JP3640238B2 - 放熱用金属板およびそれを用いた電子部品用パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱用金属板およびそれを用いた電子部品用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置において、ＳｉチップやＧａＡｓチップ等の半導体素子やチップコンデンサ等の電子部品が電子部品用パッケージに設けられた電子部品搭載部に搭載されて実用に供されている。アルミナ等のセラミックスは耐熱性、耐久性、熱伝導性等に優れるため、この電子部品用パッケージの本体の材料として適しており、セラミック製の電子部品用パッケージは現在盛んに使用されている。
【０００３】
このセラミック製の電子部品用パッケージは、パッケージサイズを縮小し、搭載ボードへの搭載密度を向上させ、また電気特性を向上させるため、一般に複数枚のグリーンシートを積層および焼成してセラミックスパッケージ本体が製造される。
【０００４】
さらに、パワーモジュールに代表されるような半導体素子からの発熱量が大きなものでは、半導体素子を通常の方法で搭載したのみでは、発熱により半導体装置が正常に作動しなくなる恐れがある。そこで、半導体素子の作動時に発生する熱を大気中に良好に放散させるようにした電子部品用パッケージとして、例えば熱伝導性に優れた金属から成る放熱用金属板を備えたセラミックスパッケージが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の技術によるセラミックスパッケージに用いられる放熱用金属板を構成する技術は、例えば熱膨張率がセラミックスパッケージ本体の熱膨張率に近似しかつ熱伝導率が約２００Ｗ／ｍＫ程度の材料であって、タングステンあるいはモリブデンの多孔質焼結体に溶融銅を含浸して成る複合材料が公知である。
【０００６】
しかしながら、近年、半導体素子の高密度化および高集積化やパワーエレクトニクス分野に使用される半導体デバイス高度化が急速に進み、半導体素子の作動時に発生する単位面積あるいは単位体積当たりの発熱量が急激に増大する傾向にある。このため、上記の従来のセラミックスパッケージでは、放熱用金属板の熱伝導率が約２００Ｗ／ｍＫ程度であるので、半導体素子の作動時に発生する熱を放熱用金属板を介して外部に完全に放散させるのが困難である。したがって、半導体素子は半導体素子の作動時に発生する熱で高温となり、半導体素子が物理的に破壊されたり、半導体素子の特性に熱変化が起こり、半導体素子に誤動作が生じたりするという問題があった。
【０００７】
そこで、タングステンあるいはモリブデンの多孔質焼結体に溶融銅を含浸して成る複合材料に銅板をろう付けにより接合したり、銅のめっき膜を形成したりしてスプレッダー効果を図り、放熱用金属板の熱伝導率を向上させることが考えられる。しかし、上記の複合材料に銅板をろう付けにより接合する方法や、銅のめっき膜を形成する方法においては、製造効率が悪く、製造コストが増大するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、適度な熱膨張率と高い熱伝導率を有し、製造効率を高めて製造コストを低減することが可能な放熱用金属板を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、電子部品の作動時に発生する熱を外部に良好に放散させることが可能な電子部品用パッケージを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の放熱用金属板によると、モリブデン、銅−モリブデン、銅−タングステンから選ばれるいずれかの金属材料からなる金属板の片面あるいは両面に銅の印刷焼成膜を形成している。このため、適度な熱膨張率を有するモリブデン、銅−モリブデンあるいは銅−タングステンの金属板を用いて、この金属板に銅の印刷焼成を施すことにより、適度な熱膨張率と高い熱伝導率とを有する放熱用金属板を得ることができる。さらに、取り扱いが容易な印刷機を用いて金属板に銅ペーストを印刷し焼成を行うことにより、容易にかつ簡便に製造することができる。したがって、製造効率が高まり、歩留りが向上して製造コストを低減することができる。
【００１０】
金属板に銅の印刷焼成膜を形成することで、圧延加工により金属板に銅板を一体的に接合させたものに比べて金属板や銅の印刷焼成膜に厚みのばらつきが発生せず、放熱用金属板は所定の均一厚みとなる。したがって、放熱用金属板の熱膨張率が部分的に異なることがないので、例えば放熱用金属板とセラミックス等の絶縁体とを銀ろう等のろう材を用いてろう付けし、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、放熱用金属板が変形することはなく、放熱用金属板と絶縁体とを強固に接合することができ、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定することができる。
【００１１】
金属板の両面に銅の印刷焼成膜を形成して成る放熱用金属板は、金属板と銅の印刷焼成膜との間に発生する両者の熱膨張差に起因した熱応力が金属板の両面で相殺されるので、放熱用金属板を常に平坦とすることができる。このため、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定することができる。
【００１２】
また、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、放熱用金属板の熱伝導率は、放熱用金属板全体の値よりも半導体素子直下の放熱用金属板の上層部の値が重要であるので、半導体素子直下の部分に相当する金属板の片面にのみ銅の印刷焼成膜を形成してもよい。
【００１３】
銅ぺーストは、銅粒子を溶剤等の液状成分を含有する有機ビヒクル中に分散させて銅ぺーストを作製することができる。
銅ペースト中の銅粉末の含有量は８０〜９６ｗｔ％が好ましい。銅粉末の含有量が８０ｗｔ％未満では、銅粉末が粗充填になりすぎ、焼成時、銅の印刷焼成膜の焼結が進まないため、銅の印刷焼成膜の強度が弱くなり、かつ銅の印刷焼成膜の熱伝導率が小さくなる。また、銅粉末の含有量が９６ｗｔ％を越えると、銅ペーストの粘度が高くなりすぎて印刷を良好に行うことができなくなる。
【００１４】
銅ペースト中には、銅粉末を分散させるためのビヒクルとしてバインダおよび溶剤が使用される。バインダとしては、例えばエチルセルロース、アクリル樹脂、メタクリル樹脂等がある。また、溶剤としては、例えばトルエン、キシレン、テレビン油等がある。
【００１５】
銅ペースト中のバインダの含有量は０．５〜６ｗｔ％が好ましい。また、溶剤の含有量は２〜１６ｗｔ％が好ましい。バインダの含有量が０．５ｗｔ％未満では、銅ペースト中の銅粉末の分散性が低下し、凝集あるいは沈殿し易くなり、銅粉末を金属板に塗布して接着させることができない。また、バインダの含有量が６ｗｔ％を越えると、銅ペーストの粘度が高くなりすぎて印刷を良好に行うことができなくなる。溶剤の含有量が２ｗｔ％未満では、銅ペーストの粘度が高くなりすぎて印刷を良好に行うことができなくなる。また、溶剤の含有量が１６ｗｔ％を越えると、銅ペーストの粘度が低くなりすぎて印刷を良好に行うことができなくなる。
銅ペーストの調整は、３本ロールを使用する方法等で調整することができる。
【００１６】
銅ペーストの印刷方法としては、例えばスキージにてメタルマスク等より銅ペーストを吐出させることで金属板上に銅ペーストを印刷するスクリーン印刷法を行うことが可能である。スクリーン印刷法を適用することにより、取り扱いが容易な印刷機を用いて金属板に銅ペーストを印刷することができ、その後焼成することで容易にかつ簡便に放熱用金属板を製造することができる。上記のスクリーン印刷法は、公知の方法により行うことが可能であり、特に限定されることはない。
銅ペースト印刷後の金属板の焼成は、窒素ガス雰囲気中で約１０００℃で行うことができる。
【００１７】
本発明の請求項２記載の放熱用金属板によると、銅の印刷焼成膜と金属板との厚みの比をｋとすると、ｋは、
１／１８≦ｋ≦２
の関係にあるので、放熱用金属板の熱膨張率が適度なものとなり、銅の印刷焼成膜と金属板との間に両者の熱膨張率の相違に起因した熱応力が発生するのを防止することができる。したがって、放熱用金属板を常に平坦とすることができ、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定することができる。
【００１８】
ｋが２を越えると、放熱用金属板の熱膨張率が大きいものとなり、放熱用金属板と絶縁体とを銀ろう等のろう材を用いてろう付けし、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、放熱用金属板と絶縁体とのろう付け接合強度が低下したり、放熱用金属板に反りが発生し、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定することができなくなる恐れがある。
【００１９】
また、ｋが１／１８未満であると、放熱用金属板の熱伝導率が低いものとなり、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、半導体素子の作動時に発生する熱を充分に除去することができなくなる恐れがある。
【００２０】
本発明の請求項３記載の電子部品用パッケージによると、請求項１または２記載の放熱用金属板上に電子部品を搭載するので、半導体素子の作動時に発生する熱を外部に良好に放散させることができ、半導体素子を長期間正常に安定して作動させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明を例えば表面実装型のセラミックス製半導体用パッケージに適用した第１実施例について、図１〜図５を用いて説明する。
図１に示すように、セラミックス製半導体用パッケージ１００は、放熱用金属板１０、アルミナ製のパッケージ本体２０およびリードフレーム５０等から構成される。
【００２２】
放熱用金属板１０は、その上面に半導体素子３０が搭載されて固定される半導体素子搭載部３１を有しており、半導体素子３０は、半導体素子搭載部３１上にガラス、樹脂、ろう材等の接着剤を用いて搭載されて固定される。
【００２３】
放熱用金属板１０は、モリブデンの多孔質焼結体に溶融銅を４０％含浸する金属材料からなる金属板としての銅−モリブデン板１１の上下両面に銅の印刷焼成膜１２を形成した構成である。放熱用金属板１０において、銅の印刷焼成膜１２の厚みｔ２と銅−モリブデン板１１の厚みｔ１との比ｔ２／ｔ１は、
１／１８≦ｔ２／ｔ１≦２
の範囲に設定されている。ここで、ｔ２／ｔ１は、特許請求の範囲に記載されたｋに相当する。
【００２４】
また、放熱用金属板１０の上面には、枠状に形成されたアルミナ製のパッケージ本体２０が半導体素子搭載部３１の全周を囲むように銀ろう等のろう材１５を用いて接合されている。放熱用金属板１０とパッケージ本体２０とで半導体素子３０を搭載するための空間が形成される。この空間は、パッケージ本体２０の上面２１にはんだ、低融点ガラス、樹脂、ろう材等の封止材により図示しないリッド等を接合させて気密に封止されている。
【００２５】
パッケージ本体２０は、下面２２にろう材１５を介して放熱用金属板１０に接合されるタングステン、モリブデン等の接合パターン２３を有しており、内周部から外周部にかけてタングステン、モリブデン等の配線パターン２４を複数個有している。接合パターン２３および配線パターン２４の表面にはニッケル、金等のめっきが施されている。配線パターン２４の一端は、半導体素子３０の電極部がボンディングワイヤ４０を介して電気的に接続され、導体配線層２４の他端は、プリント基板等の外部電気回路に接続されるリードフレーム５０が電気的に接続されている。
【００２６】
次に、放熱用金属板１０の作製方法について述べる。
(1) 図２および図３に示すように、スクリーン印刷法によりメタルマスク等を用いて、銅−モリブデン板１１の一方の面に銅ペーストを印刷し、窒素ガス雰囲気中で約１０００℃で焼成して銅−モリブデン板１１の片面に印刷焼成膜１２を形成する。次に、図４に示すように、銅−モリブデン板１１の他方の面に銅ペーストを印刷し、窒素ガス雰囲気中で約１０００℃で焼成して銅−モリブデン板１１の上下両面に印刷焼成膜１２を形成して放熱用金属板１０が得られる。このとき、スクリーン印刷法を適用することにより、取り扱いが容易な印刷機を用いて銅−モリブデン板１１に銅ペーストを印刷することができ、焼成することで容易にかつ簡便に放熱用金属板１０を製造することができる。図４において、銅−モリブデン板１１の厚みは１．５ｍｍであり、銅の印刷焼成膜１２の膜厚は０．１ｍｍである。したがって、銅の印刷焼成膜１２の厚みｔ２と銅−モリブデン板１１の厚みｔ１との比ｔ２／ｔ１は１／１５である。すなわち、ｔ２／ｔ１は、
１／１８≦ｔ２／ｔ１≦２
の範囲である。
【００２７】
次に、パッケージ本体２０の作製方法について述べる。
(2) アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、焼成タルク、炭酸カルシウム等の焼結助剤と、酸化チタン、酸化クロム、酸化モリブデン等の着色剤とを少量加えた粉体に、ジオキシルフタレート等の可塑剤、アクリル樹脂やブチラール樹脂等のバインダおよびトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリを作製し、ドクターブレード法によって例えば０．３ｍｍ厚の複数枚のアルミナのグリーンシートを形成する。
【００２８】
(3) 各グリーンシートに打ち抜き型やパンチングマシーン等を用いて所望の形状に加工し、さらに、複数のビアホールを打ち抜き加工して各ビアホールにタングステン粉末、モリブデン粉末等を用いた導体ぺーストを充填し、ビアを形成する。パッケージ本体の内層に相当するグリーンシートにビアと同じ導体ペーストで内層パターンを形成する。パッケージ本体の表面および裏面層に相当するグリーンシートにビアと同じ導体ペーストを使用して導体パターンをスクリーン印刷する。
【００２９】
(4) ビアおよび内層パターンを形成した内層に相当するグリーンシートと導体パターンをスクリーン印刷した表面層に相当するグリーンシートを積層し、このグリーンシート積層体を例えば８０〜１５０℃、５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ２ の条件で熱圧着して一体化する。
【００３０】
(5) 一体化されたグリーンシート積層体を窒素−水素混合ガス雰囲気中で１５００〜１６００℃で焼成する。これにより、導体ペースト中の樹脂分を分解および消失させ、アルミナ製のパッケージ本体の表面に配線パターンを形成し、裏面に接合パターンを形成する。
(6) 形成された配線パターンの電極部および接合パターンにニッケル、金等のめっきを施して、図５に示すパッケージ本体２０が得られる。
【００３１】
次に、上記の(1) の工程で作製した放熱用金属板１０と、上記の(2) 〜(6) の工程で作製したパッケージ本体２０とを銀ろう等のろう材を用いて接合し、配線パターンの電極部にリードフレームを電気的に接続し、半導体パッケージの半導体素子搭載部に半導体素子を搭載し、この半導体素子の電極部と配線パターンの電極部とをワイヤボンディングにより電気的に接続する。その後、リッド等で半導体素子搭載部を気密に封止した後、プリント基板等の外部電気回路に実装する。
【００３２】
次に、図４に示す放熱用金属板１０について、熱伝導率を測定し、製造コストを相対的に評価した結果を表１に示す。また、銅−モリブデン板１１に銅の印刷焼成膜を形成しない構成の比較例１について、熱伝導率を測定した結果を表１に示す。比較例１は、図２に示す第１実施例の銅−モリブデン板１１と同一構成である。さらに、図７に示すように、銅−モリブデン板１１の上下両面に銅のめっき膜１２０を形成した比較例２について、熱伝導率を測定し、製造コストを相対的に評価した結果を表１に示す。図７には、図４に示す第１実施例と実質的に同一部分に同一符号を付した。なお、比較例２における銅のめっき膜１２０の膜厚は０．１ｍｍである。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１に示すように、比較例１においては、熱伝導率が１９８Ｗ／ｍＫである。このため、銅−モリブデン板上に半導体素子を搭載した場合、半導体素子の作動時に発生する熱を放熱用金属板を介して外部に完全に放散させるのが困難である。したがって、半導体素子は半導体素子の作動時に発生する熱で高温となり、半導体素子が物理的に破壊されたり、半導体素子の特性に熱変化が起こり、半導体素子に誤動作が生じたりする恐れがある。
また、比較例２においては、表１に示すように、熱伝導率が２４５Ｗ／ｍＫであり、製造コストが比較的大である。このため、熱伝導率を向上させることはできるが、製造効率が悪化し、製造コストが増大する。
【００３５】
一方、第１実施例においては、表１に示すように、熱伝導率が２４３Ｗ／ｍＫである。このため、図１に示すように、半導体素子搭載部３１に半導体素子３０を載置固定しても、放熱用金属板１０は半導体素子３０が発生する熱を吸収するとともに、吸収した熱を外部に良好に放散させることができる。したがって、半導体素子３０を長期間正常に安定して作動させることができる。
【００３６】
さらに、第１実施例においては、表１に示すように、製造コストが比較的小である。このため、取り扱いが容易な印刷機を用いて銅−モリブデン板１１に銅ペーストを印刷し焼成を行うことにより、容易にかつ簡便に放熱用金属板１０を製造することができる。したがって、製造効率が高まり、歩留りが向上して製造コストを低減することができる。
【００３７】
さらにまた、第１実施例においては、放熱用金属板１０の熱膨張率はパッケージ本体２０の熱膨張率に近似している。このため、図１に示すように、放熱用金属板１０とパッケージ本体２０とをろう材１５により接合し、半導体素子搭載部３１に半導体素子３０を載置固定しても、放熱用金属板１０とパッケージ本体２０との間に両者の熱膨張率の相違に起因した熱応力が発生するのを防止することができ、放熱用金属板１０とパッケージ本体２０とを強固に接合することができるとともに、半導体素子搭載部３１に半導体素子３０を強固に固定することができる。
【００３８】
第１実施例では、表面実装型の半導体用パッケージに適用したが、本発明では、例えばＰＧＡ(Pin Grid Array)等の挿入型や他の型のパッケージに適用してもよい。
また本発明では、アルミナ製の電子部品用パッケージに限らず、窒化アルミニウム製、ムライト製、低温焼成のガラスセラミックス製等どのようなセラミックス製の電子部品用パッケージに適用してもよい。
【００３９】
（第２実施例）
本発明の第２実施例による放熱用金属板について、図６を用いて説明する。
図６に示すように、第２実施例の放熱用金属板１１０は、図４に示す第１実施例の銅の印刷焼成膜１２の膜厚を増大させたものであり、その他、第１実施例と実質的に同一部分に同一符号を付す。
【００４０】
第２実施例においては、図６に示すように、スクリーン印刷法によりメタルマスク等を用いて、銅−モリブデン板１１の一方の面に銅ペーストを印刷し、乾燥した後、再度印刷、乾燥を合計６回繰返し、窒素ガス雰囲気中で約１０００℃で焼成して銅−モリブデン板１１の片面に印刷焼成膜１３を形成する。次に、銅−モリブデン板１１の他方の面に銅ペーストを印刷し、乾燥した後、再度印刷、乾燥を合計６回繰返し、窒素ガス雰囲気中で約１０００℃で焼成して銅−モリブデン板１１の上下両面に印刷焼成膜１３を形成して放熱用金属板１１０を得ることができる。図６において、銅−モリブデン板１１の厚みは１．５ｍｍであり、銅の印刷焼成膜１３の膜厚は０．６ｍｍである。したがって、銅の印刷焼成膜１３の厚みｔ３と銅−モリブデン板１１の厚みｔ１との比ｔ３／ｔ１は２／５である。すなわち、ｔ３／ｔ１は、
１／１８≦ｔ３／ｔ１≦２
の範囲である。ここで、ｔ３／ｔ１は、特許請求の範囲に記載されたｋに相当する。
【００４１】
次に、図６に示す放熱用金属板１１０について、熱伝導率を測定し、製造コストを相対的に評価した結果を表１に示す。また、図６に示す銅−モリブデン板１１の上下両面に銅の印刷焼成膜１３の替りに膜厚０．６ｍｍの銅のめっき膜を形成した比較例３について、熱伝導率を測定し、製造コストを相対的に評価した結果を表１に示す。
【００４２】
比較例３においては、表１に示すように、熱伝導率が２７７Ｗ／ｍｋであり、製造コストが比較的大である。このため、熱伝導率を向上させることはできるが、製造効率が悪化し、製造コストが増大する。
【００４３】
一方、第２実施例においては、表１に示すように、熱伝導率が２７８Ｗ／ｍｋであり、製造コストが比較的小である。このため、取り扱いが容易な印刷機を用いて銅−モリブデン板１１に銅ペーストを印刷し焼成を行うことにより、容易にかつ簡便に放熱用金属板１１０を製造することができる。したがって、製造効率が高まり、歩留りが向上して製造コストを低減することができる。
【００４４】
以上説明した本発明の複数の実施例においては、銅−モリブデン板の両面に銅の印刷焼成膜を形成している。このため、銅の印刷焼成膜と金属板との厚みの比をｋとすると、ｋは、
１／１８≦ｋ≦２
の関係にあるので、適度な熱膨張率と高い熱伝導率とを有する放熱用金属板を得ることができる。したがって、放熱用金属板上に半導体素子を載置固定することにより、半導体素子を長期間正常に安定して作動させることができる。
【００４５】
さらに、本発明の複数の実施例においては、取り扱いが容易な印刷機を用いて金属板に銅ペーストを印刷し焼成を行うことにより、容易にかつ簡便に放熱用金属板を製造することができる。したがって、製造効率が高まり、歩留りが向上して製造コストを低減することができる。
【００４６】
上記複数の実施例では、銅−モリブデン板の両面に銅の印刷焼成膜を形成したが、本発明では、放熱用金属板は、モリブデンあるいは銅−タングステンの金属材料からなる金属板の両面に銅の印刷焼成膜を形成する構成としてもよい。
【００４７】
また上記複数の実施例では、放熱用金属板は、金属板の両面に銅の印刷焼成膜を形成する構成としたが、本発明では、放熱用金属板上に半導体素子を載置固定した場合、半導体素子直下の部分に相当する金属板の片面にのみ銅の印刷焼成膜を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による半導体用パッケージを示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施例による放熱用金属板の製造方法を説明するためのものであって、銅−モリブデン板を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による放熱用金属板の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による放熱用金属板を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施例によるパッケージ本体を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施例による放熱用金属板を示す断面図である。
【図７】本発明の比較例２による放熱用金属板を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 放熱用金属板
１１ 銅−モリブデン板（金属板）
１２ 銅の印刷焼成膜
１３ 銅の印刷焼成膜
１５ ろう材
２０ パッケージ本体
３０ 半導体素子
３１ 半導体素子搭載部
５０ リードフレーム
１００ 半導体パッケージ
１１０ 放熱用金属板

Claims (3)

1. モリブデン、銅−モリブデン、銅−タングステンから選ばれるいずれかの金属材料からなる金属板と、
   前記金属板の片面あるいは両面に形成される銅の印刷焼成膜と、
   を備えることを特徴とする放熱用金属板。
2. 前記印刷焼成膜と前記金属板との厚みの比をｋとすると、ｋは、
   １／１８≦ｋ≦２
   の関係にあることを特徴とする請求項１記載の放熱用金属板。
3. 請求項１または２記載の放熱用金属板上に電子部品を搭載することを特徴とする電子部品用パッケージ。

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