JP2023077604A - package - Google Patents

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直哉 白井
Naoya Shirai
芳和 三原
Yoshikazu Mihara
明義 小阪田
Akiyoshi Kosakata
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NGK Insulators Ltd
NGK Electronics Devices Inc
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NGK Electronics Devices Inc
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Abstract

To provide a package which can reduce thermal stress concentration in the package under temperature changes when manufacturing or using the package.SOLUTION: A package 51 has a cavity CV to be sealed with a lid body 80. The package 51 includes: a heat sink 10 made of a first metallic material which has, in a temperature range from 25 to 200°C, a first linear expansion coefficient; and a frame body 20 which is provided on the heat sink 10 and surrounds the cavity CV in plan view. The frame body 20 includes: a ceramic part 21 made of a ceramic material which has a second linear expansion coefficient lower than the first linear expansion coefficient in the temperature range; and a buffer part 22 which is disposed between the ceramic part 21 and the heat sink 10, and which is made of a buffer material having a third linear expansion coefficient lower than the first linear expansion coefficient but higher than the second linear expansion coefficient in the temperature range.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、パッケージに関し、特に、蓋体によって封止されることになるキャビティを有するパッケージに関するものである。 The present invention relates to packages, and more particularly to packages having a cavity to be sealed by a lid.

電力用半導体素子などの電子部品を収納するために、キャビティを有するパッケージがしばしば用いられる。パッケージのキャビティ中へ電子部品が搭載された後、パッケージに蓋体が接合されることによって、キャビティが気密に封止される。これにより、外部環境から保護された電子部品を有する電子装置が得られる。ヒートシンクの底面(電子部品が搭載された面と反対の面)は、通常、それを支持する支持部材へ取り付けられることになる。支持部材は、例えば、実装ボードまたは放熱部材である。支持部材は、ヒートシンクの底面へ熱的に接触させられる。ヒートシンクを介することによって電子部品からの熱が効率的にパッケージの外部へ(典型的には支持部材へ)と排出される。これにより、電子部品の温度上昇が、例えば150℃程度までに抑えられる。一方で、電子装置が置かれた外部環境によっては、パッケージの温度は氷点下温度にまで低下する。よって電子装置は、これら温度差に起因したヒートサイクルに耐える必要がある。 Packages having cavities are often used to house electronic components such as power semiconductor devices. After the electronic component is mounted in the cavity of the package, the cavity is hermetically sealed by bonding the lid to the package. This provides an electronic device having electronic components protected from the external environment. The bottom surface of the heat sink (the surface opposite to the surface on which the electronic components are mounted) is usually attached to a supporting member that supports it. The support member is, for example, a mounting board or a heat dissipation member. The support member is brought into thermal contact with the bottom surface of the heat sink. Through the heat sink, heat from the electronic component is efficiently discharged to the outside of the package (typically to the support member). Thereby, the temperature rise of the electronic component is suppressed to about 150° C., for example. On the other hand, depending on the external environment in which the electronic device is placed, the temperature of the package may drop below freezing. Therefore, electronic devices must withstand heat cycles caused by these temperature differences.

特開2003-282751号公報(特許文献1)に開示された技術によれば、ヒートシンクとしてCuまたはCu系金属板が用いられる。Cuは、安価でありながら、300W/m・Kを超える高い熱伝導率を有している。よって、ヒートシンクの材料コストを抑えつつ、ヒートシンクの放熱性能を高めることができる。この技術によれば、まず、ヒートシンク上に半導体素子が、ろう付けによって実装される。次に、予め外部接続端子が接合されている枠体がヒートシンク上に、半導体素子を囲むように接合される。この接合に低融点接合材を用いることによって、半導体素子のろう付け温度未満の温度で枠体が接合される。次に、枠体の上面側に蓋体が接合されることによって、キャビティが封止される。これにより電子装置が得られる。 According to the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-282751 (Patent Document 1), a Cu or Cu-based metal plate is used as a heat sink. Cu is inexpensive and has a high thermal conductivity exceeding 300 W/m·K. Therefore, the heat dissipation performance of the heat sink can be improved while suppressing the material cost of the heat sink. According to this technique, first, a semiconductor element is mounted on a heat sink by brazing. Next, a frame to which external connection terminals are bonded in advance is bonded onto the heat sink so as to surround the semiconductor element. By using a low-melting-point bonding material for this bonding, the frame is bonded at a temperature lower than the brazing temperature of the semiconductor element. Next, the cavity is sealed by joining a cover to the upper surface of the frame. An electronic device is thus obtained.

特開2005-243819号公報(特許文献2)によれば、ヒートシンクにCPC(登録商標)が広く用いられていることが開示されている。CPCは、Cu-Mo合金層と、その上下に設けられたCu層と、を有する複合金属板(複合材料)である。CPCの線膨張係数は、Cuの線膨張係数に比して低い。よって、ヒートシンク材料として、Cuに代わってCPCを用いることによって、ヒートシンクの線膨張係数をセラミックの線膨張係数に近づけることができる。 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-243819 (Patent Document 2) discloses that CPC (registered trademark) is widely used for heat sinks. CPC is a composite metal plate (composite material) having a Cu—Mo alloy layer and Cu layers provided above and below it. The coefficient of linear expansion of CPC is lower than that of Cu. Therefore, by using CPC instead of Cu as a heat sink material, the coefficient of linear expansion of the heat sink can be made close to that of ceramic.

特開2015-204426号公報(特許文献3)は、電子部品収納用パッケージを開示している。パッケージは、電子部品から発生する熱を放散させるためのヒートシンク板と、ヒートシンク板にろう付け接合された額縁状のセラミック枠体とを有している。セラミック枠体は上層シートと下層シートとの接合体からなり、額縁状である。セラミック枠体は、内周側において、下層シートが上層シートよりも後退していることによって段差部を有している。上面視で、ヒートシンク板の上面は、上層シートの内周よりも内側へは、ろう付け接合におけるろう流れを有していない。ヒートシンク板は、セラミックと熱膨張係数が近似する材料からなる。 Japanese Patent Laying-Open No. 2015-204426 (Patent Document 3) discloses an electronic component storage package. The package has a heat sink plate for dissipating heat generated from the electronic component, and a frame-shaped ceramic frame brazed to the heat sink plate. The ceramic frame is composed of a joined body of an upper layer sheet and a lower layer sheet, and has a frame shape. The ceramic frame has a step portion on the inner peripheral side due to the lower layer sheet retreating from the upper layer sheet. When viewed from above, the upper surface of the heat sink plate does not have solder flow in the brazing joint inward from the inner circumference of the upper layer sheet. The heat sink plate is made of a material with a coefficient of thermal expansion similar to that of ceramics.

韓国特許第10-1175613号明細書(特許文献4)は、作動時に熱を放出する素子が実装されるパッケージを開示している。パッケージは、第1ベースと、第1ベースに接合され枠型に形成された第2ベースと、第2ベースに接合された絶縁体と、絶縁体に接合されたリードフレームと、を含む。第1ベースおよび第2ベースは金属材料からなってよく、第2ベースの線膨張係数は第1ベースの線膨張係数よりも小さくてよい。第1ベースの金属材料は、銅(Cu)またはCu合金であってよく、第2ベースの金属材料は、コバール(登録商標)、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)合金、モリブデン(Mo)、Mo合金、タングステン(W)およびW合金のうちいずれか1つまたはその合金であってよい。第1ベースと第2ベースとは、レーザ溶接またはシーム溶接によって接合されていてよい。絶縁体は、セラミック材料からなっていてよく、第2ベースに、ろう付けによって接合されていてよい。 Korean Patent No. 10-1175613 (Patent Document 4) discloses a package in which an element that emits heat during operation is mounted. The package includes a first base, a second base bonded to the first base and formed in a frame shape, an insulator bonded to the second base, and a lead frame bonded to the insulator. The first base and the second base may be made of metal material, and the coefficient of linear expansion of the second base may be smaller than the coefficient of linear expansion of the first base. The first base metal material can be copper (Cu) or a Cu alloy, and the second base metal material is Kovar, iron (Fe)-nickel (Ni) alloy, molybdenum (Mo), Any one of Mo alloy, tungsten (W) and W alloy, or an alloy thereof may be used. The first base and the second base may be joined by laser welding or seam welding. The insulator may be made of a ceramic material and may be joined to the second base by brazing.

特開2003-282751号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-282751 特開2005-243819号公報JP 2005-243819 A 特開2015-204426号公報JP 2015-204426 A 韓国特許第10-1175613号明細書Korean Patent No. 10-1175613

ヒートシンクの熱伝導率向上またはコスト低減を十分に実現しようとすると、ヒートシンクの熱膨張係数をセラミックの熱膨張係数に十分に整合させることが困難となりやすい。熱膨張係数の差異が大きいと、パッケージの製造時または使用時の温度変化下で、パッケージにおいて熱応力集中が問題となりやすい。 When trying to sufficiently improve the thermal conductivity of the heatsink or reduce the cost, it tends to be difficult to sufficiently match the thermal expansion coefficient of the heatsink to that of the ceramic. Large differences in coefficients of thermal expansion tend to cause problems of thermal stress concentration in the package under temperature changes during manufacture or use of the package.

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パッケージの製造時または使用時の温度変化下でのパッケージの熱応力集中を低減することができるパッケージを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and its object is to provide a package that can reduce the concentration of thermal stress in the package under temperature changes during manufacture or use of the package. It is to be.

一実施の形態のパッケージは、蓋体によって封止されることになるキャビティを有している。パッケージは、25℃と200℃との間の温度範囲において第1の線膨張係数を有する第1の金属材料からなるヒートシンクと、ヒートシンク上に設けられ、平面視においてキャビティを囲む枠体と、を含む。枠体は、上記温度範囲において第1の線膨張係数よりも小さい第2の線膨張係数を有するセラミック材料からなるセラミック部と、セラミック部とヒートシンクとの間に配置され、上記温度範囲において第1の線膨張係数よりも小さく第2の線膨張係数よりも大きい第3の線膨張係数を有する緩衝材料からなる緩衝部と、を含む。 The package of one embodiment has a cavity to be sealed by a lid. The package includes a heat sink made of a first metal material having a first linear expansion coefficient in a temperature range between 25° C. and 200° C., and a frame provided on the heat sink and surrounding the cavity in plan view. include. The frame body is disposed between the ceramic part made of a ceramic material having a second coefficient of linear expansion smaller than the first coefficient of linear expansion in the above temperature range and the ceramic part and the heat sink, and is arranged between the ceramic part and the heat sink. and a cushioning portion made of a cushioning material having a third coefficient of linear expansion smaller than the coefficient of linear expansion of and larger than the second coefficient of linear expansion.

一実施の形態のパッケージによれば、緩衝部が有する第3の線膨張係数が、ヒートシンクが有する第1の線膨張係数より小さく、セラミック部が有する第2の線膨張係数よりも大きい。これにより、ヒートシンクとセラミック部との間の熱膨張差が、緩衝部によって緩衝される。よって、パッケージの製造時または使用時の温度変化下でのパッケージの熱応力集中を低減することができる。 According to the package of one embodiment, the third linear expansion coefficient of the buffer portion is smaller than the first linear expansion coefficient of the heat sink and larger than the second linear expansion coefficient of the ceramic portion. Thereby, the thermal expansion difference between the heat sink and the ceramic portion is buffered by the buffer portion. Therefore, it is possible to reduce the concentration of thermal stress in the package under temperature changes during manufacture or use of the package.

緩衝材料は、第1の金属材料と異なる第2の金属材料を含んでよい。その場合、緩衝材料が何ら金属材料を含まない場合に比して、熱応力下での緩衝部の脆性破壊を防止することができる。 The buffer material may comprise a second metallic material different from the first metallic material. In that case, brittle fracture of the buffer portion under thermal stress can be prevented compared to the case where the buffer material does not contain any metal material.

緩衝材料はステンレス鋼を含んでよい。その場合、緩衝材料が何ら金属材料を含まない場合に比して、熱応力下での緩衝部の脆性破壊を防止することができる。ステンレス鋼が用いられる場合、その組成制御によって、緩衝材料が有する第3の線膨張係数を、ヒートシンクが有する第1の線膨張係数よりも小さく、かつセラミック部が有する第2の線膨張係数よりも大きい値へ、容易に調整することができる。ステンレス鋼はクロム原子を、11.5質量パーセント以上、18質量パーセント以下で含有していてよい。その場合、緩衝材料が有する第3の線膨張係数を約11ppm/℃とし得る。これにより、セラミック部をなすセラミック材料の第2の線膨張係数が緩衝材料の第3の線膨張係数よりも小さいという条件を満たしつつも、セラミック材料の第2の線膨張係数が11ppm/℃に近い大きな値であることが許容される。より大きな第2の線膨張係数を有するセラミック材料を選択することによって、当該セラミック材料からなるセラミック部と、ヒートシンクとの間の熱膨張差を抑制することができる。 The cushioning material may include stainless steel. In that case, brittle fracture of the buffer portion under thermal stress can be prevented compared to the case where the buffer material does not contain any metal material. When stainless steel is used, the composition control makes the third coefficient of linear expansion of the buffer material smaller than the first coefficient of linear expansion of the heat sink and larger than the second coefficient of linear expansion of the ceramic part. It can be easily adjusted to larger values. The stainless steel may contain 11.5% or more and 18% or less by weight of chromium atoms. In that case, the buffer material may have a third coefficient of linear expansion of about 11 ppm/°C. As a result, while satisfying the condition that the second linear expansion coefficient of the ceramic material forming the ceramic portion is smaller than the third linear expansion coefficient of the buffer material, the second linear expansion coefficient of the ceramic material is 11 ppm/°C. Large values close to each other are allowed. By selecting a ceramic material having a larger second coefficient of linear expansion, it is possible to suppress the difference in thermal expansion between the ceramic portion made of the ceramic material and the heat sink.

セラミック材料の第2の線膨張係数は9ppm/K以上であってよい。その場合、当該セラミック材料からなるセラミック部と、比較的高い第1の線膨張係数を有するヒートシンクとの間の熱膨張差を抑制することができる。 The second coefficient of linear expansion of the ceramic material may be 9 ppm/K or greater. In that case, the difference in thermal expansion between the ceramic portion made of the ceramic material and the heat sink having a relatively high first linear expansion coefficient can be suppressed.

セラミック材料はジルコニアを含んでよい。その場合、セラミック材料が有する第2の線膨張係数を9ppm/K以上にすることができる。これにより、当該セラミック材料からなるセラミック部と、ヒートシンクとの間の熱膨張差を抑制することができる。 The ceramic material may include zirconia. In that case, the second linear expansion coefficient of the ceramic material can be 9 ppm/K or more. Thereby, the difference in thermal expansion between the ceramic portion made of the ceramic material and the heat sink can be suppressed.

第1の金属材料は、300W/m・Kより大きな熱伝導率を有していてよい。その場合、第1の金属材料からなるヒートシンクの放熱性能を高めることができる。 The first metallic material may have a thermal conductivity greater than 300 W/m·K. In that case, the heat dissipation performance of the heat sink made of the first metal material can be enhanced.

第1の金属材料は、純度95.0重量パーセント以上で銅を含有していてよい。その場合、約300W/m・Kより大きな熱伝導率を得ることができる。これにより、第1の金属材料からなるヒートシンクの放熱性能を高めることができる。 The first metal material may contain copper with a purity of 95.0 weight percent or higher. In that case, thermal conductivities greater than about 300 W/m·K can be obtained. Thereby, the heat dissipation performance of the heat sink made of the first metal material can be enhanced.

第1の金属材料は非複合材料であってよい。その場合、第1の金属材料が有する第1の線膨張係数を複合材料の材料設計によって抑制することができない。その結果としてヒートシンクとセラミック部との間の熱膨張差が大きくなりやすいところ、そのような場合であっても、前述した理由によって、パッケージの製造時または使用時の温度変化下での、パッケージにおける応力集中を、低減することができる。 The first metallic material may be a non-composite material. In that case, the first linear expansion coefficient of the first metal material cannot be suppressed by the material design of the composite material. As a result, the difference in thermal expansion between the heat sink and the ceramic portion tends to increase. Stress concentrations can be reduced.

緩衝部はヒートシンクおよびセラミック部の各々へ接合材を用いて接合されていてよい。この接合工程は、通常、加熱およびその後の冷却を必要とするところ、その際の熱応力集中を、前述した理由で低減することができる。接合材は樹脂またはナノ金属粒子を含んでいてよい。その場合、接合材が典型的なろう材である場合に比して、接合工程に要する最高温度が低くなる。これにより、接合工程において生じる熱応力を低減することができる。 The buffer section may be bonded to each of the heat sink and the ceramic section using a bonding material. This bonding process normally requires heating and subsequent cooling, and the thermal stress concentration at that time can be reduced for the reasons described above. The bonding material may contain resin or nano metal particles. In that case, the maximum temperature required for the joining process is lower than when the joining material is a typical brazing material. Thereby, the thermal stress generated in the bonding process can be reduced.

セラミック部は、ヒートシンクの方に面するセラミック面を有しており、セラミック面は、キャビティを囲む内縁を有しており、内縁は屈曲部分を含む。屈曲部分は、平面視において、緩衝部から外れていてよい。その場合、屈曲部分への熱応力集中を抑制することができる。セラミック部のセラミック面は、内縁を囲む外縁を有している。外縁の少なくとも一部は、平面視において、緩衝部に重なり合っていてよい。その場合、セラミック面の内縁の屈曲部分が平面視において緩衝部から外れるように緩衝部を設計しつつも、緩衝部の剛性を十分に確保しやすくなる。 The ceramic part has a ceramic face facing toward the heat sink, the ceramic face having an inner edge surrounding the cavity, the inner edge including a bent portion. The bent portion may be separated from the cushioning portion in plan view. In that case, thermal stress concentration on the bent portion can be suppressed. The ceramic face of the ceramic portion has an outer edge that surrounds the inner edge. At least part of the outer edge may overlap the cushioning portion in plan view. In this case, it is easy to sufficiently secure the rigidity of the cushioning portion while designing the cushioning portion so that the bent portion of the inner edge of the ceramic surface is deviated from the cushioning portion in a plan view.

この発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 Objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent with the following detailed description and accompanying drawings.

実施の形態1に係る電子装置の構成を、キャビティ内部が見えるようにその一部の図示を省略して示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing the configuration of an electronic device according to Embodiment 1, partly omitted so that the inside of a cavity can be seen; FIG. 図1の電子装置の線II-IIに沿う概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view along line II-II of the electronic device of FIG. 1; FIG. 図2の電子装置の部品としてのパッケージの構成を示す概略断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package as a component of the electronic device of FIG. 2; FIG. 銅(Cu)とアルミナ(Al)と複合材料(CPC)との各々の熱膨張係数(CTE)の温度依存性を例示するグラフ図である。FIG. 2 is a graph illustrating temperature dependence of coefficient of thermal expansion (CTE) of copper (Cu), alumina (Al 2 O 3 ), and composite material (CPC). パッケージの製造における接合工程に起因した熱応力のシミュレーション条件に用いられる構成の寸法を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing the dimensions of the structure used for the simulation conditions of thermal stress due to the bonding process in the manufacture of the package; パッケージの製造における接合工程に起因した枠体のセラミック部の熱応力の最大値のシミュレーション結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing simulation results of the maximum value of thermal stress in the ceramic portion of the frame due to the bonding process in the manufacture of the package; 図6のシミュレーション結果における、枠体のセラミック部の熱応力の分布の傾向を示すグラフ図である。7 is a graph showing the tendency of thermal stress distribution in the ceramic portion of the frame in the simulation results of FIG. 6. FIG. 実施の形態2に係るパッケージの構成を示す概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package according to Embodiment 2; FIG.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお本明細書において、金属は、特段の記載がない限り、純金属および合金のいずれをも意味し得る。また平面視は、厚み方向に垂直な平面への射影を意味する。熱膨張係数(CTE)は、特段の記載がない限り、線膨張係数によって表される。無視できない異方性を線膨張係数が有する場合は、面内方向における線膨張係数が採用される。面内方向は、厚み方向に垂直な方向である。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below based on the drawings. In this specification, metal can mean either a pure metal or an alloy unless otherwise specified. Planar view means projection onto a plane perpendicular to the thickness direction. The coefficient of thermal expansion (CTE) is represented by the coefficient of linear expansion unless otherwise specified. If the coefficient of linear expansion has non-negligible anisotropy, the coefficient of linear expansion in the in-plane direction is adopted. The in-plane direction is the direction perpendicular to the thickness direction.

<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る電子装置90の構成を示す概略斜視図である。図2は、図1の電子装置90の線II-IIに沿う概略断面図である。電子装置90は、パッケージ51と、蓋体80と、電子部品8とを有している。また電子装置90は接着層70を有していてよい。また電子装置90は、ワイヤ9(配線部材)を有していてよい。なお図1においては、パッケージ51が有するキャビティCVの内部が部分的に見えるように、蓋体80および接着層70の図示が部分的に省略されている。電子部品8はパワー半導体素子であってよく、この場合、電子装置90はパワーモジュールである。パワー半導体素子は高周波(RF:Radio Frequency)用であってよく、この場合、電子装置90はRFパワーモジュールである。なお、図1および図2においては1つの電子部品8が図示されているが、パッケージ51へは複数の電子部品8が搭載されていてよい。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of an electronic device 90 according to Embodiment 1. FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of electronic device 90 of FIG. 1 along line II-II. The electronic device 90 has a package 51 , a lid 80 and electronic components 8 . The electronic device 90 may also have an adhesive layer 70 . Further, the electronic device 90 may have wires 9 (wiring members). In FIG. 1, the illustration of the lid 80 and the adhesive layer 70 is partially omitted so that the inside of the cavity CV of the package 51 can be partially seen. The electronic component 8 may be a power semiconductor element, in which case the electronic device 90 is a power module. The power semiconductor device may be for radio frequency (RF) applications, in which case the electronic device 90 is an RF power module. Although one electronic component 8 is illustrated in FIGS. 1 and 2 , a plurality of electronic components 8 may be mounted on the package 51 .

図3は、電子装置90(図2)の部品としてのパッケージ51の構成を示す概略断面図である。電子装置90の製造のためにパッケージ51が準備された時点では、図3に示されているように、電子部品8は未だ実装されていない。パッケージ51は、蓋体80によって封止されることになるキャビティCVを有している。パッケージ51は、ヒートシンク10と、枠体20と、リードフレーム30(金属端子)とを含む。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the package 51 as a component of the electronic device 90 (FIG. 2). When the package 51 is prepared for manufacturing the electronic device 90, the electronic components 8 are not yet mounted as shown in FIG. The package 51 has a cavity CV to be sealed by the lid 80 . The package 51 includes a heat sink 10, a frame 20, and lead frames 30 (metal terminals).

ヒートシンク10は、底面BTと、厚み方向において底面BTと反対の実装面MTと、を有している。ヒートシンク10は第1の金属材料(以下において、ヒートシンク材料とも称する)からなる。ヒートシンク材料は、25℃と200℃との間の温度範囲において第1の線膨張係数(以下において、CTEとも称する)を有する。言い換えれば、ヒートシンク10が、25℃のときに寸法L25を有し、200℃のときに寸法L200を有する場合、CTEは、
CTE={(L200-L25)/(200-25)}/L25
によって定義される。他の部材に関連して後述されるCTEおよびCTEの定義も、これと同様である。
The heat sink 10 has a bottom surface BT and a mounting surface MT opposite to the bottom surface BT in the thickness direction. The heat sink 10 is made of a first metal material (hereinafter also referred to as heat sink material). The heat sink material has a first coefficient of linear expansion (hereinafter also referred to as CTE 1 ) in the temperature range between 25°C and 200°C. In other words, if heat sink 10 has dimension L 25 at 25° C. and dimension L 200 at 200° C., CTE 1 is:
CTE 1 = {(L 200 −L 25 )/(200−25)}/L 25
defined by The definitions of CTE 2 and CTE 3 described below with respect to other members are similar.

ヒートシンク材料は、ヒートシンク10の放熱性能を高める観点では、大きな熱伝導率を有していることが好ましく、具体的には、300W/m・Kより大きな熱伝導率を有していることが好ましい。このように高い熱伝導率は、ヒートシンク材料が高比率でCuを含有することによって容易に得られる。熱伝導率を高める観点では、ヒートシンク材料はCuを、好ましくは純度95.0重量パーセント(wt%)以上で含有し、より好ましくは純度99.8wt%以上で含有する。ヒートシンク材料は、非複合材料であってよい。非複合材料は、純金属材料または合金材料であり、CPCが有するような積層構造を有していない。 The heat sink material preferably has a large thermal conductivity from the viewpoint of improving the heat dissipation performance of the heat sink 10, and specifically, preferably has a thermal conductivity of 300 W/m·K or more. . Such high thermal conductivity is easily obtained by including a high proportion of Cu in the heat sink material. From the viewpoint of increasing thermal conductivity, the heat sink material preferably contains Cu with a purity of 95.0 weight percent (wt%) or higher, more preferably with a purity of 99.8 wt% or higher. The heat sink material may be non-composite. A non-composite material is a pure metallic or alloy material that does not have a layered structure like that of CPC.

枠体20は、ヒートシンク10の実装面MTの外周部上に設けられており、平面視においてキャビティCVを囲んでいる。枠体20の外縁は、図1に示されているように矩形形状を有していてよく、その各辺の大きさは、例えば、10mm以上、40mm以下である。枠体20の厚みは、例えば、0.25mm以上、1.25mm以下である。枠体20の厚みが0.25mm未満であると、キャビティCVの高さが不足する可能性が高い。枠体20の厚みが1.25mmより大きいと、枠体20上のリードフレーム30への接続が必要なワイヤ9(図2)の長さも大きくなり、その結果、ワイヤ9のインダクタンスも大きくなる。ワイヤ9のインダクタンスの増大は、電気特性上、通常は望まれないことである。 The frame 20 is provided on the outer periphery of the mounting surface MT of the heat sink 10 and surrounds the cavity CV in plan view. The outer edge of the frame 20 may have a rectangular shape as shown in FIG. 1, and the size of each side is, for example, 10 mm or more and 40 mm or less. The thickness of the frame 20 is, for example, 0.25 mm or more and 1.25 mm or less. If the thickness of the frame 20 is less than 0.25 mm, the height of the cavity CV is likely to be insufficient. If the thickness of the frame 20 is greater than 1.25 mm, the length of the wire 9 (FIG. 2) that needs to be connected to the lead frame 30 on the frame 20 will also increase, resulting in an increase in the inductance of the wire 9 as well. An increase in the inductance of the wire 9 is usually undesirable due to its electrical properties.

枠体20は、セラミック部21と、緩衝部22とを含む。緩衝部22は、セラミック部21とヒートシンク10との間に配置されている。言い換えれば、緩衝部22を介してセラミック部21がヒートシンク10上に配置されている。緩衝部22はヒートシンク10およびセラミック部21の各々へ接合材(図示せず)を用いて接合されていてよい。接合材は、樹脂を含んでいてよく、具体的には、熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂)とAg粒子との混合物であってよい。あるいは、接合材は、低温焼結材料であってよく、具体的には、Ag粒子およびCu粒子の少なくともいずれかを含む焼結材料であってよい。これら粒子はナノ金属粒子であってよい。ナノ金属粒子は、100nm以下の直径を有する金属粒子である。接合材の厚み(図3における縦方向の寸法)は、セラミック部21、緩衝部22およびヒートシンク10の各々の厚みよりも十分に小さくてよく、その場合、パッケージ51の熱応力の検討において接合材の影響は実質的に無視することができる。接合材の厚みは、例えば、0.01mm以上、0.2mm以下である。 Frame 20 includes ceramic portion 21 and buffer portion 22 . The buffer portion 22 is arranged between the ceramic portion 21 and the heat sink 10 . In other words, the ceramic portion 21 is arranged on the heat sink 10 with the buffer portion 22 interposed therebetween. The buffer portion 22 may be bonded to each of the heat sink 10 and the ceramic portion 21 using a bonding material (not shown). The bonding material may contain resin, and specifically may be a mixture of thermosetting resin (for example, epoxy resin or silicon resin) and Ag particles. Alternatively, the bonding material may be a low-temperature sintering material, specifically a sintering material containing at least one of Ag particles and Cu particles. These particles may be nano metal particles. Nano metal particles are metal particles with a diameter of 100 nm or less. The thickness of the bonding material (the vertical dimension in FIG. 3) may be sufficiently smaller than the thickness of each of the ceramic portion 21, the buffer portion 22 and the heat sink 10. can be practically ignored. The thickness of the bonding material is, for example, 0.01 mm or more and 0.2 mm or less.

セラミック部21は、CTEよりも小さいCTE(第2の線膨張係数)を有するセラミック材料からなる。CTEは、9ppm/K以上であることが好ましい。セラミック材料は、ジルコニア(ZrO)を含んでいてよく、実質的にジルコニアであってよい。セラミック部21の厚みは、0.2mm以上、1.0mm以下であってよい。厚みが0.2mm以上であることによって、セラミック部21を、グリーンシートの焼成によって容易に形成することができる。 The ceramic portion 21 is made of a ceramic material having a CTE 2 (second coefficient of linear expansion) smaller than CTE 1 . CTE 2 is preferably greater than or equal to 9 ppm/K. The ceramic material may comprise zirconia ( ZrO2 ) and may be substantially zirconia. The thickness of the ceramic portion 21 may be 0.2 mm or more and 1.0 mm or less. When the thickness is 0.2 mm or more, the ceramic portion 21 can be easily formed by firing the green sheet.

緩衝部22は、CTEよりも小さくCTEよりも大きいCTE(第3の線膨張係数)を有する緩衝材料からなる。緩衝材料は、前述した第1の金属材料と異なる第2の金属材料を含むことが好ましく、実質的に第2の金属材料であってよい。第2の金属材料は、ステンレス鋼であることが好ましく、Fe-Cr(クロム)合金であることが、より好ましい。Fe-Cr合金は、主成分としてFe原子を含有しており、かつ11.5wt%以上、18wt%以下のCr原子を含有していることが好ましい。Fe-Cr合金は、さらに他の微量元素を含んでいてよいが、その総量は、通常、3wt%未満である。このような組成を有するFe-Cr合金としては、一般に、18Crステンレス(例えば、SUS430と称される材料)および13Crステンレス(例えば、SUS410またはSUS403と称される材料)が広く用いられている。SUS430のCr原子の含有量は、16wt%以上18wt%以下である。SUS410およびSUS403のCr原子の含有量は、11.5wt%以上13wt%以下である。これら3つの例のうちでは、SUS430が、通常、最も安価な材料である。緩衝部22の厚みは、0.05mm以上、0.5mm以下であってよい。厚みが0.05mm以上であることによって、緩衝部22による効果を、より十分に得ることができる。 The buffer portion 22 is made of a buffer material having a CTE 3 (third coefficient of linear expansion) smaller than CTE 1 and larger than CTE 2 . The buffer material preferably comprises a second metallic material different from the first metallic material described above, and may be substantially the second metallic material. The second metal material is preferably stainless steel, more preferably an Fe--Cr (chromium) alloy. The Fe—Cr alloy preferably contains Fe atoms as a main component and contains Cr atoms in an amount of 11.5 wt % or more and 18 wt % or less. The Fe--Cr alloy may also contain other trace elements, but the total amount is usually less than 3 wt%. Generally, 18Cr stainless steel (for example, a material called SUS430) and 13Cr stainless steel (for example, a material called SUS410 or SUS403) are widely used as Fe—Cr alloys having such a composition. The content of Cr atoms in SUS430 is 16 wt % or more and 18 wt % or less. The content of Cr atoms in SUS410 and SUS403 is 11.5 wt % or more and 13 wt % or less. Of these three examples, SUS430 is usually the cheapest material. The thickness of the buffer portion 22 may be 0.05 mm or more and 0.5 mm or less. When the thickness is 0.05 mm or more, the effect of the buffer portion 22 can be obtained more sufficiently.

リードフレーム30は、キャビティCVの内部と外部とをつなぐ電気的経路を構成している。リードフレーム30の材料は、例えば、Fe-Ni合金、Cu、またはCu合金である。Fe-Ni合金は、例えば、42アロイである。42アロイは、主成分としてFe原子を含有しており、かつ約42wt%のNi原子を含有している。リードフレーム30は枠体20のセラミック部21上に設けられている。リードフレーム30とセラミック部21との間には両者を互いに接合するための接合材(図示せず)が設けられていてよい。この接合材は、前述した接合材と同様の材料からなっていてよい。 The lead frame 30 constitutes an electrical path connecting the inside and outside of the cavity CV. The material of the lead frame 30 is, for example, Fe—Ni alloy, Cu, or Cu alloy. An Fe—Ni alloy is, for example, 42 alloy. 42 alloy contains Fe atoms as the main component and about 42 wt % Ni atoms. The lead frame 30 is provided on the ceramic portion 21 of the frame 20 . A bonding material (not shown) may be provided between the lead frame 30 and the ceramic portion 21 to bond them together. This bonding material may be made of the same material as the bonding material described above.

セラミック部21は、ヒートシンク10の方に面するセラミック面SC(図3)を有している。セラミック面SCは、キャビティCVを囲む内縁PIと、内縁を囲む外縁PEとを有している。内縁PIは屈曲部分BDを含む。屈曲部分BDは、矩形形状が有する4つの角部であってよい。本実施の形態においては、平面視において、セラミック部21と、緩衝部22とが、互いに実質的に重なり合っていてよい。言い換えれば、セラミック面SCの内縁PIおよび外縁PEのそれぞれが、緩衝部22の上面(セラミック面SCに面する面)の内縁および外縁と実質的に一致していてよい。 The ceramic part 21 has a ceramic surface SC (FIG. 3) facing towards the heat sink 10 . The ceramic surface SC has an inner edge PI surrounding the cavity CV and an outer edge PE surrounding the inner edge. The inner edge PI includes a bent portion BD. The bent portion BD may be the four corners of the rectangular shape. In the present embodiment, the ceramic portion 21 and the buffer portion 22 may substantially overlap each other in plan view. In other words, each of inner edge PI and outer edge PE of ceramic surface SC may substantially match the inner edge and outer edge of the upper surface of buffer portion 22 (the surface facing ceramic surface SC).

次に、電子装置90の製造方法の例について、以下に説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the electronic device 90 will be described below.

パッケージ51(図3)が準備される。パッケージ51のヒートシンク10の実装面MT上に電子部品8が搭載される。この搭載は、はんだ付けによって行われてよい。言い換えれば、電子部品8の搭載のための実装材として、はんだ材が用いられてよい。次に、電子部品8がリードフレーム30に、ワイヤ9によって電気的に接続される。ワイヤ9はワイヤボンディングによって形成されてよい。 A package 51 (FIG. 3) is provided. An electronic component 8 is mounted on the mounting surface MT of the heat sink 10 of the package 51 . This mounting may be done by soldering. In other words, a solder material may be used as the mounting material for mounting the electronic component 8 . Electronic component 8 is then electrically connected to lead frame 30 by wire 9 . Wires 9 may be formed by wire bonding.

蓋体80(図1および図2)が準備される。蓋体80は、セラミック材料からなっていてよく、このセラミック材料は主成分としてアルミナを含んでいてよく、例えば、実質的にアルミナである。あるいは、蓋体80は樹脂を含んでいてよい。樹脂は、例えば、液晶ポリマーである。なお当該樹脂中に無機フィラーが分散されていてもよく、無機材フィラーは、例えばシリカ粒である。樹脂中に無機フィラーが分散されていることによって、蓋体80の強度および耐久性を高めることができる。 A lid 80 (FIGS. 1 and 2) is prepared. The lid 80 may be made of a ceramic material, which may contain alumina as a main component, eg substantially alumina. Alternatively, the lid body 80 may contain resin. The resin is, for example, liquid crystal polymer. An inorganic filler may be dispersed in the resin, and the inorganic filler is, for example, silica particles. By dispersing the inorganic filler in the resin, the strength and durability of the lid 80 can be enhanced.

次に、リードフレーム30が設けられた枠体20上に、蓋体80が接着層70を介して載置される。接着層70は、本例においては熱硬化性樹脂を含み、当該載置の時点では半硬化状態にある。接着層70は、枠体20上にキャビティCVを囲むように設けられる。接着層70は、図2に示されているように、枠体20上にリードフレーム30を介して設けられる部分を有していてよい。接着層70の、蓋体80とパッケージ51との間での厚みは、例えば、100μm以上、360μm以下である。蓋体80は、キャビティCV(図1)に面する内面81iと、その反対の外面81oとを有していてよく、また典型的には、内面81i上には、セラミック枠体61の枠形状におおよそ対応した枠形状を有する突起である枠部81pが設けられている。この場合、接着層70は枠部81pに接する。 Next, the lid 80 is placed via the adhesive layer 70 on the frame 20 provided with the lead frame 30 . The adhesive layer 70 contains a thermosetting resin in this example, and is in a semi-cured state at the time of placement. The adhesive layer 70 is provided on the frame 20 so as to surround the cavity CV. The adhesive layer 70 may have a portion provided on the frame 20 via the lead frame 30, as shown in FIG. The thickness of the adhesive layer 70 between the lid 80 and the package 51 is, for example, 100 μm or more and 360 μm or less. The lid 80 may have an inner surface 81i facing the cavity CV (FIG. 1) and an opposite outer surface 81o, and typically the inner surface 81i has the frame shape of the ceramic frame 61. A frame portion 81p, which is a projection having a frame shape roughly corresponding to the . In this case, the adhesive layer 70 is in contact with the frame portion 81p.

次に、蓋体80が枠体20へ所定の荷重で押し付けられる。適切な荷重は、パッケージ51の寸法設計に依存するが、例えば500g以上、1kg以下程度である。荷重での押し付けが行われながら、接着層70が加熱される。加熱された接着層70は、まず軟化状態へと変化する。これにより接着層70の粘度が低下する。その結果、接着層70が濡れ広がる。その後、加熱による硬化反応の進行にともなって、接着層70は硬化状態へと変化し、その結果、接着層70は蓋体80と枠体20とを互いに接着する。 Next, the lid body 80 is pressed against the frame body 20 with a predetermined load. A suitable load depends on the dimensional design of the package 51, but is, for example, about 500 g or more and 1 kg or less. The adhesive layer 70 is heated while being pressed with a load. The heated adhesive layer 70 first changes to a softened state. This reduces the viscosity of the adhesive layer 70 . As a result, the adhesive layer 70 is wetted and spread. After that, the adhesive layer 70 changes into a hardened state as the curing reaction by heating progresses, and as a result, the adhesive layer 70 bonds the lid body 80 and the frame body 20 to each other.

接着層70は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシリコーン(silicone)樹脂の少なくともいずれかを主成分として含んでいてよい。特にエポキシ樹脂は、耐熱性、機械的強度および耐薬品性をバランス良く備えている点で好ましい。これら特性を好適に有するためには、主成分としてのエポキシ樹脂の含有量が20~40wt%であることが好ましく、残部は硬化剤などの副成分からなってよい。具体的には、この副成分は、例えば、1~10wt%の硬化剤と、50~70wt%の無機フィラーと、0.5~2wt%のカップリング剤と、0.5~2wt%の触媒と、0.1~5wt%の低応力剤とであってよい。硬化剤としてはフェノキシ樹脂化合物が用いられてよい。無機フィラーとしてはシリカが用いられてよい。触媒としては有機リンまたはホウ素塩が用いられてよい。低応力剤としてはシリコーンが用いられてよい。接着層70は、蓋体80の曲げ弾性率よりも小さな曲げ弾性率を有していてよい。 The adhesive layer 70 may contain at least one of epoxy resin, phenol resin and silicone resin as a main component. Epoxy resins are particularly preferred because they have well-balanced heat resistance, mechanical strength and chemical resistance. In order to preferably have these characteristics, the content of the epoxy resin as the main component is preferably 20 to 40 wt%, and the balance may be composed of subcomponents such as a curing agent. Specifically, the subcomponents include, for example, 1 to 10 wt% curing agent, 50 to 70 wt% inorganic filler, 0.5 to 2 wt% coupling agent, and 0.5 to 2 wt% catalyst. and 0.1-5 wt % of a low stress agent. A phenoxy resin compound may be used as the curing agent. Silica may be used as the inorganic filler. Organic phosphorus or boron salts may be used as catalysts. Silicone may be used as a low stress agent. The adhesive layer 70 may have a bending elastic modulus smaller than that of the lid 80 .

以上により、図1および図2に示されているように、蓋体80がキャビティCVを封止する構成が得られる。言い換えれば、電子装置90(図1および図2)が得られる。電子装置90のヒートシンク10の底面BT(図2)は、支持部材(図示せず)に取り付けられることになる。支持部材は、例えば、実装ボードまたは放熱部材である。ヒートシンク10は、支持部材への取り付けのための固定具(例えば、ねじ)が通る貫通部(図示せず)を有していてもよい。 As described above, as shown in FIGS. 1 and 2, a configuration is obtained in which the lid 80 seals the cavity CV. In other words, electronic device 90 (FIGS. 1 and 2) is obtained. The bottom surface BT (FIG. 2) of the heat sink 10 of the electronic device 90 will be attached to a support member (not shown). The support member is, for example, a mounting board or a heat dissipation member. The heat sink 10 may have penetrations (not shown) through which fasteners (eg, screws) pass for attachment to the support member.

図4は、CuとAlとCPCとの各々のCTEの温度依存性を例示するグラフ図である。AlのCTEに比して、Cuは顕著に大きなCTEを有しているが、CPCは同程度のCTEを有している。よって、パッケージにキャビティを設けるための枠体がAlからなる場合、ヒートシンクがCuではなくCPCからなれば、枠体とヒートシンクとの間での熱膨張の差異を、かなり抑制することができる。しかしながら、ヒートシンクの放熱性能を高めるために、ヒートシンク材料として、CPCの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料、典型的には実質的に純粋なCu、を用いることが求められる場合がある。また、CPCは比較的高価な複合材料であることから、より安価な非複合材料、典型的には実質的に純粋なCu、を用いることが求められる場合がある。しかしながら、CuからなるヒートシンクにAlからなる枠体が接合材によって単純に接合される構成の場合、これらのCTEの差異が大きいので、パッケージの製造時または使用時の温度変化下で、パッケージにおいて熱応力集中が問題となりやすい。 FIG. 4 is a graph illustrating temperature dependence of CTE of each of Cu, Al 2 O 3 and CPC. Cu has a significantly higher CTE than that of Al 2 O 3 , while CPC has a comparable CTE. Therefore, if the frame for forming the cavity in the package is made of Al 2 O 3 and the heat sink is made of CPC instead of Cu, the difference in thermal expansion between the frame and the heat sink can be considerably suppressed. can. However, in order to enhance the heat dissipation performance of the heatsink, it may be desirable to use a material with a higher thermal conductivity than that of the CPC, typically substantially pure Cu, as the heatsink material. . Also, since CPC is a relatively expensive composite material, it may be desirable to use less expensive non-composite materials, typically substantially pure Cu. However, in the case of a configuration in which a frame made of Al 2 O 3 is simply bonded to a heat sink made of Cu with a bonding material, the difference in CTE is large, so under temperature changes during package manufacture or use, Thermal stress concentration tends to be a problem in packages.

本実施の形態によれば、緩衝部22のCTEは、ヒートシンク10のCTEより小さく、セラミック部21のCTEよりも大きい。これにより、ヒートシンク10とセラミック部21との間の熱膨張差が、緩衝部22によって緩衝される。よって、パッケージ51の製造時または使用時の温度変化下でのパッケージ51の熱応力集中を低減することができる。 According to this embodiment, the CTE 3 of the buffer portion 22 is less than the CTE 1 of the heat sink 10 and greater than the CTE 2 of the ceramic portion 21 . Thereby, the thermal expansion difference between the heat sink 10 and the ceramic portion 21 is buffered by the buffer portion 22 . Therefore, it is possible to reduce the concentration of thermal stress on the package 51 under temperature changes during manufacture or use of the package 51 .

緩衝材料が金属材料(例えばステンレス鋼)を含むことによって、緩衝材料が何ら金属材料を含まない場合(典型的には緩衝材料がセラミック材料である場合)に比して、熱応力下での緩衝部22の脆性破壊を防止することができる。ステンレス鋼が用いられる場合、その組成制御によって、緩衝材料のCTEを、ヒートシンク10のCTEよりも小さく、かつセラミック部21のCTEよりも大きい値へ、容易に調整することができる。緩衝材料が含むステンレス鋼がCr原子を、11.5wt%以上、18wt%以下で含有していることによって、緩衝材料が有するCTEを約11ppm/℃とし得る。これにより、セラミック部21をなすセラミック材料のCTEが緩衝材料のCTEよりも小さいという条件を満たしつつも、セラミック材料のCTEが11ppm/℃に近い大きな値であることが許容される。より大きなCTEを有するセラミック材料を選択することによって、当該セラミック材料からなるセラミック部21と、ヒートシンク10との間の熱膨張差を抑制することができる。 By including a metallic material (e.g., stainless steel) in the cushioning material, the cushioning under thermal stress is better than when the cushioning material does not include any metallic material (typically when the cushioning material is a ceramic material). Brittle fracture of the portion 22 can be prevented. When stainless steel is used, its composition control can easily tune the CTE 3 of the buffer material to a value less than the CTE 1 of the heat sink 10 and greater than the CTE 2 of the ceramic portion 21 . Since the stainless steel contained in the buffer material contains Cr atoms at 11.5 wt % or more and 18 wt % or less, the CTE 3 of the buffer material can be about 11 ppm/°C. This allows the CTE 2 of the ceramic material to be a large value close to 11 ppm/° C. while satisfying the condition that the CTE 2 of the ceramic material forming the ceramic portion 21 is smaller than the CTE 3 of the buffer material. By selecting a ceramic material with a larger CTE 2 , the thermal expansion difference between the ceramic part 21 made of the ceramic material and the heat sink 10 can be reduced.

セラミック材料のCTEが9ppm/K以上であることによって、当該セラミック材料からなるセラミック部21と、比較的高いCTEを有するヒートシンク10との間の熱膨張差を抑制することができる。セラミック材料がジルコニアを含むことによって、セラミック材料のCTEを9ppm/K以上にすることができる。 When the CTE 2 of the ceramic material is 9 ppm/K or more, the difference in thermal expansion between the ceramic portion 21 made of the ceramic material and the heat sink 10 having a relatively high CTE 1 can be suppressed. By including zirconia in the ceramic material, the CTE 2 of the ceramic material can be 9 ppm/K or higher.

ヒートシンク材料は、300W/m・Kより大きな熱伝導率を有している。これによりヒートシンク10の放熱性能を高めることができる。ヒートシンク材料が純度95.0wt%以上でCuを含有していることによって、約300W/m・Kより大きな熱伝導率を容易に得ることができる。ヒートシンク材料が非複合材料である場合、ヒートシンク材料のCTEを複合材料の材料設計によって抑制することができない。その結果としてヒートシンク10とセラミック部21との間の熱膨張差が大きくなりやすいところ、そのような場合であっても、前述した理由によって、パッケージ51の製造時または使用時の温度変化下での、パッケージ51における応力集中を、低減することができる。 The heat sink material has a thermal conductivity greater than 300 W/m·K. Thereby, the heat dissipation performance of the heat sink 10 can be improved. Thermal conductivities greater than about 300 W/m·K can readily be achieved by the heat sink material containing Cu at a purity of 95.0 wt % or greater. If the heatsink material is non-composite, the CTE 1 of the heatsink material cannot be constrained by the material design of the composite. As a result, the difference in thermal expansion between the heat sink 10 and the ceramic portion 21 tends to increase. , the stress concentration in the package 51 can be reduced.

緩衝部22はヒートシンク10およびセラミック部21の各々へ接合材を用いて接合されている。この接合工程は、通常、加熱およびその後の冷却を必要とするところ、その際の熱応力集中を、前述した理由で低減することができる。接合材は樹脂またはナノ金属粒子を含んでよい。その場合、接合材が典型的なろう材である場合に比して、接合工程に要する最高温度が低くなる。これにより、接合工程において生じる熱応力を低減することができる。 Buffer portion 22 is bonded to each of heat sink 10 and ceramic portion 21 using a bonding material. This bonding process normally requires heating and subsequent cooling, and the thermal stress concentration at that time can be reduced for the reasons described above. The bonding material may include resin or nano metal particles. In that case, the maximum temperature required for the joining process is lower than when the joining material is a typical brazing material. Thereby, the thermal stress generated in the bonding process can be reduced.

なお、線膨張係数は、温度を25℃から上昇させた際の変位を、光干渉法(optical interferometric method)または押し棒式膨張計(push-rod dilatometer)で測定することで得られる。熱伝導率はフラッシュ法により測定される。材料の成分はICP(Inductively Coupled Plasma)分析法により測定される。上述した様々な物性値を測定するための試料は、電子装置90またはパッケージ51を個々の部品へと分解することによって得られたものであってよい。 The coefficient of linear expansion can be obtained by measuring the displacement when the temperature is raised from 25° C. with an optical interferometric method or a push-rod dilatometer. Thermal conductivity is measured by the flash method. The ingredients of the material are measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis. Samples for measuring the various physical property values described above may be obtained by disassembling the electronic device 90 or the package 51 into individual components.

次に、パッケージの製造における接合工程に起因した熱応力についてのシミュレーションについて、以下に説明する。なお図5は、シミュレーション条件に用いられる構成の寸法を示す平面図である。また、シミュレーションにおいて想定されている材料の物性値を、下記の表1に示す。アルミナおよびジルコニアは、枠体20のセラミック部21をなすセラミック材料である。42アロイは、リードフレーム30をなす材料である。Cuは、ヒートシンク10をなす材料である。SUS430は、緩衝部22をなす材料である。なお表1において、CTEは、25℃を基準として、200℃の場合と、800℃の場合との2種類が示されている。言い換えれば、25℃と200℃との間のCTEと、25℃と800℃との間のCTEとが示されている。 Next, a simulation of thermal stress due to the bonding process in package manufacture will be described below. Note that FIG. 5 is a plan view showing the dimensions of the configuration used for the simulation conditions. Table 1 below shows physical property values of materials assumed in the simulation. Alumina and zirconia are ceramic materials that form the ceramic portion 21 of the frame 20 . 42 alloy is the material that forms the lead frame 30 . Cu is a material that forms the heat sink 10 . SUS430 is a material that forms the buffer portion 22 . Note that Table 1 shows two types of CTE, one at 200° C. and one at 800° C., with 25° C. as the reference. In other words, a CTE between 25°C and 200°C and a CTE between 25°C and 800°C are shown.

Figure 2023077604000002
Figure 2023077604000002

シミュレーションは、以下の表2に示すNo.1~No.5の各々について行われている。なお接合温度は、部材間の接合のための接合材が適用される際の温度である。接合温度に関して、200℃は、接合材として樹脂またはナノ金属粒子を含有するものを想定した温度であり、800℃は、接合材として典型的なろう材を想定した接合温度である。 The simulation was carried out on No. 1 shown in Table 2 below. 1 to No. 5 are performed. Note that the bonding temperature is the temperature at which a bonding material for bonding between members is applied. Regarding the bonding temperature, 200° C. is a temperature assuming that the bonding material contains resin or nano metal particles, and 800° C. is a bonding temperature assuming a typical brazing material as the bonding material.

Figure 2023077604000003
Figure 2023077604000003

図6は、枠体のセラミック部の熱応力の最大値のシミュレーション結果を示すグラフ図である。なおグラフ中の値は、No.1の結果で規格化されている。本結果から、緩衝部22が適用されることによって、熱応力の最大値が低減されることがわかる。また、接合温度が低減されることによって、熱応力の最大値が低減されることがわかる。 FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the maximum thermal stress of the ceramic portion of the frame. The values in the graph are No. 1 results are normalized. From this result, it can be seen that the maximum value of the thermal stress is reduced by applying the buffer portion 22 . Also, it can be seen that the maximum value of the thermal stress is reduced by reducing the bonding temperature.

図7は、上記シミュレーション結果における、枠体20のセラミック部21の熱応力の分布の傾向を示すグラフ図である。図中、より濃い黒色が、より大きな熱応力を示している。本結果から、セラミック部21において、屈曲部分BDに熱応力が集中しやすいことがわかる。 FIG. 7 is a graph showing the tendency of the thermal stress distribution of the ceramic portion 21 of the frame 20 in the simulation results. In the figure, darker black indicates greater thermal stress. From this result, it can be seen that the thermal stress tends to concentrate on the bent portion BD in the ceramic portion 21 .

<実施の形態2>
図8は、実施の形態2に係るパッケージ52の構成を示す概略断面図である。本実施の形態においては、セラミック面SCの内縁PIの少なくとも一部が、平面視において、緩衝部22から外れている。特に、内縁PIの屈曲部分BD(図1参照)は、平面視において、緩衝部22から外れている。
<Embodiment 2>
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the package 52 according to the second embodiment. In the present embodiment, at least part of the inner edge PI of the ceramic surface SC is separated from the buffer portion 22 in plan view. In particular, the bent portion BD (see FIG. 1) of the inner edge PI is separated from the buffer portion 22 in plan view.

セラミック面の外縁PEの少なくとも一部は、平面視において、緩衝部22に重なり合っていてよい。なお、図8の構成においては、セラミック面SCの外縁PEが、緩衝部22の上面(セラミック面SCに面する面)の外縁と実質的に一致しており、この構成も、外縁PEが平面視において緩衝部22に重なり合っている構成の一種とみなす。 At least part of the outer edge PE of the ceramic surface may overlap the buffer portion 22 in plan view. In the configuration of FIG. 8, the outer edge PE of the ceramic surface SC substantially coincides with the outer edge of the upper surface of the buffer portion 22 (the surface facing the ceramic surface SC). It is regarded as a type of configuration that visually overlaps the buffer portion 22 .

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。電子装置90(図1および図2)のために、パッケージ51(図3:実施の形態1)に代わってパッケージ52(図8:実施の形態2)が用いられてよい。 Since the configuration other than the above is substantially the same as the configuration of the first embodiment described above, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. For electronic device 90 (FIGS. 1 and 2), package 52 (FIG. 8: Embodiment 2) may be used instead of package 51 (FIG. 3: Embodiment 1).

本実施の形態によれば、セラミック部21のセラミック面SCの内縁PIの屈曲部分BDは、平面視において、緩衝部22から外れている。これにより、屈曲部分BDへの熱応力集中(図7参照)を抑制することができる。 According to the present embodiment, the bent portion BD of the inner edge PI of the ceramic surface SC of the ceramic portion 21 is separated from the buffer portion 22 in plan view. Thereby, the concentration of thermal stress (see FIG. 7) on the bent portion BD can be suppressed.

セラミック部21のセラミック面SCの外縁PEの少なくとも一部は、平面視において緩衝部22に重なり合っていてよい。これにより、セラミック面SCの内縁PIの屈曲部分BDが平面視において緩衝部22から外れるように緩衝部22を設計しつつも、緩衝部22の幅寸法が過小となることを避けることによって、緩衝部22の剛性を十分に確保しやすくなる。 At least a portion of the outer edge PE of the ceramic surface SC of the ceramic portion 21 may overlap the buffer portion 22 in plan view. As a result, while the buffer portion 22 is designed such that the bent portion BD of the inner edge PI of the ceramic surface SC is deviated from the buffer portion 22 in a plan view, the width dimension of the buffer portion 22 is prevented from being excessively small. It becomes easy to sufficiently secure the rigidity of the portion 22 .

枠体20の外側面は、ヒートシンク10の側面よりも外側へ突き出していないことが好ましい。言い換えれば、平面視において、枠体20は、ヒートシンク10が配置されている範囲内にのみ配置されていることが好ましい。これにより、電子装置90(図2参照)をその支持部材(図示せず)へ取り付ける際に、支持部材上に設けられている何らかの構成(例えば、プリント基板)に枠体20が接触する恐れを低減することができる。なおこのことは、本実施の形態2だけでなく、前述した実施の形態1においても同様である。 It is preferable that the outer surface of the frame 20 does not protrude beyond the side surface of the heat sink 10 . In other words, in plan view, the frame 20 is preferably arranged only within the range where the heat sink 10 is arranged. As a result, when the electronic device 90 (see FIG. 2) is attached to its support member (not shown), there is a risk that the frame 20 will come into contact with some structure (for example, a printed circuit board) provided on the support member. can be reduced. This applies not only to the second embodiment, but also to the first embodiment described above.

なお、前述したように内縁PIが平面視において緩衝部22から外れていることによって、寸法LAおよび寸法LBに関して、以下の式
0.1≦LB/LA≦0.6
が満たされていることが好ましい。ここで、寸法LAはセラミック部21のセラミック面SCの幅寸法(厚み方向に垂直な寸法)である。また寸法LBは、セラミック面SCの内縁PIが緩衝部22から突出している寸法である。なお寸法LAおよび寸法LBは、面内方向に垂直な断面における寸法である。特に、当該断面が屈曲部分BD(図1参照)を通る場合は、上式が満たされていることが好ましい。0.1≦LB/LAが満たされていることによって、熱応力集中の緩和効果が、より十分なものとなる。LB/LA≦0.6が満たされていることによって、緩衝部22の剛性を十分に確保しやすくなる。
As described above, since the inner edge PI is separated from the buffer portion 22 in plan view, the dimension LA and the dimension LB are expressed by the following formula: 0.1≤LB/LA≤0.6
is preferably satisfied. Here, the dimension LA is the width dimension (perpendicular to the thickness direction) of the ceramic surface SC of the ceramic portion 21 . A dimension LB is a dimension by which the inner edge PI of the ceramic surface SC protrudes from the buffer portion 22 . Dimension LA and dimension LB are dimensions in a cross section perpendicular to the in-plane direction. In particular, when the cross section passes through the bent portion BD (see FIG. 1), it is preferable that the above formula is satisfied. By satisfying 0.1≦LB/LA, the effect of alleviating thermal stress concentration becomes more sufficient. By satisfying LB/LA≦0.6, it becomes easy to sufficiently secure the rigidity of the cushioning portion 22 .

8 :電子部品
9 :ワイヤ(配線部材)
10 :ヒートシンク
20 :枠体
21 :セラミック部
22 :緩衝部
30 :リードフレーム(金属端子)
51,52 :パッケージ
70 :接着層
80 :蓋体
90 :電子装置
BD :屈曲部分
CV :キャビティ
PE :外縁
PI :内縁
SC :セラミック面
8: electronic component 9: wire (wiring member)
REFERENCE SIGNS LIST 10: heat sink 20: frame 21: ceramic part 22: buffer part 30: lead frame (metal terminal)
51, 52: package 70: adhesive layer 80: lid 90: electronic device BD: bent portion CV: cavity PE: outer edge PI: inner edge SC: ceramic surface

Claims (13)

蓋体によって封止されることになるキャビティを有するパッケージであって、
25℃と200℃との間の温度範囲において第1の線膨張係数を有する第1の金属材料からなるヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に設けられ、平面視において前記キャビティを囲む枠体と、
を備え、
前記枠体は、
前記温度範囲において前記第1の線膨張係数よりも小さい第2の線膨張係数を有するセラミック材料からなるセラミック部と、
前記セラミック部と前記ヒートシンクとの間に配置され、前記温度範囲において前記第1の線膨張係数よりも小さく前記第2の線膨張係数よりも大きい第3の線膨張係数を有する緩衝材料からなる緩衝部と、を含む、
パッケージ。
A package having a cavity to be sealed by a lid,
a heat sink made of a first metallic material having a first coefficient of linear expansion in a temperature range between 25° C. and 200° C.;
a frame provided on the heat sink and surrounding the cavity in plan view;
with
The frame is
a ceramic portion made of a ceramic material having a second linear expansion coefficient smaller than the first linear expansion coefficient in the temperature range;
A buffer made of a buffer material disposed between the ceramic portion and the heat sink and having a third linear expansion coefficient smaller than the first linear expansion coefficient and larger than the second linear expansion coefficient in the temperature range. including,
package.
前記緩衝材料は、前記第1の金属材料と異なる第2の金属材料を含む、
請求項1に記載のパッケージ。
The buffer material comprises a second metallic material different from the first metallic material,
The package of Claim 1.
前記緩衝材料はステンレス鋼を含む、
請求項1または2に記載のパッケージ。
the buffer material comprises stainless steel;
3. Package according to claim 1 or 2.
前記ステンレス鋼はクロム原子を、11.5質量パーセント以上、18質量パーセント以下で含有している、
請求項3に記載のパッケージ。
The stainless steel contains 11.5% by mass or more and 18% by mass or less of chromium atoms.
4. Package according to claim 3.
前記セラミック材料の前記第2の線膨張係数は9ppm/K以上である、
請求項1から4のいずれか1項に記載のパッケージ。
The second linear expansion coefficient of the ceramic material is 9 ppm/K or more,
5. A package according to any one of claims 1-4.
前記セラミック材料はジルコニアを含む、
請求項1から5のいずれか1項に記載のパッケージ。
the ceramic material comprises zirconia;
6. A package according to any one of claims 1-5.
前記第1の金属材料は、300W/m・Kより大きな熱伝導率を有している、
請求項1から6のいずれか1項に記載のパッケージ。
the first metallic material has a thermal conductivity greater than 300 W/mK;
7. A package according to any one of claims 1-6.
前記第1の金属材料は、純度95.0重量パーセント以上で銅を含有している、
請求項1から7のいずれか1項に記載のパッケージ。
The first metal material contains copper with a purity of 95.0 weight percent or more,
A package according to any one of claims 1-7.
前記第1の金属材料は非複合材料である、
請求項1から8のいずれか1項に記載のパッケージ。
wherein the first metallic material is a non-composite material;
9. A package according to any one of claims 1-8.
前記緩衝部は前記ヒートシンクおよび前記セラミック部の各々へ接合材を用いて接合されている、
請求項1から9のいずれか1項に記載のパッケージ。
The buffer portion is bonded to each of the heat sink and the ceramic portion using a bonding material,
10. A package according to any one of claims 1-9.
前記接合材は樹脂またはナノ金属粒子を含む、
請求項10に記載のパッケージ。
The bonding material contains resin or nano metal particles,
11. Package according to claim 10.
前記セラミック部は、前記ヒートシンクの方に面するセラミック面を有しており、前記セラミック面は、前記キャビティを囲む内縁を有しており、前記内縁は屈曲部分を含み、前記屈曲部分は平面視において前記緩衝部から外れている、
請求項1から11のいずれか1項に記載のパッケージ。
The ceramic part has a ceramic surface facing toward the heat sink, the ceramic surface having an inner edge surrounding the cavity, the inner edge including a bent portion, the bent portion in plan view. detached from the buffer at
A package according to any one of claims 1 to 11.
前記セラミック部の前記セラミック面は、前記内縁を囲む外縁を有しており、前記外縁の少なくとも一部は平面視において前記緩衝部に重なり合っている、
請求項12に記載のパッケージ。
The ceramic surface of the ceramic portion has an outer edge surrounding the inner edge, and at least a portion of the outer edge overlaps the buffer portion in plan view.
13. Package according to claim 12.
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