JP2005158821A - 半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ろう付け接合の位置合わせが正確さを有し、電気的な信頼性の向上がなされた半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック基板１１と、セラミック及び／又は金属からなる枠体１２、１３で形成されるキャビティ部１４を有し、キャビティ部１４の底のセラミック基板１１に有する貫通孔１５に挿入され、セラミック基板１１の下面側に接合される放熱板１６に接合する放熱ブロック１７を有する半導体素子収納用パッケージ１０において、貫通孔１５の壁面と放熱ブロック１７の側面との隙間に、壁面及び側面と密接し、放熱ブロック１７及び／又は放熱板１６に接合する金属箔１８、又は金属ボールを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を放熱ブロック上に搭載し、半導体素子とパッケージに形成された導体配線とをボンディングワイヤで接続し、半導体素子からの発熱を放熱させるための高放熱特性と、半導体素子の電気的特性を低下させないための半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法に関する。

従来から、例えば、高周波用半導体素子のような発熱温度が高温で発熱量が大きい半導体素子を実装するための半導体素子収納用パッケージには、半導体素子の搭載部がＣｕ−Ｗ（銅タングステン）等のようなセラミックと熱膨張係数が近似し、高熱伝導率を有する金属からなる放熱ブロックで形成されている。また、この半導体素子収納用パッケージには、放熱ブロックで半導体素子からの発熱が吸収された後、熱をパッケージの外に放熱させるためにＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）等のようなセラミックと熱膨張係数が近似する金属からなる放熱板が接合されている。

従来、このような半導体素子収納用パッケージを製造する時のセラミック基板と放熱板の接合や、放熱板と放熱ブロックの接合時の接合用治具には、多数のパッケージが一度に接合できるようにカーボンやステンレス等を用いてパッケージの製品形状に合わせて正確に加工作製されたものが用いられている。そして、これらの接合用治具には、例えば、セラミック基板と放熱板のろう付け位置や、放熱板と放熱ブロックのろう付け位置の位置決めを行うための様々な細かい加工がなされた治具部品がカーボンやステンレス等から作製されて組み込まれている。

また、セラミック基板と放熱板のろう付け位置や、放熱板と放熱ブロックのろう付け位置の位置決めを正確に行うための方法には、製品部品どうしの間や、製品部品と治具との間にろう付け接合温度では焼結しないセラミックグリーンシート等からなる絶縁物を挟み込んで位置合わせを行い、ろう付け接合を行った後に絶縁物を取り除く等の工夫が行われている。

従来の半導体素子収納用パッケージには、半導体素子搭載部となる放熱ブロックの上面に、放熱ブロックを放熱板上に接合するときのろう材が這い上がるのを防止するために放熱ブロックの側面にろう材溜まり部を設けたセラミック製のパッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２６０９１５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パッケージ及びその製造方法は、次のような問題がある。
（１）近年の半導体素子、例えば、光半導体素子のような小型で、しかも半導体素子からの発熱温度が高く、発熱量の大きいものを搭載させるための半導体素子収納用パッケージは、電気的特性低下の防止を考慮しての半導体素子とパッケージに形成された導体配線とを結ぶボンディングワイヤの長さを短くできるパッケージの要求がある。これに対応するためには、半導体素子を搭載させる放熱ブロックをできるだけ導体配線に接近させて正確に放熱板に接合する必要があるが、放熱ブロックが小型になればなるほど正確に接合させるための接合用治具の作製が困難となっている。
（２）セラミック基板と放熱板のろう付け位置や、放熱板と放熱ブロックのろう付け位置の位置決めを行うために、製品部品どうしの間や、製品部品と治具との間にろう付け接合温度では焼結しないセラミックグリーンシート等からなる絶縁物を挟み込んで位置合わせを行う方法は、ろう付け接合を行った後に絶縁物が完全に取り除くことができなかったり、絶縁物が飛び散ってパッケージに付着したりして、半導体素子の実装時の不具合発生の原因となっている。
（３）ろう付け接合にろう材溜まりを設けて接合する方法は、ろう材の這い上がりの防止はできても、正確な位置合わせを行うことに対しての効果は少ない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、ろう付け接合の位置合わせが正確さを有し、電気的な信頼性の向上がなされた半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法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パッケージは、セラミック基板と、セラミック及び／又は金属からなる枠体で形成されるキャビティ部を有し、キャビティ部の底のセラミック基板に有する貫通孔に挿入され、セラミック基板の下面側に接合される放熱板に接合する放熱ブロックを有する半導体素子収納用パッケージにおいて、貫通孔の壁面と放熱ブロックの側面との隙間に、壁面及び側面と密接し、放熱ブロック及び／又は放熱板に接合する金属箔、又は金属ボールを有する。
ここで、半導体素子収納用パッケージは、金属箔がＣｕ、又はＣｕ合金からなる薄金属板で形成されているのがよい。
また、半導体素子収納用パッケージは、金属ボールがＣｕを含有するろう材ボールの表面にＣｕめっき被膜が施されて形成されているのがよい。

前記目的に沿う本発明に係る半導体素子収納用パッケージの製造方法は、セラミック基板と、セラミック及び／又は金属からなる枠体を接合してキャビティ部を形成し、キャビティ部の底のセラミック基板に設ける貫通孔に挿入し、セラミック基板の下面側に接合する放熱板に放熱ブロックを接合して形成する半導体素子収納用パッケージの製造方法において、貫通孔の底の放熱板上に放熱ブロックをろう材を介して載置すると共に、放熱ブロックの側面と貫通孔の側面との隙間に金属箔、又は金属ボールを挟み込んで装填する工程と、ろう材を加熱して溶融させ放熱板と放熱ブロックを接合すると共に、金属箔、又は金属ボールを放熱板及び／又は放熱ブロックに接合する工程を有する。
ここで、半導体素子収納用パッケージの製造方法は、放熱板と放熱ブロックの接合にＣｕを含有するろう材を用いると共に、金属箔、又は金属ボールにＣｕ、又はＣｕを含有するＣｕ箔、又はＣｕボールを用いるのがよい。

請求項１及びこれに従属する請求項２又は３のいずれか１項記載の半導体素子収納用パッケージは、貫通孔の壁面と放熱ブロックの側面との隙間に、壁面及び側面と密接し、放熱ブロック及び／又は放熱板に接合する金属箔、又は金属ボールを有するので、放熱ブロックとセラミック基板の位置を容易に正確に近接させて接合し、ボンディングワイヤの長さを短くできて、電気的特性の信頼性を向上させることができる。

特に、請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、金属箔がＣｕ、又はＣｕ合金からなる薄金属板で形成されているので、放熱ブロックとセラミック基板の隙間を容易に正確に近接させて設定でき、しかも、Ｃｕ、又はＣｕ合金の一部がろう付け温度で溶け出すので放熱板や、放熱ブロックに強固に接合させることができる。

特に、請求項３記載の半導体素子収納用パッケージは、金属ボールがＣｕを含有するろう材ボールの表面にＣｕめっき被膜が施されて形成されているので、放熱ブロックとセラミック基板の隙間にボールを落とし込んで接合するだけで放熱ブロックとセラミック基板の位置を容易に正確に設定でき、しかも、ボール自体がろう付け温度で一部溶け出すので放熱板や、放熱ブロックに強固に接合させることができる。

請求項４及びこれに従属する請求項５記載の半導体素子収納用パッケージの製造方法は、貫通孔の底の放熱板上に放熱ブロックをろう材を介して載置すると共に、放熱ブロックの側面と貫通孔の側面との隙間に金属箔、又は金属ボールを挟み込んで装填する工程と、ろう材を加熱して溶融させ放熱板と放熱ブロックを接合すると共に、金属箔、又は金属ボールを放熱板及び／又は放熱ブロックに接合する工程を有するので、放熱ブロックとセラミック基板の位置を容易に正確に設定して接合でき、ボンディングワイヤの長さを短くして電気的特性の信頼性を向上させた半導体素子収納用パッケージの製造方法を提供することができる。

特に、請求項５記載の半導体素子収納用パッケージの製造方法は、放熱板と放熱ブロックの接合にＣｕを含有するろう材を用いると共に、金属箔、又は金属ボールにＣｕ、又はＣｕを含有するＣｕ箔、又はＣｕボールを用いるので、ろう材のろう付け温度でＣｕ箔、又はＣｕボールの一部が溶け出すのでろう材と共にＣｕ箔、又はＣｕボールを放熱板や、放熱ブロックに強固に接合させる半導体素子収納用パッケージの製造方法を提供することができる。。

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するための最良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パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの製造方法の説明図である。

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パッケージ１０は、例えば、レーザー光で送られた高周波の光信号をフォトダイオードで電気信号に変換し、アンプである半導体素子で電気信号を増幅したり、その逆を行って電気信号をレーザーダイオードで光信号に変換したりするため等の高発熱のある半導体素子等を収納するのに用いられている。この半導体素子収納用パッケージ１０は、通常、１又は複数枚からなるセラミック基板１１と、１又は複数枚からなるセラミック枠体１２を積層して形成し、更に、場合によってはセラミック枠体１２の上面に金属枠体１３をろう付け接合したりして形成される半導体素子等を収納するためのキャビティ部１４を有している。このキャビティ部１４の底であるセラミック基板１１には、実質的に矩形状の小孔からなる貫通孔１５を有している。この貫通孔１５と、セラミック基板１１の下面側の略全面にろう付け接合されている放熱板１６とで形成される穴部には、放熱ブロック１７が放熱板１６にろう付け接合されて有している。そして、セラミック基板１１の貫通孔１５の壁面と、放熱ブロック１７の側面との隙間には、この壁面及び側面と密接し、放熱ブロック１７及び／又は放熱板１６に接合する金属箔１８、又は金属ボール（図示せず）を有している。

この半導体素子収納用パッケージ１０のキャビティ部１４の壁面から、例えば、レーザー光が取り入れられるような半導体素子収納用パッケージ１０には、セラミック枠体１２を貫通して形成されている挿通孔の外側周縁に、レーザー光の取り入れ口となる金属製筒体１９が、これに形成されているフランジ部２０でろう付け接合されている。また、この半導体素子収納用パッケージ１０は、キャビティ部１４の底面となるセラミック基板１１の上表面に半導体素子とボンディングワイヤで接続するためのワイヤボンドパッド２１や、これに接続する配線パターン２２や、層間の配線パターン２２を接続するためのビア２３等からなる導通配線を有している。そして、この導通配線は、セラミック基板１１の底面にろう付け接合されて形成されている外部接続端子２４に接続している。

この半導体素子収納用パッケージ１０に半導体素子等が実装された後には、例えば、レーザー光で高速に送られてきた高周波の光信号をフォトダイオードで電気信号に変換し、アンプで電気信号を増幅させた後、電気信号を外部接続端子２４から取り出すことができる。そして、この半導体素子収納用パッケージ１０は、アンプである半導体素子から発生する高熱を、放熱ブロック１７及び放熱板１６から速やかに放熱させることができると同時に、金属箔１８、又は金属ボールが用いられた放熱ブロック１７のセラミック基板１１への正確な位置決め接合で、半導体素子をワイヤボンドパッド２０に近接させて放熱ブロック１７上に正確にダイボンドできて、ボンディングワイヤの長さを短くすることができるので、高周波信号の電気的特性を向上させることができる。

ここで、金属箔１８は、Ｃｕ、又はＣｕ合金からなる薄金属板で形成されているのがよい。放熱ブロック１７を放熱板１６に接合する時に用いられるろう材は、通常、Ａｇ−Ｃｕろう等の高温ろう材が用いられので、金属箔１８がＣｕ、又はＣｕ合金からなることで放熱ブロック１７とセラミック基板１１の正確な位置決め行うことができると同時に、Ｃｕの一部がろう材と融合して金属箔１８を放熱ブロック１７や、放熱板１６に強固に接合できる。金属箔１８は、放熱ブロック１７や、放熱板１６に接合されるので、絶縁物を位置合わせように用いた場合のような飛び散ってパッケージに付着し半導体素子の実装時の不具合発生を誘発するような問題は起こらない。

また、金属ボールは、Ｃｕを含有するろう材、例えば、Ａｇ−Ｃｕろう等からなるろう材ボールの表面にＣｕめっき被膜が施されて形成されているのがよい。放熱ブロック１７と放熱板１６の接合時に用いられるろう材は、通常、Ａｇ−Ｃｕろう等の高温ろう材が用いられので、金属ボールがろう材ボールの表面にＣｕめっき被膜が施されて形成されていることで放熱ブロック１７とセラミック基板１１の隙間に金属ボールをはめ込むだけで正確な位置決め行うことができると同時に、ろう材ボール及びＣｕめっき被膜の一部がろう材と融合して金属ボールを放熱ブロック１７や、放熱板１６に強固に接合できる。金属ボールは、放熱ブロック１７や、放熱板１６に接合されるので、絶縁物を位置合わせように用いた場合のような飛び散ってパッケージに付着し半導体素子の実装時の不具合発生を誘発するような問題は起こらない。

次いで、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ１０の製造方法を説明する。半導体素子収納用パッケージ１０を構成するセラミック基板１１とセラミック枠体１２には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、低温焼成セラミック等からなるシート状のセラミックグリーンシートが用いられている。このセラミックグリーンシートは、例えば、アルミナからなる場合には、先ず、アルミナ粉末にマグネシア、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、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを準備している。次いで、スラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のロール状のシートに形成し、適当なサイズにカットしてセラミックグリーンシートが作製されている。また、金属枠体１３には、例えば、ＫＶや、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等のセラミックと熱膨張係数の近似する金属が用いられている。

セラミック基板１１用のセラミックグリーンシートには、打ち抜き金型や、パンチィングマシーン等を用いて、それぞれの所定位置に上、下層の間の導通を形成するためのビア２３や、放熱ブロック１７を挿入するための貫通孔１５等用の孔が穿設されて形成される。また、セラミック枠体１２用のセラミックグリーンシートには、打ち抜き金型や、パンチィングマシーン等を用いて、キャビティ部１４を形成するための枠孔が穿設されて形成される。次に、セラミック基板１１となる１又は複数のセラミックグリーンシートには、タングステンや、モリブデン等のセラミックと同時焼成できる高融点金属からなる金属導体ペーストを用いて、スクリーン印刷でビア２３用の孔に充填したり、ワイヤボンドパッド２１用のパターンや、それぞれのパターン間を接続するための配線パターン２２や、外部接続端子２４や放熱板１６を接合するための導体パターン等を形成している。また、セラミック枠体１２上に金属枠体１３を接合させる場合には、最上層となるセラミックグリーンシートの上面に、タングステンや、モリブデン等のセラミックと同時焼成できる高融点金属からなる金属導体ペーストを用いて導体パターン等を形成している。

これらの印刷が完了したセラミック基板１１及びセラミック枠体１２用のセラミックグリーンシートは、複数枚が重ね合わされ温度と圧力をかけて接着し積層体が形成される。この積層体は、還元性雰囲気の焼成炉でセラミックグリーンシートと高融点金属を同時焼成して焼成体を作製している。そして、それぞれのパターン上にＮｉめっき被膜が施された後、セラミック基板１１の下面側の導体パターンには、例えば、ＫＶや、４２アロイ等のセラミックと熱膨張係数の近似する金属板からなる放熱板１６や、外部接続端子２４が、ＡｇＣｕろう等のろう材を間に介して載置され、加熱してろう付け接合している。また、この焼成体のセラミック枠体１２上に金属枠体１３を接合させる場合には、セラミック枠体１２上面に形成された導体パターンにＡｇＣｕろう等を載置させて加熱してろう付け接合している。なお、これらのろう付け接合は、全てを１度に行ってもよく、複数回に分けて行ってもよい。また、半導体素子収納用パッケージ１０には、このセラミック基板１１と、このセラミック枠体１２及び／又は金属枠体１３との接合によって、半導体素子等を収納するためのキャビティ部１４が形成される。

図２（Ａ）に示すように、このキャビティ部１４の底のセラミック基板１１に設けられた貫通孔１５には、例えば、Ｃｕ−Ｗや、Ｃｕ−Ｍｏ等からなるセラミックと比較的熱膨張率が近似し、高熱伝導率を有して放熱特性に優れた放熱ブロック１７が、貫通孔１５の底の放熱板１６上との間にＡｇＣｕろう等のろう材２５を介して挿入され載置される。そして、更に、放熱ブロック１７の側面と、貫通孔１５の側面との隙間には、それぞれの側面に密接させて、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、アルミニウム、Ａｇ等からなる金属箔１８、又はＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕとろう材の混合物等からなる金属ボール（図示せず）が挟み込まれて装填することで組立体を形成する。次に、図２（Ｂ）に示すように、この組立体は、焼成炉に投入され、加熱してろう材２５を溶融することで、放熱板１６と放熱ブロック１７をろう付け接合する。金属箔１８、又は金属ボールは、ろう材２５の加熱溶融に合わせて一部が溶融して放熱板１６及び／又は放熱ブロック１７に接合する。ここで、放熱板１６と放熱ブロック１７の接合には、Ｃｕを含有するろう材２５を用いると共に、金属箔１８、又は金属ボールには、Ｃｕ、又はＣｕを含有するＣｕ箔、又はＣｕボールを用いるのがよい。Ｃｕを含有するろう材２５のろう付け温度で、Ｃｕ箔、又はＣｕボール自体がが一部溶融するので、Ｃｕ箔、又はＣｕボールを放熱板１６及び／又は放熱ブロック１７に強固に接合させることができる。

なお、放熱板１６と放熱ブロック１７のろう付け接合は、前記のセラミック基板１１と放熱板１６の接合や、セラミック基板１１と金属枠体１３の接合や、セラミック基板１１と外部接続端子２４の接合や、セラミック基板１１と金属製筒体１９の接合等と合わせて行ってもよく、これらを複数回に分けて行ってもよい。そして、全てのろう付け接合が完了したパッケージには、表面に露出する全ての金属表面にＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜が施されることで半導体素子収納用パッケージ１０が作製される。

本発明の半導体素子収納用パッケージは、レーザー光で送られた高周波の光信号を電気信号に変換するフォトダイオード、逆の電気信号を光信号に変換するレーザーダイオード等のような発熱温度が高温で発熱量が大きい半導体素子が実装でき、しかも、半導体素子の電気的特性を向上できるパッケージに用いることができる。

（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パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの製造方法の説明図である。

符号の説明

１０：半導体素子収納用パッケージ、１１：セラミック基板、１２：セラミック枠体、１３：金属枠体、１４：キャビティ部、１５：貫通孔、１６：放熱板、１７：放熱ブロック、１８：金属箔、１９：金属製筒体、２０：フランジ部、２１：ワイヤボンドパッド、２２：配線パターン、２３：ビア、２４：外部接続端子、２５：ろう材

Claims (5)

1. セラミック基板と、セラミック及び／又は金属からなる枠体で形成されるキャビティ部を有し、該キャビティ部の底の前記セラミック基板に有する貫通孔に挿入され、前記セラミック基板の下面側に接合される放熱板に接合する放熱ブロックを有する半導体素子収納用パッケージにおいて、
   前記貫通孔の壁面と前記放熱ブロックの側面との隙間に、該壁面及び該側面と密接し、前記放熱ブロック及び／又は前記放熱板に接合する金属箔、又は金属ボールを有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
2. 請求項１記載の半導体素子収納用パッケージにおいて、前記金属箔がＣｕ、又はＣｕ合金からなる薄金属板で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。
3. 請求項１記載の半導体素子収納用パッケージにおいて、前記金属ボールがＣｕを含有するろう材ボールの表面にＣｕめっき被膜が施され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。
4. セラミック基板と、セラミック及び／又は金属からなる枠体を接合してキャビティ部を形成し、該キャビティ部の底の前記セラミック基板に設ける貫通孔に挿入し、前記セラミック基板の下面側に接合する放熱板に放熱ブロックを接合して形成する半導体素子収納用パッケージの製造方法において、
   前記貫通孔の底の前記放熱板上に前記放熱ブロックをろう材を介して載置すると共に、前記放熱ブロックの側面と前記貫通孔の側面との隙間に金属箔、又は金属ボールを挟み込んで装填する工程と、
   前記ろう材を加熱して溶融させ前記放熱板と前記放熱ブロックを接合すると共に、前記金属箔、又は前記金属ボールを前記放熱板及び／又は前記放熱ブロックに接合する工程を有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージの製造方法。
5. 請求項４記載の半導体素子収納用パッケージの製造方法において、前記放熱板と前記放熱ブロックの接合にＣｕを含有する前記ろう材を用いると共に、前記金属箔、又は金属ボールにＣｕ、又はＣｕを含有するＣｕ箔、又はＣｕボールを用いることを特徴とする半導体素子収納用パッケージの製造方法。

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