JP3659300B2 - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子を収容するための凹部を有し、下面に銅や銅ータングステン合金等の金属材料から成る放熱板が取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の凹部周辺から外周縁にかけて被着導出されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、内部に収容する半導体素子を外部電気回路に接続するために前記メタライズ配線層に銀ロウ等のロウ材を介し取着された外部リード端子と、蓋体とから構成されており、絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子の各電極をボンディングワイヤを介してメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体に蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る容器内部に半導体素子を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【０００３】
なお、上述の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体の下面に取着されている放熱板が銅や銅ータングステン合金等の金属材料で形成されており、該銅や銅ータングステン合金等は熱伝導性に優れていることから放熱板は半導体素子の作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させることができ、これによって半導体素子を常に適温とし半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするのを有効に防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージでは、放熱板が銅で形成されている場合、該銅はその熱膨張係数が約１８×１０-6／℃で絶縁基体を構成する酸化アルミニウム質焼結体等の熱膨張係数（酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数は約７×１０-6／℃）と大きく相異することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、絶縁基体と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱等が印加された場合、放熱板と絶縁基体との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生し、該熱応力によって放熱板が絶縁基体より剥がれ、半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることが不可となったり、絶縁基体に割れやクラックが発生し、容器の気密封止が破れて容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができないという欠点を有していた。
【０００５】
また放熱板が銅ータングステン合金で形成されている場合、該銅ータングステン合金は重いことから容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした際、半導体装置の重量が重くなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にはその実装が困難となってしまう欠点を有していた。
【０００６】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は容器内部の気密封止を完全とするとともに容器内部に収容する半導体素子を常に適温として半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子を収容する絶縁容器の外表面に放熱板を取着して成る半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱板は厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層が拡散接合により被着されて形成されており、かつ前記クロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の各々の厚みが略同一厚みであることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板として厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させたものを使用したことから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板の上面側（絶縁容器と接合する面側）から下面側にかけて選択的に伝達するとともに放熱板の下面側から大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００９】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、絶縁容器を形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近似することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、絶縁容器と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱が印加されたとしても、放熱板と絶縁容器との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板は絶縁容器に割れやクラックを発生させることなく絶縁容器に強固に接合し、かつ半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができる。
【００１０】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその重量が銅ータングステン合金に比べて１／５程度であり、極めて軽量なものであることから半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を収容し、半導体装置となした場合、半導体装置の重量は極めて軽量なものとなり、その結果、近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示し、１は絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子３を収容する絶縁容器４が構成される。
【００１２】
前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３を収容するための空所を形成する凹部１ａが設けてあり、該凹部１ａ底面には半導体素子３が載置され、ガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１３】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１４】
また前記絶縁基体１は凹部１ａ周辺から外周縁にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成されており、該メタライズ配線層５の凹部１ａ周辺部には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ６を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の上面外周縁に導出された部位には外部電気回路と接続される外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００１５】
前記メタライズ配線層５は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されている。
【００１６】
前記メタライズ配線層５はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンにに印刷塗布しておくことによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から外周縁にかけて被着形成される。
【００１７】
また前記メタライズ配線層５はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層５の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層５への外部リード端子７のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層５は、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１８】
更に前記メタライズ配線層５には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子７は容器４内部に収容する半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子７を外部電気回路に接続することによって容器４内部に収容される半導体素子３はメタライズ配線層５及び外部リード端子７を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００１９】
前記外部リード端子７は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００２０】
前記外部リード端子７が被着された絶縁基体１はまたその下面に放熱板８がロウ材を介して取着されており、該放熱板８は半導体素子３が作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に効率良く放散させて半導体素子３を常に適温となし、これによって半導体素子３は常に正常に作動することが可能となる。
【００２１】
前記放熱板８は、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体８ａの上下両面にクロムー鉄合金層９ａ、銅層９ｂ、モリブデン層９ｃの３層構造を有する金属層９を拡散接合により被着させたものから成り、絶縁基体１の下面に前述のメタライズ配線層５と同様の方法によってタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成るメタライズ金属層１０を予め被着させておき、該メタライズ金属層１０に放熱板８の上面に被着させた金属層９を半田や銀ー銅合金、チタンー銀ー銅合金等のロウ材を介しロウ付けすることによって放熱板８は絶縁基体１の下面に取着される。
【００２２】
前記放熱板８の一方向性複合材料から成る芯体８ａは、例えば、一方向に配列した炭素繊維の束を、固体のピッチあるいはコークスなどの微粉末を分散させたフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の溶液中に含浸させ、次にこれを乾燥させて一方向に炭素繊維が配列している複数枚のシートを形成するとともに各々のシートを炭素繊維の方向が同一となるようにして複数枚積層し、次に前記積層された複数枚のシートに所定の圧力を加えるとともに加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させ、最後にこれを不活性雰囲気中、高温で焼成し、フェノール樹脂とピッチあるいはコークスの微粉末を炭化させる（炭素を形成する）とともに該炭素で各々の炭素繊維を結合させることによって製作されている。
【００２３】
また前記放熱板８の一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に被着されている金属層９は図２に示すようにクロムー鉄合金層９ａと銅層９ｂとモリブデン層９ｃとの３つの層からなり、各々の層の厚みは略同一厚みとなっている。
【００２４】
前記金属層９を略同一厚みのクロムー鉄合金層９ａと銅層９ｂとモリブデン層９ｃの３つの層で形成するのは一方向性複合材料からなる芯体８ａの熱膨張係数を絶縁基体１の熱膨張係数に近似する約７×１０-6／℃にするためであり、一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に略同一厚みのクロムー鉄合金層９ａと銅層９ｂとモリブデン層９ｃの３つの層からなる金属層９を被着させた放熱板８はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃となり、これによって放熱板８を絶縁基体１の下面に取着させた後、両者に半導体素子３が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板８と絶縁基体１との間には両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板８は絶縁基体１に割れやクラックを発生させることなく絶縁基体１に強固に接合し、かつ半導体素子３の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子３を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができる。
【００２５】
前記金属層９は一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に拡散接合させることによって被着されており、具体的には、一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に厚さ５０μｍ以下のクロムー鉄合金の箔と銅の箔とモリブデンの箔を順次、載置させ、次にこれを真空ホットプレスで５ＭＰａの圧力をかけつつ１２００℃の温度を１時間印加することによって行われる。
【００２６】
前記金属層９のクロムー鉄合金層９ａは、金属層９を一方向性複合材料からなる芯体８ａに強固に接合させる作用をなし、また銅層９ｂはクロムー鉄合金層９ａとモリブデン層９ｃとを強固に接合させるとともに両者の相互拡散を有効に防止する作用をなし、更にモリブデン層９ｃはクロムー鉄合金層９ａ及び銅層９ｂと相俟って放熱板８の熱膨張係数を約７×１０-6／℃とする作用をなす。
【００２７】
前記一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両主面に金属層９を被着させてなる放熱板８は、一方向性複合材料からなる芯体８ａの炭素繊維の方向、即ち、放熱板８の上面から下面にかけての方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上、炭素繊維に対し直交する方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・ｋ以下であり、放熱板８の上面側から下面側に向けて熱が一方向に選択的に効率良く伝達するようになっている。そのためこの一方向性複合材料からなる芯体８ａを用いた放熱板８を半導体素子３が載置収容される絶縁基体１の下面に取着させた場合、半導体素子３の作動時に発する熱は絶縁基体１を介して放熱板８に良好に吸収され、かつ放熱体８を一方向に伝達して大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２８】
また前記一方向性複合材料からなる芯体８ａを用いた放熱板８はその重量が銅ータングステン合金に比較して１／５程度であり、軽いことからこの放熱板８が取着された半導体素子収納用パッケージに半導体素子３を収容して半導体装置を形成した場合、該半導体装置の重量も極めて軽量なものとなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にも実装が可能となる。
【００２９】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体８ａを用いた放熱板８はその弾性率が３０ＧＰａ以下であり、軟質であることから放熱板８と絶縁基体１との間に若干の熱膨張係数差があったとしても両者間に発生する熱応力は放熱板８を適度に変形させることによって吸収され、その結果、絶縁基体１と放熱板８とは極めて強固に接合し、半導体素子３が発する熱を常に大気中へ効率良く放散させることができる。
【００３０】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に金属層９を被着させた放熱板８は、芯体８ａと上面金属層９との間及び芯体８ａと下面金属層９との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生するがその各々の熱応力は金属層９の芯体８ａに対する被着位置が異なることから互いに相殺され、その結果、放熱板８は芯体８ａと金属層９との間に発生する熱応力によって変形することはなく常に平坦となり、これによって絶縁基体１の下面に放熱板８を強固に接合させることが可能となるとともに半導体素子３が作動時に発する熱を放熱板８を介して大気中に効率良く放散させことが可能となる。
【００３１】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ６を介して所定のメタライズ配線層５に接続させ、しかる後、前記絶縁基体１の上面に蓋体２をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００３２】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板として厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させたものを使用したことから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板の上面側（絶縁容器と接合する面側）から下面側にかけて選択的に伝達するとともに放熱板の下面側から大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３４】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、絶縁容器を形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近似することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、絶縁容器と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱が印加されたとしても、放熱板と絶縁容器との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板は絶縁容器に割れやクラックを発生させることなく絶縁容器に強固に接合し、かつ半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができる。
【００３５】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその重量が銅ータングステン合金に比べて１／５程度であり、極めて軽量なものであることから半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を収容し、半導体装置となした場合、半導体装置の重量は極めて軽量なものとなり、その結果、近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体素子収納用パッケージの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２・・・・・・・・蓋体
３・・・・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・絶縁容器
５・・・・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８・・・・・・・・放熱板
８ａ・・・・・・・芯体
９・・・・・・・・金属層
９ａ・・・・・・・クロムー鉄合金層
９ｂ・・・・・・・銅層
９ｃ・・・・・・・モリブデン層
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子を収容するための凹部を有し、下面に銅や銅ータングステン合金等の金属材料から成る放熱板が取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の凹部周辺から外周縁にかけて被着導出されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、内部に収容する半導体素子を外部電気回路に接続するために前記メタライズ配線層に銀ロウ等のロウ材を介し取着された外部リード端子と、蓋体とから構成されており、絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子の各電極をボンディングワイヤを介してメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体に蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る容器内部に半導体素子を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【０００３】
なお、上述の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体の下面に取着されている放熱板が銅や銅ータングステン合金等の金属材料で形成されており、該銅や銅ータングステン合金等は熱伝導性に優れていることから放熱板は半導体素子の作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させることができ、これによって半導体素子を常に適温とし半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするのを有効に防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージでは、放熱板が銅で形成されている場合、該銅はその熱膨張係数が約１８×１０-6／℃で絶縁基体を構成する酸化アルミニウム質焼結体等の熱膨張係数（酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数は約７×１０-6／℃）と大きく相異することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、絶縁基体と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱等が印加された場合、放熱板と絶縁基体との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生し、該熱応力によって放熱板が絶縁基体より剥がれ、半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることが不可となったり、絶縁基体に割れやクラックが発生し、容器の気密封止が破れて容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができないという欠点を有していた。
【０００５】
また放熱板が銅ータングステン合金で形成されている場合、該銅ータングステン合金は重いことから容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした際、半導体装置の重量が重くなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にはその実装が困難となってしまう欠点を有していた。
【０００６】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は容器内部の気密封止を完全とするとともに容器内部に収容する半導体素子を常に適温として半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子を収容する絶縁容器の外表面に放熱板を取着して成る半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱板は厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層が拡散接合により被着されて形成されており、かつ前記クロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の各々の厚みが略同一厚みであることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板として厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させたものを使用したことから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板の上面側（絶縁容器と接合する面側）から下面側にかけて選択的に伝達するとともに放熱板の下面側から大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００９】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、絶縁容器を形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近似することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、絶縁容器と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱が印加されたとしても、放熱板と絶縁容器との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板は絶縁容器に割れやクラックを発生させることなく絶縁容器に強固に接合し、かつ半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができる。
【００１０】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその重量が銅ータングステン合金に比べて１／５程度であり、極めて軽量なものであることから半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を収容し、半導体装置となした場合、半導体装置の重量は極めて軽量なものとなり、その結果、近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示し、１は絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子３を収容する絶縁容器４が構成される。
【００１２】
前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３を収容するための空所を形成する凹部１ａが設けてあり、該凹部１ａ底面には半導体素子３が載置され、ガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１３】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１４】
また前記絶縁基体１は凹部１ａ周辺から外周縁にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成されており、該メタライズ配線層５の凹部１ａ周辺部には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ６を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の上面外周縁に導出された部位には外部電気回路と接続される外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００１５】
前記メタライズ配線層５は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されている。
【００１６】
前記メタライズ配線層５はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンにに印刷塗布しておくことによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から外周縁にかけて被着形成される。
【００１７】
また前記メタライズ配線層５はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層５の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層５への外部リード端子７のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層５は、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１８】
更に前記メタライズ配線層５には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子７は容器４内部に収容する半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子７を外部電気回路に接続することによって容器４内部に収容される半導体素子３はメタライズ配線層５及び外部リード端子７を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００１９】
前記外部リード端子７は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００２０】
前記外部リード端子７が被着された絶縁基体１はまたその下面に放熱板８がロウ材を介して取着されており、該放熱板８は半導体素子３が作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に効率良く放散させて半導体素子３を常に適温となし、これによって半導体素子３は常に正常に作動することが可能となる。
【００２１】
前記放熱板８は、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体８ａの上下両面にクロムー鉄合金層９ａ、銅層９ｂ、モリブデン層９ｃの３層構造を有する金属層９を拡散接合により被着させたものから成り、絶縁基体１の下面に前述のメタライズ配線層５と同様の方法によってタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成るメタライズ金属層１０を予め被着させておき、該メタライズ金属層１０に放熱板８の上面に被着させた金属層９を半田や銀ー銅合金、チタンー銀ー銅合金等のロウ材を介しロウ付けすることによって放熱板８は絶縁基体１の下面に取着される。
【００２２】
前記放熱板８の一方向性複合材料から成る芯体８ａは、例えば、一方向に配列した炭素繊維の束を、固体のピッチあるいはコークスなどの微粉末を分散させたフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の溶液中に含浸させ、次にこれを乾燥させて一方向に炭素繊維が配列している複数枚のシートを形成するとともに各々のシートを炭素繊維の方向が同一となるようにして複数枚積層し、次に前記積層された複数枚のシートに所定の圧力を加えるとともに加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させ、最後にこれを不活性雰囲気中、高温で焼成し、フェノール樹脂とピッチあるいはコークスの微粉末を炭化させる（炭素を形成する）とともに該炭素で各々の炭素繊維を結合させることによって製作されている。
【００２３】
また前記放熱板８の一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に被着されている金属層９は図２に示すようにクロムー鉄合金層９ａと銅層９ｂとモリブデン層９ｃとの３つの層からなり、各々の層の厚みは略同一厚みとなっている。
【００２４】
前記金属層９を略同一厚みのクロムー鉄合金層９ａと銅層９ｂとモリブデン層９ｃの３つの層で形成するのは一方向性複合材料からなる芯体８ａの熱膨張係数を絶縁基体１の熱膨張係数に近似する約７×１０-6／℃にするためであり、一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に略同一厚みのクロムー鉄合金層９ａと銅層９ｂとモリブデン層９ｃの３つの層からなる金属層９を被着させた放熱板８はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃となり、これによって放熱板８を絶縁基体１の下面に取着させた後、両者に半導体素子３が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板８と絶縁基体１との間には両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板８は絶縁基体１に割れやクラックを発生させることなく絶縁基体１に強固に接合し、かつ半導体素子３の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子３を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができる。
【００２５】
前記金属層９は一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に拡散接合させることによって被着されており、具体的には、一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に厚さ５０μｍ以下のクロムー鉄合金の箔と銅の箔とモリブデンの箔を順次、載置させ、次にこれを真空ホットプレスで５ＭＰａの圧力をかけつつ１２００℃の温度を１時間印加することによって行われる。
【００２６】
前記金属層９のクロムー鉄合金層９ａは、金属層９を一方向性複合材料からなる芯体８ａに強固に接合させる作用をなし、また銅層９ｂはクロムー鉄合金層９ａとモリブデン層９ｃとを強固に接合させるとともに両者の相互拡散を有効に防止する作用をなし、更にモリブデン層９ｃはクロムー鉄合金層９ａ及び銅層９ｂと相俟って放熱板８の熱膨張係数を約７×１０-6／℃とする作用をなす。
【００２７】
前記一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両主面に金属層９を被着させてなる放熱板８は、一方向性複合材料からなる芯体８ａの炭素繊維の方向、即ち、放熱板８の上面から下面にかけての方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上、炭素繊維に対し直交する方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・ｋ以下であり、放熱板８の上面側から下面側に向けて熱が一方向に選択的に効率良く伝達するようになっている。そのためこの一方向性複合材料からなる芯体８ａを用いた放熱板８を半導体素子３が載置収容される絶縁基体１の下面に取着させた場合、半導体素子３の作動時に発する熱は絶縁基体１を介して放熱板８に良好に吸収され、かつ放熱体８を一方向に伝達して大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２８】
また前記一方向性複合材料からなる芯体８ａを用いた放熱板８はその重量が銅ータングステン合金に比較して１／５程度であり、軽いことからこの放熱板８が取着された半導体素子収納用パッケージに半導体素子３を収容して半導体装置を形成した場合、該半導体装置の重量も極めて軽量なものとなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にも実装が可能となる。
【００２９】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体８ａを用いた放熱板８はその弾性率が３０ＧＰａ以下であり、軟質であることから放熱板８と絶縁基体１との間に若干の熱膨張係数差があったとしても両者間に発生する熱応力は放熱板８を適度に変形させることによって吸収され、その結果、絶縁基体１と放熱板８とは極めて強固に接合し、半導体素子３が発する熱を常に大気中へ効率良く放散させることができる。
【００３０】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に金属層９を被着させた放熱板８は、芯体８ａと上面金属層９との間及び芯体８ａと下面金属層９との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生するがその各々の熱応力は金属層９の芯体８ａに対する被着位置が異なることから互いに相殺され、その結果、放熱板８は芯体８ａと金属層９との間に発生する熱応力によって変形することはなく常に平坦となり、これによって絶縁基体１の下面に放熱板８を強固に接合させることが可能となるとともに半導体素子３が作動時に発する熱を放熱板８を介して大気中に効率良く放散させことが可能となる。
【００３１】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ６を介して所定のメタライズ配線層５に接続させ、しかる後、前記絶縁基体１の上面に蓋体２をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００３２】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板として厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させたものを使用したことから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板の上面側（絶縁容器と接合する面側）から下面側にかけて選択的に伝達するとともに放熱板の下面側から大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３４】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、絶縁容器を形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近似することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、絶縁容器と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱が印加されたとしても、放熱板と絶縁容器との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板は絶縁容器に割れやクラックを発生させることなく絶縁容器に強固に接合し、かつ半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができる。
【００３５】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合により被着させた放熱板はその重量が銅ータングステン合金に比べて１／５程度であり、極めて軽量なものであることから半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を収容し、半導体装置となした場合、半導体装置の重量は極めて軽量なものとなり、その結果、近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体素子収納用パッケージの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２・・・・・・・・蓋体
３・・・・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・絶縁容器
５・・・・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８・・・・・・・・放熱板
８ａ・・・・・・・芯体
９・・・・・・・・金属層
９ａ・・・・・・・クロムー鉄合金層
９ｂ・・・・・・・銅層
９ｃ・・・・・・・モリブデン層
Claims (1)
- 半導体素子を収容する絶縁容器の外表面に放熱板を取着して成る半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱板は厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層が拡散接合により被着されて形成されており、かつ前記クロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の各々の厚みが略同一厚みであることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
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| JP30433798A JP3659300B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 半導体素子収納用パッケージ |
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