JP2002076192A - Aluminum nitride board and semiconductor package using it - Google Patents

Aluminum nitride board and semiconductor package using it

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JP2002076192A
JP2002076192A JP2000260286A JP2000260286A JP2002076192A JP 2002076192 A JP2002076192 A JP 2002076192A JP 2000260286 A JP2000260286 A JP 2000260286A JP 2000260286 A JP2000260286 A JP 2000260286A JP 2002076192 A JP2002076192 A JP 2002076192A
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metallized layer
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aluminum nitride board or a semiconductor package preventing the swelling of a metallized layer and preventing the jetting of nitrogen gas during sealing. SOLUTION: In the aluminum nitride board providing an oxide film on the whole face, particle growth more than the need of metal particles constituting the metallized layer is prevented by making the film thickness of an oxide film existing on a part providing the metallized layer 0.3-2 μm and making a difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness 0.2 μm or less. Thereby the swelling of the metallized layer can be suppressed. In addition, the jetting of nitrogen gas can be suppressed by providing the similar oxide film on the sealing part of the package.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
基板およびそれを用いた半導体パッケージに関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an aluminum nitride substrate and a semiconductor package using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子の高集積化、高密度化、高速
化に伴い半導体素子の消費電力が増大し、半導体素子の
発熱が問題となっている。この発熱の問題を解決するた
めに半導体素子を搭載する基板に窒化アルミニウムなど
のセラミックス基板が用いられるようになっている。窒
化アルミニウム基板は熱伝導性が150W/m・k以上と優れ
た熱伝導性を有していることから放熱性も良好である。
この放熱性を利用して近年では、例えば大電力パワーモ
ジュール用基板やスーパーコンピュータ用パッケージな
ど各種電子回路基板並びに半導体パッケージに活用され
ている。電子回路基板や半導体パッケージを形成する際
には、窒化アルミニウム基板上にろう材などのメタライ
ズ層を設けその上に半導体素子をろう付け又は導電性接
着剤により接合することになる。このとき、窒化アルミ
ニウム基板上に直接メタライズ層を設けるとメタライズ
層とろう材の濡れ性が悪い場合にはメタライズ層に悪影
響を与えフクレなどの不具合の原因となっていた。ま
た、半導体パッケージとして用いる際にリードフレーム
およびキャップ部をガラス系封着材により封着すること
になるが、封着時の熱処理により窒化アルミニウムが分
解してしまい窒素ガスが噴出され気密性を劣化させるな
どの不具合が発生していた。
2. Description of the Related Art The power consumption of semiconductor devices has increased with the increase in integration, density, and speed of semiconductor devices, and heat generation of the semiconductor devices has become a problem. In order to solve the problem of heat generation, ceramic substrates such as aluminum nitride have been used as substrates on which semiconductor elements are mounted. The aluminum nitride substrate has an excellent thermal conductivity of 150 W / m · k or more, and thus has good heat dissipation.
In recent years, this heat dissipation property has been utilized for various electronic circuit boards and semiconductor packages such as a board for a high-power power module and a package for a supercomputer. When forming an electronic circuit board or a semiconductor package, a metallized layer such as a brazing material is provided on an aluminum nitride substrate, and a semiconductor element is brazed thereon or joined by a conductive adhesive. At this time, if the metallized layer is provided directly on the aluminum nitride substrate, if the wettability between the metallized layer and the brazing material is poor, the metallized layer is adversely affected and causes problems such as blistering. In addition, when used as a semiconductor package, the lead frame and the cap are sealed with a glass-based sealing material. However, heat treatment during sealing decomposes aluminum nitride and spouts nitrogen gas to deteriorate airtightness. There was a problem such as causing

【0003】このような問題を解決するために従来から
窒化アルミニウム基板に酸化膜を設けることが行われて
いた。
In order to solve such a problem, an oxide film is conventionally provided on an aluminum nitride substrate.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
酸化膜を設けた窒化アルミニウム基板は酸化膜を設ける
ことのみに着目していたため酸化膜の膜厚にバラツキが
生じていた。酸化膜の膜厚にバラツキがあると、酸化膜
の厚い部位と薄い部位が存在してしまい、ろう付け時の
熱の伝わり方にバラツキが生じてしまっていた。メタラ
イズ層への熱の伝わり方にバラツキが生じてしまうとメ
タライズ層であるろう材中の金属粒子が均一に溶解せ
ず、特に酸化膜の凹部に入り込んだ金属粒子が均一に溶
解せず凹部中で粒成長してしまい、この粒成長した金属
粒子が原因となり酸化膜との間に若干の空隙を形成して
しまうことが判明した。このようなメタライズ層を構成
する金属粒子の粒成長に伴う空隙はメタライズ層の接合
強度を低下させるだけでなく、フクレの原因になってし
まうことが判明した。このような問題を解決するために
酸化膜の厚さを厚くすることが考えられるが、酸化膜は
熱伝導率があまり良くないため厚くしすぎると熱抵抗と
なってしまうことから窒化アルミニウムの熱伝導性の良
さをいかしきれなくなる。さらに酸化膜が厚すぎると各
種熱処理に伴い酸化膜自体が熱膨張を起こし、この熱膨
張がメタライズ層などへの不具合の原因にもなってい
た。
However, in the conventional aluminum nitride substrate provided with an oxide film, attention has been paid only to the provision of the oxide film, so that the thickness of the oxide film varies. If the thickness of the oxide film varies, thick portions and thin portions of the oxide film exist, and the heat transmission during brazing varies. If the distribution of heat to the metallized layer varies, the metal particles in the brazing material, which is the metallized layer, do not dissolve uniformly, and in particular, the metal particles that have entered the concave portions of the oxide film do not dissolve uniformly. It has been found that the metal particles grown by the grain formation cause a slight gap between the metal film and the oxide film. It has been found that such voids accompanying the growth of metal particles constituting the metallized layer not only reduce the bonding strength of the metallized layer but also cause blisters. To solve such a problem, it is conceivable to increase the thickness of the oxide film. However, since the oxide film is not so good in heat conductivity, if the oxide film is too thick, it becomes a thermal resistance. You can't take advantage of good conductivity. Further, if the oxide film is too thick, the oxide film itself undergoes thermal expansion due to various heat treatments, and this thermal expansion has caused a problem with the metallized layer and the like.

【0005】また、同様に半導体パッケージとしてガラ
ス系封着材により封着する際も酸化膜の膜厚にバラツキ
があると、酸化膜の薄い部位のみから窒素ガスが噴出し
ようとしてしまい不要な応力集中が生じてしまう。さら
に、封着部以外からも窒素ガスの噴出が起きてしまい、
この噴出した窒素ガスが封着部に悪影響を与えることも
ある。このような酸化膜の膜厚のバラツキに基づく不要
な応力集中は、外観から判断しずらくメタライズ層を形
成した後、半導体素子をろう付けした後、リードフレー
ム封着後、もしくは半導体素子可動中に窒化アルミニウ
ムとメタライズ層、リードフレーム、ガラス系封着材と
の熱膨張差から膜剥がれなどの不具合が生じて初めて分
かるものである。同様に酸化膜の厚い部位は熱抵抗がそ
の部分のみ高くなってしまうと共に、前述の熱膨張に伴
う膜剥がれやフクレなどをさらに増長する結果となって
いた。本発明は、上記の問題を解決するためになされた
ものであって、窒化アルミニウム基板の全面に酸化膜を
設けた基板において、酸化膜厚の最大値と最小値の差が
0.2μm以下の均一な酸化膜を設けることにより、液相
成分の噴出によるメタライズ層のフクレ、リードフレー
ム等との熱膨張差に伴う膜剥がれなどの不具合を低減し
た窒化アルミニウム基板およびそれを用いた半導体パッ
ケージを提供することを目的とするものである。
Similarly, when the semiconductor package is sealed with a glass-based sealing material, if the thickness of the oxide film varies, nitrogen gas is likely to be ejected only from the thin portion of the oxide film, resulting in unnecessary stress concentration. Will occur. In addition, nitrogen gas is ejected from other than the sealing part,
The jetted nitrogen gas may adversely affect the sealing portion. Unnecessary stress concentration due to such unevenness in the thickness of the oxide film is caused by forming a metallized layer that is difficult to judge from the external appearance, brazing the semiconductor element, sealing the lead frame, or moving the semiconductor element. It can be understood only when a problem such as film peeling occurs from a difference in thermal expansion between aluminum nitride and a metallized layer, a lead frame, and a glass-based sealing material. Similarly, the portion where the oxide film is thick has a high thermal resistance only at that portion, and further results in further increase in film peeling and blistering due to the above-mentioned thermal expansion. The present invention has been made in order to solve the above problem, and in a substrate having an oxide film provided on the entire surface of an aluminum nitride substrate, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness is small.
By using a uniform oxide film having a thickness of 0.2 μm or less, an aluminum nitride substrate was used which reduced defects such as blistering of the metallized layer due to ejection of a liquid phase component and film peeling due to a difference in thermal expansion between the lead frame and the like. It is an object to provide a semiconductor package.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化アルミニウ
ム基板は、基板全面に酸化膜を設けたものであり、特に
メタライズ層を設ける個所の酸化膜の膜厚が0.3μm以
上2μm以下かつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μm以
下であることを特徴とするものである。また、酸化膜が
酸化アルミニウムを主成分とすることが好ましい。
The aluminum nitride substrate of the present invention has an oxide film provided on the entire surface of the substrate. In particular, the thickness of the oxide film where the metallized layer is provided is 0.3 μm or more and 2 μm or less, and Wherein the difference between the maximum value and the minimum value is 0.2 μm or less. Preferably, the oxide film contains aluminum oxide as a main component.

【0007】また、酸化膜を設ける前の窒化アルミニウ
ム基板の表面粗さRaが0.8μm以下、または表面粗さRma
xが6μm以下であることが好ましい。このような本発明
の窒化アルミニウム基板は酸化膜上の少なくとも1部に
メタライズ層を設けた形態で使用することが好ましく、
メタライズ層を形成した際に実質的にメタライズ層に最
大径0.2mm以上のフクレが存在しないことになる。
Further, the surface roughness Ra of the aluminum nitride substrate before the oxide film is provided is 0.8 μm or less, or the surface roughness Rma
x is preferably 6 μm or less. Such an aluminum nitride substrate of the present invention is preferably used in a form in which a metallized layer is provided on at least a part of the oxide film.
When the metallized layer is formed, virtually no blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or more exist in the metallized layer.

【0008】同様に、本発明の半導体パッケージは、窒
化アルミニウム基板全面に酸化膜を設けた窒化アルミニ
ウム基板を用い、メタライズ層および封着材により封着
される個所に存在する酸化膜の膜厚が0.3μm以上2μm
以下かつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μm以下であ
ることを特徴とする。また、ガラス系封着材によりリー
ドフレームを接合したこと、半導体パッケージがQFP
型であることが好ましく、QFP型半導体パッケージの
場合リードフレームによる入出力数が120本以上であ
ることが好ましい形態である。
Similarly, the semiconductor package of the present invention uses an aluminum nitride substrate having an oxide film provided on the entire surface of the aluminum nitride substrate, and the thickness of the oxide film existing at a location sealed by the metallization layer and the sealing material is reduced. 0.3μm or more and 2μm
And the difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness is 0.2 μm or less. In addition, the lead frame was joined by a glass-based sealing material, and the semiconductor package was QFP.
In the case of a QFP type semiconductor package, the number of inputs and outputs by a lead frame is preferably 120 or more.

【0009】本発明の窒化アルミニウム基板は、基板全
面に酸化膜を設け、メタライズ層を設ける個所もしくは
封着材により封着される個所に存在する酸化膜の膜厚を
0.3〜2μmかつ膜厚の最大値と最小値の差を0.2μm以
下と均一な酸化膜を設けることにより、メタライズ層の
フクレ、窒素ガスの噴出などの不具合を低減し、信頼性
のある窒化アルミニウム基板もしくは半導体パッケージ
を実現するものである。
In the aluminum nitride substrate of the present invention, an oxide film is provided on the entire surface of the substrate, and the thickness of the oxide film existing at the place where the metallized layer is provided or at the place where the oxide film is sealed by the sealing material.
By providing a uniform oxide film with a thickness of 0.3 to 2 μm and a difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness of 0.2 μm or less, problems such as blistering of the metallized layer and ejection of nitrogen gas are reduced, and reliable aluminum nitride This realizes a substrate or a semiconductor package.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の窒化アルミニウム
基板並びにそれを用いた半導体パッケージの実施の形態
について説明する。本発明の窒化アルミニウム基板は例
えば図1に示したように全面に酸化膜を設けたものであ
る。図1中、1は窒化アルミニウム基板、2は酸化膜、
3はメタライズ層を示す。酸化膜が一部、例えばメタラ
イズ層形成面のみにしか形成されていないとメタライズ
層形成時もしくは半導体素子ろう付け時の熱処理により
生ずるフクレや窒素ガスの噴出を抑えられなくなる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of an aluminum nitride substrate and a semiconductor package using the same according to the present invention will be described. The aluminum nitride substrate of the present invention has an oxide film provided on the entire surface as shown in FIG. 1, for example. In FIG. 1, 1 is an aluminum nitride substrate, 2 is an oxide film,
Reference numeral 3 denotes a metallized layer. If the oxide film is formed only partially, for example, only on the surface on which the metallized layer is formed, it becomes impossible to suppress blistering or nitrogen gas jetting caused by heat treatment at the time of forming the metallized layer or brazing the semiconductor element.

【0011】また、酸化膜のある部位と無い部位で熱膨
張率の差が生じてしまうこともフクレ等の不具合の原因
と考えられる。従って、酸化膜を窒化アルミニウム基板
の全面に設ける形態が好ましい。メタライズ層もしくは
封着材により封着される個所に存在する酸化膜の平均厚
さは0.3μm以上2μm以下である。酸化膜の厚さが0.3
μm未満であると、膜厚が薄すぎるため酸化膜を設ける
効果が小さく窒素ガスの噴出などの不具合を生じ易い。
一方、酸化膜の膜厚が2μmを超えると、窒素ガスの噴
出などは抑えられるものの酸化膜は窒化アルミニウムと
比べて熱伝導率が悪いことから基板(または半導体パッ
ケージ)として熱抵抗が悪くなってしまい、窒化アルミ
ニウムの放熱性の良さをいかせなくなってしまう。ま
た、各種熱処理時に酸化膜自体が熱膨張することから酸
化膜の厚さが2μmを超えることは好ましくない。従っ
て、酸化膜の膜厚は0.3μm以上2μm以下、好ましくは
0.5μm以上1.5μm以下である。
It is also considered that a difference in the coefficient of thermal expansion between a portion where the oxide film exists and a portion where the oxide film does not exist is a cause of defects such as blisters. Therefore, it is preferable that the oxide film is provided on the entire surface of the aluminum nitride substrate. The average thickness of the oxide film existing at the place sealed by the metallized layer or the sealing material is 0.3 μm or more and 2 μm or less. Oxide film thickness of 0.3
If it is less than μm, the effect of providing an oxide film is small because the film thickness is too thin, and problems such as ejection of nitrogen gas are likely to occur.
On the other hand, when the thickness of the oxide film is more than 2 μm, the ejection of nitrogen gas can be suppressed, but the thermal resistance of the oxide film is lower than that of aluminum nitride, so that the thermal resistance of the substrate (or semiconductor package) becomes poor. As a result, good heat dissipation of aluminum nitride cannot be achieved. Further, since the oxide film itself thermally expands during various heat treatments, it is not preferable that the thickness of the oxide film exceeds 2 μm. Therefore, the thickness of the oxide film is 0.3 μm or more and 2 μm or less, preferably
It is 0.5 μm or more and 1.5 μm or less.

【0012】本発明では、所定の酸化膜厚を具備する個
所は窒化アルミニウム基板においてはメタライズ層を設
ける個所、半導体パッケージにおいてはメタライズ層を
設ける個所および封着材により封着される個所とした
が、本発明の窒化アルミニウム基板全体に酸化膜を具備
するものであり、それ以外の個所については平均膜厚0.
3μm以上2μm以下の範囲内であることが好ましい。同
様に、メタライズ層および封着される個所以外の酸化膜
厚さの最大値と最小値の差は0.2μm以下であることが
好ましい。
In the present invention, the portion having a predetermined oxide film thickness is a portion where a metallized layer is provided on an aluminum nitride substrate, a portion where a metallized layer is provided and a portion where a metallized layer is sealed with a sealing material in a semiconductor package. An oxide film is provided on the entire aluminum nitride substrate of the present invention, and the other portions have an average film thickness of 0.
It is preferable that the thickness be in the range of 3 μm or more and 2 μm or less. Similarly, the difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the oxide film other than the metallized layer and the portion to be sealed is preferably 0.2 μm or less.

【0013】酸化膜の膜厚および最大値と最小値の差の
測定方法は、酸化膜を設ける前の窒化アルミニウム基板
の重量と酸化膜を設けた後の窒化アルミニウム基板の重
量との差(この重量差が実質的に酸化膜の重量を示す)
から平均膜厚を求める方法が有効であり、この方法は窒
化アルミニウム基板を酸化性雰囲気にて加熱することに
より酸化アルミニウム膜を設けた基板に特に有効であ
る。
The method of measuring the thickness of the oxide film and the difference between the maximum value and the minimum value is based on the difference between the weight of the aluminum nitride substrate before the oxide film is provided and the weight of the aluminum nitride substrate after the oxide film is provided. (The weight difference substantially indicates the weight of the oxide film.)
Is effective in obtaining an average film thickness from the substrate. This method is particularly effective for a substrate provided with an aluminum oxide film by heating an aluminum nitride substrate in an oxidizing atmosphere.

【0014】また、別の方法では、酸化膜を設けた窒化
アルミニウム基板の断面をFESEM等で分析する方法が有
効である。分析する際は、メタライズ層を形成している
個所すべてが分析できれば問題ないが、簡易的には長さ
200μm以上、好ましくは2000μmの範囲につい
て任意の3ヶ所を測定し、その平均値で示す方法を用い
ても良いこととする。なお、断面を形成する際は、メタ
ライズを形成している面の反対側の面をけがいて切断し
た方が、メタライズ層を設ける個所に存在する酸化膜の
形態を変えないで済むことから好ましい。
In another method, a method of analyzing a cross section of an aluminum nitride substrate provided with an oxide film by FESEM or the like is effective. At the time of analysis, there is no problem as long as all the portions where the metallized layer is formed can be analyzed, but in a simple manner, three arbitrary lengths are measured in a range of 200 μm or more, preferably 2000 μm, and the average value is used. May be used. In forming the cross section, it is preferable to cut and cut the surface opposite to the surface on which the metallization is formed, because the form of the oxide film existing at the position where the metallization layer is provided does not need to be changed.

【0015】さらにFESEM等を用いた方法は、拡大写真
を用いることから酸化膜の最大値と最小値の差を測定す
ることにも活用できる。また、後述する半導体パッケー
ジの封着部を設ける個所の酸化膜の膜厚および酸化膜厚
の最大値と最小値の差を測定する測定方法も同様の方法
にて対応可能である。
Further, the method using FESEM or the like can be used for measuring the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film since an enlarged photograph is used. Further, a measurement method for measuring the thickness of the oxide film at the position where the sealing portion of the semiconductor package described later is provided and the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness can be handled by the same method.

【0016】酸化膜の材質は、酸化物であれば特に限定
されるものではないが、酸化アルミニウムであることが
好ましい。酸化膜の材質としては、酸化アルミニウム、
酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化銅などの各種酸化物
もしくは複合酸化物が適用可能であるが、酸化アルミニ
ウムであれば後述するように窒化アルミニウム基板を酸
化雰囲気中で加熱することにより形成できるため安価に
製造できる。他の酸化物である場合、酸化物を含有した
ペーストやアルコキシドなどの熱処理により酸化物とな
る化合物を塗布すると言った工程が必要になり必ずしも
製造性が良いとは言えない。同様に、スパッタ法やCV
D法により酸化膜を設けることも可能であるが、いずれ
も製造コストがかかり必ずしも製造性が良いとは言えな
い。従って、製造性を考慮すると酸化膜としては酸化ア
ルミニウムであることが好ましい。
The material of the oxide film is not particularly limited as long as it is an oxide, but is preferably aluminum oxide. As the material of the oxide film, aluminum oxide,
Various oxides or composite oxides such as silicon oxide, magnesium oxide, and copper oxide can be used. However, aluminum oxide can be formed by heating an aluminum nitride substrate in an oxidizing atmosphere as described later, so that it is inexpensive. Can be manufactured. In the case of other oxides, a step of applying a compound which becomes an oxide by a heat treatment such as a paste or an alkoxide containing the oxide is required, and the productivity is not necessarily good. Similarly, the sputtering method and CV
Although it is possible to provide an oxide film by the method D, all of them require a high manufacturing cost and cannot always be said to have good productivity. Therefore, in consideration of manufacturability, the oxide film is preferably made of aluminum oxide.

【0017】本発明ではこのような酸化膜の膜厚の最大
値と最小値の差を0.2μm以下に抑えている。酸化膜厚
の最大値と最小値が0.2μmを超えると、酸化膜上に必
要以上に凹凸ができてしまい、特に凹部にメタライズ層
を形成する金属粒子が入り込んでしまい熱処理時に、凹
部に入り込んだ金属粒子が他の金属粒子と溶解せず単独
に粒成長してしまうことにより、酸化膜とメタライズ層
との間に空隙を形成してしまいフクレの原因となる。ま
た、酸化膜と窒化アルミニウムの熱膨張差、あるいは酸
化膜の厚い部位と薄い部位の熱抵抗の差からくる酸化膜
自体の熱膨張の差などに伴う不要な応力集中や窒素ガス
の噴出に伴う不要な応力集中を酸化膜厚の薄い部位に起
こし易くしてしまう。従って、酸化膜厚の最大値と最小
値が0.2μm以下、好ましくは0.1μm以下である。
In the present invention, such a difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness is suppressed to 0.2 μm or less. When the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness exceed 0.2 μm, irregularities are formed more than necessary on the oxide film, and particularly, the metal particles forming the metallized layer enter the recesses and enter the recesses during heat treatment. When the metal particles grow independently of the other metal particles without being dissolved, voids are formed between the oxide film and the metallized layer, causing blisters. Unnecessary stress concentration due to the difference in thermal expansion between the oxide film and aluminum nitride, or the difference in thermal expansion between the oxide film itself due to the difference in thermal resistance between the thick and thin portions of the oxide film, and the ejection of nitrogen gas Unnecessary stress concentration is likely to occur in a portion having a small oxide film thickness. Therefore, the maximum and minimum values of the oxide film thickness are 0.2 μm or less, preferably 0.1 μm or less.

【0018】また、メタライズ層を形成する金属粒子の
粒成長や不要な応力集中を緩和するという概念からする
と、酸化膜厚の最大値と最小値を示す部位があまり近く
にある形状であると酸化膜の断面形状に急勾配の谷間が
できてしまうことから好ましい形態ではない。そのため
酸化膜厚の最大値と最小値を示す部位は直線距離で200
μm以上、さらには1000μm以上離れた形状である好ま
しい。
In view of the concept of relieving grain growth and unnecessary stress concentration of the metal particles forming the metallized layer, if the parts exhibiting the maximum and minimum values of the oxide film thickness are too close to each other, the oxidation may occur. This is not a preferable mode because a steep valley is formed in the cross-sectional shape of the film. Therefore, the region showing the maximum and minimum values of the oxide film thickness is 200
It is preferable that the shape be spaced apart by at least μm, more preferably at least 1000 μm.

【0019】なお、酸化膜の最大値と最小値の部位の測
定方法としては、窒化アルミニウム基板(または半導体
パッケージ)のメタライズ層(または封着部)を設ける
部分の酸化膜について測定できれば特に問題はないが、
簡易的には任意の2000μmの断面積を3ヶ所調べる方法
を用いてもよい。
As a method of measuring the maximum value and the minimum value of the oxide film, there is no particular problem if the metal oxide layer (or the sealing portion) of the aluminum nitride substrate (or semiconductor package) where the metallized layer (or the sealing portion) is provided can be measured. No,
For simplicity, a method of examining three arbitrary cross sections of 2000 μm may be used.

【0020】本発明の窒化アルミニウム基板は膜厚が均
一な酸化膜を設けることを特徴とするものである。酸化
膜厚を均一に保つには窒化アルミニウム基板の表面粗さ
も均一な面であることが好ましく、例えば表面粗さRaが
0.8μm以下、Rmaxが6μm以下であることが好ましい。
Raが0.8μmを超えるまたはRmaxが6μmを超えると酸化
膜の平均膜厚を2μmを超えた膜厚にしないと酸化膜厚
の最大値と最小値の差を0.2μm以下にし難い。このよ
うな酸化膜厚の最大値と最小値の差が0.2μm以下の本
発明の窒化アルミニウム基板上にメタライズ層を設けた
場合、メタライズ層に最大径0.2mm以上のフクレが実質
的に発生しないことになる。
The aluminum nitride substrate of the present invention is characterized in that an oxide film having a uniform thickness is provided. In order to keep the oxide film thickness uniform, it is preferable that the surface roughness of the aluminum nitride substrate is also uniform.
Preferably, it is 0.8 μm or less, and Rmax is 6 μm or less.
If Ra exceeds 0.8 μm or Rmax exceeds 6 μm, it is difficult to make the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film less than 0.2 μm unless the average thickness of the oxide film exceeds 2 μm. When the metallized layer is provided on the aluminum nitride substrate of the present invention in which the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness is 0.2 μm or less, blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or more are not substantially generated in the metalized layer. Will be.

【0021】メタライズ層には、Ag、Cu、W、Mo、Au、T
i、Hf、Zr、Pt、Pbの少なくとも1種または2種以上を
混合、積層したペースト状、箔状のものを用いてよい。
メタライズ層の厚さは10〜30μmの範囲が好ましく、10
μm未満ではメタライズ層としての接合強度を保つこと
ができずさらにはフクレが発生し易くなってしまう。一
方、30μmを超えて設けたとしても効果が飽和状態にな
るだけであり、好ましくは厚さ10〜20μmの範囲であ
る。
Ag, Cu, W, Mo, Au, T
A paste or foil in which at least one or two or more of i, Hf, Zr, Pt, and Pb are mixed and laminated may be used.
The thickness of the metallized layer is preferably in the range of 10 to 30 μm,
If it is less than μm, the bonding strength as a metallized layer cannot be maintained, and furthermore blisters are likely to occur. On the other hand, even if the thickness is more than 30 μm, the effect is only saturated, and the thickness is preferably in the range of 10 to 20 μm.

【0022】フクレとはメタライズ層に外観上凸部が形
成されることであり、このようなフクレが存在すると半
導体素子または金属回路板、リードフレームなどを接合
する際の接合不良を引き起こす原因となる。特に、最大
径0.2mm以上のフクレが接合不良の原因となり易いが、
酸化膜厚の最大値と最小値の差を0.2μm以下に制御す
ることにより、最大径0.2mm以上のフクレを実質的に無
くすことが可能となる。また、微視的に観察するとメタ
ライズ層において最大径200μm(0.2mm)未満、さらに
は最大径20μm以下のフクレは単位面積20mm×20mmにお
いて0〜2個以下に抑えることが可能となる。なお、フ
クレの最大径とはメタライズ層を上面または断面を観察
して個々のフクレの最も長い対角線を示すものである。
The blister means that a convex portion is formed on the metallized layer in appearance, and the presence of such blister causes a bonding failure when bonding a semiconductor element, a metal circuit board, a lead frame, and the like. . In particular, blisters with a maximum diameter of 0.2 mm or more tend to cause poor bonding,
By controlling the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness to 0.2 μm or less, blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or more can be substantially eliminated. Further, when observed microscopically, the number of blisters having a maximum diameter of less than 200 μm (0.2 mm) in the metallized layer, and further, a maximum diameter of 20 μm or less can be suppressed to 0 to 2 or less in a unit area of 20 mm × 20 mm. The maximum diameter of the blister indicates the longest diagonal line of each blister by observing the upper surface or the cross section of the metallized layer.

【0023】以上のような酸化膜または酸化膜上にメタ
ライズ層を設けた窒化アルミニウム基板は、半導体パッ
ケージにも好適である。半導体パッケージには、例えば
特開平7−202109号公報に記載されたようにリー
ドフレームを用いたDIP(ディアルインラインパッケ
ージ)、QFP(クァッドフラットパッケージ)やリー
ドピンを用いたPGA(ピングリッドアレイ)、リード
ピンをボール形状にしたBGA(ボールグリッドアレ
イ)、入出力用のランドを用いたLGA(ランドグリッ
ドアレイ)などが知られている。例えばリードフレーム
を用いたパッケージ構造は構造が簡単であるため各種半
導体チップに適用されており、特にQFP型半導体パッ
ケージは入出力信号数の増加にも対応でき、表面実装も
可能であることから特に好ましい形態である。本発明の
窒化アルミニウム基板はこのような様々なパッケージに
適用可能である。
The above-described oxide film or the aluminum nitride substrate provided with the metallized layer on the oxide film is suitable for a semiconductor package. Semiconductor packages include, for example, DIP (dial inline package) using a lead frame, QFP (quad flat package), PGA (pin grid array) using lead pins, and lead pins as described in JP-A-7-202109. BGA (ball grid array) having a ball-like shape, LGA (land grid array) using input / output lands, and the like are known. For example, a package structure using a lead frame has been applied to various semiconductor chips because of its simple structure. Particularly, a QFP type semiconductor package can cope with an increase in the number of input / output signals and can be surface-mounted. This is a preferred form. The aluminum nitride substrate of the present invention is applicable to such various packages.

【0024】例えば、図2にQFP型パッケージの断面
図の一例を示す。図2中、1は窒化アルミニウム基板、
2は酸化膜、3はメタライズ層、4は封止部、5はリー
ドフレーム、6はキャップ部をそれぞれ示す。QFP型
半導体パッケージにおいては前述のようにリードフレー
ムにより入出力信号を取り扱うものであり、このリード
フレームの数を増やすことがそのままパッケージ並びに
半導体チップとしての性能を向上させることになる。こ
のリードフレームは窒化アルミニウム基板およびキャッ
プ部で狭持し、ガラス系封着材で封止することになる。
しかしながら、リードフレームは一般的に、Cu系合金、
Fe系合金、Al系合金などの各種合金成分から形成される
ものであり、窒化アルミニウムとは熱膨張係数に違いが
ある。そのため、封着時の熱処理や半導体チップの可動
に伴い生ずるリードフレームと窒化アルミニウムの熱膨
張差により発生する熱応力により封着部分に亀裂などの
未接合部が生じ易く信頼性が十分とは言い難かった。本
発明では、この亀裂原因としてリードフレームと窒化ア
ルミニウムの熱膨張差のみに原因があるのではなく、窒
化アルミニウム基板上の酸化膜の膜厚のバラツキにもそ
の原因があることを見出したのである。
For example, FIG. 2 shows an example of a sectional view of a QFP type package. In FIG. 2, 1 is an aluminum nitride substrate,
2 denotes an oxide film, 3 denotes a metallized layer, 4 denotes a sealing portion, 5 denotes a lead frame, and 6 denotes a cap portion. In the QFP type semiconductor package, input / output signals are handled by the lead frame as described above. Increasing the number of lead frames directly improves the performance of the package and the semiconductor chip. The lead frame is sandwiched between the aluminum nitride substrate and the cap, and sealed with a glass-based sealing material.
However, leadframes are generally Cu-based alloys,
It is formed from various alloy components such as an Fe-based alloy and an Al-based alloy, and has a different coefficient of thermal expansion from aluminum nitride. As a result, unbonded portions such as cracks are likely to occur in the sealed portion due to the thermal stress generated by the thermal expansion difference between the lead frame and the aluminum nitride caused by the heat treatment at the time of sealing and the movement of the semiconductor chip, and the reliability is not sufficient. It was difficult. In the present invention, it has been found that the crack is caused not only by the difference in thermal expansion between the lead frame and aluminum nitride but also by the variation in the thickness of the oxide film on the aluminum nitride substrate. .

【0025】つまり、窒化アルミニウム基板上の酸化膜
の膜厚にバラツキ、具体的には膜厚の最大値と最小値の
差が0.2μmを超えると、前述のように窒素ガスの噴出
に伴う不要な応力集中を招いてしまうためリードフレー
ムと窒化アルミニウム基板との熱膨張差に基づく熱応力
の影響を必要以上に受けてしまうが、酸化膜厚の最大値
と最小値の差が0.2μm以下であれば不要な応力集中を
防ぐことができるため熱膨張差に基づく熱応力の影響を
最小限に抑えることが可能となる。従って、本発明の半
導体パッケージにおいては、不要な熱応力を防いでいる
ことから封着部および窒化アルミニウム基板表面からの
窒素ガスの発生を実質的になくすことが可能であるから
封着部の信頼性を向上させることができる。同様に、本
発明においては半導体素子を窒化アルミニウム基板上に
ろう付けする際のメタライズ層への不要な応力集中をも
防いでいることから、メタライズ層および封着部を具備
する半導体パッケージに最適であり、このようなメタラ
イズ層および封着部を具備する半導体パッケージにおい
てはメタライズ層のフクレ、封着部の亀裂などの不具合
を改善できる。
That is, if the thickness of the oxide film on the aluminum nitride substrate varies, more specifically, if the difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness exceeds 0.2 μm, it becomes unnecessary due to the nitrogen gas ejection as described above. This causes excessive stress concentration, which is unnecessarily affected by the thermal stress based on the difference in thermal expansion between the lead frame and the aluminum nitride substrate, but the difference between the maximum and minimum oxide film thickness is 0.2 μm or less. If it is, unnecessary stress concentration can be prevented, so that the influence of thermal stress based on the difference in thermal expansion can be minimized. Therefore, in the semiconductor package of the present invention, since unnecessary thermal stress is prevented, generation of nitrogen gas from the sealing portion and the surface of the aluminum nitride substrate can be substantially eliminated. Performance can be improved. Similarly, in the present invention, unnecessary stress concentration on the metallized layer when brazing the semiconductor element onto the aluminum nitride substrate is also prevented, so that the present invention is most suitable for a semiconductor package having a metallized layer and a sealing portion. In a semiconductor package having such a metallized layer and a sealing portion, defects such as blistering of the metallized layer and cracking of the sealing portion can be improved.

【0026】また、不要な応力集中を防いでいる本発明
のパッケージはQFP型において、例えば単位面積縦40
mm×横40mmの窒化アルミニウム基板上にリードフレーム
による入出力信号数が120本以上、さらには200本
以上とリードフレーム数を増やした場合に特に有効であ
り、言い換えれば窒化アルミニウム基板の単位面積が40
mm×40mm以下の小型のパッケージに特に有効であると言
える。
The package of the present invention which prevents unnecessary stress concentration is a QFP type package, for example, having a unit area length of 40 mm.
This is particularly effective when the number of input / output signals by a lead frame is increased to 120 or more, and further to 200 or more on an aluminum nitride substrate having a size of 40 mm × 40 mm. In other words, the unit area of the aluminum nitride substrate is reduced. 40
It can be said that it is particularly effective for a small package of mm × 40 mm or less.

【0027】なお、キャップ部については窒化アルミニ
ウム基板と同様に窒化アルミニウム製であることが好ま
しいが、酸化アルミニウムなどのセラミックスであって
もよいし、アルミニウムやインバー合金などの金属製で
あってもよい。また、キャップ部の酸化膜の有無につい
ては、窒化アルミニウム基板に設けたものと同様のもの
が具備されていることが最も好ましい形態であるが、本
発明の酸化膜は窒化アルミニウムを主成分とする基板ま
たはパッケージにおいて特に効果を示すものであるため
必ずしも必須の構成ではない。
The cap portion is preferably made of aluminum nitride similarly to the aluminum nitride substrate, but may be made of ceramic such as aluminum oxide or metal such as aluminum or invar alloy. . As for the presence or absence of the oxide film in the cap portion, it is most preferable that the same material as that provided on the aluminum nitride substrate is provided, but the oxide film of the present invention mainly contains aluminum nitride. This is not an essential configuration because it shows a particularly advantageous effect on a substrate or a package.

【0028】次に製造方法について説明する。製造方法
は、本発明の膜厚のバラツキのない酸化膜が得られれば
特に限定されるものではないが、例えば次のような方法
がある。まず、窒化アルミニウム基板を公知の方法によ
り用意する。その窒化アルミニウム基板に対し、膜厚3
μm以上もしくは最終的に設ける酸化膜厚より1μm以
上厚い酸化膜を設ける。この酸化膜に対してホーニング
加工などの研磨処理を施すことにより、膜厚0.3μm以
上2μm以下かつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μm以
下の酸化膜を得るのである。
Next, the manufacturing method will be described. The manufacturing method is not particularly limited as long as an oxide film of the present invention having no variation in film thickness can be obtained. For example, the following method is available. First, an aluminum nitride substrate is prepared by a known method. A film thickness of 3
An oxide film having a thickness of 1 μm or more or a thickness of 1 μm or more than the finally formed oxide film is provided. By subjecting the oxide film to a polishing treatment such as honing, an oxide film having a thickness of 0.3 μm or more and 2 μm or less and a difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness of 0.2 μm or less is obtained.

【0029】研磨方法としては特に限定されるものでは
ないが、例えばホーニング加工、ラップ加工、研磨紙に
よる研磨などが適用可能である。半導体パッケージに用
いる窒化アルミニウム基板の場合、断面凹字形状を有し
ている場合が多く、メタライズ層が凹部内側の角部にま
で存在するようなときにはラップ加工では研磨処理を行
い難い。従って、研磨方法としてはホーニング加工が好
ましく、砥粒番数が200番以上、好ましくは200〜700番
の細かい砥粒で研磨することである。砥粒番数が200番
未満では砥粒が粗すぎるため酸化膜の最大値と最小値の
差を0.2μm以下にし難い。一方、700番を超えて細かい
と確かに酸化膜厚の最大値と最小値の差を0.2μm以下
にできるが研磨時間が必要以上にかかってしまうため必
ずしも製造性が良いとはいえない。
Although there is no particular limitation on the polishing method, for example, honing, lapping, polishing with abrasive paper, etc. can be applied. An aluminum nitride substrate used for a semiconductor package often has a concave-shaped cross section, and when the metallized layer is present even at the corner inside the concave portion, it is difficult to perform polishing by lapping. Therefore, as a polishing method, honing is preferable, and polishing is performed using fine abrasive grains having a grain number of 200 or more, preferably 200 to 700. If the number of abrasive grains is less than 200, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film is difficult to be 0.2 μm or less because the abrasive grains are too coarse. On the other hand, if it is finer than No. 700, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness can be made 0.2 μm or less, but the polishing time is longer than necessary, so that the productivity is not necessarily good.

【0030】また、酸化膜厚の最大値を示す部位と最小
値を示す部位が200μm未満と近い距離にしないために
は砥粒番数が200番以上400番以下のもので研磨した後、
400番以上700番以下の砥粒で研磨する2段階研磨が効果
的である。このような2段階の研磨によればあまり硬度
が高いとは言えない酸化膜を傷つけないで研磨が可能に
なることから酸化膜厚の最大値と最小値を示す部位(個
所)の距離を200μm以上、さらには1000μm以上とす
ることができる。
Further, in order to prevent the part showing the maximum value of the oxide film thickness and the part showing the minimum value of the oxide film from being close to a distance of less than 200 μm, after polishing with an abrasive number of 200 to 400,
Two-stage polishing in which polishing is performed with abrasive grains of number 400 to number 700 is effective. According to such two-stage polishing, the polishing can be performed without damaging the oxide film, which is not considered to be too high in hardness. Therefore, the distance between the portions (points) showing the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness is 200 μm. As described above, the thickness can be set to 1000 μm or more.

【0031】研磨加工を施す個所については、メタライ
ズ層を設ける個所または封着材により封着される個所を
研磨することが好ましく、さらに好ましくは窒化アルミ
ニウム基板に施した酸化膜全体を研磨加工することであ
る。
Regarding the place where the polishing process is performed, it is preferable to polish the place where the metallized layer is provided or the place where the metallized layer is sealed by the sealing material, and it is more preferable to polish the entire oxide film applied to the aluminum nitride substrate. It is.

【0032】酸化膜の形成方法については、酸素含有雰
囲気中で窒化アルミニウム基板を熱処理する方法が好ま
しい。Si化合物や金属アルコキシドなどの熱処理によ
り酸化物となる化合物を塗布する方法、スパッタ法やC
VD法により酸化膜を設ける方法であっても酸化膜を形
成することは可能であるが、いずれも製造工程が複雑で
あり製造コストもかかることから必ずしも製造性が良い
とは言えない。
As a method of forming an oxide film, a method of heat-treating an aluminum nitride substrate in an oxygen-containing atmosphere is preferable. A method of applying a compound which becomes an oxide by heat treatment such as a Si compound or a metal alkoxide, a sputtering method,
Although it is possible to form an oxide film by a method of providing an oxide film by the VD method, it is not always possible to say that the productivity is good because the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high.

【0033】酸素含有雰囲気とは、大気中や酸素を5〜3
0vol%含む窒素雰囲気などが好適である。また、熱処理
条件としては1000℃以上、好ましくは1100℃以上1400℃
以下の温度範囲で1時間以上、好ましくは2時間以上5
時間以下である。熱処理条件は1000℃未満であっても酸
化膜は形成されるが、1000℃未満であると酸化膜が付き
難い。一方、熱処理温度が1400℃を超えると酸化膜が厚
い酸化膜が形成されすぎてしまい研磨時間が必要以上に
かかってしまい必ずしも製造性が良いとは言えない。さ
らに、熱処理温度が1600℃以上になると窒化アルミニウ
ム基板中の液相成分の移動が激しくなることからメタラ
イズ層のフクレなどをさらに引き起こす原因となる液相
成分を基板表面に移動させ易くしてしまう。
The oxygen-containing atmosphere means that the atmosphere or oxygen is 5 to 3 times.
A nitrogen atmosphere containing 0 vol% is suitable. The heat treatment conditions are 1000 ° C or higher, preferably 1100 ° C or higher and 1400 ° C.
1 hour or more, preferably 2 hours or more in the following temperature range 5
Less than an hour. An oxide film is formed even when the heat treatment condition is lower than 1000 ° C., but when the heat treatment condition is lower than 1000 ° C., the oxide film is not easily formed. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 1400 ° C., an oxide film having a thick oxide film is formed too much, and a polishing time is unnecessarily long, so that the productivity is not necessarily good. Further, when the heat treatment temperature is 1600 ° C. or higher, the movement of the liquid phase component in the aluminum nitride substrate becomes severe, so that the liquid phase component which further causes blistering of the metallized layer and the like is easily transferred to the substrate surface.

【0034】さらに、本発明の窒化アルミニウム基板は
酸化膜を設ける前の基板表面が表面粗さRaで0.8μm以
下、Rmaxで6μm以下であることが好ましいため、窒化
アルミニウム基板表面についても表面研磨することが好
ましい。表面研磨についても砥石番数もしくは砥粒番号
が200番以上、さらには400番以上と細かい砥石で研磨す
ることが好ましい。
Further, since the aluminum nitride substrate of the present invention preferably has a surface roughness Ra of 0.8 μm or less and a Rmax of 6 μm or less before the oxide film is provided, the surface of the aluminum nitride substrate is also polished. Is preferred. Regarding the surface polishing, it is preferable to grind with a fine grindstone having a grindstone number or a grain number of 200 or more, more preferably 400 or more.

【0035】このように本発明の窒化アルミニウム基板
は、必要に応じ基板表面を研磨した後に酸化処理を行
い、さらに酸化膜を研磨処理することにより得られるも
のである。その後、半導体素子を搭載するなど必要な個
所にメタライズ層を設ける。また、半導体パッケージと
して用いる場合、例えばQFP型半導体パッケージなら
リードフレーム、キャップ部をガラス系封着材により封
着接合する。メタライズ層形成方法については、前述の
メタライズ組成物を所定の個所に設け、その後大気中も
しくは窒素等の不活性雰囲気中で(800℃以上950℃以
下)×(5分以上30分以下)程度の熱処理により設け
る。熱処理温度が800℃未満ではメタライズ層の十分な
接合強度を保てず、950℃を超えた温度ではメタライズ
層に対して急激に熱を与えてしまうためメタライズ層中
に気孔を形成し易くしてしまう。熱処理時間についても
5分未満ではメタライズ層の十分な接合強度を保てず、3
0分を超えると加熱効果が飽和になってしまうと共に酸
化膜凹部に入り込んだメタライズ層を形成する金属粒子
が異常粒成長し易くなってしまう。従って、メタライズ
形成条件については前記温度および時間が好ましく、さ
らに好ましくは830〜900℃×7〜20分である。
As described above, the aluminum nitride substrate of the present invention is obtained by polishing the surface of the substrate as necessary, performing an oxidation treatment, and further polishing the oxide film. Thereafter, a metallized layer is provided at a necessary place such as mounting a semiconductor element. When used as a semiconductor package, for example, in the case of a QFP type semiconductor package, a lead frame and a cap portion are sealed and bonded with a glass sealing material. Regarding the method of forming a metallized layer, the above-described metallized composition is provided at a predetermined location, and then in the air or in an inert atmosphere such as nitrogen (800 ° C. to 950 ° C.) × (5 minutes to 30 minutes). Provided by heat treatment. If the heat treatment temperature is less than 800 ° C, sufficient bonding strength of the metallized layer cannot be maintained, and if the temperature exceeds 950 ° C, heat is rapidly applied to the metallized layer, so that pores are easily formed in the metallized layer. I will. Regarding heat treatment time
If the time is less than 5 minutes, the joint strength of the metallized layer cannot be maintained.
If the heating time exceeds 0 minutes, the heating effect becomes saturated, and the metal particles forming the metallized layer entering the recesses of the oxide film tend to grow abnormally. Therefore, the metallization forming conditions are preferably the above-mentioned temperature and time, more preferably 830 to 900 ° C. × 7 to 20 minutes.

【0036】半導体パッケージにおける封着方法につい
ては、ガラス系封着材を所定の個所に塗布し、必要に応
じリードフレームやキャップを設ける。その後、大気中
もしくは窒素等の不活性雰囲気中で(800℃以上950℃以
下)×(10分以上60分以下)程度の熱処理により設け
る。このとき、熱処理温度が950℃を超えるまたは熱処
理時間が60分を超えると封着部から窒素ガスが噴出し易
くなるので好ましくない。
With respect to a sealing method for a semiconductor package, a glass-based sealing material is applied to a predetermined location, and a lead frame and a cap are provided as necessary. Thereafter, heat treatment is performed in the air or in an inert atmosphere such as nitrogen (800 ° C. to 950 ° C.) × (10 minutes to 60 minutes). At this time, if the heat treatment temperature exceeds 950 ° C. or the heat treatment time exceeds 60 minutes, nitrogen gas is easily ejected from the sealing portion, which is not preferable.

【0037】[0037]

【実施例】(実施例1〜5、比較例1〜3)熱伝導率17
0W/m・kの窒化アルミニウム基板(Ra:0.8μm以下、Rm
ax:6μm以下)を大気中で1260℃×3時間を熱処理する
ことにより膜厚3μmの酸化アルミニウム膜を設けた窒
化アルミニウム基板(縦40mm×横40mm×厚さ0.635mm)
を作製した。この酸化膜付き窒化アルミニウム基板全面
に対し、砥粒番数300番の砥石を用いてホーニング加工
(ショットブラスト)を行い表1に示す膜厚および膜厚
の最大値と最小値を有する酸化膜形態に加工した。その
後、窒素雰囲気中820℃×16分でAg-Pb系ろう材を縦20mm
×横20mm×厚さ15μmで設けた際のフクレの有無を確認
した。その結果を表1に示す。なお、本実施例において
フクレの有無を測定するにあたり、最大径0.2μm以上
のものの有無と、最大径0.2mm未満の個数を測定し
た。比較のために、酸化膜厚を本発明より薄くしたもの
を比較例1、厚くしたものを比較例2、酸化膜厚の最大
値と最小値の差が0.2μmを超えたものを比較例3とし
た。なお、各実施例および比較例は各100個作製し、
その平均値を示したものとする。
EXAMPLES (Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 3) Thermal conductivity 17
0W / m · k aluminum nitride substrate (Ra: 0.8μm or less, Rm
ax: 6 μm or less) in the air at 1260 ° C. for 3 hours to provide an aluminum nitride substrate with a 3 μm-thick aluminum oxide film (40 mm long × 40 mm wide × 0.635 mm thick)
Was prepared. The entire surface of the aluminum nitride substrate with an oxide film is subjected to honing (shot blasting) using a grindstone having the number of abrasive grains of 300 to form an oxide film having the film thickness and the maximum and minimum values of the film thickness shown in Table 1. Processed to. After that, Ag-Pb-based brazing material was immersed in a nitrogen atmosphere at 820 ° C for 16 min.
The presence or absence of blisters when provided with a width of 20 mm and a thickness of 15 μm was confirmed. Table 1 shows the results. In the present example, when measuring the presence or absence of blisters, the presence or absence of a particle having a maximum diameter of 0.2 μm or more and the number of particles having a maximum diameter of less than 0.2 mm were measured. For comparison, Comparative Example 1 in which the oxide film thickness was thinner than that of the present invention, Comparative Example 2 in which the oxide film thickness was thicker, and Comparative Example 3 in which the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film exceeded 0.2 μm. And In addition, each Example and Comparative Example produced 100 pieces each,
The average value is shown.

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】表1から分かる通り、本実施例にかかる窒
化アルミニウム基板に関しては、最大径0.2mm以上のフ
クレは発生しなかった。また、最大径0.2mm以下のフク
レは0〜2個の範囲であり、実施例4において確認され
たフクレは最大径20μm以下と小さなものであった。そ
れに対し、比較例1の薄い酸化膜を設けたものはメタラ
イズ層に0.2mm以上のフクレが1〜3個程度確認され
た。同様に比較例3のものについては最大径0.2mm以上
の大きなフクレは確認されなかったが、最大径0.2mm未
満のフクレは20mm×20mmのメタライズ層中に4個程度の
フクレが確認された。これは、酸化膜厚の最大値と最小
値が0.8μmと本発明の範囲外であるため、特に最小値
を示す部分に主としてメタライズ層を構成する金属粒子
(例えばAg粒子)が入り込み溶解されず粒成長してしま
ったものと考えられる。一方、酸化膜厚を3.5μmと厚
く設けた比較例2のものに関しても最大径0.2mm以上の
フクレ(3〜5個)および最大径0.2mm未満のフクレが
発生してしまった。これは酸化膜が厚くさらには最大値
と最小値の差が大きいためにメタライズ工程の熱処理に
より酸化膜が膨張およびメタライズ層を構成する金属粒
子が凹部に入り込み金属粒子が溶解せず単独で粒成長し
てしまった影響が大きいためフクレが多数発生してしま
ったものと考えられる。
As can be seen from Table 1, no blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or more were generated in the aluminum nitride substrate according to this example. Further, the number of blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or less was in the range of 0 to 2, and the blisters confirmed in Example 4 were as small as a maximum diameter of 20 μm or less. On the other hand, about 1 to 3 blisters of 0.2 mm or more were confirmed in the metallized layer of the comparative example 1 provided with the thin oxide film. Similarly, no large blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or more were found in Comparative Example 3, but about 4 blisters having a maximum diameter of less than 0.2 mm were found in a 20 mm × 20 mm metallized layer. This is because the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness are 0.8 μm, which is out of the range of the present invention, so that metal particles (for example, Ag particles) mainly constituting the metallized layer enter the portion showing the minimum value and are not dissolved. It is considered that the grains grew. On the other hand, in Comparative Example 2 in which the oxide film thickness was as thick as 3.5 μm, blisters having a maximum diameter of 0.2 mm or more (3 to 5 pieces) and blisters having a maximum diameter of less than 0.2 mm were generated. This is because the oxide film is thick and the difference between the maximum value and the minimum value is large, so the oxide film expands due to the heat treatment in the metallization process, and the metal particles constituting the metallized layer enter the recesses and the metal particles do not dissolve and grow alone. It is probable that a large number of blisters were generated due to the large influence of the swelling.

【0040】(実施例5〜8、参考例1)熱伝導率180W
/m・kの窒化アルミニウム基板(Ra:0.7μm以下、Rma
x:5μm以下)を酸素20vol%含有した窒素雰囲気中で12
30℃×2時間を熱処理することにより膜厚4μmの酸化ア
ルミニウム膜を設けた窒化アルミニウム基板(縦40mm×
横40mm×厚さ0.635mm)を作製した。この酸化膜を設け
た窒化アルミニウム基板に対し、表2に示すような研磨
処理を行うことにより、平均酸化膜厚を0.7〜2.0μm、
最大値と最小値の差を0.2μmに統一し、酸化膜厚の最
大値を示す個所と最小値を示す個所の距離を変えたもの
を作製した。このような窒化アルミニウム基板に対し、
Ag-Pb系ろう材メタライズ層を30mm×30mm×18μmで設
け、熱処理条件870℃×20分としたときの最大径20μm
以下のフクレの有無を確認した。なお、各実施例および
参考例は各100個作製し、その平均値を示したものと
する。
(Examples 5 to 8, Reference Example 1) Thermal conductivity 180 W
/ m · k aluminum nitride substrate (Ra: 0.7 μm or less, Rma
x: 5 μm or less) in a nitrogen atmosphere containing 20 vol% of oxygen.
An aluminum nitride substrate (length 40 mm x 4 mm) provided with a 4 μm-thick aluminum oxide film by heat treatment at 30 ° C x 2 hours
40 mm wide x 0.635 mm thick). By performing a polishing treatment as shown in Table 2 on the aluminum nitride substrate provided with the oxide film, the average oxide film thickness was 0.7 to 2.0 μm,
The difference between the maximum value and the minimum value was unified to 0.2 μm, and the distance between the position indicating the maximum value and the position indicating the minimum value of the oxide film thickness was changed. For such an aluminum nitride substrate,
Ag-Pb brazing metallized layer of 30mm × 30mm × 18μm, maximum diameter 20μm when heat treatment condition is 870 ℃ × 20 minutes
The presence of the following blisters was confirmed. In each of the examples and reference examples, 100 samples were produced, and the average value was shown.

【0041】[0041]

【表2】 [Table 2]

【0042】表2から分かる通り、本実施例にかかるメ
タライズ層を設けた窒化アルミニウム基板は最大径20μ
m以下のフクレが0〜2個の範囲内であった。特に、20
0〜400番の砥粒でホーニング加工施した後、400〜700番
の砥粒でホーニング加工を施した実施例5および実施例
7はいずれも最大径20μm以下のフクレは存在しなかっ
た。つまり、フクレそのものが形成されなかった。この
ように2段階の加工を施したものは酸化膜厚の最大値と
最小値との距離が1000μm以上と離れた距離に形成され
るのでフクレの原因である酸化膜の厚さのバラツキを微
視的に改善することが可能であることが分かる。それに
対し、参考例1のものは砥石番数が200番未満であるた
め、酸化膜厚および酸化膜厚の最大値と最小値の差が0.
2μm以下であったとしても、酸化膜厚の最大値と最小
値を示す個所の距離が200μm未満となってしまい易い
ことから最大径20μm以下のフクレが2個を超えた個数
発生してしまうことが分かった。なお、実施例5〜8お
よび参考例1のメタライズ層を設けた窒化アルミニウム
基板に関しては最大径0.2μm以上のフクレはいずれも
観測されなかった。
As can be seen from Table 2, the aluminum nitride substrate provided with the metallized layer according to this embodiment has a maximum diameter of 20 μm.
The number of blisters of m or less was in the range of 0 to 2. In particular, 20
In Examples 5 and 7 in which honing was performed with abrasive grains of Nos. 400 to 700 after performing honing with abrasive grains of Nos. 0 to 400, there was no blister having a maximum diameter of 20 μm or less. That is, the blister itself was not formed. In the two-stage processing, the distance between the maximum value and the minimum value of the oxide film is formed at a distance of 1000 μm or more, so that the variation in the thickness of the oxide film, which causes blisters, is reduced. It can be seen that improvement can be made visually. On the other hand, in Reference Example 1, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness and the oxide film thickness was 0.
Even if the thickness is 2 μm or less, the distance between the location where the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness are likely to be less than 200 μm, so that more than two blisters having a maximum diameter of 20 μm or less are generated. I understood. With respect to the aluminum nitride substrates provided with the metallized layers of Examples 5 to 8 and Reference Example 1, no blisters having a maximum diameter of 0.2 μm or more were observed.

【0043】(実施例9〜13、比較例4〜5)熱伝導
率190W/m・k以上の窒化アルミニウム基板(Ra:0.6μm
以下、Rmax:5μm以下)およびキャップ部を用いたQ
FP型半導体パッケージにおいてリードフレームによる
入出力数を160本にし、銅合金製リードフレームと窒化
アルミニウム基板並びにキャップ部をガラス系封着材に
より封着した。パッケージを作製するにあたり、窒化ア
ルミニウム基板およびキャップ部を酸化処理および研磨
加工を施し、表3に設けた酸化膜を得た後、封着処理と
して880℃×30分の熱処理を施した。その際の窒素ガス
の発生などによる封着部の未接合部の割合を確認した。
その結果を表3に示す。なお、未接合部の割合について
は窒化アルミニウム基板側の封着部の任意の3ヶ所を測
定し、その平均値で示した。
(Examples 9 to 13, Comparative Examples 4 and 5) Aluminum nitride substrate having a thermal conductivity of 190 W / m · k or more (Ra: 0.6 μm)
Rmax: 5 μm or less) and Q using the cap portion
In the FP type semiconductor package, the number of inputs and outputs by the lead frame was set to 160, and the copper alloy lead frame, the aluminum nitride substrate, and the cap were sealed with a glass sealing material. In manufacturing the package, the aluminum nitride substrate and the cap were oxidized and polished to obtain the oxide films provided in Table 3, and then heat-treated at 880 ° C. for 30 minutes as a sealing treatment. At that time, the ratio of the unbonded portion of the sealed portion due to generation of nitrogen gas or the like was confirmed.
Table 3 shows the results. In addition, about the ratio of the unjoined part, arbitrary three places of the sealing part on the aluminum nitride substrate side were measured and the average value was shown.

【0044】[0044]

【表3】 [Table 3]

【0045】表3から分かる通り、本実施例にかかる半
導体パッケージはいずれも未接合部が1%以下であっ
た。それに対し、比較例4のものは酸化膜厚が薄いこと
から窒素ガスが噴出してしまい未接合部が3%と非情に
高かった。また、比較例5においては酸化膜が厚いこと
から窒素ガスの噴出は確認されなかったが、酸化膜の熱
膨張が激しいことから未接合部が5%と大きくなってし
まった。
As can be seen from Table 3, each of the semiconductor packages according to the present embodiment had an unbonded portion of 1% or less. On the other hand, in the case of Comparative Example 4, since the oxide film was thin, nitrogen gas was blown out, and the unbonded portion was 3%, which was extremely high. In Comparative Example 5, the ejection of nitrogen gas was not confirmed because the oxide film was thick, but the unbonded portion was increased to 5% because the thermal expansion of the oxide film was severe.

【0046】(実施例14〜18、比較例6)実施例5
および実施例6のメタライズ層を設けた窒化アルミニウ
ム基板を実施例10のQFP型半導体パッケージに用い
た。その際に銅合金製リードフレームによる入出力数を
表4のように変えた場合のメタライズ層における最大径
20μm以下のフクレの数、および封着部の未接合部の割
合を確認した。比較例6として実施例18のQFP型半
導体パッケージにおいてメタライズ層形成部および封着
部以外に形成された酸化膜を研磨により削除したものを
用意し、同様の測定を行った。なお、各実施例および比
較例は各100個作製し、その平均値を示したものとす
る。その結果を表4に示す。
(Examples 14 to 18, Comparative Example 6) Example 5
The aluminum nitride substrate provided with the metallized layer of the sixth embodiment was used for the QFP semiconductor package of the tenth embodiment. At this time, the maximum diameter of the metallized layer when the number of inputs and outputs by the copper alloy lead frame was changed as shown in Table 4
The number of blisters having a size of 20 μm or less and the ratio of unbonded portions in the sealed portions were confirmed. As Comparative Example 6, the same measurement was performed by preparing a QFP type semiconductor package of Example 18 in which an oxide film formed at a portion other than the metallized layer forming portion and the sealing portion was removed by polishing. In each of the examples and comparative examples, 100 samples were produced, and the average value was shown. Table 4 shows the results.

【0047】[0047]

【表4】 [Table 4]

【0048】表4から分かる通り、本実施例にかかる半
導体パッケージはリードフレームによる入出力数が16
0本以上となったとしても最大径20μm以下のフクレの
数は0〜1個の範囲内であることが分かった。一方、封
着部の未接合部の割合についてはリードフレームの数が
240本まで増えたとしても劣化することがないことが
分かった。それに対し、比較例6のように窒化アルミニ
ウム基板の全面に酸化膜を設けていないものはフクレの
数および未接合部の割合が共に劣化してしまった。これ
は全面に酸化膜を設けていないため、酸化膜の熱膨張ま
たは窒素ガスの噴出による影響を抑制することができな
かったため窒化アルミニウム基板に熱膨張の歪みが発生
してしまったためであると考えられる。このような本発
明の半導体パッケージにかかればリードフレームによる
入出力数が120本以上と多入出力数化を行ったとして
も優れた封着性を保つことが可能となる。
As can be seen from Table 4, the semiconductor package according to this embodiment has a 16
The number of blisters having a maximum diameter of 20 μm or less was found to be in the range of 0 to 1 even when the number was 0 or more. On the other hand, it was found that the ratio of the unbonded portion of the sealed portion did not deteriorate even if the number of lead frames was increased to 240. On the other hand, in the case where the oxide film was not provided on the entire surface of the aluminum nitride substrate as in Comparative Example 6, both the number of blisters and the ratio of unbonded portions were deteriorated. This is thought to be because the thermal expansion of the oxide film or the influence of the nitrogen gas jetting could not be suppressed because the oxide film was not provided on the entire surface, so that the thermal expansion distortion occurred in the aluminum nitride substrate. Can be According to the semiconductor package of the present invention, it is possible to maintain excellent sealing performance even when the number of inputs and outputs by the lead frame is increased to 120 or more.

【0049】(実施例19〜21、参考例2)次に、熱
伝導率180W/m・kの窒化アルミニウム基板を用い、表面
研磨を施すことにより表面粗さを変えた窒化アルミニウ
ム基板を作製した。各窒化アルミニウム基板に対し、大
気中で1200℃×2時間にて膜厚5μmの酸化膜を設けた
後、200番の砥粒によりホーニング加工を施した後、400
番の砥粒によりホーニング加工を施した。各ホーニング
加工を施した後の酸化膜の膜厚、酸化膜厚の最大値と最
小値の差を測定した。その結果を表5に示す。
(Examples 19 to 21, Reference Example 2) Next, using an aluminum nitride substrate having a thermal conductivity of 180 W / m · k, an aluminum nitride substrate whose surface roughness was changed by polishing the surface was manufactured. . After each aluminum nitride substrate was provided with an oxide film having a thickness of 5 μm at 1200 ° C. for 2 hours in the air, and then subjected to a honing process using # 200 abrasive,
Honing was performed using the No. 2 abrasive. The thickness of the oxide film after each honing process and the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film thickness were measured. Table 5 shows the results.

【0050】[0050]

【表5】 [Table 5]

【0051】表5から分かる通り、Raが0.8μm以下か
つRmaxが5μm以下の実施例19ないし実施例21は酸
化膜の最大値と最小値の差を0.2μm以下にできた。一
方、RaおよびRmaxが本発明の好ましい範囲でない参考例
2は、酸化膜厚が本発明の範囲内にしたときに酸化膜の
最大値と最小値の差を0.2μm以下にし難いことが判明
した。このような結果から本発明の窒化アルミニウム基
板並びに半導体パッケージにおいてはRaが0.5μm以
下、Rmaxが5μm以下の窒化アルミニウム基板であるこ
とが好ましいことが分かった。
As can be seen from Table 5, in Examples 19 to 21 in which Ra was 0.8 μm or less and Rmax was 5 μm or less, the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film could be made 0.2 μm or less. On the other hand, in Reference Example 2 in which Ra and Rmax were not in the preferable ranges of the present invention, it was found that when the oxide film thickness was within the range of the present invention, it was difficult to make the difference between the maximum value and the minimum value of the oxide film 0.2 μm or less. . From these results, it was found that in the aluminum nitride substrate and the semiconductor package of the present invention, it is preferable that Ra is 0.5 μm or less and Rmax is 5 μm or less.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明のように、窒化アルミニウム基板
全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム基板において、
メタライズ層を設ける個所に存在する酸化膜の膜厚が0.
3〜4μmかつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μm以下
と均一な酸化膜を設けることにより、最大径0.2μm以
上のフクレを無くすことが可能となる。さらに、メタラ
イズ層における最大径20μm以下の微小なフクレをも単
位面積20mm×20mmあたりに2個以下と制御することが可
能となる。また、半導体パッケージの封着部に同様の酸
化膜を設けることにより、封着時の窒素ガスの噴出およ
び酸化膜の熱膨張による未接合部の発生を極力抑えるこ
とが可能となる。特に、リードフレームによる入出力数
が120本以上と多入出力型のQFP型半導体パッケー
ジにおいては特に効果的である。
According to the present invention, in an aluminum nitride substrate having an oxide film provided on the entire surface of the aluminum nitride substrate,
The thickness of the oxide film present at the place where the metallized layer is provided is 0.
By providing a uniform oxide film having a thickness of 3 to 4 μm and a difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness of 0.2 μm or less, blisters having a maximum diameter of 0.2 μm or more can be eliminated. Further, even minute blisters having a maximum diameter of 20 μm or less in the metallized layer can be controlled to two or less per unit area of 20 mm × 20 mm. Further, by providing a similar oxide film at the sealing portion of the semiconductor package, it is possible to minimize the occurrence of unjoined portions due to the ejection of nitrogen gas and the thermal expansion of the oxide film at the time of sealing. This is particularly effective in a multi-input / output type QFP semiconductor package in which the number of inputs / outputs by a lead frame is 120 or more.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、本発明のメタライズ層を設けた窒化ア
ルミニウム基板の一例を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an aluminum nitride substrate provided with a metallized layer according to the present invention.

【図2】図2は、本発明のQFP型半導体パッケージの
一例を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a QFP type semiconductor package of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…窒化アルミニウム基板 2…酸化膜 3…メタライズ層 4…封着部 5…リードフレーム 6…キャップ 7…半導体素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Aluminum nitride substrate 2 ... Oxide film 3 ... Metallization layer 4 ... Sealing part 5 ... Lead frame 6 ... Cap 7 ... Semiconductor element

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム
基板において、メタライズ層を設ける個所に存在する酸
化膜の膜厚が0.3μm以上2μm以下かつ膜厚の最大値と
最小値の差が0.2μm以下であることを特徴とする窒化
アルミニウム基板。
In an aluminum nitride substrate provided with an oxide film on the entire surface, the thickness of an oxide film existing at a place where a metallized layer is provided is 0.3 μm or more and 2 μm or less, and the difference between the maximum value and the minimum value of the film thickness is 0.2 μm. An aluminum nitride substrate characterized by the following.
【請求項2】 酸化膜が酸化アルミニウムを主成分とす
ることを特徴とする請求項1記載の窒化アルミニウム基
板。
2. The aluminum nitride substrate according to claim 1, wherein the oxide film contains aluminum oxide as a main component.
【請求項3】 窒化アルミニウム基板の表面粗さRaが0.
8μm以下であることを特徴とする請求項1または請求
項2記載の窒化アルミニウム基板。
3. An aluminum nitride substrate having a surface roughness Ra of 0.
3. The aluminum nitride substrate according to claim 1, wherein the thickness is 8 μm or less.
【請求項4】 窒化アルミニウム基板の表面粗さRmaxが
6μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求
項3のいずれかに記載の窒化アルミニウム基板。
4. The surface roughness Rmax of the aluminum nitride substrate is
4. The aluminum nitride substrate according to claim 1, wherein the thickness is 6 μm or less.
【請求項5】 メタライズ層に最大径0.2mm以上のフク
レが存在しないことを特徴とする請求項1ないし請求項
4のいずれかに記載の窒化アルミニウム基板。
5. The aluminum nitride substrate according to claim 1, wherein no blister having a maximum diameter of 0.2 mm or more exists in the metallized layer.
【請求項6】 全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム
基板を用いた半導体パッケージにおいて、メタライズ層
および封着材により封着される個所に存在する酸化膜の
膜厚が0.3μm以上2μm以下かつ膜厚の最大値と最小値
の差が0.2μm以下である窒化アルミニウム基板を用い
たことを特徴とする半導体パッケージ。
6. A semiconductor package using an aluminum nitride substrate provided with an oxide film on the entire surface, wherein the thickness of the oxide film existing at a location sealed by the metallization layer and the sealing material is not less than 0.3 μm and not more than 2 μm. A semiconductor package using an aluminum nitride substrate having a difference between a maximum value and a minimum value of a thickness of 0.2 μm or less.
【請求項7】 封着される個所はガラス系封着材により
リードフレームを接合したことを特徴とする請求項6記
載の半導体パッケージ。
7. The semiconductor package according to claim 6, wherein the portion to be sealed is joined to a lead frame by a glass sealing material.
【請求項8】 半導体パッケージがQFP型であること
を特徴とする請求項7または請求項7記載の半導体パッ
ケージ。
8. The semiconductor package according to claim 7, wherein the semiconductor package is a QFP type.
【請求項9】 リードフレームによる入出力数が120
本以上であることを特徴とする請求項8記載の半導体パ
ッケージ。
9. The number of inputs / outputs by a lead frame is 120.
9. The semiconductor package according to claim 8, wherein the number is equal to or more than one.
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