JP3659304B2 - 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、上面に半導体素子が載置される載置部を有する鉄ーニッケルーコバルト合金、鉄ーニッケル合金等の金属材料からなる金属基体と、該金属基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして取着された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なる金属製枠体と、該金属製枠体の一部に形成された切欠部に挿着され、金属製枠体の内側から外側にかけて導出するタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末からなる複数個のメタライズ配線層が埋設されている酸化アルミニウム等のセラミックスから成るセラミック端子体と、前記金属製枠体の上面に取着され、枠体の内側を塞ぐ蓋体とから構成されており、金属基体の半導体素子載置部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セラミック端子体のメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、金属製枠体に蓋体を該枠体の内側を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、金属基体と金属製枠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、半導体素子が載置される金属基体が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で形成されており、該鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等等は熱伝導性がよいことから金属基体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、近時、半導体素子は高密度化、高集積化が急激に進み、これに伴って半導体素子の作動時に発する熱量が従来に比し極めて大きなものとなってきた。そのためこの半導体素子を従来の半導体素子収納用パッケージに収容し、半導体装置となした場合、半導体素子が載置される金属基体は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等から成り、その熱伝導率は１５〜１７Ｗ／ｍ・ｋで多少熱伝導性が良いものの、近時の半導体素子が発する多量の熱は完全に吸収することができず、その結果、半導体素子は該半導体素子が作動時に発する熱によって高温となり、半導体素子に熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を招来させ半導体素子を誤動作させるという欠点を有していた。
【０００５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率よく放散させて半導体素子を常に適温とし、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、枠状の金属基体と、該金属基体の穴部に挿着され、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、前記金属基体上面に前記載置部を囲繞するようにして取着され、かつ一部に切欠部を有する金属製枠体と、該金属製枠体の切欠部に挿着されたセラミック端子体とから成る半導体素子収納用パッケージであって、前記金属基体および金属製枠体は鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成り、かつ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、鉄ーニッケル合金層の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、前記クロムー鉄合金層、銅層、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金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。
【０００７】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である部材、即ち、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、鉄ーニッケル合金層（特に、鉄５８Ｗｔ％、ニッケル４２Ｗｔ％の合金が好ましい）もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【０００８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板及び鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成る金属基体、金属製枠体はそれぞれが約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）の熱膨張係数を有し、近似していることから放熱板と金属基体、金属基体と金属製枠体とを各々接合させた後、各々に熱が印加されても各々の接合部に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、金属基体と放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、これによって容器の気密封止が完全となり、容器内部に収容する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】
更に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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその重量が極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１０】
【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乃至図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は枠状の金属基体、２は放熱板、３は金属製枠体、４は蓋体である。この金属基体１と放熱板２と金属製枠体３と蓋体４とで半導体素子５を収容する容器６が構成される。
【００１１】
前記金属基体１は、鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金からなり、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金のインゴット（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枠状に形成される。
【００１２】
前記金属基体１はまたその中央部に形成された穴内に放熱板２が挿着されており、該放熱板２はその上面に半導体素子５が載置される載置部２ａを有し、該載置部２ａに半導体素子５がロウ材、ガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定される。
【００１３】
前記放熱板２は半導体素子５を支持する支持部材として作用するとともに半導体素子５が作動時に発する熱を大気中に放散する作用をなし、図２に示すように、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２ｂの上下両面にクロムー鉄合金層７ａ、銅層７ｂ、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃの３層構造を有する金属層７を拡散接合により被着させたものから成り、枠状をなす金属基体１の穴内に放熱板２を挿入するとともに金属基体１の穴の内壁面と放熱板２の外周面とをロウ材やガラス、樹脂等から成る接着剤を介し接着することによって金属基体１の穴内に挿着される。
【００１４】
前記放熱板２の一方向性複合材料から成る芯体２ｂ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卜を形成するとともに各々のシー卜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卜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。
【００１５】
また前記放熱板２の一方向性複合材料からなる芯体２ｂはその上下両面にクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層（特に、５８Ｗｔ％の鉄と４２Ｗｔ％のニッケルの合金が好ましい）もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃとの３つの層からなる金属層７が被着されており、該金属層７のクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃの各々はその厚みが略同一厚みとなっている。
【００１６】
前記金属層７を略同一厚みのクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃ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２ｂの熱膨張係数を鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金から成る金属基体１の熱膨張係数に近似する約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）にするためであり、一方向性複合材料からなる芯体２ｂの上下両面に略同一厚みのクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃの３つの層からなる金属層７を被着させた放熱板２はその熱膨張係数が約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）となり、これによって放熱板２を金属基体１の穴内に挿着させた後、両者に半導体素子５が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、金属基体１と放熱板２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２は金属基体１に強固に接合し、かつ半導体素子５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６内部に収容する半導体素子５を長期間にわたり、正常、旦つ安定に作動させることができる。
【００１７】
なお、前記金属層７は一方向性複合材料からなる芯体２ｂ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２ｂ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鉄ーニッケル合金もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金の箔を順次、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。
【００１８】
また前記金属層７のクロムー鉄合金層７ａは、金属層７を一方向性複合材料からなる芯体２ｂに強固に接合させる作用をなし、また銅層７ｂはクロムー鉄合金層７ａと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃ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、更に鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃはクロムー鉄合金層７ａ及び銅層７ｂと相まって放熱板２の熱膨張係数を約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃とする作用をなす。
【００１９】
前記一方向性複合材料からなる芯体２ｂの上下両主面に金属層７を被着させてなる放熱板２は、一方向性複合材料からなる芯体２ｂの炭素繊維の方向、即ち、放熱板２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２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成る芯体２ｂを用いた放熱板２の上面に半導体素子５を載置固定させた場合、半導体素子５の作動時に発する熱は放熱板２の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板２の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２０】
前記一方向性複合材料から成る芯体２ｂを用いた放熱板２はまたその重量が軽いことからこの放熱板２を使用した半導体素子収納用パッケージに半導体素子５を収容して半導体装置を形成した際、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。
【００２１】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体２ｂを用いた放熱板２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２と金属基体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２を適度に変形させることによって吸収され、その結果、金属基体１と放熱板２とは極めて強固に接合し、半導体素子５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。
【００２２】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体２ｂの上下両面に金属層７を被着させた放熱板２は、芯体２ｂと上面金属層７との間及び芯体２ｂと下面金属層７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７の芯体２ｂ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２は芯体２ｂと金属層７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、これによって放熱板２上に半導体素子５を強固に接着させることが可能となるとともに半導体素子５が作動時に発する熱を放熱板２を介して大気中に効率良く放散させることが可能となる。
【００２３】
前記放熱板２が挿着された金属基体１はまたその上面に放熱板２の半導体素子５が載置される載置部２ａを囲繞するようにして金属製枠体３がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されており、金属製枠体２の内側には半導体素子５を収容するための空所が形成される。
【００２４】
前記金属製枠体３は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金のインゴット（塊）に従来周知のプレス成形法等の金属加工法を採用し、所定の枠状に成形することによって製作される。
【００２５】
前記鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金から成る金属製枠体３はその熱膨張係数が約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）であり、金属基体１の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）に近似することから、両者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い。
【００２６】
また前記金属製枠体３はその側部の一部に切欠部３ａが形成されており、該切欠部３ａには、金属製枠体３の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層９が埋設されたセラミック端子体８が挿着されている。
【００２７】
前記セラミック端子体８はメタライズ配線層９を金属製枠体３に対し電気的絶縁をもって金属製枠体３の内側から外側にかけて配設する作用をなし、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、側面に予めメタライズ金属層を被着させておくとともに該メタライズ金属層を金属製枠体３の切欠部３ａ内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって金属製枠体３の切欠部３ａに挿着される。
【００２８】
前記セラミック端子体８は、例えば、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。
【００２９】
また前記セラミック端子体８には金属製枠体３の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層９が埋設されており、該メタライズ配線層９の金属製枠体３の内側に位置する領域には半導体素子５の各電極がボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続され、また金属製枠体３の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子１１が銀ロウ等のロウ材を介し取着されている。
【００３０】
前記メタライズ配線層９は半導体素子５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。
【００３１】
前記メタライズ配線層９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セラミック端子体８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セラミック端子体８に形成される。
【００３２】
なお、前記メタライズ配線層９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９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９への外部リード端子１１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９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。
【００３３】
また前記メタライズ配線層９には外部リード端子１１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１１は容器６内部に収容する半導体素子５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１１を外部電気回路に接続することによって容器６内部に収容される半導体素子５はメタライズ配線層９及び外部リード端子１１を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３４】
前記外部リード端子１１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。
【００３５】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板２の半導体素子載置部２ａ上に半導体素子５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５の各電極をボンディングワイヤ１０を介して所定のメタライズ配線層９に接続させ、しかる後、前記金属製枠体３の上面に蓋体４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、金属基体１、放熱板２、金属製枠体３及び蓋体４とから成る容器６内部に半導体素子５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。
【００３６】
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。
【００３７】
【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、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上である部材、即ち、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、鉄ーニッケル合金層（特に、鉄５８Ｗｔ％、ニッケル４２Ｗｔ％の合金が好ましい）もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【００３８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板及び鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成る金属基体、金属製枠体はそれぞれが約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）の熱膨張係数を有し、近似していることから放熱板と金属基体、金属基体と金属製枠体とを各々接合させた後、各々に熱が印加されても各々の接合部に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、金属基体と放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、これによって容器の気密封止が完全となり、容器内部に収容する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。
【００３９】
更に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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその重量が極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、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・・・・金属基体
２・・・・放熱板
２ａ・・・半導体素子の載置部
２ｂ・・・芯体
３・・・・金属製枠体
４・・・・蓋体
５・・・・半導体素子
７・・・・金属層
７ａ・・・クロムー鉄合金層
７ｂ・・・銅層
７ｃ・・・鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層
８・・・・セラミック端子体
９・・・・メタライズ配線層
１１・・・・外部リード端子
【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、上面に半導体素子が載置される載置部を有する鉄ーニッケルーコバルト合金、鉄ーニッケル合金等の金属材料からなる金属基体と、該金属基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして取着された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なる金属製枠体と、該金属製枠体の一部に形成された切欠部に挿着され、金属製枠体の内側から外側にかけて導出するタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末からなる複数個のメタライズ配線層が埋設されている酸化アルミニウム等のセラミックスから成るセラミック端子体と、前記金属製枠体の上面に取着され、枠体の内側を塞ぐ蓋体とから構成されており、金属基体の半導体素子載置部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セラミック端子体のメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、金属製枠体に蓋体を該枠体の内側を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、金属基体と金属製枠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、半導体素子が載置される金属基体が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で形成されており、該鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等等は熱伝導性がよいことから金属基体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、近時、半導体素子は高密度化、高集積化が急激に進み、これに伴って半導体素子の作動時に発する熱量が従来に比し極めて大きなものとなってきた。そのためこの半導体素子を従来の半導体素子収納用パッケージに収容し、半導体装置となした場合、半導体素子が載置される金属基体は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等から成り、その熱伝導率は１５〜１７Ｗ／ｍ・ｋで多少熱伝導性が良いものの、近時の半導体素子が発する多量の熱は完全に吸収することができず、その結果、半導体素子は該半導体素子が作動時に発する熱によって高温となり、半導体素子に熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を招来させ半導体素子を誤動作させるという欠点を有していた。
【０００５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率よく放散させて半導体素子を常に適温とし、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、枠状の金属基体と、該金属基体の穴部に挿着され、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、前記金属基体上面に前記載置部を囲繞するようにして取着され、かつ一部に切欠部を有する金属製枠体と、該金属製枠体の切欠部に挿着されたセラミック端子体とから成る半導体素子収納用パッケージであって、前記金属基体および金属製枠体は鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成り、かつ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、鉄ーニッケル合金層の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、前記クロムー鉄合金層、銅層、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金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。
【０００７】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である部材、即ち、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、鉄ーニッケル合金層（特に、鉄５８Ｗｔ％、ニッケル４２Ｗｔ％の合金が好ましい）もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【０００８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板及び鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成る金属基体、金属製枠体はそれぞれが約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）の熱膨張係数を有し、近似していることから放熱板と金属基体、金属基体と金属製枠体とを各々接合させた後、各々に熱が印加されても各々の接合部に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、金属基体と放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、これによって容器の気密封止が完全となり、容器内部に収容する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】
更に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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその重量が極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１０】
【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乃至図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は枠状の金属基体、２は放熱板、３は金属製枠体、４は蓋体である。この金属基体１と放熱板２と金属製枠体３と蓋体４とで半導体素子５を収容する容器６が構成される。
【００１１】
前記金属基体１は、鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金からなり、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金のインゴット（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枠状に形成される。
【００１２】
前記金属基体１はまたその中央部に形成された穴内に放熱板２が挿着されており、該放熱板２はその上面に半導体素子５が載置される載置部２ａを有し、該載置部２ａに半導体素子５がロウ材、ガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定される。
【００１３】
前記放熱板２は半導体素子５を支持する支持部材として作用するとともに半導体素子５が作動時に発する熱を大気中に放散する作用をなし、図２に示すように、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２ｂの上下両面にクロムー鉄合金層７ａ、銅層７ｂ、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃの３層構造を有する金属層７を拡散接合により被着させたものから成り、枠状をなす金属基体１の穴内に放熱板２を挿入するとともに金属基体１の穴の内壁面と放熱板２の外周面とをロウ材やガラス、樹脂等から成る接着剤を介し接着することによって金属基体１の穴内に挿着される。
【００１４】
前記放熱板２の一方向性複合材料から成る芯体２ｂ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卜を形成するとともに各々のシー卜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卜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。
【００１５】
また前記放熱板２の一方向性複合材料からなる芯体２ｂはその上下両面にクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層（特に、５８Ｗｔ％の鉄と４２Ｗｔ％のニッケルの合金が好ましい）もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃとの３つの層からなる金属層７が被着されており、該金属層７のクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃの各々はその厚みが略同一厚みとなっている。
【００１６】
前記金属層７を略同一厚みのクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃ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２ｂの熱膨張係数を鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金から成る金属基体１の熱膨張係数に近似する約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）にするためであり、一方向性複合材料からなる芯体２ｂの上下両面に略同一厚みのクロムー鉄合金層７ａと銅層７ｂと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃの３つの層からなる金属層７を被着させた放熱板２はその熱膨張係数が約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）となり、これによって放熱板２を金属基体１の穴内に挿着させた後、両者に半導体素子５が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、金属基体１と放熱板２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２は金属基体１に強固に接合し、かつ半導体素子５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６内部に収容する半導体素子５を長期間にわたり、正常、旦つ安定に作動させることができる。
【００１７】
なお、前記金属層７は一方向性複合材料からなる芯体２ｂ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２ｂ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鉄ーニッケル合金もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金の箔を順次、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。
【００１８】
また前記金属層７のクロムー鉄合金層７ａは、金属層７を一方向性複合材料からなる芯体２ｂに強固に接合させる作用をなし、また銅層７ｂはクロムー鉄合金層７ａと鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃ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、更に鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層７ｃはクロムー鉄合金層７ａ及び銅層７ｂと相まって放熱板２の熱膨張係数を約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃とする作用をなす。
【００１９】
前記一方向性複合材料からなる芯体２ｂの上下両主面に金属層７を被着させてなる放熱板２は、一方向性複合材料からなる芯体２ｂの炭素繊維の方向、即ち、放熱板２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２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成る芯体２ｂを用いた放熱板２の上面に半導体素子５を載置固定させた場合、半導体素子５の作動時に発する熱は放熱板２の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板２の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２０】
前記一方向性複合材料から成る芯体２ｂを用いた放熱板２はまたその重量が軽いことからこの放熱板２を使用した半導体素子収納用パッケージに半導体素子５を収容して半導体装置を形成した際、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。
【００２１】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体２ｂを用いた放熱板２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２と金属基体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２を適度に変形させることによって吸収され、その結果、金属基体１と放熱板２とは極めて強固に接合し、半導体素子５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。
【００２２】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体２ｂの上下両面に金属層７を被着させた放熱板２は、芯体２ｂと上面金属層７との間及び芯体２ｂと下面金属層７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７の芯体２ｂ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２は芯体２ｂと金属層７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、これによって放熱板２上に半導体素子５を強固に接着させることが可能となるとともに半導体素子５が作動時に発する熱を放熱板２を介して大気中に効率良く放散させることが可能となる。
【００２３】
前記放熱板２が挿着された金属基体１はまたその上面に放熱板２の半導体素子５が載置される載置部２ａを囲繞するようにして金属製枠体３がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されており、金属製枠体２の内側には半導体素子５を収容するための空所が形成される。
【００２４】
前記金属製枠体３は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金のインゴット（塊）に従来周知のプレス成形法等の金属加工法を採用し、所定の枠状に成形することによって製作される。
【００２５】
前記鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金から成る金属製枠体３はその熱膨張係数が約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）であり、金属基体１の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）に近似することから、両者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い。
【００２６】
また前記金属製枠体３はその側部の一部に切欠部３ａが形成されており、該切欠部３ａには、金属製枠体３の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層９が埋設されたセラミック端子体８が挿着されている。
【００２７】
前記セラミック端子体８はメタライズ配線層９を金属製枠体３に対し電気的絶縁をもって金属製枠体３の内側から外側にかけて配設する作用をなし、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、側面に予めメタライズ金属層を被着させておくとともに該メタライズ金属層を金属製枠体３の切欠部３ａ内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって金属製枠体３の切欠部３ａに挿着される。
【００２８】
前記セラミック端子体８は、例えば、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。
【００２９】
また前記セラミック端子体８には金属製枠体３の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層９が埋設されており、該メタライズ配線層９の金属製枠体３の内側に位置する領域には半導体素子５の各電極がボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続され、また金属製枠体３の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子１１が銀ロウ等のロウ材を介し取着されている。
【００３０】
前記メタライズ配線層９は半導体素子５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。
【００３１】
前記メタライズ配線層９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セラミック端子体８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セラミック端子体８に形成される。
【００３２】
なお、前記メタライズ配線層９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９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９への外部リード端子１１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９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。
【００３３】
また前記メタライズ配線層９には外部リード端子１１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１１は容器６内部に収容する半導体素子５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１１を外部電気回路に接続することによって容器６内部に収容される半導体素子５はメタライズ配線層９及び外部リード端子１１を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３４】
前記外部リード端子１１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。
【００３５】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板２の半導体素子載置部２ａ上に半導体素子５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５の各電極をボンディングワイヤ１０を介して所定のメタライズ配線層９に接続させ、しかる後、前記金属製枠体３の上面に蓋体４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、金属基体１、放熱板２、金属製枠体３及び蓋体４とから成る容器６内部に半導体素子５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。
【００３６】
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。
【００３７】
【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、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上である部材、即ち、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、鉄ーニッケル合金層（特に、鉄５８Ｗｔ％、ニッケル４２Ｗｔ％の合金が好ましい）もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【００３８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板及び鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成る金属基体、金属製枠体はそれぞれが約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）の熱膨張係数を有し、近似していることから放熱板と金属基体、金属基体と金属製枠体とを各々接合させた後、各々に熱が印加されても各々の接合部に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、金属基体と放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、これによって容器の気密封止が完全となり、容器内部に収容する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。
【００３９】
更に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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその重量が極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、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・・・・金属基体
２・・・・放熱板
２ａ・・・半導体素子の載置部
２ｂ・・・芯体
３・・・・金属製枠体
４・・・・蓋体
５・・・・半導体素子
７・・・・金属層
７ａ・・・クロムー鉄合金層
７ｂ・・・銅層
７ｃ・・・鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層
８・・・・セラミック端子体
９・・・・メタライズ配線層
１１・・・・外部リード端子
Claims (1)
- 枠状の金属基体と、該金属基体の穴部に挿着され、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、前記金属基体上面に前記載置部を囲繞するようにして取着され、かつ一部に切欠部を有する金属製枠体と、該金属製枠体の切欠部に挿着されたセラミック端子体とから成る半導体素子収納用パッケージであって、前記金属基体および金属製枠体は鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成り、かつ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、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金層の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、前記クロムー鉄合金層、銅層、鉄ーニッケル合金層もしくは鉄ーニッケルーコバルト合金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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