JP2005150133A

JP2005150133A - 半導体素子収納用容器

Info

Publication number: JP2005150133A
Application number: JP2003380750A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Kosakata; 明義小阪田; Shizuteru Hashimoto; 静輝橋本
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】高周波用半導体素子からの発熱を放熱させる放熱特性に優れ、高周波用半導体素子の電気的特性を低下させない、クラックや破壊の発生がない半導体素子収納用容器を提供する。
【解決手段】略長方形状のヒートシンク板１３の一方の主面に対向する他方の主面の長手方向中央部に、ウインドフレーム形状のセラミック枠体１４の一方の主面を接合し、セラミック枠体１４の他方の主面に、金属板からなる外部接続端子１５を接合する接合体からなる基体１１に高周波用半導体素子１７が搭載された後、高周波用半導体素子１７が蓋体１２で封止される半導体素子収納用容器１０において、基体１１のヒートシンク板１３が高熱伝導率を有するＣｕと他の金属との複合金属板からなり、蓋体１２が樹脂材からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波用半導体素子からの発熱を放熱させるためのヒートシンク板、ウインドフレーム形状のセラミック枠体、及び外部接続端子を接合して形成される基体と、この基体に搭載された高周波用半導体素子を蓋体で気密に封止する半導体素子収納用容器に関する。

従来から、基体と、蓋体で構成される半導体素子収納用容器に実装される高周波の信号を取り扱う高周波用半導体素子は、作動時の発熱が大きいので、半導体素子から発生する熱を大気中に効率よく放散させなければ、装置を正常に作動させることができなくなる恐れがある。従って、この高周波用半導体素子を収納するための半導体素子収納用容器には、放熱性のよいものが用いられている。
図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、従来の半導体素子収納用容器５０を説明する。図３（Ａ）に示すように、従来の半導体素子収納用容器５０の基体５１は、これを構成するヒートシンク板５３に、セラミックと熱膨張係数が近似し、しかも放熱特性が比較的よい、例えば、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）系や、銅モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）系や、Ｃｕと他の金属のクラッド品等の略長方形状をしたＣｕと他の金属との複合金属板を用いている。また、セラミック枠体５４には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックからなるウインドフレーム形状のセラミック基板を用いている。更に、外部接続端子５５には、セラミックと熱膨張係数が近似する金属板を用いている。そして、基体５１には、半導体素子の高周波の領域での電気特性を悪化させないで実装するためのキャビティ部５６が、例えば、ヒートシンク板５３の略長方形状をした長手方向中央部上を囲繞するように、ウインドフレーム形状のセラミック枠体５４がその裏面側に形成されたメタライズパターンにろう材を介して載置され、加熱炉で加熱されてろう付け接合されて形成されている。このろう付け接合に併せて、セラミック枠体５４には、外部と接続するための外部接続端子５５がセラミック枠体５４の表面側に裏面側の場合と同様にして形成されたメタライズパターンにろう材を介して載置され、加熱炉で加熱されてろう付け接合されている。

一方、図３（Ｂ）に示すように、従来の半導体素子収納用容器５０の蓋体５２は、セラミック枠体５４と熱膨張係数が近似させたＣｕ−Ｗ系の複合金属板からなるヒートシンク板５３の熱膨張係数と近似させるように、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３等からなるセラミックで形成されている。この蓋体５２は、セラミックグリーンシートを積層や、セラミック粉末をプレス成形等行い焼成して形成され、セラミック枠体５４の外形寸法及び枠幅寸法と実質的に同じ寸法からなる箱型形状をしている。

そして、図３（Ｃ）に示すように、基体５１のキャビティ部５６には、半導体素子（図示せず）が実装された後、セラミック枠体５４に接合されている外部接続端子５５を含めてセラミック枠体５４上面に蓋体５２をガラスや、エポキシ樹脂等の接着材５７で接合してキャビティ部５６の半導体素子を気密に封止している。また、高周波信号は、外部接続端子５５を介して入出力されるようになっている。そして、半導体素子が封止された半導体素子収納用容器５０は、ヒートシンク板５３に放熱された熱を更に外部に放熱させるための基台５８に、ヒートシンク板５３の略長方形状の長手方向両端部に形成されている切り欠き部５９にねじ６０が取り付けられてねじ止めして固定される。

従来の半導体素子収納用容器には、通常の半導体素子を収納するために、樹脂製の基体と、樹脂製の蓋体を用いて気密に封止させるものが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平６−２５２２８３号公報特開２００１−１９６４８８号公報

しかしながら、前述したような従来の半導体素子収納用容器は、次のような問題がある。
（１）高周波用半導体素子を用いた装置の高性能化に伴い高周波用半導体素子の出力が増大しているが、これに伴う半導体素子からの発熱量の増大に対応するための半導体素子収納用容器には、基体のヒートシンク板に高放熱特性を有するものが望まれている。これに対応するためにセラミックに熱膨張係数を近似させた従来のＣｕと他の金属との複合金属板では、放熱特性の向上に限界が生じている。
（２）ヒートシンク板の放熱特性の向上のためには、Ｃｕと他の金属との複合金属板の熱伝導率の優れているＣｕの割合量を増大させたものが有効となるが、Ｃｕ量の増大とともにヒートシンク板の熱膨張係数が増大するので、従来のセラミック製の蓋体を接合させた時に、接合間の熱応力が大きくなり、蓋体にクラックや破壊が発生し、キャビティ部内の気密不良を発生させている。
（３）基体と蓋体を樹脂製とした場合には、高周波用半導体素子のような高発熱量の半導体素子からの発熱を基体から放熱させることができないので、半導体素子の電気的特性を発揮させることができなくなる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高周波用半導体素子からの発熱を放熱させる放熱特性に優れ、高周波用半導体素子の電気的特性を低下させない、クラックや破壊の発生がない半導体素子収納用容器を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る半導体素子収納用容器は、略長方形状のヒートシンク板の一方の主面に対向する他方の主面の長手方向中央部に、ウインドフレーム形状のセラミック枠体の一方の主面を接合し、セラミック枠体の他方の主面に、金属板からなる外部接続端子を接合する接合体からなる基体に高周波用半導体素子が搭載された後、高周波用半導体素子が蓋体で封止される半導体素子収納用容器において、基体のヒートシンク板が高熱伝導率を有するＣｕと他の金属との複合金属板からなり、蓋体が樹脂材からなる。
ここで、半導体素子収納用容器は、複合金属板が８×１０^−６／℃以上の熱膨張係数を有するのがよい。

請求項１記載の半導体素子収納用容器は、基体のヒートシンク板が高熱伝導率を有するＣｕと他の金属との複合金属板からなり、蓋体が樹脂材からなるので、ヒートシンク板にＣｕの割合量を増大させたものを用いて熱伝導率を向上させる替わりに熱膨張係数が増大して蓋体との接合間で熱応力が大きくなっても、樹脂材からなる蓋体によって熱応力が吸収でき、蓋体にクラックや破壊を発生させることなく、高周波用半導体素子からの発熱を放熱させる放熱特性に優れ、高周波用半導体素子の電気的特性を低下させない半導体素子収納用容器を提供できる。

特に、請求項２記載の半導体素子収納用容器は、複合金属板が８×１０^−６／℃以上の熱膨張係数を有するので、ヒートシンク板にＣｕの割合量を増大させることができて熱伝導率を向上させ、高周波用半導体素子からの発熱を放熱させる放熱特性に優れ、高周波用半導体素子の電気的特性を低下させない半導体素子収納用容器を提供できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用容器の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体素子収納用容器が基台に取り付けられる説明図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用容器１０は、基体１１と蓋体１２で構成されている。基体１１は、略長方形板状の金属板からなるヒートシンク板１３の一方の主面に対向する他方の主面の長手方向中央部に、ウインドフレーム形状のセラミック枠体１４の一方の主面を接合し、更に、セラミック枠体１４の他方の主面に、金属板からなる外部接続端子１５を接合する接合体で構成されている。この基体１１のヒートシンク板１３とセラミック枠体１４の接合で形成されるキャビティ部１６には、高周波用半導体素子１７が搭載されるようになっている。そして、搭載された後の高周波用半導体素子１７は、キャビティ部１６の上面を覆うようにして接合される箱型形状の蓋体１２によって気密に封止されることになる。

この基体１１のヒートシンク板１３には、実装される高周波用半導体素子１７から発生する高温、且つ大量の熱を放熱するための放熱特性がよく、セラミックと熱膨張係数が近似する、例えば、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）系や、銅モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）系や、Ｃｕと他の金属のクラッド等の略長方形状をしたＣｕと他の金属との複合金属板が用いられている。そして、特に、このヒートシンク板１３には、放熱特性を向上させるために、セラミックとの熱膨張係数の近似性を若干犠牲にすることとなるが、Ｃｕの割合量を増大させた高熱伝導率を有するものが用いられている。また、このヒートシンク板１３には、通常、セラミック枠体１４のろう付け接合時のろうの半導体素子接合面への流れすぎを防止するためのＣｕめっき被膜が施されている。更に、ヒートシンク板１３には、長手方向両端部に、高周波用半導体素子１７の実装が完了した後、半導体素子収納用容器１０を基台にねじ止めして固定するための切り欠き部１８を有している。

また、基体１１のセラミック枠体１４には、アルミナや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックが用いられている。このセラミック枠体１４のヒートシンク板１３との接合面である一方の主面には、タングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等からなり、上面にＮｉめっきが施されたメタライズパターンが形成されている。そして、ヒートシンク板１３とセラミック枠体１４は、接合面間にＡｇ−Ｃｕろう等からなるろう材を介し、加熱してろう付け接合されている。この接合によって、基体１１には、高周波用半導体素子の高周波の領域での電気特性を悪化させないで実装するためのキャビティ部１６がヒートシンク板１３の略長方形状をした長手方向中央部上をセラミック枠体１４で囲繞するようにして形成される。また、セラミック枠体１４の他方の主面には、外部との電気的導通を行うための金属板からなるリードフレーム形状の外部接続端子１５を接合させるための上記と同様なメタライスパターンが形成されている。更に、外部接続端子１５とセラミック枠体１４は、接合面間にＡｇ−Ｃｕろう等のろう材を介し、加熱してろう付け接合されている。そして、基体１１には、接合体の外表面に露出する全金属表面上にＮｉめっき被膜、及びその上にＡｕめっき被膜が施されている。なお、セラミック枠体１４は、ヒートシンク板１３との接合において、セラミック枠体１４の熱膨張係数と、Ｃｕと他の金属との複合金属板のＣｕの割合量を増大させたヒートシンク板１３の熱膨張係数に違いがあって接合面に熱応力が発生したとしても、セラミック枠体１４の厚さが薄いので、クラックや、破壊の発生を防止することができる。

一方、キャビティ部１６内の高周波用半導体素子１７を気密に封止するための蓋体１２には、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材が用いられている。また、この樹脂材からなる蓋体１２は、樹脂材にガラス繊維を混入させて強化され、キャビティ部１６の上面全体を覆えるような箱型形状に形成されている。

ヒートシンク板１３のＣｕと他の金属との複合金属板は、Ｃｕの割合量を増大させて、熱膨張係数を８×１０^−６／℃以上とするのがよい。ヒートシンク板１３は、複合金属板の熱膨張係数をセラミックの熱膨張係数に近似させてセラミック製蓋体との接合信頼性を確保していたが、より高い放熱特性を得るには熱膨張係数が大きくなりすぎてセラミック製蓋体との接合信頼性を確保できなくなっていた。基体１１と蓋体１２の接合信頼性は、蓋体１２が樹脂材からなることで、熱膨張係数が８×１０^−６／℃以上有する複合金属板であっても、接合信頼性を確保できる。なお、複合金属板の熱膨張係数は、１１×１０^−６／℃を超えるとヒートシンク板１３とセラミック枠体１４の接合信頼性に若干問題が発生する。

次いで、基体１１と蓋体１２からなる半導体素子収納用容器１０の製造方法を説明する。基体１１のヒートシンク板１３は、Ｃｕと他の金属との複合金属板のＣｕの割合量を増大させた、例えば、ポーラス状のタングステン（Ｗ）にＣｕを含浸させたりして作製されるＣｕ−Ｗ系の複合金属板や、Ｃｕとモリブデン（Ｍｏ）の合金からなるＣｕ−Ｍｏ系の複合金属板や、Ｃｕ−Ｍｏ系の合金金属板の両面にＣｕ板を貼り合わせたクラッドの複合金属板等から形成されている。そして、切削加工や、粉末冶金等の手法を用いて基台１９（図２（Ｂ）参照）にねじ止め固定するための切り欠き部１８を設けて、実質的に長方形状で両主面を平板にして形成されている。更に、ヒートシンク板１３には、セラミック枠体１４を高温ろう材でろう付け接合時に、ろうが半導体素子接合面に流れすぎるのを防止するためのＣｕめっき被膜が電解めっき法で施されている。そして、このヒートシンク板１３の他方の主面とウインドフレーム形状のセラミック枠体１４の一方の主面を接合し、更に、このセラミック枠体１４の他方の主面と外部接続端子１５を接合して３つの接合体からなる基体１１を作製している。

セラミック枠体１４を形成するためのセラミックは、セラミックの一例であるＡｌ_２Ｏ_３からなり、Ａｌ_２Ｏ_３粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練し、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製する。次いで、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートを形成し、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製する。そして、１又は複数枚のセラミックグリーンシートには、ウインドフレーム形状になるように中空部を打ち抜き加工すると共に、タングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる金属導体ペーストを用いて、セラミック枠体１４の下面側である一方の主面、及び上面側である他方の主面となるようにスクリーン印刷してメタライズパターンを形成する。また、セラミックグリーンシートが複数枚の場合には、積層して積層体の一方の主面、及び他方の主面がメタライスパターンを有するようにスクリーン印刷して形成する。そして、高融点金属とセラミックグリーンシートを還元雰囲気中で同時焼成して両主面にメタライズパターンを有するセラミック枠体１４を作製する。なお、一方の主面のメタライズパターンは、ヒートシンク板１３とウインドフレーム形状の全周にわたってろう付け接合するためにセラミック枠体１４の下面全周面に形成されている。

セラミック枠体１４の上面である他方の主面に接合されるリードフレーム形状の金属板からなる外部接続端子１５は、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等のセラミックと熱膨張係数が近似する金属部材からなり、切削加工や、エッチング加工や、打ち抜き加工等で所定の形状に形成されている。なお、因みに、ＫＶの熱膨張係数は、５．３×１０^−６／ｋ程度であり、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数の、６．７×１０^−６／ｋ程度とは、互いに近似はしている。

次に、ヒートシンク板１３、セラミック枠体１４、及び外部接続端子１５の接合体の作製方法を説明する。先ず、セラミック枠体１４の両面のメタライズパターンの表面、及び外部接続端子１５の全表面には、それぞれＮｉや、Ｎｉ合金等からなる第１のＮｉめっきを施す。そして、ヒートシンク板１３の平面形状からなる他方の主面の中央部には、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材を介してセラミック枠体１４の下面側である一方の主面が当接させて載置され、約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合されている。また、セラミック枠体１４の上面側である他方の主面には、例えば、ＢＡｇ−８等のＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材を介して外部接続端子１５の先端部の下面側が当接させて載置され、約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合されている。接合体は、このヒートシンク板１１と、セラミック枠体１４の接合、及びセラミック枠体１４と外部接続端子１５の接合によって形成される。なお、接合体の形成は、ヒートシンク板１３と、セラミック枠体１４の接合、及びセラミック枠体１４と外部接続端子１５の接合を同時に行って形成することもできる。そして、接合体の外表面に露出する全金属表面上には、第２のＮｉめっきが施され、更に、その上にＡｕめっきが施されることで、基体１１を作製している。

一方、蓋体１２は、ガラス繊維等を含有させた溶融状態の樹脂を箱形形状に成型できる金型に圧入し、冷却して成形できる樹脂材から作製している。

次いで、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、基体１１と蓋体１２からなる半導体素子収納用容器１０に高周波用半導体素子１７が実装され、基台１９に取り付けられる形態を説明する。基体１１には、ヒートシンク板１３とセラミック枠体１４で形成されるキャビティ部１６に高周波用半導体素子１７がダイボンドされ、高周波用半導体素子１７と外部接続端子１５とをボンディングワイヤ２０で接続される。そして、セラミック枠体１４及び外部接続端子１５のセラミック枠体１４上面部には、樹脂材からなる蓋体１２をエポキシ樹脂等の樹脂接着材２１で接着してキャビティ部１６内の高周波用半導体素子１７が気密に封止される。高周波用半導体素子１７が実装された半導体素子収納用容器１０は、高周波用半導体素子１７からの発熱をヒートシンク板１３に放熱し、更に、外部に放熱させるための基台１９に、ヒートシンク板１３に設けられている切り欠き部１８にねじ２２を挿通させてねじ止めして固定される。

本発明者は、ヒートシンク板にＣｕ−Ｍｏ系の合金金属板の両面にＣｕ板を貼り合わせた（厚さ比率、Ｃｕ：Ｃｕ−Ｍｏ：Ｃｕ＝１：４：１）クラッドの複合金属板を用いた基体と、樹脂材からなる蓋体とで構成される実施例の半導体素子収納用容器と、ヒートシンク板に実施例と同様のクラッドの複合金属板を用いた基体と、セラミックからなる蓋体とで構成される比較例の半導体素子収納用容器を作製した。併せて、ヒートシンク板にＣｕ−Ｗからなる複合金属板と、セラミックからなる蓋体とで構成される従来例の半導体素子収納用容器を作製した。それぞれの半導体素子収納用容器の基体と蓋体は、エポキシ樹脂で接合した。そして、従来例と比較例の接合部にかかる熱応力、及び従来例と実施例の接合部にかかる熱応力をそれぞれシミュレーションした。また、実施例の半導体素子収納用容器と、従来例の半導体素子収納用容器のそれぞれに基体と蓋体接合後の温度サイクル（−６５℃〜１５０℃間）試験を実施し、試験後にクラック発生状況を調べ、その結果を表１に示す。

シミュレーション結果では、従来例の半導体素子収納用容器に比べて比較例の半導体素子収納用容器は、１７６％程度の熱応力相対値を有することが判った。これは、比較例に用いたＣｕ−Ｍｏ系の合金金属板の両面にＣｕ板を貼り合わせたクラッドの複合金属板からなるヒートシンク板が大きな熱膨張係数を有していることを示していると共に、複合金属板のＣｕの割合量が増大していることから、ヒートシンク板が大きな熱伝導率を有することで、放熱特性が向上していることを示している。また、シミュレーション結果では、従来例の半導体素子収納用容器に比べて実施例の半導体素子収納用容器は、６３％程度の熱応力相対値を有することが判った。これは、実施例に用いたＣｕ−Ｍｏ系の合金金属板の両面にＣｕ板を貼り合わせたクラッドの複合金属板からなるヒートシンク板が大きな熱膨張係数を有しても、樹脂材からなる蓋体の曲げ弾性率が大きいことによる柔らかさによって、ヒートシンク板の大きな熱膨張係数を緩和させるように作用していると考えられる。

温度サイクル試験は、実施例と従来例のそれぞれの半導体素子収納用容器に初期ではクラックの発生がないことを確認した後、それぞれの半導体素子収納用容器を大気中−６５℃から室温を経て１５０℃間、及び１５０℃から室温を経て−６５℃間を１サイクルとして、１０００サイクル行った。この温度サイクル試験後のクラックの発生結果は、実施例の半導体素子収納用容器にはクラックの発生が見られず、従来例の半導体素子収納用容器には７０％程度のクラックが発生していることが確認できた。上記により、実施例の半導体素子収納用容器は、高周波用半導体素子の高放熱性特性を実現できると共に、高い気密信頼性を有することが確認できる。

本発明の半導体素子収納用容器は、シリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力の半導体素子を実装し、例えば、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等のために用いられる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用容器の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体素子収納用容器が基台に取り付けられる説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来の半導体素子収納用容器の説明図である。

符号の説明

１０：半導体素子収納用容器、１１：基体、１２：蓋体、１３：ヒートシンク板、１４：セラミック枠体、１５：外部接続端子、１６：キャビティ部、１７：高周波用半導体素子、１８：切り欠き部、１９：基台、２０：ボンディングワイヤ、２１：樹脂接着材、２２：ねじ

Claims

略長方形状のヒートシンク板の一方の主面に対向する他方の主面の長手方向中央部に、ウインドフレーム形状のセラミック枠体の一方の主面を接合し、該セラミック枠体の他方の主面に、金属板からなる外部接続端子を接合する接合体からなる基体に高周波用半導体素子が搭載された後、該高周波用半導体素子が蓋体で封止される半導体素子収納用容器において、
前記基体の前記ヒートシンク板が高熱伝導率を有するＣｕと他の金属との複合金属板からなり、前記蓋体が樹脂材からなることを特徴とする半導体素子収納用容器。
請求項１記載の半導体素子収納用容器において、前記複合金属板が８×１０^−６／℃以上の熱膨張係数を有することを特徴とする半導体素子収納用容器。