JP2015082527A

JP2015082527A - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2015082527A
Application number: JP2013218328A
Authority: JP
Inventors: 一考高木; Kazutaka Takagi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-27

Abstract

【課題】反りや歪みが少なく、良好な放熱が可能な信頼性の確保された半導体パッケージを得る。
【解決手段】セラミック端子１３と接触する枠体１２側の周囲の部位１２１の材料を、セラミックと比較的近い線熱膨張係数を有する鉄・ニッケル・コバルト合金材とするとともに、枠体１２のそれ以外の部位１２２とベースプレート１１とに同じ金属材料を用いることによって、パッケージ固着時に各部材の材料の線熱膨張係数の差異に起因して発生する応力を緩和するとともに、パッケージ固着後の反りや歪みを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置等を収容する半導体パッケージに関する。

マイクロ波帯用の半導体装置等を収容する、従来の半導体パッケージの一例を図７に示す。図７（ａ）は、その外観斜視図であり、図７（ｂ）は、分解斜視図である。この従来の半導体パッケージ７は、ベースプレート７１上にパッケージ内外の信号接続用のセラミック端子７３が配置され、このセラミック端子７３の位置に対応した側壁に、セラミック端子７３を囲む形状の切り欠き部７２ａを有する枠体７２が、上方から載置されている。蓋７４は、例えば、この半導体パッケージ内に半導体装置等が収容された後、枠体７２の上面に固着される。

ベースプレート７１の材料には、放熱等を考慮して、銅、あるいは銅にモリブデンやタングステン等を混在させた混成材や合金等が用いられる。また、セラミック端子７３が応力に弱いことから、このセラミック端子７３を囲んで接触する枠体７２の材料には、セラミック材と線熱膨張係数が比較的近い、鉄・ニッケル・コバルト合金等が用いられる。

そして、ベースプレート７１、枠体７２、及びセラミック端子７３は、例えば銀ロウ付け等により固着され、さらに蓋７４が固着されて、半導体パッケージとして一体化される。

特開２００２−１７０８９７号公報特開２００２−１８４８８９号公報

しかしながら、銀ロウ付け等の工程においては、例えば７８０度Ｃ程度まで加熱する必要が有る。このため、ベースプレート７１に用いた金属（例えば銅等）と、枠体７２に用いた鉄・ニッケル・コバルト合金との線熱膨張係数の差異に起因して、固着後の半導体パッケージに反りや歪みが発生することがある。このような反りや歪みは、半導体パッケージの取り付け母体との接触不良を生じさせるため、放熱性の低下、あるいは接地インダクタンスの増加等の原因のひとつになっていた。また、枠体７２の側壁の反りは、蓋７４との間にすき間を生じさせ、封止不良となる。さらには、セラミック端子７３の周囲に過大な応力が加わると、セラミック端子７３にクラック等が発生してしまい、半導体パッケージとしての信頼性を低下させていた。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、反りや歪みが少なく、信頼性の確保された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、第１の実施形態の半導体パッケージは、上面に半導体装置の配置領域を備えた金属製のベースプレートと、前記半導体装置の配置領域を囲む枠体形状をなし、前記ベースプレートの上面に固着されるとともに、側壁の前記ベースプレートに固着される側にこの枠体形状の内外を貫通するように切り欠き部が形成されたフレーム部材と、前記フレーム部材の側壁に形成された切り欠き部及び前記ベースプレートに囲まれて固着され、この側壁を貫通するように前記フレーム部材の枠体形状の内外を電気的に接続する線路導体を備えたセラミック端子と、前記フレーム部材の前記ベースプレート側の面と対向する面に載置される蓋とを備え、前記フレーム部材の材料は、前記切り欠き部の前記側壁面横方向の切り欠き幅に応じて、この切り欠き部の周囲を鉄・ニッケル・コバルト合金とし、それ以外の部位については、前記ベースプレートと同一の金属材料としたことを特徴とする。

また、第２の実施形態の半導体パッケージは、上面に半導体装置の配置領域を備えた金属製のベースプレートと、前記半導体装置の配置領域を囲む枠体形状をなし、前記ベースプレートの上面に固着されるとともに、側壁に貫通孔が形成されたフレーム部材と、前記フレーム部材の側壁に形成された貫通孔に固着され、この側壁を貫通するように前記フレーム部材の内外を電気的に接続する線路導体を備えたセラミック端子と、前記フレーム部材の前記ベースプレート側の面と対向する面に載置される蓋とを備え、前記フレーム部材の材料は、前記貫通孔の前記側壁面横方向の孔幅に応じて、この貫通孔の周囲を鉄・ニッケル・コバルト合金とし、それ以外の部位については、前記ベースプレートと同一の金属材料としたことを特徴とする。

本実施形態に係る半導体パッケージの第１の実施例の構造を示す斜視図。セラミック端子の構造の一例を示す図。図１の半導体パッケージにおけるセラミック端子の周囲の寸法を説明するための図。本実施形態の半導体パッケージに適用される金属材料の諸特性の一例を示す図。本実施形態に係る半導体パッケージの第２の実施例の構造を示す斜視図。図５の半導体パッケージにおけるセラミック端子の周囲の寸法を説明するための図。従来の半導体パッケージの構造の一例を示す斜視図。

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６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である。ここに、図１（ａ）は、半導体パッケージ全体の外観を示す外観斜視図であり、また図１（ｂ）は、その分解斜視図である。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（図示せず）を備えた金属製のベースプレート１１、この半導体装置の配置領域を囲んでベースプレート１１に載置されたフレーム部材としての枠体１２、半導体装置と外部とを接続する２つのセラミック端子１３（１３（＃１）及び１３（＃２））、ならびに枠体１２の上面に載置される蓋１４から構成されている。

ベースプレート１１、枠体１２、及びセラミック端子１３は、例えば銀ロウ付け等によって一体に固着され、ベースプレート１１上の半導体装置の配置領域に半導体装置等が収容されてセラミック端子１３に所要の配線等が施された後に、例えば金スズ半田等により蓋１４が固着され、半導体パッケージ１として一体化される。

ベースプレート１１は、本実施例ではその形状を方形とし、その上面には半導体装置の配置領域を備えるとともに、対向する２組の辺の１組には、この半導体パッケージ１を母体となる基板等に取り付けるための取り付け用の切り欠き部１１ａが形成されている。また、ベースプレート１１は、金属材料を用いて形成されている。この金属材料としては、銅の単層構造、銅・モリブデン・銅が多層に重ねられたラミネート構造、銅とモリブデンのコンパウンド、または銅とタングステンのコンパウンドのいずれかを用いている。これらの金属材料の組成の一例を図４の表に示す。

セラミック端子１３は、このベースプレート１１上に載置され、後述する枠体１２の側壁を貫通して、この枠体１２内外を電気的に接続する線路導体を備えている。本実施例においては、２つのセラミック端子１３（＃１）及び１３（＃２）を、ベースプレート１１上に対向させて載置している。このセラミック端子１３の構造の一例を図２に例示する。図２は、セラミック端子１３の構造の一例を示す図であり、図２（ａ）はその外観を、また図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、それぞれ、図２（ａ）のＡ−Ｂ面、及びＣ−Ｄ面での断面を例示している。

このセラミック端子１３は、図２（ｂ）に示したように、上面に線路導体１３１が形成された下側セラミック層１３２、及び線路導体１３１を上から覆って下側セラミック層１３２に載置された上側セラミック層１３３により構成されている。下側セラミック層１３２と上側セラミック層１３３とは、例えば線路導体１３１を形成後に一体に焼成される。また、Ｃ−Ｄでの断面は、幅Ｗ、高さＨの四角形状に形成されている。そして、下側セラミック層１３２の下面はベースプレート１１に、また上側セラミック層１３３の上面、及び線路導体１３１の方向に沿った方向の両側面１３ａは、後述の枠体１２にそれぞれ固着される。

枠体１２は、四角枠形状の外形を有しており、セラミック端子１３のベースプレート１１上での位置に合わせて、その側壁面には、枠体の内外を貫通する切り欠き部１２ａが形成されている。切り欠き部１２ａの外形は、セラミック端子１３と嵌着するように、側壁面横方向に沿っては、セラミック端子１３の幅Ｗとし、側壁面縦方向にはセラミック端子の高さＨとしている。そして、ベースプレート１１上の半導体装置の配置領域を枠形状で囲み、セラミック端子１３を上方から跨いてその周囲を囲むように、切り欠き部１２ａをセラミック端子１３に嵌着させて、ベースプレート１１の上面に載置されている。

この枠体１２の材料は、切り欠き部１２ａの周囲１２１を鉄・ニッケル・コバルト合金とし、それ以外の部位１２２については、ベースプレート１１と同一の金属材料、もしくは線熱膨張率が近い金属材料としている。これによって、ベースプレート１１、枠体１２、及びセラミック端子１３を一体に固着したときに、セラミック端子１３に周囲から加わる応力が緩和されるとともに、これらを一体に固着した後のパッケージの反りや歪みの発生も低減される。

すなわち、ベースプレート１１、枠体１２、及びセラミック端子１３は、例えば７８０度Ｃ程度に加熱されて銀ロウ付け等によって一体に固着される。ここで、それぞれの線熱膨張係数については、セラミック端子１３の材料であるセラミックは、温度に依らず概ね６〜７ｐｐｍ／Ｋ、枠体切り欠き部の周囲１２１の材料である鉄・ニッケル・コバルト合金は、当該温度近傍で７ｐｐｍ／Ｋ程度、それ以外の部位１２２の材料、及びベースプレート１１の材料は、例えば放熱性を考慮して良好な熱伝導率を有する銅とした場合は、２０ｐｐｍ／Ｋである。従って、枠体切り欠き部の周囲１２１とセラミック端子１３との線熱膨張係数が近いため、枠体１２側からセラミック端子１３への応力が緩和されるとともに、ベースプレート１１と、枠体１２との固着部位の大部分を占める、枠体切り欠き部の周囲以外の部位１２２とは、同一の金属材料であって線熱膨張係数も同一のため、両者の固着によって発生する反りや歪みが大幅に低減される。

なお、枠体切り欠き部の周囲以外の部位１２２の金属材料としては、ベースプレート１１の説明中に記述したが、銅以外にも、銅・モリブデン・銅が多層に重ねられたラミネート構造、銅とモリブデンのコンパウンド、または銅とタングステンのコンパウンドを適用することができる。図４には、これらの金属材料の線熱膨張係数及び熱伝導率の室温付近での値の一例を示す。当該温度近傍での線熱膨張係数はこれらよりも大きくなり、セラミックの線熱膨張係数から乖離する。

また、本実施例においては、枠体１２の材料として鉄・ニッケル・コバルト合金を用いる切り欠き部の周囲１２１の範囲を、セラミック端子１３の幅Ｗに基づいて、次のような範囲としている。すなわち、図３に示したように、切り欠き部１２ａから枠体１２の側壁面横方向には、両側にセラミック端子１３の幅Ｗ（切り欠き部１２ａの幅に同じ）の範囲とし、高さ方向には、切り欠き部１２ａの上端からセラミック端子１３の幅Ｗの３倍の幅（３Ｗ）の範囲としている。このように、鉄・ニッケル・コバルト合金を用いる切り欠き部の周囲１２１の範囲を、上記した範囲とすることによって、この切り欠き部の周囲１２１が、セラミック端子１３への応力をより確実に緩和するための保護層として機能し、セラミック部分のクラック発生などを抑制してその信頼性を確保している。

蓋１４は、枠体１２のベースプレート側の面と対向する開口面に対応した形状の、金属製の平板である。本実施例では、その材料は、ベースプレート１１、及び枠体切り欠き部の周囲以外の部位１２２の材料と同じ金属材料で形成されているものとし、枠体１２のベースプレート側の面と対向する開口面に載置されて、金スズ半田等で固着される。

上述のように構成された本実施形態の半導体パッケージ１においては、まず、ベースプレート１１、枠体１２、及びセラミック端子１３を、銀ロウ付け等によって一体に固着する。この銀ロウ付けの工程では、これらの部材を例えば７８０度Ｃ程度に加熱するが、このときに、各部材は、それぞれにその材料固有の線熱膨張係数で、加熱時には膨張し、冷却時には収縮する。

本実施例においては、セラミック端子１３と枠体１２との固着部位については、比較的応力に弱いとされるセラミック端子１３と接触する枠体１２の切り欠き部１２ａの周囲の材料が、セラミック材に近い線熱膨張係数を持つ鉄・ニッケル・コバルト合金により構成されているので、材料間の線熱膨張係数の差異に起因して発生する、枠体１２からセラミック端子１３に加わる応力を緩和することができる。

しかも、材料に鉄・ニッケル・コバルト合金を用いた、枠体切り欠き部の周囲１２１は、セラミック端子１３の幅Ｗに対応させてその範囲が設定されているので、これがセラミック端子１３の大きさに対応した、適切な厚さの保護層となり、セラミック端子１３への応力を確実に緩和して、セラミック端子１３に発生しやすいクラック等を抑制することができる。従って、半導体パッケージとしての信頼性を確保できる。

また、ベースプレート１１と枠体１２との固着部位についても、枠体切り欠き部の周囲１２１を除いた枠体１２の大部分が、ベースプレート１１と同一の金属材料により構成されてベースプレート１１接触しているので、線熱膨張係数の差異に起因する固着後の反りや歪みの発生を大幅に低減することができる。半導体パッケージの取り付け母体とも、良好な接触を維持することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、反りや歪みが少なく、信頼性の確保された半導体パッケージを得ることができる。

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。ここに、図５（ａ）は、半導体パッケージ全体を示す外観斜視図であり、また図５（ｂ）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の内外を電気的に接続するセラミック端子１３は、枠体１２の側壁に形成された切り欠き部１２ａに嵌着されたのに対し、第２の実施例においては、枠体の側壁に形成された貫通孔を貫通して固着されるようにした点である。以下、前出の図１〜図４、ならびに図５〜図６を参照して、その相違点を中心に説明する。

図５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（図示せず）を備えた金属性のベースプレート１１、この半導体装置の配置領域を囲んでベースプレート１１に載置されたフレーム部材としての枠体１５、半導体装置と外部とを接続する２つのセラミック端子１３（１３（＃１）及び１３（＃２））、ならびに枠体１２の上面に載置される蓋１４から構成されている。ベースプレート１１、セラミック端子１３、及び蓋１４は、第１の実施例と同様であるので、その説明を省略する。

枠体１５は、第１の実施例と同様に四角枠形の外形を有しており、一対の対向する側壁には、枠体の内外を貫通する貫通孔１５ａが形成されている。この貫通孔１５ａは、セラミック端子１３の外形に対応した形状に形成されている。すなわち、枠体１５の側壁面の横方向にはＷ、縦方向にはＨの方形としている。また、本実施例においては、貫通孔１５ａの内外壁面開口部の下側に、セラミック端子１３の形状に合わせて、張り出し部１５ｂを備えている。そして、セラミック端子１３は、この貫通孔１５ａ、及び張り出し部１５ｂに固着される。

この枠体１５の材料は、張り出し部１５ｂを含む貫通孔１５ａの周囲１５１を鉄・ニッケル・コバルト合金とし、それ以外の部位１５２については、ベースプレート１１と同一の金属材料としている。これによって、ベースプレート１１、セラミック端子１３、及び枠体１５を一体に固着したときに、これら各部の材料の線熱膨張係数の差異によって発生する、セラミック端子１３に加わる応力が緩和されるとともに、一体に固着した後のパッケージの反りや歪みの発生を低減している。

すなわち、第１の実施例において詳述したように、セラミック端子１３の材料であるセラミックの熱線膨張係数と、セラミック端子１３を囲む貫通孔１５ａの周囲１５１の材料である鉄・ニッケル・コバルト合金のそれとは、互いに近い値であり、枠体１５側からセラミック端子１３への応力が緩和される。また、枠体１５の大部分がベースプレートに接触する部位である、貫通孔の周囲以外の部位１５２と、ベースプレート１１とは、例えば銅等の同一の金属材料であり、線熱膨張係数も同一であるため、両者の固着後の反りや歪みの発生が大幅に低減される。なお、ベースプレート１１、及び貫通孔の周囲以外の部位１５２の金属材料としては、図４に示した材料を用いることができる。

また、本実施例においては、材料として鉄・ニッケル・コバルト合金を用いる貫通孔の周囲１５１の範囲を、セラミック端子１３の幅Ｗに基づいて、次のような範囲としている。すなわち、図６に示したように、貫通孔１５ａから枠体１５の側壁面の両横方向に、セラミック端子１３の幅Ｗの範囲とし、高さ方向には、上下両方向に、同じくセラミック端子１３の幅Ｗの範囲としている。このような範囲の材料を鉄・ニッケル・コバルト合金とすることによって、セラミック端子１３への応力を、より一層確実に緩和している。

以上説明したように、本実施例の半導体パッケージ２においても、第１の実施例と同様に、セラミック端子１３の周囲に、鉄・ニッケル・コバルト合金材が用いられており、しかもその合金材の範囲は、セラミック端子１３の幅に対応させて設定されているので、セラミック端子１３への応力を確実に緩和して、セラミック端子１３に発生しやすいクラック等を抑制することができ、半導体パッケージとしての信頼性を確保できる。また、ベースプレート１１と枠体１５との固着においても、第１の実施例と同様に、両者が接触する部位の大部分が同一の金属材料によって形成されているので、固着後の反りや歪みの発生を大幅に低減することができる。

従って、この第２の実施例においても、前出の第１の実施例と同様に、反りや歪みが少なく、信頼性の確保された半導体パッケージを得ることができる。

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、７半導体パッケージ
１１、７１ベースプレート
１２、１５、７２枠体
１３、７３セラミック端子
１４、７４蓋

Claims

上面に半導体装置の配置領域を備えた金属製のベースプレートと、
前記半導体装置の配置領域を囲む枠体形状をなし、前記ベースプレートの上面に固着されるとともに、側壁の前記ベースプレートに固着される側にこの枠体形状の内外を貫通するように切り欠き部が形成されたフレーム部材と、
前記フレーム部材の側壁に形成された切り欠き部及び前記ベースプレートに囲まれて固着され、この側壁を貫通するように前記フレーム部材の枠体形状の内外を電気的に接続する線路導体を備えたセラミック端子と、
前記フレーム部材の前記ベースプレート側の面と対向する面に載置される蓋と
を備え、
前記フレーム部材の材料は、前記切り欠き部の前記側壁面横方向の切り欠き幅に応じて、この切り欠き部の周囲を鉄・ニッケル・コバルト合金とし、それ以外の部位については、前記ベースプレートと同一の金属材料としたことを特徴とする半導体パッケージ。
前記フレーム部材に形成された切り欠き部の周囲において、前記側壁面に沿って両横方向に前記切り欠き幅と同じ幅に相当する範囲、及び上方向に前記切り欠き幅の３倍の幅に相当する範囲の材料を鉄・ニッケル・コバルト合金としたことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ
上面に半導体装置の配置領域を備えた金属製のベースプレートと、
前記半導体装置の配置領域を囲む枠体形状をなし、前記ベースプレートの上面に固着されるとともに、側壁に貫通孔が形成されたフレーム部材と、
前記フレーム部材の側壁に形成された貫通孔に固着され、この側壁を貫通するように前記フレーム部材の内外を電気的に接続する線路導体を備えたセラミック端子と、
前記フレーム部材の前記ベースプレート側の面と対向する面に載置される蓋と
を備え、
前記フレーム部材の材料は、前記貫通孔の前記側壁面横方向の孔幅に応じて、この貫通孔の周囲を鉄・ニッケル・コバルト合金とし、それ以外の部位については、前記ベースプレートと同一の金属材料としたことを特徴とする半導体パッケージ。
前記フレーム部材に形成された貫通孔の周囲において、前記側壁面に沿って両横及び上下のそれぞれの方向に前記孔幅と同じ幅に相当する範囲の材料を鉄・ニッケル・コバルト合金としたことを特徴とする請求項３に記載の半導体パッケージ。
前記金属材料は、銅、銅・モリブデン・銅のラミネート、銅・モリブデンのコンパウンド、銅・タングステンのコンパウンドのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。