JP2005159288A - Semiconductor device housing package and its semiconductor equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子を収容する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。 The present invention relates to a semiconductor element housing package and a semiconductor device for housing semiconductor elements.
従来の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(以下、単にパッケージともいう)としては、リードフレームなどに搭載した半導体素子を樹脂モールドした樹脂封止型のパッケージや、金属またはセラミックスから成る中空の容器の内部に半導体素子を気密封止した気密封止型のパッケージが知られている。その中でも、気密封止型のパッケージは、気密性に優れるため、高信頼性が要求される場合に多用されている。 As a conventional semiconductor element storage package (hereinafter also simply referred to as a package) for housing a semiconductor element, a resin-encapsulated package in which a semiconductor element mounted on a lead frame or the like is resin-molded, or a metal or ceramic is used. A hermetic package in which a semiconductor element is hermetically sealed inside a hollow container is known. Among these, hermetically sealed packages are excellent in hermeticity, and are frequently used when high reliability is required.
従来の気密封止型のパッケージの一例を示す断面図を図4に示す。同図において、21は基体、21aは半導体素子の載置部、22は枠体、23は放熱体、24は入出力端子、25は半導体素子である。基体21は、例えば鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金等の金属から成り、基体21の上側主面の外周部には、載置部21aを囲繞するように接合されたFe−Ni−Co合金等の金属からなる枠体22が立設されている。この枠体22は、基体21に銀(Ag)ロウなどのロウ材を介してロウ付けされるか、あるいは基体21と一体成形されることにより設けられる。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a conventional hermetically sealed package. In this figure, 21 is a base, 21a is a semiconductor element mounting portion, 22 is a frame body, 23 is a heat radiator, 24 is an input / output terminal, and 25 is a semiconductor element. The
また、基体21の中央部には貫通孔が形成されており、この貫通孔に熱伝導性の高い銅(Cu)系材料からなる放熱体23がロウ材を介して接合されている。そして、この放熱体23の上面に半導体素子25が載置される載置部21aが設けられている。
In addition, a through hole is formed in the central portion of the
放熱体23は上下2枚の銅板23aからなり、この2枚の銅板23aの間にロウ材を挟み、加熱、冷却することにより2枚の銅板23aが互いに接合されている。そして、貫通孔の内面に2枚の銅板23aの各側面が全周にわたってロウ材を介して接合されている。
The
そして、枠体22には側部に貫通孔から成る入出力端子24の取付部22aが形成されており、この取付部22a内に枠体22の内外を気密に封止するアルミナ(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なる入出力端子24が嵌着されている。
An
入出力端子24は、上面にメタライズ層からなる線路導体24aが形成された平板部とこの上面に線路導体24aの一部を間に挟んで接合された立壁部とからなり、枠体22の外側の露出した線路導体24a上には外部リード端子27が接合されている。
The input /
そして、このようなパッケージの載置部21aに半導体素子25を載置固定するとともに線路導体24aと半導体素子25の電極とをボンディングワイヤ26を介して電気的に接続し、枠体22の上面にFe−Ni−Co合金等の金属からなる蓋体28を金(Au)−錫(Sn)等のロウ材を用いたロウ付け法やシームウエルド法等の溶接法で取着することにより、主にこれら基体21、枠体22、蓋体28、入出力端子24、放熱体23から成る製品としての半導体装置が構成されている。
Then, the
この半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって半導体素子25を駆動することで無線基地局等に用いられるパワーアンプモジュール用等の半導体装置として機能する。
This semiconductor device functions as a semiconductor device for a power amplifier module used in a radio base station or the like by driving the
そして、この半導体装置によれば、半導体素子25を熱伝導性のよい銅板23aからなる放熱体23上に搭載するため、半導体素子25が発する熱を放熱体23を介して外部に効率よく放熱することができ、半導体素子25の温度上昇を抑制して半導体素子25を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることが可能になるというものである(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の構成においては、入出力端子24を枠体22の取付部22aにロウ付けする際に、Al2O3質焼結体(熱膨張係数7×10−6〜8×10−6/℃)等のセラミックス製の入出力端子24にクラック等の破損が生じることがないように、基体21および枠体22として入出力端子24と熱膨張係数が近い値のFe−Ni−Co合金(熱膨張係数5×10−6〜10×10−6/℃)等の金属材料を用いている。しかしながら、近年、半導体素子25の高集積化が急速に進み、半導体素子25の作動時に発生する発熱量が急激に増大してきているのに対して、例えばFe−Ni−Co合金の熱伝導率は17W/m・Kと低い値であるために、放熱体23だけでは半導体素子25で発生する熱を外部に十分に放散できず、半導体素子25の温度が上昇して半導体素子25が正常に作動しなくなるという問題点があった。
However, in the conventional configuration, when the input /
このため、熱伝導率が150〜400W/m・Kと高い値をもつ無酸素Cu等のCu系材料で基体21および枠体22を形成することが考えられるが、Cu系材料の熱膨張係数は10×10−6〜20×10−6/℃であり、基体21および枠体22とセラミックス製の入出力端子24とでは、熱膨張差が大きいために枠体22の取付部22aに入出力端子24をロウ付けすると、入出力端子24に基体21および枠体22との熱膨張差による大きな応力が加わって、入出力端子24にクラック等の破損が生じる場合があった。そしてその結果、パッケージ内部を気密に保持できなくなり。半導体素子25が正常に作動しなくなるという問題点があった。
For this reason, it is conceivable to form the
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、半導体素子から発生する熱を効率よく外部へ放散させて半導体素子の温度上昇を抑制し、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とともに、セラミックスから成る枠体にクラック等の破損が発生しない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。 Accordingly, the present invention has been completed in view of the above problems, and its purpose is to efficiently dissipate the heat generated from the semiconductor element to the outside to suppress the temperature rise of the semiconductor element, and to normalize the semiconductor element over a long period of time. Another object of the present invention is to provide a semiconductor element housing package and a semiconductor device that can be stably operated and that do not cause breakage such as cracks in a frame made of ceramics.
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直方体状の凸部が形成された長板状の金属製の基体と、内外を導通させるための配線導体を有するとともに前記基体の前記上側主面に前記凸部を囲繞するようにロウ付けされたセラミックスから成る枠体とを具備しており、前記基体は、前記凸部の周囲の厚みが0.1〜0.3mmであり、前記基体の両短辺側において前記凸部の側面と前記枠体の内面との間に、前記凸部の長辺の長さの0.03乃至0.2倍の隙間が設けられていることを特徴とする。 A package for housing a semiconductor element of the present invention has a long plate-like metal base body having a rectangular parallelepiped convex portion on which a semiconductor element is placed on the upper main surface, and a wiring conductor for conducting the inside and outside. And a frame made of ceramic brazed so as to surround the convex portion on the upper main surface of the base body, and the base body has a thickness around the convex portion of 0.1 to 0.3 mm. And a gap 0.03 to 0.2 times the length of the long side of the convex portion is provided between the side surface of the convex portion and the inner surface of the frame body on both short sides of the base body. And
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、前記基体は、銅または銅を主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成ることを特徴とする。 In the package for housing a semiconductor element of the present invention, it is preferable that the base is made of copper or an alloy containing copper as a main component containing ceramic powder.
本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、前記凸部に載置されるとともに前記配線導体に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備していることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is mounted on the upper surface of the frame body, the semiconductor element housing package having the above-described configuration, the semiconductor element placed on the convex portion and electrically connected to the wiring conductor. And a lid.
また、本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、前記凸部に載置されるとともに前記配線導体に電気的に接続された半導体素子と、この半導体素子を覆う外装樹脂とを具備していることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device housing package having the above structure, a semiconductor device mounted on the convex portion and electrically connected to the wiring conductor, and an exterior resin covering the semiconductor device. It is characterized by comprising.
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直方体状の凸部が形成された長板状の金属製の基体と、内外を導通させるための配線導体を有するとともに基体の上側主面に凸部を囲繞するようにロウ付けされたセラミックスから成る枠体とを具備しており、基体は、凸部の周囲の厚みが0.1〜0.3mmであり、基体の両短辺側において凸部の側面と枠体の内面との間に、凸部の長辺の長さの0.03〜0.2倍の隙間が設けられていることから、基体の凸部の周囲の厚みが0.1〜0.3mmである部分の、凸部の側面と枠体とに挟まれた隙間領域において金属製の基体を変形させ易くすることができ、基体と枠体とがロウ付けされることによって枠体に生ずる歪みをこの隙間領域で吸収させることができる。従って、基体に熱膨張係数の高い材料を用いても、セラミックスから成る枠体にクラック等の破損が生じ難くなり、半導体素子収納用パッケージの内部を気密に保持することができるようになる。 A package for housing a semiconductor element of the present invention has a long plate-like metal base body having a rectangular parallelepiped convex portion on which a semiconductor element is placed on the upper main surface, and a wiring conductor for conducting the inside and outside. And a frame body made of ceramic brazed so as to surround the convex portion on the upper main surface of the base body, and the base body has a thickness around the convex portion of 0.1 to 0.3 mm. Since a gap of 0.03 to 0.2 times the length of the long side of the convex portion is provided between the side surface of the convex portion and the inner surface of the frame body on the short side, the thickness around the convex portion of the base is The base made of metal can be easily deformed in the gap region between the side surface of the convex portion and the frame, which is 0.1 to 0.3 mm, and the frame is formed by brazing the base and the frame. The strain generated in the body can be absorbed in this gap region. Therefore, even if a material having a high thermal expansion coefficient is used for the substrate, breakage such as cracks hardly occurs in the frame body made of ceramics, and the inside of the semiconductor element housing package can be held airtight.
また、高熱伝導率であって熱膨張率が大きい材料でも基体に使用することができるので、半導体素子から発生する熱を効率よく外部へ放散させて半導体素子の温度上昇を抑制し、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とすることができる。 In addition, since a material having a high thermal conductivity and a high thermal expansion coefficient can be used for the substrate, the heat generated from the semiconductor element is efficiently dissipated to the outside, and the temperature rise of the semiconductor element is suppressed. A package for housing a semiconductor element that can be operated normally and stably over a long period of time can be obtained.
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、基体は、銅または銅を主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成ることから、基体の熱伝導率が高く、半導体素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、さらに、基体がセラミック粉末を含有させて成ることにより基体の剛性が増すとともに、基体の熱膨張係数が枠体の熱膨張係数に近づき、枠体に作用する基体との熱膨張差による応力を小さくすることができ、枠体にクラック等の破損が生ずるのを有効に防止することができる。また、基体に生ずる歪みを少なくして、基体の凸部の上側主面を平坦に保つことができる。その結果、半導体素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができるとともに、内部を気密に保持することができて半導体素子を長期間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。 In the package for housing a semiconductor element of the present invention, preferably, the base body is made of copper or an alloy containing copper as a main component, and ceramic powder is contained therein, so that the base body has high thermal conductivity and the heat generated by the semiconductor element. Can be satisfactorily diffused to the outside and the atmosphere. Further, the substrate is made of ceramic powder, so that the rigidity of the substrate is increased and the coefficient of thermal expansion of the substrate approaches the coefficient of thermal expansion of the frame. The stress due to the difference in thermal expansion with the substrate acting on the body can be reduced, and breakage such as cracks can be effectively prevented from occurring in the frame. Further, the distortion generated in the base can be reduced, and the upper main surface of the convex portion of the base can be kept flat. As a result, the semiconductor element can dissipate the heat generated by the semiconductor element to the outside or the atmosphere, and the inside can be kept airtight so that the semiconductor element can operate normally and stably over a long period of time. An element storage package can be obtained.
本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、凸部に載置されるとともに配線導体に電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体とを具備していることにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージによって放熱性に優れ、半導体素子の動作信頼性の高いものとなる。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element storage package having the above-described configuration, a semiconductor element placed on the convex portion and electrically connected to the wiring conductor, and a lid attached to the upper surface of the frame. By providing the semiconductor element housing package of the present invention, the heat dissipation is excellent and the operation reliability of the semiconductor element is high.
本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、凸部に載置されるとともに配線導体に電気的に接続された半導体素子と、半導体素子を覆う外装樹脂とを具備していることにより、外層樹脂によって半導体素子が外気から保護され、上記本発明の半導体素子収納用パッケージによって放熱性に優れる、半導体素子の動作信頼性の高いものとなる。 A semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element housing package having the above-described configuration, a semiconductor element placed on a convex portion and electrically connected to a wiring conductor, and an exterior resin covering the semiconductor element. As a result, the semiconductor element is protected from the outside air by the outer layer resin, and the semiconductor element storage package of the present invention has excellent heat dissipation and high operation reliability of the semiconductor element.
本発明の半導体素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図1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、図2は図1のパッケージの断面図である。これらの図において、1は基体、2は枠体を示し、これら基体1、枠体2で、内部空間に半導体素子3を収容する容器が基本的に構成される。
The semiconductor element storage package of the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a plan view showing an example of an embodiment of the package of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the package of FIG. In these drawings,
本発明のパッケージは、図1および図2に示すように、上側主面に半導体素子3が載置される直方体状の凸部1aが形成された長板状の金属製の基体1と、内外を導通させるための配線導体2aを有するとともに基体1の上側主面に凸部1aを囲繞するようにロウ付けされたセラミックスから成る枠体2とを具備しており、基体1は、凸部の周囲の厚みAが0.1〜0.3mmであり、基体1の両短辺側において凸部1aの側面と枠体2の内面との間に、凸部1aの長辺の長さCの0.03〜0.2倍の長さ(幅)Bの隙間が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the package of the present invention includes a long plate-shaped
本発明の基体1は、無酸素Cu,Cu−モリブデン(Mo)合金,CuまたはCuを主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成る材料等のCu系材料やFe−Ni−Co合金、Fe−Ni合金等の金属から成る。特に、基体1の熱伝導性をよくして内部に収容する半導体素子3から発生した熱を効率よく外部へ放散させるという観点からは、高熱伝導性のCu系材料(CuまたはCuを主成分とする合金)が好ましい。
The
さらに好ましくは、基体1は、CuまたはCuを主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成るものがよい。この構成により、基体1の熱伝導率が高く、半導体素子3の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、さらに、基体1がセラミック粉末を含有させて成ることにより基体1の剛性が増すとともに、基体1の熱膨張係数が枠体2の熱膨張係数に近づき、基体1との熱膨張差により枠体2に作用する応力が低減されるので、枠体2にクラック等の破損が生じ難くなる。
More preferably, the
また、基体1と枠体2との熱膨張差が小さくなることにより基体1に生じる歪みも小さくなるので、基体1の凸部1aの上側主面を平坦に保つことができる。その結果、パッケージは、半導体素子3が基体1に強固に接合され、半導体素子3の発した熱を外部や大気中に良好に放散することができ、内部の気密信頼性が高くて半導体素子3を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
In addition, since the difference in thermal expansion between the
このような基体1は、金属や合金から成る場合、金属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すことによって所定形状に製作される。
When the
また基体1がCuまたはCuの含有率が70%質量%以上のCuを主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成る場合、基体1には、CuまたはCuを主成分とする合金にAl2O3質焼結体,AlN質焼結体,炭化珪素(SiC)質焼結体,窒化珪素(Si3N4)質焼結体等のセラミック粉末が含有されている。CuまたはCuを主成分とする合金にセラミック粉末を含有させることにより、高熱伝導性であるとともに熱膨張係数は含有されるセラミックスに近いものとすることができ、例えば、銅に0.1〜2質量%のAl2O3質焼結体を含有させて成る場合は、熱伝導率が350W/m・K〜360W/m・K,熱膨張係数が16×10-6〜17×10-6の基体1が得られる。Al2O3質焼結体の含有量を増やせば、さらに熱膨張係数の低い基体1が得られ、例えば10質量%含有させることによって熱膨張係数が14×10-6程度の銅にAl2O3質焼結体を含有させた基体1が得られる。
Further, when the
CuまたはCu合金にセラミック粉末を含有させるには、例えば、Al2O3質焼結体を含有して成る場合は、Al2O3,酸化珪素(SiO2),酸化マグネシウム(MgO),酸化カルシウム(CaO)等の原料粉末に適当な有機バインダ,溶剤,可塑剤,分散剤等を混合添加して顆粒状の混合物と成し、約1600℃で焼成して得られたセラミックス粉末の表面に金属層を被着させた後に、これを加圧成形して基体1の所定形状にしたセラミックス多孔体を得、しかる後に、このセラミックス多孔体に非酸化雰囲気下において約1100℃で銅または銅を主成分とする合金を含浸させることによって、基体1の銅または銅を主成分とする合金が5〜70質量%の基体1を得ることができる。
In order to contain ceramic powder in Cu or Cu alloy, for example, in the case of containing an Al 2 O 3 sintered body, Al 2 O 3 , silicon oxide (SiO 2 ), magnesium oxide (MgO), oxidation An appropriate organic binder, solvent, plasticizer, dispersant, etc. are mixed and added to raw powder such as calcium (CaO) to form a granular mixture, which is then fired at about 1600 ° C on the surface of the ceramic powder. After depositing the metal layer, this is pressure-molded to obtain a ceramic porous body having a predetermined shape of the
または、約1600℃で焼成して得られたセラミックス粉末と、銅または銅を主成分とする合金の金属粉末と、有機バインダおよび溶剤とを混練させ、これを加圧成形して基体1の所定形状にしたものを得、しかる後に、非酸化雰囲気下において約800℃で有機バインダおよび溶剤とを熱分解させて除去し、その後に、非酸化雰囲気下において約1100℃で銅または銅を主成分とする合金を溶融させて有機バインダおよび溶剤を除去することによって形成された空孔を埋めこむことで、基体1の銅または銅を主成分とする合金の質量比が70〜99.9質量%の基体1を得ることができる。
Alternatively, ceramic powder obtained by firing at about 1600 ° C., metal powder of copper or an alloy containing copper as a main component, an organic binder and a solvent are kneaded, and this is pressure-molded to form a
基体1がその他のセラミック粉末を含有して成る場合も同様にして得ることができる。
When the
ここで、基体1は、凸部1aが厚み0.5〜2mm、長辺8〜20mm、短辺1〜3mm程度とされ、凸部1aの周囲に厚さ0.1〜0.3mmの鍔状の部分(厚さAの部分)が設けられている。
Here, the
基体1の上側主面の中央部には、半導体素子3を載置する凸部1aが設けられている。この基体1は、半導体素子3が作動時に発する熱を外部に放熱させる放熱板の役割をも果たす。基体1の表面には、酸化腐食の防止や半導体素子3のロウ付け等による載置固定を良好にするために、厚さ0.5〜9μmのNi層や厚さ0.5〜5μmの金(Au)層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3の熱を効率よく外部へ放熱させるために、半導体素子3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凸部1aに載置固定されていてもよい。
A
また、基体1の上側主面の凸部1aの周囲には、凸部1aを囲繞するようにしてAgロウやAg−Cuロウ等のロウ材を介して接合されるとともに、上方の所定部に線路導体2aを有するセラミックスから成る枠体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3を収容する空所を形成する役割を果たす。
In addition, the periphery of the
枠体2は、Al2O3質焼結体,AlN質焼結体,3Al2O3・2SiO2質焼結体等のセラミックスから成り、例えばAl2O3質焼結体から成る場合以下のようにして作製される。すなわち、アルミナ(Al2O3),酸化珪素(SiO2),酸化マグネシウム(MgO),酸化カルシウム(CaO)等の原料粉末に適当な有機バインダ,有機溶剤,可塑剤,分散剤等を添加混合してスラリー状となし、これを従来周知のドクターブレード法によってシート状となすことにより、複数枚のセラミックグリーンシートを得る。
次に、このセラミックグリーンシートに枠体2の内側面や外側面となる適当な打抜き加工を施すとともに、W,Mo,マンガン(Mn)等の金属粉末に適当なバインダ,溶剤を混合してなる導体ペーストを、セラミックグリーンシートにスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布することによって、半導体素子3の電極と電気的に接続される線路導体2a等となる導体層を形成する。また、枠体2の上面および底面となるセラミッククリーンシートにはロウ付け用の導体層が形成される。その後、これらのセラミックグリーンシートを所定の順序で積層した後、所定の寸法に切断し、最後に約1600℃の温度で焼成することによって、線路導体2a等の導体層を有した枠体2となる焼結体を作製することができる。
Next, the ceramic green sheet is subjected to an appropriate punching process for forming the inner surface and the outer surface of the
線路導体2aは、枠体2の内側となる部分で、ボンディングワイヤ6を介して半導体素子3の電極と電気的に接続され、枠体2の外側となる部分で、AgロウやAg−Cuロウ等のロウ材を介して接合されたFe−Ni−Co合金等の金属から成るリード端子7を介して外部電気回路に電気的に接続される。そして、リード端子7は、外部電気回路(図示せず)から供給される電気信号を半導体素子3に伝えて半導体素子3を駆動させるとともに、半導体素子3と外部電気回路との信号の入出力を行なう。線路導体2aの表面は、酸化腐食を防止するためやボンディングワイヤ6およびリード端子7との接合強度を高めるため、表面に厚さ0.5〜9μmのNi層や厚さ0.5〜5μmのAu層等の金属層がめっき法によって被着されているのがよい。
The
また、基体1の枠体2とのロウ付けされる部分の厚みAが0.1〜0.3mmであり、基体1の両短辺側において凸部1aの側面と枠体2の内面との間に、凸部1aの長辺の長さCの0.03〜0.2倍の長さBの隙間が設けられている。基体1の凸部1aの周囲の厚みが0.1〜0.3mmである部分の、凸部1aの側面と枠体2とに挟まれた隙間領域において金属製の基体1を変形させ易くすることができ、基体1と枠体2とがロウ付けされることによって、枠体2に生ずる歪みをこの隙間領域で吸収させることができる。従って、基体1に無酸素Cu,Cu−Mo合金等の熱膨張係数が高く熱伝導性のよい材料を用いても、セラミックスから成る枠体2にクラック等の破損が生じ難くなり、パッケージの内部を気密に保持することができるようになる。
Further, the thickness A of the portion to be brazed with the
A<0.1mmとなると、基体1の厚みが薄くなりすぎて、枠体2が基体1に接合されるときに基体1が反り等の変形を起こし易くなり、その結果、基体1の下側主面を外部電気回路基板に密着できなくなり、半導体素子3から発熱する熱を基体1を介して外部に良好に放散できなくなる。A>0.3mmとなると、基体1が変形し難くなり、基体1と枠体2とをロウ付けする際に基体1で歪みを十分に吸収できず枠体2にクラック等の破損を生じさせてしまう場合がある。
When A <0.1 mm, the thickness of the
また、B<0.03Cとなると、凸部1aの側面と枠体2の内面との間の寸法が小さくなりすぎて、基体1と枠体2とがロウ付けされることによって枠体2に生ずる歪みを吸収できなくなり、枠体2にクラック等の破損を生じさせてしまう場合がある。すなわち、基体1と枠体2との熱膨張係数差によって、枠体2の下面の内周側に基体1の大きな収縮により引張応力が加わり、枠体2の下面の内周側にクラックが発生し易くなる。B>0.2Cとなると、基体1全体に占める凸部1aの周囲の厚みAの部分が多くなり、枠体2が基体1に接合されるときに基体1が反り等の変形を起こし易くなり、その結果、基体1の下側主面を外部電気回路基板に密着できなくなり、半導体素子3から発熱する熱を基体1を介して外部に良好に放散できなくなる。
Further, when B <0.03C, the dimension between the side surface of the
そして、図2に示すように、上記構成のパッケージの凸部1aに半導体素子3を載置固定した後、半導体素子3の電極と線路導体2aの枠体2の内側の部位とをボンディングワイヤ6で電気的に接続し、枠体2の上面にFe−Ni−Co合金等の金属や枠体2と同じセラミックスから成る蓋体4を半田付け法や溶接法等により取着し、半導体素子3を気密に封止することで製品としての半導体装置となる。なおこの場合、図2に示すように、枠体2の線路導体2aの上部に、線路導体2aの一部を挟み込むようにして凸部2bを形成する。これにより、線路導体2aの枠体2内側の部位にボンディングワイヤ6を接続するための空間を確保するとともに、線路導体2と蓋体4とが電気的に短絡するのを防止できる。
Then, as shown in FIG. 2, after the
または、図3に示すように、半導体素子3をエポキシ樹脂系の外装樹脂5によって覆い、半導体素子3を気密に封止することにより、製品としての本発明の半導体装置となる。なお、基体1と枠体2との隙間に外装樹脂5を充填させることによって、パッケージと外装樹脂5との密着強度を向上させることができる。
Alternatively, as shown in FIG. 3, the
本発明の半導体装置によれば、上記構成のパッケージを用いることによって放熱性に優れ、半導体素子3の動作信頼性の高い半導体装置とすることができる。
According to the semiconductor device of the present invention, by using the package having the above-described configuration, a semiconductor device having excellent heat dissipation and high operation reliability of the
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。 Embodiments of the semiconductor element storage package of the present invention will be described below.
図1の本発明のパッケージのサンプルを以下のようにして作製した。無酸素Cuから成り縦9.1mm×横1.55mmで厚さが 0.7mmの凸部1aの周囲に厚さ0.15mmの鍔状部分が形成された外形が縦10.6mm×横2.25mmの長板状の金属製の基体1を用意し、この上面に平面視での外側寸法が縦11.7mm×横3mmで厚さが1mmのAl2O3質焼結体から成り、平面視での内側寸法が縦9.3mm×横1.75mm、縦10.1mm×横1.75mmの2種類の枠体2、すなわち隙間Bの長さが0.1および0.5mmとなる2種類の枠体2を用意した。
A sample of the package of the present invention shown in FIG. 1 was produced as follows. A long plate shape of 10.6 mm in length × 2.25 mm in width, which is made of oxygen-free Cu and has a ridge of 9.1 mm in length, 1.55 mm in width, and 0.7 mm in thickness around the
基体1と内側面の寸法が縦9.3mm×横1.75mm、縦10.1mm×横1.75mmの2種類の枠体2をそれぞれAg−Cuロウ(融点780℃)で接合し、これらを常温(25℃)まで均一に冷却することによりパッケージのサンプルを作製した。ここで、枠体2の内側面の寸法が縦9.3mm×横1.75mmのパッケージのサンプルをP1(比較例)、枠体2の内側面の寸法が縦10.1mm×横1.75mmのサンプルをP2(本発明の実施例)とする。
Two types of
これらのサンプルP1、P2について、常温まで均一に冷却した後、基体1および枠体2の表面を10倍の光学顕微鏡を用いて観察したところ、サンプルP1では枠体2にクラックの発生が確認されたが、サンプルP2では一切クラックの発生が確認されなかった。
About these samples P1 and P2, after uniformly cooling to normal temperature, when the surface of the base |
さらに、これらのサンプルP1、P2について、常温まで均一に冷却した際の枠体2に発生する最大主応力を有限要素法解析によって求めたところ、サンプルP1では577MPaとなり、サンプルP2では348MPaとなった。
Furthermore, when the maximum principal stress generated in the
従って、本発明のパッケージであるサンプルP2が枠体2のクラックの抑制に有効であることが判った。
Therefore, it was found that the sample P2 which is the package of the present invention is effective in suppressing cracks in the
さらに、上記のサンプルP2において基体1の凸部1aの周囲の厚さAだけを0.08mm,0.1mm,0.2mm,0.25mm,0.3mm,0.32mmと変えたものを作製した。基体1の厚さが0.08mmのものをサンプルP21、0.1mmのものをサンプルP22、0.2mmのものをサンプルP23、0.25mmのものをサンプルP24、0.3mmのものをサンプルP25、0.32mmのものをサンプルP26とした。これらのサンプルP21〜P26について、サンプルP2と同様にして、基体1と枠体2の表面を観察し、クラックの発生の有無を評価した。その評価結果を表1に示す。
表1より、サンプルP22〜P25ではクラックの発生が見られなかった。サンプルP21では基体1にクラックが発生し、サンプルP26では枠体2にクラックが発生し、パッケージ内部を気密に保持できない状態であった。従って、サンプルP22〜P25がパッケージとして機能し得るものとなることが判った。即ち、基体1の凸部1aの周囲の厚さAが0.1〜0.3mmであればよいことが判った。
From Table 1, generation | occurrence | production of the crack was not seen by sample P22-P25. In sample P21, a crack occurred in the
次に、無酸素Cuから成り縦9.1mm×横1.55mmで厚さが 0.7mmの凸部1aの周囲に厚さ0.15mmの鍔状部分が形成された外形が縦10.6mm×横2.25mmの長板状の金属製の基体1を用意し、この上面に平面視での外側寸法が縦15mm×横3mmで厚さが1mmのAl2O3質焼結体から成り、平面視での内側寸法が縦9.6mm×横1.75mm,縦9.7mm×横1.75mm,縦11mm×横1.75mm,縦12mm×横1.75mm,縦12.7mm×横1.75mm,縦12.8mm×横1.75mmの6種類の枠体2、すなわち隙間の長さBおよび凸部の長辺の長さCに対する隙間の長さBの比率(括弧内に示す)が0.25mm(0.027),0.3mm(0.033),0.95(0.104),1.45mm(0.159),1.8mm(0.198),1.85mm(0.203)となる6種類の枠体2を用意した。これら6種類の枠体2をそれぞれAg−Cuロウ(融点780℃)で接合し、これらを常温(25℃)まで均一に冷却することによりパッケージのサンプルを作製した。
Next, the outer shape in which a hook-shaped portion having a thickness of 0.15 mm is formed around the
ここで、枠体2の内側面の縦の寸法が9.6mmのものをサンプルP201、縦9.7mmのものをサンプルP202、縦11mmのものをサンプルP203、縦12mmのものをサンプルP204、縦12.7mmのものをサンプルP205、縦12.8mmのものをサンプルP206とした。
Here, sample P201 has a vertical dimension of 9.6 mm on the inner surface of
これらのサンプルP201〜P206について、常温まで均一に冷却した後、基体1と枠体2の表面を10倍の光学顕微鏡を用いて観察しクラックの発生の有無を評価するとともに、基体1下面の反り寸法を測定した。その評価結果を表2に示す。
表2より、サンプルP202〜P206ではクラックの発生が見られなかった。サンプルP201では枠体2にクラックが発生し、パッケージ内部を気密に保持できない状態であった。また、サンプルP206では、基体1の下面の反り寸法が0.05mmを上回るものとなり、基体1の下面を外部電気回路基板等に密着させることができず、半導体素子3から発生する熱を外部に良好に放散できないものとなることが判った。即ち、基体1の下面の反り寸法が0.05mmを上回るものとなると、半導体素子3が作動した際に基体1の温度が上昇し易く、基体1の温度上昇によって、半導体素子3が誤作動を起こしてしまう場合がある。一方、基体1の反り寸法が0.05mm以下のP205では半導体素子3が作動しても基体1の温度上昇が抑制され、半導体素子3の誤作動を確実に防止できるものとなった。従って、サンプルP202〜P205がパッケージとして機能し得るものとなることが判った。即ち、枠体2の内面と凸部1aとの間に凸部1aの長辺の長さCの0.03乃至0.2倍の隙間Bが設けられると有効であることが判った。
From Table 2, generation of cracks was not observed in samples P202 to P206. In sample P201, the
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種々の変更を施すことは何等支障ない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1:基体
1a:凸部
2:枠体
2a:配線導体
3:半導体素子
4:蓋体
5:外装樹脂
1:
Claims (4)
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2004
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