JP3204771B2 - Ceramic package - Google Patents
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Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、反りがなく、熱放散性
と生産性に優れたセラミックパケージに関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic package which is free from warpage and has excellent heat dissipation and productivity.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、半導体素子を半導体装置に組
み込むための気密容器として、アルミナ基板などのセラ
ミック基板とアルミナやムライトを成分としたセラミッ
クキャップとをリードフレームを介在させ、低融点ガラ
スで接着し気密封止してなるセラミックパッケージがあ
る。しかしながら、近年、回路の高集積化に伴い、半導
体素子から放散される熱は増加の一途をたどってきてい
ることから、従来のアルミナをセラミックパッケージベ
ースとした基板では十分でない状況にある。2. Description of the Related Art Conventionally, as a hermetic container for incorporating a semiconductor element into a semiconductor device, a ceramic substrate such as an alumina substrate and a ceramic cap containing alumina or mullite are interposed with a lead frame and bonded with a low melting glass. There is a ceramic package that is hermetically sealed. However, in recent years, the heat dissipated from the semiconductor element has been steadily increasing with the increase in the degree of integration of the circuit, so that a conventional substrate based on a ceramic package based on alumina is not sufficient.
【０００３】この問題を解決する手段として、セラミッ
クパッケージベースの基板に熱伝導性の優れた窒化アル
ミニウム基板を使用し、封止用のガラスも窒化アルミニ
ウムとほぼ同等な熱膨張係数を有するガラスを使用した
セラミックパッケージが提案されている（特開昭６２−
４５１５４号公報）。As a means for solving this problem, an aluminum nitride substrate having excellent thermal conductivity is used as a ceramic package base substrate, and a glass having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of aluminum nitride is used as a sealing glass. (Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-62).
No. 45154).
【０００４】窒化アルミニウムは、その理論熱伝導率が
３２０Ｗ／ｍ・Ｋと高く、しかも電気絶縁性、機械的性
質もアルミナと同等なこと、さらには熱膨張係数がシリ
コンに近いことから、近年、原料粉末の改良、有効な焼
結助剤の開発、焼成条件の適正化などの研究が進み、熱
伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋを越えるものまで開発されて
いる。In recent years, aluminum nitride has a high theoretical thermal conductivity of 320 W / m · K, and has the same electrical insulation and mechanical properties as alumina, and has a thermal expansion coefficient close to that of silicon. Researches such as improvement of raw material powder, development of effective sintering aids, and optimization of firing conditions have been progressed, and thermal conductivity exceeding 200 W / m · K has been developed.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな優れた特性を有する窒化アルミニウムによりセラミ
ックパッケージベースを製造するにあったては、従来の
平板製造時に行われている段積焼成を利用できず、量産
性に劣るという欠点があった。また、平板の段積焼成に
おいては、荷重をかけて反りを防止することも行われて
いたが、セラミックパッケージベース自体は凹部を有す
るため均等に荷重をかけることができず、反りによる不
良品発生の問題があった。However, in manufacturing a ceramic package base using aluminum nitride having such excellent characteristics, the stack firing that has been performed in the conventional flat plate manufacturing cannot be used. However, there is a disadvantage that the mass productivity is poor. Also, in stack firing of flat plates, a load was applied to prevent warpage, but the ceramic package base itself has a concave portion so that a load cannot be applied evenly, and defective products due to warpage are generated. There was a problem.
【０００６】本発明者らは、このような優れた窒化アル
ミニウムをセラミックパッケージベースとして使用する
ことを目的とし、反りがなく生産性に優れた構造につい
て鋭意検討を重ねた結果、従来より一体物として製造さ
れてきた凹部をもつセラミックパッケージベースを、２
枚の窒化アルミニウム平板をリードフレームの接合に使
用するのと同じガラスで貼り合わせた構造とし、そして
リードフレームの固定と窒化アルミニウム平板同士の接
着を同時に行えば生産性が向上することを見いだし、本
発明を完成させたものである。The present inventors have made intensive studies on a structure having no warpage and excellent productivity with the aim of using such excellent aluminum nitride as a ceramic package base. The manufactured ceramic package base with concave portions is
We found that productivity was improved if two aluminum nitride flat plates were bonded together with the same glass used for joining the lead frame, and if the lead frame was fixed and the aluminum nitride flat plates were bonded together, the productivity was improved. The invention has been completed.
【０００７】すなわち、本発明は、窒化アルミニウム平
板と中心部が除去された窒化アルミニウム平板とをＰｂ
ＯとＺｎＯを主成分とする結晶性ガラスにより接着させ
てセラミックパッケージベースを形成させるとともに、
リードフレームが上記セラミックパッケージベースに上
記と同種の結晶性ガラスにより接合されてなることを特
徴とするセラミックパッケージである。Accordingly, the present invention provides an aluminum nitride aluminum flat plate and the center nitride is removed flat Pb
A ceramic package base is formed by bonding with a crystalline glass containing O and ZnO as main components ,
A ceramic package characterized in that a lead frame is joined to the ceramic package base with the same type of crystalline glass as above.
【０００８】以下、本発明のセラミックパッケージを図
面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一例のセ
ラミックパッケージに半導体素子を搭載しセラミックキ
ャップで封止した状態における概略断面図である。図２
は、本発明で使用される窒化アルミニウム板の一例を示
す平面図であり、（Ａ）は窒化アルミニウム平板１、
（Ｂ）は中心部が除去された窒化アルミニウム平板２で
ある。これらの窒化アルミニウム平板１、２は、結晶性
ガラス３を介在させて一体化することにより、凹部をも
ったセラミックパッケージベースが形成される。Hereinafter, a ceramic package according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a state in which a semiconductor element is mounted on a ceramic package according to an example of the present invention and sealed with a ceramic cap. FIG.
1A is a plan view showing an example of an aluminum nitride plate used in the present invention, and FIG.
(B) is the aluminum nitride flat plate 2 from which the center is removed. The aluminum nitride flat plates 1 and 2 are integrated with the crystalline glass 3 interposed therebetween to form a ceramic package base having a concave portion.
【０００９】本発明で使用される窒化アルミニウム平板
の製造方法の一例をあげれば、以下のとおりである。ま
ず、所定量の窒化アルミニウム粉末にＹ2 Ｏ3 粉末やＣ
ａＯ粉末等の焼結助剤を添加する。Ｙ2 Ｏ3 の場合、そ
の添加量は１〜７重量％が好ましい。この混合粉末に、
有機バインダー、可塑剤、分散剤、有機溶剤を所定量加
え、ボールミルで十分混合しスラリーを調整する。この
スラリーをドクターブレード装置によりシート状に成形
後、例えば図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示すような形状に
プレスする。An example of a method for manufacturing the aluminum nitride flat plate used in the present invention is as follows. First, Y 2 O 3 powder or C is added to a predetermined amount of aluminum nitride powder.
A sintering aid such as aO powder is added. For Y 2 O 3, the addition amount thereof is preferably 1 to 7 wt%. To this mixed powder,
A predetermined amount of an organic binder, a plasticizer, a dispersant, and an organic solvent are added, and the mixture is sufficiently mixed with a ball mill to prepare a slurry. After this slurry is formed into a sheet shape by a doctor blade device, the slurry is pressed into a shape as shown in FIGS. 2A and 2B, for example.
【００１０】シート成形体の焼成は、各シートに焼成時
の接着を阻止するために窒化ホウ素粉末を塗布したの
ち、図２（Ａ）の形状ならばそれらの何枚かを積層す
る。図２（Ｂ）の場合には同一形状のシートを積層す
る。各々の積層体は、有機バインダーの種類によって異
なるが、窒素又は空気中で脱バインダー処理を行った
後、窒素中、１８００℃以上の温度で焼成する。このと
き積層体上部に荷重をかけることにより反りを防止する
ことができる。In the firing of the sheet compact, a boron nitride powder is applied to each sheet in order to prevent adhesion during firing, and then several sheets are laminated if the shape is as shown in FIG. In the case of FIG. 2B, sheets having the same shape are stacked. Each of the laminates differs depending on the type of the organic binder, but is subjected to a binder removal treatment in nitrogen or air, and then fired in nitrogen at a temperature of 1800 ° C. or more. At this time, warping can be prevented by applying a load to the upper portion of the laminate.
【００１１】本発明の特徴は、従来のセラミックパッー
ジベースが成形体の段階で凹部を有するため成形体ごと
に個別に焼成しなければならなかったので生産性はよく
なかったが、上記プロセスを採用したことによりそれを
解決したことである。また、個別に焼成した場合、反り
の問題があったが、本発明ではその問題も解決すること
ができたことである。A feature of the present invention is that the conventional ceramic package base has a concave portion at the stage of the molded body, so that it has to be individually fired for each molded body, so that the productivity is not good. It was solved by adoption. In addition, when firing individually, there was a problem of warpage, but the present invention has solved the problem.
【００１２】上記で製造された窒化アルミニウム平板１
と中心部が除去された窒化アルミニウム平板２とは、結
晶性ガラス３により一体化されるが、それに先立ち、窒
化アルミニウム平板１の上面に半導体素子を搭載するた
めのメタライズが施される。一般的には金ペースト等に
よる通常の厚膜メタライズの方法が採用される。窒化ア
ルミニウム平板１と中心部が除去された窒化アルミニウ
ム平板２との一体化に際しては、リードフレーム４の固
定も同時に行うことによって工程が簡略化される。The aluminum nitride flat plate 1 manufactured as described above
The aluminum nitride flat plate 2 from which the central portion has been removed is integrated with the crystalline glass 3, but prior to that, metallization for mounting a semiconductor element is performed on the upper surface of the aluminum nitride flat plate 1. Generally, a normal thick film metallizing method using a gold paste or the like is employed. When integrating the aluminum nitride flat plate 1 and the aluminum nitride flat plate 2 from which the central portion has been removed, the steps are simplified by simultaneously fixing the lead frame 4.
【００１３】本発明で使用される結晶性ガラスは、焼成
時に次第に結晶化していくものが好ましく、結晶化によ
り強度が保たれるとともに、セラミックキャップ６の封
着時にも結晶化しているので軟化が起こらず、リードフ
レーム４及び窒化アルミニウム平板１、２同士のずれも
回避できる。なお、結晶化ガラスの熱膨張係数は、接着
時及びヒートサイクル時のクラック発生等による気密性
低下防止の目的から、窒化アルミニウムのそれとほぼ同
じであることが望ましい。The crystalline glass used in the present invention is preferably one that gradually crystallizes during firing. The glass maintains its strength by crystallization and also crystallizes when the ceramic cap 6 is sealed. This does not occur, and the displacement between the lead frame 4 and the aluminum nitride flat plates 1 and 2 can be avoided. Note that the thermal expansion coefficient of the crystallized glass is desirably substantially the same as that of aluminum nitride for the purpose of preventing airtightness from being reduced due to cracks generated during bonding and heat cycle.
【００１４】本発明で使用される結晶性ガラスの具体例
をあげれば、ＰｂＯとＺｎＯを主成分とし、ＳｉＯ2 、
Ｂ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 などを副成分とするも
のである。Specific examples of the crystalline glass used in the present invention include PbO and ZnO as main components, SiO 2 ,
B 2 O 3 , TiO 2 , Al 2 O 3, etc. are used as subcomponents.
【００１５】次に、リードフレーム４を接合するまでの
工程を説明すると、窒化アルミニウム平板１に半導体素
子７を搭載するための厚膜メタライズ（図示なし）を施
したのち、窒化アルミニウム平板１の窒化アルミニウム
平板２との接着面となる部分、及び中心部が除去された
窒化アルミニウム平板２のリード固定面側に、焼成によ
って結晶化する低融点ガラスペーストを印刷する。次
に、図１の構成となるように、窒化アルミニウム平板
１、２及びリードフレーム４を配置し空気中で焼成する
ことによって、本発明のセラミックパッケージが作製さ
れる。焼成温度は、ガラス成分によって異なるが、一般
的には４００〜５００℃である。また、リードフレーム
４としては、一般にコバールや４２Ｎｉ材が使用され
る。Next, a process until the lead frame 4 is joined will be described. After a thick film metallization (not shown) for mounting the semiconductor element 7 on the aluminum nitride flat plate 1 is performed, the aluminum nitride flat plate 1 is nitrided. A low-melting glass paste that is crystallized by firing is printed on the portion to be the bonding surface with the aluminum flat plate 2 and on the lead fixing surface side of the aluminum nitride flat plate 2 from which the center is removed. Next, the aluminum nitride flat plates 1 and 2 and the lead frame 4 are arranged and fired in the air so that the structure shown in FIG. 1 is obtained, whereby the ceramic package of the present invention is manufactured. The firing temperature varies depending on the glass component, but is generally 400 to 500 ° C. Further, as the lead frame 4, Kovar or 42Ni material is generally used.
【００１６】次いで、上記厚膜メタライズ部分に半田等
により半導体素子７を接着したのち、半導体素子上の所
定のパットとリードフレーム４とをアルミニウムワイヤ
８で接続する。その後、低融点ガラス５のペーストが印
刷されたセラミックキャップ６が加熱接着される。セラ
ミックキャップの材質としては、アルミナやムライトが
使用されるが、熱膨張係数の点からムライトが好まし
い。Next, after the semiconductor element 7 is bonded to the thick film metallized portion by soldering or the like, a predetermined pad on the semiconductor element and the lead frame 4 are connected by an aluminum wire 8. Thereafter, the ceramic cap 6 on which the paste of the low-melting glass 5 is printed is bonded by heating. As the material of the ceramic cap, alumina or mullite is used, and mullite is preferable in terms of the coefficient of thermal expansion.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、実施例をあげてさらに具体的に本発明
を説明する。The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.
【００１８】酸素含有量１．２重量％の窒化アルミニウ
ム粉末９６重量部、Ｙ2 Ｏ3 粉末４重量部、有機結合剤
としてポリビニルブチラールを８重量部、ジオクチルア
セテートを４重量部、さらにはグリセリントリオレート
を１重量部、有機溶剤としてトルエンを３８重量部、イ
ソプロピルアルコールを１２重量部秤量し、ボールミル
で十分に混合しスラリーを調合した。このスラリーを真
空脱泡し、粘度を２００００ｃｐｓに調整したのち、ド
クターブレード装置にてシート状に成形した。このとき
のシート厚みは、図２（Ａ）の窒化アルミニウム平板１
用では０．８２ｍｍ、図２（Ｂ）の中心部が除去された
窒化アルミニウム平板２用では０．３０ｍｍとした。96 parts by weight of aluminum nitride powder having an oxygen content of 1.2% by weight, 4 parts by weight of Y 2 O 3 powder, 8 parts by weight of polyvinyl butyral as an organic binder, 4 parts by weight of dioctyl acetate, and glycerin trio The rate was 1 part by weight, 38 parts by weight of toluene as an organic solvent, and 12 parts by weight of isopropyl alcohol were weighed and sufficiently mixed by a ball mill to prepare a slurry. This slurry was degassed in vacuum, the viscosity was adjusted to 20,000 cps, and then formed into a sheet by a doctor blade device. At this time, the thickness of the sheet is the aluminum nitride flat plate 1 shown in FIG.
The thickness was 0.82 mm for the aluminum nitride flat plate 2 from which the center part of FIG.
【００１９】次に、厚み０．８２ｍｍのシートは、３３
ｍｍ×３３ｍｍの形状にプレスで打ち抜き、また、０．
３０ｍｍのシートについては、外形寸法３３ｍｍ×３３
ｍｍで中心部の２４ｍｍ×２４ｍｍの部分が除去された
図２（Ｂ）に示す形状に打ち抜いた。これらの各シート
表面に窒化ホウ素粉末を塗布してから、図２（Ａ）及び
図２（Ｂ）の各シートごとに１０枚積み重ね、空気中、
４８０℃、５時間加熱して脱バインダーをしたのち、以
下の手順で焼成した。Next, a sheet having a thickness of 0.82 mm is 33
It is punched out by a press into a shape of mm × 33 mm.
For a 30 mm sheet, the external dimensions are 33 mm × 33
In FIG. 2 (B), the central portion of 24 mm × 24 mm was removed. After applying boron nitride powder to the surface of each of these sheets, 10 sheets are stacked for each sheet of FIGS. 2 (A) and 2 (B).
After heating at 480 ° C. for 5 hours to remove the binder, firing was performed in the following procedure.
【００２０】まず、積層体上部に窒化ホウ素板を置き、
荷重をかけてから窒化ホウ素製の容器に収納した。それ
を加熱炉に投入し、窒素雰囲気中、１９００℃で２時間
焼成した。得られた積層体は、各シート間に窒化ホウ素
粉末が介在しているため、融着は起こらず１枚ずつの板
が得られた。表面に窒化ホウ素粉末が付着していたので
それをブラストにより除去した。以上のようにして得ら
れた窒化アルミニウム平板１、２の外形寸法は、いずれ
も２８×２８ｍｍであった。First, a boron nitride plate is placed on top of the laminate,
After applying a load, it was stored in a container made of boron nitride. It was put into a heating furnace and fired at 1900 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. In the obtained laminate, since the boron nitride powder was interposed between the sheets, no fusion occurred, and one plate was obtained. Since boron nitride powder had adhered to the surface, it was removed by blasting. The external dimensions of the aluminum nitride flat plates 1 and 2 obtained as described above were all 28 × 28 mm.
【００２１】窒化アルミニウム平板１と中心部が除去さ
れた窒化アルミニウム平板２との接着及びリードフレー
ム４の接合は、結晶性ガラス粉末〔日本電気硝子社製商
品名「ＬＳ−０４５１」（熱膨張係数５．３×１０-6／
℃）〕に有機結合剤と有機溶剤を加えて調合されたペー
ストを使用し、以下の手順で行った。The bonding between the aluminum nitride flat plate 1 and the aluminum nitride flat plate 2 from which the center portion has been removed and the joining of the lead frame 4 are performed using a crystalline glass powder [trade name "LS-0451" manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd. 5.3 × 10 -6 /
C)), an organic binder and an organic solvent were added, and a paste prepared and used was used in the following procedure.
【００２２】まず、図２（Ａ）に示される窒化アルミニ
ウム平板１については、その外周部から４ｃｍ入り込ん
だ所まで上記ガラスペーストを塗布した。このときの塗
布量は５０ｍｇ／ｃｍ2 であった。また、図２（Ｂ）に
示される中心部が除去された窒化アルミニウム平板２に
ついては、リードフレーム４が接合される面の全面に同
様のガラスペーストを印刷した。このときの塗布量は１
４０ｍｇ／ｃｍ2 であった。First, as for the aluminum nitride flat plate 1 shown in FIG. 2A, the above glass paste was applied to a position 4 cm from the outer peripheral portion. The coating amount at this time was 50 mg / cm 2 . 2B, the same glass paste was printed on the entire surface of the aluminum nitride flat plate 2 from which the lead frame 4 was bonded. The coating amount at this time is 1
It was 40 mg / cm 2 .
【００２３】以上の２枚の板を積層したのち、ガラスペ
ースト中の有機バインダー成分を除去するため、空気
中、３６０℃で加熱処理した。その後、コバール製リー
ドフレーム４を設置し、空気中、４８０℃、１０分処理
してそれを接合するとともに、窒化アルミニウム平板１
と中心部が除去された窒化アルミニウム平板２とを接着
した。以上のようにして、リードフレームが接合された
本発明のセラミックパッケージが作製された。なお、本
実施例では、半導体素子７を搭載するための金ペ−スト
等によるメタライズ及び半導体素子の搭載は省略した。After laminating the above two plates, a heat treatment was performed at 360 ° C. in air to remove the organic binder component in the glass paste. After that, a Kovar lead frame 4 is installed and treated in air at 480 ° C. for 10 minutes to join them together.
And the aluminum nitride flat plate 2 from which the central portion was removed. As described above, the ceramic package of the present invention to which the lead frame was joined was manufactured. In this embodiment, metallization by gold paste for mounting the semiconductor element 7 and mounting of the semiconductor element are omitted.
【００２４】その後、ムライト質からなる市販の低融点
ガラス５のペースト（日本電気硝子社製「ＬＳ−１３０
１」）を所定箇所に塗布し、加熱処理によって有機バイ
ンダーが除去されたセラミックキャップ６を搭載し、４
３０℃、１０分空気中で処理して接合した。それをヒー
トサイクル試験に供し、試験後の気密性について検査し
たが、全く問題はなかった。Thereafter, a paste of commercially available low melting point glass 5 made of mullite (“LS-130” manufactured by NEC Corporation)
1)) is applied to a predetermined location, and a ceramic cap 6 from which an organic binder has been removed by heat treatment is mounted.
Bonding was performed at 30 ° C. for 10 minutes in air. It was subjected to a heat cycle test, and the airtightness after the test was examined, but there was no problem at all.
【００２５】[0025]
【発明の効果】本発明によれば、反りがなく、熱放散
性、気密性及び生産性に優れたセラミックパッケージが
得られる。According to the present invention, it is possible to obtain a ceramic package which is free from warpage and excellent in heat dissipation, airtightness and productivity.
【図１】 本発明の一例のセラミックパッケージに半導
体素子を搭載しセラミックキャップで封止した状態にお
ける概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a state in which a semiconductor element is mounted on a ceramic package according to an example of the present invention and sealed with a ceramic cap.
【図２】 （Ａ）は窒化アルミニウム平板の平面図、
（Ｂ）は中心部が除去された窒化アルミニウム平板の平
面図である。FIG. 2A is a plan view of an aluminum nitride flat plate,
(B) is a top view of the aluminum nitride flat plate from which the center part was removed.
１ 窒化アルミニウム平板 ２ 中心部が除去された窒化アルミニウム平板 ３ 結晶性ガラス ４ リードフレーム ５ 低融点ガラス ６ セラミックキャップ ７ 半導体素子 ８ アルミニウムワイヤ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aluminum nitride flat plate 2 Aluminum nitride flat plate from which the center part was removed 3 Crystalline glass 4 Lead frame 5 Low melting point glass 6 Ceramic cap 7 Semiconductor element 8 Aluminum wire
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/02 - 23/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 23/02-23/10
Claims (1)
れた窒化アルミニウム平板とをＰｂＯとＺｎＯを主成分
とする結晶性ガラスにより接着させてセラミックパッケ
ージベースを形成させるとともに、リードフレームが上
記セラミックパッケージベースに上記と同種の結晶性ガ
ラスにより接合されてなることを特徴とするセラミック
パッケージ。1. An aluminum nitride flat plate and an aluminum nitride flat plate from which a central portion has been removed are mainly composed of PbO and ZnO.
And a lead frame bonded to the ceramic package base with the same type of crystalline glass as described above.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP525893A JP3204771B2 (en) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | Ceramic package |
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| JP525893A Expired - Fee Related JP3204771B2 (en) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | Ceramic package |
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