품간 접속 구조물이 적용되는 캡에 대하여 첨부 도면을 참고로 하여 이하에 설명한다. 제7도는 캡 구조의 실시예를 도시한 것이다. 금속화층(2)은 질화 알루미늄의 소결체로 형성된 덮개 부재(11)의 둘레 측면상에서 형성된다. 이 금속화층(2)은, 구리 등의 응력 제거 부재(130)를 통해 금속 땜납(9)에 의해 철-니켈 합금의 금속층(230)으로만 형성된 프레임 부재(30)에 결합된다. 프레임 부재(30)의 하단부는 다른 금속화층(2)를 통해 세라믹 기판(101)에 결합된다. 반도체 장치(4)는 세라믹 기판(101)상에 설치된다. 덮개 부재(11)의 상부면상에는 열 싱크(6)가 구비되며, 따라서 반도체 장치(4)로부터 발생된 열은 덮개 부재(11)를 통해 열 싱크 (6)에 의해 소산되고 또 냉각 효과도 향상된다. 금속화층(2)은 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간 접속 구조물에 관계되는 상술의 것과 동일하다. 사용되는 금속 땜납(9)은 은납이 양호하다. 납땜 재료로서 양호한 습윤성을 가진 금속의 얇은 코팅 필름을 형성함으로써 프레임 부재(30)의 관련 표면과 금속화층(2)간에 양호한 접합을 보장할 수 있다면 다른 납땜 재료도 사용될 수 있다. 이러한 얇은 층은 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간의 접속 구조물의 실시예에 관한 상술의 것과 동일한 기능을 가진다.

제8도는 본 발명에 따라 반도체 장치용 부품간의 접속 구조물이 캡에 적용되는 다른 실시예의 단면도이다. 제8도에 따르면, 금속화층(2)은 질화 알루미늄의 소결체로 형성된 덮개 부재(11)의 둘레 측면상에 형성된다. 3층 복합 금속판의 프레임 부재(3)는 금속 땜납(9)에 의해 금속화층(2)에 결합된다. 프레임 부재(30)는 코바르와 같은 저 팽창 금속 재료의 금속층(230)과 금속층(230)의 양면에 형성된 구리와 같은 연성 금속 재료의 응력 제거층(130)을 포함하는 복합 구조를 가진다. 프레임 부재(30)의 하단부는 다른 금속화층(2)를 통해 세라믹 기판(101)에 결합된다. 반도체 장치(4)는 세라믹 기판(101)상에 설치된다. 게다가, 덮개 부재(11)를 통해 반도체 장치(4)로부터 발생된 열을 소산시켜 냉각 효과도 향상시키기 위해서, 질화 알루미늄의 소결체의 덮개 부재(11)의 상부면상에는 열 싱크(6)가 구비된다. 금속화층(2)과 금속 땜납(9)은 상술의 것과 동일하다. 게다가, 프레임 부재(30) 또는 금속화층(2)의 접합면상에는 얇은 도금층이 형성될 수 있다. 그와 같은 얇은 도금층의 기능은 상술의 것과 동일하다.

본 발명에 따른 상술의 방법에 의해 얻어진 질화 알루미늄 소결체의 기재가 준비된 샘플을 이용한 실시예 A 내지 E에 대해 이하에 기술한다.

[실시예 A]

상술의 방법에 의해 얻어진 질화 알루미늄 소결체의 기판에 금속화 처리를 행하였다. 금속화 처리는, 질화 알루미늄 소결 기판의 각 샘플의 표면에 예정된 조성을 가지는 금속 페이스트로 코팅하고, 분해하고 60분동안 1600℃의 온도에서 질소 분위기에서 금속 페이스트로 코팅한 기판을 조성하는 단계에 의해 행해졌다. 그 결과, 금속화층은 질화 알루미늄 소결 기판의 예정된 영역상에 형성되었다. 이 경우에 사용된 금속 페이스트는 산화 칼슘 분말과 알루미나 분말을 텅스텐 분말을 첨가하고 이 분말에 전색제와 같은 유기결합제를 혼합함으로써 준비되었다. 첨가된 산화 칼슘의 양은 14중량%, 알루미나 분말의 양은 4중량%였다.

게다가, 금속화층의 표면상에는 두께 2㎛의 니켈 도금층이 형성되었다. 이때 제4c도에 도시된 바와 같이, 각 리드 프레임과 질화 알루미늄 소결 기판 사이에 응력제거 부재가 기재되고, 830℃의 온도에서 은납땜을 실시했다. 질화 알루미늄 기판과 리드 프레임간의 접합부에서의 치수 관계가 제9도에 도시되어 있다.

8m폭과 10mm길이를 갖는 리드 프레임(3)은 은납(9)에 의해 20mm의 길이를 갖는 질화 알루미늄 기판(1)에 결합되었다. 리드프레임(3)과 질화 알루미늄 기판(1)간의 접합 넓이는 2mm×8mm였다. 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간의 접합 강도를 평가하기 위하여, 화살표 도시의 방향으로 리드 프레임(3)을 당기는 인장 시험을 행해 납땜 강도를 측정하였다. 그 결과가 표 1에 나타나 있다. 특히, 표 1에서 각 샘플에 대한 납땜 강도는 5개의 측정치에 기초해서 얻어진 평균치이다. 비교를 위해, 리드 프레임의 베릴리아 기판에의 접합예가 표 1에 나타나 있다(10번 샘플).

표 1에 따르면, 응력 제거 부재를 사용하지 않은 샘플의 납땜 강도는 예를 들어 0.5 내지 2kg으로서 매우 낮았다. 응력 제거 부재를 사용하지 않은 샘플의 경우, 각 질화 알루미늄 기판에서 존재하는 파괴 개시점과 열 응력에 기인한 균열은 분명히 나타났다. 본 발명에 따라 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간의 접합을 위해 응력 제거 부재를 사용한 샘플의 경우, 0.1m 두께 및 8mm 폭을 가진 리드 프레임에서 응력 제거 부재의 두께가 0.01 내지 1mm 범위에 있다면 소요의 납땜 강도가 얻어질수 있음이 발견되었다.

게다가, 상술된 조성을 갖는 금속화층이 질화 알루미늄 기판의 각 샘플 표면의 특정 영역에 형성된 후, 두께 2 내지 3㎛의 니켈 도금층과 두께 2 내지 3㎛이 금 도금층이 형성되었다. 그 후, 금-규소의 납땜 재료에 의해 도금층의 표면에 강력 FET가 납땜되었다. 이때, △V_BE'법을 사용하여 트랜지스터의 에미터와 베이스간의 순방향 강하 전압 V_BE의 인가에 의해 생긴 변화량 △V_BE가 측정되었고, 트랜지스터와 질환 알루미늄 기판을 포함하는 유니트의 열 저항이 산출되었다. 모든 샘플의 측정된 열 저항값은 1.9℃/W 미만이었다. 따라서, 열 저항의 관점에서 보아, 질화 알루미늄 기판을 반도체 장치가 설치되는 기판으로서 적절하다는 것을 알수 있다.

[표 1]

* : BeO 기판

[실시예 B]

다음과 같은 금속화 처리에 의해 질화 알루미늄 소결체의 기판 표면의 특정 영역상에 금속화층이 형성되었다. 샘플의 금속화 처리는, 규정된 패턴의 스크린 프린팅으로 상술된 방법에 의해 그린 시트와 같은 형상의 알루미늄 형성 기판의 각 샘플의 표면에 규정된 조성의 텅스텐 페이스트를 바르고, 건조하고 분해를 행하고, 5시간 동안 1850℃의 온도에서 질소 분위기에서 소결함으로써 수행되었다. 따라서 질화 알루미늄 소결 기판의 규정된 부분상에 금속화층이 형성되었다. 두께 2㎛의 니켈 도금층이 금속화층상에서 형성되었고 20분 동안 750℃의 온도로 수소분위기에서 소결되었다.

실시예 A과 같은 방법으로 금속화층상에 리드 프레임이 결합되어 샘플들이 준비되었다. 각 샘플의 리드 프레임과 기판간의 접합강도가 실시예 A 과 같은 방법으로 산출되었다. 그 결과가 표 2에 도시되어 있다.

표 2로부터, 응력 제거 부재를 사용하지 않은 샘플이 납땜 강도는 0.5 내지 2kg 정도로 낮았다. 질화 알루미늄 기판에서 존재하는 그와 같은 각 샘플의 파괴 개시점과 열 응력에 기인한 균열이 그와 같은 각 샘플에서 발견되었다.

[표 2]

[실시예 C]

질화 알루미늄 기판의 표면상에 형성된 주 성분으로서의 텅스텐을 포함하는 금속화층에 결합되기 위하여 리드 프레임은 약 830℃의 온도에서 은납에 의해 응력제거 부재의 개입 없이 납땜되었다. 이 경우 사용된 리드 프레임은 제9도에 도시된 형상을 가지고 그 두께는 0.1mm이다. 제5c 또는 제6c도에 도시된 바와 같이, 각 리드 프레임의 접합 부분은 3층복합 금속부 또는 2층 복합 금속부로 형성되고, 그 조성은 표 3에 도시되어 있고, 각 리드 프레임은 균일한 두께를 가지도록 형성되었다. 10개 샘플의 각각의 리드 프레임과 질화 알루미늄 기판간의 접합 강도는 실시예 A와 동일한 방법으로 측정되었다. 접합 강도의 측정 결과가 10개 샘플의 다른 측정치의 범위를 나타내는 표 3에 나와 있다.

표 3로부터 명백한 바와 같이, 각 질화 알루미늄 기판과의 접합을 위해 3층 복합 금속부와 2층 복합 금속부를 가진 리드 프레임을 사용할 경우, 접합 강도는 코바르 또는 42 합금만으로 형성된 종래의 리드 프레임을 사용한 경우에 비해서 현저히 향상되었다. 또, 3층 복합 금속부를 갖는 리드 프레임을 사용한 경우에, 접합 강도상의 차이의 범위는 2층 금속부를 갖는 리드 프레임을 사용한 경우보다 작았음을 알 수 있다.

게다가, 굽힘 강도 시험이 실시되었고 직각으로 구부러진 리드 프레임의 자유 단부가 초기 상태로 회복되는데 필요한 주기가 1 사이클로 간주된다. 그 결과, 3층 복합 금속부를 갖는 리드 프레임과 코바르 또는 42합금만으로 형성된 종래의 리드 프레임의 경우, 파손되가까지 24사이클 이상이 걸렸다. 한편, 2층 복합 금속부로 형성된 전체의 리드 프레임은 5 내지 10 사이클에서 파손되었고 연성 금속 재료로 형성된 리드 프레임은 2 내지 6 사이클에서 파손되었다.

[표 3]

( )속의 값은 각 층의 두께를 나타냄.

[실시예 D]

실시예 C과 같은 방법으로, 0.1mm의 동일 두께 및 동일 형상을 갖는 리드 프레임은 제9도에 도시된 바와 같이 납땜에 의해 알루미늄 기판에 결합되었다. 표 4에 나타난 바와 같이 3층 복합 금속부 또는 2층 복합 금속부를 포함하면서 납땜되는 부분을 갖도록 각 리드 프레임이 준비되었다. 금-규소, 금-은-게르마늄 등의 조성을 갖는 저 융점 금속 납땜 재료를 사용하여 450 내지 600℃의 온도에서 납땜 처리를 함으로써, 실시예 A에서와 같이 질화 알루미늄 기판 표면의 특정 영역상에 형성된 주 성분으로서 텅스텐을 포함하는 금속화층에 각 리드 프레임이 결합되었다. 이와 같이 얻어진 각종의 10개 샘플에 대해 실시예 A와 같은 방법으로 접합 강도가 측정되었다. 접합 강도의 측정 결과가 측정치의 다른 범위를 나타내는 표 4에 나타나 있다.

표 4로부터 알수 있는 바와 같이, 3층 복합 금속부를 갖는 리드 프레임과 2층 복합 금속부를 갖는 리드 프레임을 사용한 경우, 접합 강도는 코바르 또는 42 합금만으로 형성된 종래의 리드 프레임에 비해 현저히 향상되었다. 또 3층 복합 금속부를 갖는 리드 프레임을 사용한 경우, 접합 강도상의 차이의 범위는 작았음을 알 수 있다.

[표 4]

( )속의 값은 각 층의 두께를 나타냄.

[실시예 E]

3mm의 두께와 10mm×10mm의 면적을 갖는 질화 알루미늄의 소결체로 형성된 덮개 부재의 둘러싸는 부분상에 실시예 A와 같은 방법으로 주 성분으로서 몰리브덴을 포함하는 금속화층이 형성되었다. 금속화층에 니켈 도금을 행한 후, 830℃의 온도에서 은납에 의해 두께 0.1mm의 프레임 부재가 납땜되었다. 이 프레임 부재는 표 5에 나타난 3층 복합 금속으로 형성되었다. 프레임 부재의 외층부로서 구리를 사용하는 경우, 납땜전에 니켈 도금 처리를 행하였다. 이와 같이 얻어진 각 캡의 휨과 기밀성을 측정하였다. 휨은, 덮개 부재(11)와 프레임 부재(30) 간의 접합부에서 제11도에 도시된 값 a로서 측정되었다. 기밀성은, 각 캡을 헬륨가스 분위기내로 두고 제12도에 도시된 바와 같이 캡을 진공화함으로써 측정되었다. 질화 알루미늄 소결체의 덮개 부재와 프레임 부재간의 접합부는 균열 또는 결함을 조사하기 위해 배율 5000의 주사형 전자 현미경 또는 배율 40의 입체 현미경으로 조사되었다.

2층 복합 금속 또는 단일층 복합 금속의 프레임 부재를 갖는 각 샘플도 역시 비교를 위해 준비되었고, 그 휨 및 기밀성이 측정되었다.

측정 결과가 표 5에 나타나 있다. 표 5에 나타난 휨의 값은 5개의 측정치로부터 얻어진 각 평균치이다.

표 5로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 접속 구조물을 가지는 캡은 휨 및 기밀성에에 대한 저항면에서 우수한 특성을 가진다. 게다가, 본 발명에 따른 캡의 접합 부분에는 균열이 발견되지 않았다.

[표 5]

( )속의 값은 각층의 두께를 나타냄.

비록 본 발명에 대해 상세히 기술되었지만, 설명과 실시예에 불과하고 그것에 재한되는 것은 아니며, 본 발명의 정신과 범위는 청구범위에 의해서만 제한됨을 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

1. 반도체 장치의 부품간 접속 구조물에 있어서, 반도체 장치가 설치되는 주 표면을 가진 질화 알루미늄의 기재(1)와, 상기 기재에 결합되면서 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈-코발트 합금의 어느 것을 포함하는 접속 부재(3)와, 상기 기재(1)와 상기 접속부재(3) 사이에 개재된 응력 제거 부재(13)와, 상기 기재, 상기 응력 제거 부재 및 상기 접속 부재를 결합시키는 납땜 재료(9)를 포함하며, 상기 응력 제거 부재는 소성으로 변형되는 높은 소성 변형성을 가진 연성 금속 및 연성 합금의 어느 것으로 형성되어 납땜시의 냉각 처리시 상기 기재의 열 팽창 계수와 상기 접속 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 접속 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 응력 제거 부재는 구리, 구리 합금, 니켈 합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 형성되는 것이 특징인 접속 구조물.
3. 제1항에 있어서, 상기 접속 부재는 리드 프레임(3)을 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
4. 제4항에 있어서, 상기 응력 제거 부재(13)는, 상기 리드 프레임(3)임이 0.1mm의 두께와 8mm 폭을 가질 때 0.01 내지 1mm 범위의 두께를 가지는 것이 특징인 접속 구조물.
5. 제1항에 있어서, 상기 기재는 소결체를 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
6. 제1항에 있어서, 상기 접속 구조물은 상기 기재(1)의 접합면상에 형성된 금속화층(2)을 추가로 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
7. 제6항에 있어서, 상기 금속화층은 텅스텐과 몰리브덴중에서 선택된 적어도 하나의 금속과, 질화 알루미늄, 산화 알루미늄 및 산소 질화 알루미늄의 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 알루미늄 화합물과 산화칼슘을 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
8. 제6항에 있어서, 상기 납땜 재료와 결합되기 위하여 상기 금속화층(2)의 표면상에 형성된 도금층(7)을 추가로 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
9. 제8항에 있어서, 상기 납땜 재료와 결합되기 위하여 상기 접속 부재(3)의 표면상에 형성된 도금층(8)을 추가로 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
10. 반도체 장치의 부품간 접속 구조물에 있어서, 반도체 장치가 설치되는 주 표면을 가진 질화 알루미늄의 기재(1)와, 상기 기제에 결합되면서 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트 합금의 어느 것을 포함하는 접속 부재(3)와, 상기 기재와 상기 접속 부재를 결합시키는 납땜 재료(9)와, 소성으로 변형되는 높은 소성 변형성을 가진 연성 금속 및 연성 합금의 어느 것으로 형성되면서 상기 기재에 결합되는 상기 접속 부재의 적어도 한 표면(13)을 포함하며, 납땜시의 냉각 처리시 상기 기재의 열 팽창 계수와 상기 접속부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열응력을 제거하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 접속 구조물.
11. 제10항에 있어서, 상기 기재에 결합되는 상기 접속 부재(3)의 적어도 한 표면(3)은 구리, 구리 합금, 니켈 합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 형성되는 것이 특징인 접속 구조물.
12. 제10항에 있어서, 상기 접속 부재(13)는 리드 프레임을 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
13. 제12항에 있어서, 상기 기재(1)에 결합되는 상기 접속 부재(3)의 적어도 한 부분은 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트중의 어느 것으로 형성된 내층부와, 연성 금속 및 연성 합금중의 어느 것으로 형성된 외층부를 포함하는 것이 특징인 접속 구조물.
14. 제13항에 있어서, 상기 접속 부재는 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트 합금중의 어느 것으로 형성된, 상기 기재에 결합되는 부분 이외의 다른 부분을 가지는 것이 특징인 접속 구조물.
15. 절연 기판상에 설치된 반도체 장치를 기밀적으로 둘러싸는 캡에 있어서, 상기 반도체 장치를 보호하기 위하여 상기 반도체 장치상에 구비된 질화 알루미늄의 덮개 부재(11)와, 상기 덮개 부재 아래에 위치된 상기 반도체 장치(4)를 둘러싸기 위하여 상기 덮개 부재에 결합되면서, 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈-코발트 합금중의 어느 것을 포함하는 프레임 부재(30)와, 상기 덮개 부재(11)와 상기 프레임 부재(30)사이에 기재된 응력 제거 부재(130)와, 상기 덮개 부재. 상기 응 력제거 부재 및 상기 프레임 부재를 결합시키는 납땜 재료(9)를 포함하며, 상기 응력 제거 부재는 소성으로 변형되는 높은 소성 변형성을 가진 연성 금속 및 연성 합금의 어느 것으로 협회되어 납땜시의 냉각 처리시 상기 덮개 부재의 열 팽창 계수와 상기 프레임 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 캡.
16. 제15항에 있어서, 상기 응력 제거 부재(130)는 구리. 구리합금, 니켈. 니켈 합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 형성되는 것이 특징인 캡.
17. 절연 기판성에 설치된 반도체 장치를 기밀적으로 둘러싸는 캡에 있어서, 상기 반도체 장치를 보호하기 위하여 상기 반도체 장치상에 구비된 질화 알루미늄의 덮개 부재(11)와, 상기 덮개 부재 아래에 위치된 상기 반도체 장치를 둘러싸기 위하여 상기 덮개 부재에 결합되면서, 주 재료로서 철-니켈 합금과 철-니켈 -코발트 합금의 어느 것을 포함하는 프레임 부재(30)와, 상기 덮개 부재와 상기 프레임 부재를 결합시키는 납땜 재료(9)와, 가소성으로 변형을 높은 플라스틱 변형성을 가진 연성 금속 및 연성 합금의 어느 것으로 형성되면서 상기 덮개 부재에 결합되는 상기 프레임 부재의 적어도 한 표면(130)을 포함하여, 납땜시의 냉각 처리시 상기 덮개 부재의 열 팽창 계수와 상기 프레임 부재의 열 팽창 계수간의 차이에 의해 생기는 열 응력을 제거하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 캡.
18. 제17항에 있어서, 상기 덮개 부재에 결합되는 상기 프레임 부재의 적어도 한 표면(130)은 구리, 구리합금, 니켈, 니켈 합금, 철 및 알루미늄중에서 선택된 재료중의 어느 것으로 형성되는 것이 특징인 캡.
19. 제17항에 있어서, 상기 덮개 부재(11)에 결합되는 상기 프레임 부재(30)의 적어도 한 부담은 철-니켈 합금과 철-니켈-코발트 합금중의 어느 것으로 형성된 내층부(230)와, 연성 금속 및 연성 합금중의 어느 것으로 형성된 외층부를 포함하는 것이 특징인 캡.

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