JP3659306B2 - 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／℃）と大きく相違することから、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違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、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体の少なくとも１種から成り、内部に半導体素子を収容する空所を有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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が被着されて形成されており、かつ前記接着層、中間層、主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】
また本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板に前記載置部を囲繞するようにして酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体の少なくとも１種から成る枠状の絶縁体を取着させた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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が被着されて形成されており、かつ前記接着層、中間層、主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。
【０００９】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が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。
【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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を被着させた放熱板は弾性率が３０ＧＰａ以下で、軟質であり、かつ熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃と絶縁容器や枠状絶縁体を形成する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体等の熱膨張係数に近似することから、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、或いは枠状絶縁体と放熱板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、或いは放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、また発生した小さな熱応力も放熱板が適度に変形することによって吸収され、その結果、放熱板と絶縁容器、或いは放熱板と枠状絶縁体とは、絶縁容器や枠体に割れやクラックを発生させることなく強固に接合し、半導体素子の気密封止を完全として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。
【００１１】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を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。
【００１２】
【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。
【００１３】
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。
【００１４】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の上下両面にチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃの３層構造を有する金属層９が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。
【００２３】
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。
【００２４】
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に示すようにチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃ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。
【００２５】
前記金属層９を略同一厚みのチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層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（約４×１０-6／℃〜７×１０-6／℃）に近似させるためであり、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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層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／℃〜９×１０-6／℃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違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。
【００２６】
前記金属層９は一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に例えば、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以下のチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る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。
【００２７】
前記金属層９のチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層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、また銅から成る中間層９ｂは接着層９ａとモリブデンから成る主層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、更にモリブデンから成る主層９ｃは接着層９ａ及び中間層９ｂと相俟って放熱板８の熱膨張係数を約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃とする作用をなす。
【００２８】
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、かつ放熱板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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
また図３は本発明の他の実施例を示し、図中、２１は放熱板、２２は枠状の絶縁体、２３は蓋体である。この放熱板２１と枠状絶縁体２２と蓋体２３とで半導体素子２４を収容する容器２５が構成される。
【００３４】
前記放熱板２１はその上面に半導体素子２４が載置される載置部２１ａを有するとともに上面外周部に放熱板２１の上面に設けた半導体素子２４が載置される載置部２１ａを囲繞するようにして枠状の絶縁体２２がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されている。
【００３５】
前記放熱板２１は半導体素子２４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２４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、半導体素子２４を常に適温とする作用をなし、枠状絶縁体２２に囲まれた放熱板２１の載置部２１ａ上に半導体素子２４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定される。
【００３６】
前記放熱板２１は、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８ａの上下両面にチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃの３層構造を有する金属層９を被着させたものから成り、枠状絶縁体２２の下面に予め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２７を被着させておき、該メタライズ金属層２７に放熱板２１の上面側に被着させた金属層９を半田や銀一銅合金、銀ー銅ーチタン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２１は枠状絶縁体２２の下面に取着される。
【００３７】
前記放熱板２１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に示すようにチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃ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。
【００３８】
前記金属層９を略同一厚みのチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層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の熱膨張係数を枠状絶縁体２２の熱膨張係数（約４×１０-6／℃〜７×１０-6／℃）に近似させるためであり、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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃの３つの層からなる金属層９を被着させた放熱板２１はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃となり、これによって放熱板２１に枠状絶縁体２２を取着させた後、両者に半導体素子２４が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板２１と枠状絶縁体２２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２１は枠状絶縁体２２に割れやクラックを発生させることなく枠状絶縁体２２に強固に接合し、かつ半導体素子２４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２４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。
【００３９】
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２１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２１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２１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２１の上面に半導体素子２４を載置固定させた場合、半導体素子２４の作動時に発する熱は放熱板２１の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板２１の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００４０】
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２１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２１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２４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。
【００４１】
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２１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２１と枠状絶縁体２２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２１を適度に変形させることによって吸収され、その結果、枠状絶縁体２２と放熱板２１とは極めて強固に接合し、半導体素子２４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。
【００４２】
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２１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２１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、これによって枠状絶縁体２２の下面に放熱板２１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２４が作動時に発する熱を放熱板２１を介して大気中に効率良く放散させことが可能となる。
【００４３】
更にまた前記放熱板２１の上面外周部には該放熱板２１の上面に設けた半導体素子２４が載置される載置部２１ａを囲繞するようにして枠状の絶縁体２２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、放熱板２１と枠状絶縁体２２とで半導体素子２４を収容するための空所が内部に形成される。
【００４４】
前記放熱板２１に取着される枠状絶縁体２２は酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体から成り、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。
【００４５】
前記枠状絶縁体２２は更にその内周部から上面にかけて導出する複数個のメタライズ配線層２８が被着形成されており、枠状絶縁体２２の内周部に導出するメタライズ配線層２８の一端には半導体素子２４の各電極がボンディングワイヤ２９を介して電気的に接続され、また枠状絶縁体２２の上面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ピン３０が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００４６】
前記メタライズ配線層２８は半導体素子２４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。
【００４７】
前記メタライズ配線層２８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枠状絶縁体２２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印刷塗布しておくことによって枠状絶縁体２２の内周部から上面にかけて被着形成される。
【００４８】
なお、前記メタライズ配線層２８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２８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２８への外部リードピン３０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２８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。
【００４９】
また前記メタライズ配線層２８には外部リードピン３０が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リードピン３０は容器２５内部に収容する半導体素子２４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、外部リードピン３０を外部電気回路に接続することによって容器２５内部に収容される半導体素子２４はメタライズ配線層２８及び外部リ一ドピン３０を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００５０】
前記外部リードピン３０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。
【００５１】
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２１の半導体素子載置部２１ａ上に半導体素子２４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２４の各電極をボンディングワイヤ２９を介して所定のメタライズ配線層２８に接続させ、しかる後、前記枠状絶縁体２２の上面に蓋体２３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、放熱板２１、枠状絶縁体２２及び蓋体２３とから成る容器２５内部に半導体素子２４を気密に収容すことによって製品としての半導体装置となる。
【００５２】
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。
【００５３】
【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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が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。
【００５４】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を被着させた放熱板は弾性率が３０ＧＰａ以下で、軟質であり、かつ熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃と絶縁容器や枠状絶縁体を形成する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体等の熱膨張係数に近似することから、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、或いは枠状絶縁体と放熱板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、或いは放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、また発生した小さな熱応力も放熱板が適度に変形することによって吸収され、その結果、放熱板と絶縁容器、或いは放熱板と枠状絶縁体とは、絶縁容器や枠体に割れやクラックを発生させることなく強固に接合し、半導体素子の気密封止を完全として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。
【００５５】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を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。
【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２、２３・・・・・蓋体
３、２４・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・絶縁容器
５、２８・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８、２１・・・・・放熱板
８ａ・・・・・・・芯体
９・・・・・・・・金属層
９ａ・・・・・・・接着層
９ｂ・・・・・・・中間層
９ｃ・・・・・・・主層
２２・・・・・・・枠状の絶縁体
【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／℃）と大きく相違することから、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違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、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体の少なくとも１種から成り、内部に半導体素子を収容する空所を有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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が被着されて形成されており、かつ前記接着層、中間層、主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】
また本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板に前記載置部を囲繞するようにして酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体の少なくとも１種から成る枠状の絶縁体を取着させた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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が被着されて形成されており、かつ前記接着層、中間層、主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。
【０００９】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が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。
【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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を被着させた放熱板は弾性率が３０ＧＰａ以下で、軟質であり、かつ熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃と絶縁容器や枠状絶縁体を形成する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体等の熱膨張係数に近似することから、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、或いは枠状絶縁体と放熱板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、或いは放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、また発生した小さな熱応力も放熱板が適度に変形することによって吸収され、その結果、放熱板と絶縁容器、或いは放熱板と枠状絶縁体とは、絶縁容器や枠体に割れやクラックを発生させることなく強固に接合し、半導体素子の気密封止を完全として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。
【００１１】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を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。
【００１２】
【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。
【００１３】
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。
【００１４】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の上下両面にチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃの３層構造を有する金属層９が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。
【００２３】
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。
【００２４】
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に示すようにチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃ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。
【００２５】
前記金属層９を略同一厚みのチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層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（約４×１０-6／℃〜７×１０-6／℃）に近似させるためであり、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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層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／℃〜９×１０-6／℃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違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。
【００２６】
前記金属層９は一方向性複合材料からなる芯体８ａの上下両面に例えば、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以下のチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る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。
【００２７】
前記金属層９のチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層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、また銅から成る中間層９ｂは接着層９ａとモリブデンから成る主層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、更にモリブデンから成る主層９ｃは接着層９ａ及び中間層９ｂと相俟って放熱板８の熱膨張係数を約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃とする作用をなす。
【００２８】
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、かつ放熱板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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
また図３は本発明の他の実施例を示し、図中、２１は放熱板、２２は枠状の絶縁体、２３は蓋体である。この放熱板２１と枠状絶縁体２２と蓋体２３とで半導体素子２４を収容する容器２５が構成される。
【００３４】
前記放熱板２１はその上面に半導体素子２４が載置される載置部２１ａを有するとともに上面外周部に放熱板２１の上面に設けた半導体素子２４が載置される載置部２１ａを囲繞するようにして枠状の絶縁体２２がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されている。
【００３５】
前記放熱板２１は半導体素子２４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２４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、半導体素子２４を常に適温とする作用をなし、枠状絶縁体２２に囲まれた放熱板２１の載置部２１ａ上に半導体素子２４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定される。
【００３６】
前記放熱板２１は、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８ａの上下両面にチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃの３層構造を有する金属層９を被着させたものから成り、枠状絶縁体２２の下面に予め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２７を被着させておき、該メタライズ金属層２７に放熱板２１の上面側に被着させた金属層９を半田や銀一銅合金、銀ー銅ーチタン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２１は枠状絶縁体２２の下面に取着される。
【００３７】
前記放熱板２１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に示すようにチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃ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。
【００３８】
前記金属層９を略同一厚みのチタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層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の熱膨張係数を枠状絶縁体２２の熱膨張係数（約４×１０-6／℃〜７×１０-6／℃）に近似させるためであり、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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層９ａと、銅から成る中間層９ｂと、モリブデンから成る主層９ｃの３つの層からなる金属層９を被着させた放熱板２１はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃となり、これによって放熱板２１に枠状絶縁体２２を取着させた後、両者に半導体素子２４が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板２１と枠状絶縁体２２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２１は枠状絶縁体２２に割れやクラックを発生させることなく枠状絶縁体２２に強固に接合し、かつ半導体素子２４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２４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。
【００３９】
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２１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２１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２１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２１の上面に半導体素子２４を載置固定させた場合、半導体素子２４の作動時に発する熱は放熱板２１の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板２１の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００４０】
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２１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２１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２４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。
【００４１】
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２１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２１と枠状絶縁体２２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２１を適度に変形させることによって吸収され、その結果、枠状絶縁体２２と放熱板２１とは極めて強固に接合し、半導体素子２４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。
【００４２】
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２１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２１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、これによって枠状絶縁体２２の下面に放熱板２１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２４が作動時に発する熱を放熱板２１を介して大気中に効率良く放散させことが可能となる。
【００４３】
更にまた前記放熱板２１の上面外周部には該放熱板２１の上面に設けた半導体素子２４が載置される載置部２１ａを囲繞するようにして枠状の絶縁体２２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、放熱板２１と枠状絶縁体２２とで半導体素子２４を収容するための空所が内部に形成される。
【００４４】
前記放熱板２１に取着される枠状絶縁体２２は酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体から成り、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。
【００４５】
前記枠状絶縁体２２は更にその内周部から上面にかけて導出する複数個のメタライズ配線層２８が被着形成されており、枠状絶縁体２２の内周部に導出するメタライズ配線層２８の一端には半導体素子２４の各電極がボンディングワイヤ２９を介して電気的に接続され、また枠状絶縁体２２の上面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ピン３０が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００４６】
前記メタライズ配線層２８は半導体素子２４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。
【００４７】
前記メタライズ配線層２８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枠状絶縁体２２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印刷塗布しておくことによって枠状絶縁体２２の内周部から上面にかけて被着形成される。
【００４８】
なお、前記メタライズ配線層２８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２８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２８への外部リードピン３０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２８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。
【００４９】
また前記メタライズ配線層２８には外部リードピン３０が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リードピン３０は容器２５内部に収容する半導体素子２４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、外部リードピン３０を外部電気回路に接続することによって容器２５内部に収容される半導体素子２４はメタライズ配線層２８及び外部リ一ドピン３０を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００５０】
前記外部リードピン３０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。
【００５１】
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２１の半導体素子載置部２１ａ上に半導体素子２４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２４の各電極をボンディングワイヤ２９を介して所定のメタライズ配線層２８に接続させ、しかる後、前記枠状絶縁体２２の上面に蓋体２３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、放熱板２１、枠状絶縁体２２及び蓋体２３とから成る容器２５内部に半導体素子２４を気密に収容すことによって製品としての半導体装置となる。
【００５２】
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。
【００５３】
【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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が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。
【００５４】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を被着させた放熱板は弾性率が３０ＧＰａ以下で、軟質であり、かつ熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃と絶縁容器や枠状絶縁体を形成する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体等の熱膨張係数に近似することから、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、或いは枠状絶縁体と放熱板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、或いは放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、また発生した小さな熱応力も放熱板が適度に変形することによって吸収され、その結果、放熱板と絶縁容器、或いは放熱板と枠状絶縁体とは、絶縁容器や枠体に割れやクラックを発生させることなく強固に接合し、半導体素子の気密封止を完全として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。
【００５５】
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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層を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。
【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２、２３・・・・・蓋体
３、２４・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・絶縁容器
５、２８・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８、２１・・・・・放熱板
８ａ・・・・・・・芯体
９・・・・・・・・金属層
９ａ・・・・・・・接着層
９ｂ・・・・・・・中間層
９ｃ・・・・・・・主層
２２・・・・・・・枠状の絶縁体
Claims (2)
- 酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体の少なくとも１種から成り、内部に半導体素子を収容する空所を有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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が被着されて形成されており、かつ前記接着層、中間層、主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。
- 上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板に前記載置部を囲繞するようにして酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体の少なくとも１種から成る枠状の絶縁体を取着させた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チタン、ジルコニウム、バナジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種より成る接着層と、銅から成る中間層と、モリブデンから成る主層の３層構造を有する金属層が被着されて形成されており、かつ前記接着層、中間層、主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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