JP2004247514A - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子が作動する際に発する熱を大気中に効果的に放散できない。
【解決手段】半導体素子１１の搭載部を有する放熱部材１と、その上面に取着された、配線導体６を有する絶縁枠体５と、放熱部材１と絶縁枠体５とからなる凹部５ａに半導体素子１１を封止する封止樹脂１０が注入される半導体素子収納用パッケージ８であって、放熱部材１は、タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る枠状の基体２の中央部に銅から成る貫通金属体３が埋設されているとともに、それらの上下面に銅層４が接合されており、貫通金属体３は、上面の大きさが半導体素子１１の大きさと同等であり、下面が上面より大きくなっている。放熱部材１の熱伝導が良好であるため、半導体素子１１の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は良好な放熱特性の放熱構造を有する半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置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、一般に酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成る絶縁枠体と、半導体素子が搭載されてその動作時に発生する熱を外部もしくは大気中に良好に放散させるための銅とタングステンとの合金材料または銅とモリブデンとの合金材料から成る放熱部材と蓋体とから構成されており、放熱部材の上面の半導体素子の搭載部を取り囲むように絶縁枠体が配置されているとともに、これら絶縁枠体および放熱部材によって形成される凹部の内側から外表面にかけて、タングステン・モリブデン・マンガン・銅・銀等から成る複数の配線導体が絶縁枠体に被着され導出されている。そして、放熱部材の上面の搭載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、この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導体に電気的に接続し、しかる後、絶縁枠体に蓋体をガラス・樹脂・ロウ材等から成る封止材を介して接合し、放熱部材と絶縁枠体と蓋体とから成る容器の内部に半導体素子を収容することによって製品としての半導体装置となる。この半導体装置は、さらに放熱効率を向上させるために、ねじ止め等によって外部放熱板に搭載される場合もある。
【０００３】
このようなタングステンと銅との合金材料等から成る放熱部材を具備した半導体素子収納用パッケージは、放熱部材の熱伝導率が高く、なおかつ放熱部材の熱膨張係数が半導体素子の構成材料であるシリコン・ガリウム砒素やパッケージの構成材料として使われるセラミック材料等と熱膨張係数が近似することから、パワーＩＣや高周波トランジスタ等の高発熱半導体素子を搭載する半導体素子収納用パッケージとして注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、パワーＩＣや高周波トランジスタの高集積化に伴う発熱量の増大によって、現在では３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を持つ放熱部材が求められている。しかしながら、前述のタングステンと銅との合金材料またはモリブデンと銅との合金材料から成る放熱部材の熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度とその要求に対して低いため、放熱特性が不十分になりつつあるという問題がある。
【０００５】
これに対し、タングステンと銅とがマトリクス状に構成された複合材料から成る放熱部材を用いることが提案されている。
【０００６】
しかしながら、このタングステンと銅とがマトリクス状に構成された複合材料から成る放熱部材を用いた半導体素子収納用パッケージでは、タングステンは熱伝導率・熱膨張係数が共に低く、銅は熱伝導率・熱膨張係数が共に高いため、銅の含有量を増加させるに従って放熱部材の熱伝導率・熱膨張率を共に増加させることができるものの、熱伝導率を向上させるために銅の含有量を増加させると、半導体素子と放熱部材との熱膨張係数の差が大きくなり、半導体素子を放熱部材に強固に接合することができなくなってしまうという問題が発生する。
【０００７】
本発明は上記従来の技術における問題に鑑み案出されたものであり、その目的は、半導体素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、かつ半導体素子を放熱部材に強固に接着させることが可能な半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置を提供することにある。
【０００８】
【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、タングステンまたはモリブデンおよび銅のマトリクスから成り、上面の中央部に半導体素子が接着されて搭載される搭載部を有する放熱部材と、この放熱部材の上面に前記搭載部を取り囲んで取着された、前記搭載部周辺から外表面に導出される複数の配線導体を有する絶縁枠体とを具備し、前記放熱部材と前記絶縁枠体とからなる凹部に前記半導体素子を封止する封止樹脂が注入される半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱部材は、タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る枠状の基体の中央部の上面から下面にかけて銅から成る貫通金属体が埋設されているとともに、前記基体および前記貫通金属体の上下面を覆ってそれぞれ銅層が接合されており、前記貫通金属体は、上面の大きさが前記半導体素子の大きさと同等であり、下面が前記上面より大きい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、放熱部材を構成するタングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る枠状の基体の半導体素子の搭載部に対応する中央部に、半導体素子の搭載部側の上面から背面側の下面にかけて貫通する銅から成る貫通金属体を埋設したことから、タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスのみで形成された従来の放熱部材に比べて、半導体素子の搭載部の下により多くの銅から成る高熱伝導部分を配置することができ、その際、貫通金属体は、上面の大きさが半導体素子の大きさと同等であり、下面が上面より大きくなっていることから、半導体素子で発生した熱を上面の半導体素子の搭載部から下面へと垂直な方向により多く伝えることができるとともに、貫通金属体内においても半導体素子の大きさに対して下面に向かってより大きな範囲で水平な方向への熱の広がりを持たせることが可能となり、その結果、半導体素子が発生する熱をこの放熱部材を介して大気中あるいは外部放熱板に良好に放散することができる。
【００１０】
さらに、放熱部材の半導体素子の搭載部の下方に埋設された、基体の上面から下面にかけて貫通する銅から成る貫通金属体の上下面を、基体および貫通金属体の上下面にそれぞれこれらを覆って接合されている銅層と直接接合していることから、これら銅層と銅から成る貫通金属体とにより半導体素子で発生する熱の放熱部材内における伝達を極めて良好なものとすることができる。
【００１１】
また、貫通金属体は、それ自体の材質として熱膨張は大きいが、放熱部材を構成している貫通金属体以外の部分の基体については半導体素子の材料であるシリコン・ガリウム砒素等と同等な熱膨張率を有するタングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成ることから、半導体素子の搭載部の熱膨張は周囲の枠状の基体の熱膨張に規制されることとなり、放熱部材における銅の占める割合が多いにもかかわらず、半導体素子の搭載部の水平方向への熱膨張が抑制される。これらの結果、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に搭載して作動させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、上記構成の本発明の半導体素子収納用パッケージの前記搭載部に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子の電極と前記配線導体とを電気的に接続し、前記放熱部材と前記絶縁枠体とからなる凹部に前記搭載部を覆うように前記封止樹脂を注入して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の半導体装置によれば、上記構成の本発明の半導体素子収納用パッケージの搭載部に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子の電極と配線導体とを電気的に接続し、前記放熱部材と前記絶縁枠体とからなる凹部に搭載部を覆うように半導体素子を封止する封止樹脂を注入して成ることから、以上のような本発明の半導体素子収納用パッケージの特長を備えた、半導体素子の放熱部材への接合が強固で、放熱特性が極めて良好な、長期にわたって安定して半導体素子を作動させることができる半導体装置を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は放熱部材、２は放熱部材１の基体、３は貫通金属体、４（４ａ・４ｂ）は銅層、５は絶縁枠体、５ａは凹部、６は配線導体、７はリード端子、１０は封止樹脂である。これら放熱部材１と絶縁枠体５と封止樹脂１０とで半導体素子１１を収納する半導体素子収納用パッケージ８が構成される。また、この放熱部材１の搭載部に半導体素子１１を搭載した後に、放熱部材１と絶縁枠体５とからなる凹部５ａに搭載部を覆うように封止樹脂１０を注入して半導体素子１１を封止することにより、本発明の半導体装置１４が構成される。
【００１６】
絶縁枠体５は酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等から成り、ロウ材９を介して放熱部材１の上面に搭載部を取り囲んで接着固定されることにより取着される。なお、このロウ材９による接着固定に際しては、通常、ロウ付け用の金属層（図示せず）が絶縁枠体５の放熱部材１との接合部に形成される。
【００１７】
また、放熱部材１には、その上面の中央部の搭載部に半導体素子１１が樹脂・ガラス・ロウ材等の接着剤１２を介して固定される。なお、接着剤１２としてロウ材を用いる場合には、ロウ付け用の金属層（図示せず）が放熱部材１の半導体素子１１との接着部に形成される。ただし、放熱部材１の貫通金属体３の上面に接合された銅層４（４ａ）により十分なロウ付けができる場合には、このロウ付け用の金属層は特に必要ではない。
【００１８】
絶縁枠体５は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、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・溶剤・可塑剤・分散剤等を混合添加して泥奬状となすとともに、これから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、しかる後に、この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、タングステン・モリブデン・マンガン・銅・銀・ニッケル・パラジウム・金等の金属材料粉末に適当な有機バインダ・溶剤を混合して成る導電性ペーストをグリーンシートに予めスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布した後に、この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作製される。
【００１９】
また、絶縁枠体５には、放熱部材１と絶縁枠体５とで構成される凹部５ａの内側の搭載部周辺から絶縁枠体５の外表面にかけて導出する配線導体６が形成されており、配線導体６の凹部５ａの内側の一端には半導体素子１１の各電極がボンディングワイヤ１３を介して電気的に接続される。
【００２０】
配線導体６はタングステン・モリブデン等の高融点金属から成り、タングステン・モリブデン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁枠体５となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法等によって所定のパターンに印刷塗布しておくことによって、絶縁基体１および放熱部品５による凹部５ａの内側の搭載部周辺から絶縁枠体５の外表面にかけて被着形成される。
【００２１】
また、配線導体６はその露出する表面にニッケル・金等の耐食性に優れ、かつボンディングワイヤ１３のボンディング性に優れる金属を１〜２０μｍの厚みにメッキ法によって被着させておくと、配線導体６の酸化腐食を有効に防止できるとともに配線導体６へのボンディングワイヤ１３の接続を強固となすことができる。従って、配線導体６は、その露出する表面にニッケル・金等の耐食性に優れ、かつボンディング性に優れる金属を１〜２０μｍの厚みに被着させておくことが望ましい。
【００２２】
放熱部材１は、半導体素子１１の作動に伴い発生する熱を吸収するとともに大気中に放散させる、あるいは外部放熱板に伝導させる機能を有する。例えば、平均粒径が５〜４０μｍのタングステン粉末またはモリブデン粉末を、半導体素子１１の搭載部に単一の貫通部が形成されるように枠状に加圧成形し、これを１３００〜１６００℃の雰囲気中で焼結することによって得られる、半導体素子１１の搭載部に上面から下面にかけて形成された単一の貫通部を持つ多孔体をあらかじめ作製し、この多孔体に水素雰囲気下において約１２００℃で１０〜５０質量％の銅を含浸させることにより、タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る平板状の基体２を作製する。この基体２の中央部に形成された単一の貫通部に、基体２の中央部の上面から下面にかけて銅から成る単一の貫通金属体３を埋設し、これに基体２および貫通金属体３の上面を覆って銅層４ａならびに基体２および貫通金属体３の下面を覆って銅層４ｂを接合することによって形成される。
【００２３】
銅層４の内、半導体素子１１の搭載部となる放熱部材１の上面側の銅層４ａは、その上面の算術平均粗さＲａがＲａ＞３０（μｍ）の場合は、半導体素子１１をガラス・樹脂・ロウ材等の接着剤１２を介して接着固定する際に、接着剤１２中にボイドが発生することがあり、接着剤１２中に発生したボイドは半導体素子１１と放熱部材１との接合強度を低下させるだけでなく、半導体素子１１と放熱部材１との間の熱伝達を阻害し、半導体素子収納用パッケージ８および半導体装置１４の熱放散性を低下させるおそれがある。
【００２４】
従って、半導体素子１１の搭載部となる基体２の上面の銅層４ａは、算術平均粗さＲａがＲａ≦３０（μｍ）で表面が平滑であることが好ましい。
【００２５】
貫通金属体３は、その上面の大きさが、搭載部では半導体素子１１の大きさと同等であり、下面がその上面より大きくなるように形成されている。一般的に、等方性材料の場合には、熱は水平方向および垂直方向ともに同等に伝わるので、結果として、水平方向および垂直方向に対して４５度程度の広がりをもって伝わることになる。従って、貫通金属体３の側面と半導体素子１１の搭載部の領域とのなす角度１５としては、４５度程度が望ましく、貫通金属体３が上面から下面にかけて大きくなる形態としては、そのように側面が４５度程度の傾斜角をもって大きくなっていることが望ましい。
【００２６】
一方、半導体素子１１が搭載される上面とは反対側の基体２および貫通金属体３の下面に接合された銅層４ｂの下面の算術平均粗さＲａは、Ｒａ≦３０（μｍ）であることが好ましい。本発明の半導体素子収納用パッケージ８は、アルミニウムや銅等の金属体あるいは、高熱伝導を有するセラミック体から成る支持基板へネジ止めにより、またははんだ等の溶融金属・ロウ材を用いて接続される場合がある。このとき、銅層４ｂの下面の算術平均粗さＲａがＲａ＞３０（μｍ）の場合には、半導体素子収納用パッケージ８と支持基板とを十分に密着させることが困難となり、両者の間に空隙やボイドが発生してしまい、その結果、半導体素子１１で発生した熱を半導体素子収納用パッケージ８からこの支持基板へ効率良く伝達させることができなくなるおそれがある。従って、下面の銅層４ｂの外側表面となる下面は、支持基板との良好な密着性が得られるように算術平均粗さＲａがＲａ≦３０（μｍ）と平滑であることが望ましい。
【００２７】
銅層４（４ａ・４ｂ）の厚みは、それぞれ８００μｍより厚くなると基体２と銅層４（４ａ・４ｂ）との熱膨張差によって発生する応力が大きくなり十分な接合強度が得られない傾向があることから、８００μｍ以下としておくことが望ましい。また、銅層４（４ａ・４ｂ）の厚みが５０μｍ以上であれば、半導体素子１１の作動に伴い発生する熱が銅層４（４ａ・４ｂ）の平面方向に十分広がるので、放熱部材１の熱放散性は良好なものとなる。
【００２８】
なお、放熱部材１の基体２および貫通金属体３の上下面に接合される銅層４（４ａ・４ｂ）の材料は、純銅に限られるものではなく、熱伝導性が良好でタングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスである基体２および銅から成る貫通金属体３に対して十分な接合強度が得られるものであれば、銅を主成分とする各種の銅合金であっても構わない。
【００２９】
かくして、上述の半導体素子収納用パッケージ８によれば、放熱部材１の搭載部上に半導体素子１１をガラス・樹脂・ロウ材等から成る接着剤１２を介して接着固定するとともに、半導体素子１１の各電極をボンディングワイヤ１３を介して所定の配線導体６に電気的に接続し、しかる後に、放熱部材１と絶縁枠体５とからなる凹部５ａに搭載部を覆うように封止樹脂１０を注入して凹部５ａ内に半導体素子１１を封止することによって、製品としての半導体装置１４となる。
【００３０】
なお、本発明は以上の実施の形態の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が可能である。例えば、半導体素子１１で発生した熱を放熱部材１から大気中に効率良く放散させるために、放熱部材１の基体２および貫通金属体３の下面に接合された銅層４ｂに、放熱フィンを接続したり、放熱フィンをロウ付け等で接合して放熱フィンが放熱部材１と一体化した形状としてもよく、これによって、半導体素子１１の作動に伴い発生する熱を放熱部材１により吸収するとともに大気中に放散させる作用をさらに向上することができる。
【００３１】
【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、放熱部材を構成するタングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る枠状の基体の半導体素子の搭載部に対応する中央部に、半導体素子の搭載部側の上面から背面側の下面にかけて貫通する銅から成る貫通金属体を埋設したことから、タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスのみで形成された従来の放熱部材に比べて、半導体素子の搭載部の下により多くの銅から成る高熱伝導部分を配置することができるので、半導体素子で発生した熱を半導体素子の搭載面に垂直な方向により多く伝えることができ、その際、貫通金属体は、上面の大きさが半導体素子の大きさと同等であり、下面が上面より大きくなっていることから、半導体素子で発生した熱を上面の半導体素子の搭載部から下面へと垂直な方向により多く伝えることができるとともに、貫通金属体内においても半導体素子の大きさに対して下面に向かってより大きな範囲で水平な方向への熱の広がりを持たせることが可能となり、その結果、半導体素子に発生する熱をこの放熱部材を介して大気中あるいは外部放熱板に良好に放散することができる。
【００３２】
さらに、放熱部材の半導体素子の搭載部の下方に埋設された、基体の上面から下面にかけて貫通する銅から成る貫通金属体の上下面を、基体および貫通金属体の上下面にそれぞれこれらを覆って接合されている銅層と直接接合していることから、これら銅層と銅から成る貫通金属体とにより半導体素子で発生する熱の放熱部材内における伝達を極めて良好なものとすることができる。
【００３３】
また、放熱部材を構成している貫通金属体以外の部分の枠状の基体が半導体素子の材料であるシリコン・ガリウム砒素等と同等な熱膨張率を有するタングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成ることから、半導体素子の搭載部の熱膨張は周囲の枠状の基体の熱膨張に規制されることとなり、放熱部材における銅の占める割合が多いにも関わらず、半導体素子の搭載部の水平方向への熱膨張が抑制される。これらの結果、半導体素子の熱を良好に放散させることができ、半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に搭載して作動させることが可能となる。
【００３４】
また、本発明の半導体装置によれば、上記構成の本発明の半導体素子収納用パッケージの搭載部に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子の電極と配線導体とを電気的に接続し、上記放熱部材と上記絶縁枠体とからなる凹部に搭載部を覆うように半導体素子を封止する封止樹脂を注入して成ることから、以上のような本発明の半導体素子収納用パッケージの特長を備えた、半導体素子の放熱部材への接合が強固で、放熱特性が極めて良好な、長期にわたって安定して半導体素子を作動させることができる半導体装置を提供することができる。
【００３５】
以上により、本発明によれば、半導体素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、かつ半導体素子を放熱部材に強固に接着させることができる半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置を提供することができた。
【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およびそれを用いた本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・放熱部材
２・・・・・基体
３・・・・・貫通金属体
４、４ａ、４ｂ・・・・・銅層
５・・・・・絶縁枠体
５ａ・・・・・凹部
６・・・・・配線導体
７・・・・・リード端子
８・・・・・半導体素子収納用パッケージ
９・・・・・ロウ材
１０・・・・・封止樹脂
１１・・・・・半導体素子
１２・・・・・接着剤
１３・・・・・ボンディングワイヤ
１４・・・・・半導体装置
１５・・・・・貫通金属体の側面と半導体素子の搭載部の領域とのなす角度

Claims (2)

1. 上面の中央部に半導体素子が搭載される搭載部を有する平板状の放熱部材と、該放熱部材の上面に前記搭載部を取り囲んで取着された、前記搭載部周辺から外表面に導出される複数の配線導体を有する絶縁枠体とを具備し、前記放熱部材と前記絶縁枠体とからなる凹部に前記半導体素子を封止する封止樹脂が注入される半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱部材は、タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る枠状の基体の中央部の上面から下面にかけて銅から成る貫通金属体が埋設されているとともに、前記基体および前記貫通金属体の上下面を覆ってそれぞれ銅層が接合されており、前記貫通金属体は、上面の大きさが前記半導体素子の大きさと同等であり、下面が前記上面より大きいことを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
2. 請求項１記載の半導体素子収納用パッケージの前記搭載部に半導体素子を搭載するとともに該半導体素子の電極と前記配線導体とを電気的に接続し、前記放熱部材と前記絶縁枠体とからなる凹部に前記搭載部を覆うように前記封止樹脂を注入して成ることを特徴とする半導体装置。

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