JP2005019896A - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子を信頼性よく気密に収納するとともに、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、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と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が形成されたセラミックスから成る入出力端子３とを具備しており、基体１は、上側主面の枠体２の直下の部位に枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝Ａが全周にわたって形成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体素子収納用パッケージは、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と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が形成されたセラミックスから成る入出力端子３とを具備しており、基体１は、上側主面の枠体２の直下の部位に枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝Ａが全周にわたって形成されている。
【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、単にパッケージともいう）を図３，図４に示す。図３はパッケージの斜視図、図４は図３のパッケージの縦断面図である。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を収容するパッケージ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とにそれぞれ枠体２２の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（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体等のセラミック製の入出力端子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。すなわち、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入出力端子２３を取付部２２ａに嵌着した枠体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とが接合されるとともに取付部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２３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をロウ付け法やシームウエルド法等の溶接法によって取着することによって、これら基体２１、枠体２２、入出力端子２３、蓋体２５で、内部空間に半導体素子２４を収容する半導体装置が基本的に構成される。
【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】
しかしながら、従来のパッケージの構成においては、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、ブレージング炉でロウ材を溶融させる際に、ロウ材が基体２１の上側主面の様々な方向に流出してロウ材が不足するために、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なくなり、気密性が損なわれ易くなるという問題点を有していた。
【０００９】
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。
【００１０】
また、従来の構成においては、ロウ材を用いて枠体２２を基体２１の上側主面に接合するに際し、枠体２２の４隅部の下面にロウ材が溜まり易く、そのため枠体２２の４隅部においてロウ材のメニスカスが局部的に大きくなっていた。その結果、枠体２２の４隅部を除く部位における枠体２２と基体２１とを接合するロウ材の量が不足して接合強度が損なわれたり、枠体２２の接合とともに接合される入出力端子２３の接合に際してロウ材が不足して気密性に係る不良が発生したり、さらに、４隅部に溜まったロウ材溜まりに半導体素子２４が発する熱による熱応力が生じ、この部位にマイクロクラックが発生して半導体素子２４を気密に収容できなくなったりするという問題点を有していた。
【００１１】
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り、部位によってロウ材の熱膨張の大きさが異なってしまうことから、基体２１に反りや変形が生じて載置部２１ａと半導体素子２４との間に剥離が生じてしまうという問題点を有していた。その結果、半導体素子２４を搭載部２１ａに密着させることが妨げられ、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とがあった。そのため、半導体素子２４の温度が上昇し、半導体素子２４が誤作動してしまう場合があった。
【００１２】
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、半導体素子を信頼性よく気密に収納し、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。
【００１３】
【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、この基体の前記上側主面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とに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が形成されたセラミックスから成る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直下の部位に前記枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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とに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が形成されたセラミックスから成る入出力端子とを具備しており、基体は、上側主面の前記枠体の直下の部位に枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成されていることにより、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、炉でロウ材を溶融させた際、溝に溶融したロウ材が引き込まれるように流れることによってロウ材が入出力端子や枠体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とともに、適正な厚さのロウ材を枠体と基体との隙間に確保できることにより、枠体と基体との接合を良好なものとすることができ、よってパッケージの気密性を向上させることができる。
【００１５】
また、溝によって載置部へのロウ材の流入を有効に抑制することができるため、ロウ材が載置部に流れ出した場合に銀ロウの成分である銀が載置部に施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する銀ロウの塊などで載置部の平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子をより安定かつ確実に実装することができる。
【００１６】
さらに、溝によって溝の長手方向のロウ材全体の幅やメニスカス等をほぼ均一な状態に保持することができることから製品毎の枠体の接合強度を均一にすることができるとともに、枠体の４隅にロウ材が溜まるのを抑制することができ、その結果、４隅のロウ材溜まりに発生するクラックを防止できる。
【００１７】
さらにまた、溝に適正な厚さのロウ材が溜まることにより、ロウ材による接合強度を高めることができるとともに、溝の深さが一定であることから枠体の接合強度を均一に強固なものとすることができ、その結果枠体の接合の信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、基体と枠体と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ることにより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、半導体素子と載置部とを密着させることができるので、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。
【００１９】
これらの結果、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、半導体素子が信頼性よく気密に収容されるとともに、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半導体素子収納用パッケージとすることができる。
【００２０】
また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記溝は、その底面に複数の溝部が前記溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明のパッケージは、溝の底面に複数の溝部が溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されているときには、入出力端子を接合するのに必要なロウ材の流れが溝の長手方向に沿って速やかとなり、ロウ材中に気泡を巻き込んだり、ロウ付け後のロウ材組成が部分的に変化したりするのを有効に防止するとともに、溝内におけるロウ材の厚さを速やかに均一とすることができる。
【００２２】
また、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、前記枠体の上面に前記枠体の内側を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の半導体装置によれば、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを具備していることから、放熱性に優れるとともに気密の信頼性の高いものとなり、長期信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
【００２４】
【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を添付図面に基づき詳細に説明する。図１（ａ）は本発明のパッケージの実施の形態の一例を示す平面図、同図（ｂ−１）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図であり、（ｂ−２）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。また、図２（ａ）は図１（ｂ−１）の拡大断面図であり、同図（ｂ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの他の例を示す要部拡大断面図である。これらの図において、１は基体、２は枠体、３は入出力端子、Ａは溝を示し、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を収容するパッケージが基本的に構成される。
【００２５】
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と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が形成されたセラミックスから成る入出力端子３とを具備しており、基体１は、上側主面の枠体２の直下の部位に枠体２の幅の１／２乃至４／５の幅の溝Ａが全周にわたって形成されている。
【００２６】
本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ，Ｃｕ−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、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を施したり、押出し成形と切削加工等を併用して施すことによって四角平板状の所定形状に製作される。また、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も果たす。
【００２７】
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接合を良好にするために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層、あるいはＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層と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に載置されていてもよい。
【００２８】
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合金等の金属から成る枠状体であり、これら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を施したり、押出し成形と切削加工等を併用して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合される。
【００２９】
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、あるいはＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層と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。
【００３０】
また、枠体２には、一つの側部とそれに対向する他の側部と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。
【００３１】
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の内外を電気的に導通するメタライズ配線層が形成された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（例えばＢＡｇ８：ＪＩＳ Ｚ ３２６１）を介してロウ付けされる。
【００３２】
入出力端子３を構成する上記の平板部および立壁部は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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、アルミナや窒化アルミニウム等の粉末とバインダーおよび可塑剤とからなる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。
【００３３】
入出力端子３の平板部の上面に形成されたメタライズ配線層および枠体２の取付部２ａに接合される部位には、Ｗ，モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等を成分とする導体ペーストを印刷し焼成することによりメタライズ層が形成されている。また、枠体２の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。
【００３４】
また、基体１において、枠体２および入出力端子３が取着される枠体２直下の部位に枠体２の全周にわたって溝Ａが設けられている。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入出力端子３を取付部２ａに嵌着した枠体２で挟むようにして敷設し、ブレージング炉でロウ材を溶融させた際、溝Ａに溶融したロウ材が引き込まれるように流れることによって溶融ロウ材の厚みを適正な一定の厚みとすることができるとともに、溝Ａによってロウ材が入出力端子３や枠体２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、枠体２や入出力端子３と基体１との接合を均質で良好なものとすることができ、パッケージの気密性を向上させることができる。
【００３５】
また、これにより基体１の上側主面の入出力端子３の周囲にロウ材が大きく濡れ広がることが抑制されることから、入出力端子３と取付部２ａとを接合するためのロウ材の量が確保でき、毛細管現象により枠体２の取付部２ａと入出力端子３との隙間に十分なロウ材を入り込ませることができ、これによって入出力端子３と取付部２ａとの接合強度を強くし、パッケージの気密性を向上させることができる。
【００３６】
また、溝Ａによって載置部１ａへのロウ材の流入を有効に抑制することができ、流入した銀ロウの成分である銀が載置部１ａに施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する高さ数十μｍの銀ロウの塊などで載置部１ａの平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子４をより安定に、かつより確実に実装することができる。
【００３７】
さらに、ロウ材が入出力端子３や枠体２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、溝Ａ付近にロウ溜まりを形成できるため、ロウ材全体の幅やメニスカスをほぼ均一な状態に保持することができることから、例えば大きく広がったロウ材の部分において発生するロウ材中の組成の層分離を有効に抑制することができる。従って、ロウ材成分の比率を一定としてロウ材の溶融温度を均一とできることから枠体２と基体１との接合部全域にわたってロウ材の強度をほぼ均一に強固なものとすることができるとともに、例えば周知の電解めっき法によってロウ材表面に形成されるめっき層とロウ材との密着性をより均一に強固なものとすることができる。
【００３８】
また、基体１と枠体２との間に形成されるロウ材のメニスカスの大きさを安定させることができることにより、枠体２と基体１との接合部に発生する熱応力が均一なものとなり、その結果、基体１に反りや変形が生じるのを有効に抑制して載置部１ａ上に半導体素子４を強固に固定することができる。これにより、半導体素子４と載置部１ａとの接合部に剥離が生じ難くなり、半導体素子４と載置部１ａとを密着させることができるので、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放散させることができる。
【００３９】
そして、本発明の半導体素子収納用パッケージは、これらの効果があるために、半導体素子４を気密に収容するとともに、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。
【００４０】
溝Ａは、基体１の上側主面をエッチング加工する方法やフライス切削加工する方法などの機械的加工によって形成することができる。このようにして基体１に形成された溝Ａには、酸化防止やロウ材の流れ性向上、さらにロウ材との密着強度を高めるためにＮｉ層、あるいはＮｉ層とＡｕ層と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。
【００４１】
このような溝Ａは、その幅が枠体２の幅の１／２乃至４／５であるのがよく、またその深さは０．０５乃至０．２ｍｍが好ましい。溝Ａの幅が枠体２の幅の１／２未満であれば、溝Ａを設ける効果が小さくなってしまい、枠体２や入出力端子３を信頼性よく基体１の上側主面に接合できなくなることがあり、また４／５を超えるとロウ材の量が多くなり過ぎてしまい、ロウ材と基体１との熱膨張差により基体１に反りが発生することがある。
【００４２】
また溝Ａの深さが０．０５ｍｍ未満であれば基体１の反りによって例えばフライス盤などで基体１の表面を研削して均一な深さの溝Ａを形成することが困難となり、部分的に溝Ａを形成することができなくなることがあるので好ましくなく、また０．２ｍｍを超えると溝Ａに溜まるロウ材量が多くなり過ぎ、その結果、ロウ材と基体１の熱膨張率の差に起因して基体１に反りが発生してしまうことがある。
【００４３】
また、図２（ｂ）に示すように、好ましくは溝Ａの底面に、複数の溝部Ｂが溝Ａの長手方向に沿って全周にわたって形成されているのがよい。この溝部Ｂが形成されていることにより、入出力端子３を取付部２ａに接合するのに必要なロウ材の流れが溝Ａの長手方向に沿って速やかなものとなり、ロウ材流れの滞留が生じないために、滞留部分の周囲に気泡が巻き込まれたり、メッキ膜の成分であるＮｉ中にロウ材の成分であるＡｇが溶出してロウ付け後のロウ材組成が部分的に変化したりするのを有効に防止するとともに、溝Ａ内におけるロウ材の厚さを速やかに均一とすることができる。
【００４４】
溝Ａの底面の溝部Ｂによる算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１乃至３μｍであるのが好ましい。これにより、溝Ａの長手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が０．１μｍ未満であると、溝部Ｂの深さが浅すぎることとなるため、溶融したロウ材の流れる方向付けが弱くなり、全周にわたっての均一なロウ付けが良好なものでなくなってしまうことがある。また、Ｒａが３μｍを超えると、溝部Ｂが深すぎることとなるため、ロウ材が溝Ａに流れ易くなりすぎて、入出力端子３と取付部２ａとの隙間に入り込むロウ材の必要量が不足することがあり、これにより、入出力端子３の周りの取付部２ａの気密性が損なわれてしまう。
【００４５】
そして、上記構成の本発明の半導体素子収容用パッケージと、パッケージの載置部１ａに載置されるとともに入出力端子３のメタライズ配線層の枠体２内側の部位とボンディングワイヤで電気的に接続されたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＩＣ）等の半導体素子４と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成りシーム溶接法等の溶接法やロウ付け法等により枠体２の上面に枠体２の内側を塞ぐように取着された蓋体５とで本発明の半導体装置が基本的に構成される。
【００４６】
本発明の半導体装置によれば、本発明の半導体素子収納用パッケージを具備していることから、枠体２と基体１との接合部や枠体２の取付部２ａと入出力端子３との接合部の気密の信頼性に優れ、また搭載部１ａの反り等が少なく半導体素子４を良好に基体１と密着させることができることから放熱性に優れた半導体装置とすることができ、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半導体装置とすることができる。
【００４７】
【実施例】
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
【００４８】
（実施例１）
図１に示すパッケージを以下のように構成した。すなわち、縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる基体１の上側主面に、幅が０．６，０．７，０．７５，０．９，１，１．１，１．２，１．２５ｍｍで、深さが０．１ｍｍの溝Ａを枠体２を接合する部位において枠体２の下からはみ出さないようにエッチングにより形成したものを、それぞれの溝Ａの幅について各１００個ずつのサンプルを作製した。因みに、これらの幅は、後述する枠体２の幅１．５ｍｍに対して、それぞれ２／５，７／１５，１／２，３／５，２／３，１１／１５，４／５，５／６倍となるものである。次いで、Ｎｉメッキを電解メッキ法により基体１の表面に被着させ、およそ９００℃でシンターさせた。
【００４９】
次に、枠体２を、幅１．５ｍｍ×高さ５ｍｍで平面視での外形が縦１０ｍｍ×横１２ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金で形成し、その側部の下側を横３ｍｍ×縦２ｍｍに切り欠いて取付部２ａを形成した。そして別途準備した入出力端子３を取付部２ａに嵌着し、Ａｇロウからなるロウ材のプリフォームを介して基体１の載置部１ａを囲むように基体１の溝Ａの上面に載置し、最高温度が８５０度の非酸化性雰囲気のブレージング炉を用いて加熱し、ロウ材のプリフォームを溶融させて枠体２を基体１に取着したサンプルを得た。ロウ付け時間は最高温度が８５０℃のブレージング炉で１０分間とした。また、ロウ材のプリフォームは溝Ａのそれぞれの幅に対して入出力端子３を含めて適正なロウ付けができるように厚さが調整されたものを使用した。
【００５０】
そして、これらのサンプルについて入出力端子３周辺の気密性、および枠体２の接合強度、基体１の反りを評価した。気密性の評価は、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる蓋体５をシーム溶接法で溶接して作製したサンプルをグロスリーク試験法により評価した。グロスリーク試験法とは、例えば１０気圧のヘリウムで満たされた室温容器内に、蓋体５を接合したパッケージを約３０分間放置する。このときにパッケージにクラックがあればそのクラックからパッケージ内部にヘリウムが圧入される。次いで、このパッケージを１２５℃に保たれたフロロカーボン溶媒中に投入することによりパッケージ内からクラックなどの欠陥を伝わって出てくるヘリウムによる気泡の発生位置を目視で確認し、クラックの発生位置を知るという試験方法である。
【００５１】
また、枠体２の接合強度の評価は蓋体５を接合しない状態で枠体２に水平方向に１００Ｎ（ニュートン）の力を加えたときに枠体２が剥れた割合を調べることにより行なった。さらに、ロウ材が多いときに発生する基体１の反りの評価は、枠体２の剥れ試験をする前に反りゲージで測定して行なった。その結果を表１に示す。表１において反りの大きさは１００個のサンプルの反りの平均値を示し、パッケージに発生する反りが５０μｍ／２５．４ｍｍ未満のものを合格とした。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１より、溝Ａの幅は枠体２の幅の１／２〜４／５とする必要があることが明らかになった。すなわち、溝Ａの幅が枠体２の幅の１／２未満では、枠体２の下面からのロウ材の流出が発生して、載置部１ａに半導体素子４を正常に載置固定することができなくなるとともに、気密性評価において溝Ａの幅が枠体２の幅の２／５倍のときにサンプル１００個中８個の割合で、溝Ａの幅が枠体２の幅の７／１５倍のときに１００個中３個の割合で入出力端子３周辺に気泡発生が認められた。また、枠体２の接合強度評価において、溝Ａの幅が２／５倍と７／１５倍のサンプルの両方とも４隅のロウ材溜まりに発生したクラックの部分から１００個のサンプル中８個の割合で枠体２が剥がれ、枠体２の接合強度が劣化することが判明した。また、４／５を超えると、ロウ材の量が多過ぎることにより１００個のサンプル中１０個の割合で基体１に５０μｍ／２５．４ｍｍ（＝１ｉｎｃｈ）を超える大きさの反りが発生することが明らかになった。
【００５４】
（実施例２）
次に、枠体２の厚みを１ｍｍとした以外は実施例１同じで、溝Ａの幅の枠体２の幅も２／５，７／１５，１／２，３／５，２／３，１１／１５，４／５，５／６倍としたサンプルを各幅１００個ずつ作製し、実施例１と同様の評価を行なった。その結果を表２に示す。
【００５５】
【表２】
【００５６】
表２の結果より、枠体２の幅が１ｍｍの場合においても溝Ａの幅は枠体２の幅の１／２乃至４／５倍が良いことが明らかになった。
【００５７】
（実施例３）
次いで実施例１と同様に作製するとともに、溝Ａの幅が０．５，０．６，０．６７，０．７３，０．８ｍｍの基体１を各２０個ずつ用意し、各溝Ａの底面に平均深さが２μｍの溝部Ｂをサンドペーパーを用いて枠体２の各辺の方向に沿って形成し、その後枠体２をロウ付けして入出力端子３周りのロウ付け状態および枠体２と基体１との接合部のメニスカスの均一性を実施例１のサンプルと比較した。
【００５８】
【表３】
【００５９】
表３に示した結果より、溝Ａの底面に溝部Ｂを形成することによりさらに均一なメニスカスを枠体の全周にわたって形成できることが明らかになった。
【００６０】
なお、本発明は以上の実施の形態の例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種々の変更を施すことは何等支障ない。例えば、基体１としてＣｕ板を使用することもできる。このとき枠体２とＣｕ板との接合部に溝Ａが形成され、ロウ材がその間に配置されているとＣｕ板と枠体２との間に発生する熱応力が軽減されるために、信頼性良く枠体２を基体１上に接合させておくことができる。
【００６１】
【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とに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が形成されたセラミックスから成る入出力端子とを具備しており、基体は、上側主面の枠体の直下の部位に枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成されていることから、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、溝に溶融したロウ材が引き込まれるように流れることによってロウ材が入出力端子や枠体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とともに、適正な厚さのロウ材を枠体と基体との隙間に確保でき、枠体と基体との接合を良好なものとすることができ、よってパッケージの気密性を向上させることができる。
【００６２】
また、毛細管現象により入出力端子の取付部と入出力端子との隙間に十分なロウ材を入り込ませることができるので、入出力端子と取付部との接合強度および半導体素子収納用パッケージの気密性を向上させることができる。
【００６３】
また、溝によって載置部へのロウ材の流入を有効に抑制することができるため、ロウ材が載置部に流れ出した場合に銀ロウの成分である銀が載置部に施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する銀ロウの塊などで載置部の平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子をより安定かつ確実に実装することができる。
【００６４】
また、溝によって載置部へのロウ材の流入を有効に抑制することができるため、ロウ材が載置部に流れ出した場合に銀ロウの成分である銀が載置部に施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する銀ロウの塊などで載置部の平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子をより安定かつ確実に実装することができる。
【００６５】
また、基体と枠体と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ることにより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、半導体素子と載置部とを密着させることができるので、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。
【００６６】
さらに、本発明の半導体収納用パッケージによれば、上記構成において、溝は、その底面に複数の溝部が溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されているときには、入出力端子を接合するのに必要なロウ材の流れが溝の長手方向に沿って速やかとなり、ロウ材中に気泡を巻き込んだり、ロウ付け後のロウ材組成が部分的に変化したりするのを有効に防止するとともに、溝内におけるロウ材の厚さを速やかに均一とすることができる。
【００６７】
これらの結果、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、半導体素子を気密に保持するとともに、半導体素子の温度が上昇するのを防止し、よって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。
【００６８】
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、枠体の上面に枠体の内側を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることから、放熱性に優れるとともに気密の信頼性の高いものとなり、長期信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す平面図であり、同図（ｂ−１）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、（ｂ−２）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図２】（ａ）は図１（ｂ−１）の拡大断面図であり、（ｂ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの他の例を示す要部拡大断面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの例を示す斜視図である。
【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
５：蓋体
Ａ：溝
Ｂ：溝部
【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、単にパッケージともいう）を図３，図４に示す。図３はパッケージの斜視図、図４は図３のパッケージの縦断面図である。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を収容するパッケージ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とにそれぞれ枠体２２の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（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体等のセラミック製の入出力端子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。すなわち、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入出力端子２３を取付部２２ａに嵌着した枠体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とが接合されるとともに取付部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２３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をロウ付け法やシームウエルド法等の溶接法によって取着することによって、これら基体２１、枠体２２、入出力端子２３、蓋体２５で、内部空間に半導体素子２４を収容する半導体装置が基本的に構成される。
【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】
しかしながら、従来のパッケージの構成においては、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、ブレージング炉でロウ材を溶融させる際に、ロウ材が基体２１の上側主面の様々な方向に流出してロウ材が不足するために、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なくなり、気密性が損なわれ易くなるという問題点を有していた。
【０００９】
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。
【００１０】
また、従来の構成においては、ロウ材を用いて枠体２２を基体２１の上側主面に接合するに際し、枠体２２の４隅部の下面にロウ材が溜まり易く、そのため枠体２２の４隅部においてロウ材のメニスカスが局部的に大きくなっていた。その結果、枠体２２の４隅部を除く部位における枠体２２と基体２１とを接合するロウ材の量が不足して接合強度が損なわれたり、枠体２２の接合とともに接合される入出力端子２３の接合に際してロウ材が不足して気密性に係る不良が発生したり、さらに、４隅部に溜まったロウ材溜まりに半導体素子２４が発する熱による熱応力が生じ、この部位にマイクロクラックが発生して半導体素子２４を気密に収容できなくなったりするという問題点を有していた。
【００１１】
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り、部位によってロウ材の熱膨張の大きさが異なってしまうことから、基体２１に反りや変形が生じて載置部２１ａと半導体素子２４との間に剥離が生じてしまうという問題点を有していた。その結果、半導体素子２４を搭載部２１ａに密着させることが妨げられ、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とがあった。そのため、半導体素子２４の温度が上昇し、半導体素子２４が誤作動してしまう場合があった。
【００１２】
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、半導体素子を信頼性よく気密に収納し、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。
【００１３】
【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、この基体の前記上側主面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とに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が形成されたセラミックスから成る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直下の部位に前記枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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とに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が形成されたセラミックスから成る入出力端子とを具備しており、基体は、上側主面の前記枠体の直下の部位に枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成されていることにより、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、炉でロウ材を溶融させた際、溝に溶融したロウ材が引き込まれるように流れることによってロウ材が入出力端子や枠体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とともに、適正な厚さのロウ材を枠体と基体との隙間に確保できることにより、枠体と基体との接合を良好なものとすることができ、よってパッケージの気密性を向上させることができる。
【００１５】
また、溝によって載置部へのロウ材の流入を有効に抑制することができるため、ロウ材が載置部に流れ出した場合に銀ロウの成分である銀が載置部に施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する銀ロウの塊などで載置部の平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子をより安定かつ確実に実装することができる。
【００１６】
さらに、溝によって溝の長手方向のロウ材全体の幅やメニスカス等をほぼ均一な状態に保持することができることから製品毎の枠体の接合強度を均一にすることができるとともに、枠体の４隅にロウ材が溜まるのを抑制することができ、その結果、４隅のロウ材溜まりに発生するクラックを防止できる。
【００１７】
さらにまた、溝に適正な厚さのロウ材が溜まることにより、ロウ材による接合強度を高めることができるとともに、溝の深さが一定であることから枠体の接合強度を均一に強固なものとすることができ、その結果枠体の接合の信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、基体と枠体と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ることにより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、半導体素子と載置部とを密着させることができるので、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。
【００１９】
これらの結果、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、半導体素子が信頼性よく気密に収容されるとともに、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半導体素子収納用パッケージとすることができる。
【００２０】
また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記溝は、その底面に複数の溝部が前記溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明のパッケージは、溝の底面に複数の溝部が溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されているときには、入出力端子を接合するのに必要なロウ材の流れが溝の長手方向に沿って速やかとなり、ロウ材中に気泡を巻き込んだり、ロウ付け後のロウ材組成が部分的に変化したりするのを有効に防止するとともに、溝内におけるロウ材の厚さを速やかに均一とすることができる。
【００２２】
また、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、前記枠体の上面に前記枠体の内側を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の半導体装置によれば、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを具備していることから、放熱性に優れるとともに気密の信頼性の高いものとなり、長期信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
【００２４】
【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を添付図面に基づき詳細に説明する。図１（ａ）は本発明のパッケージの実施の形態の一例を示す平面図、同図（ｂ−１）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図であり、（ｂ−２）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。また、図２（ａ）は図１（ｂ−１）の拡大断面図であり、同図（ｂ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの他の例を示す要部拡大断面図である。これらの図において、１は基体、２は枠体、３は入出力端子、Ａは溝を示し、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を収容するパッケージが基本的に構成される。
【００２５】
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と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が形成されたセラミックスから成る入出力端子３とを具備しており、基体１は、上側主面の枠体２の直下の部位に枠体２の幅の１／２乃至４／５の幅の溝Ａが全周にわたって形成されている。
【００２６】
本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ，Ｃｕ−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、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を施したり、押出し成形と切削加工等を併用して施すことによって四角平板状の所定形状に製作される。また、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も果たす。
【００２７】
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接合を良好にするために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層、あるいはＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層と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に載置されていてもよい。
【００２８】
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合金等の金属から成る枠状体であり、これら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を施したり、押出し成形と切削加工等を併用して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合される。
【００２９】
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、あるいはＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層と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。
【００３０】
また、枠体２には、一つの側部とそれに対向する他の側部と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。
【００３１】
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の内外を電気的に導通するメタライズ配線層が形成された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（例えばＢＡｇ８：ＪＩＳ Ｚ ３２６１）を介してロウ付けされる。
【００３２】
入出力端子３を構成する上記の平板部および立壁部は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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、アルミナや窒化アルミニウム等の粉末とバインダーおよび可塑剤とからなる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。
【００３３】
入出力端子３の平板部の上面に形成されたメタライズ配線層および枠体２の取付部２ａに接合される部位には、Ｗ，モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等を成分とする導体ペーストを印刷し焼成することによりメタライズ層が形成されている。また、枠体２の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。
【００３４】
また、基体１において、枠体２および入出力端子３が取着される枠体２直下の部位に枠体２の全周にわたって溝Ａが設けられている。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入出力端子３を取付部２ａに嵌着した枠体２で挟むようにして敷設し、ブレージング炉でロウ材を溶融させた際、溝Ａに溶融したロウ材が引き込まれるように流れることによって溶融ロウ材の厚みを適正な一定の厚みとすることができるとともに、溝Ａによってロウ材が入出力端子３や枠体２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、枠体２や入出力端子３と基体１との接合を均質で良好なものとすることができ、パッケージの気密性を向上させることができる。
【００３５】
また、これにより基体１の上側主面の入出力端子３の周囲にロウ材が大きく濡れ広がることが抑制されることから、入出力端子３と取付部２ａとを接合するためのロウ材の量が確保でき、毛細管現象により枠体２の取付部２ａと入出力端子３との隙間に十分なロウ材を入り込ませることができ、これによって入出力端子３と取付部２ａとの接合強度を強くし、パッケージの気密性を向上させることができる。
【００３６】
また、溝Ａによって載置部１ａへのロウ材の流入を有効に抑制することができ、流入した銀ロウの成分である銀が載置部１ａに施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する高さ数十μｍの銀ロウの塊などで載置部１ａの平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子４をより安定に、かつより確実に実装することができる。
【００３７】
さらに、ロウ材が入出力端子３や枠体２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、溝Ａ付近にロウ溜まりを形成できるため、ロウ材全体の幅やメニスカスをほぼ均一な状態に保持することができることから、例えば大きく広がったロウ材の部分において発生するロウ材中の組成の層分離を有効に抑制することができる。従って、ロウ材成分の比率を一定としてロウ材の溶融温度を均一とできることから枠体２と基体１との接合部全域にわたってロウ材の強度をほぼ均一に強固なものとすることができるとともに、例えば周知の電解めっき法によってロウ材表面に形成されるめっき層とロウ材との密着性をより均一に強固なものとすることができる。
【００３８】
また、基体１と枠体２との間に形成されるロウ材のメニスカスの大きさを安定させることができることにより、枠体２と基体１との接合部に発生する熱応力が均一なものとなり、その結果、基体１に反りや変形が生じるのを有効に抑制して載置部１ａ上に半導体素子４を強固に固定することができる。これにより、半導体素子４と載置部１ａとの接合部に剥離が生じ難くなり、半導体素子４と載置部１ａとを密着させることができるので、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放散させることができる。
【００３９】
そして、本発明の半導体素子収納用パッケージは、これらの効果があるために、半導体素子４を気密に収容するとともに、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。
【００４０】
溝Ａは、基体１の上側主面をエッチング加工する方法やフライス切削加工する方法などの機械的加工によって形成することができる。このようにして基体１に形成された溝Ａには、酸化防止やロウ材の流れ性向上、さらにロウ材との密着強度を高めるためにＮｉ層、あるいはＮｉ層とＡｕ層と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。
【００４１】
このような溝Ａは、その幅が枠体２の幅の１／２乃至４／５であるのがよく、またその深さは０．０５乃至０．２ｍｍが好ましい。溝Ａの幅が枠体２の幅の１／２未満であれば、溝Ａを設ける効果が小さくなってしまい、枠体２や入出力端子３を信頼性よく基体１の上側主面に接合できなくなることがあり、また４／５を超えるとロウ材の量が多くなり過ぎてしまい、ロウ材と基体１との熱膨張差により基体１に反りが発生することがある。
【００４２】
また溝Ａの深さが０．０５ｍｍ未満であれば基体１の反りによって例えばフライス盤などで基体１の表面を研削して均一な深さの溝Ａを形成することが困難となり、部分的に溝Ａを形成することができなくなることがあるので好ましくなく、また０．２ｍｍを超えると溝Ａに溜まるロウ材量が多くなり過ぎ、その結果、ロウ材と基体１の熱膨張率の差に起因して基体１に反りが発生してしまうことがある。
【００４３】
また、図２（ｂ）に示すように、好ましくは溝Ａの底面に、複数の溝部Ｂが溝Ａの長手方向に沿って全周にわたって形成されているのがよい。この溝部Ｂが形成されていることにより、入出力端子３を取付部２ａに接合するのに必要なロウ材の流れが溝Ａの長手方向に沿って速やかなものとなり、ロウ材流れの滞留が生じないために、滞留部分の周囲に気泡が巻き込まれたり、メッキ膜の成分であるＮｉ中にロウ材の成分であるＡｇが溶出してロウ付け後のロウ材組成が部分的に変化したりするのを有効に防止するとともに、溝Ａ内におけるロウ材の厚さを速やかに均一とすることができる。
【００４４】
溝Ａの底面の溝部Ｂによる算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１乃至３μｍであるのが好ましい。これにより、溝Ａの長手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が０．１μｍ未満であると、溝部Ｂの深さが浅すぎることとなるため、溶融したロウ材の流れる方向付けが弱くなり、全周にわたっての均一なロウ付けが良好なものでなくなってしまうことがある。また、Ｒａが３μｍを超えると、溝部Ｂが深すぎることとなるため、ロウ材が溝Ａに流れ易くなりすぎて、入出力端子３と取付部２ａとの隙間に入り込むロウ材の必要量が不足することがあり、これにより、入出力端子３の周りの取付部２ａの気密性が損なわれてしまう。
【００４５】
そして、上記構成の本発明の半導体素子収容用パッケージと、パッケージの載置部１ａに載置されるとともに入出力端子３のメタライズ配線層の枠体２内側の部位とボンディングワイヤで電気的に接続されたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＩＣ）等の半導体素子４と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成りシーム溶接法等の溶接法やロウ付け法等により枠体２の上面に枠体２の内側を塞ぐように取着された蓋体５とで本発明の半導体装置が基本的に構成される。
【００４６】
本発明の半導体装置によれば、本発明の半導体素子収納用パッケージを具備していることから、枠体２と基体１との接合部や枠体２の取付部２ａと入出力端子３との接合部の気密の信頼性に優れ、また搭載部１ａの反り等が少なく半導体素子４を良好に基体１と密着させることができることから放熱性に優れた半導体装置とすることができ、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半導体装置とすることができる。
【００４７】
【実施例】
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
【００４８】
（実施例１）
図１に示すパッケージを以下のように構成した。すなわち、縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる基体１の上側主面に、幅が０．６，０．７，０．７５，０．９，１，１．１，１．２，１．２５ｍｍで、深さが０．１ｍｍの溝Ａを枠体２を接合する部位において枠体２の下からはみ出さないようにエッチングにより形成したものを、それぞれの溝Ａの幅について各１００個ずつのサンプルを作製した。因みに、これらの幅は、後述する枠体２の幅１．５ｍｍに対して、それぞれ２／５，７／１５，１／２，３／５，２／３，１１／１５，４／５，５／６倍となるものである。次いで、Ｎｉメッキを電解メッキ法により基体１の表面に被着させ、およそ９００℃でシンターさせた。
【００４９】
次に、枠体２を、幅１．５ｍｍ×高さ５ｍｍで平面視での外形が縦１０ｍｍ×横１２ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金で形成し、その側部の下側を横３ｍｍ×縦２ｍｍに切り欠いて取付部２ａを形成した。そして別途準備した入出力端子３を取付部２ａに嵌着し、Ａｇロウからなるロウ材のプリフォームを介して基体１の載置部１ａを囲むように基体１の溝Ａの上面に載置し、最高温度が８５０度の非酸化性雰囲気のブレージング炉を用いて加熱し、ロウ材のプリフォームを溶融させて枠体２を基体１に取着したサンプルを得た。ロウ付け時間は最高温度が８５０℃のブレージング炉で１０分間とした。また、ロウ材のプリフォームは溝Ａのそれぞれの幅に対して入出力端子３を含めて適正なロウ付けができるように厚さが調整されたものを使用した。
【００５０】
そして、これらのサンプルについて入出力端子３周辺の気密性、および枠体２の接合強度、基体１の反りを評価した。気密性の評価は、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる蓋体５をシーム溶接法で溶接して作製したサンプルをグロスリーク試験法により評価した。グロスリーク試験法とは、例えば１０気圧のヘリウムで満たされた室温容器内に、蓋体５を接合したパッケージを約３０分間放置する。このときにパッケージにクラックがあればそのクラックからパッケージ内部にヘリウムが圧入される。次いで、このパッケージを１２５℃に保たれたフロロカーボン溶媒中に投入することによりパッケージ内からクラックなどの欠陥を伝わって出てくるヘリウムによる気泡の発生位置を目視で確認し、クラックの発生位置を知るという試験方法である。
【００５１】
また、枠体２の接合強度の評価は蓋体５を接合しない状態で枠体２に水平方向に１００Ｎ（ニュートン）の力を加えたときに枠体２が剥れた割合を調べることにより行なった。さらに、ロウ材が多いときに発生する基体１の反りの評価は、枠体２の剥れ試験をする前に反りゲージで測定して行なった。その結果を表１に示す。表１において反りの大きさは１００個のサンプルの反りの平均値を示し、パッケージに発生する反りが５０μｍ／２５．４ｍｍ未満のものを合格とした。
【００５２】
【表１】
表１より、溝Ａの幅は枠体２の幅の１／２〜４／５とする必要があることが明らかになった。すなわち、溝Ａの幅が枠体２の幅の１／２未満では、枠体２の下面からのロウ材の流出が発生して、載置部１ａに半導体素子４を正常に載置固定することができなくなるとともに、気密性評価において溝Ａの幅が枠体２の幅の２／５倍のときにサンプル１００個中８個の割合で、溝Ａの幅が枠体２の幅の７／１５倍のときに１００個中３個の割合で入出力端子３周辺に気泡発生が認められた。また、枠体２の接合強度評価において、溝Ａの幅が２／５倍と７／１５倍のサンプルの両方とも４隅のロウ材溜まりに発生したクラックの部分から１００個のサンプル中８個の割合で枠体２が剥がれ、枠体２の接合強度が劣化することが判明した。また、４／５を超えると、ロウ材の量が多過ぎることにより１００個のサンプル中１０個の割合で基体１に５０μｍ／２５．４ｍｍ（＝１ｉｎｃｈ）を超える大きさの反りが発生することが明らかになった。
【００５４】
（実施例２）
次に、枠体２の厚みを１ｍｍとした以外は実施例１同じで、溝Ａの幅の枠体２の幅も２／５，７／１５，１／２，３／５，２／３，１１／１５，４／５，５／６倍としたサンプルを各幅１００個ずつ作製し、実施例１と同様の評価を行なった。その結果を表２に示す。
【００５５】
【表２】
表２の結果より、枠体２の幅が１ｍｍの場合においても溝Ａの幅は枠体２の幅の１／２乃至４／５倍が良いことが明らかになった。
【００５７】
（実施例３）
次いで実施例１と同様に作製するとともに、溝Ａの幅が０．５，０．６，０．６７，０．７３，０．８ｍｍの基体１を各２０個ずつ用意し、各溝Ａの底面に平均深さが２μｍの溝部Ｂをサンドペーパーを用いて枠体２の各辺の方向に沿って形成し、その後枠体２をロウ付けして入出力端子３周りのロウ付け状態および枠体２と基体１との接合部のメニスカスの均一性を実施例１のサンプルと比較した。
【００５８】
【表３】
表３に示した結果より、溝Ａの底面に溝部Ｂを形成することによりさらに均一なメニスカスを枠体の全周にわたって形成できることが明らかになった。
【００６０】
なお、本発明は以上の実施の形態の例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種々の変更を施すことは何等支障ない。例えば、基体１としてＣｕ板を使用することもできる。このとき枠体２とＣｕ板との接合部に溝Ａが形成され、ロウ材がその間に配置されているとＣｕ板と枠体２との間に発生する熱応力が軽減されるために、信頼性良く枠体２を基体１上に接合させておくことができる。
【００６１】
【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とに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が形成されたセラミックスから成る入出力端子とを具備しており、基体は、上側主面の枠体の直下の部位に枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成されていることから、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、溝に溶融したロウ材が引き込まれるように流れることによってロウ材が入出力端子や枠体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とともに、適正な厚さのロウ材を枠体と基体との隙間に確保でき、枠体と基体との接合を良好なものとすることができ、よってパッケージの気密性を向上させることができる。
【００６２】
また、毛細管現象により入出力端子の取付部と入出力端子との隙間に十分なロウ材を入り込ませることができるので、入出力端子と取付部との接合強度および半導体素子収納用パッケージの気密性を向上させることができる。
【００６３】
また、溝によって載置部へのロウ材の流入を有効に抑制することができるため、ロウ材が載置部に流れ出した場合に銀ロウの成分である銀が載置部に施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する銀ロウの塊などで載置部の平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子をより安定かつ確実に実装することができる。
【００６４】
また、溝によって載置部へのロウ材の流入を有効に抑制することができるため、ロウ材が載置部に流れ出した場合に銀ロウの成分である銀が載置部に施されたＮｉメッキ層に溶出して銀ロウの組成が変動し、その結果発生する銀ロウの塊などで載置部の平坦度が悪化するのを防ぐことができ、半導体素子をより安定かつ確実に実装することができる。
【００６５】
また、基体と枠体と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ることにより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、半導体素子と載置部とを密着させることができるので、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。
【００６６】
さらに、本発明の半導体収納用パッケージによれば、上記構成において、溝は、その底面に複数の溝部が溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されているときには、入出力端子を接合するのに必要なロウ材の流れが溝の長手方向に沿って速やかとなり、ロウ材中に気泡を巻き込んだり、ロウ付け後のロウ材組成が部分的に変化したりするのを有効に防止するとともに、溝内におけるロウ材の厚さを速やかに均一とすることができる。
【００６７】
これらの結果、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、半導体素子を気密に保持するとともに、半導体素子の温度が上昇するのを防止し、よって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。
【００６８】
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、枠体の上面に枠体の内側を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることから、放熱性に優れるとともに気密の信頼性の高いものとなり、長期信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す平面図であり、同図（ｂ−１）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、（ｂ−２）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図２】（ａ）は図１（ｂ−１）の拡大断面図であり、（ｂ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの他の例を示す要部拡大断面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの例を示す斜視図である。
【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
５：蓋体
Ａ：溝
Ｂ：溝部
Claims (3)
- 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とに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が形成されたセラミックスから成る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直下の部位に前記枠体の幅の１／２乃至４／５の幅の溝が全周にわたって形成さ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。
- 前記溝は、その底面に複数の溝部が前記溝の長手方向に沿って全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項１または請求項２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、前記枠体の上面に前記枠体の内側を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることを特徴とする半導体装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003185888A JP2005019896A (ja) | 2003-06-27 | 2003-06-27 | 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2015142066A (ja) * | 2014-01-30 | 2015-08-03 | ローム株式会社 | パワーモジュールおよびその製造方法 |
-
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- 2003-06-27 JP JP2003185888A patent/JP2005019896A/ja active Pending
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