JP3222348B2

JP3222348B2 - セラミックパッケージの製造方法

Info

Publication number: JP3222348B2
Application number: JP07056595A
Authority: JP
Inventors: 恵二成重
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 2001-10-29
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JPH08241941A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックパッケージ
の製造方法に係り、より詳細には、パッケージ基体より
熱膨張係数の大きい銅からなるヒートスプレッダーを用
いたことによる、該両者の熱膨張係数の相違によるパッ
ケージ基体の反りを低減できるセラミックパッケージの
製造方法に関する。

【０００２】近年、半導体パッケージにおいて、搭載す
る半導体チップ等の電子部品の高密度化、大型化等によ
り、該電子部品の消費電力の増加に伴う熱の放熱特性が
重要視されている。ところで、アルミナ系のセラミック
パッケージにおいては、金属等に比べて、その熱伝導率
が低いため、該セラミック製のパッケージ基体の内部で
の熱拡散性が悪く、そのため該パッケージ基体の電子部
品の搭載部分の温度が高くなる。

【０００３】そこで、現在では、このセラミックパッケ
ージにおいては、パッケージ基体のチップ搭載面（キャ
ビティ部）の形成される面の反対面に、タングステン等
のメタライズ層を設け、該メタライズ層上面に、熱伝導
性の良好で、しかも前記パッケージ基体の熱膨張係数に
近い銅−タングステンからなるヒートスプレッダーを融
点が約７８０℃の共晶銀ろうでろう付けしたヒートスプ
レッダー付きセラミックパッケージが使用されている。
なお、アルミナの熱膨張係数は、７．７×１０^-6／℃、
銅−タングステンの熱膨張係数は、７．０×１０^-6／℃
である。ところで、前記ろう付けは、該銀ろうを８２５
℃程度の温度で加熱・溶融して行っている。そして、こ
のヒートスプレッダーに放熱フィンを取付け、前記チッ
プ搭載部に搭載した電子部品からの発熱を、該ヒートス
プレッダー、放熱フィンを介してパッケージ基体からス
ムーズに放熱するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなヒ
ートスプレッダー付きセラミックパッケージは、1)前記
パッケージ基体の熱膨張係数に近い銅−タングステンか
らなるヒートスプレッダーは、その比重が大きいため、
パッケージ全体の重量が重くなる、2)熱伝導率の良い銅
−タングステンを用いるため、その製造コストが高くな
り、その使用個所が制限される、等の課題がある。

【０００５】そこで、本発明者は、このような課題に鑑
み、種々、研究・検討の上、このヒートスプレッダーと
して、前記銅−タングステンからなるヒートスプレッダ
ーより重量が軽く、かつ製造コストの安い銅製板からな
るものを使用することを考究した。

【０００６】しかし、ヒートスプレッダーとして、前記
銅を使用した場合、その熱伝導率が高く放熱性が良好に
なるものの、次のような課題がある。すなわち、 1) ヒートスプレッダーとセラミックパッケージ基体
は、該ヒートスプレッダーを形成する銅の熱膨張係数
が、１６．７×１０^-6／℃であり、該セラミックパッケ
ージ基体を形成するアルミナの熱膨張係数に比べて大き
いため、前述したろう付け方法では、その冷却過程で、
銅の方が大きく収縮するため、該基板の中央と端部との
間で２００μｍ程度の反りが発生する。 2) 銅ヒートスプレッダーの反りが大きいと、放熱フィ
ンと銅ヒートスプレッダーを接合する接着剤にボイドが
発生し、その放熱性が低下する。等の課題がある。

【０００７】本発明は、以上のような課題に対処して創
作したものであって、その目的とする処は、表面中央に
半導体チップ等の電子部品を搭載する凹部を有するセラ
ミック製のパッケージ基体の裏面にメタライズ層を介し
てヒートスプレッダーをろう材でろう付けしたセラミッ
クパッケージにおいて、該ヒートスプレッダーとして該
パッケージ基体より熱膨張係数の大きい銅製板を用いた
ことによる、該両者の熱膨張係数の相違に起因するパッ
ケージ基体の反りを低減できるセラミックパッケージの
製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そして、上記課題を解決
するための手段としての本発明の請求項１のセラミック
パッケージの製造方法は、表面中央に半導体チップ等の
電子部品を搭載する凹部を有するアルミナ系セラミック
製のパッケージ基体の裏面にメタライズ層を介してヒー
トスプレッダーをろう材でろう付けしたセラミックパッ
ケージの製造方法において、該ヒートスプレッダーに銅
製板を用い、前記ろう付けを該ろう材の融点を超え、融
点＋２０℃の範囲の温度で行う構成としている。

【０００９】請求項２のセラミックパッケージの製造方
法は、前記請求項１に記載のセラミックパッケージの製
造方法において、前記ヒートスプレッダーの厚みを０．
５〜０．８ｍｍとしてなる構成としている。また請求項
３のセラミックパッケージの製造方法は、前記請求項２
に記載のセラミックパッケージの製造方法において、前
記ヒートスプレッダーの放熱面に、７．６ｇ／ｃｍ² 以
上の荷重をかけてろう付けを行う該ヒートスプレッダー
に銅製板を用い、前記ろう付けを該ろう材の融点付近の
温度で行う構成としている。

【００１０】

【作用】ヒートスプレッダー付きセラミックパッケージ
におけるヒートスプレッダーとしては、通常、パッケー
ジ基体と熱膨張係数が近似する銅−タングステン製板か
らなるものを用いる。そして、その場合、該パッケージ
基体とヒートスプレッダーとの接合に銀ろう等のろう材
を用いるが、ろう付け炉内の温度バラツキを考慮して、
該ろう材の融点より余裕をもった温度、通常、８２５℃
程度の温度でろう付けを行う。ところで、ヒートスプレ
ッダーとして、銅製板を用いた場合、該銅製板は、前記
銅−タングステン製板に比べて、その熱膨張係数が大き
く、パッケージ基体と熱膨張差が大きくなり、両者間に
大きな反りが発生する。

【００１１】請求項１のセラミックパッケージの製造方
法は、前記ヒートスプレッダーとして銅製板を用い、該
銅製板とパッケージ基体をろう材で接合するに際し、該
ろう材を、その融点を超え、融点＋２０℃の範囲の温度
で行うことにより、該銅製板とパッケージ本体の熱膨張
係数の相違による反りの発生を軽減することができる。
これに対して、融点以下の場合は、ろう付けが行えず、
また融点＋２０℃を超える温度の場合は、前記熱膨張に
よる反り量が大きくなる。

【００１２】請求項２のセラミックパッケージの製造方
法は、前記ろう付けを、ろう材の融点を超え、融点＋２
０℃の範囲の温度で行ない、かつ前記ヒートスプレッダ
ーに厚みが０．５〜０．８ｍｍの銅製板を用いているの
で、該ろう材を溶融する際の熱による両者間の反りの発
生と、該両者間の熱応力によるパッケージ基体へのクラ
ックの発生を軽減できる。これに対して、ヒートスプレ
ッダーの厚みが０．５ｍｍより薄い場合は、パッケージ
基体の反りが大きくなり、また該ヒートスプレッダーの
厚みが０．８ｍｍより厚い場合は、該パッケージ基体へ
のクラックが発生する。

【００１３】請求項３のセラミックパッケージの製造方
法によれば、前記ヒートスプレッダーに厚みが０．５〜
０．８ｍｍの銅製板を用い、前記ろう付けを、ろう材の
融点を超え、融点＋２０℃の範囲の温度で、かつ該ヒー
トスプレッダーの放熱面に、７．６ｇ／ｃｍ² 以上の荷
重をかけて行うので、前記請求項２の作用に加え、該荷
重によりヒートスプレッダーが均一に押し付けられ、前
記熱膨張差による反りの発生をより軽減できる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明を具体化
した実施例について説明する。ここに、図１は本発明を
具体化したヒートスプレッダー付きＰＧＡタイプのセラ
ミックパッケージの断面図、図２は図１の要部拡大図、
図３は封止した状態の要部拡大図である。

【００１５】図１〜図３に示すように、ヒートスプレッ
ダー付きＰＧＡタイプのセラミックパッケージは、セラ
ミック製のパッケージ基体１の裏面（半導体チップ等の
電子部品が搭載される面の背面側）にセラミック製のヒ
ートスプレッダー２を固着した構成よりなる。パッケー
ジ基体１は、中央部に半導体チップ３を搭載するための
キャビティ（凹部）からなるチップ搭載部４を有し、こ
のチップ搭載部４の形成されている側の面の周囲には複
数本の外部端子５が立設されている。このパッケージ基
体１は、通常、アルミナ系のセラミック材料からなる複
数枚のグリーンシートの最外層に位置するグリーンシー
トの一面にろう付け用のメタライズ層６を形成するタン
グステンペーストをスクリーン印刷・乾燥し、全グリー
ンシートを積層して得た積層体を１５５０℃程度の還元
雰囲気下で同時焼成し、またその露出する金属部分（外
部端子５、メタライズ層６）にＮｉメッキし、Ｎｉメッ
キ層７が形成されている。

【００１６】パッケージ基体１の裏面１ａに固着されて
いるヒートスプレッダー２は、銅製板で形成されてい
る。またヒートスプレッダー２の全面にはＮｉメッキ層
９が形成されている。パッケージ基体１とヒートスプレ
ッダー２は、銀ろう１０によって固着されている。すな
わち、パッケージ基体１の背面１ａのメッキ層７とヒー
トスプレッダー２のメッキ層９の間に、融点が７８０℃
の共晶銀ろう１０を搭載・接触状態にした後、所定の荷
重をかけ、かつ７８０℃を超え８００℃以下、好ましく
は最高温度が７８５℃で、７８０℃（融点）を超える温
度を１０分以上保持して加熱し、あるいは該荷重をかけ
ることなく、該温度で加熱し、前記銀ろう１０を溶融・
硬化することによってパッケージ基体１の裏面１ａにヒ
ートスプレッダー２を固着している。

【００１７】そして、本実施例によれば、ヒートスプレ
ッダー２に銅製板、ろう材に共晶銀ろう１０を用い、1)
ろう付けを７８０℃を超え８００℃以下の範囲の温度
（銀ろう１０の融点を超え、融点＋２０℃の範囲の温
度）で行う構成（実施例１）、2)ヒートスプレッダーの
厚みを０．５〜０．８ｍｍとし、７８０℃を超え８００
℃以下の範囲の温度でろう付けする構成（実施例２）、
3)ヒートスプレッダーの厚みを０．５〜０．８ｍｍと
し、７８０℃を超え８００℃以下の範囲の温度で、該ヒ
ートスプレッダーの放熱面に、７．６ｇ／ｃｍ² 以上の
荷重をかけてろう付けする構成（実施例３）、とするこ
とで、それぞれパッケージ基体１とヒートスプレッダー
２との熱膨張差による反りの発生を低減している。

【００１８】具体的には、実施例１〜３によって、パッ
ケージ基体１とヒートスプレッダー２を銀ろう１０によ
って固着した。各実施例について、ヒートスプレッダー
２の反り量（ヒートスプレッダーの中心におけるパッケ
ージ基体間の距離と、該ヒートスプレッダーの周端にお
けるパッケージ基体間の距離との差）を測定し、更に同
時に、比較例１〜３についても、反り量を測定した。

【００１９】−実施例１− 表１は、実施例１に基づいて作成したヒートスプレッダ
ー付きセラミックパッケージについて、そのヒートスプ
レッダーの反り量（μｍ）を測定した結果を示してい
る。ここで、パッケージ基体としては、縦：４９ｍｍ、
横：４９ｍｍのＰＧＡタイプのセラミックパッケージを
用い、ヒートスプレッダーとしては、縦：３１．７５ｍ
ｍ、横：３１．７５ｍｍ、厚み：０．５ｍｍのものを用
い、またヒートスプレッダーに荷重を加えることなく、
銀ろうの加熱・溶融温度を７８０℃を超え８００℃以下
の範囲内で変えて行った。なお、比較例１については、
銀ろうのろう付け温度を、最高温度が８２５℃〜８１０
℃で７８０℃を超える温度を１０分〜３０分間保って行
った。

【００２０】

【表１】

【００２１】そして、実施例１1)では、ヒートスプレッ
ダーの反り量が４０μｍ、実施例１2)では、該反り量が
７０μｍであったのに対して、比較例１1)では、該反り
量が９０μｍ、比較例１2)では、該反り量が１２０μｍ
であった。このことから、ヒートスプレッダー２に銅製
板を用い、ろう付けを銀ろうの融点を超え、融点＋２０
℃の範囲の温度、すなわち、ろう材が銀ろうの場合、該
銀ろうの融点である７８０℃を超え８００℃以下の範囲
の温度でろう付けを行うことで、ヒートスプレッダーの
反り量を低減できることが確認できた。

【００２２】−実施例２− 表２は、実施例２に基づいて作成したヒートスプレッダ
ー付きセラミックパッケージについて、そのヒートスプ
レッダーの反り量（μｍ）を測定した結果を示してい
る。ここで、パッケージ基体としては、縦：４９ｍｍ、
横：４９ｍｍのＰＧＡタイプのパッケージを用い、該ヒ
ートスプレッダーの大きさと厚みを変えて、該ヒートス
プレッダー面への荷重を変えることなく、銀ろうのろう
付け温度を最高温度：７８５℃で、７８０℃を超える温
度を１０分間保って行った。

【００２３】

【表２】

【００２４】そして、ヒートスプレッダーとして、縦：
２５．４ｍｍ×横：２５．４ｍｍで厚みが０．５ｍｍ〜
０．８ｍｍの銅製板を用いた実施例２1)2)にあっては、
ろう付け後のヒートスプレッダーの反り量が、１２μｍ
〜２０μｍであり、また縦：３１．７５ｍｍ×横：３
１．７５ｍｍで厚みが０．５ｍｍ〜０．８ｍｍの銅製板
を用いた実施例２3)4)にあっては、前記反り量が、３６
μｍ〜４０μｍであった。これに対して、前記縦横サイ
ズのヒートスプレッダーにおいて、その厚みが０．３８
ｍｍ以下の銅製板を用いた比較例２1)2)にあっては、そ
の反り量が、５０μｍ以上であった。このことから、ヒ
ートスプレッダーの厚みが厚い程、該ヒートスプレッダ
ーの反りを軽減できることが確認できる。しかし、該ヒ
ートスプレッダーの厚みが、０．８ｍｍを超える場合
は、パッケージ基体へのクラックが発生する。

【００２５】そこで、前述した実施例２1)〜4)、比較例
２1)2)のサンプルについて、温度サイクル（−６５℃〜
１５０℃間、１０００サイクル）を行ない、その信頼性
評価を行った。その結果を表３に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】そして、この信頼性評価試験の結果によれ
ば、ヒートスプレッダーの厚みが、０．５ｍｍ〜０．８
ｍｍの場合は、パッケージ基体へのクラックの発生は認
められなかった。これに対して、ヒートスプレッダーの
厚みが、０．８ｍｍを超えると、図３において、パッケ
ージ基体の符号ａ部分にクラックが認められた。このこ
とから、ヒートスプレッダーの厚みを０．５ｍｍ〜０．
８ｍｍとし、７８０℃を超え８００℃以下の範囲の温度
でろう付けした場合は、前述した実施例１に比べ、更に
パッケージ基体の反りを軽減できるヒートスプレッダー
付きセラミックパッケージを製造することができる。

【００２８】−実施例３− 表４は、実施例３1)2)に基づいて作成したヒートスプレ
ッダー付きセラミックパッケージについて、そのヒート
スプレッダーの反り量（μｍ）を測定した結果を示して
いる。ここに、パッケージ基体としては、縦：４９ｍ
ｍ、横：４９ｍｍのＰＧＡタイプのセラミックパッケー
ジを用い、ヒートスプレッダーとしては、縦：３１．７
５ｍｍ、横：３１．７５ｍｍ、厚み：０．５ｍｍのもの
を用い、実施例３1)2)については、銀ろうのろう付け温
度：最高温度：７８５℃で、７８０℃を超える温度を１
０分間保って、ヒートスプレッダーへの荷重の重さを変
えて行った。また、比較例３1)〜4)については、銀ろう
のろう付け温度が、最高温度：８２５℃で、７８０℃を
超える温度を３０分間保って行った。

【００２９】

【表４】

【００３０】そして、銀ろうの加熱・溶融条件が、最高
温度：７８０℃を超え７９０℃以下で、７８５℃を１０
分間保って行い、ヒートスプレッダー面に、７．６ｇ／
ｃｍ²〜１４．５ｇ／ｃｍ² の重さの荷重をかけて、該
ヒートスプレッダーとパッケージ基体を固着した実施例
３1)2)の場合、ヒートスプレッダーの反り量が、２７μ
ｍ〜２８μｍであったのに対して、ヒートスプレッダー
面に、２．２ｇ／ｃｍ²の重さの荷重をかけて、該ヒー
トスプレッダーとパッケージ基体を固着した比較例３1)
の場合、ヒートスプレッダーの反り量が、３０μｍ〜４
０μｍであった。なお、銀ろうのろう付け温度が、最高
温度：８２５℃で、７８０℃を超える温度を３０分間保
ち、ヒートスプレッダー面に、３．４ｇ／ｃｍ² 〜１
５．８ｇ／ｃｍ² の重さの荷重をかけて、ヒートスプレ
ッダーとパッケージ基体を固着した比較例３2)〜4)の場
合は、ヒートスプレッダーの反り量が６０μｍ〜７６μ
ｍで、該荷重が、３．３ｇ／ｃｍ² 以下にあっては７６
μｍ以上の反り量があった。

【００３１】このことから、ヒートスプレッダーに銅製
板を用い、ヒートスプレッダー面に、７．６ｇ／ｃｍ²
〜１４．５ｇ／ｃｍ² の重さの荷重をかけて、ヒートス
プレッダーとパッケージ基体を固着することで、該ヒー
トスプレッダーの反り量を低減できることが確認でき
る。また、このことから、ヒートスプレッダーに銅製板
を用い、前記銀ろうの融点付近の温度で、かつ該ヒート
スプレッダーの放熱面に、７．６ｇ／ｃｍ² 以上の荷重
をかけてろう付けをした場合は、より良好な結果が得ら
れることが確認できた。また、この実施例３のヒートス
プレッダー付きセラミックパッケージについても、前述
した実施例２における信頼性評価試験を行った処、パッ
ケージ基体へのクラックの発生は全く認められなかっ
た。

【００３２】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものでなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で変
形実施できる構成を含む。因に、前述した実施例におい
ては、ヒートスプレッダー付きＰＧＡタイプのセラミッ
クパッケージの製造方法として説明したが、他の種類の
ヒートスプレッダー付きセラミックパッケージにも適用
できることは当然である。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の請求項１のヒートスプレッダー付きセラミックパッケ
ージの製造方法によれば、ヒートスプレッダーとして銅
製板を用い、該銅製板とパッケージ基体をろう材で接合
するに際し、該ろう材を、その融点を超え、融点＋２０
℃の範囲の温度で行うことにより、該銅製板とパッケー
ジ本体の熱膨張係数の相違による反りの発生を軽減する
ことができるという効果を有する。

【００３４】請求項２のセラミックパッケージの製造方
法によれば、ろう付けを、ろう材の融点を超え、融点＋
２０℃の範囲の温度で行ない、かつ前記ヒートスプレッ
ダーに厚みが０．５〜０．８ｍｍの銅製板を用いている
ので、該ろう材を溶融する際の熱による両者間の反りの
発生と、該両者間の熱応力によるパッケージ基体へのク
ラックの発生を軽減できるという効果を有する。

【００３５】請求項３のセラミックパッケージの製造方
法によれば、ヒートスプレッダーに厚みが０．５〜０．
８ｍｍの銅製板を用い、ろう付けを、ろう材の融点を超
え、融点＋２０℃の範囲の温度で、かつ該ヒートスプレ
ッダーの放熱面に、７．６ｇ／ｃｍ² 以上の荷重をかけ
て行うので、該荷重によりヒートスプレッダーが均一に
押し付けられ、銅製板とパッケージ本体の熱膨張差によ
る反りの発生をより軽減できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化したヒートスプレッダー付き
ＰＧＡセラミックパッケージの断面図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】封止した状態の要部拡大図である。

【符号の説明】

１・・・セラミック製のパッケージ基体、２・・・銅製
板からなるヒートスプレッダー、３・・・半導体チッ
プ、４・・・チップ搭載部（凹部）、５・・・外部端
子、６・・・メタライズ層、７・・・Ｎｉメッキ層、９
・・・Ｎｉメッキ層、１０・・・銀ろう、ａ・・・クラ
ック、１１・・・リッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/12 - 23/15 H01L 23/373 H01L 23/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面中央に半導体チップ等の電子部品を
搭載する凹部を有するアルミナ系セラミック製のパッケ
ージ基体の裏面にメタライズ層を介してヒートスプレッ
ダーをろう材でろう付けしたセラミックパッケージの製
造方法において、該ヒートスプレッダーに銅製板を用
い、前記ろう付けを該ろう材の融点を超え、融点＋２０
℃の範囲の温度で行うことを特徴とするセラミックパッ
ケージの製造方法。
【請求項２】前記ヒートスプレッダーの厚みを０．５
〜０．８ｍｍとしてなる請求項１に記載のセラミックパ
ッケージの製造方法。
【請求項３】前記ヒートスプレッダーの放熱面に、
７．６ｇ／ｃｍ² 以上の荷重をかけてろう付けを行う請
求項２に記載のセラミックパッケージの製造方法。