JP2004172472A - Ceramic package and semiconductor device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板と放熱板とを一体に形成したセラミックパッケージおよびこれを用いた半導体装置に関する。より詳細には、セラミック基板と放熱板との熱膨脹差に起因してセラミック基板にクラックが生じることを防止したセラミックパッケージおよびこれを用いた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
消費電力が大きい半導体素子を搭載する半導体装置においては、半導体素子の発熱量が大きいため、半導体素子の発する熱を効率的に放出することが必要となる。半導体装置の冷却には、ファンによる放熱機構の他に、パッケージの基板に放熱板を取り付ける方法、放熱板に半導体素子を直接接合する方法等がなされている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平5−211247号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックパッケージを用いた半導体装置においては、セラミックからなる基板と金属からなる放熱板の熱膨張率が異なる。このため、半導体素子の発熱に伴うセラミック基板と放熱板の熱膨張差により、セラミック基板にクラックが生じてしまうという課題や、放熱板が反ることによりセラミックパッケージに搭載した半導体素子に悪影響を及ぼすという課題がある。
【0005】
そこで、図7に示すように、放熱板14として、セラミック基板12の熱膨張率に近似させた材料、例えば、銅タングステンや、銅モリブデン等の合金板または積層板を使用する方法や、放熱板14に熱応力を緩衝させるための緩衝溝30を形成する方法が提案されている。
このような合金板または積層板を放熱板14として用いることにより、放熱板14とセラミック基板12との間に生じる熱応力を緩和することができ、セラミック基板12と放熱板14とのろう付け部分にクラックが生じてしまう問題やセラミックパッケージ10に反りが生じるという問題を回避することができた。
しかしながら、セラミック基板の熱膨脹率と同様の熱膨脹率を有するタングステン板やモリブデン板、あるいはこれらと銅板との合金や積層板は高価な材料であり、材料費が嵩んでしまうという課題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は以上に説明した課題を解決すべく種々の検討を行った結果、放熱板に単なる銅板等のセラミック基板とは熱膨脹率が大きく異なる金属材を用いたセラミックパッケージであっても、金属板の形状を工夫すれば、セラミック基板と放熱板の熱膨張率の差異により生じる熱応力を緩和させることが可能であることに想到し、本発明を完成させた。
本発明は、次のような構成を有する。
すなわち、セラミック基板に金属からなる放熱板を接合してなるセラミックパッケージにおいて、前記放熱板の前記セラミック基板に接合された領域と反対側の面に、多数個の凹穴を形成することにより薄肉加工部分が形成されていることを特徴とするものである。
これにより、セラミック基板に接着される放熱板はそれぞれの位置において、接着部分の放熱板の板厚を変化させることができる。したがって、セラミック基板と放熱板との間に熱膨張差が生じたとしても、これによって生じた熱応力が分散されることにり、セラミック基板と放熱板との接着部分にクラックが生じることや、半導体装置に反りが生じるを防ぐことが可能になる。
【0007】
また、前記凹穴が、個別に不均一の深さ寸法に形成されていることが好ましい。
これにより、セラミック基板と放熱板との間に生じる熱応力を分散させ易くなる。
さらに、前記凹穴が、底部側に徐々に縮径するテーパー穴に形成されていることが好ましい。
これにより、プレス加工が容易に行うことができると共に、放熱板の放熱効率を向上させることができる。
また、前記薄肉加工部が、開口径が異なる凹穴により形成されていることが好ましい。
これにより、セラミック基板と放熱板との間に生じる熱応力をさらに分散させ易くなる。
さらにまた、前記凹穴が、千鳥状に配列されていることが好ましい。
これによれば、セラミックパッケージを用いた半導体装置の熱膨脹によるクラックおよび反りの発生の防止をより好適に行うことができる。
【0008】
また、前記凹穴が、プレス加工により形成されていることが好ましい。
これによれば、セラミックパッケージの製造コストを削減させることが可能になる。
また、上記のいずれかに該当するセラミックパッケージに、半導体素子が搭載されていることを特徴とする半導体装置である。
これによれば、放熱板が一体に形成されたセラミックパッケージを用いながらも、材料の相違による熱膨脹の違いに起因するクラックや反りが生じにくい半導体装置を提供することができる。また、半導体装置の歩留まりも向上させることができる。さらには、放熱板を軽量化することができ、セラミックパッケージおよび半導体装置の軽量化を図ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明に係るセラミックパッケージの好適な実施の形態を図面に従って詳細に説明する。
図1は、第1の実施の形態に係るセラミックパッケージの平面図である。図2は、セラミックパッケージの底面図であり、図3は、図2のA−A線における断面図である。
本実施の形態におけるセラミックパッケージ10は、アルミナからなるセラミック基板12と、銅板からなる放熱板14をろう付けにより互いに接着することにより形成されている。本実施の形態においては、ろう材16に銀−銅ろうが用いられているが、他のろう材を用いてもよいのはもちろんである。セラミック基板12には、平面視中央部分に貫通孔12aが形成されている。貫通孔12aが形成された部位は、放熱板14がセラミック基板12の底面に接合されることにより、半導体素子の載置部12bとなる。
半導体装置はセラミックパッケージ10の載置部12bに半導体素子をダイ付けし、半導体素子とセラミック基板12に形成されているインナーパターン12cとをワイヤボンディング等により電気的に接続することによって形成される。
【0010】
図3に示すように、本実施の形態に係るセラミックパッケージ10は、放熱板14のセラミック基板12が接合された面(領域)と反対側の面に、セラミック基板12の部材幅(W1)より若干幅広となる範囲(W2)にわたって薄肉加工部分18が形成されていることを特徴とする。この薄肉加工部分18は、多数個の凹穴20が互いに隣接して形成されることによりなっている。
凹穴20は、図2に示すように、平面形状が円形の大径穴20aと小径穴20bの異なる径寸法の2種類の凹穴20からなる。
大径穴20aは縦横の格子状に配列され、小径穴20bは隣接する大径穴20aの中間に配設されている。
【0011】
凹穴20は、例えば、先に大径穴20aを順送りプレス加工により形成した後に、小径穴20bを大径穴20aと同様に順送りプレス加工によって形成することができる。プレス加工により凹穴20を形成する際には、プレスにより排除される放熱板14の肉が、他の部分に逃げなければならないので、順送りプレス加工のように、複数回に分けて順次プレス加工して凹穴20を形成する方法が好適である。プレス加工により凹穴20の形成が終わった後、放熱板14の外端縁を所定寸法に切断して整形する。
【0012】
以上のようにして放熱板14の下面(外面)に大径穴20aと小径穴20bとを交互に配置することにより薄肉加工部分18を形成すると、放熱板14の下面の隣接する凹穴20の中間が突起22となり、多数の突起22が形成されることによって、放熱板14の表面積が増加し、放熱効率を向上させることができる。なお、突起22は、放熱板14の材厚と同じ高さに形成される。
また、放熱板14の下面に形成された凹穴20は、大径穴20aと小径穴20bとが交互に配置されて形成されているから、放熱板14の下面には、突起22が散点的に(ランダムに)形成されることになる。このことは、セラミック基板12にろう付けされている部位の放熱板14の材厚が、セラミック基板12に接する平面内で不均一となっていることを意味する。言い換えれば、放熱板14とセラミック基板12との接合部分で同一厚さとなっている部分が直線的に連続しないことを意味する。
【0013】
このように、本実施の形態における放熱板14とセラミック基板12は、同一厚さで接着されている部分が直線的に配置されないようにしたことにより、特定方向へ放熱板14が伸張することを防止し、セラミック基板12との接着部分における熱膨張差による熱応力を分散吸収させることが可能になる。
放熱板14をこのように構成することにより、セラミック基板12と銅板からなる放熱板14のように、熱膨張係数が大きく異なる材料を用いてセラミックパッケージ10を形成することができ、半導体素子(図示せず)を搭載した状態で、セラミック基板12にクラックが生じたり、放熱板14に反りが生じるといったことを防止することが可能となる。
【0014】
さらに、凹穴20は、放熱板14の下端面からセラミック基板12に近付くにつれて徐々に縮径するテーパー穴に形成されている。このように凹穴20の断面形状をテーパー状にすると、プレス加工によって凹穴20を形成する際に、放熱板14の肉の逃げ場が確保しやすくなるため、プレス加工の仕上がりが良好になる。
【0015】
本実施の形態においては、放熱板14として、幅8.3mm、長さ17.8mm、厚さ1.0mmの銅板を使用している。薄肉加工部分18の厚さは0.3mmであり、大径穴20aの直径が2.0mm、小径穴20bの直径が0.8mmである。本実施形態のセラミックパッケージ10に半導体素子を搭載した半導体装置の放熱板14の反り量δ(図3参照)を測定したところ、50μmであった。これに対し、凹穴20を形成していない単板状の同厚、同形状の銅板からなる放熱板14をセラミック基板12に接合してなるセラミックパッケージ10を用いた場合の放熱板14の反り量δは175μmであった。このことから、凹穴20を加工した放熱板14は、半導体素子搭載時における放熱板14の反りを3分の1程度に抑えることが可能となる。
【0016】
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態においては、異なる径寸法の2種類の凹穴20が放熱板14の下面に形成されたセラミックパッケージ10について説明した。ところで、凹穴20の形状は、放熱板14とセラミック基板12とが接合された部分において、放熱板14が一定方向へ伸張することを可及的に小さくすることができれば本発明の目的を達成することができる。
すなわち、薄肉加工部18は、必ずしも異なる径寸法の凹穴20によって形成される必要はなく、また、それぞれの凹穴20が千鳥状配置になっていなくてもよい。
【0017】
第2の実施の形態について、図4、図5を参照して説明する。なお、本実施の形態のセラミックパッケージ10は、凹穴20の配列のみが第1の実施の形態と異なるものであり、本実施の形態のセラミック基板12等の構成は第1の実施の形態で用いた符号と同様である。したがって、本実施の形態においてはこれらの詳細な説明を省略している。
【0018】
本実施の形態における薄肉加工部18は、図4に示すように、平面形状が同一の円形状となる凹穴20を格子状に配設したものである。本実施の形態においては、隣接する凹穴20の中間の部分の領域24が第1の実施の形態に比べて大きくなっている。すなわち、放熱板14の材積が第1の実施の形態と比較して大きくなるため、放熱効率を向上させることができるという利点がある。
【0019】
また、本実施の形態においては、図5に示すように、凹穴20の深さが不均一になるように設けている。すなわち、凹穴20の深さがランダムとなるように凹穴20を加工している。これにより、たとえ、放熱板14に規則的に凹穴20が形成されていても、3次元的にはセラミック基板12に接合される部位については放熱板14の厚さが場所によって異なることになる。したがって、セラミック基板12と放熱板14との熱膨脹の差が特定方向のみにあらわれることを防止し、熱応力を緩衝させることが可能となり、クラックや放熱板の反りが生じにくいセラミックパッケージとして得ることができる。
【0020】
以上、本発明に係るセラミックパッケージについて詳細に説明してきたが、本発明は、以上の説明した実施の形態に限定されるものではない。
例えば、凹穴20は必ずしもプレス加工で形成される必要はなく、切削等による加工により形成されてもよいのはもちろんである。
また、凹穴(プレス穴)20の平面形状は円形以外に、例えば、ハニカム形状のような形状であってもよい。
さらに、以上に説明した実施の形態においては、放熱板14に形成した凹穴20が放熱板14の範囲内で全てのプレス部分が収まっている形状になっているが、必ずしも放熱板14の範囲内に全ての凹穴20が完全に収まっている必要はない。例えば、図6に示すように、放熱板14の外周縁において凹穴20の一部形状が欠損する形状になってもよい。
また、以上の実施の形態においては、放熱板に銅板を用いた例について説明したが、銅材の他に鉄板やアルミニウム板等の他の材料を用いた場合にも同様に本発明を適用することができる。
【0021】
【発明の効果】
本発明に係るセラミックパッケージを用いることにより、以下に述べる作用効果が得られる。
すなわち、セラミック基板に接着させる放熱板に多数個の凹穴による薄肉加工部分を形成したことにより、セラミック基板と放熱板との接着部分おける放熱板の板厚を不均一にすることができる。したがって、セラミック基板と放熱板との間に熱膨張量の差異があったとしても、これにより生じる応力の逃げの部分が存在することにより、セラミック基板と放熱板との接着部分にクラックが生じることや、このセラミックパッケージを用いた半導体装置に反りが生じるを防ぐことが可能になり、歩留まりが向上する。
【0022】
また、前記多数個形成された凹穴の深さ寸法を不均一にしたことで、セラミック基板と放熱板との間に生じる熱応力を分散させ易くなる。
さらに、凹穴をテーパー穴状に形成したことにより、プレス加工が容易に行うことができると共に、放熱板の放熱効率を向上させることができる。
また、薄肉加工部分を開口径が異なる凹穴で形成したり、凹穴を千鳥配列で形成することにより、金属製の放熱板を一体に形成したセラミックパッケージを用いた半導体装置の熱膨脹によるクラックや反りの発生の防止をより好適に行うことができる。
【0023】
さらに、前記多数個形成された凹穴をプレス加工により形成することにより、セラミックパッケージの製造コストを削減させることが可能になる。
さらにまた、以上に説明したセラミックパッケージを用いた半導体装置としたことにより、クラックが発生し難く、反りが少なくすることができるので、精密な形状の半導体装置とすることができる等といった著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係るセラミックパッケージの説明平面図である。
【図2】セラミックパッケージの説明底面図である。
【図3】図2のA−A線における断面図である。
【図4】第2の実施の形態に係るセラミックパッケージの説明底面図である。
【図5】図4のA−A線における説明断面図である。
【図6】他の実施の形態の一例を示す説明底面図である。
【図7】従来の技術の一例を示す説明正面図である。
【符号の説明】
10 セラミックパッケージ
12 セラミック基板
14 放熱板
16 ろう材
18 薄肉加工部分
20 凹穴(プレス穴)
22 突起
24 隣接するプレス穴の中間の部分の領域
30 緩衝溝[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic package in which a ceramic substrate and a heat sink are integrally formed, and a semiconductor device using the same. More specifically, the present invention relates to a ceramic package that prevents a ceramic substrate from cracking due to a difference in thermal expansion between a ceramic substrate and a heat sink, and a semiconductor device using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a semiconductor device on which a semiconductor element with high power consumption is mounted, the heat generated by the semiconductor element is large, so that it is necessary to efficiently release the heat generated by the semiconductor element. For cooling the semiconductor device, a method of attaching a heat sink to a package substrate, a method of directly bonding a semiconductor element to the heat sink, and the like are used in addition to a heat dissipating mechanism using a fan (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-212247
[Problems to be solved by the invention]
However, in a semiconductor device using a ceramic package, a substrate made of ceramic and a heat radiating plate made of metal have different coefficients of thermal expansion. For this reason, the problem that cracks occur in the ceramic substrate due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the heat sink due to the heat generated by the semiconductor element, and the warp of the heat sink adversely affects the semiconductor element mounted on the ceramic package. There is a problem that.
[0005]
Therefore, as shown in FIG. 7, a method using a material approximated to the coefficient of thermal expansion of the
By using such an alloy plate or a laminated plate as the
However, a tungsten plate or a molybdenum plate having a coefficient of thermal expansion similar to that of a ceramic substrate, or an alloy or a laminate of these and a copper plate is an expensive material, and has a problem that the material cost increases.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has conducted various studies to solve the problems described above. As a result, even if a ceramic package using a metal material whose coefficient of thermal expansion is significantly different from that of a ceramic substrate such as a mere copper plate as a heat radiating plate, By devising the shape of the plate, it has been conceived that it is possible to reduce the thermal stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate and the heat sink, and thus completed the present invention.
The present invention has the following configuration.
That is, in a ceramic package in which a metal heat radiating plate is joined to a ceramic substrate, a large number of concave holes are formed on a surface of the heat radiating plate opposite to a region joined to the ceramic substrate, so that thin processing is performed. It is characterized in that a portion is formed.
Thus, the thickness of the heat radiating plate bonded to the ceramic substrate can be changed at each position. Therefore, even if there is a difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the radiator plate, the resulting thermal stress is dispersed, and a crack is generated in the bonding portion between the ceramic substrate and the radiator plate. Warpage of the semiconductor device can be prevented.
[0007]
Further, it is preferable that the concave holes are individually formed to have non-uniform depth dimensions.
This makes it easier to disperse the thermal stress generated between the ceramic substrate and the heat sink.
Further, it is preferable that the concave hole is formed in a tapered hole whose diameter gradually decreases toward the bottom.
Thereby, press working can be easily performed, and the heat radiation efficiency of the heat radiating plate can be improved.
Further, it is preferable that the thinned portion is formed by a concave hole having a different opening diameter.
This makes it easier to further disperse the thermal stress generated between the ceramic substrate and the heat sink.
Furthermore, it is preferable that the concave holes are arranged in a staggered manner.
According to this, cracks and warpage due to thermal expansion of the semiconductor device using the ceramic package can be more suitably prevented.
[0008]
Further, it is preferable that the concave hole is formed by press working.
According to this, the manufacturing cost of the ceramic package can be reduced.
Further, a semiconductor device is characterized in that a semiconductor element is mounted on a ceramic package corresponding to any of the above.
According to this, it is possible to provide a semiconductor device in which cracks and warpage due to differences in thermal expansion due to differences in materials are less likely to occur even though a ceramic package in which a heat sink is integrally formed is used. Further, the yield of the semiconductor device can be improved. Further, the weight of the heat sink can be reduced, and the weight of the ceramic package and the semiconductor device can be reduced.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
Hereinafter, preferred embodiments of a ceramic package according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of the ceramic package according to the first embodiment. FIG. 2 is a bottom view of the ceramic package, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
The
The semiconductor device is formed by attaching a semiconductor element to the
[0010]
As shown in FIG. 3, in the
As shown in FIG. 2, the
The large-
[0011]
The
[0012]
As described above, when the thin-
In addition, since the
[0013]
As described above, the
By configuring the
[0014]
Further, the
[0015]
In the present embodiment, a copper plate having a width of 8.3 mm, a length of 17.8 mm, and a thickness of 1.0 mm is used as the
[0016]
(Second embodiment)
In the first embodiment, the
That is, the thin-
[0017]
A second embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the
[0018]
As shown in FIG. 4, the thin-walled processed
[0019]
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the
[0020]
Although the ceramic package according to the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment.
For example, the
Further, the planar shape of the concave hole (press hole) 20 may be a shape such as a honeycomb shape other than the circular shape, for example.
Further, in the above-described embodiment, the
Further, in the above embodiment, the example in which the copper plate is used for the heat radiating plate has been described, but the present invention is similarly applied to a case where other materials such as an iron plate and an aluminum plate are used in addition to the copper material. be able to.
[0021]
【The invention's effect】
By using the ceramic package according to the present invention, the following operational effects can be obtained.
That is, by forming a thin-walled portion with a large number of concave holes on the heat radiating plate bonded to the ceramic substrate, the thickness of the heat radiating plate at the bonding portion between the ceramic substrate and the heat radiating plate can be made non-uniform. Therefore, even if there is a difference in the amount of thermal expansion between the ceramic substrate and the radiator plate, cracks may occur in the bonded portion between the ceramic substrate and the radiator plate due to the presence of the stress relief part caused by this. In addition, it is possible to prevent the semiconductor device using the ceramic package from being warped, thereby improving the yield.
[0022]
In addition, the unevenness in the depth of the plurality of concave holes facilitates dispersion of thermal stress generated between the ceramic substrate and the heat sink.
Further, since the concave hole is formed in a tapered shape, the press working can be easily performed, and the heat radiation efficiency of the heat radiating plate can be improved.
Also, by forming the thin-walled portions with concave holes having different opening diameters or forming the concave holes in a staggered arrangement, cracks due to thermal expansion of a semiconductor device using a ceramic package integrally formed with a metal heat sink are formed. It is possible to more suitably prevent the occurrence of warpage.
[0023]
Further, by forming the plurality of concave holes by press working, it is possible to reduce the manufacturing cost of the ceramic package.
Furthermore, the semiconductor device using the above-described ceramic package has a remarkable effect that a crack is hardly generated and warpage can be reduced, so that a semiconductor device having a precise shape can be obtained. Play.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory plan view of a ceramic package according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory bottom view of the ceramic package.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG. 2;
FIG. 4 is an explanatory bottom view of a ceramic package according to a second embodiment.
FIG. 5 is an explanatory sectional view taken along line AA of FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory bottom view showing an example of another embodiment.
FIG. 7 is an explanatory front view showing an example of a conventional technique.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
22
Claims (7)
前記放熱板の前記セラミック基板に接合された領域と反対側の面に、多数個の凹穴を形成することにより薄肉加工部分が形成されていることを特徴とするセラミックパッケージ。In a ceramic package formed by joining a metal heat sink to a ceramic substrate,
A ceramic package, wherein a thin-walled portion is formed by forming a number of concave holes on a surface of the heat sink opposite to a region joined to the ceramic substrate.
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US9685392B2 (en) | 2015-05-14 | 2017-06-20 | Mitsubishi Electric Corporation | Radiofrequency high-output device |
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