【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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および半導体装置に関し、特に外部基板への実装構造を改良したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージともいう）を図４に平面図、図５に図４のＢ−Ｂ’線における断面図で示す。これらの図において、１１は基体、１２は枠体、１３は入出力端子を示し、これらで内部空間に半導体素子１４を収容する半導体パッケージが基本的に構成される。
【０００３】
基体１１は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）等の焼結材等から成り、その上側主面の略中央部には、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体素子１４を載置するための載置部１１ａが設けられている。また、基体１１の四隅部に、貫通孔１１ｃあるいは切欠きを有するネジ止め部１１ｂが設けられている。基体１１は、ネジ止め部１１ｂの貫通孔１１ｃあるいは切欠きにネジを挿入し放熱板等の外部基板Ｃにネジ止め固定される。
【０００４】
基体１１の上側主面には、載置部１１ａを囲繞するようにして接合され、側部に入出力端子１３の取付部１２ａが形成された枠体１２が立設されている。
【０００５】
枠体１２は基体１１と同様に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体１１と一体成形される、または基体１１に銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材を介してロウ付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体１１の上側主面に立設される。
【０００６】
入出力端子１３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体等のセラミックスから成り、枠体１２の取付部１２ａにロウ材を介して嵌着接合され、枠体１２の内外を導通する複数のメタライズ配線層１３ａが被着形成されている。
【０００７】
このような構成の半導体パッケージの載置部１１ａに半導体素子１４を載置固定した後、半導体素子１４の電極と入出力端子１３の枠体１２内面側のメタライズ配線層１３ａとをボンディングワイヤ（図示せず）で電気的に接続し、枠体１２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る蓋体１５をシーム溶接法等の溶接法により接合して半導体素子１４を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。
【０００８】
しかしながら、この半導体装置は、半導体素子１４が作動により発熱し、特に作動周波数が高周波になるほど発熱量は大きく、半導体素子１４が高温となって誤動作するという問題点を有していた。
【０００９】
このような問題点を解決するために、半導体素子１４を熱伝導率の高いグラファイトシートを介して基体１１上に載置固定することにより半導体素子１４が発する熱を基体１１へ放熱させることが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。
【００１０】
この構成の半導体装置は、外部電気回路装置に設けた放熱板等の外部基板Ｃにネジ止め固定されることにより、外部電気回路装置の構成要素として機能することができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２２３６２９号公報（第２−３頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の半導体装置は、半導体素子１４が作動する際に発する熱を基体１１に効率よく放熱することができるが、基体１１においては熱を外部基板Ｃに効率よく放熱することは困難であった。即ち、ネジ止め部１１ｂの貫通孔１１ｃにネジを挿入して外部基板Ｃにネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部１１ｂ周辺に大きな応力が加わることによって、基体１１が変形して基体１１の下面と外部基板Ｃとの間に隙間が生じ、基体１１から外部基板Ｃへの放熱が効率よく行なわれなくなる。
【００１３】
また、近年の高密度化が進んだ半導体素子１４では、発熱量が従来のものに比べてきわめて大きくなってきており、基体１１の半導体素子１４の直下の部位が半導体素子１４から伝わる熱のために急激に高温化する。そのため、基体１１の半導体素子１４の直下の部位が局部的に熱膨張して基体１１が変形し、基体１１の下面と外部基板Ｃとの間に隙間が生じて基体１１から外部基板Ｃへの放熱が効率よく行なわれなくなる。
【００１４】
このように基体１１から外部基板Ｃへの放熱が困難となるため、半導体素子１４から基体１１への放熱の効率も低下して半導体素子１４が高温となって誤動作したり、あるいは、基体１１の変形がより大きくなって枠体１２に嵌着させた入出力端子１３に応力が加わり、入出力端子１３にクラックが発生することにより、気密性が失われたりメタライズ配線層１３ａが断線したりするといった問題点を有していた。
【００１５】
このような基体１１と外部基板Ｃとの間の隙間による放熱効率の低下を改善するために、例えばシリコングリースなどの充填材料を基体１１と外部基板Ｃとの間の隙間に介在させて基体１１と外部基板Ｃとの密着不足を補うという方法がある。
【００１６】
しかしながら、シリコングリースの熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以下と小さく、例え基体１１と外部基板Ｃとの間の隙間が小さくてシリコングリースの層が薄くなっているとしても熱伝導はシリコングリース層で妨げられ、基体１１から外部基板Ｃへの放熱性は著しく低下するといった問題点を有していた。
【００１７】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、ＦＥＴ，ＭＭＩＣ等の半導体素子が発する熱を効率よく外部に放熱して半導体素子の温度を所定の範囲内に維持し、また、基体における温度の偏りによる半導体パッケージの歪みを緩和して入出力端子に発生するクラックを抑制することにより、気密性の保持や入出力端子のメタライズ配線層の断線防止を行い、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１８】
【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るとともに四隅部にネジを挿入するための貫通孔または切欠きを有するネジ止め部がそれぞれ形成された略四角形の金属製の基体と、該基体の前記上側主面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された金属製の枠体と、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製の入出力端子と、前記基体の下側主面の略全面に密着されたグラファイトシートとを具備しており、該グラファイトシートは中央部が最も厚いことを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、基体の下面の略全面に密着された中央部が最も厚いグラファイトシートを具備したことから、半導体素子収納用パッケージの内部に収容した半導体素子から発生し基体に伝達された熱をきわめて速やかにグラファイトシートの面方向に伝達することができ、基体の半導体素子の接合部直下が局所的に高温になるのを有効に抑制することができる。また、グラファイトシートの厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さい熱抵抗で熱を外部基板へ速やかに放熱することができ、半導体素子の高温化を有効に抑制することができる。
【００２０】
また、グラファイトシートの中央部がより大きい力で圧縮されるため、ネジ止め部の貫通孔にネジを挿入して外部基板にネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部周辺に大きな応力が加わって基体が変形した場合や、基体の半導体素子の直下の部位が半導体素子から伝わる熱のために急激に高温化し、基体の半導体素子の直下の部位が局部的に熱膨張して基体が変形した場合に、基体と外部基板との距離が大きくなっても、中央部のグラファイトシートに加わっている圧力が若干開放されて圧縮されていたグラファイトシートの厚みが復元されて増すことにより基体とグラファイトシートの密着性を保つことができる。
【００２１】
これらの結果、半導体素子が発する熱を効率よく外部に放熱して半導体素子の温度を所定の範囲内に維持し、また、基体における温度の偏りによる半導体素子収納用パッケージの歪みを緩和して入出力端子に発生するクラックを抑制することにより、気密性の保持や入出力端子のメタライズ配線層の断線防止を行い、内部に収容する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。
【００２２】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記グラファイトシートは、前記中央部の厚さが前記ネジ止め部の下方に位置する部位の厚さよりも５乃至１０％大きいことを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の半導体素子収納用パッケージにおいて、グラファイトシートの中央部の厚さがネジ止め部の下方に位置する部位の厚さよりも５乃至１０％大きいことから、従来のグラファイトシートでは中央部よりもネジ止め部でより強く圧縮されて中央部の圧力が弱くなるのに対して、本発明のグラファイトシートでは、その中央部をネジ止め部よりも厚くすることにより中央部も確実に基体および外部基板に密着させることができ、放熱性をより高めることができる。
【００２４】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記中央部の面積が前記グラファイトシートの主面の面積の３０乃至７０％であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、グラファイトシートの中央部の面積がグラファイトシートの主面の面積の３０乃至７０％であることから、ネジ止めの際にグラファイトシート全面に均一に圧力が加わり易くなり、半導体素子から離れた部位においても半導体素子の熱をグラファイトシートを介して外部基板に伝達することができ、さらに高い放熱効果を得ることができる。
【００２６】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記グラファイトシートの前記ネジ止め部の下方に位置する部位が、前記ネジ止め部に挿入される前記ネジの中心軸を中心軸とするとともに前記ネジ止め部の前記貫通孔の直径または前記切欠きの幅の３乃至５倍の直径の円筒領域の内側に位置する部位であることを特徴とする。
【００２７】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の半導体素子収納用パッケージにおいて、グラファイトシートのネジ止め部の下方に位置する部位が、ネジ止め部に挿入されるネジの中心軸を中心軸とするとともにネジ止め部の貫通孔の直径または切欠きの幅の３乃至５倍の直径の円筒領域の内側に位置する部位であることから、グラファイトシートを略全面において満遍なく均一な圧力で圧縮することができるため、グラファイトシートが歪んで破れるのを有効に抑制でき、より大きな圧力でグラファイトシートを圧縮することができる。即ち、グラファイトシートのネジ止め部の下方に位置する部位が最も強く圧縮されるため、この部位を中央部よりも薄くすることにより、中央部を確実に基体および外部基板に密着させることができ、放熱性をより高めることができる。その結果、グラファイトシート全面において基体および外部基板との密着性をより向上させて熱伝導率を向上させることができる。
【００２８】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記グラファイトシートは、前記基体側から第１のグラファイトシートおよび第２のグラファイトシートが積層されて成り、該第２のグラファイトシートは、その端が全周にわたって前記枠体の直下に位置していることを特徴とする。
【００２９】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の半導体素子収納用パッケージにおいて、グラファイトシートは、基体側から第１グラファイトシートおよび第２のグラファイトシートが積層されて成り、この第２のグラファイトシートは、その端が全周にわたって枠体の直下に位置していることにより、載置部の直下から枠体の直下にかけて確実にグラファイトシートを基体および外部基板に密着させることができ、簡便な構成で放熱性をより高めることができる。
【００３０】
また、半導体素子収納用パッケージをネジ止めする際、ネジの締め付け力にバラツキが生じても基体の載置部の直下から枠体の直下の部位が確実にグラファイトシートに密着しているため、放熱性が大きく損なわれることが無い。
【００３１】
さらに、ネジ止め部の下方には一層の第１のグラファイトシートのみであるため、このネジ止め部の下方の第１のグラファイトシートに生じる圧力は２層のグラファイトシートが積層された部位よりも小さくなって熱の伝達速度が多少小さくなり、ネジ止め部に挿入されたネジの温度の上昇を抑制することができる。その結果、熱膨張によりネジが膨張することに起因してグラファイトシートの密着性が損なわれることが有効に抑制することができる。
【００３２】
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、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００３３】
本発明の半導体装置は、上記の構成により、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、気密信頼性および導通信頼性の高いものとなる。
【００３４】
【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および半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す斜視図、図２（ａ）は図１の半導体パッケージのＡ−Ａ’線における断面図、図２（ｂ）は図１の半導体パッケージに用いられるグラファイトシートの断面図である。また、図３（ａ）は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の他の例を示す下面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に用いられるグラファイトシートの断面図である。これらの図において、１は基体、１ａは載置部、１ｂはネジ止め部、２は枠体、２ａは取付部、３は入出力端子、３ａはメタライズ配線層、４は半導体素子、５は蓋体、６はグラファイトシート、６ｂは中央部を示し、これら基体１、枠体２、入出力端子３、グラファイトシート６で、内部空間に半導体素子４を収容する半導体パッケージが基本的に構成される。また、半導体パッケージに半導体素子４を搭載し、枠体２の上面に蓋体５を接合することにより半導体装置と成る。
【００３５】
本発明の基体１は平面視形状が略四角形であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、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、または射出成形と切削加工等を施すことによって所定の形状に製作される。基体１の上側主面には、ＦＥＴ，ＭＭＩＣ等の半導体素子４を載置する載置部１ａが設けられる。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ための放熱板としての役割も果たし、基体１が放熱板等の外部基板Ｃにネジ止めされることにより半導体素子４で発生した熱を基体１を介して外部基板Ｃに放熱することができる。
【００３６】
なお、略四角形とは、完全な四角形である場合以外に、例えば角部を曲線や直線で面取りしたような概略四角形であるものも含んでいることを意味する。
【００３７】
基体１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乃至９μｍのＮｉ層や厚さ０．５乃至５μｍの金（Ａｕ）層からな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から発せられる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。
【００３８】
また、基体１の上側主面には、載置部１ａを囲繞するようにして接合されるとともに、側部に入出力端子３の取付部２ａが形成された枠体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。
【００３９】
枠体２は平面視形状が略四角形状の枠状体であり、入出力端子３を支持する作用をなす。また、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体１と一体成形される、または基体１にＡｇロウ等のロウ材を介してロウ付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることにより、基体１の上側主面に立設される。取付部２ａは、枠体２の１乃至４つの側部を貫通するかまたは側部を切り欠いて成る。取付部２ａが枠体２の側部を上面から切り欠いて成る場合、枠体２および取付部２ａの上面に略四角形の枠状のシールリング（図示せず）が接合されていてもよく、その場合シールリングは、取付部２ａに入出力端子３が嵌着接合される際、または嵌着接合された後にロウ付けによって接合される。
【００４０】
本発明の入出力端子３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体等のセラミックスから成る断面が逆Ｔ字型（凸型）の部材であり、枠体２の取付部２ａに嵌め込むとともに、入出力端子３と取付部２ａとの隙間に溶融したＡｇロウ等のロウ材を毛細管現象により充填させることで枠体２に嵌着接合される。この入出力端子３には、枠体２の内外を導通するメタライズ配線層３ａが被着形成される。また、入出力端子３は枠体２の一部となって枠体２の内外を気密に仕切るとともに、枠体２の内外を導通させる導電路としての機能を有する。
【００４１】
また入出力端子３は、例えばアルミナ質焼結体から成る場合以下のようにして作製される。まず、Ａｌ２Ｏ３，酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、これら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しメタライズ配線層３ａとなる金属ペーストを印刷塗布して積層する。次いで所定の大きさに切断して個々の積層体となすとともに、得られた積層体が焼成後に枠体２と接合される面に、メタライズ層となる金属ペーストを印刷塗布し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００４２】
なお、メタライズ配線層３ａおよびメタライズ層となる金属ペーストは、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の高融点金属粉末に適当な有機バインダや溶剤を添加混合してペースト状となしたものを従来周知のスクリーン印刷法を採用して印刷することにより、セラミックグリーンシートおよびその積層体に印刷塗布される。
【００４３】
また、基体１の四隅部には貫通孔１ｃが形成されて成るネジ止め部１ｂが設けられている。このネジ止め部１ｂの貫通孔１ｃにネジを挿入し、外部基板Ｃにネジ止めすることにより半導体パッケージを固定することができる。このようなネジ止め部１ｂは基体１の四隅部に切欠きを形成することによって設けられてもよい。また、基体１の四隅部の各ネジ止め部１ｂを基体１からそれぞれ基体１の外側に延出して形成されてもよい。これにより、ネジ止め部１ｂを外部基板Ｃにネジ止めした際に加わる応力を延出したネジ止め部１ｂで吸収することができ、基体１の歪を小さくすることができる。
【００４４】
本発明の基体１は、下面の略全面にグラファイトシート６が密着されている。これにより、半導体パッケージの内部に収容した半導体素子４から発生し基体１に伝達された熱をきわめて速やかにグラファイトシート６の面方向に伝達することができ、基体１の半導体素子４の接合部直下が局所的に高温になるのを有効に抑制することができる。また、グラファイトシート６の厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さい熱抵抗で熱を外部基板Ｃへ速やかに放熱することができ、半導体素子４の高温化を有効に抑制することができる。
【００４５】
また、基体１の下面の略全面に密着されたグラファイトシート６は、中央部６ｂが最も厚くなっている。これにより、グラファイトシート６の中央部６ｂがより大きい力で圧縮される。その結果、ネジ止め部１ｂの貫通孔１ｃにネジを挿入して外部基板Ｃにネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部１ｂ周辺に大きな応力が加わって基体１が変形した場合や、基体１の半導体素子４の直下の部位が半導体素子４から伝わる熱のために急激に高温化し、基体１の半導体素子４の直下の部位が局部的に熱膨張して基体１が変形した場合に、基体１と外部基板Ｃとの距離が大きくなっても、中央部６ｂのグラファイトシート６に加わっている圧力が若干開放されて圧縮されていたグラファイトシート６の厚みが復元されて増すことにより基体１とグラファイトシート６との密着性を保つことができる。
【００４６】
グラファイトシート６は、ポリイミドフィルム等の高分子フィルムを、例えば不活性雰囲気下、２０００℃以上の条件で加熱して得られるものであり、面方向に６００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、また厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さな熱抵抗を有するものが得られている。
【００４７】
中央部６ｂが最も厚いグラファイトシート６は、先ず、ポリイミドを金型を用いて成型することにより、あるいは板状のポリイミドの表面を切削することにより中央部６ｂが厚いポリイミド板を作製し、これを不活性雰囲気下で２０００℃以上に加熱することにより作製することができる。
【００４８】
また、グラファイトシート６は中央部６ｂの厚さがネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さよりも５乃至１０％大きいのがよい。これにより、グラファイトシートは中央部６ｂよりもネジ止め部ではより強く圧縮されて中央部の圧力が弱くなるのに対して中央部６ｂをネジ止め部１ｂよりも厚くすることにより中央部６ｂを確実に基体１および外部基板Ｃに密着させることができ、放熱性をより高めることができる。
【００４９】
グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さとネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さとの差は、ネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さの５％よりも小さい場合、グラファイトシート６の中央部６ｂに大きい力で圧縮し難くなり、その結果、基体１が変形して基体１と外部基板Ｃとの距離が大きくなった場合に基体１とグラファイトシート６との密着性を保つことができ難くなる。また、１０％より大きい場合、グラファイトシート６の圧縮力が非常に大きくなり、グラファイトシート６に大きな応力が加わってグラファイトシート６が破損し易くなる。
【００５０】
また、グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さは０．０５乃至０．３ｍｍがよい。０．０５ｍｍ未満の場合、基体１をネジ止め固定した際、基体１や外部基板Ｃの反りなどの変形のために基体１と外部基板Ｃとの間をグラファイトシート６で隙間なく埋めることが困難になり易く、基体１からグラファイトシート６への熱伝導性が低下し易くなる。また、０．３ｍｍを超えると、グラファイトシート６を作製するのが困難となる。
【００５１】
グラファイトシート６は、中央部６ｂの厚さがネジ止め部１ｂの下方に位置する部位の厚さよりも５乃至１０％大きく、中央部６ｂの面積がグラファイトシート６の主面の面積の３０乃至７０％であるのがよい。これにより、ネジ止めの際にグラファイトシート６全面に均一に圧力が加わり易くなり、半導体素子４から離れた部位においても半導体素子４の熱をグラファイトシート６を介して外部基板Ｃに伝達することができ、さらに効率の良い放熱効果を得ることができる。
【００５２】
上記の中央部６ｂの面積が３０％未満の場合、半導体素子４とネジ止め部１ｂとの間に位置するグラファイトシート６に加わる圧力が若干弱くなり、グラファイトシート６全面に均一に圧力が加わり難くなる。また、７０％を超えるとネジ止め部１ｂ近傍のグラファイトシート６の厚さが大きくなってグラファイトシート６の中央部６ｂを圧縮する圧力が弱くなる。
【００５３】
グラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａは、ネジ止め部１ｂに挿入されるネジの中心軸を中心軸とするとともにネジ止め部１ｂの貫通孔１ｃの直径またはネジ止め部１ｂの切欠きの幅の３乃至５倍の直径の円筒領域の内側に位置する部位であることが好ましい。これにより、グラファイトシート６を略全面において満遍なく均一な圧力で圧縮することができるため、グラファイトシート６が歪んで破れるのを有効に抑制でき、より大きな圧力でグラファイトシート６を圧縮することができる。即ち、グラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａが最も強く圧縮されるため、この部位を中央部６ｂよりも薄くすることにより、中央部６ｂを確実に基体１および外部基板Ｃに密着させることができ、放熱性をより高めることができる。その結果、グラファイトシート６全面において基体１および外部基板Ｃとの密着性をより向上させて熱伝導率を向上させることができる。
【００５４】
グラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの直径は、ネジ止め部１ｂの貫通孔１ｃの直径またはネジ止め部１ｂの切欠きの幅の３倍未満であると、グラファイトシート６のネジ止めによる大きな圧力が加わり易いネジ周辺の領域内にグラファイトシート６の厚さの変曲点が存在することになり、その変曲点付近の部位にネジ止めにより歪が生じ易くなり、グラファイトシート６が破損し易くなる。また、５倍を超えると、グラファイトシート６のネジ止めによる大きな圧力が加わり易いネジ周辺の領域とグラファイトシート６の厚さの変曲点とが大きく離れることになり、それらの間の部位には圧力が加わり難くなってグラファイトシート６全面に満遍なく大きな圧力を加えることが困難になり易い。
【００５５】
また、図６に本発明の半導体パッケージの実施の形態の他の例を示すように、グラファイトシート６は、基体側から第１のグラファイトシート６ｃおよび第２のグラファイトシート６ｄが積層されて成り、この第２のグラファイトシート６ｄは、その端が全周にわたって枠体２の直下に位置しているのがよい。
【００５６】
これにより、載置部１ａの直下から枠体２の直下にかけて確実にグラファイトシート６を基体１および外部基板Ｃに密着させることができ、簡便な構成で放熱性をより高めることができる。
【００５７】
また、半導体パッケージをネジ止めする際、ネジの締め付け力にバラツキが生じても基体１の載置部１ａの直下から枠体２の直下の部位が確実にグラファイトシート６に密着しているため、放熱性が大きく損なわれることが無い。
【００５８】
さらに、ネジ止め部１ｂの下方には一層の第１のグラファイトシート６ｃのみであるため、このネジ止め部１ｂの下方の第２のグラファイトシート６ｄに生じる圧力は２層のグラファイトシート６ｃ，６ｄが積層された部位よりも小さくなって熱の伝達速度が多少小さくなり、ネジ止め部１ｂに挿入されたネジの温度の上昇を抑制することができる。その結果、熱膨張によりネジが膨張することに起因してグラファイトシート６の密着性が損なわれることが有効に抑制することができる。
【００５９】
このような第２のグラファイトシート６ｄは、厚さが第１のグラファイトシート６ｃの厚さの５乃至２０％であるのがよい。これにより、グラファイトシート６を基体１および外部基板Ｃに良好に密着させることができる。
【００６０】
第２のグラファイトシート６ｄの厚さが第１のグラファイトシート６ｃの厚さの５％未満であれば、グラファイトシート６を大きい力で圧縮し難くなり、その結果、ネジ止め等の際に基体１が変形して基体１と外部基板Ｃとの距離が大きくなった場合に基体１およびグラファイトシート６との密着性を保つことが困難になる。また、２０％を超えると２層のグラファイトシート６ｃ，６ｄが積層された部位が厚くなりすぎてネジ止め部１ｂでネジ止めを行なう際、基体１に反りが発生して半導体素子４にクラックが発生し易くなる。
【００６１】
そして、上記構成の半導体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３ａの枠体２の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合金等から成る蓋体５をシームウエルド法等の溶接法やロウ付け法により接合し、半導体素子４を気密に封止することにより半導体装置となる。
【００６２】
この半導体装置は、メタライズ配線層３ａの枠体２外側の部位にリード線やリボン線（図示せず）をロウ付けまたは半田付けし、リード線やリボン線を外部電気回路基板の外部電気回路に接続することにより、半導体パッケージ内部に収納した半導体素子４が外部電気回路に電気的に接続され、半導体素子４が電気信号で作動することとなる。
【００６３】
【実施例】
（実施例１）
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施例について以下に説明する。先ず、縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、高さ１．５ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる基体１に、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ５ｍｍ、枠部の幅１ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなるとともに側部に幅３ｍｍ、高さ２ｍｍの長方形の取付部２ａを有する枠体２をＡｇロウ（ＢＡｇ８：ＪＩＳ Ｚ ３２６１）でロウ付けした。そして、この取付部２ａに入出力端子３を同じＡｇロウで嵌着接合させたサンプルを用意した。なお、このサンプルは、基体１の四隅部にそれぞれ貫通孔１ｃから成るネジ止め部１ｂをあらかじめ形成しておき、基体１および枠体２、メタライズ配線層３ａ上に厚さが３μｍのＮｉめっきと厚さが１μｍのＡｕめっきをこの順で被着した。
【００６４】
このようにして得られたサンプルについて、基体１の裏面の形状に合わせた外形で、中央部６ｂを中心軸とする直径が１５ｍｍの円内で凸状になっており、中央部６ｂの厚さがネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さ（０．１ｍｍ）よりも大きいグラファイトシート６（表１参照）を各１０枚用意し、これを各サンプルの基体１とアルミニウムから成る放熱板としての外部基板Ｃとの間に配置し、グラファイトシート６に加えられる圧力が３０×１０４Ｐａとなるようにサンプルを外部基板Ｃにネジ止めした。なお、グラファイトシート６に加えられる圧力は、予めグラファイトシート６と外部基板Ｃとの間に感圧紙を挟んでおいてネジ止めを行ない、ネジのトルクを測定することにより求めたネジのトルクと圧力との関係を用いてトルクを調整することにより所望の圧力とした。
【００６５】
このとき、グラファイトシート６と外部基板Ｃとの間に感圧紙（「富士プレスケール」富士写真フィルム（株）製）を載置してグラファイトシート６の基体１および外部基板Ｃへの密着性をグラファイトシート６に作用した圧力の分布で評価した。そして、基体１の下面全面に圧力が略均一に加わっているものを良とした。
【００６６】
なお、感圧紙は発色剤を含むとともに所定の圧力で潰れるように加工されたきわめて小さいカプセルを表面に均一に分散させて塗布したシートと、顕色剤があらかじめ塗布されているシートとからなり、所定の圧力で壊れたカプセルから出てくる発色剤により、顕色剤が発色し、発色した色（赤色）の濃度を光学的に読み取ることで加えられた圧力が求められるというものである。
【００６７】
また、放熱性の評価として、これらのサンプルに半導体素子４を搭載し、半導体素子４に例えば５ＧＨｚの高周波信号を入力して、半導体素子４を発熱させた（常温からおよそ１５０℃まで昇温）ときに半導体素子４が正常に作動するかどうかの作動性を調べた。全てのサンプルの半導体素子４が正常に作動した場合を良、正常に作動しないものが１個でも発生した場合を不良とした。それらの評価結果を表１に示す。なお、表１において「厚さの差」とは、グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さとネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さとの差のネジ止め部の下方に位置する部位６ａの厚さに対する割合である。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１の結果より、グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さがネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さの５乃至１０％であるとグラファイトシート６に略均一に圧力が加わり、また、放熱性においても良好であることが判明した。
【００７０】
（実施例２）
次いで、中央部６ｂの厚さがネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さ（０．１ｍｍ）よりも７．５％大きく、ネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａが、貫通孔１ｃ（直径２．５ｍｍ）の中心軸（貫通孔１ｃに挿入されるネジの中心軸と一致）を中心軸とするとともに各種直径（表２参照）の円筒領域の内側に位置する部位であるグラファイトシート６各１０枚を用いて実施例１と同様にサンプルを作製しグラファイトシート６に加えられる圧力が３０×１０４Ｐａとなるようにサンプルを外部基板Ｃにネジ止めした。そして、実施例１と同様に感圧紙を用いて、グラファイトシート６の密着性のバラツキ状態を評価した。また、放熱性の評価をこれらのサンプルについて実施例１の場合と同様に行なった。それらの評価結果を表２に示す。なお、表２において「直径比」とは、ネジ止め部の下方に位置する部位６ａの貫通孔１ｃに対する直径比である。
【００７１】
【表２】
【００７２】
表２の結果より、グラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの直径が貫通孔１ｃの直径の３乃至５倍であると、貫通孔１ｃの周囲におけるグラファイトシート６の破損などの不具合を解消でき、基体１の全面に略均一により大きな圧力をかけることができることが判明した。また、放熱性においても良好であることが判明した。
【００７３】
（実施例３）
次いで、基体１の四隅部に幅２．５ｍｍの切欠きを設けてネジ止め部１ｂを形成し、また、グラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの直径をこの切欠きの幅の４倍とし、グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さがグラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さ（０．１ｍｍ）よりも種々の割合（表３参照）で大きくしたグラファイトシート６各１０枚を用いて、実施例１と同様にサンプルを作製しグラファイトシート６に加えられる圧力が３０×１０４Ｐａとなるようにサンプルを外部基板Ｃにネジ止めした。そして、実施例１と同様に感圧紙を用いて、グラファイトシート６の密着性のバラツキ状態を評価した。また、放熱性の評価をこれらのサンプルについて実施例１の場合と同様に行なった。それらの評価結果を表３に示す。なお、表３において「厚さの差」とは、グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さとネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さとの差のネジ止め部の下方に位置する部位６ａの厚さに対する割合である。
【００７４】
【表３】
【００７５】
表３の結果より、実施例１で示した評価結果と同様にグラファイトシート６の中央部６ｂの厚さがネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さよりも５乃至１０％であるとグラファイトシート６に略均一に圧力が加わり、また、放熱性においても良好であることが判明した。
【００７６】
（実施例４）
次いで、基体１の四隅部に幅２．５ｍｍの切欠きを設けてネジ止め部１ｂを形成し、また、グラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの直径をこの切欠きの幅の４倍とし、グラファイトシート６の中央部６ｂの厚さをグラファイトシート６のネジ止め部１ｂの下方に位置する部位６ａの厚さ（０．１ｍｍ）よりも７．５％大きくしたグラファイトシート６において、中央部６ｂの面積とグラファイトシート６の主面の面積との面積比（グラファイトシート６の主面の面積に対する面積比）を種々の値（表４参照）としたグラファイトシート６を各１０枚用意して、実施例１と同様にサンプルを作製しグラファイトシート６に加えられる圧力を２５×１０４Ｐａとなるように設定してサンプルを外部基板Ｃにネジ止めした。そして、実施例１と同様に感圧紙を用いて、グラファイトシート６の密着性のバラツキ状態を評価した。また、放熱性の評価をこれらのサンプルについて実施例１の場合と同様に行なった。それらの評価結果を表４に示す。
【００７７】
【表４】
【００７８】
表４の結果より、グラファイトシート６の中央部６ｂの面積がグラファイトシート６の主面の面積の３０乃至７０％であると、グラファイトシート６全面に均一に圧力が加わっており、これにより、放熱性においても極めて良好な結果が得られることが判明した。
【００７９】
（実施例５）
次いで、基体１の下面と同形状の第１のグラファイトシート６ｃ（厚さ０．１ｍｍ）を８０枚用意した。また、枠体２の外形と同形状であり、第１のグラファイトシート６ｃの厚さとの厚さ比（第１のグラファイトシート６ｃの厚さに対する厚さ比）を種々の値（表５参照）とした第２のグラファイトシート６ｄを各１０枚用意した。そして、これらの第１および第２のグラファイトシート６ｃ，６ｄを各サンプルの基体１とアルミニウムから成る放熱板としての外部基板Ｃとの間に配置し、しかる後、サンプルを外部基板Ｃにネジ止めした。
【００８０】
このとき、第２のグラファイトシート６ｄは、第１のグラファイトシート６ｃの所定位置に予めアルコールなどの揮発性の高い溶媒を介して積層しておいた。
【００８１】
なお、グラファイトシート６に加えられる圧力は、予めグラファイトシート６と外部基板Ｃとの間に感圧紙を挟んでおいてネジ止めを行ない、ネジのトルクを測定することにより求めたネジのトルクと圧力との関係を用いてトルクを調整することにより所望の圧力とした。
【００８２】
また、放熱性の評価として、上記実施例と同様にこれらのサンプルに半導体素子４を搭載し、半導体素子４に例えば５ＧＨｚの高周波信号を入力して、半導体素子４を発熱させた（常温からおよそ１５０℃まで昇温）ときに半導体素子４が正常に作動するかどうかの作動性を調べた。全てのサンプルの半導体素子４が正常に作動した場合を良、正常に作動しないものが１個でも発生した場合を不良とした。それらの評価結果を表５に示す。なお、表５において「厚さ比」とは、第１のグラファイトシート６ｃの厚さに対する第２のグラファイトシート６ｄの厚さ比である。これらの評価結果を表５に示す。
【００８３】
【表５】
【００８４】
表５の結果より、２層構造のグラファイトシート６において、第２のグラファイトシート６ｄの第１のグラファイトシート６ｃの厚さに対する厚さ比が２．５％の場合、圧力分布が均一であるとともに方熱性も良好であったが、半導体素子４にわずかなノイズが生じ、誤動作の兆候が現れたものがあった。また、厚さ比が２２．５％の場合、基板に反りが発生して圧力が不均一になるものがあった。
【００８５】
これらに対し、第２のグラファイトシート６ｄの厚さ比が５乃至２０％であれば、載置部１ａの直下から枠体２の直下にかけて均一に圧力が加わっているとともに放熱性が良好であることが確認できた。
【００８６】
なお、本発明は上記実施の形態および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内であれば種々の変更は可能である。例えば、メタライズ配線層３ａがＣｕ等の電気抵抗の低い金属から成っていてもよく、この場合メタライズ配線層３ａにおいて電気信号の抵抗損失を低減でき、半導体素子４をより正常に作動させることができる。
【００８７】
また、本発明が光半導体素子収納用パッケージに用いられてもよいことは勿論であり、その場合には枠体２はその側部に光ファイバーが固定される貫通孔が形成された形状となる。
【００８８】
【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るとともに四隅部にネジを挿入するための貫通孔または切欠きを有するネジ止め部がそれぞれ形成された略四角形の金属製の基体と、この基体の上側主面に載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された金属製の枠体と、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製の入出力端子と、基体の下側主面の略全面に密着されたグラファイトシートとを具備しており、このグラファイトシートは中央部が最も厚いことから、半導体素子収納用パッケージの内部に収容した半導体素子から発生し基体に伝達された熱をきわめて速やかにグラファイトシートの面方向に伝達することができ、基体の半導体素子の接合部直下が局所的に高温になるのを有効に抑制することができる。また、グラファイトシートの厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さい熱抵抗で熱を外部基板へ速やかに放熱することができ、半導体素子の高温化を有効に抑制することができる。
【００８９】
また、グラファイトシートの中央部がより大きい力で圧縮される結果、ネジ止め部の貫通孔にネジを挿入して外部基板にネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部周辺に大きな応力が加わって基体が変形した場合や、基体の半導体素子の直下の部位が半導体素子から伝わる熱のために急激に高温化し、基体の半導体素子の直下の部位が局部的に熱膨張して基体が変形した場合に、基体と外部基板との距離が大きくなっても、中央部のグラファイトシートに加わっている圧力が若干開放されて圧縮されていたグラファイトシートの厚みが復元されて増すことにより基体とグラファイトシートの密着性を保つことができる。
【００９０】
これらの結果、半導体素子が発する熱を効率よく外部に放熱して半導体素子の温度を所定の範囲内に維持し、また、基体における温度の偏りによる半導体素子収納用パッケージの歪みを緩和して入出力端子に発生するクラックを抑制することにより、気密性の保持や入出力端子のメタライズ配線層の断線防止を行い、内部に収容する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。
【００９１】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の半導体素子収納用パッケージにおいて、グラファイトシートの中央部の厚さがネジ止め部の下方に位置する部位の厚さよりも５乃至１０％大きいことから、グラファイトシートは中央部よりもネジ止め部ではより強く圧縮されて中央部の圧力が弱くなるのに対してグラファイトシートの中央部をネジ止め部よりも厚くすることにより中央部も確実に基体および外部基板に密着させることができ、放熱性をより高めることができる。
【００９２】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、グラファイトシートの中央部の面積がグラファイトシートの主面の面積の３０乃至７０％であることから、ネジ止めの際にグラファイトシート全面に均一に圧力が加わり易くなり、半導体素子から離れた部位においても半導体素子の熱をグラファイトシートを介して外部基板に伝達することができ、さらに効率の良い放熱効果を得ることができる。
【００９３】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の半導体素子収納用パッケージにおいて、グラファイトシートのネジ止め部の下方に位置する部位が、ネジ止め部に挿入されるネジの中心軸を中心軸とするとともにネジ止め部の貫通孔の直径または切欠きの幅の３乃至５倍の直径の円筒領域の内側に位置する部位であることから、グラファイトシートを略全面において満遍なく均一な圧力で圧縮することができるため、グラファイトシートが歪んで破れるのを有効に抑制でき、より大きな圧力でグラファイトシートを圧縮することができる。即ち、グラファイトシートのネジ止め部の下方に位置する部位が最も強く圧縮されるため、この部位を中央部よりも薄くすることにより、中央部を確実に基体および外部基板に密着させることができ、放熱性をより高めることができる。その結果、グラファイトシート全面において基体および外部基板との密着性をより向上させて熱伝導率を向上させることができる。
【００９４】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の半導体素子収納用パッケージにおいて、グラファイトシートは、基体側から第１のグラファイトシートおよび第２のグラファイトシートが積層されて成り、この第２のグラファイトシートは、その端が全周にわたって枠体の直下に位置していることにより、載置部の直下から枠体の直下にかけて確実にグラファイトシートを基体および外部基板に密着させることができ、簡便な構成で放熱性をより高めることができる。
【００９５】
また、半導体素子収納用パッケージをネジ止めする際、ネジの締め付け力にバラツキが生じても基体の載置部の直下から枠体の直下の部位が確実にグラファイトシートに密着しているため、放熱性が大きく損なわれることが無い。
【００９６】
さらに、ネジ止め部の下方には一層の第１のグラファイトシートのみであるため、このネジ止め部の下方の第１のグラファイトシートに生じる圧力は２層のグラファイトシートが積層された部位よりも小さくなって熱の伝達速度が多少小さくなり、ネジ止め部に挿入されたネジの温度の上昇を抑制することができる。その結果、熱膨張によりネジが膨張することに起因してグラファイトシートの密着性が損なわれることが有効に抑制することができる。
【００９７】
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、枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことにより、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、気密信頼性および導通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斜視図である。
【図２】（ａ）図１の半導体素子収納用パッケージのＡ−Ａ’線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）に用いられるグラファイトシートの断面図である。
【図３】（ａ）は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他の例を示す下面図であり、（ｂ）は（ａ）に用いられるグラファイトシートの断面図である。
【図４】従来の半導体素子収納用パッケージの平面図である。
【図５】従来の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【図６】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他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｂ：ネジ止め部
１ｃ：貫通孔
２：枠体
２ａ：取付部
３：入出力端子
３ａ：メタライズ配線層
４：半導体素子
５：蓋体
６：グラファイトシート
６ａ：ネジ止め部の下方に位置する部位
６ｂ：中央部
６ｃ：第１のグラファイトシート
６ｄ：第２のグラファイトシート
Ｃ：外部基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device housing package for housing a semiconductor element and a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having an improved mounting structure on an external substrate.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a plan view and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line BB 'of FIG. 4 showing a conventional semiconductor device housing package (hereinafter, also referred to as a semiconductor package) for housing a semiconductor device. In these figures, reference numeral 11 denotes a base, 12 denotes a frame, and 13 denotes an input / output terminal. These components basically constitute a semiconductor package accommodating the semiconductor element 14 in the internal space.
[0003]
The base 11 is made of a metal such as an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy or a sintered material such as copper (Cu) -tungsten (W). Is provided with a mounting portion 11a for mounting a semiconductor element 14 such as an FET (Field Effect Transistor) or an MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). Further, a screw hole 11b having a through hole 11c or a notch is provided at four corners of the base 11. The base 11 is screwed and fixed to an external substrate C such as a heat sink by inserting a screw into the through hole 11c or the notch of the screwing portion 11b.
[0004]
A frame body 12 is joined to the upper main surface of the base 11 so as to surround the mounting portion 11a, and has a mounting portion 12a for an input / output terminal 13 formed on a side portion thereof.
[0005]
The frame body 12 is made of an Fe—Ni—Co alloy or a Cu—W sintered material or the like, like the base body 11, and is integrally formed with the base body 11, or a brazing material such as silver (Ag) brazing is used for the base body 11. The base 11 is erected on the upper main surface of the base 11 by brazing or joining by a welding method such as a seam welding method.
[0006]
The input / output terminals 13 are made of ceramics such as an alumina (Al2O3) -based sintered body, an aluminum nitride (AlN) -based sintered body, and a mullite (3Al2O3 · 2SiO2) -based sintered body. A plurality of metallized wiring layers 13a that are fitted and joined via a material and that conduct between the inside and outside of the frame body 12 are formed.
[0007]
After the semiconductor element 14 is mounted and fixed on the mounting portion 11a of the semiconductor package having such a configuration, the electrodes of the semiconductor element 14 and the metallized wiring layer 13a on the inner surface side of the frame 12 of the input / output terminal 13 are bonded with bonding wires (FIG. (Not shown), and a lid 15 made of an Fe—Ni—Co alloy or the like is joined to the upper surface of the frame 12 by a welding method such as a seam welding method to hermetically seal the semiconductor element 14. Thus, a semiconductor device as a product is obtained.
[0008]
However, this semiconductor device has a problem in that the semiconductor element 14 generates heat due to operation, and in particular, the amount of heat generated increases as the operating frequency increases, and the semiconductor element 14 becomes hot and malfunctions.
[0009]
In order to solve such a problem, it is proposed that the heat generated by the semiconductor element 14 be radiated to the base 11 by mounting and fixing the semiconductor element 14 on the base 11 via a graphite sheet having a high thermal conductivity. (For example, see Patent Document 1 below).
[0010]
The semiconductor device having this configuration can function as a component of the external electric circuit device by being fixed to the external substrate C such as a heat sink provided on the external electric circuit device with screws.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-223629 (page 2-3, FIG. 1)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the semiconductor device of Patent Document 1 can efficiently radiate the heat generated when the semiconductor element 14 operates to the base 11, but it is difficult to efficiently radiate the heat to the external substrate C in the base 11. Met. That is, when a screw is inserted into the through hole 11c of the screwed portion 11b and fixed to the external substrate C with a screw, a large stress is applied around the screwed portion 11b due to the tightening of the screw, so that the base 11 is deformed. A gap is formed between the lower surface of the base 11 and the external substrate C, and the heat radiation from the base 11 to the external substrate C is not performed efficiently.
[0013]
In addition, in the semiconductor element 14 which has been highly densified in recent years, the calorific value has become extremely large as compared with the conventional one, and a portion of the base 11 directly below the semiconductor element 14 is generated by heat transmitted from the semiconductor element 14. The temperature rises rapidly. Therefore, a portion of the base 11 immediately below the semiconductor element 14 is locally thermally expanded and the base 11 is deformed, and a gap is generated between the lower surface of the base 11 and the external substrate C. Heat is not efficiently dissipated.
[0014]
Since it becomes difficult to dissipate heat from the base 11 to the external substrate C in this manner, the efficiency of heat dissipation from the semiconductor element 14 to the base 11 also decreases, and the semiconductor element 14 becomes hot and malfunctions. As the deformation becomes larger, stress is applied to the input / output terminals 13 fitted to the frame body 12 and cracks are generated in the input / output terminals 13, whereby airtightness is lost or the metallized wiring layer 13 a is disconnected. There was such a problem.
[0015]
In order to improve the decrease in heat radiation efficiency due to the gap between the base 11 and the external substrate C, a filler material such as silicon grease is interposed in the gap between the base 11 and the external substrate To make up for the lack of close contact between the substrate and the external substrate C.
[0016]
However, even if the thermal conductivity of the silicon grease is as small as 1 W / m · K or less, and even if the gap between the base 11 and the external substrate C is small and the layer of the silicon grease is thin, the thermal conductivity is the silicon grease layer. And the heat dissipation from the base 11 to the external substrate C is significantly reduced.
[0017]
Accordingly, the present invention has been completed in view of the above problems, and an object of the present invention is to efficiently radiate heat generated by a semiconductor element such as an FET or MMIC to the outside and maintain the temperature of the semiconductor element within a predetermined range. In addition, by relaxing the distortion of the semiconductor package due to the temperature deviation in the base and suppressing cracks generated in the input / output terminals, the airtightness is maintained and the metallized wiring layer of the input / output terminals is prevented from being disconnected. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device housing package that can normally and stably operate a semiconductor device housed in a semiconductor device for a long time.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device housing package of the present invention has a mounting portion on which the semiconductor device is mounted on the upper main surface and a screwing portion having a through hole or a notch for inserting a screw at each of the four corners. The formed substantially rectangular metal base is joined to the upper main surface of the base so as to surround the mounting portion, and a mounting portion for an input / output terminal including a through hole or a cutout is formed on a side portion. A metal frame, a ceramic input / output terminal having a metallized wiring layer electrically connected between the inside and the outside of the frame, fitted to the mounting portion, and a lower main surface of the base. A graphite sheet adhered to substantially the entire surface, and the graphite sheet is characterized in that the central part is the thickest.
[0019]
Since the semiconductor element housing package of the present invention is provided with the thickest graphite sheet at the center portion which is in close contact with substantially the entire lower surface of the base, the semiconductor element housing package is generated from the semiconductor element housed inside the semiconductor element housing package. The transferred heat can be transferred very quickly in the plane direction of the graphite sheet, and it is possible to effectively suppress local high temperature immediately below the junction of the semiconductor element of the base. Further, even in the thickness direction of the graphite sheet, heat can be quickly radiated to the external substrate with a small thermal resistance of 1 ° C./W or less, and the temperature rise of the semiconductor element can be effectively suppressed.
[0020]
In addition, since the central portion of the graphite sheet is compressed with a larger force, when a screw is inserted into the through hole of the screwed portion and fixed to the external substrate with a screw, a large stress is applied around the screwed portion by tightening the screw. When the base is deformed due to the addition of heat, the portion immediately below the semiconductor element of the base rapidly rises in temperature due to the heat transferred from the semiconductor element, and the portion immediately below the semiconductor element of the base locally expands thermally, and When deformed, even if the distance between the base and the external substrate increases, the pressure applied to the central graphite sheet is slightly released, and the thickness of the compressed graphite sheet is restored and increased, thereby increasing the thickness of the graphite sheet. The adhesion of the graphite sheet can be maintained.
[0021]
As a result, the heat generated by the semiconductor element is efficiently radiated to the outside to maintain the temperature of the semiconductor element within a predetermined range, and the distortion of the package for housing the semiconductor element due to the uneven temperature in the base is reduced. By suppressing cracks generated in the output terminal, airtightness can be maintained and disconnection of the metallized wiring layer of the input / output terminal can be prevented, and the semiconductor element housed therein can operate normally and stably for a long time.
[0022]
In the package for housing a semiconductor element according to the present invention, preferably, the graphite sheet has a thickness of the central portion 5 to 10% larger than a thickness of a portion located below the screwing portion.
[0023]
According to the semiconductor device housing package of the present invention, since the thickness of the central portion of the graphite sheet is 5 to 10% larger than the thickness of the portion located below the screw portion in the semiconductor device housing package described above, While the graphite sheet of the present invention is more strongly compressed at the screwed portion than the central portion and the pressure at the central portion is weakened, the graphite sheet of the present invention has a central portion that is thicker than the screwed portion to thereby reduce the central portion. The portion can also be reliably brought into close contact with the base and the external substrate, and the heat dissipation can be further improved.
[0024]
In the semiconductor element storage package according to the present invention, preferably, the area of the central portion is 30 to 70% of the area of the main surface of the graphite sheet.
[0025]
In the package for accommodating a semiconductor element of the present invention, since the area of the central portion of the graphite sheet is 30 to 70% of the area of the main surface of the graphite sheet, pressure is easily applied uniformly to the entire surface of the graphite sheet at the time of screwing. In other words, heat of the semiconductor element can be transmitted to the external substrate via the graphite sheet even in a portion remote from the semiconductor element, and a higher heat radiation effect can be obtained.
[0026]
In the semiconductor device housing package of the present invention, preferably, a portion of the graphite sheet located below the screwed portion has a central axis of the screw inserted into the screwed portion as the central axis, and The stopper is a portion located inside a cylindrical region having a diameter of 3 to 5 times the diameter of the through hole or the width of the notch.
[0027]
In the semiconductor element housing package of the present invention, in the semiconductor element housing package described above, the portion of the graphite sheet located below the screwed portion has the central axis of the screw inserted into the screwed portion as the central axis. Since the portion is located inside the cylindrical region having a diameter of 3 to 5 times the diameter of the through hole of the screw portion or the width of the notch, the graphite sheet can be compressed over the entire surface with a uniform pressure. Therefore, it is possible to effectively suppress the graphite sheet from being distorted and torn, and to compress the graphite sheet with a larger pressure. That is, since the portion of the graphite sheet located below the screwed portion is most strongly compressed, by making this portion thinner than the central portion, the central portion can be securely adhered to the base and the external substrate, Heat dissipation can be further improved. As a result, the thermal conductivity can be improved by further improving the adhesiveness between the substrate and the external substrate over the entire surface of the graphite sheet.
[0028]
In the semiconductor element housing package of the present invention, preferably, the graphite sheet is formed by laminating a first graphite sheet and a second graphite sheet from the base side, and the second graphite sheet has an end. It is located immediately below the frame over the entire circumference.
[0029]
The package for storing a semiconductor element of the present invention is the package for storing a semiconductor element described above, wherein the graphite sheet is formed by laminating a first graphite sheet and a second graphite sheet from the base side, and the second graphite sheet is Since the end is located directly below the frame over the entire circumference, the graphite sheet can be securely adhered to the base and the external substrate from directly below the mounting portion to directly below the frame, and the heat radiation is achieved by a simple configuration. Sex can be further enhanced.
[0030]
Also, when the semiconductor element housing package is screwed in, even if the screw tightening force varies, the portion immediately below the mounting portion of the base to immediately below the frame is securely adhered to the graphite sheet, so that heat is radiated. The property is not greatly impaired.
[0031]
Furthermore, since there is only one layer of the first graphite sheet below the screwed portion, the pressure generated on the first graphite sheet below the screwed portion is smaller than that of the portion where the two graphite sheets are stacked. As a result, the speed of heat transmission is somewhat reduced, and the temperature of the screw inserted into the screwed portion can be suppressed from rising. As a result, the loss of adhesion of the graphite sheet due to the expansion of the screw due to thermal expansion can be effectively suppressed.
[0032]
The semiconductor device of the present invention includes the semiconductor element housing package of the present invention, a semiconductor element mounted and fixed to the mounting portion and electrically connected to the input / output terminal, and an upper surface of the frame body. And a joined lid.
[0033]
With the above configuration, the semiconductor device of the present invention has high heat dissipation, airtight reliability, and conduction reliability using the semiconductor element housing package of the present invention.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The package for housing a semiconductor element and the semiconductor device according to the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a semiconductor package of the present invention, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the semiconductor package of FIG. 1, and FIG. It is sectional drawing of the graphite sheet used for a package. FIG. 3A is a bottom view showing another example of the embodiment of the semiconductor package of the present invention, and FIG. 3B is a sectional view of a graphite sheet used in FIG. 3A. In these figures, 1 is a base, 1a is a mounting portion, 1b is a screw portion, 2 is a frame, 2a is a mounting portion, 3 is an input / output terminal, 3a is a metallized wiring layer, 4 is a semiconductor element, 5 is a semiconductor element. The lid 1, 6 is a graphite sheet, and 6b is a central part. The base 1, frame 2, input / output terminals 3, and graphite sheet 6 basically constitute a semiconductor package for accommodating the semiconductor element 4 in the internal space. You. Further, a semiconductor device is obtained by mounting the semiconductor element 4 on a semiconductor package and joining the lid 5 to the upper surface of the frame 2.
[0035]
The substrate 1 of the present invention has a substantially square shape in plan view and is made of a metal such as an Fe-Ni-Co alloy or a sintered material of Cu-W. It is manufactured into a predetermined shape by performing a processing method or performing injection molding and cutting. On the upper main surface of the base 1, a mounting portion 1a on which a semiconductor element 4 such as an FET or MMIC is mounted is provided. The base 1 also serves as a heat radiating plate for dissipating heat generated when the semiconductor element 4 operates to the outside, and is generated in the semiconductor element 4 by screwing the base 1 to an external substrate C such as a heat radiating plate. The generated heat can be radiated to the external substrate C via the base 1.
[0036]
The term “substantially square” means that, in addition to the case of a perfect square, for example, a substantially square shape in which a corner is chamfered with a curve or a straight line is also included.
[0037]
On the surface of the base 1, a Ni layer having a thickness of 0.5 to 9 μm or a gold layer having a thickness of 0.5 to 5 μm ( It is preferable that a metal layer composed of an Au) layer be applied by plating or the like. Further, in order to efficiently radiate the heat generated from the semiconductor element 4 to the outside, the semiconductor element 4 is mounted and fixed on the mounting portion 1a while being mounted on a thermoelectric cooling element (not shown) such as a Peltier element. May be.
[0038]
A frame 2 having a mounting portion 2a for an input / output terminal 3 formed on a side portion thereof is provided upright on the upper main surface of the base 1 so as to surround the mounting portion 1a. The frame 2 and the base 1 together form a space for accommodating the semiconductor element 4 inside.
[0039]
The frame 2 is a frame having a substantially quadrangular shape in plan view, and functions to support the input / output terminals 3. Further, similarly to the base 1, it is made of a sintered material such as an Fe—Ni—Co alloy or Cu—W, and is formed integrally with the base 1 or brazed to the base 1 via a brazing material such as Ag brazing. Alternatively, by being joined by a welding method such as a seam welding method, the base member 1 is erected on the upper main surface. The attachment portion 2a is formed by penetrating one to four sides of the frame 2 or by cutting out the sides. When the mounting portion 2a is formed by cutting the side of the frame 2 from the upper surface, a substantially square frame-shaped seal ring (not shown) may be joined to the upper surfaces of the frame 2 and the mounting portion 2a. In this case, the seal ring is joined by brazing when the input / output terminal 3 is fitted to the mounting portion 2a or after the fitting and joining.
[0040]
The input / output terminal 3 of the present invention has an inverted T-shaped cross section made of ceramics such as an alumina (Al2O3) -based sintered body, an aluminum nitride (AlN) -based sintered body, and a mullite (3Al2O3 · 2SiO2) -based sintered body. (Convex type) member, which is fitted into the mounting portion 2a of the frame 2 and filled in a gap between the input / output terminal 3 and the mounting portion 2a with a molten brazing material such as Ag wax by capillary action. 2 is fitted and joined. A metallized wiring layer 3 a that conducts between the inside and outside of the frame 2 is attached to the input / output terminal 3. In addition, the input / output terminal 3 serves as a part of the frame 2 to hermetically partition the inside and the outside of the frame 2 and has a function as a conductive path for conducting the inside and the outside of the frame 2.
[0041]
When the input / output terminal 3 is made of, for example, an alumina sintered body, it is manufactured as follows. First, an appropriate organic binder, a plasticizer, a dispersant, a solvent, and the like are added to a raw material powder such as Al2O3, silicon oxide (SiO2), calcium oxide (CaO), and magnesium oxide (MgO), and mixed to form a slurry. This is formed into a sheet by a well-known doctor blade method to obtain a plurality of ceramic green sheets. Thereafter, these ceramic green sheets are subjected to an appropriate punching process, and a metal paste to be the metallized wiring layer 3a is applied by printing and laminated. Next, the laminate is cut into a predetermined size to form individual laminates, and a metal paste to be a metallized layer is printed and applied on a surface where the obtained laminate is bonded to the frame 2 after firing, and is then reduced in a reducing atmosphere. It is manufactured by firing at a temperature of about 1600 ° C.
[0042]
The metallized wiring layer 3a and the metal paste to be the metallized layer are prepared by adding a suitable organic binder or a solvent to a high melting point metal powder such as W, Mo, Mn, etc. and mixing them to form a paste. By printing using the method, the ceramic green sheet and its laminate are printed and applied.
[0043]
At the four corners of the base 1, screwed portions 1b formed with through holes 1c are provided. A semiconductor package can be fixed by inserting a screw into the through hole 1c of the screwing portion 1b and screwing the screw to the external substrate C. Such screwing portions 1b may be provided by forming notches at four corners of the base 1. Further, the screwing portions 1b at the four corners of the base 1 may be formed so as to extend from the base 1 to the outside of the base 1, respectively. Thereby, the stress applied when the screwed portion 1b is screwed to the external substrate C can be absorbed by the extended screwed portion 1b, and the distortion of the base 1 can be reduced.
[0044]
In the substrate 1 of the present invention, a graphite sheet 6 is adhered to substantially the entire lower surface. Thereby, the heat generated from the semiconductor element 4 housed in the semiconductor package and transmitted to the base 1 can be transferred very quickly in the surface direction of the graphite sheet 6, so that the base 1 is directly below the junction of the semiconductor element 4. Can be effectively suppressed from locally becoming high in temperature. In addition, even in the thickness direction of the graphite sheet 6, heat can be quickly radiated to the external substrate C with a small thermal resistance of 1 ° C./W or less, and the temperature rise of the semiconductor element 4 can be effectively suppressed.
[0045]
The central portion 6b of the graphite sheet 6 adhered to substantially the entire lower surface of the base 1 is thickest. Thus, the central portion 6b of the graphite sheet 6 is compressed with a larger force. As a result, when a screw is inserted into the through hole 1c of the screwed portion 1b and screwed and fixed to the external substrate C, a large stress is applied around the screwed portion 1b due to the tightening of the screw, and the base 1 is deformed. When the portion of the base 1 immediately below the semiconductor element 4 rapidly rises in temperature due to heat transmitted from the semiconductor element 4 and the part of the base 1 directly below the semiconductor element 4 is locally thermally expanded and the base 1 is deformed. In addition, even if the distance between the base 1 and the external substrate C increases, the pressure applied to the graphite sheet 6 in the central portion 6b is slightly released, and the thickness of the compressed graphite sheet 6 is restored and increased. Adhesion between the substrate 1 and the graphite sheet 6 can be maintained.
[0046]
The graphite sheet 6 is obtained by heating a polymer film such as a polyimide film in an inert atmosphere at a temperature of 2000 ° C. or more, and has a thermal conductivity of 600 W / m · K or more in the plane direction. In addition, a material having a small thermal resistance of 1 ° C./W or less in the thickness direction has been obtained.
[0047]
The graphite sheet 6 having the thickest central portion 6b is prepared by first molding a polyimide using a mold or by cutting the surface of a plate-like polyimide to form a polyimide plate having a thick central portion 6b. It can be manufactured by heating to 2000 ° C. or more in an inert atmosphere.
[0048]
In the graphite sheet 6, the thickness of the central portion 6b is preferably 5 to 10% larger than the thickness of the portion 6a located below the screwing portion 1b. As a result, the graphite sheet is more strongly compressed at the screwed portion than at the central portion 6b and the pressure at the central portion is weakened, whereas the central portion 6b is made thicker than the screwed portion 1b to secure the central portion 6b. The substrate 1 and the external substrate C can be brought into close contact with each other, and the heat dissipation can be further improved.
[0049]
When the difference between the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 and the thickness of the portion 6a located below the screw portion 1b is smaller than 5% of the thickness of the portion 6a located below the screw portion 1b, The central portion 6b of the graphite sheet 6 is hardly compressed by a large force, and as a result, when the base 1 is deformed and the distance between the base 1 and the external substrate C is increased, the adhesion between the base 1 and the graphite sheet 6 is increased. Is difficult to keep. On the other hand, if it is larger than 10%, the compressive force of the graphite sheet 6 becomes extremely large, and a large stress is applied to the graphite sheet 6 so that the graphite sheet 6 is easily broken.
[0050]
The thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 is preferably 0.05 to 0.3 mm. When the thickness is less than 0.05 mm, it is difficult to fill the gap between the base 1 and the external substrate C with the graphite sheet 6 without a gap due to deformation such as warpage of the base 1 and the external substrate C when the base 1 is screwed and fixed. , And the thermal conductivity from the substrate 1 to the graphite sheet 6 tends to decrease. On the other hand, if it exceeds 0.3 mm, it becomes difficult to produce the graphite sheet 6.
[0051]
In the graphite sheet 6, the thickness of the central portion 6b is 5 to 10% larger than the thickness of the portion located below the screwing portion 1b, and the area of the central portion 6b is 30 to 70 times the area of the main surface of the graphite sheet 6. % Is good. As a result, the pressure is easily applied uniformly to the entire surface of the graphite sheet 6 at the time of screwing, and the heat of the semiconductor element 4 can be transmitted to the external substrate C via the graphite sheet 6 even at a portion distant from the semiconductor element 4. And a more efficient heat radiation effect can be obtained.
[0052]
When the area of the central portion 6b is less than 30%, the pressure applied to the graphite sheet 6 located between the semiconductor element 4 and the screw portion 1b is slightly reduced, and it is difficult to uniformly apply the pressure to the entire surface of the graphite sheet 6. Become. On the other hand, if it exceeds 70%, the thickness of the graphite sheet 6 in the vicinity of the screwing portion 1b increases, and the pressure for compressing the central portion 6b of the graphite sheet 6 decreases.
[0053]
The portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screwed portion 1b has the center axis of the screw inserted into the screwed portion 1b as well as the diameter of the through hole 1c of the screwed portion 1b or the screwed portion 1b. It is preferable that the portion is located inside a cylindrical region having a diameter of 3 to 5 times the width of the notch. Thus, the graphite sheet 6 can be compressed with a uniform pressure over substantially the entire surface, so that the graphite sheet 6 can be effectively prevented from being distorted and broken, and the graphite sheet 6 can be compressed with a larger pressure. That is, since the portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screwed portion 1b is compressed most strongly, by making this portion thinner than the central portion 6b, the central portion 6b can be securely connected to the base 1 and the external substrate C. , And the heat dissipation can be further improved. As a result, the adhesiveness between the substrate 1 and the external substrate C over the entire surface of the graphite sheet 6 can be further improved, and the thermal conductivity can be improved.
[0054]
If the diameter of the portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screwed portion 1b is less than three times the diameter of the through hole 1c of the screwed portion 1b or the width of the notch of the screwed portion 1b, the graphite sheet 6 will be described. The inflection point of the thickness of the graphite sheet 6 is present in the area around the screw where a large pressure due to the screwing is likely to be applied. The sheet 6 is easily damaged. In addition, if it exceeds 5 times, the area around the screw where the large pressure due to the screwing of the graphite sheet 6 is likely to be applied and the inflection point of the thickness of the graphite sheet 6 are greatly separated, and the part between them is It becomes difficult to apply pressure, and it becomes difficult to apply large pressure uniformly to the entire surface of the graphite sheet 6.
[0055]
As shown in FIG. 6, another example of the embodiment of the semiconductor package of the present invention, the graphite sheet 6 is formed by laminating a first graphite sheet 6c and a second graphite sheet 6d from the base side, The second graphite sheet 6d preferably has its end positioned directly below the frame 2 over the entire circumference.
[0056]
Thereby, the graphite sheet 6 can be securely adhered to the base 1 and the external substrate C from directly below the mounting portion 1a to immediately below the frame 2, and the heat radiation can be further improved with a simple configuration.
[0057]
In addition, when the semiconductor package is screwed, even if a variation occurs in the screw tightening force, a portion immediately below the mounting portion 1a of the base 1 and immediately below the frame 2 is securely adhered to the graphite sheet 6, Heat dissipation is not significantly impaired.
[0058]
Furthermore, since there is only one layer of the first graphite sheet 6c below the screwed portion 1b, the pressure generated in the second graphite sheet 6d below the screwed portion 1b is such that the two-layered graphite sheets 6c and 6d are applied. The heat transfer speed is slightly reduced due to the smaller size than the stacked portions, and it is possible to suppress an increase in the temperature of the screw inserted into the screw fixing portion 1b. As a result, the loss of adhesion of the graphite sheet 6 due to expansion of the screw due to thermal expansion can be effectively suppressed.
[0059]
The thickness of the second graphite sheet 6d is preferably 5 to 20% of the thickness of the first graphite sheet 6c. Thereby, the graphite sheet 6 can be brought into close contact with the base 1 and the external substrate C.
[0060]
If the thickness of the second graphite sheet 6d is less than 5% of the thickness of the first graphite sheet 6c, it becomes difficult to compress the graphite sheet 6 with a large force. Is deformed to increase the distance between the base 1 and the external substrate C, it becomes difficult to maintain the adhesion between the base 1 and the graphite sheet 6. On the other hand, if it exceeds 20%, the portion where the two layers of graphite sheets 6c and 6d are laminated becomes too thick, and when screwing is performed with the screwing portion 1b, the base 1 warps and cracks occur in the semiconductor element 4. It is easy to occur.
[0061]
Then, after the semiconductor element 4 is mounted and fixed on the mounting portion 1a of the semiconductor package having the above-described configuration, the bonding wire between the electrode of the semiconductor element 4 and the portion of the metallized wiring layer 3a of the input / output terminal 3 inside the frame 2 is connected. And a lid 5 made of an Fe-Ni-Co alloy or the like is joined to the upper surface of the frame 2 by a welding method such as a seam welding method or a brazing method, and the semiconductor element 4 is hermetically sealed. Thus, a semiconductor device is obtained.
[0062]
In this semiconductor device, a lead wire or a ribbon wire (not shown) is soldered or soldered to a portion of the metallized wiring layer 3a outside the frame 2, and the lead wire or the ribbon wire is connected to an external electric circuit of an external electric circuit board. By the connection, the semiconductor element 4 housed inside the semiconductor package is electrically connected to an external electric circuit, and the semiconductor element 4 is operated by an electric signal.
[0063]
【Example】
(Example 1)
An embodiment of the package for housing a semiconductor element of the present invention will be described below. First, a substrate 1 made of a Cu-W alloy having a length of 20 mm, a width of 30 mm, and a height of 1.5 mm was placed on a base made of a Fe-Ni-Co alloy having a length of 20 mm, a width of 20 mm, a height of 5 mm, and a frame width of 1 mm. The frame 2 having a rectangular mounting portion 2a having a width of 3 mm and a height of 2 mm was brazed with an Ag brazing (BAg8: JIS Z 3261). Then, a sample was prepared in which the input / output terminal 3 was fitted and joined to the mounting portion 2a with the same Ag solder. In this sample, screwing portions 1b each having a through hole 1c were formed in advance at four corners of the base 1, and Ni plating having a thickness of 3 μm was formed on the base 1, the frame 2, and the metallized wiring layer 3a. Au plating having a thickness of 1 μm was applied in this order.
[0064]
With respect to the sample obtained in this manner, the outer shape conforming to the shape of the back surface of the base 1 has a convex shape in a circle having a diameter of 15 mm with the central portion 6b as a central axis, and the thickness of the central portion 6b Prepared 10 graphite sheets 6 (see Table 1) each having a thickness (0.1 mm) larger than the thickness (0.1 mm) of the portion 6a located below the screwed portion 1b, and dissipated the heat from the base 1 and aluminum of each sample. The sample was screwed to the external substrate C such that the sample was placed between the external substrate C as a plate and the pressure applied to the graphite sheet 6 was 30 × 104 Pa. The pressure applied to the graphite sheet 6 was determined by screwing a pressure-sensitive paper between the graphite sheet 6 and the external substrate C in advance, and measuring the screw torque. The desired pressure was obtained by adjusting the torque using the relationship of
[0065]
At this time, pressure-sensitive paper (“Fuji Prescale” manufactured by Fuji Photo Film Co., Ltd.) is placed between the graphite sheet 6 and the external substrate C to improve the adhesion of the graphite sheet 6 to the base 1 and the external substrate C. The evaluation was made based on the distribution of the pressure applied to the graphite sheet 6. A substrate in which the pressure was applied substantially uniformly to the entire lower surface of the base 1 was regarded as good.
[0066]
The pressure-sensitive paper is composed of a sheet in which a very small capsule containing a color former and processed to be crushed at a predetermined pressure is uniformly dispersed and applied to the surface, and a sheet in which a color developer is applied in advance, The color developing agent coming out of the capsule broken at a predetermined pressure causes the color of the color developer to develop, and the applied pressure is determined by optically reading the density of the developed color (red).
[0067]
Further, as an evaluation of heat dissipation, the semiconductor element 4 was mounted on these samples, and a high-frequency signal of, for example, 5 GHz was input to the semiconductor element 4 to heat the semiconductor element 4 (the temperature was raised from room temperature to about 150 ° C.). The operability of whether or not the semiconductor element 4 normally operates was examined. The case where the semiconductor elements 4 of all the samples operated normally was regarded as good, and the case where even one semiconductor element which did not operate normally occurred was regarded as defective. Table 1 shows the evaluation results. In Table 1, “difference in thickness” refers to a portion located below the screwed portion of the difference between the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 and the thickness of the portion 6a located below the screwed portion 1b. 6a to the thickness.
[0068]
[Table 1]
[0069]
From the results shown in Table 1, when the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 is 5 to 10% of the thickness of the portion 6a located below the screwing portion 1b, pressure is applied substantially uniformly to the graphite sheet 6, It was also found that heat dissipation was good.
[0070]
(Example 2)
Next, the thickness of the central portion 6b is 7.5% larger than the thickness (0.1 mm) of the portion 6a located below the screwed portion 1b, and the portion 6a located below the screwed portion 1b is penetrated. The center axis of the hole 1c (2.5 mm in diameter) (coincident with the center axis of the screw inserted into the through-hole 1c) is the center axis and is located inside the cylindrical region of various diameters (see Table 2). A sample was prepared in the same manner as in Example 1 using ten graphite sheets 6, and the sample was screwed to the external substrate C so that the pressure applied to the graphite sheet 6 was 30 × 104 Pa. Then, the pressure-sensitive paper was used in the same manner as in Example 1 to evaluate the variation in the adhesiveness of the graphite sheet 6. The evaluation of the heat radiation was performed on these samples in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the evaluation results. In Table 2, "diameter ratio" is a diameter ratio of the portion 6a located below the screwed portion to the through hole 1c.
[0071]
[Table 2]
[0072]
From the results shown in Table 2, if the diameter of the portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screw portion 1b is 3 to 5 times the diameter of the through hole 1c, the graphite sheet 6 around the through hole 1c may be damaged. It has been found that the problem described above can be solved, and a larger pressure can be applied to the entire surface of the base 1 substantially uniformly. It was also found that heat dissipation was good.
[0073]
(Example 3)
Next, notches having a width of 2.5 mm are provided at the four corners of the base 1 to form screwed portions 1b, and the diameter of a portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screwed portions 1b is determined by the notch. The width is set to four times the width, and the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 is different from the thickness (0.1 mm) of the portion 6a located below the screw portion 1b of the graphite sheet 6 (see Table 3). A sample was prepared in the same manner as in Example 1 using ten graphite sheets 6 each having been enlarged in Example 2 and the sample was screwed to the external substrate C so that the pressure applied to the graphite sheet 6 was 30 × 104 Pa. Then, the pressure-sensitive paper was used in the same manner as in Example 1 to evaluate the variation in the adhesiveness of the graphite sheet 6. The evaluation of the heat radiation was performed on these samples in the same manner as in Example 1. Table 3 shows the evaluation results. In Table 3, the “difference in thickness” refers to a portion located below the screwed portion of the difference between the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 and the thickness of the portion 6a located below the screwed portion 1b. 6a to the thickness.
[0074]
[Table 3]
[0075]
From the results in Table 3, it is assumed that the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 is 5 to 10% of the thickness of the portion 6a located below the screwed portion 1b, similarly to the evaluation result shown in Example 1. It was found that the pressure was applied substantially uniformly to the graphite sheet 6 and that the heat dissipation was good.
[0076]
(Example 4)
Next, notches having a width of 2.5 mm are provided at the four corners of the base 1 to form screwed portions 1b, and the diameter of a portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screwed portions 1b is determined by the notch. A graphite sheet in which the width is four times as large and the thickness of the central portion 6b of the graphite sheet 6 is 7.5% larger than the thickness (0.1 mm) of the portion 6a of the graphite sheet 6 located below the screw portion 1b. 6, each of the graphite sheets 6 having various values (see Table 4) in an area ratio (an area ratio with respect to the area of the main surface of the graphite sheet 6) between the area of the central portion 6b and the area of the main surface of the graphite sheet 6 was obtained. Ten samples were prepared, a sample was prepared in the same manner as in Example 1, the pressure applied to the graphite sheet 6 was set to 25 × 104 Pa, and the sample was screwed to the external substrate C. . Then, the pressure-sensitive paper was used in the same manner as in Example 1 to evaluate the variation in the adhesiveness of the graphite sheet 6. The evaluation of the heat radiation was performed on these samples in the same manner as in Example 1. Table 4 shows the evaluation results.
[0077]
[Table 4]
[0078]
From the results shown in Table 4, when the area of the central portion 6b of the graphite sheet 6 is 30 to 70% of the area of the main surface of the graphite sheet 6, the pressure is uniformly applied to the entire surface of the graphite sheet 6, and thus the heat radiation It was also found that very good results were obtained in terms of the properties.
[0079]
(Example 5)
Next, 80 first graphite sheets 6c (0.1 mm thick) having the same shape as the lower surface of the base 1 were prepared. Further, it has the same shape as the outer shape of the frame 2, and has various thickness ratios (thickness ratios to the thickness of the first graphite sheet 6c) with respect to the thickness of the first graphite sheet 6c (see Table 5). Each of 10 second graphite sheets 6d was prepared. Then, the first and second graphite sheets 6c and 6d are arranged between the base 1 of each sample and the external substrate C as a heat sink made of aluminum, and then the sample is screwed to the external substrate C. did.
[0080]
At this time, the second graphite sheet 6d was previously laminated at a predetermined position on the first graphite sheet 6c via a highly volatile solvent such as alcohol.
[0081]
The pressure applied to the graphite sheet 6 was determined by screwing a pressure-sensitive paper between the graphite sheet 6 and the external substrate C in advance, and measuring the screw torque. The desired pressure was obtained by adjusting the torque using the relationship of
[0082]
Further, as an evaluation of heat dissipation, the semiconductor element 4 was mounted on these samples in the same manner as in the above embodiment, and a high-frequency signal of, for example, 5 GHz was input to the semiconductor element 4 to cause the semiconductor element 4 to generate heat (approximately from room temperature). The operability as to whether the semiconductor element 4 normally operates when the temperature was raised to 150 ° C.) was examined. The case where the semiconductor elements 4 of all the samples operated normally was regarded as good, and the case where even one semiconductor element which did not operate normally occurred was regarded as defective. Table 5 shows the evaluation results. In Table 5, "thickness ratio" is a thickness ratio of the second graphite sheet 6d to the thickness of the first graphite sheet 6c. Table 5 shows the results of these evaluations.
[0083]
[Table 5]
[0084]
From the results in Table 5, when the thickness ratio of the second graphite sheet 6d to the thickness of the first graphite sheet 6c is 2.5% in the two-layer graphite sheet 6, the pressure distribution is uniform and Although the thermal properties were good, there was a case where a slight noise was generated in the semiconductor element 4 and a sign of malfunction appeared. Further, when the thickness ratio was 22.5%, there was a case where the substrate was warped and the pressure became non-uniform.
[0085]
On the other hand, if the thickness ratio of the second graphite sheet 6d is 5 to 20%, pressure is uniformly applied from directly below the mounting portion 1a to immediately below the frame 2, and heat radiation is good. That was confirmed.
[0086]
The present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the metallized wiring layer 3a may be made of a metal having a low electric resistance such as Cu. In this case, the resistance loss of an electric signal can be reduced in the metallized wiring layer 3a, and the semiconductor element 4 can operate more normally. .
[0087]
In addition, it is a matter of course that the present invention may be used for an optical semiconductor element housing package. In this case, the frame 2 has a shape in which a through hole for fixing an optical fiber is formed on a side portion thereof.
[0088]
【The invention's effect】
The semiconductor device housing package of the present invention has a mounting portion on which the semiconductor device is mounted on the upper main surface and a screwing portion having a through hole or a notch for inserting a screw at each of the four corners. The formed substantially rectangular metal base was joined to the upper main surface of the base so as to surround the mounting portion, and an input / output terminal mounting portion formed of a through hole or a notch was formed on a side portion. A metal frame, a ceramic input / output terminal having a metallized wiring layer electrically connected between the inside and the outside of the frame fitted to the mounting portion, and are adhered to substantially the entire lower main surface of the base. Since the center of the graphite sheet is the thickest, heat generated from the semiconductor element housed in the semiconductor element housing package and transferred to the base can be transferred to the graphite sheet very quickly. Can be transmitted in the surface direction of the over preparative, just below the junction of the semiconductor device of the substrate can be effectively prevented from becoming high temperature locally. Further, even in the thickness direction of the graphite sheet, heat can be quickly radiated to the external substrate with a small thermal resistance of 1 ° C./W or less, and the temperature rise of the semiconductor element can be effectively suppressed.
[0089]
Further, as a result of the central portion of the graphite sheet being compressed with a larger force, when the screw is inserted into the through hole of the screwed portion and fixed to the external substrate with a screw, a large stress is applied around the screwed portion by tightening the screw. When the base is deformed due to the addition of heat, the portion immediately below the semiconductor element of the base rapidly rises in temperature due to the heat transferred from the semiconductor element, and the portion immediately below the semiconductor element of the base locally expands thermally, and When deformed, even if the distance between the base and the external substrate increases, the pressure applied to the central graphite sheet is slightly released, and the thickness of the compressed graphite sheet is restored and increased, thereby increasing the thickness of the graphite sheet. The adhesion of the graphite sheet can be maintained.
[0090]
As a result, the heat generated by the semiconductor element is efficiently radiated to the outside to maintain the temperature of the semiconductor element within a predetermined range, and the distortion of the package for housing the semiconductor element due to the uneven temperature in the base is reduced. By suppressing cracks generated in the output terminal, airtightness can be maintained and disconnection of the metallized wiring layer of the input / output terminal can be prevented, and the semiconductor element housed therein can operate normally and stably for a long time.
[0091]
According to the semiconductor device housing package of the present invention, in the semiconductor device housing package described above, the thickness of the graphite sheet at the central portion is 5 to 10% larger than the thickness of the portion located below the screwed portion, and therefore the graphite is The sheet is more strongly compressed at the screwed portion than at the central portion, and the pressure at the central portion is weakened, whereas the central portion of the graphite sheet is thicker than the screwed portion, so that the central portion is also surely the base and the external substrate , And the heat dissipation can be further improved.
[0092]
In the package for accommodating a semiconductor element of the present invention, since the area of the central portion of the graphite sheet is 30 to 70% of the area of the main surface of the graphite sheet, pressure is easily applied uniformly to the entire surface of the graphite sheet at the time of screwing. In other words, the heat of the semiconductor element can be transmitted to the external substrate via the graphite sheet even in a portion remote from the semiconductor element, and a more efficient heat radiation effect can be obtained.
[0093]
In the semiconductor element housing package of the present invention, in the semiconductor element housing package described above, the portion of the graphite sheet located below the screwed portion has the central axis of the screw inserted into the screwed portion as the central axis. Since the portion is located inside the cylindrical region having a diameter of 3 to 5 times the diameter of the through hole of the screw portion or the width of the notch, the graphite sheet can be compressed over the entire surface with a uniform pressure. Therefore, it is possible to effectively suppress the graphite sheet from being distorted and torn, and to compress the graphite sheet with a larger pressure. That is, since the portion of the graphite sheet located below the screwed portion is most strongly compressed, by making this portion thinner than the central portion, the central portion can be securely adhered to the base and the external substrate, Heat dissipation can be further improved. As a result, the thermal conductivity can be improved by further improving the adhesiveness between the substrate and the external substrate over the entire surface of the graphite sheet.
[0094]
The package for storing a semiconductor element of the present invention is the package for storing a semiconductor element described above, wherein the graphite sheet is formed by laminating a first graphite sheet and a second graphite sheet from a base side, and the second graphite sheet is Since the end is located directly below the frame over the entire circumference, the graphite sheet can be securely brought into close contact with the base and the external substrate from directly below the mounting portion to directly below the frame, with a simple configuration. Heat dissipation can be further improved.
[0095]
Also, when the semiconductor element housing package is screwed in, even if the screw tightening force varies, the portion immediately below the mounting portion of the base to immediately below the frame is securely adhered to the graphite sheet, so that heat is radiated. The property is not greatly impaired.
[0096]
Furthermore, since there is only one layer of the first graphite sheet below the screwed portion, the pressure generated on the first graphite sheet below the screwed portion is smaller than that of the portion where the two graphite sheets are stacked. As a result, the speed of heat transmission is somewhat reduced, and the temperature of the screw inserted into the screwed portion can be suppressed from rising. As a result, the loss of adhesion of the graphite sheet due to the expansion of the screw due to thermal expansion can be effectively suppressed.
[0097]
The semiconductor device of the present invention is joined to the semiconductor device housing package of the present invention, a semiconductor element mounted and fixed on the mounting portion and electrically connected to the input / output terminals, and an upper surface of the frame. By providing the lid, the heat dissipation, airtight reliability, and conduction reliability using the semiconductor element housing package of the present invention are improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a package for housing a semiconductor element of the present invention.
2A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the package for housing a semiconductor element of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a graphite sheet used in FIG.
FIG. 3A is a bottom view showing another example of the embodiment of the semiconductor device housing package of the present invention, and FIG. 3B is a sectional view of a graphite sheet used in FIG.
FIG. 4 is a plan view of a conventional semiconductor device housing package.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor element storage package.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the embodiment of the semiconductor device housing package of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Substrate
1a: Receiver
1b: screwed part
1c: Through hole
2: Frame
2a: mounting part
3: Input / output terminal
3a: metallized wiring layer
4: Semiconductor element
5: Lid
6: Graphite sheet
6a: A part located below the screwed part
6b: Central part
6c: 1st graphite sheet
6d: 2nd graphite sheet
C: External board
