JP2003100931A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率よ
く放散することができず、半導体素子に熱破壊が発生す
る。 【解決手段】上面に半導体素子４が載置される載置部１
ａを有する基体１と、該基体１の上面に取着され、前記
載置部１ａを囲繞する枠状の絶縁体２と、該枠状絶縁体
２上に取着され、枠状絶縁体２の内側を気密に封止する
蓋体３とから成る半導体素子収納用パッケージであっ
て、前記枠状絶縁体２は熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／℃
乃至８．０ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）のセラミック
スからなり成り、かつ前記基体１は炭化珪素と銅とから
成り、炭化珪素が３０乃至６０重量％、銅が４０乃至７
０重量％から成る中間層１ｃの上下両面に炭化珪素が６
５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重量％から成る上
下層１ｂ、１ｄを配した３層構造を有している。

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（大規模集積
回路素子）等の半導体素子を収容するための半導体素子
収納用パッケージに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、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は、上面に半導体素子が載置さ
れる載置部を有する銅−タングステン合金や銅−モリブ
デン合金等の金属材料からなる基体と、該基体の上面に
前記載置部を囲繞するようにして取着された酸化アルミ
ニウム質焼結体やガラスセラミック焼結体等の電気絶縁
材料からなる枠状絶縁体と、該枠状絶縁体の内周部から
外周部にかけて被着導出されているタングステン、モリ
ブデン、銅、銀等の金属粉末からなる複数個の配線層
と、前記枠状絶縁体の上面に取着され、絶縁体の内側の
穴を塞ぐ蓋体とから構成されており、基体の半導体素子
載置部に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤
を介して接着固定するとともに該半導体素子の各電極を
ボンディングワイヤを介して枠状絶縁体に形成した配線
層に電気的に接続し、しかる後、枠状絶縁体に蓋体を該
絶縁体の内側の穴を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ
材等から封止材を介して接合させ、基体と枠状絶縁体と
蓋体とからなる容器内部に半導体素子を気密に収容する
ことによって製品としての半導体装置となる。 【０００３】なお上述の半導体素子収納用パッケージに
おいては、半導体素子が載置される基体が銅−タングス
テン合金や銅−モリブデン合金等の金属材料で形成され
ており、該銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金
等は熱伝導率が約１８０Ｗ／ｍ・Ｋと高く熱伝導性に優
れていることから基体は半導体素子の作動時に発する熱
を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させるこ
とができ、これによって半導体素子を常に適温とし半導
体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生した
りするのを有効に防止している。 【０００４】また上述の半導体素子収納用パッケージの
基体として使用されている銅−タングステン合金や銅−
モリブデン合金はタングステン粉末やモリブデン粉末を
焼成して焼結多孔体を得、次に前記焼結多孔体の空孔内
に溶融させることによって製作されており、例えば、タ
ングステンから成る焼結多孔体に銅を含浸させる場合は
焼結多孔体が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５重
量％の範囲に、モリブデンから成る焼結多孔体に銅を含
浸させる場合は焼結多孔体が８０乃至９０重量％、銅が
１０乃至２０重量％の範囲となっている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の半導体素子収納用パッケージにおいては、基体がタ
ングステン粉末やモリブデン粉末を焼成して焼結多孔体
を得るとともに該焼結多孔体の空孔内に溶融させた銅を
含浸させることによって形成されており、前記銅の量を
増加させればさせるほど前記基体の熱伝導率は高くなる
が、それにつれて基体の線熱膨張係数も大きくなる。前
記基体は上面に取着される酸化アルミニウム質焼結体や
ガラスセラミック焼結体等から成る枠状絶縁体の線熱膨
張係数（６．０ｐｐｍ／℃乃至８．０ｐｐｍ／℃：室温
〜８００℃）と大きく相違すると、両者の線熱膨張係数
の相違により発生する応力が両者の接合界面に働き、該
応力により前記接合界面にクラックがはいったり、ひど
い場合には両者の接合界面に剥離が発生したりして、半
導体素子収納用パッケージの気密封止の信頼性が損なわ
れ、内部に収容する半導体素子を信頼性よく正常に作動
させることができなくなると言う問題が発生してしまう
ことから、前記基体の線熱膨張係数は前記枠状絶縁体の
線熱膨張係数と近似させる必要があり、前記基体の銅の
含有率は１０乃至２５重量％（基体が銅−タングステン
合金から成る場合は銅の含有率は１０乃至２５重量％、
銅−モリブデン合金から成る場合は銅の含有率は１０乃
至２０重量％）の範囲に限定されることとなり、前記基
体の熱伝導率は最大でも約１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であっ
た。 【０００６】そのためこの従来の半導体素子収納用パッ
ケージ内に近時の高密度化、高集積化が大きく進み、作
動時に多量の熱を発する半導体素子を収容した場合、半
導体素子が作動時に発する熱は基体を介して外部に完全
に放散させることができなくなり、その結果、半導体素
子が該素子自身の発する熱によって高温となり、半導体
素子に熱破壊を招来させたり、特性にばらつきを生じ安
定に作動させることができないという欠点を有してい
た。 【０００７】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は高密度化、高集積化が進み、作動時に多
量の熱を発する半導体素子を常に適温に保持し、半導体
素子を長期間にわたり安定に機能させることができる半
導体素子収納用パッケージを提案することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、上面に半導体
素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の上面
に取着され、前記載置部を囲繞する枠状絶縁体と、該枠
状絶縁体上に取着され、枠状絶縁体の内側を気密に封止
する蓋体とから成る半導体素子収納用パッケージであっ
て、前記枠状絶縁体は線熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／℃
乃至８．０ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）のセラミック
スからなり成り、かつ前記基体は炭化珪素と銅とから成
り、炭化珪素が３０乃至６０重量％、銅が４０乃至７０
重量％から成る中間層の上下両面に炭化珪素が６５乃至
８０重量％、銅が２０乃至３５重量％から成る上下層を
配した３層構造を有していることを特徴とするものであ
る。 【０００９】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、基体を炭化珪素が３０乃至６０重量％、銅が４０
乃至７０重量％から成る中間層の上下両面に炭化珪素が
６５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重量％から成る
上下層を配した３層構造となしたことから基体の中間層
の熱伝導率を２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとし、基
体上に載置される半導体素子が作動時に多量の熱を発し
たとしてもその熱は基体の半導体素子載置部である上層
を介して前記中間層に伝達されると同時に該中間層平面
方向に素早く広がらせるとともに該中間層、下層を順次
介して外部に効率よく確実に放散させることができ、こ
れによって半導体素子は常に適温となり、半導体素子を
長期間にわたり安定かつ正常に作動させることが可能と
なる。 【００１０】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、基体を炭化珪素が３０乃至６０重量％、銅が
４０乃至７０重量％から成る中間層の上下両面に炭化珪
素が６５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重量％から
成る上下層を配した３層構造となし、線熱膨張係数が大
きい中間層を線熱膨張係数の小さい上下層で挟み込み、
基体全体の線熱膨張係数を枠状絶縁体の線熱膨張係数に
近似する６．０ｐｐｍ／℃乃至８．０ｐｐｍ／℃（室温
〜８００℃）となしたことから基体上に枠状絶縁体を取
着させる際や半導体素子が作動した際等において基体と
枠状絶縁体の両者に熱が作用したとしても基体と枠状絶
縁体との間には両者の線熱膨張係数の相違に起因する大
きな熱応力が発生することはなく、これによって半導体
素子を収納する空所の気密封止が常に完全となり、半導
体素子を安定かつ正常に作動させることが可能となる。 【００１１】 【発明の実施の形態】次に、本発明を添付図面に示す実
施例に基づき詳細に説明する。図１は本発明の半導体素
子収納用パッケージの一実施例を示す断面図であり、図
１において、１は基体、２は枠状絶縁体、３は蓋体であ
る。この基体１と枠状絶縁体２と蓋体３とにより内部に
半導体素子４を気密に収容する容器５が構成される。 【００１２】前記基体１はその上面に半導体素子４が載
置される載置部１ａを有するとともに上面外周部に該基
体１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１
ａを囲繞するようにして枠状絶縁体２がロウ材やガラ
ス、樹脂等の接着剤を介して取着されている。 【００１３】前記基体１は半導体素子４を支持する支持
部材として作用するとともに半導体素子４が作動時に発
する熱を良好に吸収するとともに大気中に効率よく放散
させ、半導体素子４を常に適温とする作用をなし、枠状
絶縁体２に囲まれた基体１の載置部１ａ上に半導体素子
４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定され
る。 【００１４】なお前記基体１は炭化珪素と銅とから成
り、例えば、溶融させた銅に平均粒径５μｍ程度の炭化
珪素粉末を分散混入させることによって、或いは炭化珪
素粉末を焼成して多孔質の焼結体を得、しかる後焼結体
の空孔内に溶融させた銅を充填させることによって製作
されている。 【００１５】また前記基体１の上面外周部には該基体１
の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを
囲繞するようにして枠状絶縁体２がロウ材やガラス、樹
脂等の接着剤を介して取着されており、基体１と枠状絶
縁体２とで半導体素子４を収容するための空所が内部に
形成される。 【００１６】前記基体１に取着される枠状絶縁体２は酸
化アルミニウム質焼結体やガラスセラミック質焼結体
等、線熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／℃〜８．０ｐｐｍ／
℃（室温〜８００℃）の電気絶縁性のセラミックスから
成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合
には酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、
酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、
可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該泥
漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロー
ル法を採用することによってセラミックグリーンシート
（セラミック生シート）を形成し、次に前記セラミック
グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、所定形状
となすとともに必要に応じて複数枚を積層して成形体と
なし、しかる後、これを１６００℃の温度で焼成するこ
とによって製作される。また、ガラスセラミック質焼結
体から成る場合には、ホウ珪酸ガラス等のガラス粉末と
酸化アルミニウム等のセラミック粉末とから成る原料粉
末に適当な有機バインダ、溶剤等を添加混合して泥漿物
を作るとともに、この泥漿物をドクターブレード法やカ
レンダーロール法を採用することによってセラミックグ
リーンシート（セラミック生シート）を形成し、次に前
記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施
して所定の形状に成形するとともに必要に応じて複数枚
を積層して成形体となし、しかる後、これを約９００℃
の温度で焼成することによって製作される。 【００１７】前記枠状絶縁体２は更にその内周部から上
面にかけて導出する複数の配線層６が被着形成されてお
り、枠状絶縁体２の内周部に露出する配線層６の一端に
は半導体素子４の各電極がボンディングワイヤ７を介し
て電気的に接続され、また枠状絶縁体２の上面に導出さ
れた部位には外部電気回路と接続される外部リードピン
８が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されてい
る。 【００１８】前記配線層６は半導体素子４の各電極を外
部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タング
ステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属粉末に
より形成されている。 【００１９】前記配線層６はタングステン、モリブデ
ン、マンガン、銅、銀等の金属粉末に適当な有機バイン
ダー、溶剤等を添加混合して得られた金属ペーストを枠
状絶縁体２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等の印刷法を用いることにより
所定パターンに印刷塗布しておくことによって枠状絶縁
体２の内周部から上面にかけて被着形成される。 【００２０】なお前記配線層６はその露出する表面にニ
ッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に
優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により
被着させておくと、配線層６の酸化腐蝕を有効に防止す
ることができるとともに外部リードピン８を強固に取着
することが可能となり、前記配線層６はその露出する表
面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡
れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させ
ておくことが好ましい。 【００２１】また前記配線層６には外部リードピン８が
銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該
外部リードピン８は容器５内部に収容する半導体素子の
各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、
外部リードピン８を外部電気回路に接続することによっ
て容器５内部に収容される半導体素子４は配線層６およ
び外部リードピン８を介して外部電気回路に電気的に接
続されることとなる。 【００２２】前記外部リードピン８は鉄−ニッケル−コ
バルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材料から成り、
例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成る
インゴット（塊）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形状に形成
される。 【００２３】本発明の半導体素子収納用パッケージにお
いては、前記基体１を炭化珪素が３０乃至６０重量％、
銅が４０乃至７０重量％から成る中間層１ｃの上下両面
に炭化珪素が６５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重
量％から成る上下層１ｂ、１ｄを配した３層構造として
おくことが重要である。 【００２４】前記基体１を炭化珪素が３０乃至６０重量
％、銅が４０乃至７０重量％から成る中間層１ｃの上下
両面に炭化珪素が％６５乃至８０重量％、銅が２０乃至
３５重量％から成る上下層１ｂ、１ｄを配した３層構造
としたことから基体１の中間層１ｃの熱伝導率を２７０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとし、基体１上に載置される
半導体素子４が作動時に多量の熱を発したとしてもその
熱は基体１の半導体素子載置部１ａである上層１ｂを介
して前記中間層１ｃに伝達されると同時に該中間層１ｃ
平面方向に素早く広がらせるとともに該中間層１ｃ、下
層１ｄを順次介して外部に効率よく確実に放散させるこ
とができ、これによって半導体素子４は常に適温とな
り、半導体素子４を長期間にわたり安定かつ正常に作動
させることが可能となる。 【００２５】また前記基体１は炭化珪素が３０乃至６０
重量％、銅が４０乃至７０重量％から成る中間層１ｃの
上下両面に炭化珪素が６５乃至８０重量％、銅が２０乃
至３５重量％から成る上下層１ｂ、１ｄを配した３層構
造となし、線熱膨張係数が大きい中間層１ｃを線熱膨張
係数の小さい上下層１ｂ、１ｄで挟み込み、基体１全体
の線熱膨張係数を枠状絶縁体２の線熱膨張係数に近似す
る６．０ｐｐｍ／℃乃至８．０ｐｐｍ／℃（室温〜８０
０℃）となしたことから基体１上に枠状絶縁体２を取着
させる際や半導体素子４が作動した際において基体１と
枠状絶縁体２の両者に熱が作用したとしても基体１と枠
状絶縁体２との間には両者の線熱膨張係数の相違に起因
する大きな熱応力が発生することはなく、これによって
半導体素子４を収納する空所の気密封止が常に完全とな
り、半導体素子４を安定かつ正常に作動させることが可
能となる。 【００２６】なお前記基体１はその上下層１ｂ、１ｄの
炭化珪素の量が６５重量％未満の場合、或いは８０重量
％を超えた場合、基体１の線熱膨張係数が枠状絶縁体２
の線熱膨張係数に対して大きく相違することとなり、そ
の結果、基体１に枠状絶縁体２を強固に取着させておく
ことができなくなってしまう。従って、前記基体１の上
下層１ｂ、１ｄはそれを形成する炭化珪素の量は６５乃
至８０重量％の範囲に特定される。 【００２７】また前記中間層１ｃの炭化珪素の量が３０
重量％未満となると、言い換えれば銅が７０重量％を超
えると、基体１の線熱膨張係数が枠状絶縁体２の線熱膨
張係数に対して大きく相違して基体１に枠状絶縁体２を
強固に取着させておくことができなくなってしまい、ま
た炭化珪素の量が６０重量％を超えると、言い換えれば
銅が４０重量％未満となると中間層１ｃの熱伝導率を２
７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものと成すことができず、半
導体素子４が作動時に多量の熱を発した場合、その熱を
基体１を介して外部に完全に放散させることができなく
なり、その結果、半導体素子４を高温として半導体素子
４に熱破壊を招来させたり、特性にばらつきが生じ安定
に作動させることができなくなってしまう。従って、前
記基体１の中間層１ｃは炭化珪素が３０乃至６０重量
％、銅が４０乃至７０重量％に特定される。 【００２８】更に前記上下層１ｂ、１ｄはその組成、厚
みを略同一に形成しておくと上層１ｂと中間層１ｃの間
に発生する応力と、下層１ｄと中間層１ｃの間に発生す
る応力が相殺されて基体１の平坦度が良好となり、その
結果、基体１に枠状絶縁体２を極めて強固に接合させる
ことができ、容器５の気密封止の信頼性をより確実なも
のとして容器５内部に収納する半導体素子４の作動信頼
性を安定、確実なものと成すことができる。 【００２９】また更に前記上下層１ｂ、１ｄと中間層１
ｃの厚みは前記上下層１ｂ、１ｄの厚みをＸ、中間層１
ｃの厚みをＹとした場合、０．２５Ｙ≦Ｘ≦０．５Ｙの
範囲としておくと基体１を介して半導体素子４の発する
熱をより良好に外部に放散することができる。前記上下
層１ｂ、１ｄの厚みをＸ、中間層１ｃの厚みをＹとした
場合、０．５Ｙ＜Ｘとなると２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高
熱伝導率である中間層１ｃが薄くなり半導体素子４の発
する熱を外部に効率よく放散させることができなくなる
危険性があり、０．２５Ｙ＞Ｘとなると線熱膨張係数の
大きな中間層１ｃの基体１全体に及ぼす影響が大きくな
り、基体１の線熱膨張係数を前記枠状絶縁体２の線熱膨
張係数と近似させることが困難となる危険性があること
から、前記上下層１ｂ、１ｄと中間層１ｃの厚みは前記
上下層１ｂ、１ｄの厚みをＸ、中間層１ｃの厚みをＹと
した場合、０．２５Ｙ≦Ｘ≦０．５Ｙの範囲が望まし
い。 【００３０】なお前記３層構造の基体１は、中間層１ｃ
となる炭化珪素−銅の板体と、上下層１ｂ、１ｄとなる
炭化珪素−銅の板体とを各々準備し、前記中間層１ｃと
なる板体の上下を上下層１ｂ、１ｄとなる板体で挟み込
んだ後、銅の溶融温度（１０８３℃）より若干高い温度
で加熱しながら加圧することによって製作される。 【００３１】かくして上述の半導体素子収納用パッケー
ジによれば、基体１の半導体素子載置部１ａ上に半導体
素子４をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着
固定するとともに該半導体素子４の各電極をボンディン
グワイヤ７を介して所定の配線層６に接続させ、しかる
後、前記枠状絶縁体２の上面に蓋体３をガラス、樹脂、
ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、基体１、枠
状絶縁体２及び蓋体３とから成る容器５内部に半導体素
子４を気密に収容することによって製品としての半導体
装置となる。 【００３２】なお本発明は上述の実施例に限定されるも
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。 【００３３】 【発明の効果】本発明の半導体素子収納用パッケージに
よれば、基体を炭化珪素が３０乃至６０重量％、銅が４
０乃至７０重量％から成る中間層の上下両面に炭化珪素
が６５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重量％から成
る上下層を配した３層構造となしたことから基体の中間
層の熱伝導率を２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとし、
基体上に載置される半導体素子が作動時に多量の熱を発
したとしてもその熱は基体の半導体素子載置部である上
層を介して前記中間層に伝達されると同時に該中間層平
面方向に素早く広がらせるとともに該中間層、下層を順
次介して外部に効率よく確実に放散させることができ、
これによって半導体素子は常に適温となり、半導体素子
を長期間にわたり安定かつ正常に作動させることが可能
となる。 【００３４】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、基体を炭化珪素が３０乃至６０重量％、銅が
４０乃至７０重量％から成る中間層の上下両面に炭化珪
素が６５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重量％から
成る上下層を配した３層構造となし、線熱膨張係数が大
きい中間層を線熱膨張係数の小さい上下層で挟み込み、
基体全体の線熱膨張係数を枠状絶縁体の線熱膨張係数に
近似する６．０ｐｐｍ／℃乃至８．０ｐｐｍ／℃（室温
〜８００℃）となしたことから基体上に枠状絶縁体を取
着させる際や半導体素子が作動した際等において基体と
枠状絶縁体の両者に熱が作用したとしても基体と枠状絶
縁体との間には両者の線熱膨張係数の相違に起因する大
きな熱応力が発生することはなく、これによって半導体
素子を収納する空所の気密封止が常に完全となり、半導
体素子を安定かつ正常に作動させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施
例を示す断面図である。 【符号の説明】 １・・・・・基体 １ａ・・・・載置部 １ｂ・・・・上層 １ｃ・・・・中間層 １ｄ・・・・下層 ２・・・・・枠状絶縁体 ３・・・・・蓋体 ４・・・・・半導体素子 ５・・・・・容器 ６・・・・・配線層 ７・・・・・ボンディングワイヤ ８・・・・・外部リードピン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】上面に半導体素子が載置される載置部を有
   する基体と、該基体の上面に取着され、前記載置部を囲
   繞する枠状絶縁体と、該枠状絶縁体上に取着され、枠状
   絶縁体の内側を気密に封止する蓋体とから成る半導体素
   子収納用パッケージであって、前記枠状絶縁体は線熱膨
   張係数が６．０ｐｐｍ／℃乃至８．０ｐｐｍ／℃（室温
   〜８００℃）のセラミックスから成り、かつ前記基体は
   炭化珪素と銅とから成り、炭化珪素が３０乃至６０重量
   ％、銅が４０乃至７０重量％から成る中間層の上下両面
   に炭化珪素が６５乃至８０重量％、銅が２０乃至３５重
   量％から成る上下層を配した３層構造を有していること
   を特徴とする半導体素子収納用パッケージ。