JP2021057464A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】重量が重くなることおよびコストが高くなることを抑制しつつ、熱抵抗を小さくすることができる半導体パッケージを得ること。【解決手段】半導体パッケージ１００は、半導体４０を実装可能な半導体パッケージ１００であって、半導体４０が接合される半導体接合面１１１を有する第１の伝熱部１１と、円錐台の形状であり半導体４０の熱が第１の伝熱部１１から伝熱される第２の伝熱部１２と、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２を覆う基盤部１３と、を備え、第２の伝熱部１２の底面は、半導体４０の熱を放熱させる放熱面１２１であり、第１の伝熱部１１の材料は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属のいずれか１つであり、第２の伝熱部１２の材料は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属のいずれか１つであり、基盤部１３の材料は、鉄ニッケルコバルト合金である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の熱を放熱させる半導体パッケージに関する。

半導体は、半導体パッケージに接合材を用いて接合される。半導体パッケージは、半導体が実装されるベース、半導体の周囲を囲うシールリング、および半導体を覆うカバーから構成されることが多い。一般的にはベースに半導体を実装することにより、半導体を半導体パッケージに接合する。半導体と半導体パッケージとを接合させる接合材には、はんだまたは接着剤が用いられることが多い。半導体は動作時に発熱するため、半導体パッケージを通じて半導体の熱を放熱させる必要がある。放熱面がベースにある場合、半導体で生じた熱は、接合材およびベースを介して放熱面まで伝熱される。接合材の厚さはベースの厚さに比べて十分に薄い。このため、半導体の熱を伝熱させる部分の熱抵抗において、接合材が占める熱抵抗の割合は、ベースが占める熱抵抗の割合よりも小さい。したがって、半導体パッケージの熱抵抗を小さくしたい場合、ベースの熱抵抗を小さくするように半導体パッケージを設計することが重要となる。

半導体パッケージの材料には、熱サイクル負荷試験を行ったときの半導体の割れ、つまり半導体のクラックの発生を防ぐために、半導体と熱膨張率が近い材料が用いられる必要がある。熱サイクル負荷試験とは、あらかじめ定められた回数で半導体および半導体パッケージを低温と高温と交互にさらす試験である。半導体と熱膨張率が近い半導体パッケージのベースの代表的な材料としては、鉄ニッケルコバルト合金、銅タングステン合金（ＣｕＷ）、および銅モリブデン合金（ＣｕＭｏ）が挙げられる。

半導体パッケージに高い放熱性が要求されない場合、半導体パッケージには、上述した半導体と熱膨張率が近い材料のなかで安価な鉄ニッケルコバルト合金が用いられる。半導体パッケージに高い放熱性が要求される場合は、熱抵抗が小さい高熱伝導材料であるＣｕＷまたはＣｕＭｏが用いられる。特に、高周波用の半導体および高出力用の半導体は発熱量が多いため、半導体パッケージの放熱性が劣ると、半導体が故障する可能性がある。このため、高周波用の半導体および高出力用の半導体の半導体パッケージには、高熱伝導材料が用いられることが不可欠である。特許文献１は、半導体が接合されるヒートスプレッダのみに高熱伝導材料が用いられる半導体パッケージを開示する。

特開２００４−１５８７２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載される半導体パッケージは、ヒートスプレッダのみに高熱伝導材料が用いられているので、高い放熱性が要求される場合には、放熱性が十分でない場合がある。したがって、ベース全体に高熱伝導材料を用いることも考えられるが、高熱伝導材料であるＣｕＷおよびＣｕＭｏは比重が大きいため、ベース全体に高熱伝導材料を用いた半導体パッケージは、ベース全体に鉄ニッケルコバルト合金を用いたベースよりも重くなる。また、高熱伝導材料はレアメタルを含んでいるため、ベース全体に高熱伝導材料を用いた半導体パッケージは、ベース全体に鉄ニッケルコバルト合金を用いた半導体パッケージよりもコストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、重量が重くなることおよびコストが高くなることを抑制しつつ、熱抵抗を小さくすることができる半導体パッケージを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体パッケージは、半導体を実装可能な半導体パッケージであって、半導体が接合される半導体接合面を有する第１の伝熱部と、円錐台の形状であり半導体の熱が第１の伝熱部から伝熱される第２の伝熱部と、第１の伝熱部および第２の伝熱部を覆う基盤部と、を備え、第２の伝熱部の底面は、半導体の熱を放熱させる放熱面であり、第１の伝熱部の材料は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属のいずれか１つであり、第２の伝熱部の材料は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属のいずれか１つであり、基盤部の材料は、鉄ニッケルコバルト合金であることを特徴とする。

本発明によれば、重量が重くなることおよびコストが高くなることを抑制しつつ、熱抵抗を小さくすることができる半導体パッケージを得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる半導体パッケージの断面図 本発明の実施の形態２にかかる半導体パッケージの断面図

以下に、本発明の実施の形態にかかる半導体パッケージを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体パッケージ１００の断面図である。半導体パッケージ１００は、半導体４０を実装可能な半導体パッケージであって、半導体４０を保護するとともに、半導体４０が発する熱を放熱させる。半導体パッケージ１００は、ベース１０と、シールリング２０と、カバー３０とを備える。ベース１０は、接合材５０を介して半導体４０と接合する。また、ベース１０は、半導体４０が発する熱を伝熱し、半導体パッケージ１００の外部に半導体４０が発する熱を放熱させる。接合材５０には、銀フィラー入り導電性接着剤、またはＡｕＳｎはんだが用いられる。

シールリング２０は、半導体４０の周囲を囲うようにベース１０と接合する。カバー３０は、半導体４０の上部を覆うようにシールリング２０と接合する。シールリング２０およびカバー３０の素材には、鉄ニッケルコバルト合金が用いられる。

ベース１０は、第１の伝熱部１１と、第２の伝熱部１２と、基盤部１３とを有する。ベース１０は、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２を、基盤部１３にろう付けまたは圧入することで形成される。第１の伝熱部１１は、直方体の形状をしており、ベース１０を形成する面の一部である半導体接合面１１１で、接合材５０を介して半導体４０と接合する。半導体接合面１１１は、半導体４０よりも大きい矩形の形状をしている。第１の伝熱部１１は、ヒートスプレッダとしての役割を担う。なお、実施の形態１では、第１の伝熱部１１は、直方体としているが、直方体に限定されず、例えば、円板の形状であってもよい。また、実施の形態１では、半導体接合面１１１は、矩形としているが、矩形に限定されず、例えば、正方形の形状であってもよい。

第２の伝熱部１２は、円錐台の形状である。また、第２の伝熱部１２は、第１の伝熱部１１よりも体積が大きい。第２の伝熱部１２は、半導体４０の熱が第１の伝熱部１１から伝熱される。第２の伝熱部１２の底面である放熱面１２１は、ベース１０の外部に露出し、第１の伝熱部１１から伝えられる熱をベース１０の外部に放熱させる。第１の伝熱部１１の半導体接合面１１１の反対の面である下面１１２は、第２の伝熱部１２の放熱面１２１の反対の面である円錐台上面１２２と接合する。円錐台上面１２２は、下面１１２よりも面積が大きい。下面１１２が円錐台上面１２２と接合している面は、伝熱部接合面１５と呼ばれる。

基盤部１３には、直方体の第１の掘り込み１４１が設けられる。また、基盤部１３には、第１の掘り込み１４１の反対側に円錐台の第２の掘り込み１４２が設けられる。基盤部１３は、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２を覆うように、第１の掘り込み１４１および第２の掘り込み１４２で接合する。基盤部１３には、直方体の第１の掘り込み１４１および円錐台の第２の掘り込み１４２により基盤部１３の内部が貫通し、穴が形成される。第１の掘り込み１４１は、第１の伝熱部１１の形状に合わせた形状の掘り込みである。第２の掘り込み１４２は、第２の伝熱部１２の形状に合わせた形状の掘り込みである。第１の伝熱部１１は、第１の掘り込み１４１に挿入され、ろう付けまたは圧入により基盤部１３と接合される。具体的には、基盤部１３は、第１の伝熱部１１の半導体接合面１１１および下面１１２以外の面と接合する。なお、実施の形態１では、第１の掘り込み１４１は、直方体としているが、直方体に限定されず、例えば、円板の形状であってもよい。

第２の伝熱部１２は、第２の掘り込み１４２に挿入され、ろう付けまたは圧入により基盤部１３と接合される。具体的には、基盤部１３は、放熱面１２１および伝熱部接合面１５以外の面と接合する。第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２が基盤部１３に接合された後、ベース１０の上面となる基盤部上面１３１と半導体接合面１１１、およびベース１０の底面となる基盤部底面１３２と放熱面１２１は凹凸なく、平らになるように研磨される。

半導体４０で生じた熱は、半導体接合面１１１から放熱面１２１へ、ベース１０の内部を円錐台の形状となるように伝熱する。したがって、半導体接合面１１１から放熱面１２１へ向かうほど伝熱に寄与する領域は広くなる。この伝熱経路の形状に合わせ、第２の伝熱部１２の形状は円錐台となっている。

第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２には、基盤部１３よりも熱抵抗が小さい高熱伝導材料が用いられる。例えば、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２には、高熱伝導材料である、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属などの高い熱伝導率を有する金属が用いられる。ダイヤモンド含有金属は、半導体４０と熱膨張率が近い金属であり、例えば、Ａｇ−Ｄｉａｍｏｎｄ合金、Ｃｕ−Ｄｉａｍｏｎｄ合金、およびＡｌ−Ｄｉａｍｏｎｄ合金である。第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２に高熱伝導材料が用いられることで、半導体パッケージ１００の熱抵抗を小さくすることができる。また、高熱伝導材料である第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２が、伝熱経路上に設けられている。高熱伝導材料を放熱に寄与する部位に用いるため、第２の伝熱部１２の体積は、第１の伝熱部１１の体積よりも大きくなる。

なお、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２に用いられる高熱伝導材料は、それぞれ異なった金属が用いられてもよいし、同じ金属が用いられてもよい。基盤部１３には、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２よりも比重が小さくかつ安価な材料が用いられる。例えば、基盤部１３には、高熱伝導材料よりも軽量かつ安価な鉄ニッケルコバルト合金が用いられる。なお、鉄ニッケルコバルト合金は、高熱伝導材料よりも熱抵抗が大きい。

以上説明したように、本発明にかかる実施の形態１では、ベース１０は、第１の伝熱部１１と、第２の伝熱部１２と、基盤部１３とで構成される。第１の伝熱部１１は、接合材５０を介して半導体４０と接合する。基盤部１３は、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２と接合する。放熱面１２１は、ベース１０の外部に露出する。第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２には、基盤部１３よりも熱抵抗が小さい高熱伝導材料が用いられる。基盤部１３には、第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２よりも比重が小さく安価な材料が用いられる。

このため、ベース１０は、第１の伝熱部１１により半導体４０の熱を平面状に広く拡散させることができる。また、第１の伝熱部１１により平面状に拡散された熱は、円錐台の形状となるように熱が伝えられるため、第２の伝熱部１２が放熱に寄与する部位と同じ円錐台の形状であることによって、放熱に寄与しない部分に高熱伝導材料が用いられることを抑制することができる。また、ベース１０のうち半導体４０が発する熱の伝熱経路となる第１の伝熱部１１および第２の伝熱部１２には高熱伝導材料が用いられるため熱抵抗が小さい。このため、本発明の実施の形態１にかかる半導体パッケージ１００は、ベース全体が鉄ニッケルコバルト合金で構成される半導体パッケージに比べて、熱抵抗を小さくすることができる。

また、ベース１０のうち伝熱経路とならない部分である基盤部１３には、軽量かつ安価な鉄ニッケルコバルト合金が用いられる。このため、本発明の実施の形態１にかかる半導体パッケージ１００は、ベース全体が高熱伝導材料である半導体パッケージに比べて、重量が重くなることを抑制することができる。また、本発明の実施の形態１にかかる半導体パッケージ１００は、ベース全体が高熱伝導材料である半導体パッケージに比べて、コストの上昇を抑えることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる半導体パッケージ１００ａの断面図である。なお、実施の形態１と同一の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。半導体パッケージ１００ａは、ベース１０ａと、シールリング２０と、カバー３０とを備える。ベース１０ａは、第１の伝熱部１１ａと第２の伝熱部１２ａと基盤部１３ａとで構成される。

第１の伝熱部１１ａは直方体の形状である。第１の伝熱部１１ａは、接合材５０を介して半導体４０と、ベース１０ａを形成する面の一部である半導体接合面１１１ａで接合する。また、第１の伝熱部１１ａの半導体接合面１１１ａと反対の面である下面１１２ａは、基盤部１３ａと接合する。第２の伝熱部１２ａは、円錐台の形状である。第２の伝熱部１２ａの底面である放熱面１２１ａはベース１０ａの外部に露出し、第１の伝熱部１１ａからの熱をベース１０ａの外部に放熱させる。第２の伝熱部１２ａの放熱面１２１ａの反対の面である円錐台上面１２２ａは、基盤部１３ａと接合する。なお、実施の形態２では、第１の伝熱部１１ａは、直方体としているが、直方体に限定されず、例えば、円板の形状であってもよい。

基盤部１３ａには、直方体の形状の第１の掘り込み１４１ａが設けられる。また、基盤部１３ａには、第１の掘り込み１４１ａと反対側に円錐台の形状の第２の掘り込み１４２ａが設けられる。基盤部１３ａには、第１の掘り込み１４１ａおよび第２の掘り込み１４２ａによって、内部に貫通穴が形成されることはない。このため、第１の伝熱部１１ａと基盤部１３ａとの間、および第２の伝熱部１２ａと基盤部１３ａとの間に隙間がある場合でも、第１の伝熱部１１ａおよび第２の伝熱部１２ａが嵌め込まれる部分に貫通穴が形成されていないため、半導体４０が設けられた内部空間４００と、半導体パッケージ１００ａの外部の空間とが連通しない。したがって、内部空間４００の気密性を向上させることができる。

基盤部１３ａがベース１０ａに占める割合は、基盤部１３がベース１０に占める割合よりも大きい。このため、ベース１０ａは、ベース１０よりも重量が重くなることを抑制することができる。また、ベース１０ａは、ベース１０よりもコストが高くなることを抑制することができる。

第１の伝熱部１１ａは、第１の掘り込み１４１ａに、第２の伝熱部１２ａは、第２の掘り込み１４２ａにそれぞれ挿入され、挿入された後、基盤部１３ａと接合される。つまり、基盤部１３ａは、第１の伝熱部１１ａの半導体接合面１１１ａ以外の面と接合する。基盤部１３ａは、第２の伝熱部１２ａの放熱面１２１ａ以外の面と接合する。

第１の伝熱部１１ａおよび第２の伝熱部１２ａが基盤部１３ａと接合された後、ベース１０ａの面となる基盤部上面１３１ａと半導体接合面１１１ａとが構成する面、および基盤部底面１３２ａと放熱面１２１ａとが構成する面は凹凸なく、平らになるように研磨される。

半導体４０が発する熱は、接合材５０を介して第１の伝熱部１１ａに伝えられ、第１の伝熱部１１ａからの熱は、基盤部１３ａ、第２の伝熱部１２ａの順に伝わる。そして、第２の伝熱部１２ａの放熱面１２１ａがベース１０ａの外部に露出することにより半導体４０からの熱を放熱させる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２にかかる半導体パッケージ１００ａは、半導体パッケージ１００と同様の効果を奏することに加えて、基盤部１３ａのベース１０ａに占める割合が、基盤部１３のベース１０に占める割合よりも大きいため、半導体パッケージ１００よりも重量を軽くすることができる。また、半導体パッケージ１００ａは、半導体パッケージ１００よりもコストを低くすることができる。加えて、ベース１０ａは、第１の伝熱部１１ａおよび第２の伝熱部１２ａが互いに接合することなく、基盤部１３ａとそれぞれ接合されることで構成されるため、半導体パッケージ１００ａは、半導体パッケージ１００に比べて半導体４０が設けられる内部空間４００の気密性を向上させることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０，１０ａ ベース、１１，１１ａ 第１の伝熱部、１２，１２ａ 第２の伝熱部、１３，１３ａ 基盤部、１５ 伝熱部接合面、２０ シールリング、３０ カバー、４０ 半導体、５０ 接合材、１００，１００ａ 半導体パッケージ、１１１，１１１ａ 半導体接合面、１１２，１１２ａ 下面、１２１，１２１ａ 放熱面、１２２，１２２ａ 円錐台上面、１３１，１３１ａ 基盤部上面、１３２，１３２ａ 基盤部底面、１４１，１４１ａ 第１の掘り込み、１４２，１４２ａ 第２の掘り込み、４００ 内部空間。

Claims (4)

1. 半導体を実装可能な半導体パッケージであって、
   前記半導体が接合される半導体接合面を有する第１の伝熱部と、
   円錐台の形状であり前記半導体の熱が前記第１の伝熱部から伝熱される第２の伝熱部と、
   前記第１の伝熱部および前記第２の伝熱部を覆う基盤部と、
   を備え、
   前記第２の伝熱部の底面は、前記半導体の熱を放熱させる放熱面であり、
   前記第１の伝熱部の材料は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属のいずれか１つであり、
   前記第２の伝熱部の材料は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ダイヤモンド含有金属のいずれか１つであり、
   前記基盤部の材料は、
   鉄ニッケルコバルト合金であることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記第２の伝熱部の体積は、前記第１の伝熱部の体積よりも大きい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. 前記第１の伝熱部の面であって、前記半導体接合面の反対の面である下面は、
   前記第２の伝熱部の面であって、前記放熱面の反対の面である円錐台上面と接合することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パッケージ。
4. 前記第１の伝熱部の面であって、前記半導体接合面の反対の面である下面は、
   前記基盤部と接合し、
   前記第２の伝熱部の面であって、前記放熱面と反対の面である円錐台上面は、
   前記基盤部と接合することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パッケージ。

Images