JP2001339021A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】上面に半導体素子が載置される基体と、それに
接合される枠体および入出力端子との接合を強固なもの
とするとともに、半導体素子が作動時に発する熱を効率
良く放散できるようにすること。 【解決手段】上面に半導体素子７を載置する載置部１ｄ
を有する基体１が、複数の貫通孔１ｂ−ａが形成された
モリブデンから成る基板１ｃと、基板１ｃの上下面にロ
ウ材１ｂによりそれぞれ接合された銅板１ａとから成
り、ロウ材１ｂは基板１ｃの貫通孔１ｂ−ａ内に入り込
んで少なくともその内周面をほぼ覆っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波通信分
野およびミリ波通信分野等で用いられ、高周波帯域で作
動するガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の化合物半導体等か
ら成る各種半導体素子を収納する半導体素子収納用パッ
ケージに関し、特に半導体素子が作動時に発生する熱を
放熱させるのに好適な放熱構造を有するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波通信分野またはミリ波
通信分野等で用いられ、高周波帯域で作動するＩＣ，Ｌ
ＳＩ等の各種半導体素子を収納するための半導体素子収
納用パッケージ（以下、半導体パッケージという）を図
３に示す。同図において、１１，１２はそれぞれ鉄（Ｆ
ｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金
属材料から成り容器本体を構成する基体と側壁用の枠
体、１３はセラミックスから成り基体１１上に接合され
高周波信号を入出力する入出力端子、１５は蓋体、１７
は半導体素子を示す。これら基体１１、枠体１２、入出
力端子１３、蓋体１５とで、半導体素子１７を半導体パ
ッケージ内部に収容する。

【０００３】また、このような半導体パッケージは、一
般に半導体素子１７が載置される載置部１１ｄを有する
基体１１と、基体１１上面の外周部に載置部１１ｄを囲
繞するように接合される枠体１２および接合面に金属層
が設けられた入出力端子１３とが、銀ロウ等のロウ材で
接合される。さらに、蓋体１５と枠体１２上面とが、蓋
体１５と枠体１２上面にそれぞれ設けられた金属層を介
して金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材
で接合される。

【０００４】基体１１としては、例えばモリブデン（Ｍ
ｏ）板の上下両面に銅（Ｃｕ）板を銀ロウ等のロウ材で
接合し一体化（複合化）させた複合材料（特開平７−２
１１８２２号公報参照）が用いられており、半導体素子
１７の作動時に発する熱を外部に放熱するための放熱板
としての機能を有するとともに、半導体素子１７や入出
力端子１３等を支持する支持板としての機能も有する。

【０００５】この基体１１は、モリブデン板、銅板のそ
れぞれの厚さを適度に調整するとともに、上下両面の軟
性の高い銅板が変形しようとする力を、剛性の高いモリ
ブデン板が抑制することにより、基体11に接合される入
出力端子１３等の熱膨張係数に近似させることができ、
また、熱伝導率を銅−タングステン（Ｗ）合金から成る
基体よりも大幅に向上させ得る。

【０００６】また、枠体１２は、基体１１に熱膨張係数
が近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る
とともに、入出力端子１３を嵌着するための貫通孔また
は切欠部から成る取付部１２ａが形成されており、入出
力端子１３の上下両面にそれぞれ設けられた金属層を介
して銀ロウ等のロウ材で接合される。

【０００７】また、この入出力端子１３は、基体１１，
枠体１２に熱膨張係数が近似するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）
セラミックス等のセラミックスから成るとともに、半導
体パッケージの内外を導出するようにモリブデン（Ｍ
ｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを焼結
したメタライズ層１３ａが被着されている。

【０００８】また、このメタライズ層１３ａには、外部
電気回路との高周波信号の入出力を行うために、導電性
を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成るリ
ード端子１４が銀ロウ等のロウ材で接合されるととも
に、半導体素子１７と電気的に接続するためのボンディ
ングワイヤ１６が接合される。

【０００９】なお、この半導体素子１７は、載置部１１
ｄに錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点半田を介し
て接合され、作動時にはこの低融点半田を介して基体１
１に伝熱される。

【００１０】このように、基体１１、枠体１２、入出力
端子１３、蓋体１５とで、半導体素子１７を半導体パッ
ケージ内部に収容するとともに、ボンディングワイヤ１
６とリード端子１４と外部電気回路とを電気的に接続す
ることによって、半導体素子１７が高周波信号によって
作動する半導体装置となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
半導体素子１７は高密度化、高集積化が急激に進み、そ
のため半導体素子１７の作動時に発する熱量が従来に比
し極めて大きなものとなっている。従って、半導体素子
１７を従来の半導体パッケージに収納して半導体装置と
なした場合、半導体素子１７作動時に発する熱を放散す
る基体１１の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ（Ｗ・ｍ^-1・Ｋ
^-1）程度と比較的高くても、近年の半導体素子１７が発
する多量の熱を十分に吸収し放熱することができない。
その結果、半導体素子１７は、発熱によって高温となり
熱破壊を起こしたり、熱による特性劣化を引き起こし誤
作動が生じる等の問題点を有していた。

【００１２】このような問題点を解決するために、熱伝
導率が約１５０Ｗ／ｍＫ程度，熱膨張係数が約５×１０
^-6／℃程度のモリブデン板の厚さに比し、熱伝導率が約
３９０Ｗ／ｍＫ程度，熱膨張係数が約１８×１０^-6／℃
程度の銅板の厚さを厚くすれば、熱伝導率は大幅に向上
するが、この基体１１に接合される入出力端子１３等の
熱膨張係数と大幅に相違することになる。そのため、半
導体素子１７作動時の熱の放散性は良好となるが、枠体
１２や入出力端子１３との接合信頼性が損なわれ、それ
らの間にクラックや割れ，剥がれ等が発生し、半導体素
子１７を半導体パッケージ内部に気密に収容することが
困難となるという問題点を有していた。

【００１３】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたもので、その目的は、基体に接合される枠体，入出
力端子との接合を強固なものとするとともに、半導体素
子が作動時に発する熱を効率良く放散できるようにする
ことにより、半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定
に作動させ得る半導体パッケージを提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子収納
用パッケージは、上面に半導体素子を載置する載置部を
有する基体と、該基体上面に前記載置部を囲繞するよう
に取着された枠体と、該枠体の側部に形成された貫通孔
または切欠部から成る取付部に嵌着された入出力端子
と、前記枠体の上面に接合される蓋体とを具備した半導
体素子収納用パッケージにおいて、前記基体は、複数の
貫通孔が形成されたモリブデンから成る基板と、該基板
の上下面にロウ材によりそれぞれ接合された銅板とから
成り、前記ロウ材は前記基板の貫通孔内に入り込んで少
なくともその内周面をほぼ覆っていることを特徴とす
る。

【００１５】本発明はこのような構成によって、半導体
素子が作動時に発する熱は、上面の銅板から、モリブデ
ン板と高熱伝導を有する銀ロウ等から成るロウ材とを介
して、下面の銅板に良好に伝わるため、外部に効率良く
放熱できる。

【００１６】また、ロウ材の熱膨張は、その軟性が非常
に高いため、モリブデン板に形成された複数の貫通孔に
入り込むかまたは充填されても、剛性の高いモリブデン
板で有効に抑止される。そのため、基体の熱膨張係数は
貫通孔の形成されていないモリブデン板を銅板の間にロ
ウ材で接合した場合に比し、大きく変化することはな
い。すなわち、本発明の基体は、それに接合される枠体
や入出力端子の熱膨張係数に近似させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の半導体パッケージについ
て以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体パッケ
ージの一実施形態を示す断面図であり、図２は基体を構
成するモリブデンから成る基板の斜視図である。これら
の図において、１は基体、２は枠体、３は入出力端子、
５は蓋体、７はＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子である。こ
れら基体１、枠体２、入出力端子３、蓋体５とで、半導
体素子７が作動時に発する熱を吸収し放散するととも
に、半導体素子７を内部に収容するための容器が構成さ
れる。

【００１８】基体１は、半導体素子７や入出力端子３等
を支持する支持部材として機能するとともに、半導体素
子７作動時に発する熱を効率良く外部に放散する放熱板
としての機能を有する。

【００１９】この基体１は、熱伝導率が約３９０Ｗ／ｍ
Ｋ程度，熱膨張係数が約１８×１０ ^-6／℃程度の銅板１
ａを、複数の貫通孔１ｂ−ａを有し熱伝導率が約１５０
Ｗ／ｍＫ程度，熱膨張係数が約５×１０^-6／℃程度の基
板１ｃの上下両面に、銀ロウ等の高熱伝導率を有するロ
ウ材１ｂで接合したものである。この場合、ロウ材１ｂ
は、貫通孔１ｂ−ａ内に入り込んで少なくともその内周
面をほぼ覆っており、好ましくは貫通孔１ｂ−ａ内に充
填されるとともに、貫通孔１ｂ−ａ以外の部位が接合さ
れるように設けられる。

【００２０】このロウ材１ｂは、貫通孔１ｂ−ａ内に貫
通孔１ｂ−ａ内の容積に対して約５０体積％以上の量で
設けられていればよく、その場合、貫通孔１ｂ−ａの内
周面をほぼ覆うのに十分な量となる。より好ましくは、
ロウ材１ｂが貫通孔１ｂ−ａ内に完全に充填されている
のがよい。

【００２１】また、貫通孔１ｂ−ａは、半導体素子７直
下での個数密度が半導体素子７周囲でのそれよりも大き
くなるように形成するのがよく、その場合半導体素子７
直下での放熱性が向上する。より好ましくは、半導体素
子７直下での個数密度が半導体素子７周囲でのそれに対
して、１倍を超え２倍未満がよい。２倍以上では、半導
体素子７直下の基体１部で貫通孔１ｂ−ａが多くなるた
め、基体１部の強度が低下しロウ材の熱変形や熱膨張を
抑制するのが困難になり、ロウ材にクラックや割れが発
生し易くなる。

【００２２】この基体１の銅板１ａと基板１ｃとの厚さ
の比率は、基体１の上面から順に１．７５：１：１．７
５〜３．２：１：３．２程度がよく、これらの範囲を外
れると、基体１の熱膨張係数を枠体２や入出力端子３の
それに近似させることが困難となり、それらの接合時に
クラックや割れ，剥がれ等が発生する。そのため、半導
体素子７を半導体パッケージ内部に気密に収容すること
が極めて困難となる。

【００２３】また、上側の銅板１ａと下側の銅板１ａと
の厚さの比は２：１〜１：２がよく、この範囲外では、
上下の銅板１ａと基板１ｃとの熱膨張差による基体１の
形状の歪が大きくなり易い。

【００２４】また、基体１の基板１ｃに形成される貫通
孔１ｂ−ａは、半導体素子７作動時の熱を基体１の厚さ
方向の全域に効率良く伝えるとともに、基体１の熱膨張
係数を枠体２や入出力端子３のそれに近似させるため、
基板１ｃの主面の面積に対して、全ての貫通孔１ｂ−ａ
の開口部の開口面積が１０％〜５０％程度であるのがよ
い。また、貫通孔１ｂ−ａは基板１ｃの全面に均等かつ
複数形成される方が好ましい。

【００２５】この貫通孔１ｂ−ａの開口面積が基体１の
主面の面積の１０％未満の場合、ロウ材１ｂが貫通孔１
ｂ−ａに充填されているとしてもその量が少ないため、
半導体素子７作動時の熱を効率良く外部に放散できにく
い。一方、これが５０％を超える場合、ロウ材１ｂの有
する熱膨張係数が、基体１の熱膨張係数を大幅に増大さ
せることとなり、基体１を枠体２や入出力端子３に接合
した際の接合信頼性が大きく損なわれる。

【００２６】また、この貫通孔１ｂ−ａが全面に形成さ
れていない場合、即ち半導体素子７の載置部１ｄ直下以
外のみに形成されている場合、半導体素子７作動時に発
する熱は、上面の銅板１ａからその直下のモリブデン板
１ｃを伝わる所謂従来の経路と、上面の銅板１ａから横
方向に伝わりロウ材１ｂや基板１ｃを伝わる経路の２経
路を要しなければならず、熱を早急にかつ効率良く外部
に放散できにくくなる。

【００２７】一方、貫通孔１ｂ−ａが半導体素子７の載
置部１ｄ直下のみに形成されている場合、半導体素子７
作動時に発する熱は、その直下即ち上面の銅板１ａから
ロウ材１ｂとモリブデン板１ｃとに伝わり、外部に早急
かつ効率良く放散できる。しかしながら、ロウ材１ｂの
ある部位と半導体素子７の載置部１ｄ直下以外の部位と
の熱膨張係数のバランスが崩れて、ロウ材１ｂにクラッ
クや割れ等が発生し易くなる。即ち基体１が破損し、半
導体素子７作動時の熱を外部に伝えることが困難となる
傾向にある。

【００２８】また、貫通孔１ｂ−ａは、円形の場合その
径は０．２ｍｍφ（直径）〜３ｍｍφ程度が好ましく、
０．２ｍｍφ未満では貫通孔１ｂ−ａを形成することが
製造上困難となる。一方、３ｍｍφを超える場合、貫通
孔１ｂ−ａに充填されるロウ材の有する熱膨張係数が基
体１の熱膨張係数を大幅に増大させることとなり、基体
１を枠体２や入出力端子３に接合した際の接合信頼性が
大きく損なわれる。なお、貫通孔１ｂ−ａの断面形状は
円形に限らず、楕円形、長円形、矩形等であってもよ
い。

【００２９】このように、厚さ方向に貫通する複数の貫
通孔１ｂ−ａが形成された基板１ｃの上下両面に、銅板
１ａをロウ材１ｂで接合して成るとともに、貫通孔１ｂ
−ａにロウ材１ｂが充填されて成る基体１は、その熱伝
導率が約２８０〜３５０Ｗ／ｍＫ程度と非常に高く、か
つ熱膨張係数が７．５×１０^-6〜１１×１０^-6／℃であ
り、枠体２や入出力端子３のそれに近似させることがで
きる。

【００３０】この基体１の上面には、半導体素子７の載
置部１ｄを囲繞するように、枠体２が銀ロウ等のロウ材
を介して接合され、また、入出力端子３が、この枠体２
の側部に設けられた貫通孔または切欠部から成る取付部
２ａに嵌着されるとともに、ロウ材により接合される。

【００３１】枠体２は、Ｃｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｃｕ等の金属材料から成り、
基体１や入出力端子３にその熱膨張係数が近似したもの
を用いることによって、ロウ付け後の熱膨張差による歪
みを小さいものとし、また、半導体パッケージ内外に高
周波信号を入出力させた際に発生する電磁場を遮蔽する
所謂電磁遮蔽板として機能する。

【００３２】この枠体２は、その金属材料のインゴット
に圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施
すことによって、所定の枠状の形状に製作される。ま
た、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優
れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層をメ
ッキ法により被着させておくと、入出力端子３の上面と
の銀ロウ等のロウ材による接合をより強固なものとでき
る。

【００３３】なお、枠体２の上面即ち蓋体５に接合され
る面は、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロ
ウ材で接合されるため、その低融点ロウ材との濡れに優
れる接合面としておく必要があることから、上述のＮｉ
層の表面にさらに厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層を被着さ
せておくと良い。

【００３４】この枠体２の取付部２ａに嵌着される入出
力端子３は、枠体２に熱膨張係数が近似するアルミナセ
ラミックス等のセラミックスから成り、Ｍｏ−Ｍｎ等か
ら成る金属ペーストを焼結したメタライズ層とその表面
に被着したＮｉメッキ層とを介して、銀ロウ等のロウ材
で接合される。

【００３５】また、この入出力端子３には、半導体パッ
ケージ内外を導出するように、Ｍｏ−Ｍｎ等から成る金
属ペーストを焼結したメタライズ層３ａが被着されてい
るとともに、この入出力端子３上面にも枠体２との接合
用のメタライズ層とその表面に被着されたＮｉメッキ層
とが形成されている。

【００３６】このメタライズ層３ａの表面には、耐蝕性
に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には
厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層をメッキ法により被着させ
ておくと、リード端子４との銀ロウ等のロウ材による接
合を可能とし、また、このＮｉ層の表面にさらに厚さ
０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により被着させるこ
とによって、半導体素子７と電気的に接続させるための
ボンディングワイヤ６を接合できる。

【００３７】このリード端子７は、外部電気回路との高
周波信号の入出力を行うために、導電性を有するＦｅ−
Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成り、その金属材料の
インゴットに圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知
の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成され
る。

【００３８】また、枠体２の上面には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金等の金属材料やアルミナセラミックス等のセラミ
ックスから成る蓋体５が、Ａｕ−Ｓｎ合金半田等の低融
点ロウ材を介して接合される。

【００３９】かくして、半導体素子７は、半導体パッケ
ージ内部に気密に封止され、また半導体装置となされた
後に作動時に発する熱を効率良く外部に放散できる。

【００４０】このように、本発明の半導体パッケージ
は、上面に半導体素子７を載置する載置部１ｄを有する
基体１と、この基体１上面に載置部１ｄを囲繞するよう
に取着される枠体２と、この枠体２の側部に形成された
貫通孔または切欠部から成る取付部２ａに嵌着される入
出力端子３と、枠体２の上面に接合される蓋体５とを具
備した半導体パッケージにおいて、基体１は、複数の貫
通孔１ｂ−ａが形成されたモリブデンから成る基板１ｃ
と、基板１ｃの上下面にロウ材１ｂによりそれぞれ接合
された銅板１ａとから成り、ロウ材１ｂは貫通孔１ｂ−
ａ内に入り込んで貫通孔１ｂ−ａの少なくとも内周面を
ほぼ覆うように設けられている。

【００４１】これにより、基体１は、その熱伝導率が約
２８０〜３５０Ｗ／ｍＫ程度と非常に高くなるため、半
導体素子７作動時に発する熱を外部に効率良く放散でき
るとともに、熱膨張係数が７．５×１０^-6〜１１×１０
^-6／℃程度になるため、枠体２や入出力端子３のそれに
近似させることができ、基体１の破損や、基体１と枠体
２と入出力端子３との間にクラックや割れ，剥がれ等を
有効に防止でき、半導体素子７を半導体パッケージ内部
に気密に収容することができる。

【００４２】かくして、本発明の半導体パッケージは、
基体１の載置部１ｄ上に半導体素子７を錫（Ｓｎ）−鉛
（Ｐｂ）半田等の低融点半田を介して載置固定するとと
もに、半導体素子７の電極をボンディングワイヤ６を介
してメタライズ層３ａに接続させ、しかる後、枠体２の
上面に蓋体５をＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を
介して接合させ、基体１、枠体２、入出力端子３および
蓋体５とから成る容器内部に半導体素子７を収納するこ
とによって、製品としての半導体装置となる。

【００４３】なお、本発明は上記実施形態に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行
うことは何等支障ない。

【００４４】例えば、ロウ材１ｂはＡｇロウに限らず熱
伝導率の高いＣｕロウであっても良く、この場合、Ｃｕ
ロウと基板１ｃの上下両面の銅板１ａとの熱膨張係数が
ほぼ同一となるため、接合はさらに強固なものとなる。
その他のロウ材１ｂとしては、Ａｕ−Ｎｉロウ，Ａｕ−
Ｃｕロウ，Ａｕロウ等の、半導体素子７固定用のロウ材
よりも融点が高いものであればよい。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、上面に半導体素子を載置する
載置部を有する基体が、複数の貫通孔が形成されたモリ
ブデンから成る基板と、基板の上下面にロウ材によりそ
れぞれ接合された銅板とから成り、ロウ材は基板の貫通
孔内に入り込んで少なくともその内周面をほぼ覆ってい
ることにより、半導体素子が作動時に発する熱は、基板
上面の銅板から、基板と高熱伝導を有する銀ロウ等から
成るロウ材とを介して、基板下面の銅板に伝わるため、
外部に効率良く放熱できる。

【００４６】また、ロウ材の熱膨張は、その軟性が非常
に高いため、基板に形成された複数の貫通孔に充填され
ても、剛性の高い基板で有効に抑止される。そのため、
基体の熱膨張係数は貫通孔の形成されていない基板を銅
板の間にロウ材で接合した場合に比し、大きく変化する
ことはない。すなわち、本発明の基体は、それに接合さ
れる枠体や入出力端子の熱膨張係数に近似させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体パッケージの一実施形態を示す
断面図である。

【図２】図１の基体を構成する基板の斜視図である。

【図３】従来の半導体パッケージの断面図である。

【符号の説明】

１：基体 １ａ：銅板 １ｂ：ロウ材 １ｂ−ａ：貫通孔 １ｃ：基板 １ｄ：載置部 ２：枠体 ２ａ：取付部 ３：入出力端子 ５：蓋体 ７：半導体素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に半導体素子を載置する載置部を有す
   る基体と、該基体上面に前記載置部を囲繞するように取
   着された枠体と、該枠体の側部に形成された貫通孔また
   は切欠部から成る取付部に嵌着された入出力端子と、前
   記枠体の上面に接合される蓋体とを具備した半導体素子
   収納用パッケージにおいて、前記基体は、複数の貫通孔
   が形成されたモリブデンから成る基板と、該基板の上下
   面にロウ材によりそれぞれ接合された銅板とから成り、
   前記ロウ材は前記基板の貫通孔内に入り込んで少なくと
   もその内周面をほぼ覆っていることを特徴とする半導体
   素子収納用パッケージ。