JP2003100933A - 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を有し、該載置部１ａより外部にかけて導出する半導
体素子４の各電極が接続される配線層６を有する絶縁基
体１と、前記絶縁基体１の上面に取着され、前記半導体
素子４が載置される載置部１ａを封止する蓋体２と、前
記絶縁基体１の下面に取着されている放熱体３とからな
る半導体素子収納用パッケージであって、前記絶縁基体
１は熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結
体からなり、かつ放熱体３は炭化珪素と銅とから成り、
炭化珪素が３５乃至６５重量％、銅が３５乃至６５重量
％から成る中間層３ｂの上下両面に炭化珪素が７５乃至
９０重量％、銅が１０乃至２５重量％から成る上下層３
ａ、３ｃ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、酸化アルミニウム質焼結体
から成り、上面に半導体素子が載置される載置部を有
し、該載置部から外部にかけて導出するタングステンや
モリブデン等から成る複数個の配線層を有する絶縁基体
と、前記絶縁基体の上面に取着され、前記半導体素子が
載置される載置部を封止する蓋体と、前記絶縁基体の下
面に取着されている放熱体とにより構成されており、絶
縁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配線
層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体の上面に蓋体
をガラス、樹脂、ロウ材等からなる封止材を介して接合
させ、絶縁基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】また前記絶縁基体の下面には銅−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放
熱体が取着されており、半導体素子の作動時に発する熱
を外部に良好に放散させ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】なお上述の半導体素子収納用パッケージの
放熱体として使用される銅−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
溶融させた銅を含浸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の空孔内
に溶融させた銅を含浸させる場合は焼結多孔体が８０乃
至９５重量％、銅が５乃至２０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８５乃至９５重量％、銅が５乃至１５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、絶縁基体
が酸化アルミニウム質焼結体から成り、熱伝導率が２０
Ｗ／ｍ・Ｋと低いこと、放熱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、熱伝導率が約１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程
度であること等から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
動時に発する熱は絶縁基体及び放熱体を介して外部に完
全に放出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。 【０００６】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は絶縁基体及び放熱体の熱伝導率を高いも
のとし、半導体素子が作動時に発する多量の熱を絶縁基
体及び放熱体を介して外部に良好に放出させて半導体素
子を常に適温となし半導体素子を常に正常、かつ安定に
作動させることができる半導体素子収納用パッケージを
提供することにある。 【０００７】 【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し、該載置部より外部にか
けて導出する半導体素子の各電極が接続される配線層を
有する絶縁基体と、前記絶縁基体の上面に取着され、前
記半導体素子が載置される載置部を封止する蓋体と、前
記絶縁基体の下面に取着されている放熱体とからなる半
導体素子収納用パッケージであって、前記絶縁基体は熱
伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体から
なり、かつ放熱体は炭化珪素と銅とから成り、炭化珪素
が３５乃至６５重量％、銅が３５乃至６５重量％から成
る中間層の上下両面に炭化珪素が７５乃至９０重量％、
銅が１０乃至２５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。 【０００８】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、絶縁基体を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラ
ミックス焼結体で、放熱体を炭化珪素が３５乃至６５重
量％、銅が３５乃至６５重量％から成る中間層の上下両
面に炭化珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５
重量％から成る上下層を配した３層構造とし、各々の熱
伝導率を高いものとしたことから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絶縁基体及び放熱体
を介して外部に効率よく放散され、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。 【０００９】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、放熱体を炭化珪素が３５乃至６５重量％、銅
が３５乃至６５重量％から成る中間層の上下両面に炭化
珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５重量％か
ら成る上下層を配した３層構造としたことから、放熱体
の線熱膨張係数を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラ
ミックス焼結体からなる絶縁基体の線熱膨張係数に近似
させたことから絶縁基体の下面に放熱体を取着させる際
や半導体素子が作動した際等において絶縁基体と放熱体
の両者に熱が作用したとしても絶縁基体と放熱体との間
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、これによって放熱体を絶縁基体
に割れやクラックを発生させることなく強固に取着させ
て半導体素子が作動時に発する熱を常に外部に良好に放
出させることが可能となる。 【００１０】 【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る。図
１において、１は絶縁基体、２は蓋体、３は放熱体であ
る。この絶縁基体１と蓋体２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。 【００１１】前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３
が載置される載置部１ａを有する凹部が形成されてお
り、該凹部底面の載置部１ａに半導体素子４がガラス、
樹脂、ロウ材等の接着材を介して接着固定される。 【００１２】前記絶縁基体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
に発する熱を吸収して後述する放熱体３に良好に伝達さ
せる作用をなし、窒化アルミニウム質焼結体や炭化珪素
質焼結体、窒化珪素質焼結体等の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ
・Ｋ以上のセラミックス焼結体により形成されている。 【００１３】前記絶縁基体１は例えば、窒化アルミニウ
ム質焼結体から成る場合には窒化アルミニウム、酸化珪
素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化イットリ
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。 【００１４】また前記絶縁基体１は凹部の内側から外側
にかけて導出する複数個の配線層６が形成されており、
凹部内側の領域には半導体素子４の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、また外側に導出す
る領域には外部電気回路に接続される外部リード端子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。 【００１５】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。 【００１６】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絶
縁基体１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絶縁基体１
の凹部内側から外側にかけて被着形成される。 【００１７】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配線層６への外部リード端子８
のロウ付けを強固となすことができる。従って、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〜２
０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。 【００１８】また前記配線層６には外部リード端子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
外部リード端子８は容器５内部に収容する半導体素子４
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、外部リード端子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
および外部リード端子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。 【００１９】前記外部リード端子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。 【００２０】更に前記絶縁基体１はその下面に放熱体３
が取着されており、該放熱体３は半導体素子４が作動時
に発した熱を絶縁基体１を介して吸収するとともに吸収
した熱を大気中に放出する作用をなし、炭化珪素−銅に
より形成されている。 【００２１】前記炭化珪素−銅より成る放熱体３は、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。 【００２２】また前記放熱体３の絶縁基体１下面への取
着は絶縁基体１の下面に予め金属層を形成しておき、該
金属層と放熱体３とを銀ロウ等のロウ材を介しロウ付け
することによって行われる。 【００２３】また更に前記絶縁基体１はその上面に蓋体
２がガラス、樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合さ
れ、これによって絶縁基体１と蓋体２とから成る容器５
内部に半導体素子４が気密に収容されることとなる。 【００２４】前記蓋体２はセラミックス製の板材や鉄−
ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材
から成る板材により形成されている。 【００２５】かくして上述の半導体素子収納用パッケー
ジによれば、絶縁基体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、前記絶縁基体１の上面に蓋体２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、絶縁基
体１と蓋体２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。 【００２６】本発明の半導体素子収納用パッケージにお
いては、絶縁基体１を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
セラミックス焼結体で形成しておくことが重要である。 【００２７】前記絶縁基体１を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上のセラミックス焼結体で形成しておくと半導体素
子４が作動時に発した多量の熱は絶縁基体１を介して放
熱体３に効率よく伝達され、これによって半導体素子４
は常に適温と成り、半導体素子４を常に正常、かつ安定
に作動させることができる。 【００２８】なお、前記絶縁基体１はその熱伝導率が７
０Ｗ／ｍ・Ｋ未満となると半導体素子４が作動時に発し
た多量の熱を放熱体３に効率よく伝達させることができ
なくなり、その結果、半導体素子４が該素子自身の発す
る熱によって高温となり、熱破壊や特性に熱劣化等を招
来してしまう。従って、前記絶縁基体１はその熱伝導率
が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体に特定され
る。 【００２９】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
においては、前記放熱体３を炭化珪素が３５乃至６５重
量％、銅が３５乃至６５重量％から成る中間層３ｂの上
下両面に炭化珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至
２５重量％から成る上下層３ａ、３ｃを配した３層構造
としておくことが重要である。 【００３０】前記放熱体３を炭化珪素が３５乃至６５重
量％、銅が３５乃至６５重量％から成る中間層３ｂの上
下両面に炭化珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至
２５重量％から成る上下層３ａ、３ｃを配した３層構造
とした場合、放熱体３の絶縁基体１と当接する中間層３
ｂの熱伝導率を２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとし、
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
熱は放熱体３の上層３ａを介して前記中間層３ｂに伝達
されると同時に該中間層３ｂ平面方向に素早く広がらせ
るとともに該中間層３ｂ、下層３ｃ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。 【００３１】更に前記放熱体３は炭化珪素が３５乃至６
５重量％、銅が３５乃至６５重量％から成る中間層３ｂ
の上下両面に炭化珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０
乃至２５重量％から成る上下層３ａ、３ｃを配した３層
構造となし、線熱膨張係数が大きい中間層３ｂを線熱膨
張係数の小さい上下層３ａ、３ｃで挟み込み放熱体３全
体の線熱膨張係数を絶縁基体１の線熱膨張係数に近似す
る５ｐｐｍ／℃乃至７．５ｐｐｍ／℃（室温〜８００
℃）となしたことから、絶縁基体１に放熱体３を取着さ
せる際や半導体素子４が作動した際において絶縁基体１
と放熱体３の両者に熱が作用したとしても絶縁基体１と
放熱体３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、これによって放
熱体３を絶縁基体１に割れやクラックを発生させること
なく強固に取着させて半導体素子４が作動時に発する熱
を常に外部に良好に放出させることができる。 【００３２】なお前記放熱体３はその上下層３ａ、３ｃ
の炭化珪素の量が７５重量％未満の場合、或いは９０重
量％を超えた場合、放熱体３の線熱膨張係数が絶縁基体
１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、絶縁基体１に放熱体３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、前記放熱体３
の上下層３ａ、３ｃはそれを形成する炭化珪素の量は７
５乃至９０重量％の範囲に特定される。 【００３３】また前記中間層３ｂの炭化珪素の量が３５
重量％未満となると、言い換えれば銅が６５重量％を超
えると、放熱体３の線熱膨張係数が絶縁基体１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、
絶縁基体１に放熱体３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６５重量％を
超えると、言い換えれば銅が３５重量％未満となると中
間層３ｂの熱伝導率を２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いもの
と成すことができなくなり、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４を収容した場合、半導体素子４が作動時
に発する熱は放熱体３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
つきを生じ安定に作動させることができなくなる。従っ
て、前記放熱体３の中間層３ｂは炭化珪素が３５乃至６
５重量％、銅が３５乃至６５重量％に特定される。 【００３４】更に前記上下層３ａ、３ｃはその組成、厚
みを略同一に形成しておくと上層３ａと中間層３ｂの間
に発生する応力と下層３ｃと中間層３ｂの間に発生する
応力が相殺されて放熱体３の平坦度が良好となり、その
結果、絶縁基体１に放熱体３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がより確実なも
のとなり、容器５内部に収納する半導体素子４の作動信
頼性をより安定、確実なものと成すことができる。 【００３５】また更に前記上下層３ａ、３ｃと中間層３
ｂの厚みは前記上下層３ａ、３ｃの厚みをＸ、中間層３
ｂの厚みをＹとした場合、０．２５Ｙ≦Ｘ≦０．５Ｙの
範囲としておくと放熱体３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３ａ、３ｃの厚みをＸ、中間層３ｂの厚みをＹとし
た場合、０．５Ｙ＜Ｘとなると２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
高熱伝導率である中間層３ｂ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す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３ｂの放熱体３全体に及ぼす影響が大きく
なり、放熱体３の線熱膨張係数を前記絶縁基体１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３ａ、３ｃと中間層３ｂの厚みは前
記上下層３ａ、３ｃの厚みをＸ、中間層３ｂの厚みをＹ
とした場合、０．２５Ｙ≦Ｘ≦０．５Ｙの範囲が望まし
い。 【００３６】なお前記３層構造の放熱体３は、中間層３
ｂとなる炭化珪素−銅の板体と、上下層３ａ、３ｃとな
る炭化珪素−銅の板体とを各々準備し、前記中間層３ｂ
となる板体の上下を上下層３ａ、３ｃ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。 【００３７】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。 【００３８】 【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、絶縁基体を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセ
ラミックス焼結体で、放熱体を炭化珪素が３５乃至６５
重量％、銅が３５乃至６５重量％から成る中間層の上下
両面に炭化珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２
５重量％から成る上下層を配した３層構造とし、各々の
熱伝導率を高いものとしたことから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絶縁基体及び放熱
体を介して外部に効率よく放散され、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。 【００３９】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、放熱体を炭化珪素が３５乃至６５重量％、銅
が３５乃至６５重量％から成る中間層の上下両面に炭化
珪素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５重量％か
ら成る上下層を配した３層構造としたことから、放熱体
の線熱膨張係数を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラ
ミックス焼結体からなる絶縁基体の線熱膨張係数に近似
させたことから絶縁基体の下面に放熱体を取着させる際
や半導体素子が作動した際等において絶縁基体と放熱体
の両者に熱が作用したとしても絶縁基体と放熱体との間
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、これによって放熱体を絶縁基体
に割れやクラックを発生させることなく強固に取着させ
て半導体素子が作動時に発する熱を常に外部に良好に放
出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・・・・・絶縁基体 １ａ・・・・載置部 ２・・・・・蓋体 ３・・・・・放熱体 ３ａ・・・・上層 ３ｂ・・・・中間層 ３ｃ・・・・下層 ４・・・・・半導体素子 ５・・・・・容器 ６・・・・・配線層

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
   し、該載置部より外部にかけて導出する半導体素子の各
   電極が接続される配線層を有する絶縁基体と、前記絶縁
   基体の上面に取着され、前記半導体素子が載置される載
   置部を封止する蓋体と、前記絶縁基体の下面に取着され
   ている放熱体とからなる半導体素子収納用パッケージで
   あって、前記絶縁基体は熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
   のセラミックス焼結体からなり、かつ放熱体は炭化珪素
   と銅とから成り、炭化珪素が３５乃至６５重量％、銅が
   ３５乃至６５重量％から成る中間層の上下両面に炭化珪
   素が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５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。