JP2014207387A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】良好な気密性を維持したまま、収容する半導体装置等からの発熱を効率よく放熱する半導体パッケージを得る。
【解決手段】発熱領域（半導体装置１６）の近傍を囲む枠体１２の四隅の部位を内側に向けて肉厚にし、ここを貫通する４つの貫通孔１５を設け、これら貫通孔１５をパッケージ上面側から挿通されるネジ１７を用いてパッケージ上面からキャップ１４を含めて枠体１２全体を放熱体１８に押しつけるように取り付けることにより、発熱領域の周囲の四隅を、ネジ１７による垂直軸力を緩和させることなく放熱体１８に押圧し密着させ、半導体パッケージ１の下面と放熱体１８との接触面積を十分に確保しつつ、その熱抵抗も十分に低減して、発熱領域とその周囲に拡がりを持った良好な放熱経路を確保する。
【選択図】 図１

Description

本実施の形態は、半導体装置からの発熱を効率よく拡散し放熱する半導体パッケージに関する。

半導体パッケージの放熱体への取付構造としては、従来より、そのパッケージ形状に応じて各種の構造が開示されている。例えば特許文献１に開示された事例では、半導体装置等が載置される半導体パッケージの基体の枠体からはみ出た部分に貫通孔を設け、ネジにより放熱体に固定する手法が示されている。この手法では、基体の枠体からはみ出た部分を介して横から枠体に力を伝えるので、ネジによる垂直軸力を緩和させることなく枠体、及びその中の発熱部近傍の基体を放熱体に押圧し密着させることができない。例えば特許文献２に開示された事例のように、単素子の電力半導体等のパッケージをバネにより押さえれば、垂直軸力を緩和させることなく枠体、及びその内側の発熱部近傍の基体を放熱体に押圧し密着させることができるが、バネで押圧するために屈曲片や押さえ部材が別途必要となる。

特開２００４−２８８９４９号公報（第１７ページ、図１） 特開平５−１３６２８号公報（第３ページ、図１）

半導体素子や、その周辺回路を含んだ半導体装置が高機能化・高出力化するにつれ、これら半導体素子からの発熱量も増加しており、これらが収容された半導体パッケージについても、従来にも増して効率よく外部に排熱することが求められる。

しかしながら、従来の半導体パッケージのネジ締め点は、発熱源となる半導体素子が載置された位置から離れた部位となる。例えば半導体パッケージの基体の周囲部分を放熱体にネジにより押圧固定している。このため、発熱源となる半導体素子が載置された位置において、放熱体への押圧力が緩和されてしまい、その熱抵抗を十分に低下させることができず、効率の良い排熱が困難であった。

本実施の形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、良好な気密性を維持したまま、収容する半導体装置等からの発熱を効率よく放熱する半導体パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の半導体パッケージは、上面に四角形状の半導体装置の配置領域を備え、この配置領域の前記半導体装置からの発熱を拡散させる放熱経路となるベースプレートと、対向する二辺の各組がそれぞれ前記配置領域の２本の対角線のどちらかと対応して平行な四角形状の外形を有し、その四隅が内側に向けて肉厚に形成され、前記配置領域を囲むように前記ベースプレート上に載置された金属製の枠体と、前記枠体の側壁を貫通して前記枠体内外を接続する信号の経路となる複数のフィードスルーと、前記枠体の前記ベースプレート側の面と対向する面をふさぐように載置された金属製のキャップとが一体形に固着されるとともに、前記枠体の肉厚に形成された四隅に該当する部位に、前記キャップ、前記枠体、及び前記ベースプレートをこれらの積層方向に貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔に前記キャップ側から挿通されるネジにより、前記ベースプレートの下面側に配置される放熱体に押圧するように密着させて取り付けられることを特徴とする。

本実施形態に係る半導体パッケージの第１の実施例の外観を示す斜視図。 図１に例示した半導体パッケージの分解斜視図。 図１に例示した半導体パッケージの取付状態の一例を説明するための断面図。 フィードスルー１３の構造の一例を示す断面図。 本実施形態に係る半導体パッケージの第２の実施例の外観を示す斜視図。 図５に例示した半導体パッケージの分解斜視図。 本実施形態に係る半導体パッケージの第３の実施例の外観を示す斜視図。 図７に例示した半導体パッケージの分解斜視図。 図７に例示した半導体パッケージの取付状態の一例を説明するための断面図。 本実施形態に係る半導体パッケージの第４の実施例の外観を示す斜視図。 図１０に例示した半導体パッケージの分解斜視図。

以下に、本実施形態に係る半導体パッケージを実施するための最良の形態について、図１乃至図１１を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体パッケージの第１の実施例の外観を示す斜視図、図２は、その分解斜視図である。また、図３は、この半導体パッケージの取付状態の一例を示す断面図である。図１に例示したように、この半導体パッケージ１は、上面に半導体装置の配置領域を有するベースプレート１１、この半導体装置の配置領域を囲むようにベースプレート１１上に載置された金属製の枠体１２、同じくベースプレート１１上に載置され、枠体１２の側壁を貫通して枠体内の半導体装置と枠体外との信号経路となる２つのフィードスルー１３（１３ａ及び１３ｂ）、ならびに枠体１２の上面をふさぐように載置された金属製のキャップ１４を備えており、これらが積層されて一体に固着され、気密を維持している。固着の手法については後述する。

また、その四隅にはキャップ１４、枠体１２、及びベースプレート１１をそれらの積層方向に貫通する４つの貫通孔１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、及び１５ｄ）が設けられている。そして、図３に例示したように、これら４つの貫通孔１５にキャップ１４側から挿通されるネジ１７により、ベースプレート１１の下面側に配置される放熱体１８に、枠体１２全体を押さえこむように密着させて取り付けられる。

次に、この半導体パッケージ１の各部分について、図２を参照して詳述する。ベースプレート１１は、例えば銅や銅系の合金等、導電性金属によって形成されており、その上面には、半導体装置１６が配置される四角形状の配置領域１１ｅを有している。本実施例では、配置領域１１ｅの形状は、例えばひし形としている。半導体装置１６としては、例えば発熱量の多い電力用の半導体素子及びその周辺回路を含む半導体装置が配置され、ベースプレート１１は、このような半導体装置からの発熱を拡散させるための放熱経路にもなっている。また、後述する枠体１２の四隅の対応する位置に、４つの貫通孔１５を形成するための貫通孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、及び１１ｄが形成されている。

金属製の枠体１２は、四角形状の外形を有し、ベースプレート１１上の配置領域１１ｅを囲むようにベースプレート１１上に載置されている。金属製の枠体１２の外形の四角形は、配置領域１１ｅの四角形（ひし形）の２本の対角線のどちらかに対応して平行な２組の２辺を持っている。すなわち、本実施例における枠体１２の外形は、配置領域１１ｅの四角形（ひし形）の各頂点が、各辺の略中央を向くようにこの配置領域１１ｅを囲む、長方形または正方形としている。

また、枠体１２の四隅には、枠体内側に向けて、本実施例では四角形の肉厚部分１２ｅが形成されているとともに、この部位に、４つの貫通孔１５を形成するための貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、及び１２ｄが形成されている。さらに、枠体１２の側壁には、後述するフィードスルー１３の貫通部１２ｆが形成されている。

なお、上記したベースプレート１１に設けられた４つの貫通孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、及び１１ｄ、ならびに後述するキャップ１４に設けられた４つの貫通孔１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄは、４つの貫通孔１５を形成するために、それぞれこれら枠体１２に形成された４つの貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、及び１２ｄの位置に対応する位置に形成される。

フィードスルー１３は、枠体１２の側壁を貫通してその内部の半導体装置１６と枠体外部とを接続する信号の経路となる信号線路である。本実施例では、配置領域１１ｅの１組の対角に対応させて２つのフィードスルー１３ａ及び１３ｂをベースプレート１１上に載置している。フィードスルー１３の構造の一例を図４に示す。

図４は、フィードスルー１３の構造の一例をモデル化して示す断面図である。この図４の紙面の右方向が枠体１２の外側、左方向が枠体１２の内側、下方向がベースプレート側、上方向が枠体１２の側壁側にそれぞれ対応している。このフィードスルー１３は、下側セラミック層１３１ａの上面にストリップライン１３２が形成された下側セラミック層１３１ａ、このストリップライン１３２を覆って下側セラミック層１３１ａに載置された上側セラミック層１３１ｂ、及びストリップライン１３２に固着されたリード１３３を備えている。

下側セラミック層１３１ａと上側セラミック層１３１ｂとは、ストリップライン１３２を形成後に一体に焼成される。また、ストリップライン１３２とリード１３３とは、例えば銀ろう付け等で固着される。そして、下側セラミック層１３１ａの下面側はベースプレート１１に、また上側セラミック層１３１ｂの上面は枠体の貫通部１２ｆにそれぞれ接触し、例えば銀ろう付け等で固着される。

金属製のキャップ１４は、枠体１２の外形に対応した四角形状の平板に形成されている。また、その四隅には、枠体１２に設けられた４つの貫通孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、及び１２ｄのそれぞれに対応する位置に、貫通孔１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄが形成されており、枠体１２のベースプレート側の面と対向する面、すなわち上面をふさぐように、枠体１２に載置されている。

上記した各部は、順次積層され、例えば銀ろう付け等で一体に固着されて、半導体パッケージ１となる。すなわち、ベースプレート１１の上面には２つのフィードスルー１３ａ、及び１３ｂが、例えば銀ろう付けにより固着され、それらの上には枠体１２が同様に銀ろう付けにより固着され、さらに枠体１２の上面にはキャップ１４が、例えば金錫はんだ付けで固着されることによって、半導体パッケージ１として一体化される。また、この半導体パッケージ１は、枠体１２の四隅に、キャップ１４、枠体１２及びベースプレート１１をそれらの積層方向に貫通する４つの貫通孔１５を備えており、これら貫通孔を半導体パッケージ１の上面側（キャップ１４側）から挿通されるネジ１７により、パッケージ下面側（ベースプレート１１の下面側）に配置される放熱体１８に取り付けられる。

上述のように構成された半導体パッケージ１においては、ベースプレート１１上の配置領域１１ｅに配置される半導体装置１６からの発熱は、まずその基台であるベースプレート１１に伝導し、パッケージ下面に配置される放熱体１８に伝導して拡散される。このときには、パッケージ下面と放熱体１８とは、小さな熱抵抗で良好に熱結合されていることが必要である。本実施形態の半導体パッケージ１では、発熱領域（半導体装置１６）の近傍を囲む枠体１２の四隅の部位を貫通する４つの貫通孔１５を設け、これら貫通孔１５をパッケージ上面側から挿通するネジ１７を用いて放熱体１８に緊締することによって、パッケージ上面からキャップ１４を含めて枠体１２全体を放熱体１８に押しつけるように取り付けている。

すなわち、発熱領域の周囲の四隅を、ネジ１７による垂直軸力を緩和させることなく、枠体１２、及びその内側の発熱部近傍のベースプレートを放熱体１８に押圧し密着させることができるため、半導体パッケージ１の下面と放熱体１８との接触面積を十分に確保しつつ、その熱抵抗も十分に低減することができる。これによって、発熱領域とその周囲に拡がりを持った良好な放熱経路を確保することができ、パッケージとしての気密性を維持したまま、収容する半導体装置等からの発熱を効率よく放熱することが可能な半導体パッケージを得ることができる。

また、本実施例においては、ベースプレート１１上の半導体装置の配置領域１１ｅの形状をひし形とし、その一つの対角線方向に信号の入出力経路となるフィードスルーを配置している。これは、１本の入力信号を多数の電力増幅素子により電力増幅後、高電力の１本の信号として出力するといった、例えば高出力電力を扱う半導体装置等に好適な形状のひとつである。加えて、枠体１２の外形は、この配置領域１１ｅの形状と関係づけられており、配置領域１１ｅのひし形の各頂点が、枠体１２の外形の各辺の略中央を向くように配置領域１１ｅを囲む長方形または正方形としている。これにより、枠体１２の四隅を内側（配置領域１１ｅの方向）に向けて肉厚にし、外形寸法を大きくすることなく、貫通孔１５を形成するためのスペースを確保することができる。

図５は、本実施形態に係る半導体パッケージの第２の実施例の外観を示す斜視図である。また図６は、その分解斜視図である。この第２の実施例について、図１〜図４に示した第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。この第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、第１の実施例においては枠体１２を金属製としたのに対し、第２の実施例においては、枠体１２をセラミック製とするとともに、このセラミック製の枠体１２とキャップ１４との間に、この枠体１２と同じ枠形状を有するメタルリング２２を備えた点である。以下、前出の図１〜図４、ならびに図５〜図６を参照して、その相違点のみを説明する。

図５及び図６に例示したように、この半導体パッケージ２は、上面に半導体装置の配置領域を有するベースプレート１１、この半導体装置の配置領域を囲むようにベースプレート１１上に載置されたセラミック製の枠体２１、同じくベースプレート１１上に載置され、枠体２１の側壁を貫通して枠体内の半導体装置と枠体外との信号経路となる２つのフィードスルー１３（１３ａ及び１３ｂ）、枠体２１と同じ枠形状を有し、この枠体２１の上面枠上に載置されたメタルリング２２、ならびに枠体２１の上面をふさぐようにメタルリング２２上に載置された金属製のキャップ１４を備えており、これらが積層されて一体に固着され、気密を維持している。

また、その四隅には、キャップ１４、メタルリング２２、枠体２１、及びベースプレート１１をそれらの積層方向に貫通する４つの貫通孔１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、及び１５ｄ）が設けられており、放熱体１８への取り付けに際しては、第１の実施例において図３に例示された場合と同様に、４つの貫通孔１５にキャップ１４側から挿通されるネジ１７により、枠体１２全体を押さえこむようにベースプレート１１の下面側と放熱体１８とを密着させて取り付けられる。

この半導体パッケージ２の各部については、まず、ベースプレート１１、フィードスルー１３、及びキャップ１４は、第１の実施例と同様であるので説明を省略する。セラミック製の枠体２１は、第１の実施例における金属製の枠体１２の材料をセラミックとしたものであり、形状等については第１の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。

メタルリング２２は、セラミック製の枠体２１上面と同じ枠形状を有し、シート状に形成されて枠体２１の上面に、例えば銀ろう付け等で固定される。このメタルリング２２は、セラミック製の枠体２１の表面の凹凸やうねりを吸収し、金属キャップ１４を固着させた際に、その間の気密を良好に維持する。

これら各部は順次積層されて、第１の実施例と同様な手法によりそれぞれに固着されることによって、半導体パッケージ２として一体化される。すなわち、ベースプレート１１の上面に銀ろう付けにより２つのフィードスルー１３が固着され、それらの上には枠体２１、及びメタルリング２２が同様に銀ろう付けにより固着され、さらにメタルリング２２の上面にキャップ１４が、例えば金錫はんだ付けで固着される。そして、一体化された半導体パッケージ２は、その枠体２１の四隅に該当する部位に４つの貫通孔１５を備えている。

このような半導体パッケージ２においても、第１の実施例と同様に、４つの貫通孔１５を挿通するネジ１７により、垂直軸力を緩和させることなく、枠体２１及びその内側の発熱部近傍のベースプレートを放熱体１８に押圧し密着させることができるため、半導体パッケージ２の下面と放熱体１８との接触面積を十分に確保しつつ、その熱抵抗も十分に低減することができ、パッケージとしての気密性を維持したまま、収容する半導体装置等からの発熱を効率よく放熱することが可能となる。また、第１の実施例と同様な形状を有しており、外形寸法を大きくすることなく、貫通孔１５を形成するためのスペースを確保することができる。

図７は、本実施形態に係る半導体パッケージの第３の実施例の外観を示す斜視図である。また図８は、その分解斜視図である。この第３の実施例について、図１〜図４に示した第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。この第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、第１の実施例においてはキャップ１４を金属製としたのに対し、第３の実施例においては、このキャップをセラミック製とするとともに、４つの貫通孔１５に対応する部位を切り欠いた形状にした点である。以下、前出の図１〜図４、ならびに図７〜図９を参照して、その相違点のみを説明する。

図７及び図８に例示したように、この半導体パッケージ３は、第１の実施例に示した半導体パッケージ１の金属製のキャップ１４に換えて、セラミック製のキャップ３１を備えている。このキャップ３１も平板状に形成されているが、貫通孔１５に対応する部位が、全体で４か所切り欠かれている。その切り欠きの形状は、本実施例では、図８中の３１ｅのようにカギ形（四角形）としている。そして、枠体１２の上面をふさぐように、枠体１２に載置され、ベースプレート１１、フィードスルー１３、及び金属製の枠体１２とともに、第１の実施例と同様な手法により積層され固着されることによって、半導体パッケージ３として一体化される。

半導体パッケージ３の４つの貫通孔１５は、キャップ３１の該当部位が切り欠かれているので、枠体１２及びベースプレート１１を積層方向に貫通している。そして、この半導体パッケージ３を放熱体１８に取り付ける際は、これら貫通孔１５をパッケージの上側から挿通するネジ１７を用いる。半導体パッケージ３の取付状態の断面図を図９に例示する。この図９の断面図に示したように、半導体パッケージ３は、貫通孔１５を挿通するネジ１７により、パッケージ上面から枠体１２全体を放熱体１８に押圧するように取り付けられる。

従って、この第３の実施例においても、前出の２つの実施例と同様に、４つの貫通孔１５を挿通するネジ１７により、垂直軸力を緩和させることなく、枠体１２、及びその内側の発熱部近傍のベースプレートを放熱体１８に押圧し密着させることができるため、半導体パッケージ３の下面と放熱体１８との接触面積を十分に確保しつつ、その熱抵抗も十分に低減することができ、パッケージとしての気密性を維持したまま、収容する半導体装置等からの発熱を効率よく放熱することが可能となる。また、第１の実施例と同様な形状を有しており、外形寸法を大きくすることなく、貫通孔１５を形成するためのスペースを確保することができる。

図１０は、本実施形態に係る半導体パッケージの第４の実施例の外観を示す斜視図である。また図１１は、その分解斜視図である。この第４の実施例について、図５及び図６に示した第２の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。この第４の実施例が第２の実施例と異なる点は、第２の実施例においてはキャップ１４を金属製としたのに対し、この第４の実施例においては、このキャップをセラミック製とするとともに、４つの貫通孔１５に対応する部位を切り欠いた形状にした点である。以下、前出の図１〜図６、ならびに図１０及び図１１を参照して、その相違点のみを説明する。

図１０及び図１１に例示したように、この半導体パッケージ４は、キャップ４１を平板状のセラミック製とするとともに、４つの貫通孔１５に対応する部位が４１ｅのようにカギ形（四角形）に切り欠かれ、セラミック製の枠体２１の上面をふさぐようにメタルリング２２上に載置されている。そして、ベースプレート１１、フィードスルー１３、枠体２１、及びメタルリング２２とともに、積層され固着されることにより、半導体パッケージ４として一体化される。このときの４つの貫通孔１５は、キャップ４１の該当部位が切り欠かれているので、メタルリング２２、枠体２１及びベースプレート１１を積層方向に貫通している。

また、この半導体パッケージ４を放熱体１８に取り付ける際には、４つの貫通孔１５を挿通するネジ１７により、半導体パッケージ４の貫通孔１５の部位の上面となるメタルリング２２から、前出の３つの実施例と同様に枠体１２全体を放熱体１８に押圧するようにして取り付けられる。

従って、この第４の実施例においても、他の実施例と同様に、４つの貫通孔１５を挿通するネジ１７により、垂直軸力を緩和させることなく、枠体２１、及びその内側の発熱部近傍のベースプレートを放熱体１８に押圧し密着させることができるため、半導体パッケージ４の下面と放熱体１８との接触面積を十分に確保しつつ、その熱抵抗も十分に低減することができ、パッケージとしての気密性を維持したまま、収容する半導体装置等からの発熱を効率よく放熱することが可能となる。また、前出の各実施例と同様な形状を有しており、外形寸法を大きくすることなく、貫通孔１５を形成するためのスペースを確保することができる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２、３、４ 半導体パッケージ
１１ ベースプレート
１２、２１ 枠体
１３ フィードスルー
１４、３１、４１ キャップ
１５ 貫通孔
１６ 半導体装置
１７ ネジ
１８ 放熱板
２２ メタルリング
１３１ セラミック層
１３２ ストリップライン
１３３ リード

Claims (4)

1. 上面に四角形状の半導体装置の配置領域を備え、この配置領域の前記半導体装置からの発熱を拡散させる放熱経路となるベースプレートと、
   対向する二辺の各組がそれぞれ前記配置領域の２本の対角線のどちらかと対応して平行な四角形状の外形を有し、その四隅が内側に向けて肉厚に形成され、前記配置領域を囲むように前記ベースプレート上に載置された金属製の枠体と、
   前記枠体の側壁を貫通して前記枠体内外を接続する信号の経路となる複数のフィードスルーと、
   前記枠体の前記ベースプレート側の面と対向する面をふさぐように載置された金属製のキャップと
   が一体形に固着されるとともに、
   前記枠体の肉厚に形成された四隅に該当する部位に、前記キャップ、前記枠体、及び前記ベースプレートをこれらの積層方向に貫通する貫通孔を備え、
   前記貫通孔に前記キャップ側から挿通されるネジにより、前記ベースプレートの下面側に配置される放熱体に押圧するように密着させて取り付けられることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記枠体はセラミック製とし、前記キャップとの間にこのセラミック製の枠体と同じ枠形状を有するメタルリングが更に固着されるとともに、
   前記貫通孔は、このメタルリングを含み貫通することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記キャップはセラミック製とし、前記貫通孔に対応する部位を切り欠いた形状とするとともに、
   前記貫通孔は、前記枠体、及び前記ベースプレートをこれらの積層方向に貫通することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記キャップはセラミック製とし、前記貫通孔に対応する部位を切り欠いた形状とするとともに、
   前記貫通孔は、前記メタルリング、前記枠体、及び前記ベースプレートをこれらの積層方向に貫通することを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージ。

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