JP2003046042A

JP2003046042A - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置

Info

Publication number: JP2003046042A
Application number: JP2001230630A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Kunimatsu; 廉可國松
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子が発する大量の熱を十分に基体の
下側主面に伝達しきれず、半導体素子が熱で誤動作や熱
破壊を起こしたり、また基体を外部装置にネジ止めする
際に基体のネジ止め部が潰れるといった問題があった。【解決手段】上側主面に半導体素子２が載置される載
置部１ａを有する基体１は、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒお
よびＷのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部、
Ｃｕを９０〜９９．８重量部含有する金属成分１ｄが含
浸された炭素質母材１ｂ内に炭素繊維が分散された金属
炭素複合体を基材Ａとし、基材Ａの上下面に基材Ａ側か
らＦｅ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金か
らなる接着層６、Ｍｏ層７、Ｃｕ層８を積層した金属層
Ｂが形成され、さらに基材Ａの側面および金属層Ｂの表
面にＣｕメッキ層９が被着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＬＳＩ（大容量集積
回路素子）やＦＥＴ（電界効果型トランジスター）など
の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケ
ージおよび半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来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）の一種である光半導体パ
ッケージを図３に示す。同図の（ａ），（ｂ），（ｃ）
はそれぞれ光半導体パッケージの平面図、断面図及び部
分拡大断面図である。尚、同図において、光ファイバ、
および光ファイバを取り付けるための筒状の固定部材が
光半導体パッケージの側部に設けられるが、これらは省
略している。

【０００３】この光半導体パッケージは、上側主面に半
導体素子１０５がペルチェ素子等の熱電冷却素子Ｃを介
して載置される載置部１０４およびネジ止め部１０６を
有する略四角形の基体１０２と、載置部１０４を囲繞す
るようにして取着され、側部に貫通孔または切欠き部か
ら成る入出力端子１０８の取付部を有する枠体１０７
と、取付部に嵌着された入出力端子１０８とを具備した
ものである。

【０００４】また、この光半導体パッケージでは、炭素
繊維を炭素で結合した一方向性複合材料１０９の上下面
に、例えば第１層として鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）合
金層、第２層として銅（Ｃｕ）層、第３層としてＦｅ−
ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金層もしくはＦ
ｅ−Ｎｉ合金層の３層構造を有する金属層Ｂ１が被着さ
れた放熱板１０１が、枠状の基体１０２の内側に嵌着さ
れて光半導体素子１０５の載置部１０４を構成する。そ
して、放熱板１０１と基体１０２と枠体１０７と蓋体１
０３とからなる容器内部に、光半導体素子１０５を気密
に封止することにより、光半導体装置となる（特開２０
００−１５０７４５号公報参照）。

【０００５】上記従来例では、放熱板１０１は半導体素
子１０５の載置部１０４を形成し、炭素繊維が上面から
下面側に向かう方向に配列している。また、放熱板１０
１は、金属層Ｂ１の被着がなければ、光半導体素子１０
５の載置面に平行な方向の熱膨張係数はほぼ７ｐｐｍ／
℃（×１０^-6／℃）であるが、その方向の弾性率が約７
ＧＰａ（ギガパスカル）と小さいことから、金属層Ｂ１
の被着により放熱板１０１の熱膨張係数を大きくするこ
とができ、よってその熱膨張係数は１０〜１３ｐｐｍ／
℃に調整されている。また、熱伝導率は、光半導体素子
１０５の載置面に平行な方向、即ち炭素繊維を炭素で結
合した一方向性複合材料１０９における炭素繊維の方向
に直交する方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である
のに対して、炭素繊維の方向では３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
であるとしている。

【０００６】そして、放熱板１０１は、熱膨張係数が１
０〜１３ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）のＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等から成る枠状の基体１０２
の貫通孔に、例えばＡｇロウなどのロウ材で挿着されて
光半導体素子の載置部１０４となる。これにより、光半
導体パッケージは光半導体素子１０５が発する熱を熱電
冷却素子Ｃを介して外部に放散する機能を有するものと
なる。

【０００７】放熱板１０１は、上述したように、放熱材
料として一般的に用いられているＣｕ−タングステン
（Ｗ）合金や、Ｃｕ−モリブデン（Ｍｏ）合金に比し
て、炭素繊維が放熱板１０１の上面から下面に向かう方
向に配列していることにより、この方向に大きな熱伝導
率を有している。放熱板１０１を用いた光半導体パッケ
ージに収容された光半導体素子１０５が作動時に発する
熱は、放熱板１０１の炭素繊維の方向に対して直交する
方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることから、
放熱板１０１の主面の方向（面方向）にほとんど伝わら
ないこととなる。

【０００８】よって、光半導体素子１０５が作動時に発
する熱は、選択的に炭素繊維の配列方向、即ち放熱板１
０１の上面側から下面側にかけて伝達されるとともに下
面から大気中に放散される。その結果、光半導体素子１
０５は常に適温となり、光半導体素子１０５を長期にわ
たり正常かつ安定に作動させることが可能になる。

【０００９】また、光半導体素子１０５が作動時に発す
る熱が基体１０２と枠体１０７に加わった場合、基体１
０２と枠体１０７の材質が同一であり、よって熱膨張係
数がいずれも１０〜１３ｐｐｍ／℃であることから、両
者間に大きな熱応力が発生することはない。また、たと
え小さな熱応力が発生したとしても、放熱板１０１が適
度に変形することで枠体１０７との間に発生する熱応力
が緩和される。従って、基体１０２の上面に枠体１０７
を極めて強固に取着しておくことが可能になる。

【００１０】よって、基体１０２と放熱板１０１と枠体
１０７と蓋体１０３とから成る光半導体パッケージの気
密封止を完全として、内部に収容される光半導体素子１
０５を長期にわたり正常かつ安定に作動させることが可
能になる。

【００１１】この光半導体パッケージの放熱構造は、大
量の熱を発するＬＳＩ，ＦＥＴ等を収容する半導体パッ
ケージに適用できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
光半導体素子１０５の発する熱量が大きくなってきてお
り、放熱板１０１の熱伝達の限界を超えた場合、熱は放
熱板１０１に蓄熱されて放熱板１０１の温度が上昇する
場合がある。この場合、放熱板１０１の熱が熱電冷却素
子Ｃを介して光半導体素子１０５に加わり、光半導体素
子１０５の温度が上昇して光半導体素子１０５が誤動作
する、あるいは光半導体素子１０５が熱破壊されるとい
う問題が発生していた。

【００１３】また、光半導体パッケージを外部装置にネ
ジ止めにより密着固定させるために剛性の高いＦｅ−Ｎ
ｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等からなる基体１０２を
用いており、放熱板１０１は基体１０２の貫通孔にＡｇ
ロウなどのロウ材を介して嵌着されている。そして、光
半導体パッケージを別体の外部装置にネジ止め部１０６
の貫通孔にネジを通して締め付けることにより密着固定
し、光半導体素子１０５が発する熱を外部装置を介して
外部に放散する。

【００１４】ところが、放熱板１０１を枠状の基体１０
２の貫通孔に挿着するに際して、放熱板１０１の外周面
と貫通孔の内面との隙間は、その大きさにバラツキがあ
る場合がある。この場合、ロウ材で放熱板１０１を貫通
孔にロウ付けすると、ロウ材の溜り状態が不均一とな
り、その結果、光半導体パッケージの気密封止が損なわ
れることがあった。

【００１５】そこで、放熱板１０１自体を基体として用
いる構成が考えられるが、光半導体パッケージを外部装
置にネジ止めする際に、放熱板１０１を構成する一方向
性複合材料１０９が一方向性炭素繊維を厚さ方向に揃え
て、これを炭素で結合したものであることから、本質的
に厚さ方向の圧縮強度が金属に比べて桁違いに小さい。
そのため、ネジによる締め付け時に基体としての放熱板
１０１のネジ止め部１０６が厚さ方向に潰れる場合があ
った。従って、光半導体パッケージを外部装置に強い締
め付け力で固定できなくなり、光半導体素子１０５が発
する熱が十分に放散されなくなるという問題点があった
（特開２０００−１５０７４６号参照）。

【００１６】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたものであり、その目的は、半導体素子が発生する熱
を効率よく外部に放散して半導体パッケージ内部に収容
する半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させる
とともに、半導体パッケージを外部装置に密着固定させ
るためのネジ締め時において厚さ方向に潰れることのな
いものを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体パッケー
ジは、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有す
るとともに両端部にネジ止め部を有する略四角形の基体
と、該基体の上側主面に前記載置部を囲繞するようにし
て取着され、貫通孔または切欠き部からなる入出力端子
の取付部を有する枠体と、前記取付部に嵌着された前記
入出力端子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、銀，チタン，クロム，バナジウム
およびタングステンのうちの少なくとも一種を０．２〜
１０重量部、銅を９０〜９９．８重量部含有する金属成
分が含浸された炭素質母材内に炭素繊維が分散された金
属炭素複合体を基材とし、該基材の上下面に前記基材側
から鉄，鉄−ニッケル−コバルト合金または鉄−ニッケ
ル合金からなる接着層とモリブデン層と銅層とを順次積
層した金属層が形成され、さらに前記基材の側面および
前記金属層の表面に銅メッキ層が被着されていることを
特徴とする。

【００１８】本発明の半導体パッケージによれば、基体
を構成する基材が、炭素質母材内にランダムな方向に分
散配置された一方向性の炭素繊維の集合体および含浸さ
れた金属成分とから成り、半導体素子から基材に伝わっ
た熱は基材の内部においてランダムな経路を辿りながら
基体の下側主面および側面に伝わることになる。そし
て、基体の側面に伝わった熱はその表面のＣｕメッキ層
を介して下側主面へと伝わり、よって基体の下側主面か
らの熱放散により半導体素子の温度を適正な温度にする
ことが可能になる。このとき、基体内に含浸された金属
成分は、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくと
も一種を０．２〜１０重量部、Ｃｕを９０〜９９．８重
量部含有することから、Ｃｕとその周囲の炭素質母材と
の密着性が良好となり、Ｃｕのみを含浸させた場合に比
べて伝熱性が大きく向上する。その結果、半導体素子が
発する熱は基体内をランダムな方向に伝わり、大きな熱
量を基体の広範囲で放散させることが可能になっている
ために半導体素子を常に適温として、長期に亘り正常か
つ安定に作動させることが可能になる。

【００１９】また、本発明の基体は弾性率は極めて小さ
く、また被着された金属層によって半導体素子の載置面
に平行な方向の熱膨張係数が１０〜１３ｐｐｍ／℃（室
温〜８００℃）に調整される。このことから、半導体素
子が発する熱によって、基体と半導体素子との接合部、
および基体と枠体との間で熱応力が発生したとしても、
これらの熱応力は小さいものとなり、またこの熱応力は
基体が適度に変形することにより緩和される。

【００２０】本発明において、好ましくは、前記銅層の
厚さが１００〜７００μｍであることを特徴とする。

【００２１】これにより、近時の高密度配線のＬＳＩや
ＦＥＴなどの半導体素子から大量の熱が発せられても、
この熱が銅層により効率よく横方向に伝達され、次いで
Ｍｏ層、接着層を介して基材に伝えられ、基材の内部を
通じて良好に基材の下側主面、および側面を介して下側
主面へと伝えられ、よって基体の下側主面から効率よく
外部に放散されることになる。よって半導体素子の温度
を常に適正な温度にすることが可能になる。

【００２２】また、本発明の半導体装置は、本発明の半
導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定さ
れるとともに前記入出力端子に電気的に接続された半導
体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備し
たことを特徴とする。

【００２３】本発明は、上記の構成により、半導体素子
を半導体パッケージに収容するに際して、基体の熱放散
性が極めて優れていることから、半導体素子を常に適温
として半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させ
ることが可能な半導体装置を提供できる。

【００２４】また、基体は、主成分として金属である銅
が炭素質母材内に含浸されているので、基体の圧縮強度
が実質的に大きくなり、基体を外部装置にネジ止めする
際に発生する押圧力や圧縮応力が基体の表面に加わった
場合に、基体が押圧力や圧縮応力に対してつぶれ難くな
る。従って、例えばマザーボード等の外部装置に基体を
ネジで締め付けて密着固定するに際して、基体が厚さ方
向に潰れることにより締め付けが緩くなって密着固定が
不十分となり、外部への熱放散性が損なわれるといった
不具合が解消される。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の半導体パッケージを以下
に詳細に説明する。図１，図２は本発明の半導体パッケ
ージＡについて実施の形態の一例を示すものであり、図
１は半導体パッケージの断面図、図２は半導体パッケー
ジの基体の部分拡大断面図である。

【００２６】図１において、１は基体、１ａは半導体素
子２の載置部、２はＩＣ，ＬＳＩ，ＦＥＴ等の半導体素
子、３は枠体、３ａは枠体３に設けられた入出力端子の
取付部である。基体１と枠体３と蓋体５とで、半導体素
子２を収容する容器が基本的に構成されるとともに、入
出力端子４が取付部３ａに嵌着されている。なお、１３
はネジ止め部である。

【００２７】また、図２において、Ａは基材、１ｂは炭
素質母材、１ｃは一方向性の炭素繊維の集合体、１ｄは
Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種を
０．２〜１０重量部、Ｃｕを９０〜９９．８重量部含有
する金属成分である。また、６は基材Ａの上下面に形成
されたＦｅからなる接着層、７は接着層６上に形成され
たＭｏ層、８はＭｏ層７上に形成されたＣｕ層、Ｂは接
着層６とＭｏ層７とＣｕ層８とが積層されて成る金属
層、９は基材Ａの側面および金属層Ｂの表面に被着され
たＣｕメッキ層である。

【００２８】図２に示すように、基材Ａは金属成分が含
浸された炭素質母材１ｂ内に炭素繊維が分散された金属
炭素複合体から成り、この基材Ａは例えば以下の工程
［１］〜［７］のようにして作製される。

【００２９】［１］一方向性の炭素繊維の束を炭素で結
合した板状の塊を一方向性の炭素繊維からなる小さな集
合体に破砕し、破砕された集合体を集めて固体のピッチ
あるいはコークス等の微粉末を分散させたフェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂の溶液中に浸す。なお、板状の塊を
破砕して得られる集合体の大きさは、その形状を例えば
略立方体としてみた場合一辺が０．１〜１ｍｍ程度であ
る。

【００３０】［２］次に、これを乾燥させて所定の圧力
を加えるとともに加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させ
板状の塊を得る。

【００３１】［３］これを不活性雰囲気中、高温で焼成
することでフェノール樹脂とピッチあるいはコークスの
微粉末を炭化させて炭素質母材１ｂとする。炭素質母材
１ｂは、それ自体２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの大きな熱
伝導率を有し、半導体素子２が発する熱の伝熱経路とし
ても機能する。

【００３２】［４］炭素質母材１ｂ内にＣｕを不活性雰
囲気下において高温、高圧で含浸させる。即ち熔湯鍛造
法によって含浸させる。このとき、含浸されたＣｕはＣ
ｕ塊となって炭素質母材１ｂに分散される。この含浸さ
れたＣｕには予めＡｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，ＺｒおよびＷのう
ちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部含有させてい
る。これらの金属のうちＡｇを除いたものはＣｕの融点
（約１０８３℃）よりも高い融点を有しているが、溶融
したＣｕと混在することによってＣｕと固溶体を作り、
含浸時に見かけ上液体となって炭素質母材１ｂに含浸さ
れる。

【００３３】［５］次に、炭素質母材１ｂ内に炭素繊維
およびＣｕ等の金属成分１ｄを分散させた塊を板状に切
り出して基材Ａとなる板を作製する。板の寸法は、例え
ば厚さが０．５〜２ｍｍ程度、縦横の寸法が１００ｍｍ
×１００ｍｍ程度である。

【００３４】［６］さらに、この板を所望の形状に加工
して基材Ａを作製し、基材Ａの上下面に、基材Ａ側から
鉄層６、Ｍｏ層７、Ｃｕ層８を積層させた金属層Ｂを形
成して基体１を得る。

【００３５】［７］次いで、基体１の全面にＣｕメッキ
層９を被着する。

【００３６】基材Ａは、内部にＣｕ等の金属成分１ｄが
含浸されて成り、含有する金属によりＣｕと炭素質母材
との密着性が良好なものとなる。また、基材Ａの熱膨張
係数は、Ｃｕ等の金属成分１ｄが含浸されていることに
より８〜１０ｐｐｍ／℃となっている。このとき、Ｃｕ
にＡｇが含有されていると、Ｃｕと炭素質母材１ｂとの
濡れ性が高温高圧下で良好であることは実験的に確認さ
れている。また、Ａｇ以外の金属をＣｕに含有させた場
合、炭素質母材１ｂとの間で炭化チタン（ＴｉＣ），炭
化クロム（ＣｒＣ），炭化ジルコニウム（ＺｒＣ），炭
化タングステン（ＷＣ）などの炭化物が生成され、この
炭化物を介してＣｕと炭素質母材１ｂとが密着する。こ
のことから、Ｃｕと炭素質母材１ｂとの間での熱伝達が
さらに良好なものとなり、半導体素子２が発する熱が半
導体素子２の載置部１ａに平行な方向にも良好に伝達さ
れ、基材Ａによる熱伝達が極めて良好なものとなる。

【００３７】また、Ｃｕ等の金属成分１ｄが基材Ａ内に
含浸されていることによって基材Ａのネジ止め部１３の
潰れが大きく軽減される。よって、半導体パッケージを
外部装置にネジで締め付けて密着固定する場合に強固に
締め付けることができる。

【００３８】基体１は、図２に示すように、基材Ａの上
下面に、基材Ａの熱膨張係数を調整するためのＦｅから
なる接着層６と、Ｍｏ層７と、Ｃｕ層８の３層構造の金
属層Ｂが形成されている。Ｃｕ層８は、半導体素子２が
発する熱を伝達する伝熱媒体となって、半導体素子２が
発する熱を横方向（面方向）に効率よく伝達する。そし
て、基体１の上側主面に枠体３を半田や銀ロウ等のロウ
材を介してロウ付けすることにより、枠体３が基体１上
に取着される。

【００３９】また、基材Ａの上下面にＦｅからなる接着
層６とＭｏ層７とＣｕ層８から成る金属層Ｂが形成され
ていることから、金属層Ｂが基体１の熱膨張係数を枠体
３の熱膨張係数に近似させる機能を有するものとなる。
また、基材Ａの表面に多数の気孔が存在する多孔質であ
るとしても、その気孔は金属層Ｂによって完全に塞がれ
る。その結果、半導体パッケージ内部の気密封止の信頼
性が高くなる。また、半導体パッケージ内部に半導体素
子２を収容し半導体装置と成した後、ヘリウムを使用し
て半導体装置の気密検査をする場合、ヘリウムの一部が
基材Ａの気孔内にトラップされることが有効に防止さ
れ、半導体装置の気密封止の検査が正確に行える。

【００４０】上記実施の形態において、Ｆｅからなる接
着層６について説明したが、接着層６はＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金層またはＦｅ−Ｎｉ合金層から成っていても本発
明の効果を奏するものである。この接着層６を基材Ａに
形成するのは、熱膨張係数調整層としてのＭｏ層７を接
着層６を介して基材Ａに接合させるためであり、このと
き接着層６のＦｅ原子と基材Ａの炭素原子とが高温のも
とで相互拡散し、金属層Ｂを強固にする。また、Ｍｏ層
７のＭｏ原子が接着層６側へ拡散して、Ｍｏ原子と炭素
原子とで作られるＭｏ−Ｃ結合により大きな接合強度が
得られる。また、基材Ａの表面に一部表れているＣｕ等
の金属成分１ｄに対しても接着層６がアンカー効果で強
固に接着され、物理的な接合強度が得られる。

【００４１】本発明者は、金属層Ｂの組み合わせを種々
検討して本発明を完成するに至ったものである。本発明
では、金属層Ｂを基材Ａ側からＦｅ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれた一つの接着層６、Ｍ
ｏ層７、Ｃｕ層８の３層構造としているが、本出願人
は、基材Ａ側からＦｅ−Ｃｒ合金層、Ｃｕ層、Ｍｏ層と
いう組み合わせで金属層を形成した半導体パッケージを
提案した（従来例Ａ：特開２０００−１３３７５６号公
報参照）。

【００４２】この従来例Ａにおいて、Ｆｅ−Ｃｒ合金層
はＣｕ層の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有すること
と、カーボンとの拡散接合が可能ということで用いられ
たものであるが、Ｆｅ−Ｃｒ合金層、Ｃｕ層、Ｍｏ層を
この順序で基材Ａ側から拡散接合させる際、接合条件が
適正でないと例えばＦｅ−Ｃｒ合金層に含まれているＣ
ｒがＭｏ層や基材Ａ中に拡散し、これによりＦｅ−Ｃｒ
合金層に空隙が発生したり、またＭｏ層が脆くなったり
する現象（脆化）が発生することが明らかになった。な
お、Ｃｕ層はＣｒの拡散を抑えるために形成される。

【００４３】また、Ｆｅ−Ｃｒ合金層とＭｏ層の間にＣ
ｕ層を形成することによりＭｏ層の脆化を抑えることが
できるが、基材ＡとＣｕ層の熱膨張係数が大きく異なる
ことから、Ｃｕ層が熱膨張時にＦｅ−Ｃｒ合金層と基材
Ａとの接合面に大きな応力を発生させＦｅ−Ｃｒ合金層
の基材Ａへの接合強度を大きく劣化させていた。よっ
て、本発明者は、基材Ａに当接して接合される接着層６
として、Ｃｒを含まないＦｅ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，
Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる一つを選定した。Ｆｅは、
Ｆｅ−Ｃｒ合金に比べて熱伝導率が約４倍であるため、
より大きな熱放散性を得るには適した材料である。Ｆｅ
−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金は、熱伝導率が
Ｆｅ−Ｃｒ合金とほぼ同等であるが、Ｃｒの代わりにＮ
ｉ，ＣｏといったＭｏ層７中に拡散し難い金属を用いて
いるので、Ｍｏ層７の脆化を発生させることがなく、ま
た枠体３と同一材料からなることからＭｏ層７と相俟っ
て基体１の熱膨張による歪みを有効に調整し緩和し得る
ものとなっている。

【００４４】また本発明では、接着層６の基材Ａに対す
る拡散接合と、接着層６を拡散してきたＭｏ層７のＭｏ
とカーボンとの拡散接合とにより、強固に接着層６を基
材Ａに接合させているが、従来例Ａの構成では、Ｍｏの
Ｆｅ−Ｃｒ合金層への拡散がＣｕ層７によって妨げら
れ、その結果金属層の接合強度が小さなものとなってい
た。よって本発明では、従来Ｆｅ−Ｃｒ合金層とＭｏ層
との間に形成していたＣｕ層をなくし、Ｆｅ−Ｃｒ合金
層をＦｅ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金
からなる接着層６にすることで基材ＡとＭｏ層７との強
固な拡散接合を実現するとともにＭｏ層７の脆化を解消
し、さらにＭｏ層７の上にＣｕ層８を形成することで半
導体素子２が発する熱を効率よく放散させることのでき
る基体１を実現した。

【００４５】また、基体１の最外表面はＣｕメッキ層９
で被覆されており、側面のＣｕメッキ層９が側面に伝達
した熱を下面へと導く伝熱媒体となるとともに、枠体３
の取付部３ａに入出力端子４を嵌入しロウ材で接合する
際に、ロウ材の濡れ性が向上するという機能も有してい
る。Ｃｕメッキ層９の厚さは、０．５μｍ未満であると
ロウ材の濡れ性が低下し易く、また伝熱経路としても有
効に機能しなくなる。Ｃｕメッキ層９の厚さが５μｍを
超えると、基体１の側面においてＣｕメッキ層９を形成
する際に炭素質母材１ｂとＣｕメッキ層９との間に大き
な応力が発生し内在し、この内在した応力によってＣｕ
メッキ層９が剥離し易くなる。従って、Ｃｕメッキ層９
の厚さは０．５〜５μｍが好ましい。

【００４６】また、本発明において、金属層Ｂを接着層
６とＭｏ層７とＣｕ層８の３層で形成するのは、接着層
６、Ｍｏ層７を介してＣｕ層８を形成することにより、
基材Ａの熱膨張係数をＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎ
ｉ合金からなる枠体３の熱膨張係数１０〜１３ｐｐｍ／
℃（室温〜８００℃）に近づけるためである。

【００４７】そして、接着層６の厚さは５〜３０μｍ、
Ｍｏ層７の厚さは５〜３０μｍ、Ｃｕ層８の厚さは１０
０〜７００μｍとすることが好ましい。接着層６の厚さ
が５μｍ未満では、接着層としての機能を果たさなくな
る。即ち、発生する応力によって接着層６が剥れるとい
う不具合が生じ易くなる。また、接着層６の厚さが３０
μｍを超えると、接着層６と基材Ａとの熱膨張係数の差
によって発生する熱応力によって、基材Ａの表面から接
着層６が剥れることがあり、基材Ａとの密着性が劣化す
る。

【００４８】Ｍｏ層７の厚さが５μｍ未満では、基体１
の熱膨張係数を調整する効果が小さくなり、基体１にＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなる枠体３を
ロウ材で接合した場合にロウ材にクラックが発生し易く
なる。Ｍｏ層７の厚さが３０μｍを超えると、基材Ａの
熱膨張係数が小さくなり過ぎ、枠体３を基体１の上側主
面にロウ材で接合する際にロウ材にクラックが発生し易
くなる。

【００４９】Ｃｕ層８の厚さが１００μｍ未満では、金
属層Ｂの熱膨張係数が９ｐｐｍ／℃以下となり、枠体３
を基体１に取着すると、枠体３と基体１との熱膨張差に
より枠体３と基体１との接合部にクラックが発生し易く
なるとともに、横方向への熱放散性が小さくなり、半導
体素子２が発する熱を効率よく放散できなくなり易い。
Ｃｕ層８の厚さが７００μｍを超えると、金属層Ｂの熱
膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上になり、基体１と枠体３
との接合部にクラックが発生し易くなる。従って、Ｃｕ
層８の厚さは１００〜７００μｍが好ましく、より好ま
しくは３００〜５００μｍが良い。

【００５０】以上のことから、基材Ａの上下面に上記範
囲内の厚さを有するＦｅ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金または
Ｆｅ−Ｎｉ合金からなる接着層６とＭｏ層７とＣｕ層８
とからなる金属層Ｂが形成された基体１は、その上側主
面に枠体３を取着させた後、両者に半導体素子２が動作
時に発生する熱が加わったとしても、基体１と枠体３と
の間には両者の熱膨張係数差に起因する熱応力がほとん
ど発生することはなくなる。また、熱応力が発生して
も、基体１の弾性率が小さいことから、基体１がその熱
応力を吸収し、その結果、基体１は枠体３に強固に接合
され、かつ半導体素子２の作動時に発生する熱を大気中
に良好に発散する。また、半導体素子２と基体１との間
に発生する熱応力は、基体１がその熱応力を吸収するよ
うに変形し、半導体素子２と基体１との間では熱応力が
大きく発生することが無い。従って、容器内部に収容す
る半導体素子２を長期に亘り正常かつ安定に作動させる
ことができる。

【００５１】なお、金属層Ｂは基材Ａの上下面に拡散接
合によって被着されており、具体的には、基材Ａの上下
面に厚さが例えば約１０μｍの鉄箔と厚さが例えば約１
０μｍのＭｏ箔と厚さが約５００μｍのＣｕ箔とからな
る金属層Ｂを順次載置し、次に真空ホットプレスで５Ｍ
Ｐａ（メガパスカル）の圧力をかけつつ１２００℃の温
度を１時間加えることによって被着される。

【００５２】基材Ａの上下面に金属層Ｂを形成し、さら
にＣｕメッキ層８を被着した基体１は、上面側から下面
側にかけて３５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が得ら
れ、また半導体素子２の載置部１ａの面に平行な方向に
ついては基材Ａの内部に分散された炭素繊維および金属
成分１ｄにより３５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が
得られる。その結果、基体１は、半導体素子２が発する
熱をランダムな方向に効率よく伝達させることができ
る。従って、基体１の下側主面全面から熱が効率よく放
散されるとともに、基体１の側面に伝達した熱もＣｕメ
ッキ層９を伝わり基体１の下側主面から外部に効率よく
放散されることとなる。

【００５３】半導体素子２の載置部１ａの面に平行な方
向の熱伝導率を測定すると、上記のように３５０〜４０
０Ｗ／ｍ・Ｋであり、図３に示した炭素繊維を炭素で結
合した一方向性複合材料１０９を用いたものの８〜１０
倍と大きいことが明らかになった。即ち、半導体素子２
が発する熱は、熱電冷却素子（図１には図示せず）を介
して、基体１に伝達され、次いで基体１の上側主面から
下側主面にかけて基体１内の様々な方向の伝熱経路によ
って効率よく伝わり、さらに外部装置を介して空気中に
放散される。

【００５４】また、炭素質母材１ｂに金属成分１ｄを含
浸させると、基材Ａの密度は３〜４ｇ／ｃｍ³となり、
金属成分１ｄを含浸させていない基材Ａの密度（約２ｇ
／ｃｍ³）に比べると大きいが、従来から一般的に用い
られているＣｕ−Ｗ合金に比べて１／３〜１／５程度で
あり、極めて軽量である。従って、近時の小型軽量化が
進む電子装置へ実装する際に有利なものとなる。

【００５５】更に、炭素質母材１ｂを用いた基体１は弾
性率が枠体３を構成するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属
に比べて小さいことから、基体１と枠体３との間に、ま
た基体１と半導体素子２との間に熱膨張係数差があった
としても、これらの間に発生する熱応力は基体１が適度
に変形することによって吸収される。その結果、基体１
と枠体３、および基体１と半導体素子２とは強固に接合
し、半導体素子２が発する熱を常に大気中に効率よく放
散させ得るとともに、半導体素子２を長期に亘って正常
かつ安定に作動させることができる。

【００５６】また、基材Ａの上下面に金属層Ｂを被着さ
せた基体１は、基材Ａと上面の金属層Ｂとの間、および
基材Ａと下面の金属層Ｂとの間に、基材Ａと金属層Ｂと
の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生しても、そ
れぞれの熱応力はそれらの方向が上下面で同方向かつほ
ぼ同等となることから、基体１は基材Ａと金属層Ｂとの
間に発生する熱応力によって変形することはなく常に平
坦となる。これにより、枠体３の下面に基体１を強固に
接合させることが可能になるとともに、半導体素子２が
作動時に発する熱を基体１を介して大気中に効率よく放
散させることが可能になる。

【００５７】本発明の枠体３は、基体１の上側主面の外
周部に載置部１ａを囲繞するようにしてロウ材、ガラス
または樹脂等の接着剤を介して取着されており、基体１
と枠体３とで半導体素子２を収容する為の空所が内部に
形成される。この枠体３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ
−Ｎｉ合金からなり、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の
インゴット（塊）を従来周知のプレス成型法、押出し法
などの金属加工法により所定の枠状に成型することによ
って作製される。

【００５８】Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合
金からなる枠体３は、熱膨張係数が約１０〜１３ｐｐｍ
／℃（室温〜８００℃）であり、基体１の熱膨張係数１
０〜１３ｐｐｍ／℃とほとんど同じである。よって、基
体１と枠体３との間に発生する熱応力は小さくなり、ま
た基体１の弾性率がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属に比
べて小さいことから、熱応力が発生したとしてもその熱
応力は基体１の適度の変形によって吸収される。従っ
て、枠体３と基体１とを接合するロウ材にクラックなど
の不具合が発生することや、基体１に反りが発生するこ
と等が解消される。

【００５９】また枠体３は、その側部に貫通孔または切
欠き部からなる入出力端子４の取付部３ａが形成されて
おり、取付部３ａには、枠体３の内外を導通する複数の
メタライズ配線層１０が形成された入出力端子４が嵌着
されている。入出力端子４は、メタライズ配線層１０を
枠体３に対し電気的絶縁をもって枠体３の内側から外側
にかけて配設する作用をなし、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）質焼結体などの電気絶縁材料からなる。そして、
取付部３ａの内面に対向する入出力端子４の側面に予め
メタライズ層を被着させておき、このメタライズ層を取
付部３ａの内面に銀ロウなどのロウ材を介して接合する
ことによって、取付部３ａに入出力端子４が嵌着され
る。

【００６０】また、入出力端子４の電気絶縁材料から成
る本体部分は以下のようにして作製される。まず、例え
ばＡｌ₂Ｏ₃，酸化珪素（ＳｉＯ₂），酸化マグネシウム
（ＭｇＯ），酸化カルシウム（ＣａＯ）などの原料粉末
に適当なバインダー、溶剤等を添加混合してスラリーと
なす。このスラリーをドクターブレード法やカレンダー
ロール法によってセラミックグリーンシートとし、次い
でセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施
すとともにメタライズ配線層１０となる金属層を形成す
る。このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、約
１６００℃の温度で焼成することによって、入出力端子
４の本体部分が作製される。

【００６１】さらに入出力端子４は、複数のメタライズ
配線層１０がセラミック積層体である本体部分に中央部
が埋設されるように形成されている。また、メタライズ
配線層１０の枠体３内側に位置する部位には、半導体素
子２の各電極がボンディングワイヤ１１を介して電気的
に接続され、メタライズ配線層１０の枠体３外側に位置
する部位には、外部装置と接続される外部リード端子１
２が銀ロウなどのロウ材を介し取着される。

【００６２】メタライズ配線層１０は半導体素子２の各
電極を外部装置に接続するための導電路として作用し、
Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎなどの高融点金属粉末により形成されて
いる。例えばメタライズ配線層１０は、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ
などの高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤な
どを添加混合して得た金属ペーストを、入出力端子４と
なるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリ
ーン印刷法により所定パターンに印刷塗布し、焼成する
ことによって入出力端子４に形成される。

【００６３】なお、メタライズ配線層１０は、その露出
する表面にＮｉ，金（Ａｕ）などの耐食性に優れ、かつ
ロウ材との濡れ性に優れる金属を１〜２０μｍの厚さで
メッキ法により被着させておくのがよく、メタライズ配
線層１０の酸化腐食を有効に防止することができる。ま
た、メタライズ配線層１０への外部リード端子１２のロ
ウ付けを強固にすることができる。

【００６４】また、メタライズ配線層１０には外部リー
ド端子１２が銀ロウなどのロウ材を介してロウ付け取着
されており、外部リード端子１２を外部装置に接続する
ことによって、半導体素子２はメタライズ配線層１０、
外部リード端子１２を介して外部装置に接続されること
になる。外部リード端子１２はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や
Ｆｅ−Ｎｉ合金などの金属材料からなり、例えばＦｅ−
Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち
抜き加工法などの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。

【００６５】かくして、本発明の半導体パッケージは、
基体１の載置部１ａ上に半導体素子２をガラス，樹脂，
ロウ材などの接着剤を介して接着固定するとともに、半
導体素子２の各電極をボンディングワイヤ１１を介して
メタライズ配線層１０に接続し、しかる後、枠体３の上
面に蓋体５をガラス，樹脂，ロウ材などからなる封止材
を介して接合し、基体１、枠体３および蓋体５からなる
容器内部に半導体素子２を気密に収容することにより製
品としての半導体装置となる。

【００６６】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれ
ば種々の変更は可能である。

【００６７】

【発明の効果】本発明は、上側主面に半導体素子が載置
される載置部を有する基体が、銀，チタン，クロム，ジ
ルコニウムおよびタングステンのうちの少なくとも一種
を０．２〜１０重量部、銅を９０〜９９．８重量部含有
する金属成分が含浸された炭素質母材内に炭素繊維が分
散された金属炭素複合体を基材とし、基材の上下面に基
材側から鉄，鉄−ニッケル−コバルト合金または鉄−ニ
ッケル合金からなる接着層とモリブデン層と銅層とを順
次積層した金属層が形成され、さらに基材の側面および
金属層の表面に銅メッキ層が被着されていることから、
半導体素子が作動時に発した熱は基体の最上面に形成さ
れたＣｕ層によって横方向に効率よく伝達され、ついで
Ｍｏ層、接着層を介して基材へと伝達され、基材の内部
をランダムな経路で極めて効率よく伝達される。また、
基体の側面に伝達した熱はＣｕメッキ層により基体の下
側主面側へと伝達されることにより、大量の熱を効率よ
く基体の下側主面側から放散することが可能となる。そ
の結果、半導体素子は常に適温となって、半導体素子を
長期に亘り正常かつ安定に作動させることが可能にな
る。

【００６８】また、基体の弾性率が小さくなるため、基
体の熱膨張係数と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ
合金などの金属材料からなる枠体の熱膨張係数との間に
差があり、基体および枠体に熱が加わって熱応力が発生
しても、基体が適度に変形することによりこの熱応力を
吸収し得る。

【００６９】さらに、基材にはＣｕ等の金属成分が炭素
質母材に分散されているので、この金属成分が外部応力
に対して基材の形状を保持することのできる圧縮強度を
付与する。例えば、基体の端部のネジ止め部を外部装置
等にネジ止めする際に、押圧力や圧縮応力が基体の表面
に加わった場合、基体が押圧力や圧縮応力に対して潰れ
難くなる。例えば、マザーボードなどの外部装置にネジ
止めする際に、基体が厚さ方向に潰れるといった不具合
が解消するという効果を奏する。

【００７０】また本発明は、好ましくは銅層の厚さが１
００〜７００μｍであることにより、近時の高密度配線
のＬＳＩやＦＥＴなどの半導体素子から大量の熱が発せ
られても、この熱が銅層により効率よく横方向に伝達さ
れ、次いでＭｏ層、接着層を介して基材に伝えられ、基
材の内部を通じて良好に基材の下側主面、および側面を
介して下側主面へと伝えられ、よって基体の下側主面か
ら効率よく外部に放散されることになる。よって半導体
素子の温度を常に適正な温度にすることが可能になる。

【００７１】本発明の半導体装置は、本発明の半導体素
子収納用パッケージと、載置部に載置固定されるととも
に入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、枠体
の上面に取着された蓋体とを具備したことにより、半導
体素子を半導体パッケージに収容するに際して、基体の
熱放散性が極めて優れていることから、半導体素子を常
に適温として半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作
動させることが可能なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体パッケージについて実施の形態
の例を示す断面図である。

【図２】図１の半導体パッケージにおける基体の部分拡
大断面図である。

【図３】（ａ）は従来の半導体パッケージの平面図、
（ｂ）は従来の半導体パッケージの断面図、（ｃ）は従
来の半導体パッケージにおける基体の部分拡大断面図で
ある。

【符号の説明】

１：基体１ａ：載置部１ｂ：炭素質母材１ｃ：炭素繊維の集合体１ｄ：金属成分２：半導体素子３：枠体３ａ：取付部４：入出力端子６：接着層７：Ｍｏ層８：Ｃｕ層９：Ｃｕメッキ層１３：ネジ止め部Ａ：基材Ｂ：金属層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上側主面に半導体素子が載置される載置
部を有するとともに両端部にネジ止め部を有する略四角
形の基体と、該基体の上側主面に前記載置部を囲繞する
ようにして取着され、貫通孔または切欠き部からなる入
出力端子の取付部を有する枠体と、前記取付部に嵌着さ
れた前記入出力端子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、銀，チタン，クロム，バ
ナジウムおよびタングステンのうちの少なくとも一種を
０．２〜１０重量部、銅を９０〜９９．８重量部含有す
る金属成分が含浸された炭素質母材内に炭素繊維が分散
された金属炭素複合体を基材とし、該基材の上下面に前
記基材側から鉄，鉄−ニッケル−コバルト合金または鉄
−ニッケル合金からなる接着層とモリブデン層と銅層と
を順次積層した金属層が形成され、さらに前記基材の側
面および前記金属層の表面に銅メッキ層が被着されてい
ることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項２】前記銅層の厚さが１００〜７００μｍで
あることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用
パッケージ。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の半導体素
子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されると
ともに前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子
と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備したこと
を特徴とする半導体装置。