JP2024019155A - Package and package manufacturing method - Google Patents

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Abstract

To provide a package which includes a heat dissipation plate and a ceramic frame, and can be fully and easily suppressed in the occurrence of warpage due to difference between the linear expansion coefficient of the heat dissipation plate and that of the ceramic frame, and a manufacturing method of the package.SOLUTION: A heat dissipation plat 11 is made of a sintered material containing metal, and has : a heat radiation surface P1; and a main surface P2 opposite to the heat radiation surface P1 in a thickness direction. The ceramic frame body 21 is disposed on the main surface P2 of the heat dissipation plat 11, and has an inner surface P3 surrounding a cavity CV, and includes a ceramic frame body 21. The heat dissipation plat 11 includes: a first layer that contains a plurality of elements at a first composition ratio, and has a first liner expansion coefficient; and a second layer that is arranged between the first layer and the ceramic frame body 21, contains the plurality of elements at a second composition ratio different from the first composition ratio, and has a second linear expansion coefficient larger than the first linear expansion coefficient.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、パッケージおよびパッケージの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a package and a method for manufacturing the package.

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。ヒートシンク板(言い換えれば放熱基板または放熱板)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 with cavities are often used to house electronic components such as power semiconductor devices. After the electronic component is mounted into the cavity of the package, the cavity is hermetically sealed by joining the lid to the package. This results in an electronic device having electronic components protected from the external environment. The bottom surface (the surface opposite to the surface on which electronic components are mounted) of the heat sink plate (in other words, the heat sink board or heat sink plate) is usually attached to a support member that supports it. The support member is, for example, a mounting board or a heat dissipation member. The support member is in thermal contact with the bottom surface of the heat sink. By passing through the heat sink, heat from the electronic components is efficiently dissipated to the outside of the package (typically to the support member). Thereby, the temperature rise of the electronic components can be suppressed to, for example, about 150°C. On the other hand, depending on the external environment in which the electronic device is placed, the temperature of the package can drop to below freezing. Therefore, electronic devices need to withstand heat cycles caused by these temperature differences.

特開2005-150133号公報(特許文献1)の技術によれば、まず、ヒートシンク板と、セラミック枠体と、外部接続端子とが互いに接続される。これにより、キャビティを有するパッケージが準備される。ヒートシンク板とセラミック枠体とは、約780℃~900℃での銀(Ag)-銅(Cu)ろう付けによって接合される。このパッケージ上に半導体素子が実装され、そしてセラミック枠体の上面部に蓋体が接着される。ヒートシンクは、セラミックと熱膨張係数が近似する材料からなる。当該材料としては、Cuと他の金属との複合金属板(クラッド材料)などが例示されている。 According to the technique disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-150133 (Patent Document 1), first, a heat sink plate, a ceramic frame, and an external connection terminal are connected to each other. This prepares a package with a cavity. The heat sink plate and the ceramic frame are joined by silver (Ag)-copper (Cu) brazing at about 780°C to 900°C. A semiconductor element is mounted on this package, and a lid is adhered to the upper surface of the ceramic frame. The heat sink is made of a material with a coefficient of thermal expansion similar to that of ceramic. Examples of the material include a composite metal plate (clad material) of Cu and other metals.

特開2018-041868号公報(特許文献2)は、電子部品に適用される放熱基板を開示している。放熱基板の一表面側には、銀ろうを含む接合部を介してセラミックス基板が接合される。銀ろう付けは、加熱されながら行われる。この加熱後の冷却において放熱基板およびセラミックス基板はそれぞれ収縮する。ここで、この放熱基板は、Cu層と、金属Aからなる金属A層と、が交互に積層されることによって構成されたクラッド材料からなる。当該公報によれば、この構成によって、前述した収縮にともなう反り変形が抑制される。金属Aは、MoまたはWである。放熱基板の製造方法は、Cu板と金属A板を接合する工程を有している。この工程は、Cu板と金属A板を交互に重ねて高温で1軸方向に加圧する熱間プレス加工を施す。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-041868 (Patent Document 2) discloses a heat dissipation board applied to electronic components. A ceramic substrate is bonded to one surface side of the heat dissipation substrate via a bonding portion containing silver solder. Silver brazing is performed while being heated. During cooling after this heating, the heat dissipation substrate and the ceramic substrate each contract. Here, this heat dissipation substrate is made of a cladding material configured by alternately laminating Cu layers and metal A layers made of metal A. According to the publication, this configuration suppresses the warping deformation caused by the contraction described above. Metal A is Mo or W. The method for manufacturing a heat dissipation board includes a step of joining a Cu plate and a metal A plate. In this step, hot pressing is performed in which Cu plates and metal A plates are alternately stacked and pressed uniaxially at high temperature.

なお、半導体発光素子用のヒートシンク板(言い換えれば、放熱板または放熱基板)としては、下記のように、金属酸化物を含有するものも提案されている。 Note that as a heat sink plate (in other words, a heat sink plate or a heat sink board) for a semiconductor light emitting device, one containing a metal oxide as described below has also been proposed.

特開2009-88205号公報(特許文献3)によれば、焼成工程を用いて製造される放熱基板が開示されている。放熱基板は、金属酸化物を主成分とする素体と、素体の内部の全体にわたって配置されると共に薄片状部を有する複数の金属塊とを有している。複数の金属塊は、その厚み方向が所定の方向に揃っていることを特徴とする。この特徴により、熱伝導率に異方性が発現することとなる。上記金属酸化物は、例えば、ZnO、Al、SiOまたはZrOである。ZnOは白色であるので、半導体発光素子からの光を、より反射することができる。また、金属塊が銀または銀合金からなる場合、金属酸化物としてZnOを用いることによって、放熱基板がしなりやすくなり、よって放熱基板を割れにくくすることができる。この放熱基板の製造方法は、薄片状金属粉および金属酸化物が分散されたスラリーを用意する工程と、スラリーをドクターブレード法によってフィルム上に塗布することでグリーンシートを形成する工程と、グリーンシートを焼成する工程とを有している。 According to Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-88205 (Patent Document 3), a heat dissipation substrate manufactured using a firing process is disclosed. The heat dissipation substrate includes an element body mainly composed of a metal oxide, and a plurality of metal lumps arranged throughout the interior of the element body and having flaky portions. The plurality of metal lumps are characterized in that their thickness directions are aligned in a predetermined direction. This feature results in anisotropy in thermal conductivity. The metal oxide is, for example, ZnO, Al 2 O 3 , SiO 2 or ZrO 2 . Since ZnO is white, it can better reflect light from the semiconductor light emitting device. Further, when the metal lump is made of silver or a silver alloy, by using ZnO as the metal oxide, the heat dissipation substrate becomes more flexible, and therefore the heat dissipation substrate can be made less likely to break. The manufacturing method of this heat dissipation board consists of a step of preparing a slurry in which flaky metal powder and metal oxide are dispersed, a step of forming a green sheet by applying the slurry onto a film using a doctor blade method, and a step of forming a green sheet by applying the slurry onto a film using a doctor blade method. and a step of firing.

特開2005-150133号公報Japanese Patent Application Publication No. 2005-150133 特開2018-041868号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-041868 特開2009-88205号公報Japanese Patent Application Publication No. 2009-88205

上記特開2018-041868号公報の技術によれば、放熱基板の積層構造における各層の材料はCu板または金属A板(具体的には、Mo板またはW板)のいずれかである。よって、各層の線膨張係数の設計の融通性が低い。仮に、多くの種類の金属A板を適用することが可能であるならば、設計の融通性は、ある程度確保されるかもしれない。しかしながら、多くの種類の金属板を準備することは、製造上、大きな負担となりやすい。よって、当該公報の技術では、放熱基板(放熱板)と、それに取り付けられたセラミック基板との間の線膨張係数の差異に起因しての反りを十分かつ容易に抑制することが困難である。 According to the technique disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 2018-041868, the material of each layer in the laminated structure of the heat dissipation board is either a Cu plate or a metal A plate (specifically, a Mo plate or a W plate). Therefore, flexibility in designing the linear expansion coefficient of each layer is low. If it is possible to apply many types of metal A plates, flexibility in design may be ensured to some extent. However, preparing many types of metal plates tends to be a heavy burden on manufacturing. Therefore, with the technique disclosed in the publication, it is difficult to sufficiently and easily suppress warpage caused by the difference in linear expansion coefficient between the heat dissipation substrate (heat dissipation plate) and the ceramic substrate attached thereto.

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、放熱板とセラミック枠体との間の線膨張係数の差異に起因しての反りを十分かつ容易に抑制することができる、パッケージおよびパッケージの製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to sufficiently and easily suppress warpage caused by the difference in linear expansion coefficient between the heat sink and the ceramic frame. An object of the present invention is to provide a package and a method for manufacturing the package.

態様1は、キャビティ(CV)を有するパッケージ(51~55)であって、放熱板(11)と、セラミック枠体(21~25)とを備える。前記放熱板(11)は、金属を含有する焼結材料からなり、放熱面(P1)と、厚み方向において前記放熱面(P1)と反対の主面(P2)とを有する。前記セラミック枠体(21~25)は、前記放熱板(11)の前記主面(P2)上に配置され、前記キャビティ(CV)を囲む内面(P3)を有する。前記放熱板(11)は、第1の組成比で複数の元素を含有し、第1の線膨張係数を有する第1の層と、前記第1の層と前記セラミック枠体(21~25)との間に配置され、前記第1の組成比と異なる第2の組成比で前記複数の元素を含有し、前記第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する第2の層と、を含む。 Aspect 1 is a package (51 to 55) having a cavity (CV), and includes a heat sink (11) and a ceramic frame (21 to 25). The heat dissipation plate (11) is made of a sintered material containing metal, and has a heat dissipation surface (P1) and a main surface (P2) opposite to the heat dissipation surface (P1) in the thickness direction. The ceramic frame (21 to 25) is disposed on the main surface (P2) of the heat sink (11) and has an inner surface (P3) surrounding the cavity (CV). The heat sink (11) includes a first layer containing a plurality of elements in a first composition ratio and having a first linear expansion coefficient, the first layer and the ceramic frame (21 to 25). and a second composition containing the plurality of elements at a second composition ratio different from the first composition ratio, and having a second coefficient of linear expansion larger than the first coefficient of linear expansion. and a layer.

態様2は、態様1に記載のパッケージ(51~55)であって、前記放熱板(11)の前記第1の層は、前記放熱板(11)の前記放熱面(P1)と、前記厚み方向における前記放熱板(11)のセンター位置との間に配置されており、前記放熱板(11)の前記第2の層は、前記センター位置と前記セラミック枠体(21~25)との間に配置されている。 Aspect 2 is the package (51 to 55) according to Aspect 1, in which the first layer of the heat sink (11) has the same thickness as the heat sink surface (P1) of the heat sink (11). The second layer of the heat sink (11) is located between the center position and the ceramic frame (21 to 25) in the direction of the heat sink (11), and the second layer of the heat sink (11) It is located in

態様3は、態様1または2に記載のパッケージ(51~55)であって、前記複数の元素は銅と、タングステンおよびモリブデンからなる群から選ばれた少なくとも1つの高融点金属と、を含む。 Aspect 3 is the package (51-55) according to Aspect 1 or 2, wherein the plurality of elements include copper and at least one high melting point metal selected from the group consisting of tungsten and molybdenum.

態様4は、態様1から3のいずれか1項に記載のパッケージ(51~55)であって、前記放熱板(11)の前記主面(P2)は、前記キャビティ(CV)に面するキャビティ面(P2a)と、前記セラミック枠体(21~25)に直接に接合された接合面(P2b)とを含む。 Aspect 4 is the package (51 to 55) according to any one of Aspects 1 to 3, in which the main surface (P2) of the heat sink (11) faces the cavity (CV). a surface (P2a), and a joint surface (P2b) directly joined to the ceramic frame (21 to 25).

態様5は、態様1から4のいずれか1項に記載のパッケージ(51~55)であって、前記焼結材料は焼結金属材料である。 Aspect 5 is the package (51 to 55) according to any one of aspects 1 to 4, in which the sintered material is a sintered metal material.

態様6は、態様1から5のいずれか1項に記載のパッケージ(51~55)であって、前記セラミック枠体(21~25)は、前記内面(P3)と反対の外面(P4a)を有しており、前記放熱板(11)は、前記セラミック枠体(21~25)の前記外面(P4a)に平らにつながった側面(P4b)を有している。 Aspect 6 is the package (51 to 55) according to any one of aspects 1 to 5, wherein the ceramic frame (21 to 25) has an outer surface (P4a) opposite to the inner surface (P3). The heat sink (11) has a side surface (P4b) flatly connected to the outer surface (P4a) of the ceramic frame (21-25).

態様7は、キャビティ(CV)を有するパッケージ(51~55)であって、放熱板(11)と、セラミック枠体(21~25)とを備える。前記放熱板(11)は、金属を含有する焼結材料からなり、放熱面(P1)と、厚み方向において前記放熱面(P1)と反対の主面(P2)とを有する。前記セラミック枠体(21~25)は、前記放熱板(11)の前記主面(P2)上に配置され、前記キャビティ(CV)を囲む内面(P3)を有する。前記放熱板(11)は、第1の層と、第2の層とを含む。前記第1の層は、前記放熱板(11)の前記放熱面(P1)と、前記厚み方向における前記放熱板(11)のセンター位置との間に配置され、第1の線膨張係数を有する。前記第2の層は、前記センター位置と前記セラミック枠体(21~25)との間に配置され、前記第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する。 Aspect 7 is a package (51 to 55) having a cavity (CV), and includes a heat sink (11) and a ceramic frame (21 to 25). The heat dissipation plate (11) is made of a sintered material containing metal, and has a heat dissipation surface (P1) and a main surface (P2) opposite to the heat dissipation surface (P1) in the thickness direction. The ceramic frame (21 to 25) is disposed on the main surface (P2) of the heat sink (11) and has an inner surface (P3) surrounding the cavity (CV). The heat sink (11) includes a first layer and a second layer. The first layer is disposed between the heat dissipation surface (P1) of the heat dissipation plate (11) and a center position of the heat dissipation plate (11) in the thickness direction, and has a first coefficient of linear expansion. . The second layer is disposed between the center position and the ceramic frame (21-25), and has a second coefficient of linear expansion larger than the first coefficient of linear expansion.

態様8は、キャビティ(CV)を有するパッケージ(51~55)の製造方法である。前記パッケージ(51~55)は、金属を含有する焼結材料からなり放熱面(P1)と前記放熱面(P1)と反対の主面(P2)とを有する放熱板(11)と、前記放熱板(11)の前記主面(P2)上に配置され、前記キャビティ(CV)を囲む内面(P3)を有するセラミック枠体(21~25)と、を備える。前記放熱板(11)は、第1の線膨張係数を有する第1の層と、前記第1の層と前記セラミック枠体(21~25)との間に配置され、前記第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する第2の層と、を含む。前記製造方法は、焼成されることによって前記放熱板(11)の前記第1の層とされることになる第1のグリーンシートを形成する工程と、焼成されることによって前記放熱板(11)の前記第2の層とされることになる第2のグリーンシートを形成する工程と、焼成されることによって前記セラミック枠体(21~25)とされることになるセラミックグリーンシート(21G)を形成する工程と、前記第1のグリーンシートと、前記第2のグリーンシートと、前記セラミックグリーンシート(21G)とが積層された積層体を形成する工程と、前記積層体を焼成する工程と、を備える。 Aspect 8 is a method of manufacturing a package (51 to 55) having a cavity (CV). The package (51 to 55) includes a heat dissipation plate (11) made of a sintered material containing metal and having a heat dissipation surface (P1) and a main surface (P2) opposite to the heat dissipation surface (P1); A ceramic frame (21 to 25) is provided on the main surface (P2) of the plate (11) and has an inner surface (P3) surrounding the cavity (CV). The heat dissipation plate (11) is arranged between a first layer having a first linear expansion coefficient and the first layer and the ceramic frame (21 to 25), and has a first linear expansion coefficient. a second layer having a second coefficient of linear expansion larger than the coefficient. The manufacturing method includes a step of forming a first green sheet that becomes the first layer of the heat sink (11) by being fired; a step of forming a second green sheet that will become the second layer; and a step of forming a ceramic green sheet (21G) that will become the ceramic frame (21 to 25) by firing. a step of forming a laminate in which the first green sheet, the second green sheet, and the ceramic green sheet (21G) are laminated; and a step of firing the laminate; Equipped with

態様9は、態様8に記載のパッケージ(51~55)の製造方法であって、前記積層体(SG)を形成する工程の前に、前記セラミックグリーンシート(21G)から、前記キャビティ(CV)に対応する部分を除去する工程をさらに備える。 A ninth aspect is a method for manufacturing the package (51 to 55) according to the eighth aspect, in which the cavity (CV) is formed from the ceramic green sheet (21G) before the step of forming the laminate (SG). The method further includes the step of removing a portion corresponding to .

上記態様によれば、放熱板とセラミック枠体との間の線膨張係数の差異に起因してのパッケージの反りを、十分かつ容易に抑制することができる。 According to the above aspect, it is possible to sufficiently and easily suppress warpage of the package due to the difference in linear expansion coefficient between the heat sink and the ceramic frame.

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 invention will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.

実施の形態1に係る半導体モジュールの構成を、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 a semiconductor module according to Embodiment 1, with part of the illustration omitted so that the inside of a cavity can be seen; FIG. 図1の半導体モジュールの線II-IIに沿う概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor module of FIG. 1 taken along line II-II. 図2の半導体モジュール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 structure of a package as a component of the semiconductor module of FIG. 2. FIG. 図3の一部拡大図である。4 is a partially enlarged view of FIG. 3. FIG. 本実施の形態1のパッケージの製造方法を概略的に示すフロー図である。1 is a flow diagram schematically showing a method for manufacturing a package according to the first embodiment; FIG. 本実施の形態1のパッケージの製造方法の一工程を例示する概略部分断面図である。1 is a schematic partial cross-sectional view illustrating one step of the method for manufacturing a package according to the first embodiment; FIG. 図6の一部拡大図である。7 is a partially enlarged view of FIG. 6. FIG. 本実施の形態1のパッケージの製造方法の一工程を例示する概略部分断面図である。1 is a schematic partial cross-sectional view illustrating one step of the method for manufacturing a package according to the first embodiment; FIG. 本実施の形態1のパッケージの製造方法の一工程を例示する概略部分断面図である。1 is a schematic partial cross-sectional view illustrating one step of the method for manufacturing a package according to the first embodiment; FIG. 比較例のパッケージの構成を示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package of a comparative example. 図10のパッケージを用いた半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor module using the package of FIG. 10. FIG. 実施の形態1に係るパッケージが有する放熱板およびセラミック枠体の構成を示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a heat sink and a ceramic frame included in the package according to the first embodiment. 実施の形態2に係るパッケージの構成を、図12と同様の視野で示す概略断面図である。13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package according to Embodiment 2 from the same view as FIG. 12. FIG. 実施の形態3に係るパッケージの構成を、図12と同様の視野で示す概略断面図である。13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package according to Embodiment 3 from the same view as FIG. 12. FIG. 実施の形態4に係るパッケージの構成を、図12と同様の視野で示す概略断面図である。13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package according to Embodiment 4 from the same view as FIG. 12. FIG. 実施の形態5に係るパッケージの構成を、図12と同様の視野で示す概略断面図である。13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package according to Embodiment 5 from the same field of view as FIG. 12. 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。 Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. Note that in this specification, unless otherwise specified, metal may mean either a pure metal or an alloy.

<実施の形態1>
(半導体モジュールの構成)
図1は、実施の形態1に係る半導体モジュール90の構成を示す概略斜視図である。図2は、図1の半導体モジュール90の線II-IIに沿う概略断面図である。半導体モジュール90は、パッケージ51および半導体素子8を有している。また半導体モジュール90は、半導体素子8の配線部材としてのワイヤ9を有していてよい。また半導体モジュール90は、キャビティCVを封止するための蓋体80を有していてよい。蓋体80はパッケージ51へ接着層70によって取り付けられていてよい。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。
<Embodiment 1>
(Semiconductor module configuration)
FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of a semiconductor module 90 according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor module 90 of FIG. 1 taken along line II-II. The semiconductor module 90 includes a package 51 and a semiconductor element 8. Further, the semiconductor module 90 may include wires 9 as wiring members for the semiconductor element 8. Further, the semiconductor module 90 may include a lid 80 for sealing the cavity CV. The lid 80 may be attached to the package 51 by an adhesive layer 70. In FIG. 1, illustration of the lid 80 and the adhesive layer 70 is partially omitted so that the inside of the cavity CV included in the package 51 can be partially seen.

半導体素子8はパワー半導体素子であってよく、この場合、半導体モジュール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、半導体モジュール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つの半導体素子8が図示されているが、パッケージ51へは複数の半導体素子8が実装されていてよい。また半導体素子8以外の素子、例えば受動素子、も実装されていてよい。 The semiconductor element 8 may be a power semiconductor element, in which case the semiconductor module 90 is a power module. The power semiconductor device may be for radio frequency (RF), and in this case, the semiconductor module 90 is an RF power module. Note that although one semiconductor element 8 is illustrated in FIGS. 1 and 2, a plurality of semiconductor elements 8 may be mounted on the package 51. Furthermore, elements other than the semiconductor element 8, such as passive elements, may also be mounted.

(パッケージの構成)
図3は、半導体モジュール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。半導体モジュール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、半導体素子8は未だ実装されていなくてよい。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は放熱板11とセラミック枠体21とを有している。
(Package composition)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the package 51 as a component of the semiconductor module 90 (FIG. 2). At the time when the package 51 is prepared for manufacturing the semiconductor module 90, the semiconductor element 8 does not need to be mounted yet, as shown in FIG. The package 51 has a cavity CV that is sealed by a lid 80. The package 51 has a heat sink 11 and a ceramic frame 21.

放熱板11は、金属を含有する焼結材料からなる。例えば、焼結材料は銅(Cu)および高融点金属を含有している。高融点金属は、Cuよりも高い融点を有している。高融点金属は、タングステン(W)およびモリブデン(Mo)の少なくともいずれかであっていてよい。焼結材料は、非金属を含有している必要はない。言い換えれば、焼結材料は焼結金属材料であってよい。言い換えれば、焼結材料は、実質的に金属からなる焼結材料であってよい。焼結金属材料は、CuおよびWを含有していてよく、例えば、CuおよびWの合金、すなわち銅タングステン合金であってよい。放熱板11の放熱性能を高めるためには、放熱板11の材料は、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、放熱板11が十分な比率でCuを含有することによって容易に得られる。一方、放熱板11が十分な比率でWを含有することによって、放熱板11の線膨張係数を、アルミナなどのセラミックの線膨張係数に近づけることができる。線膨張係数のこの近似性は、放熱板11とセラミック枠体21との間の熱応力の抑制に有用である。アルミナなどのセラミックの線膨張係数に近づけるため、焼結材料は非金属を含んでいてもよい。非金属は、例えば、アルミナおよび/またはシリカなどのセラミックであってよい。 The heat sink 11 is made of a sintered material containing metal. For example, the sintered material contains copper (Cu) and high melting point metals. The high melting point metal has a higher melting point than Cu. The high melting point metal may be at least one of tungsten (W) and molybdenum (Mo). The sintered material need not contain non-metals. In other words, the sintered material may be a sintered metallic material. In other words, the sintered material may be a sintered material consisting essentially of metal. The sintered metal material may contain Cu and W, for example an alloy of Cu and W, ie a copper-tungsten alloy. In order to improve the heat dissipation performance of the heat sink 11, it is preferable that the material of the heat sink 11 has high thermal conductivity. Such high thermal conductivity can be easily obtained by making the heat sink 11 contain Cu in a sufficient proportion. On the other hand, when the heat sink 11 contains W in a sufficient proportion, the linear expansion coefficient of the heat sink 11 can be made close to that of ceramic such as alumina. This approximation of the coefficient of linear expansion is useful for suppressing thermal stress between the heat sink 11 and the ceramic frame 21. The sintered material may contain non-metals to approximate the coefficient of linear expansion of ceramics such as alumina. The non-metal may be, for example, a ceramic such as alumina and/or silica.

放熱板11は、放熱面P1と、放熱面P1と反対の主面P2とを有している。放熱板11の放熱面P1は、典型的には、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。放熱板11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)を有していてよい。 The heat sink 11 has a heat sink P1 and a main surface P2 opposite to the heat sink P1. The heat radiation surface P1 of the heat radiation plate 11 will typically be attached to a support member (not shown). The support member is, for example, a mounting board or a heat dissipation member. The heat dissipation plate 11 may have penetrations (not shown) through which fasteners (eg, screws) for attachment to the support member pass.

セラミック枠体21は、セラミックからなる枠体である。パッケージ51の枠体としてセラミック枠体21を用いることによって、パッケージ51の耐熱性および絶縁性を高めることができる。セラミック枠体21の材料は、主成分としてアルミナを含有してよく、またセラミック枠体21の焼結を促進するために、微量のシリカ、および/または、マンガン元素を含む微量の添加剤を含有してよい。 The ceramic frame 21 is a frame made of ceramic. By using the ceramic frame 21 as the frame of the package 51, the heat resistance and insulation properties of the package 51 can be improved. The material of the ceramic frame 21 may contain alumina as a main component, and may also contain a trace amount of silica and/or a trace amount of an additive containing a manganese element to promote sintering of the ceramic frame 21. You may do so.

セラミック枠体21は放熱板11の主面P2上に配置されている。セラミック枠体21は、キャビティCVを囲む内面P3と、内面P3と反対の外面P4aとを有している。放熱板11は、セラミック枠体21の外面P4aに平らにつながった側面P4bを有していてよい。セラミック枠体21の外縁は、厚み方向に垂直な面内方向において、図1に示されているように矩形形状を有していてよい。矩形形状の各辺の大きさは、例えば、4mm以上40mm以下である。セラミック枠体21の厚みは、例えば、0.1mm以上、1mm以下である。 The ceramic frame 21 is arranged on the main surface P2 of the heat sink 11. The ceramic frame 21 has an inner surface P3 surrounding the cavity CV and an outer surface P4a opposite to the inner surface P3. The heat sink 11 may have a side surface P4b flatly connected to the outer surface P4a of the ceramic frame 21. The outer edge of the ceramic frame 21 may have a rectangular shape as shown in FIG. 1 in the in-plane direction perpendicular to the thickness direction. The size of each side of the rectangular shape is, for example, 4 mm or more and 40 mm or less. The thickness of the ceramic frame 21 is, for example, 0.1 mm or more and 1 mm or less.

放熱板11の主面P2は、キャビティCVに面するキャビティ面P2aと、セラミック枠体21に直接に接合された接合面P2bとを含む。よって、セラミック枠体21と放熱板11とは、互いに直接に接合されている。従ってこれらの接合に銀(Ag)ろう材は用いられていない。よって放熱板11の接合面P2bは、Agを含有している必要がない。 The main surface P2 of the heat sink 11 includes a cavity surface P2a facing the cavity CV and a joint surface P2b directly joined to the ceramic frame 21. Therefore, the ceramic frame 21 and the heat sink 11 are directly joined to each other. Therefore, no silver (Ag) brazing material is used for these connections. Therefore, the joint surface P2b of the heat sink 11 does not need to contain Ag.

本発明者は、セラミック枠体21と放熱板11とが互いに十分な強度で接合されていることを確認した。さらに、セラミック枠体21と放熱板11とが互いに直接に接合されていることを、光学顕微鏡観察によって確認した。本明細書における「直接に接合され」との表現は、接合部において、放熱板11およびセラミック枠体21から由来する成分以外の成分が検出されないことを意味する。例えば、放熱板11がCuを含有し、かつセラミック枠体21がシリカおよび/またはマンガンを含有する場合、本発明者の推測では、後述する焼成工程において、溶融Cuと、シリカおよび/またはマンガンとが反応することによって、上述した極めて薄い反応層が形成されているかもしれない。なお上記成分は、後述するように、電子顕微鏡を用いた簡易的な方法、または、エネルギー分散X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)によって検証することができる。 The inventor has confirmed that the ceramic frame 21 and the heat sink 11 are bonded to each other with sufficient strength. Furthermore, it was confirmed by optical microscope observation that the ceramic frame 21 and the heat sink 11 were directly bonded to each other. In this specification, the expression "directly joined" means that no components other than those originating from the heat sink 11 and the ceramic frame 21 are detected at the joint. For example, if the heat sink 11 contains Cu and the ceramic frame 21 contains silica and/or manganese, the inventor estimates that molten Cu and silica and/or manganese will be mixed together in the firing process described below. may form the extremely thin reaction layer mentioned above. Note that the above components can be verified by a simple method using an electron microscope or by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), as described below.

パッケージ51はリードフレーム30(金属端子)を有していてよい。リードフレーム30は、セラミック枠体21上に設けられており、セラミック枠体21によって放熱板11から隔てられている。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する。リードフレーム30とセラミック枠体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、例えば、Agシンター接合によって形成されてよく、その場合、上記接合材は、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る。また、この接合材に銀ろうが用いられてもよい。この場合、通常は、セラミック枠体21に銀ろう用のメタライズ層が予め形成される。メタライズ層の形成方法の一例としては、まず、セラミック枠体21および放熱板11を形成するための(詳しくは後述される)焼成工程の前に、セラミック枠体21となるグリーンシート上に、メタライズ層となるペーストが印刷される。具体的には、まずW、MoおよびCuの少なくともいずれか1つの金属粉末と、添加材、樹脂、溶剤などとを配合し、さらに必要に応じてセラミック粉末を添加し、混錬することにより、ペーストが作製される。このペーストが、前工程で準備されたグリーンシートに、例えばスクリーン印刷により印刷される。この印刷後、グリーンシートが、例えば温度110℃および時間5分間の条件で、乾燥される。あるいは、このメタライズ層は、セラミック枠体21および放熱板11を形成するための(詳しくは後述される)焼成工程の前に、セラミック枠体21となるグリーンシート上に、金属を含有するグリーンシートを積層することによって、形成されてよい。 The package 51 may have a lead frame 30 (metal terminal). The lead frame 30 is provided on the ceramic frame 21 and separated from the heat sink 11 by the ceramic frame 21. The lead frame 30 constitutes an electrical path connecting the inside and outside of the cavity CV. A bonding material (not shown) may be provided between the lead frame 30 and the ceramic frame 21 to bond them to each other. This bonding material may be formed, for example, by Ag sinter bonding, in which case the bonding material is a mixture of a thermosetting resin (eg, an epoxy resin or a silicone resin) and Ag particles. Moreover, silver solder may be used for this bonding material. In this case, a metallized layer for silver solder is usually formed on the ceramic frame 21 in advance. As an example of a method for forming a metallized layer, first, before a firing process (to be described in detail later) for forming the ceramic frame 21 and the heat sink 11, a metallized layer is formed on a green sheet that will become the ceramic frame 21. Layers of paste are printed. Specifically, first, a metal powder of at least one of W, Mo, and Cu is mixed with additives, a resin, a solvent, etc., and if necessary, ceramic powder is added and kneaded. A paste is made. This paste is printed, for example, by screen printing, on the green sheet prepared in the previous step. After this printing, the green sheet is dried, for example, at a temperature of 110° C. for 5 minutes. Alternatively, this metallized layer may be applied to a green sheet containing metal on a green sheet that will become the ceramic frame 21 before the firing process (to be described in detail later) for forming the ceramic frame 21 and the heat sink 11. It may be formed by laminating.

蓋体80(図1および図2)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。 The lid 80 (FIGS. 1 and 2) may be made of a ceramic material, which may contain alumina as a main component, for example substantially alumina. Alternatively, the lid body 80 may contain resin. The resin is, for example, a liquid crystal polymer. Note that 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 increased.

半導体素子8(図2)は、パッケージ51の放熱板11の主面P2のキャビティ面P2a(図3)上に実装されることになる。実装された半導体素子8と、セラミック枠体21の内面P3との間の距離L1(図2)は、25μm以下であってよい。距離L1はゼロであってもよい。言い換えれば、半導体素子8とセラミック枠体21の内面P3とは接触していてもよい。 The semiconductor element 8 (FIG. 2) is mounted on the cavity surface P2a (FIG. 3) of the main surface P2 of the heat sink 11 of the package 51. The distance L1 (FIG. 2) between the mounted semiconductor element 8 and the inner surface P3 of the ceramic frame 21 may be 25 μm or less. The distance L1 may be zero. In other words, the semiconductor element 8 and the inner surface P3 of the ceramic frame 21 may be in contact with each other.

半導体素子8の実装は、例えば、はんだ材(図示せず)を用いて行われてよい。半導体素子8の実装後、半導体素子8をリードフレーム30へ電気的に接続するために、ワイヤ9(図2)が形成されてよい。この形成はワイヤボンディングによって行われてよい。続いてパッケージ51へ蓋体80が取り付けられてよい。この取り付けは、接着層70を用いて行われてよい。接着層70は熱硬化性樹脂であってよい。接着層70は、セラミック枠体21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、セラミック枠体21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。 The semiconductor element 8 may be mounted using, for example, a solder material (not shown). After mounting the semiconductor device 8, wires 9 (FIG. 2) may be formed to electrically connect the semiconductor device 8 to the lead frame 30. This formation may be performed by wire bonding. Subsequently, the lid 80 may be attached to the package 51. This attachment may be performed using an adhesive layer 70. The adhesive layer 70 may be a thermosetting resin. The adhesive layer 70 is provided on the ceramic frame 21 so as to surround the cavity CV. The adhesive layer 70 may have a portion provided on the ceramic frame 21 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.

(放熱板の構成)
図4は、パッケージ51を示す図3の一部拡大図である。放熱板11は複数の層LF1~LF9を含む。ここでは、放熱板11に含まれる複数の層の数が9つの場合について詳しく説明するが、この数は放熱板11の設計に応じて選択されてよい。層LF1~LF9は、厚み方向において、放熱面P1から主面P2へと順に積層されている。複数の層LF1~LF9のそれぞれは、後述する複数のグリーンシートLG1~LG9(図7)に対応している。グリーンシートLG1~LG9(図7)の界面は、グリーンシートの積層体SGの積層界面である。この積層界面は、焼成工程後には、明確な境界としてはほとんど認識できなくなる。
(Configuration of heat sink)
FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3 showing the package 51. As shown in FIG. Heat sink 11 includes a plurality of layers LF1 to LF9. Here, a case in which the number of layers included in the heat sink 11 is nine will be described in detail, but this number may be selected depending on the design of the heat sink 11. The layers LF1 to LF9 are laminated in order from the heat dissipation surface P1 to the main surface P2 in the thickness direction. Each of the plurality of layers LF1 to LF9 corresponds to a plurality of green sheets LG1 to LG9 (FIG. 7), which will be described later. The interfaces of the green sheets LG1 to LG9 (FIG. 7) are the lamination interfaces of the green sheet laminate SG. After the firing process, this laminated interface can hardly be recognized as a clear boundary.

各層の組成比は以下のように測定することができる。図4のような断面を走査型電子顕微鏡の反射電子モードで観察すると、原子番号の違いに応じたコントラストの画像が得られる。組成がCuおよびWを含む場合、Cuよりも原子番号の大きいWの方が、反射電子の信号強度が高い。よって、Cuの割合が低い層、すなわちWの割合が高い層は、明るい画像となる。一方、Cuの割合が高い層、すなわちWの割合が低い層は、暗い画像となる。このコントラストに基づいて組成比を評価することができる。より厳密な評価方法としては、例えば、各層について、厚み方向における数点でEDXによる成分分析が行われてよい。そして、当該層の上記複数点における組成比の平均値が、各層の組成比として用いられてよい。 The composition ratio of each layer can be measured as follows. When a cross section like the one shown in FIG. 4 is observed in the backscattered electron mode of a scanning electron microscope, an image with a contrast corresponding to the difference in atomic number is obtained. When the composition includes Cu and W, W has a higher atomic number than Cu, and the signal intensity of reflected electrons is higher. Therefore, a layer with a low proportion of Cu, that is, a layer with a high proportion of W, produces a bright image. On the other hand, a layer with a high proportion of Cu, that is, a layer with a low proportion of W, produces a dark image. The composition ratio can be evaluated based on this contrast. As a more rigorous evaluation method, for example, component analysis using EDX may be performed for each layer at several points in the thickness direction. Then, the average value of the composition ratios at the plurality of points of the layer may be used as the composition ratio of each layer.

複数の層LF1~LF9の構成としては様々なものがあり得るが、以下において、第1~第3の例を挙げる。なおこれら第1~第3の例においては、層LF1~LF9の各々は、共通して複数の元素を含有している。これら複数の元素は、銅(Cu)と、タングステン(W)およびモリブデン(Mo)からなる群から選ばれた少なくとも1つの高融点金属と、を含む。以下の説明においては主に、これら複数の元素が、CuおよびWを含み、具体的にはCuおよびWの2つである場合を例として説明する。言い換えれば、以下の説明においては主に、層LF1~LF9が銅タングステン(CuW)合金である場合を例として説明する。変形例として、Wの代わりに、またはWと共に、Moが用いられてよい。CuW合金の組成比の値は、CuW合金におけるCuの重量パーセントで表すものとする。ここで、放熱板11は焼結材料からなるので、セラミック枠体を製造するための標準的な製造装置を有していれば、それを用いることによって、放熱板11の焼結材料の組成比を容易に調整することができる。 Although there may be various configurations of the plurality of layers LF1 to LF9, first to third examples will be given below. Note that in these first to third examples, each of the layers LF1 to LF9 contains a plurality of elements in common. These multiple elements include copper (Cu) and at least one high melting point metal selected from the group consisting of tungsten (W) and molybdenum (Mo). In the following explanation, the case where these plural elements include Cu and W, and specifically, two of them, Cu and W, will be explained as an example. In other words, the following explanation will mainly be based on an example in which the layers LF1 to LF9 are made of a copper-tungsten (CuW) alloy. As a variant, Mo may be used instead of or in conjunction with W. The value of the composition ratio of the CuW alloy shall be expressed in weight percent of Cu in the CuW alloy. Here, since the heat sink 11 is made of a sintered material, if you have a standard manufacturing device for manufacturing a ceramic frame, you can use it to increase the composition ratio of the sintered material of the heat sink 11. can be easily adjusted.

(複数の層の構成の第1の例)
第1の例においては、層LF1から層LF9へと線膨張係数が徐々に増加するように放熱板11が構成されている。ここで、層LF1~LF9のそれぞれが有する組成比を組成比C1~C9と称する。本例においては、組成比C1から組成比C9へと組成比(Cu含有量)が徐々に大きくされる。これにより層LF1から層LF9へと線膨張係数が徐々に増加する。
(First example of multiple layer configuration)
In the first example, the heat sink 11 is configured such that the coefficient of linear expansion gradually increases from the layer LF1 to the layer LF9. Here, the composition ratios of the layers LF1 to LF9 are referred to as composition ratios C1 to C9. In this example, the composition ratio (Cu content) is gradually increased from composition ratio C1 to composition ratio C9. As a result, the coefficient of linear expansion gradually increases from the layer LF1 to the layer LF9.

ここで、mおよびnを条件1≦m<n≦9を満たす整数とし、層LFmを第1の層とみなし、層LFnを第2の層とみなすと、本例から、以下の特徴が読み取れる。
-第1の層LFmは、第1の組成比Cmで元素CuおよびWを含有する。第2の層LFnは、第1の層LFmとセラミック枠体21との間に配置されており、第1の組成比Cmと異なる第2の組成比Cnで元素CuおよびWを含有する。
-第1の層LFmは第1の線膨張係数を有する。第2の層LFnは、第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する。
Here, if m and n are integers satisfying the condition 1≦m<n≦9, and the layer LFm is regarded as the first layer and the layer LFn is regarded as the second layer, the following characteristics can be read from this example. .
- The first layer LFm contains the elements Cu and W at a first composition ratio Cm. The second layer LFn is disposed between the first layer LFm and the ceramic frame 21, and contains elements Cu and W at a second composition ratio Cn different from the first composition ratio Cm.
- the first layer LFm has a first coefficient of linear expansion; The second layer LFn has a second linear expansion coefficient larger than the first linear expansion coefficient.

さらに、条件1≦m<5かつ5<n≦9も満たすmおよびnに着目すると、本例から、以下の特徴も読み取れる。
-第1の層LFmは、放熱面P1と、厚み方向における放熱板11のセンター位置(図4における層LF5の位置)との間に配置されている。第2の層LFnは、センター位置(図4における層LF5の位置)とセラミック枠体21との間に配置されている。
Furthermore, if we focus on m and n that satisfy the conditions 1≦m<5 and 5<n≦9, the following characteristics can also be read from this example.
- The first layer LFm is arranged between the heat dissipation surface P1 and the center position of the heat dissipation plate 11 in the thickness direction (the position of the layer LF5 in FIG. 4). The second layer LFn is arranged between the center position (the position of the layer LF5 in FIG. 4) and the ceramic frame 21.

(複数の層の構成の第2の例)
第2の例においては、層LF1~LF6およびLF9が第1の線膨張係数を有し、層LF7~LF8が第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有するように、放熱板11が構成されている。本例においては、層LF1~LF6およびLF9は組成比Cmを有しており、層LF7~LF8は、組成比Cmよりも大きい組成比Cnを有している。これにより、層LF1~LF6およびLF9の線膨張係数に比して、層LF7~LF8の線膨張係数の方が大きくなる。ここで、セラミック枠体21と放熱板11との線膨張係数の差が大き過ぎると、セラミック枠体21と放熱板11との間で剥離が生じることがある。また、パッケージ51の微妙な反り量の調整を行う必要が生じることがある。これらの問題を解決するため、層LF7~LF8の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有するLF9が積層されている。
(Second example of multiple layer configuration)
In the second example, the heat dissipation is performed such that the layers LF1 to LF6 and LF9 have a first coefficient of linear expansion, and the layers LF7 to LF8 have a second coefficient of linear expansion that is larger than the first coefficient of linear expansion. A plate 11 is constructed. In this example, the layers LF1 to LF6 and LF9 have a composition ratio Cm, and the layers LF7 to LF8 have a composition ratio Cn larger than the composition ratio Cm. As a result, the linear expansion coefficients of the layers LF7 to LF8 become larger than those of the layers LF1 to LF6 and LF9. Here, if the difference in linear expansion coefficient between the ceramic frame 21 and the heat sink 11 is too large, peeling may occur between the ceramic frame 21 and the heat sink 11. Further, it may be necessary to make subtle adjustments to the amount of warpage of the package 51. In order to solve these problems, LF9 having a coefficient of linear expansion smaller than that of layers LF7 to LF8 is laminated.

ここで、層LF1~LF6を第1の層とみなし、層LF7~LF8を第2の層とみなすと、本例から、以下の特徴が読み取れる。
-第1の層LF1~LF6は、第1の組成比Cmで元素CuおよびWを含有する。第2の層LF7~LF8は、第1の層LF1~LF6とセラミック枠体21との間に配置されており、第1の組成比Cmと異なる第2の組成比Cnで元素CuおよびWを含有する。
-第1の層LF1~LF6は第1の線膨張係数を有する。第2の層LF7~LF8は、第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する。
-第1の層LF1~LF6のうち層LF1~LF4に着目すると、上記第1の層LF1~LF6のうち第1の層LF1~LF4は、放熱面P1と、厚み方向における放熱板11のセンター位置(図4における層LF5の位置)との間に配置されている。第2の層LF7~LF8は、センター位置(図4における層LF5の位置)とセラミック枠体21との間に配置されている。
Here, if the layers LF1 to LF6 are regarded as the first layers and the layers LF7 to LF8 are regarded as the second layers, the following characteristics can be read from this example.
- The first layers LF1 to LF6 contain elements Cu and W at a first composition ratio Cm. The second layers LF7 to LF8 are arranged between the first layers LF1 to LF6 and the ceramic frame 21, and contain elements Cu and W at a second composition ratio Cn different from the first composition ratio Cm. contains.
- the first layers LF1 to LF6 have a first coefficient of linear expansion; The second layers LF7 to LF8 have a second coefficient of linear expansion larger than the first coefficient of linear expansion.
- Focusing on the layers LF1 to LF4 among the first layers LF1 to LF6, the first layers LF1 to LF4 among the first layers LF1 to LF6 have the heat dissipation surface P1 and the center of the heat dissipation plate 11 in the thickness direction. (the position of layer LF5 in FIG. 4). The second layers LF7 to LF8 are arranged between the center position (the position of the layer LF5 in FIG. 4) and the ceramic frame 21.

(複数の層の構成の第3の例)
第3の例においては、層LF1~LF3が第1の線膨張係数を有し、層LF4~LF9が第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有するように、放熱板11が構成されている。本例においては、層LF1~LF3は組成比Cmを有しており、層LF4~LF9は、組成比Cmよりも大きい組成比Cnを有している。これにより、層LF1~LF3の線膨張係数に比して、層LF4~LF9の線膨張係数の方が大きくなる。
(Third example of multiple layer configuration)
In the third example, the heat sink 11 is arranged such that the layers LF1 to LF3 have a first coefficient of linear expansion, and the layers LF4 to LF9 have a second coefficient of linear expansion larger than the first coefficient of linear expansion. is configured. In this example, the layers LF1 to LF3 have a composition ratio Cm, and the layers LF4 to LF9 have a composition ratio Cn larger than the composition ratio Cm. As a result, the linear expansion coefficients of the layers LF4 to LF9 become larger than those of the layers LF1 to LF3.

ここで、層LF1~LF3を第1の層とみなし、層LF4~LF9を第2の層とみなすと、本例から、以下の特徴が読み取れる。
-第1の層LF1~LF3は、第1の組成比Cmで元素CuおよびWを含有する。第2の層LF4~LF9は、第1の層LF1~LF3とセラミック枠体21との間に配置されており、第1の組成比Cmと異なる第2の組成比Cnで元素CuおよびWを含有する。
-第1の層LF1~LF3は第1の線膨張係数を有する。第2の層LF4~LF9は、第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する。
-第1の層LF1~LF3は、放熱面P1と、厚み方向における放熱板11のセンター位置(図4における層LF5の位置)との間に配置されている。第2の層LF4~LF9のうち層LF6~LF9に着目すると、上記第2の層LF4~LF9のうち第2の層LF6~LF9は、センター位置(図4における層LF5の位置)とセラミック枠体21との間に配置されている。
Here, if the layers LF1 to LF3 are regarded as the first layers and the layers LF4 to LF9 are regarded as the second layers, the following characteristics can be read from this example.
- The first layers LF1 to LF3 contain elements Cu and W at a first composition ratio Cm. The second layers LF4 to LF9 are arranged between the first layers LF1 to LF3 and the ceramic frame 21, and contain elements Cu and W at a second composition ratio Cn different from the first composition ratio Cm. contains.
- the first layers LF1 to LF3 have a first coefficient of linear expansion; The second layers LF4 to LF9 have a second coefficient of linear expansion larger than the first coefficient of linear expansion.
- The first layers LF1 to LF3 are arranged between the heat dissipation surface P1 and the center position of the heat dissipation plate 11 in the thickness direction (the position of the layer LF5 in FIG. 4). Focusing on the layers LF6 to LF9 among the second layers LF4 to LF9, the second layers LF6 to LF9 among the second layers LF4 to LF9 have a center position (the position of the layer LF5 in FIG. 4) and a ceramic frame. It is arranged between the body 21 and the body 21.

(パッケージの製造方法)
図5は、上記第1~第3の例のパッケージ51(図3)の製造方法を概略的に示すフロー図である。図6~図9は、当該製造方法の一工程を例示する概略部分断面図である。
(Package manufacturing method)
FIG. 5 is a flow diagram schematically showing a method for manufacturing the package 51 (FIG. 3) of the first to third examples. 6 to 9 are schematic partial cross-sectional views illustrating one step of the manufacturing method.

ステップST10(図5)にて、焼成されることによって層LF1~LF9(図4)のそれぞれとなるグリーンシートLG1~LG9(後述される図7参照)が形成される。ここで、第1の層および第2の層(前述の第1~第3の例を参照)は、層LF1~LF9に含まれる。よってステップST10(図5)は当然に、焼成されることによって第1の層とされることになる第1のグリーンシートを形成するステップST11(図5)と、焼成されることによって第2の層とされることになる第2のグリーンシートを形成するステップST12(図5)とを含む。またステップST13(図5)にて、焼成されることによってセラミック枠体21とされることになるセラミックグリーンシート21G(後述される図7参照)が形成される。 In step ST10 (FIG. 5), green sheets LG1 to LG9 (see FIG. 7, which will be described later), which become the layers LF1 to LF9 (FIG. 4), respectively, are formed by firing. Here, the first layer and the second layer (see the first to third examples above) are included in the layers LF1 to LF9. Therefore, step ST10 (FIG. 5) naturally includes step ST11 (FIG. 5) in which the first green sheet is formed by firing to become the first layer, and step ST11 (FIG. 5) in which the first green sheet is formed by firing to become the first layer. Step ST12 (FIG. 5) of forming a second green sheet to be used as a layer is included. Further, in step ST13 (FIG. 5), a ceramic green sheet 21G (see FIG. 7 described later) which will be fired to form the ceramic frame 21 is formed.

グリーンシートを形成するためには、まずスラリーが準備される。スラリーは、焼結体の成分となる粉末を、樹脂、可塑剤および溶剤などとボールミルによって混合することによって得られる。セラミック枠体21を形成するためのスラリー用の上記粉末は、例えば、主成分のAl粉末と、焼結助剤のSiO粉末および/またはMnCO粉末と、などである。放熱板11の層LF1~LF9を形成するためのスラリー用の上記粉末は、Cu粉末およびW粉末などである。スラリーはドクターブレード法によりグリーンシートに加工される。グリーンシートの平面形状は、目的とする部品の形状に応じて決定される。放熱板11を形成するためのグリーンシートの平面形状は、通常、略矩形形状とされる。セラミック枠体21を形成するためのセラミックグリーンシート21Gの平面形状は、キャビティCV(図3)に対応する部分が除去された枠状形状とされる。具体的には、セラミックグリーンシート21Gは、ドクターブレード法によって単純なシートとして形成された後、キャビティCVに対応する部分が除去される。 To form a green sheet, first a slurry is prepared. The slurry is obtained by mixing powder, which is a component of the sintered body, with a resin, a plasticizer, a solvent, and the like using a ball mill. The powders for the slurry for forming the ceramic frame 21 include, for example, Al 2 O 3 powder as the main component, SiO 2 powder and/or MnCO 3 powder as a sintering aid, and the like. The powders for the slurry for forming the layers LF1 to LF9 of the heat sink 11 include Cu powder and W powder. The slurry is processed into green sheets using the doctor blade method. The planar shape of the green sheet is determined depending on the shape of the intended part. The planar shape of the green sheet for forming the heat sink 11 is usually approximately rectangular. The planar shape of the ceramic green sheet 21G for forming the ceramic frame 21 is a frame shape with a portion corresponding to the cavity CV (FIG. 3) removed. Specifically, the ceramic green sheet 21G is formed as a simple sheet by a doctor blade method, and then the portion corresponding to the cavity CV is removed.

ステップST20(図5)にて、グリーンシートLG1~LG9(図7)とセラミックグリーンシート21Gとが積層されることによって、積層体SG(図6および図7)が形成される。なお積層体SGは、グリーンシートLG1~LG9の積層体11Gを含む。積層体11Gは、焼成されることによって放熱板11(図4)とされることになるものである。積層体SGにおいて、焼成されることによって第1の層(前述の第1~第3の例を参照)とされることになる第1のグリーンシートと、焼成されることによって第2の層(前述の第1~第3の例を参照)とされることになる第2のグリーンシートと、焼成されることによってセラミック枠体21とされることになるセラミックグリーンシート21Gとが、積層されている。 In step ST20 (FIG. 5), the green sheets LG1 to LG9 (FIG. 7) and the ceramic green sheet 21G are laminated to form a laminate SG (FIGS. 6 and 7). Note that the laminate SG includes a laminate 11G of green sheets LG1 to LG9. The laminate 11G will become the heat sink 11 (FIG. 4) by being fired. In the laminate SG, a first green sheet that is fired to become a first layer (see the above-mentioned first to third examples) and a second green sheet that is fired to become a second layer (see the above-mentioned first to third examples). The second green sheet, which will be used as the first to third examples (see the above-mentioned first to third examples), and the ceramic green sheet 21G, which will be fired to form the ceramic frame 21, are laminated. There is.

次に、後述するブレイクが行われることになる位置において、刃先CT(図6)による機械加工、またはレーザ加工装置(図示せず)によるレーザ加工を用いて、積層体11Gおよびセラミックグリーンシート21Gの各々の表面にトレンチ(図示せず)が形成されてよい。 Next, the laminated body 11G and the ceramic green sheet 21G are formed at a position where a break will be performed, which will be described later, using machining using a cutting edge CT (FIG. 6) or laser processing using a laser processing device (not shown). A trench (not shown) may be formed in each surface.

ステップST30(図5)にて、積層体SG(図6)が焼成される。これにより、積層体SGが焼成体SF(図8)へと変化する。焼成温度は、例えば、1100℃以上1400℃である。焼成温度が1100℃以上であることによって、積層体SGをCuの融点より高い温度へ加熱することができる。これにより、Cuを含有する放熱板11を高品質で形成することができる。一方、焼成温度が1400℃以下であることによって、焼成温度が過度に高いことに起因しての工程上の困難を避けることができる。 In step ST30 (FIG. 5), the stacked body SG (FIG. 6) is fired. Thereby, the stacked body SG changes into the fired body SF (FIG. 8). The firing temperature is, for example, 1100°C or higher and 1400°C. By setting the firing temperature to 1100° C. or higher, the laminate SG can be heated to a temperature higher than the melting point of Cu. Thereby, the heat sink 11 containing Cu can be formed with high quality. On the other hand, by setting the firing temperature to 1400° C. or lower, it is possible to avoid process difficulties caused by excessively high firing temperatures.

次に、前述したトレンチを起点としてのブレイク工程が、破線BR(図8)に示すように行われる。その結果、焼成体SFが複数の部分へと分割される。これにより、複数のパッケージ51(図3)に対応する複数の焼成体SFが得られる(図9)。 Next, a breaking process starting from the trench described above is performed as shown by the broken line BR (FIG. 8). As a result, the fired body SF is divided into multiple parts. Thereby, a plurality of fired bodies SF corresponding to the plurality of packages 51 (FIG. 3) are obtained (FIG. 9).

次に、焼成体SFへ、リードフレーム30(図3)が取り付けられる。これにより、パッケージ51(図3)が得られる。 Next, the lead frame 30 (FIG. 3) is attached to the fired body SF. Thereby, a package 51 (FIG. 3) is obtained.

なお上記製造方法において、焼成工程後の適当なタイミングで、めっき処理が行われてよい。また上記製造方法は、前述したように一例であり、様々な変形例が適用され得る。例えば、焼成体SFに対してブレイク工程が行われる代わりに、焼成前の積層体SGに対して切断処理が行われてもよい。また、半導体素子8(図2)の実装は、上記製造方法によればブレイク工程後のタイミングで行われることになるが、当該タイミングに代わって、焼成工程後かつブレイク工程の前のタイミングで行われてもよい。 Note that in the above manufacturing method, plating treatment may be performed at an appropriate timing after the firing step. Further, the above manufacturing method is an example as described above, and various modifications may be applied. For example, instead of performing a breaking process on the fired body SF, a cutting process may be performed on the laminate SG before firing. Further, according to the above manufacturing method, the semiconductor element 8 (FIG. 2) is mounted at a timing after the breaking process, but instead of this timing, it is carried out at a timing after the baking process and before the breaking process. It's okay to be hurt.

図10は、比較例のパッケージ59の構成を示す概略断面図である。図11は、パッケージ59を用いた、比較例の半導体モジュール99の構成を示す概略断面図である。パッケージ59は、放熱板11およびセラミック枠体21(図3:実施の形態1)に代わって、放熱板19およびセラミック枠体29を有している。セラミック枠体29は、セラミック材料からなり、これは典型的にはアルミナである。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a package 59 of a comparative example. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor module 99 of a comparative example using the package 59. The package 59 has a heat sink 19 and a ceramic frame 29 instead of the heat sink 11 and the ceramic frame 21 (FIG. 3: Embodiment 1). Ceramic frame 29 is made of a ceramic material, typically alumina.

放熱板19の材料は、熱伝導率の観点からは純銅がよい。しかし銅の線膨張係数はアルミナの線膨張係数よりも大きい。セラミック枠体29と放熱板19とをろう材で接合する工程で、ろう材を溶融させるための加熱後の冷却過程において、ろう材が硬化した後、放熱板19の主面P2側はセラミック枠体29に拘束されて収縮が抑制される一方、放熱面P1側では収縮は抑制されない。その結果、パッケージ59には、図10において上方へ凸状の反りが生じる。そこで、放熱板19の線膨張係数をより小さくしてアルミナの線膨張係数に近づけることが考えられる。例えば、タングステンおよびモリブデンはアルミナよりも線膨張係数が小さいので、放熱板19の材料にこれら金属元素を利用することが考えられる。その場合、放熱板19の材料は、典型的には、含侵法によって形成された銅タングステン合金材料、または、銅と銅モリブデン合金との積層構造を有するクラッド材料である。前者の材料の場合、放熱板19はその全体においてほぼ均一な線膨張係数を有するので、熱応力に起因してのパッケージ59の反りを抑制するように厚み方向において線膨張係数を変化させることはできない。後者の材料の場合、積層構造における各層の線膨張係数の設計の融通性が低い。仮に、多くの種類の金属板をクラッド材料へ適用することが可能であるならば、設計の融通性は、ある程度確保されるかもしれない。しかしながら、多くの種類の金属板を準備することは、製造上、大きな負担となりやすい。よって、熱応力に起因してのパッケージ59の反りを十分かつ容易に抑制することが困難である。 The material for the heat sink 19 is preferably pure copper from the viewpoint of thermal conductivity. However, the linear expansion coefficient of copper is larger than that of alumina. In the process of joining the ceramic frame 29 and the heat sink 19 with a brazing material, in the cooling process after heating to melt the brazing material, after the brazing material has hardened, the main surface P2 side of the heat sink 19 is attached to the ceramic frame. While the shrinkage is suppressed by being restrained by the body 29, the shrinkage is not suppressed on the heat radiation surface P1 side. As a result, the package 59 is warped in an upwardly convex manner in FIG. Therefore, it is conceivable to make the linear expansion coefficient of the heat sink 19 smaller so that it approaches the linear expansion coefficient of alumina. For example, since tungsten and molybdenum have a smaller coefficient of linear expansion than alumina, it is possible to use these metal elements as the material for the heat sink 19. In that case, the material of the heat sink 19 is typically a copper-tungsten alloy material formed by an impregnation method, or a cladding material having a laminated structure of copper and a copper-molybdenum alloy. In the case of the former material, the heat sink 19 has a substantially uniform coefficient of linear expansion over its entirety, so it is difficult to change the coefficient of linear expansion in the thickness direction to suppress warping of the package 59 due to thermal stress. Can not. In the case of the latter material, there is little flexibility in designing the coefficient of linear expansion of each layer in the laminated structure. If it were possible to apply many types of metal plates to the cladding material, some degree of design flexibility might be ensured. However, preparing many types of metal plates tends to be a heavy burden on manufacturing. Therefore, it is difficult to sufficiently and easily suppress warping of the package 59 due to thermal stress.

セラミック枠体29は放熱板19へ、ろう材26によって接合されている。ろう材26は、その形成時には流動性を有しており、図10に示されているように、セラミック枠体29の内周面(キャビティCVに面する面)よりも内側へと流れ込む。ろう材26のうちキャビティCV内へ流れ込んだ部分は、キャビティCVの縁においてフィレット26fを形成する。流れ込む距離、言い換えればフィレット26fの幅寸法は、25μmよりも大きくなりやすい。よって、フィレット26fと半導体素子8とが互いに干渉する可能性を十分低くするためには、半導体素子8とセラミック枠体29の内面との間の距離L9(図11)を、25μmよりも大きくする必要がある。このように半導体素子8とセラミック枠体29との間に大きな間隔を空けなければならない結果、キャビティCV中の実装面積(半導体素子8を実装することができる領域の面積)が小さくなってしまう。また、ワイヤ9の長さが大きくなり、このことは通常、インダクタンスの意図しない増加のような、電気的特性の悪化につながる。 The ceramic frame 29 is joined to the heat sink 19 by a brazing material 26. The brazing material 26 has fluidity when it is formed, and as shown in FIG. 10, flows inward from the inner peripheral surface (the surface facing the cavity CV) of the ceramic frame 29. The portion of the brazing material 26 that has flowed into the cavity CV forms a fillet 26f at the edge of the cavity CV. The distance into which the fillet flows, in other words, the width dimension of the fillet 26f tends to be larger than 25 μm. Therefore, in order to sufficiently reduce the possibility that the fillet 26f and the semiconductor element 8 interfere with each other, the distance L9 (FIG. 11) between the semiconductor element 8 and the inner surface of the ceramic frame 29 is set to be larger than 25 μm. There is a need. As a result of having to leave a large space between the semiconductor element 8 and the ceramic frame 29 in this way, the mounting area in the cavity CV (the area of the area where the semiconductor element 8 can be mounted) becomes small. Also, the length of the wire 9 increases, which usually leads to deterioration of the electrical properties, such as an unintended increase in inductance.

ろう材26としては、典型的には、Agろう材が用いられる。ろう材26がAgを含有する場合において、放熱板19の電位を基準としてリードフレーム30に負電位が長期間印加されると、矢印MG(図11)に示すようにAgマイグレーションが発生しやすい。このAgマイグレーションによって、放熱板19とリードフレーム30との間の電気的絶縁性が不十分となることがある。 As the brazing filler metal 26, an Ag brazing filler metal is typically used. When the brazing filler metal 26 contains Ag, if a negative potential is applied to the lead frame 30 for a long period with reference to the potential of the heat sink 19, Ag migration tends to occur as shown by arrow MG (FIG. 11). Due to this Ag migration, the electrical insulation between the heat sink 19 and the lead frame 30 may become insufficient.

また、ろう材26が形成される際には、溶融したろう材26の濡れ性が確保されている必要がある。その目的で、セラミック材料からなるセラミック枠体29の、ろう材26に面する表面には、溶融したろう材26に対して高い濡れ性を有するめっき層を形成しておく必要がある。また、このめっき層を形成する準備として、通常、セラミック枠体29にメタライズ層を形成する必要がある。 Furthermore, when the brazing filler metal 26 is formed, wettability of the molten brazing filler metal 26 needs to be ensured. For this purpose, it is necessary to form a plating layer having high wettability to the molten brazing material 26 on the surface of the ceramic frame 29 made of a ceramic material that faces the brazing material 26. Further, in preparation for forming this plating layer, it is usually necessary to form a metallized layer on the ceramic frame 29.

本実施の形態1によれば、前述の第1~第3の例において説明したように、放熱板11が含む第1の層は、第1の組成比で複数の元素を含有し、第1の線膨張係数を有する。さらに、放熱板11が含む第2の層は、第1の層とセラミック枠体21との間に配置され、第1の組成比と異なる第2の組成比で複数の元素を含有し、第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する。これらの特徴によれば、第1の層は第2の層に比して、放熱面P1の近くに配置され、かつ小さな線膨張係数を有する。よって、降温時における放熱板11の放熱面P1側の収縮が小さくなるので、パッケージ51の反り(具体的には、図3における上方へ凸の反り)が抑制される。よって、放熱板11とセラミック枠体21との間の線膨張係数の差異に起因してのパッケージ51の反りが抑制される。この反りは、放熱板11をなす焼結材料の組成比の値および分布を最適化することによって、容易かつ十分に抑制することができる。以上から、放熱板11とセラミック枠体21との間の線膨張係数の差異に起因してのパッケージ51の反りを、十分かつ容易に抑制することができる。 According to the first embodiment, as explained in the first to third examples above, the first layer included in the heat sink 11 contains a plurality of elements in the first composition ratio, and It has a linear expansion coefficient of Further, the second layer included in the heat sink 11 is disposed between the first layer and the ceramic frame 21, contains a plurality of elements at a second composition ratio different from the first composition ratio, and contains a plurality of elements at a second composition ratio different from the first composition ratio. It has a second linear expansion coefficient that is larger than the first linear expansion coefficient. According to these characteristics, the first layer is disposed closer to the heat radiation surface P1 and has a smaller coefficient of linear expansion than the second layer. Therefore, the shrinkage of the heat dissipation surface P1 side of the heat dissipation plate 11 when the temperature falls is reduced, so that the warpage of the package 51 (specifically, the upward convex warpage in FIG. 3) is suppressed. Therefore, warping of the package 51 due to the difference in linear expansion coefficient between the heat sink 11 and the ceramic frame 21 is suppressed. This warpage can be easily and sufficiently suppressed by optimizing the composition ratio and distribution of the sintered material forming the heat sink 11. As described above, warping of the package 51 due to the difference in linear expansion coefficient between the heat sink 11 and the ceramic frame 21 can be sufficiently and easily suppressed.

また、放熱板11が含む第1の層は、放熱板11の放熱面P1と、厚み方向における放熱板11のセンター位置との間に配置され、第1の線膨張係数を有する。さらに、放熱板11が含む第2の層は、当該センター位置とセラミック枠体21との間に配置され、第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する。これらの特徴によれば、第1の層は第2の層に比して、放熱面P1の近くに配置され、かつ小さな線膨張係数を有する。よって、降温時における放熱板11の放熱面P1側の収縮が小さくなるので、パッケージ51の反り(具体的には、図3における上方へ凸の反り)が抑制される。よって、放熱板11とセラミック枠体21との間の線膨張係数の差異に起因してのパッケージ51の反りが抑制される。この反りは、放熱板11をなす焼結材料の組成比の値および分布を最適化することによって、容易かつ十分に抑制することができる。以上から、放熱板11とセラミック枠体21との間の線膨張係数の差異に起因してのパッケージ51の反りを、十分かつ容易に抑制することができる。 Further, the first layer included in the heat sink 11 is disposed between the heat sink surface P1 of the heat sink 11 and the center position of the heat sink 11 in the thickness direction, and has a first linear expansion coefficient. Furthermore, the second layer included in the heat sink 11 is disposed between the center position and the ceramic frame 21, and has a second coefficient of linear expansion larger than the first coefficient of linear expansion. According to these characteristics, the first layer is disposed closer to the heat radiation surface P1 and has a smaller coefficient of linear expansion than the second layer. Therefore, the shrinkage of the heat dissipation surface P1 side of the heat dissipation plate 11 when the temperature falls is reduced, so that the warpage of the package 51 (specifically, the upward convex warpage in FIG. 3) is suppressed. Therefore, warping of the package 51 due to the difference in linear expansion coefficient between the heat sink 11 and the ceramic frame 21 is suppressed. This warpage can be easily and sufficiently suppressed by optimizing the composition ratio and distribution of the sintered material forming the heat sink 11. As described above, warping of the package 51 due to the difference in linear expansion coefficient between the heat sink 11 and the ceramic frame 21 can be sufficiently and easily suppressed.

また、セラミック枠体21と、放熱板11とが直接に接合される。これにより、セラミック枠体21と、放熱板11との接合に、ろう材26(図11:比較例)を必要としない。よって、キャビティCV内へ流れ込んだろう材26が半導体素子8の実装の妨げとなることが避けられる。よって、半導体素子8とセラミック枠体21の内面P3との間の距離L1(図2)を小さくすることができ、例えば25μm以下とすることができる。言い換えれば、半導体素子8をセラミック枠体21に近接させて実装することができる。よって、キャビティCV中の実装面積を、より大きくすることができる。またワイヤ9の長さが小さくなり、これは通常、電気的特性の良化につながる。また、ろう材26(図11:比較例)を用いる必要がないので、ろう材が含有しているAgのマイグレーション現象が放熱板11とリードフレーム30との間で発生することを避けることができる。また、ろう材26の濡れ性を確保するための層(典型的には、前述しためっき層およびメタライズ層)を必要としない。 Moreover, the ceramic frame 21 and the heat sink 11 are directly joined. Thereby, the brazing material 26 (FIG. 11: comparative example) is not required for joining the ceramic frame 21 and the heat sink 11. Therefore, the brazing material 26 flowing into the cavity CV can be prevented from interfering with the mounting of the semiconductor element 8. Therefore, the distance L1 (FIG. 2) between the semiconductor element 8 and the inner surface P3 of the ceramic frame 21 can be made small, for example, 25 μm or less. In other words, the semiconductor element 8 can be mounted close to the ceramic frame 21. Therefore, the mounting area in the cavity CV can be made larger. Also, the length of the wire 9 is reduced, which usually leads to improved electrical properties. Furthermore, since there is no need to use the brazing filler metal 26 (FIG. 11: comparative example), it is possible to avoid the migration phenomenon of Ag contained in the brazing filler metal from occurring between the heat sink 11 and the lead frame 30. . Further, a layer for ensuring wettability of the brazing material 26 (typically, the above-mentioned plating layer and metallized layer) is not required.

放熱板11(図2)は、セラミック枠体21の外面P4aに平らにつながった側面P4bを有していてよい。この場合、外面P4aと側面P4bとの間の箇所がパッケージ51の破壊の起点となることを避けつつ、実装面積(半導体素子8などを実装可能な領域の面積)を確保しやすい。このような側面P4bの一部はブレイク工程(図8)における破断面であってよい。側面P4bが外面P4aに平らにつながっていない典型的な形態としては、外面P4aが側面P4bから外側にはみ出している形態、または、外面P4aが側面P4bの内側に位置している形態がある。前者の形態においては、はみ出した部分が破壊の起点となる恐れがある。後者の形態においては、セラミック枠体21の外縁が内側に寄るので、セラミック枠体21の幅が所定の寸法に維持される必要がある限り、セラミック枠体21の内縁も内側に寄り、その結果、実装面積が小さくなる。 The heat sink 11 (FIG. 2) may have a side surface P4b flatly connected to the outer surface P4a of the ceramic frame 21. In this case, the mounting area (the area of the area where the semiconductor element 8 and the like can be mounted) can be easily secured while avoiding the location between the outer surface P4a and the side surface P4b from becoming a starting point for destruction of the package 51. A part of such side surface P4b may be a fractured surface in the breaking process (FIG. 8). Typical forms in which the side surface P4b is not flatly connected to the outer surface P4a include a form in which the outer surface P4a protrudes outward from the side surface P4b, or a form in which the outer surface P4a is located inside the side surface P4b. In the former form, there is a risk that the protruding portion may become a starting point for destruction. In the latter configuration, since the outer edge of the ceramic frame 21 is inward, the inner edge of the ceramic frame 21 is also inward, as long as the width of the ceramic frame 21 needs to be maintained at a predetermined dimension. , the mounting area becomes smaller.

なお変形例として、セラミック枠体21が取り付けられていない放熱板11(図3)が作製されてよい。例えば、焼成体SFの製造方法において、セラミックグリーンシート21G(図6)の形成を省略することによって、他の部材が取り付けられていない放熱板11が得られる。そのようにして得られた放熱板11へ他の部材が取り付けられてよく、例えば、枠体が取り付けられれば、パッケージが得られる。 Note that as a modification, the heat sink 11 (FIG. 3) to which the ceramic frame 21 is not attached may be produced. For example, in the method for manufacturing the fired body SF, by omitting the formation of the ceramic green sheet 21G (FIG. 6), the heat sink 11 to which no other members are attached can be obtained. Other members may be attached to the heat sink 11 thus obtained. For example, if a frame is attached, a package is obtained.

<キャビティに関連しての変形例>
上記実施の形態1のパッケージ51はキャビティCV(図2)を有しているが、変形例として、キャビティCVの有無を問わない構成が用いられてよい。具体的には、キャビティCVを構成するセラミック枠体21に代わってセラミック基体が用いられてよく、その場合、セラミック枠体21の代わりにセラミック基体が放熱板11に取り付けられる。具体的には、放熱板11と、放熱板11の主面P2上に配置されたセラミック基体と、の接合体が用いられてよい。この接合体はキャビティCVを有していなくてよい。セラミック基体は、例えばセラミック平板である。セラミック平板は、放熱板11の主面P2に取り付けられた第1の面と、当該第1の面と反対の第2の面とを有している。セラミック平板の第2の面にはリードフレーム30が取り付けられていてよい。半導体モジュールを作製するために、セラミック平板の第2の面上に半導体素子8が実装されてよい。上記接合体がキャビティCVを有していなくても、例えば、下側(半導体素子8に面することになる側)にキャビティを有する蓋体80(図2参照)が取り付けられることによって、半導体素子8をキャビティ内に封止することができる。
<Modifications related to cavities>
Although the package 51 of the first embodiment has the cavity CV (FIG. 2), as a modification, a configuration with or without the cavity CV may be used. Specifically, a ceramic base may be used instead of the ceramic frame 21 constituting the cavity CV, and in that case, the ceramic base is attached to the heat sink 11 instead of the ceramic frame 21. Specifically, a joined body of the heat sink 11 and a ceramic base disposed on the main surface P2 of the heat sink 11 may be used. This joint may not have a cavity CV. The ceramic substrate is, for example, a ceramic flat plate. The ceramic flat plate has a first surface attached to the main surface P2 of the heat sink 11 and a second surface opposite to the first surface. A lead frame 30 may be attached to the second surface of the ceramic flat plate. To produce a semiconductor module, a semiconductor element 8 may be mounted on the second side of the ceramic flat plate. Even if the above-mentioned bonded body does not have a cavity CV, the semiconductor element 8 can be sealed within the cavity.

<実施の形態2~5>
図12は、前述した本実施の形態1に係るパッケージ51(図3)が有する放熱板11およびセラミック枠体21の構成を示す概略断面図である。なお説明の便宜上、図3の図示よりも図12の図示は簡素化されている。図12と対比しつつ、実施の形態2~6のそれぞれに係るパッケージ52~56の構成について、以下に説明する。
<Embodiments 2 to 5>
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the heat sink 11 and the ceramic frame 21 included in the package 51 (FIG. 3) according to the first embodiment described above. Note that for convenience of explanation, the illustration in FIG. 12 is simpler than the illustration in FIG. 3. The configurations of packages 52 to 56 according to embodiments 2 to 6, respectively, will be described below in comparison with FIG. 12.

図13は、本実施の形態2に係るパッケージ52の構成を示す概略断面図である。パッケージ52は、セラミック枠体21(図12)に代わって、セラミック枠体22を有している。セラミック枠体22(具体的にはその内側部分)は放熱板11の主面P2上に配置されている。厚み方向における位置に関して、セラミック枠体22は、放熱板11の主面P2の上方の位置から、放熱板11の主面P2と放熱面P1との間の範囲内へと延びている。なおセラミック枠体22はさらに延びていてよく、図13に示された例においては、放熱板11の放熱面P1の位置まで延びている。セラミック枠体22は放熱板11の側面P4bから離れている。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the package 52 according to the second embodiment. The package 52 has a ceramic frame 22 instead of the ceramic frame 21 (FIG. 12). The ceramic frame 22 (specifically, the inner part thereof) is arranged on the main surface P2 of the heat sink 11. Regarding the position in the thickness direction, the ceramic frame 22 extends from a position above the main surface P2 of the heat sink 11 to a range between the main surface P2 of the heat sink 11 and the heat radiation surface P1. Note that the ceramic frame 22 may extend further, and in the example shown in FIG. 13, it extends to the position of the heat dissipation surface P1 of the heat dissipation plate 11. The ceramic frame 22 is separated from the side surface P4b of the heat sink 11.

図14は、本実施の形態3に係るパッケージ53の構成を示す概略断面図である。パッケージ53は、セラミック枠体21(図12)に代わって、セラミック枠体23を有している。セラミック枠体23は、放熱板11の主面P2上に配置された板状の基部23aと、基部23aを介して放熱板11に固定された枠体部23bとを有している。なお基部23aと枠体部23bとの境界(図中、破線)は仮想的なものであってよい。枠体部23bは内面P3を有している。放熱板11の主面P2は、本実施の形態3においては、セラミック枠体23の基部23aに直接に接合された接合面P2bを有している。図14に示された例においては、主面P2の全部が接合面P2bである。また本実施の形態3においては、放熱板11のキャビティ面P2aは、セラミック枠体23の基部23aを介してキャビティCVに面している。よって本実施の形態3においても、キャビティ面P2aは、キャビティCVに面しているといえる。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the package 53 according to the third embodiment. The package 53 has a ceramic frame 23 instead of the ceramic frame 21 (FIG. 12). The ceramic frame 23 has a plate-shaped base 23a disposed on the main surface P2 of the heat sink 11, and a frame portion 23b fixed to the heat sink 11 via the base 23a. Note that the boundary between the base portion 23a and the frame portion 23b (broken line in the figure) may be virtual. The frame portion 23b has an inner surface P3. In the third embodiment, the main surface P2 of the heat sink 11 has a joint surface P2b directly joined to the base 23a of the ceramic frame 23. In the example shown in FIG. 14, the entire main surface P2 is the joint surface P2b. Further, in the third embodiment, the cavity surface P2a of the heat sink 11 faces the cavity CV via the base 23a of the ceramic frame 23. Therefore, in the third embodiment as well, it can be said that the cavity surface P2a faces the cavity CV.

図15は、本実施の形態4に係るパッケージ54の構成を示す概略断面図である。パッケージ54は、セラミック枠体21(図12)に代わって、セラミック枠体24を有している。セラミック枠体24(具体的にはその内側部分)は放熱板11の主面P2上に配置されている。厚み方向における位置に関して、セラミック枠体24は、放熱板11の主面P2の上方の位置から、放熱板11の主面P2と放熱面P1との間の範囲内へと延びている。なおセラミック枠体24はさらに延びていてよく、図15に示された例においては、放熱板11の放熱面P1の位置まで延びている。放熱板11の側面P4bは、セラミック枠体24に直接に接合された接合面を有している。図15に示された例においては、側面P4bの全部が接合面であるが、側面P4bの一部のみが接合面であってもよい。 FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the package 54 according to the fourth embodiment. The package 54 has a ceramic frame 24 instead of the ceramic frame 21 (FIG. 12). The ceramic frame 24 (specifically, the inner part thereof) is arranged on the main surface P2 of the heat sink 11. Regarding the position in the thickness direction, the ceramic frame 24 extends from a position above the main surface P2 of the heat sink 11 to a range between the main surface P2 and the heat sink P1 of the heat sink 11. Note that the ceramic frame 24 may extend further, and in the example shown in FIG. 15, it extends to the position of the heat dissipation surface P1 of the heat dissipation plate 11. The side surface P4b of the heat sink 11 has a joint surface directly joined to the ceramic frame 24. In the example shown in FIG. 15, the entire side surface P4b is a joint surface, but only a part of the side surface P4b may be a joint surface.

パッケージ54は、下層LY1と上層LY2との積層体を焼成することによって製造され得る。下層LY1は、例えば、次のように形成される。まず、焼成されることによってセラミック枠体24となる材料からなる第1の未焼成層が形成される。次に、第1の未焼成層に、放熱板11が配置される領域に対応した貫通孔が金型を用いて形成される。次に、上記貫通孔を覆うように第1の未焼成層上に、焼成されることによって放熱板11となる部分を含む第2の未焼成層が積層される。次に、上記金型を再度用いて上記貫通孔内に第2の未焼成層の上記部分が押し込まれる。次に、第2の未焼成層のうち、金型によって押し込まれなかった部分、言い換えれば第1の未焼成層の上面上に残存した部分、が除去される。これにより、下層LY1が得られる。上層LY2は、焼成されることによってセラミック枠体24となる材料からなる未焼成層から、キャビティCVに対応する部分を除去することによって得られる。下層LY1と上層LY2との積層体を焼成することによって、パッケージ54が得られる。なお、これに類した工法によって、後述するパッケージ55(図16)も製造され得る。 The package 54 can be manufactured by firing a stack of the lower layer LY1 and the upper layer LY2. For example, the lower layer LY1 is formed as follows. First, a first unfired layer made of a material that becomes the ceramic frame 24 by firing is formed. Next, a through hole corresponding to the area where the heat sink 11 is arranged is formed in the first unfired layer using a mold. Next, a second unfired layer including a portion that will become the heat sink 11 by being fired is laminated on the first unfired layer so as to cover the through hole. Next, the mold is used again to push the portion of the second unfired layer into the through hole. Next, the portion of the second green layer that was not pressed in by the mold, in other words, the portion remaining on the top surface of the first green layer is removed. Thereby, the lower layer LY1 is obtained. The upper layer LY2 is obtained by removing a portion corresponding to the cavity CV from an unfired layer made of a material that becomes the ceramic frame 24 by firing. The package 54 is obtained by firing the laminate of the lower layer LY1 and the upper layer LY2. Note that a package 55 (FIG. 16), which will be described later, can also be manufactured by a method similar to this.

図16は、本実施の形態5に係るパッケージ55の構成を示す概略断面図である。パッケージ55は、放熱板11およびセラミック枠体21(図12)に代わって、放熱板15およびセラミック枠体25を有している。セラミック枠体25(具体的にはその内側部分)は放熱板15の主面P2上に配置されている。放熱板15は、支持部15bと、支持部15bの一部の上に設けられたキャビティ部15aと、を有している。キャビティ部15aと支持部15bとの境界(図16における破線)は、仮想的なものであってよい。放熱板15の主面P2は、キャビティ部15aからなるキャビティ面P2aと、支持部15bからなる接合面P2bと、を有している。放熱板15の主面P2においては、厚み方向において、キャビティ面P2aの位置と、接合面P2bの位置とが異なっており、後者の位置の方が放熱面P1に近い。キャビティ面P2aと接合面P2bとは、互いにおおよそ平行な面であってよい。主面P2はさらに、キャビティ部15aからなりキャビティ面P2aと接合面P2bとを互いにつなぐ側壁面P2cを有していてよい。放熱板15の側壁面P2cは、おおよそ厚み方向に沿っていてよい。側壁面P2cはセラミック枠体25に直接に接合された接合面であってよい。支持部15bの側面P4bは、セラミック枠体25に直接に接合された接合面を有していてよい。 FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a package 55 according to the fifth embodiment. The package 55 has a heat sink 15 and a ceramic frame 25 instead of the heat sink 11 and the ceramic frame 21 (FIG. 12). The ceramic frame 25 (specifically, the inner part thereof) is arranged on the main surface P2 of the heat sink 15. The heat sink 15 includes a support portion 15b and a cavity portion 15a provided on a portion of the support portion 15b. The boundary between the cavity portion 15a and the support portion 15b (broken line in FIG. 16) may be virtual. The main surface P2 of the heat sink 15 has a cavity surface P2a consisting of the cavity portion 15a and a joint surface P2b consisting of the support portion 15b. In the main surface P2 of the heat dissipation plate 15, the position of the cavity surface P2a and the position of the joint surface P2b are different in the thickness direction, and the latter position is closer to the heat dissipation surface P1. The cavity surface P2a and the bonding surface P2b may be surfaces that are approximately parallel to each other. The main surface P2 may further include a side wall surface P2c that is made up of the cavity portion 15a and connects the cavity surface P2a and the joint surface P2b. The side wall surface P2c of the heat sink 15 may be approximately along the thickness direction. The side wall surface P2c may be a joint surface directly joined to the ceramic frame 25. The side surface P4b of the support portion 15b may have a joint surface directly joined to the ceramic frame 25.

8 :半導体素子
9 :ワイヤ(配線部材)
11,15:放熱板
21~25:セラミック枠体
31G :セラミックグリーンシート
30 :リードフレーム(金属端子)
51~55:パッケージ
70 :接着層
80 :蓋体
90 :半導体モジュール
CV :キャビティ
P1 :放熱面
P2 :主面
P2a :キャビティ面
P2b :接合面
P3 :内面
P4a :外面
P4b :側面
SF :焼成体
SG :積層体
8: Semiconductor element 9: Wire (wiring member)
11, 15: Heat sink 21-25: Ceramic frame 31G: Ceramic green sheet 30: Lead frame (metal terminal)
51 to 55: Package 70: Adhesive layer 80: Lid body 90: Semiconductor module CV: Cavity P1: Heat dissipation surface P2: Main surface P2a: Cavity surface P2b: Bonding surface P3: Inner surface P4a: Outer surface P4b: Side surface SF: Sintered body SG : Laminate

Claims (9)

キャビティを有するパッケージであって、
金属を含有する焼結材料からなり、放熱面と、厚み方向において前記放熱面と反対の主面とを有する放熱板と、
前記放熱板の前記主面上に配置され、前記キャビティを囲む内面を有するセラミック枠体と、
を備え、
前記放熱板は、
第1の組成比で複数の元素を含有し、第1の線膨張係数を有する第1の層と、
前記第1の層と前記セラミック枠体との間に配置され、前記第1の組成比と異なる第2の組成比で前記複数の元素を含有し、前記第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する第2の層と、
を含む、パッケージ。
A package having a cavity,
a heat dissipation plate made of a sintered material containing metal and having a heat dissipation surface and a main surface opposite to the heat dissipation surface in the thickness direction;
a ceramic frame disposed on the main surface of the heat sink and having an inner surface surrounding the cavity;
Equipped with
The heat sink is
a first layer containing a plurality of elements in a first composition ratio and having a first coefficient of linear expansion;
A first layer disposed between the first layer and the ceramic frame, containing the plurality of elements at a second composition ratio different from the first composition ratio, and having a coefficient of linear expansion greater than the first coefficient of linear expansion. a second layer having a linear expansion coefficient of 2;
Including the package.
請求項1に記載のパッケージであって、
前記放熱板の前記第1の層は、前記放熱板の前記放熱面と、前記厚み方向における前記放熱板のセンター位置との間に配置されており、
前記放熱板の前記第2の層は、前記センター位置と前記セラミック枠体との間に配置されている、パッケージ。
The package according to claim 1,
The first layer of the heat sink is disposed between the heat sink surface of the heat sink and a center position of the heat sink in the thickness direction,
The package, wherein the second layer of the heat sink is disposed between the center position and the ceramic frame.
請求項1または2に記載のパッケージであって、
前記複数の元素は、銅と、タングステンおよびモリブデンからなる群から選ばれた少なくとも1つの高融点金属と、を含む、パッケージ。
The package according to claim 1 or 2,
The package, wherein the plurality of elements include copper and at least one high melting point metal selected from the group consisting of tungsten and molybdenum.
請求項1または2に記載のパッケージであって、
前記放熱板の前記主面は、前記キャビティに面するキャビティ面と、前記セラミック枠体に直接に接合された接合面とを含む、パッケージ。
The package according to claim 1 or 2,
In the package, the main surface of the heat sink includes a cavity surface facing the cavity and a bonding surface directly bonded to the ceramic frame.
請求項1または2に記載のパッケージであって、
前記焼結材料は焼結金属材料である、パッケージ。
The package according to claim 1 or 2,
The package, wherein the sintered material is a sintered metal material.
請求項1または2に記載のパッケージであって、
前記セラミック枠体は、前記内面と反対の外面を有しており、前記放熱板は、前記セラミック枠体の前記外面に平らにつながった側面を有している、パッケージ。
The package according to claim 1 or 2,
The ceramic frame has an outer surface opposite to the inner surface, and the heat sink has a side surface that is flatly connected to the outer surface of the ceramic frame.
キャビティを有するパッケージであって、
金属を含有する焼結材料からなり、放熱面と、厚み方向において前記放熱面と反対の主面とを有する放熱板と、
前記放熱板の前記主面上に配置され、前記キャビティを囲む内面を有するセラミック枠体と、
を備え、
前記放熱板は、
前記放熱板の前記放熱面と、前記厚み方向における前記放熱板のセンター位置との間に配置され、第1の線膨張係数を有する第1の層と、
前記センター位置と前記セラミック枠体との間に配置され、前記第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する第2の層と、
を含む、パッケージ。
A package having a cavity,
a heat dissipation plate made of a sintered material containing metal and having a heat dissipation surface and a main surface opposite to the heat dissipation surface in the thickness direction;
a ceramic frame disposed on the main surface of the heat sink and having an inner surface surrounding the cavity;
Equipped with
The heat sink is
a first layer disposed between the heat dissipation surface of the heat dissipation plate and a center position of the heat dissipation plate in the thickness direction, and having a first coefficient of linear expansion;
a second layer disposed between the center position and the ceramic frame and having a second linear expansion coefficient larger than the first linear expansion coefficient;
Including package.
キャビティを有するパッケージの製造方法であって、前記パッケージは、金属を含有する焼結材料からなり放熱面と前記放熱面と反対の主面とを有する放熱板と、前記放熱板の前記主面上に配置され、前記キャビティを囲む内面を有するセラミック枠体と、を備え、前記放熱板は、第1の線膨張係数を有する第1の層と、前記第1の層と前記セラミック枠体との間に配置され、前記第1の線膨張係数よりも大きい第2の線膨張係数を有する第2の層と、を含み、前記製造方法は、
焼成されることによって前記放熱板の前記第1の層とされることになる第1のグリーンシートを形成する工程と、
焼成されることによって前記放熱板の前記第2の層とされることになる第2のグリーンシートを形成する工程と、
焼成されることによって前記セラミック枠体とされることになるセラミックグリーンシートを形成する工程と、
前記第1のグリーンシートと、前記第2のグリーンシートと、前記セラミックグリーンシートとが積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼成する工程と、
を備える、パッケージの製造方法。
A method for manufacturing a package having a cavity, the package comprising a heat sink made of a sintered material containing metal and having a heat sink and a main surface opposite to the heat sink, and a heat sink on the main surface of the heat sink. a ceramic frame having an inner surface surrounding the cavity; the heat sink includes a first layer having a first coefficient of linear expansion; and a combination of the first layer and the ceramic frame. a second layer having a second linear expansion coefficient larger than the first linear expansion coefficient, the manufacturing method comprising:
forming a first green sheet that is fired to become the first layer of the heat sink;
forming a second green sheet that will become the second layer of the heat sink by being fired;
forming a ceramic green sheet that will become the ceramic frame by firing;
forming a laminate in which the first green sheet, the second green sheet, and the ceramic green sheet are laminated;
a step of firing the laminate;
A method for manufacturing a package, comprising:
請求項8に記載のパッケージの製造方法であって、
前記積層体を形成する工程の前に、前記セラミックグリーンシートから、前記キャビティに対応する部分を除去する工程をさらに備える、パッケージの製造方法。
A method for manufacturing a package according to claim 8, comprising:
The method for manufacturing a package further comprises the step of removing a portion corresponding to the cavity from the ceramic green sheet before the step of forming the laminate.
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