JP2011035340A

JP2011035340A - 高放熱型電子部品収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2011035340A
Application number: JP2009183034A
Authority: JP
Inventors: Takuji Ikeda; 拓児池田
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】メタライズ膜とセラミック枠体の接合強度が高いと共に、セラミック枠体の反りの発生を防止でき、メタライズ膜とＮｉめっき被膜の界面強度が高く、接合体の接合信頼性の高い高放熱型電子部品収納用パッケージを提供する。
【解決手段】ヒートシンク板１１と、セラミック枠体１２と、外部接続端子１３を有する高放熱型電子部品収納用パッケージ１０において、ヒートシンク板１１と外部接続端子１３に接合するセラミック枠体１２の当接部分に設けられるメタライズ膜１４が第１と第２のメタライズ膜１４ａ、１４ｂの２層構造からなり、セラミック枠体１２に設けられる第１のメタライズ膜１４ａがＷ、Ｍｏ、又はこれらの両方を含む高融点金属にセラミック枠体１２を構成するセラミック粉末を含有してなり、この上面に設けられる第２のメタライズ膜１４ｂがセラミック粉末を含有しない高融点金属からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波用等の半導体素子や、コンデンサ等の電子部品を載置でき、この電子部品からの高発熱を放熱させるためのヒートシンク板と、電子部品を囲繞できるようにしてヒートシンク板に接合し、電子部品を気密に封止させるための窓枠状のセラミック枠体と、このセラミック枠体に接合して電子部品と外部との電気的導通状態を形成するための外部接続端子を備える高放熱型電子部品収納用パッケージに関する。

従来から、例えば、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等のシリコンや、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や、この半導体素子の近傍に同時に実装されるコンデンサ等の電子部品は、作動時の発熱が大きいので、発生する熱を大気中に良好に放散させなければ、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。そこで、発熱量の大きい電子部品を実装するための高放熱型電子部品収納用パッケージは、電子部品の高周波の領域での電気特性を悪化させないために、電子部品を搭載するための領域が、略長方形状をした高放熱特性を有する金属板からなるヒートシンク板上にセラミック製窓枠状のセラミック枠体の一方の主面を接合し電子部品を囲繞できるようにして搭載領域を形成している。そして、電子部品が搭載される高放熱型電子部品収納用パッケージは、セラミック枠体の他方の主面である上面に接合された外部接続端子を介して電子部品との高周波信号の入出力ができるようにしている。また、高放熱型電子部品収納用パッケージは、電子部品が実装された後、セラミック枠体、及びセラミック枠体に接合された外部接続端子の上面部分に蓋体を接合することで搭載領域内の電子部品を気密に封止するようになっている。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、ヒートシンク板５１にセラミックと熱膨張係数が近似し、しかも熱伝導率の高い、例えば、クラッド状に貼り合わせたＣｕ（銅）／Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）／Ｃｕ等のような接合金属板や、ポーラス状のＷ（タングステン）にＣｕを含浸させたＣｕ−Ｗ等のような複合金属板等を用いている。また、高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、セラミック枠体５２に熱伝導率の比較的高いＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等からなるセラミック基材を用いている。更に、高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、外部接続端子５３にセラミックと熱膨張係数が近似するＦｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｃｏ（コバルト）系合金や、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等からなる金属板を用いている。

この高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、セラミック枠体５２の一方の主面側の全面にＷ、Ｍｏ、あるいはこれら両方を含むメタライズ膜５４と、他方の主面側の外部接続端子５３が当接される面にＷ、Ｍｏ、あるいはこれら両方を含むメタライズ膜５４ａが形成されている。そして、高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、ヒートシンク板５１と、セラミック枠体５２の一方の主面側のメタライズ膜５４に形成されたＮｉめっき被膜５５との間をＡｇ（銀）Ｃｕろう等のろう材５６で接合している。また、高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、外部接続端子５３と、セラミック枠体５２の他方の主面側のメタライズ膜５４ａに形成されたＮｉめっき被膜５５ａとの間をＡｇＣｕろう等のろう材５６ａで接合している。接合後の高放熱型電子部品収納用パッケージ５０には、外部に露出するヒートシンク板５１とセラミック枠体５２及び外部接続端子５３の金属表面にＮｉ及びＡｕ（金）めっき被膜（図示せず）を施している。また、高放熱型電子部品収納用パッケージ５０には、ヒートシンク板５１の長手方向の両端部にヒートシンク板５１からの熱を更に外部に放熱させるための基台にねじ止めして固定するための切り欠きや、貫通孔等からなる取付部５７を設けている。

上記の高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、セラミック枠体５２と、ヒートシンク板５１や外部接続端子５３の金属部材とをＡｇＣｕろう５６、５６ａで接合させるためにセラミック枠体５２と、これに設けられるメタライズ膜５４、５４ａとの接合強度を確保することが必要となっている。そこで、セラミック枠体５２に設けられるメタライズ膜５４、５４ａは、Ｗ粒径や、Ｍｏ粒径を粗くして、セラミック基材とこれと同時焼成して形成される高融点金属とのアンカー効果が高められるようにしたり、メタライズ膜５４、５４ａ自体の厚みを厚くしてＡｇＣｕろう５６、５６ａとの応力緩和が計れるようにしている。

しかしながら、上記のセラミック枠体５２は、メタライズ膜５４、５４ａのＷ粒径や、Ｍｏ粒径を粗くしたり、メタライズ膜５４、５４ａの厚みを厚くするとセラミック基材と高融点金属の同時焼成時の収縮差によって反りが発生し易くなるという問題がある。そして、このようなセラミック枠体５２を用いる高放熱型電子部品収納用パッケージ５０は、ヒートシンク板５１や、外部接続端子５３のＡｇＣｕろう５６，５６ａを介しての接合に接合信頼性の低下が発生するという問題がある。これを改善させるために、セラミック枠体５２は、焼成前のメタライズ中にセラミック枠体５２を構成するセラミック基材、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミック粉末を添加させ、同時焼成時のメタライズの焼結タイミングをセラミックの焼結タイミングに近付けるようにして収縮差を小さくし反りの発生を抑えるようにしている。

金属部材とろう材を介して接合するためのセラミック部材には、セラミック焼成体であるセラミック基板表面に当接してＭｏ及びＮｉを含有する下層のメタライズ膜を備えると共に、このメタライズ膜上面に中間層を介して又は中間層を介さずに、Ｎｉと、Ｃｕ又はＭｎ（マンガン）とを含有する上層の合金層を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３３６０５５号公報

しかしながら、前述したような従来の高放熱型電子部品収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）焼成前のメタライズ中にセラミック枠体を構成するセラミック基材、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミック粉末を添加させて形成したメタライズ膜は、メタライズ膜の表面にセラミック粒子が外部に露出する部分が存在することとなる。このようなメタライズ膜の上面にＮｉめっき被膜を形成する場合には、大きなセラミック粒子の外部に露出する部分がＮｉめっき被膜の存在しないピンホールや、全体としての大、小多くのセラミック粒子の外部への露出によってメタライズ膜とＮｉめっき被膜との界面強度の低下が発生している。
（２）特開２００５−３３６０５５号公報で開示されるセラミック部材は、例え、これに設けられるＮｉめっき被膜を必要としないメタライズ膜と、金属部材との間でろう材を介しての接合が可能であっても、メタライズ膜がセラミック焼成体の表面に焼き付けるものであり、セラミックと高融点金属を同時焼成するものではないので、高熱が発生する電子部品からの激しい熱歪みに耐えることができる充分な接合強度ではなく、接合信頼性の低いものとなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、メタライズ膜とセラミック枠体の接合強度が高いと共に、セラミック枠体の反りの発生を防止でき、メタライズ膜とＮｉめっき被膜の界面強度が高く、ヒートシンク板及び外部接続端子とセラミック枠体との接合信頼性の高い高放熱型電子部品収納用パッケージ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高放熱型電子部品収納用パッケージは、載置する電子部品からの発熱を放熱させるためのヒートシンク板と、ヒートシンク板の電子部品の搭載領域を囲繞できるように一方の主面を接合して電子部品を中空状態に気密封止を可能とするための窓枠状のセラミック枠体と、セラミック枠体の他方の主面の接合部に接合して電子部品と外部との電気的導通を可能とするための金属板からなる外部接続端子を有する高放熱型電子部品収納用パッケージにおいて、ヒートシンク板と外部接続端子にろう材を介して接合するセラミック枠体の当接部分に設けられるメタライズ膜がセラミックと同時焼成して形成される第１と第２のメタライズ膜の２層構造からなり、セラミック枠体に当接して設けられる第１のメタライズ膜がＷ、Ｍｏ、又はこれらの両方を含む高融点金属にセラミック枠体を構成するセラミック粉末を含有してなり、第１のメタライズ膜の上面に設けられる第２のメタライズ膜がセラミック粉末を含有しない高融点金属からなる。

上記本発明の高放熱型電子部品収納用パッケージは、ヒートシンク板と外部接続端子にろう材を介して接合するセラミック枠体の当接部分に設けられるメタライズ膜がセラミックと同時焼成して形成される第１と第２のメタライズ膜の２層構造からなり、セラミック枠体に当接して設けられる第１のメタライズ膜がＷ、Ｍｏ、又はこれらの両方を含む高融点金属にセラミック枠体を構成するセラミック粉末を含有してなり、第１のメタライズ膜の上面に設けられる第２のメタライズ膜がセラミック粉末を含有しない高融点金属からなるので、２層構造の内のセラミック粉末を含有する第１のメタライズ膜によってセラミックと高融点金属の同時焼成時の焼結タイミングを近似させることができ、メタライズ膜とセラミックの接合強度を確保しながらセラミック枠体の反りの発生を抑制することができる。また、この高放熱型電子部品収納用パッケージは、２層構造の内のセラミック粉末を含有しない第２のメタライズ膜によって表面にセラミック粒子の外部への露出をなくしてメタライズ膜とＮｉめっき被膜との界面強度の低下を防止できる。更に、この高放熱型電子部品収納用パッケージは、セラミック枠体の反りの発生を防止できることで、セラミック枠体をヒートシンク板に、また、外部接続端子をセラミック枠体に正確に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高放熱型電子部品収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。同高放熱型電子部品収納用パッケージに電子部品が実装される状態の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の高放熱型電子部品収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。

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。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高放熱型電子部品収納用パッケージ１０は、載置する電子部品２１（図２参照）から発生する高温、且つ大量の熱を放熱させるための高放熱特性を備えた略長方形板状の金属板からなるヒートシンク板１１を有している。電子部品２１には、例えば、ＲＦ基地局用のシリコンや、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や、この近傍に併設して実装されるコンデンサ等がある。そして、電子部品２１は、これから発生する高温、且つ大量の発熱をヒートシンク板１１上に直接載置接合させることで速やかに外部に放熱させることができるようにし、電子部品２１の高周波の領域での電気特性の悪化を防止できるようにしている。このヒートシンク板１１には、熱膨張係数をセラミックの熱膨張係数と近似させ、熱伝導率の高い高放熱特性を有する、例えば、ポーラス状の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ＭｏからなるＣｕ−Ｍｏ系の合金金属板や、Ｃｕ−Ｍｏ系複合金属板の両面にＣｕ板をクラッドしたＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕ等の接合金属板等を用いている。

なお、ヒートシンク板１１は、放熱特性を向上させるために、熱伝導率の優れるＣｕの比率を高めたものを用いることが有効であるが、Ｃｕは熱膨張係数が高いので、後述するセラミック枠体１２との熱膨張係数の整合性を図るためのＣｕ以外の材料選定や、Ｃｕと他の金属との板材としての構造が重要となる。そして、ヒートシンク板１１は、切削加工や、粉末冶金等の手法を用いて、実質的に長方形状に形成されている。なお、因みに、ヒートシンク板１１がＣｕ−Ｗの場合は、熱伝導率が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、熱膨張係数が７．８×１０^−６／Ｋ（３０〜８００℃）程度であり、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕ（厚さ比率＝２：３：２）の場合は、熱伝導率が２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、熱膨張係数が９．２×１０^−６／Ｋ（３０〜８００℃）程度であるので、接合体の許容反りと許容放熱特性に合わせて材料の選定がなされている。

また、この高放熱型電子部品収納用パッケージ１０は、電子部品２１の搭載領域が囲繞できるようにヒートシンク板１１の上面に、一方の主面をろう材、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のＡｇＣｕろうで接合して電子部品２１を中空状態に気密封止を可能とするための窓枠状のセラミック枠体１２を有している。この高放熱型電子部品収納用パッケージ１０には、ヒートシンク板１１とセラミック枠体１２との接合によって、セラミック枠体１２の窓枠状の内周側壁面と、ヒートシンク板１１の上面とで電子部品２１を搭載するための搭載領域が形成されている。このセラミック枠体１２には、通常、熱伝導率が比較的高く放熱性のあるＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）や、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等からなるセラミックが用いられている。

このセラミック枠体１２がセラミックの一例であるＡｌ_２Ｏ_３からなる場合には、先ず、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のスラリーを作製している。次いで、このスラリーからは、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している。そして、セラミック枠体１２は、このセラミックグリーンシートに導体印刷パターンを形成し、窓枠状になるように成形した後、焼成して形成されるようになっている。

上記の高放熱型電子部品収納用パッケージ１０は、セラミック枠体１２の他方の主面である上面の接合部にろう材、例えば、ＢＡｇ−８等のＡｇＣｕろうで接合して、電子部品２１と外部との電気的導通を可能とする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１３を有している。この外部接続端子１３には、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１つの高放熱型電子部品収納用パッケージ１０に設ける複数の外部接続端子１３をタイバー部で支え持つようにしたリードフレーム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、セラミックの熱膨張係数、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数の６．７×１０^−６／Ｋ程度に近似させている。

本発明の一実施の形態に係る高放熱型電子部品収納用パッケージ１０には、ヒートシンク板１１と外部接続端子１３にろう材を介して接合するセラミック枠体１２の当接部分にセラミックと同時焼成して形成されるメタライズ膜１４が２層構造で設けられている。この２層構造のメタライズ膜１４は、セラミック枠体１２に当接して設けられる第１のメタライズ膜１４ａと、第１のメタライズ膜１４ａの上面に設けられる第２のメタライズ膜１４ｂからなっている。第１のメタライズ膜１４ａは、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、又はこれらの両方を含む高融点金属にセラミック枠体１２を構成するセラミック粉末を含有した形態からなっている。この第１のメタライズ膜１４ａは、これに含有するセラミック粉末の平均粒径が１．０〜３．０μｍ程度で、高融点金属に外掛けで１５〜２５ｗｔ％程度添加させて形成されている。一方、第２のメタライズ膜１４ｂは、第１のメタライズ膜１４ａに含有する上記のセラミック粉末を含有しない高融点金属のみからなっている。第１のメタライズ膜１４ａと第２のメタライズ膜１４ｂがＷと、Ｍｏの両方を含む高融点金属の場合には、通常、これらの混合比率がＷを９５〜９７ｗｔ％、Ｍｏを３〜５ｗｔ％として形成されている。

第１のメタライズ膜１４ａ、及び第２のメタライズ膜１４ｂの形成は、セラミック枠体１２を形成するためのセラミックグリーンシートにＷ、Ｍｏ、又はこれらの両方を含む高融点金属にセラミック枠体１２を構成するセラミック粉末を含有する導体ペーストを用いてスクリーン印刷して、先ず、第１のメタライズ膜１４ａ用の導体印刷パターンを形成している。次いで、この第１のメタライズ膜１４ａ用の導体印刷パターンの上面には、セラミック枠体１２を構成するセラミック粉末を含有しないＷ、Ｍｏ、又はこれらの両方を含む高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷して、第２のメタライズ膜１４ｂ用の導体印刷パターンを形成している。次いで、セラミックグリーンシート、高融点金属、及びセラミック粉末を含有する高融点金属は、還元雰囲気中の１５００〜１６００℃程度の高温で同時焼成して、第１のメタライズ膜１４ａ、及び第２のメタライズ膜１４ｂを備えたセラミック枠体１２を形成している。

なお、第１のメタライズ膜１４ａ用、及び第２のメタライズ膜１４ｂ用の導体印刷パターンは、外形が同一の形状からなり、ヒートシンク板１１と接合させる側の導体印刷パターンをセラミック枠体１２の一方の主面の全面に形成している。また、外部接続端子１３を接合させる側の導体印刷パターンは、それぞれの外部接続端子１３が電気的に短絡しないようにそれぞれが独立して外部接続端子１３の接合部分に形成している。また、第１のメタライズ膜１４ａ用、及び第２のメタライズ膜１４ｂ用の導体印刷パターンの厚みは、通常、第１のメタライズ膜１４ａ用を２０〜３０μｍ、第２のメタライズ膜１４ｂ用を１５〜２５μｍ程度としている。

第１のメタライズ膜１４ａ、及び第２のメタライズ膜１４ｂが形成されたセラミック枠体１２は、第２のメタライズ膜１４ｂの表面にＮｉや、ＮｉＣｏ等からなるＮｉめっき被膜１５が形成された後、ヒートシンク板１１や、外部接続端子１３との間にＡｇＣｕろう等からなるろう材１６を介して約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合している。このヒートシンク板１１とセラミック枠体１２のろう付け接合と、セラミック枠体１２と外部接続端子１３のろう付け接合は、同時に行ってもよいし、それぞれを個別に行ってもよい。そして、図示しないが、ヒートシンク板１１と、セラミック枠体１２、及び外部接続端子１３の接合体には、外部に露出する金属部分に、Ｎｉや、ＮｉＣｏ等からなるＮｉめっき被膜、及びＮｉめっき被膜の上面にＡｕめっき被膜が形成されて高放熱型電子部品収納用パッケージ１０としている。なお、この高放熱型電子部品収納用パッケージ１０は、ヒートシンク板１１の長手方向の両端部に、基台（図示せず）等にねじ止め等して取り付けるための切り欠きや、貫通孔等からなる取付部１７を有している。

図２に示すように、高放熱型電子部品収納用パッケージ１０は、搭載領域のヒートシンク板１１の上面に電子部品２１が接合され、電子部品２１と外部接続端子１３とがボンディングワイヤ２２等で接続された後、樹脂や、セラミックや、金属等からなる蓋体２３を樹脂や、ガラス等の接着材２４で接着して電子部品２１が中空状態で気密に封止されて、例えば、高周波用モジュール基板２０等を形成している。この高周波用モジュール基板２０は、電子部品２１からの発熱をヒートシンク板１１に放熱し、更に、外部に放熱させるための基台に、ヒートシンク板１１に設けられている取付部１７にねじ２５を挿通させてねじ止めして固定される。

本発明の高放熱型電子部品収納用パッケージは、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、高出力で放熱性を考慮した薄型の半導体素子や、コンデンサ等の電子部品を実装して気密に封止した高周波用モジュール基板とし、例えば、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等のために用いることができる。

１０：高放熱型電子部品収納用パッケージ、１１：ヒートシンク板、１２：セラミック枠体、１３：外部接続端子、１４：メタライズ膜、１４ａ：第１のメタライズ膜、１４ｂ：第２のメタライズ膜、１５：Ｎｉめっき被膜、１６：ろう材、１７：取付部、２０：高周波用モジュール基板、２１：電子部品、２２：ボンディングワイヤ、２３：蓋体、２４：接着材、２５：ねじ

Claims

載置する電子部品からの発熱を放熱させるためのヒートシンク板と、該ヒートシンク板の前記電子部品の搭載領域を囲繞できるように一方の主面を接合して前記電子部品を中空状態に気密封止を可能とするための窓枠状のセラミック枠体と、該セラミック枠体の他方の主面の接合部に接合して前記電子部品と外部との電気的導通を可能とするための金属板からなる外部接続端子を有する高放熱型電子部品収納用パッケージにおいて、
前記ヒートシンク板と前記外部接続端子にろう材を介して接合する前記セラミック枠体の当接部分に設けられるメタライズ膜がセラミックと同時焼成して形成される第１と第２のメタライズ膜の２層構造からなり、前記セラミック枠体に当接して設けられる前記第１のメタライズ膜がＷ、Ｍｏ、又はこれらの両方を含む高融点金属に前記セラミック枠体を構成するセラミック粉末を含有してなり、前記第１のメタライズ膜の上面に設けられる前記第２のメタライズ膜が前記セラミック粉末を含有しない前記高融点金属からなることを特徴とする高放熱型電子部品収納用パッケージ。