JP2004235262A

JP2004235262A - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置

Info

Publication number: JP2004235262A
Application number: JP2003019485A
Authority: JP
Inventors: Junro Yoneda; 淳郎米田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】半導体素子を気密に収納し、半導体素子から発生する熱を十分に放散できる半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体素子収納用パッケージは、半導体素子４が載置される載置部１ａが形成された基体１と、基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するように取着され、一つの側部とそれに対向する他の側部のそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子３の取付部２ａを有する枠体２と、取付部２ａに嵌着された、枠体２の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミックス製の入出力端子３とを具備しており、基体１は、上側主面の枠体２の外周面によって囲まれる部位のうち入出力端子３の下方の部位に、取付部２ａが形成された側部に平行な複数の第一の溝Ａが設けられており、上側主面の枠体２よりも外側の部位に枠体２の外周面に平行な複数の第二の溝Ｂが設けられている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を収納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し、気密信頼性に優れるとともに熱放散性に優れた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】
従来の半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージ（以下、パッケージともいう）を図３、４に示す。図３はパッケージの平面図、図４は図３のパッケージの断面図である。これらの図において、２１は基体、２２は枠体、２３は入出力端子を示し、これら基体２１、枠体２２、入出力端子２３で、内部空間に半導体素子２４を収容する容器が基本的に構成される。
【０００３】
基体２１は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属から成り、その上側主面の外周部には、載置部２１ａを囲繞するようにして接合された枠体２２が立設されている。この枠体２２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、基体２１に銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【０００４】
枠体２２は、一つの側部とそれに対向する他の側部のそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子２３の取付部２２ａが形成されている。そして、枠体２２の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体等のセラミックス製の入出力端子２３が取付部２２ａ、および基体２１にＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介してロウ付けされる（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００５】
このようなパッケージは、以下の製造方法により作製される。基体２１の上側主面に枠体２２の下面と同じ形状のロウ材のプリフォームを枠体２２で挟むようにして敷設し、ロウ付け炉でロウ材を溶融させることによって、基体２１と枠体２２とが接合される。同時に、取付部２２ａと入出力端子２３との隙間に毛細管現象でロウ材が流れ込み、枠体２２と入出力端子２３とが接合される。
【０００６】
そして、パッケージの載置部２１ａに半導体素子２４を載置し、ボンディングワイヤ等で半導体素子２４の電極と入出力端子３に被着形成されているメタライズ配線層とを電気的に接続した後、枠体２２の上面に蓋体２５をロウ付け法，シームウエルド法等の溶接法等によって取着し、基体２１、枠体２２および蓋体２５から成る容器内部に半導体素子２４を収容して気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２１７３３３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成においては、基体２１の上側主面に枠体２２の下面と同じ形状のロウ材のプリフォームを枠体２２で挟むようにして敷設し、ロウ付け炉でロウ材を溶融させると、ロウ材が基体２１の上側主面の様々な方向に流出するためにロウ材が不足し、取付部２２ａと入出力端子２３との隙間を毛細管現象により完全にロウ材で埋め込むことができず、気密性を損ない易くなるという問題点を有していた。また、ロウ材が溶融する際、ロウ材が基体２１の上側主面に容易に濡れ広がるために気泡を巻き込み易くなり、その結果、取付部２２ａと入出力端子２３との接合部にボイドが発生して接合強度が弱くなり、接合信頼性が低下するという問題点を有していた。それらの結果、半導体素子２４を気密に収容できなくなり、半導体素子２４が誤作動等を起こし正常に作動しなくなるという問題点を有していた。
【０００９】
さらに、ロウ材が基体２１の上側主面を方向性なく濡れ広がるので、基体２１と枠体２２との間に形成されるロウ材のメニスカスの大きさが部位によって異なることとなる。このような場合、部位によってロウ材の熱膨張がばらつくため、基体２１に反りや変形が生じることにより載置部２１ａと半導体素子２４との間に剥離が生じ、その結果、半導体素子２４から発生した熱を基体２１を介して外部に良好に発散させることができなくなる。これらの結果、半導体素子２４の温度が上昇し、半導体素子２４が誤作動等を起こし正常に作動しなくなるという問題点があった。
【００１０】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、半導体素子を気密に収納し、半導体素子から発生する熱を十分に放散することができる半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子が載置される載置部が形成された四角平板状の金属製の基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように取着され、一つの側部とそれに対向する他の側部のそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子の取付部を有する、外径寸法が前記基体よりも小さい四角形状の金属製の枠体と、前記取付部に嵌着された、前記枠体の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミックス製の入出力端子とを具備しており、前記基体は、前記上側主面の前記枠体の外周面によって囲まれる部位のうち前記入出力端子の下方の部位に、前記取付部が形成された前記側部に平行な複数の第一の溝が設けられており、前記上側主面の前記枠体よりも外側の部位に前記枠体の外周面に平行な複数の第二の溝が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、基体の上側主面の枠体の外周面によって囲まれる部位のうち入出力端子の下方の部位に、取付部が形成された側部に平行な複数の第一の溝が設けられており、上側主面の枠体よりも外側の部位に枠体の外周面に平行な複数の第二の溝が設けられていることから、基体の上側主面に枠体の下面形状と同じ形状のロウ材のプリフォームを枠体で挟むようにして敷設し、ロウ付け炉でロウ材を溶融させた際、第一の溝によってロウ材が入出力端子から遠ざかるように流出するのを効果的に抑制することができるため、より多量のロウ材を毛細管現象により取付部と入出力端子との隙間に入り込ませることができ、半導体素子収納用パッケージの気密性をより向上させることができる。また、基体の上側主面の入出力端子の周囲においてはロウ材が濡れ広がり難くなるため、ロウ材に気泡が混入するのを有効に抑制することができ、入出力端子と取付部との接合強度を向上させることができる。
【００１３】
さらに、基体と枠体の間に形成されるロウ材のメニスカスの大きさをほぼ均一にすることができ、基体に反りや変形が生じるのを抑制して載置部と半導体素子とを強固に載置固定することができる。従って、半導体素子と載置部との間に剥離が生じ難くなり、半導体素子から発生する熱を基体を介して外部に良好に発散させることができる。
【００１４】
また、第二の溝によってロウ材が枠体の外側に流出するのを効果的に抑制することができるため、枠体と基体との接合強度も効果的に向上することができる。
【００１５】
これらの結果、半導体素子を気密に収容させるとともに、半導体素子の温度が上昇するのを防止し、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００１６】
本発明の半導体装置は、上記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することを特徴とする。
【００１７】
本発明の半導体装置は、上記構成により、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた放熱性に優れるとともに気密信頼性の高いものとなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のパッケージについて実施の形態の一例を示す平面図、図２は図１のパッケージの断面図である。これらの図において、１は基体、２は枠体、３は入出力端子を示し、これら基体１、枠体２、入出力端子３とで、内部空間に半導体素子４を収容する容器が基本的に構成される。
【００１９】
本発明のパッケージは、図１、図２に示すように、上側主面に半導体素子４が載置される載置部１ａが形成された四角平板状の金属製の基体１と、この基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するように取着され、一つの側部とそれに対向する他の側部にそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子３の取付部２ａを有する、外径寸法が基体１よりも小さい四角形状の金属製の枠体２と、取付部２ａに嵌着された、枠体２の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミックス製の入出力端子３とを具備しており、基体１の上側主面の枠体２の外周面によって囲まれる部位のうち入出力端子３の下方の部位に、取付部２ａが形成された側部に平行（即ち、側部の外周面に平行）な複数の第一の溝Ａが設けられており、上側主面の枠体２よりも外側の部位に枠体２の外周面に平行な複数の第二の溝Ｂが設けられている。
【００２０】
本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ，Ｃｕ−タングステン（Ｗ）等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施したり、射出成形と切削加工等を施すことによって四角平板状の所定形状に製作される。基体１の上側主面には、半導体素子４を載置する載置部１ａが設けられている。この基体１は、半導体素子４が作動時に発する熱を外部に放熱させる放熱板の役割をも果たす。
【００２１】
なお、基体１の表面には、酸化腐食の防止や半導体素子４のロウ付け等による載置固定を良好にするために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層や厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層から成る金属層をめっき法等により被着させておくとよい。また、半導体素子４の熱を効率よく外部へ放熱させるために、半導体素子４がペルチェ素子等の熱電冷却素子（図示せず）に搭載された状態で載置部１ａに載置固定されていてもよい。
【００２２】
また、基体１の上側主面の外周部には、載置部１ａ囲繞するようにしてＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して取着された、外径寸法が基体１よりも小さい四角形状の枠体２が立設されており、枠体２は基体１とともにその内側に半導体素子４を収容する空所を形成する。枠体２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ，Ｃｕ−Ｗ等の金属から成る枠状体であり、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施したり、射出成形と切削加工等を施すことによって所定形状に製作され、基体１にＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して接続される。また、枠体２の表面には、酸化腐食の防止や取付部２ａに入出力端子３のロウ付け等による嵌着を良好にするために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層や厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層から成る金属層をめっき法等により被着させておくとよい。
【００２３】
また、枠体２には、一つの側部とそれに対向する他の側部にそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子３の取付部２ａが形成されている。そして、入出力端子３が枠体２の取付部２ａにＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【００２４】
入出力端子３は、上面に一辺から対向する他辺にかけて形成された枠体２の内外を導通するメタライズ配線層を有する四角平板状の平板部およびこの平板部の上面にメタライズ配線層の一部を間に挟んで接合された直方体状の立壁部とから構成され、枠体２の側部に設けられた取付部２ａにＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【００２５】
入出力端子３を構成する上記の平板部および立壁部は、Ａｌ_２Ｏ_３質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等のセラミックスから成り、セラミックグリーンシートを打ち抜き加工し、これらのセラミックグリーンシートを多層積層し焼成することによって形成される。
【００２６】
入出力端子３の平板部の上面に設けられたメタライズ配線層は、Ｗ，モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の導体ペーストを焼成することにより形成されている。枠体２外側のメタライズ配線層には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成るリード端子がＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して電気的に接続されていてもよい。
【００２７】
また、基体１の上側主面の枠体２の外周面によって囲まれる部位のうち入出力端子３の下方の部位に、取付部２ａが形成された側部に平行な複数の第一の溝Ａが設けられており、上側主面の枠体２よりも外側の部位に枠体２の外周面に平行な複数の第二の溝Ｂが設けられている。
【００２８】
これにより、基体１の上側主面に枠体２の下面形状と同じ形状のロウ材のプリフォームを枠体２で挟むようにして敷設し、ロウ付け炉でロウ材を溶融させた際、第一の溝Ａによってロウ材が入出力端子３から遠ざかるように流出するのを効果的に抑制することができるため、より多量のロウ材を毛細管現象により取付部２ａと入出力端子３との隙間に入り込ませることができ、パッケージの気密性をより向上させることができる。また、基体１の上側主面の入出力端子３の周囲においてはロウ材が濡れ広がり難くなるため、ロウ材に気泡が混入するのを有効に抑制することができ、入出力端子３と取付部２ａとの接合強度を向上させることができる。
【００２９】
さらに、基体１と枠体２の間に形成されるロウ材のメニスカスの大きさをほぼ均一にすることができ、基体１に反りや変形が生じるのを抑制して載置部１ａと半導体素子４とを強固に載置固定することができる。従って、半導体素子４と載置部１ａとの間に剥離が生じ難くなり、半導体素子４から発生する熱を基体１を介して外部に良好に発散させることができる。
【００３０】
また、第二の溝Ｂによってロウ材が枠体２の外側に流出するのを効果的に抑制することができるため、枠体２と基体１との接合強度も効果的に向上することができる。
【００３１】
これらの結果、半導体素子４を気密に収容させるとともに、半導体素子４の温度が上昇するのを防止し、半導体素子４を長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００３２】
第一の溝Ａおよび第二の溝Ｂは、基体１の上側主面をサンドペーパー等で一定方向に擦ることによって、切削加工によって、あるいはエッチングによって作製することができる。このようにして基体１に形成された第一の溝Ａおよび第二の溝Ｂは、酸化防止のためやロウ材との密着強度を高めるためにＮｉ層やＡｕ層から成る金属層をめっき法等により被着させるのがよい。
【００３３】
このような第一の溝Ａおよび第二の溝Ｂの深さは、溝方向に対して直角方向に表面粗さ測定を行なったときの、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１〜３μｍであるのがよい。この構成により、第一の溝Ａおよび第二の溝Ｂの方向に直交する方向にロウ材が流出するのを効果的に抑制することができる。Ｒａ＜０．１μｍであると、第一の溝Ａおよび第二の溝Ｂが浅すぎるため、溶融したロウ材の流れを制御するのが困難となり易い。また、Ｒａ＞３μｍであると、第一の溝Ａおよび第二の溝Ｂが深すぎるため、ロウ材が溝方向に流れ易くなりすぎて、ロウ材が入出力端子３と取付部２ａとの隙間に入り込み難くなる。
【００３４】
また、第一の溝Ａは、枠体２の外周面によって囲まれる部位全面に形成されていてもよい。これにより載置部１ａに半導体素子４を接合する際、アンカー効果により載置部１ａとロウ材との密着強度が大きくなり、半導体素子４を強固に基体１に接合することができる。
【００３５】
上記構成のパッケージの載置部１ａに半導体素子４を載置固定した後、半導体素子４の電極と入出力端子３のメタライズ配線層の枠体２内側の部位とをボンディングワイヤで電気的に接続し、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体５をシーム溶接法等の溶接法等により取着し、半導体素子４を気密に封止することにより、製品としての半導体装置となる。
【００３６】
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内で種々の変更を施すことは何等支障ない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子が載置される載置部が形成された四角平板状の金属製の基体と、この基体の上側主面の外周部に載置部を囲繞するように取着され、一つの側部とそれに対向する他の側部のそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子の取付部を有する、外径寸法が基体よりも小さい四角形状の金属製の枠体と、取付部に嵌着された、枠体の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミックス製の入出力端子とを具備しており、基体は、上側主面の枠体の外周面によって囲まれる部位のうち入出力端子の下方の部位に、取付部が形成された側部に平行な複数の第一の溝が設けられており、上側主面の枠体よりも外側の部位に枠体の外周面に平行な複数の第二の溝が設けられていることから、基体の上側主面に枠体の下面形状と同じ形状のロウ材のプリフォームを枠体で挟むようにして敷設し、ロウ付け炉でロウ材を溶融させた際、第一の溝によってロウ材が入出力端子から遠ざかるように流出するのを効果的に抑制することができるため、より多量のロウ材を毛細管現象により取付部と入出力端子との隙間に入り込ませることができ、半導体素子収納用パッケージの気密性をより向上させることができる。また、基体の上側主面の入出力端子の周囲においてはロウ材が濡れ広がり難くなるため、ロウ材に気泡が混入するのを有効に抑制することができ、入出力端子と取付部との接合強度を向上させることができる。
【００３８】
さらに、基体と枠体の間に形成されるロウ材のメニスカスの大きさをほぼ均一にすることができ、基体に反りや変形が生じるのを抑制して載置部と半導体素子とを強固に載置固定することができる。従って、半導体素子と載置部との間に剥離が生じ難くなり、半導体素子から発生する熱を基体を介して外部に良好に発散させることができる。
【００３９】
また、第二の溝によってロウ材が枠体の外側に流出するのを効果的に抑制することができるため、枠体と基体との接合強度も効果的に向上することができる。
【００４０】
これらの結果、半導体素子を気密に収容させるとともに、半導体素子の温度が上昇するのを防止し、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００４１】
本発明の半導体装置は、上記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することにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた放熱性に優れるとともに気密信頼性の高いものとなる。
【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について実施の形態の例を示す平面図である。
【図２】図１の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの平面図である。
【図４】図３の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：取付部
３：入出力端子
４：半導体素子
Ａ：第一の溝
Ｂ：第二の溝

Claims

上側主面に半導体素子が載置される載置部が形成された四角平板状の金属製の基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように取着され、一つの側部とそれに対向する他の側部のそれぞれ下側を切り欠いて形成された入出力端子の取付部を有する、外径寸法が前記基体よりも小さい四角形状の金属製の枠体と、前記取付部に嵌着された、前記枠体の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミックス製の入出力端子とを具備しており、前記基体は、前記上側主面の前記枠体の外周面によって囲まれる部位のうち前記入出力端子の下方の部位に、前記取付部が形成された前記側部に平行な複数の第一の溝が設けられており、前記上側主面の前記枠体よりも外側の部位に前記枠体の外周面に平行な複数の第二の溝が設けら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１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することを特徴とする半導体装置。