JP3694670B2

JP3694670B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置

Info

Publication number: JP3694670B2
Application number: JP2001392763A
Authority: JP
Inventors: 宗裕上村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003197800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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および半導体素子収納用パッケージに半導体素子を収納した半導体装置に関し、特に高い温度域で作動する半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来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（以下、半導体パッケージという）を図６に斜視図、図７に断面図、図８に平面図で示す。これらの図において、11は基体、13は枠体、14は蓋体、Ａは半導体素子である。これら基体11、枠体13および蓋体14とで内部に半導体素子Ａを収容する容器が基本的に構成される。
【０００３】
基体11は、半導体素子Ａの熱膨張係数に近似するとともに高熱伝導率を有する銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の略四角形の金属からなり、四隅部にネジ孔11ｂを有する。また基体11は、上面に半導体素子Ａを強固に接合するとともに、外部電気回路基板のヒートシンク部（図示せず）にネジ孔11ｂを介してネジ止め固定され、半導体素子Ａが作動時に発する熱を効率良くヒートシンク部に伝える機能を有する。
【０００４】
また、平面視形状が略四角形の枠体13は、載置部11ａを囲繞するように接合され、対向する側部に入出力部13ａを有するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体やムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ₂Ｏ₃）質焼結体等のセラミックスからなる。この枠体13は、半導体素子Ａを収容する容器を構成する一部材であり、外部電気回路基板と半導体素子Ａとの間で高周波信号を入出力させるためのものである。
【０００５】
また、入出力部13ａの枠体13外側の上面には、外部電気回路基板と入出力部13ａとの高周波信号の入出力を行うためのリード端子（図示せず）が接合される。
【０００６】
そして、半導体素子Ａが載置部11ａに載置固定され、半導体素子Ａと枠体13内側の入出力部13ａとがボンディングワイヤで電気的に接合されて、半導体素子Ａと外部電気回路基板とが高周波信号の入出力を行うことができるようになる。その後、枠体13の上面に、セラミックスや金属からなる蓋体14が低融点ロウ材を介して接合され、半導体素子Ａを気密に封止する半導体装置が作製される。半導体素子Ａは気密封止されることにより、酸化腐食等を起こさずに良好に作動する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子ＡがＧａＡｓ（ガリウムヒ素）化合物半導体等から成る半導体素子である場合、その作動時に発生する熱量は非常に大きくなり、高熱伝導率を有するとはいえ200Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率のＣｕ−Ｗ合金からなる基体11では、半導体素子Ａを効率良く作動させるのが困難である。即ち、半導体素子Ａの熱が基体11からヒートシンク部に効率良く伝わり難いため、半導体パッケージ内部に熱が溜まり、その熱により半導体素子Ａが誤作動を起こしたり破損するといった問題点があった。
【０００８】
また、基体11がＣｕ−Ｗ合金から成る場合、その剛性が非常に高くかつネジ止め固定されているため、半導体素子Ａと基体11との間の熱膨張差が大きい場合には、基体11が適度に変形し熱応力を緩和することができず、基体11と半導体素子Ａとの間で剥がれが発生し易い。さらに、基体11がＣｕ−Ｗ合金から成る場合、その比重が大きいため、近時の半導体パッケージの軽量化といった動向から外れる。
【０００９】
そこで、基体11の金属として、熱伝導率が約400Ｗ／ｍ・Ｋ程度で軟性が非常に高く、比重がＣｕ−Ｗ合金よりも非常に小さいＣｕ，銀（Ａｇ）等を採用することが考えられるが、Ｃｕ，Ａｇ等からなる基体11は枠体13との熱膨張差が非常に大きいため、基体11の上面に枠体13を接合した場合、それらの間で剥がれが発生したり、枠体13にクラック等の破損が発生し、半導体素子Ａを気密封止できなくなることがあった。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、非常に高い熱伝導率を有するとともに軽量かつ軟性を有するＣｕ，Ａｇ等から成る基体を用いることができるようにすることにより、大量の熱を発生する半導体素子を長期に亘って信頼性良く収納し得る半導体パッケージおよび半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体パッケージは、上面に半導体素子を載置する載置部が設けられた基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に入出力部が形成された枠体とを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記基体と前記枠体との間に、ヤング率が100〜120ＧＰａで厚さが0.05〜0.5ｍｍであり、帯状金属板の端面同士を向き合わせて成るとともに前記端面と主面との間の稜部に幅が0.01〜0.1ｍｍの面取り部が形成された枠状部材がロウ付けされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記の構成により、基体と枠体との間に生じる熱応力等による歪みを枠状部材が有効に緩和することができるため、非常に高い熱伝導率を有するとともに軽量かつ軟性を有するＣｕ，Ａｇ等から成る基体を用いることができる。その結果、半導体装置を作動させた際に、基体の非常に高い熱伝導率と軟性により半導体素子の熱を効率良く外部に放散できる。また、帯状金属板の端面同士を向き合わせて成るとともに端面と主面との間の稜部に幅が0.01〜0.1ｍｍの面取り部が形成された枠状部材を用いていることから、面取り部においてろう材が流れ易くなるとともに大きなメニスカスを形成するため、帯状金属板の端面間の僅かな隙間をろう材が埋めて内部の気密性が良好な半導体装置を構成することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、前記枠状部材の高さが１〜３ｍｍであることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記の構成により、基体と枠体との間に生じる熱応力等による歪みを枠状部材がより有効に緩和することができ、その結果、半導体素子の熱により枠体に破損が発生し半導体素子の気密性が劣化することを有効に防止することができる。
【００１５】
本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力部に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、上記の構成により、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージおよび半導体装置について下に詳細に説明する。図１〜図５は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示すものであり、図１は半導体パッケージの斜視図、図２は半導体パッケージの断面図、図３は半導体パッケージの平面図、図４は図１の要部拡大平面図、図５は枠状部材となる帯状金属板の端面の部分拡大斜視図である。これらの図において、１は基体、２は枠状部材、３は枠体、４は蓋体である。これら基体１、枠状部材２、枠体３および蓋体４とで、内部に半導体素子Ｂを気密に収容する容器が基本的に構成される。
【００１８】
本発明の基体１は、ＣｕやＡｇ等の金属からなるのがよく、この場合基体１は約400Ｗ／ｍ・Ｋ程度の非常に高い熱伝導率を有するとともに、非常に軽量かつ軟性に富むといった特性を有するものとなる。そのため、従来の半導体パッケージに比し非常に軽量であり、また半導体素子Ｂの熱を効率良く外部のヒートシンク部に伝えることができる。この基体１は例えば略四角形の形状であり、上面に半導体素子Ｂを載置する載置部１ａが設けられており、また四隅部にネジ孔１ｂを有する。基体１は、例えばＣｕからなる場合、Ｃｕのインゴットに圧延加工やプレス加工などの金属加工を施すことにより所定形状に作製される。このとき、表面に0.5〜９μｍの厚さのＮｉ層や0.5〜５μｍの厚さの金（Ａｕ）層などの金属層をメッキ法等により被着させておくと良い。
【００１９】
基体１の上面に枠状部材２を介して接合される枠体３は、例えば平面視形状が略四角形とされており、載置部１ａを囲繞するように枠状部材２を介して接合されるとともに、対向する側部に入出力部３ａを有する。この枠体３はＡｌ₂Ｏ₃質焼結体や３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ₂Ｏ₃質焼結体等のセラミックスからなる。そして、半導体素子Ｂを収容する容器を構成する側壁を成すとともに、外部電気回路と半導体素子Ｂとの高周波信号の入出力を行なう入出力部３ａを有する。また、枠体３外側の入出力部３ａの上面には、外部電気回路と入出力部３ａとの高周波信号の入出力を行うためのリード端子（図示せず）が接合される。
【００２０】
枠体３は、Ａｌ₂Ｏ₃や３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ₂Ｏ₃などの粉末にシリカ（ＳｉＯ₂），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の焼結助材の粉末を添加し、さらに適当な有機バインダや溶剤などを添加混合してスラリーとなし、このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によって成形して得られるセラミックグリーンシートに、打抜き加工を施すとともに、Ｗ，モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）などの粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た入出力部３ａとなる金属ペーストを、従来周知のスクリーン印刷法により所望のパターン形状に印刷塗布し、積層後、約1600℃の高温で焼結することにより作製される。
【００２１】
基体１と枠体３との間にロウ付けされる枠状部材２は、図４，図５に示すように、基体１と同様に非常に高い熱伝導率を有するとともに非常に軽量かつ軟性に富むＣｕやＡｇなどの金属からなるのが好ましい。枠状部材２となる帯状金属板は、ヤング率が100〜120ＧＰａ（ギガパスカル）で厚さが0.05〜0.5ｍｍであり、その端面２ｃ同士を向き合わせて成るとともに端面２ｃと主面２ｂとの間の稜部２ｄに幅が0.01〜0.1ｍｍの面取り部２ａが形成されている。この帯状金属板の端面２ｃ同士をＡｇロウ等のロウ材２ｆで接合することにより、枠状部材２が作製される。そして、非常に軟性に富むとともに基体１の熱膨張係数と同じか近似した枠状部材２が、基体１と枠体３との間の応力を有効に緩和する。
【００２２】
枠状部材２の厚さが0.05ｍｍ未満の場合、枠状部材２の上面に枠体３を接合した場合、枠状部材２の形状を保持する剛性が小さくなり過ぎ、半導体パッケージ外部から機械的応力が加わった場合に容易に変形する。その結果、内部に収容される半導体素子Ｂから入出力部３ａにかけて接続されたボンディングワイヤが、半導体パッケージ内部の周辺部に接触したり切れることがある。一方、厚さが0.5ｍｍを超えると、枠状部材２の剛性が大きくなり過ぎ、応力緩和機能が損なわれて枠体３にクラックが発生し易くなる。
【００２３】
また、稜部２ｄに形成された面取り部２ａの幅は0.01〜0.1ｍｍである。幅が0.01ｍｍ未満では、対向する面取り部２ａ同士の間の隙間が小さくなるためロウ材２ｆがその隙間を十分に流れず、接合ムラを発生させて気密性が劣化し易くなる。一方、幅が0.1ｍｍを超えると、対向する面取り部２ａ同士の間の隙間が大きくなり、その隙間に溜まるロウ材２ｆの量が多くなり過ぎて、ロウ材ｆ自体の軟性が損なわれる。そのため、応力緩和機能が低下して枠体３にクラックが発生し易くなる。
【００２４】
また、枠状部材２のヤング率は100〜120ＧＰａである。100ＧＰａ未満の場合、剛性が小さくなり過ぎて容易に変形してしまう。即ち、半導体パッケージ外部から機械的応力が加わった場合に枠状部材２が容易に変形し、内部に収容される半導体素子Ｂから入出力部３ａにかけて接続されたボンディングワイヤが半導体パッケージ内部の周辺部に接触したり切れることがある。一方、120ＧＰａを超えると、枠状部材２を薄くしても、応力緩和機能が十分に機能せず、枠体３にクラックを発生させ半導体素子Ｂの気密性が劣化し易くなる。
【００２５】
また、枠状部材２の高さは１〜３ｍｍが好ましい。１ｍｍ未満では、枠状部材２と基体１との接合部および枠状部材２と枠体３との接合部におけるロウ材２ｆのメニスカスが、枠状部材２をほぼ覆うように形成される。即ち、基体１と枠体３とが直接的にロウ材２ｆによって接合される部位が存在することとなり、基体１と枠体３との間の熱膨張差による熱応力がロウ材２ｆを介して伝わってしまう。その結果、枠体３にクラック等の破損が発生し半導体素子１を気密に封止できなくなり易い。３ｍｍを超えると、半導体パッケージ外部から機械的応力が加わった場合に容易に変形してしまうとともに、近時の半導体パッケージに要求される低背化に逆行することとなる。
【００２６】
枠状部材２は以下のようにして作製される。その材料が例えばＣｕであれば、Ｃｕのインゴットに圧延を複数回繰り返して均一な厚さのＣｕの薄板を作製し、次にこれを所定の幅で切断して帯状金属板を得る。次に、端面２ｃの稜部２ｄに上記幅寸法の切削加工を施して面取り部２ａを形成する。
【００２７】
このようにして得られた帯状金属板は、断面形状が長円状や四角形の金属柱に端面２ｃ同士が向き合うように巻き付けられ、所定温度でアニールされて形状が保持されるようにされ、最後に金属柱に巻き付けられた状態の帯状金属板が金属柱の周りに沿って所定厚さで切断されて所定のリング形状となる。その後、例えば、端面２ｃ間にロウ材が流れ込むことができるような僅かな隙間（例えば３０μｍ程度）ができるように軽く焼き入れ加工を施しておくのがよく、この焼き入れ加工により半導体パッケージを作製する際に端面２ｃ同士が互いに位置精度よく対向した状態を保持して固定されているため、端面２ｃの合わせ作業が不要となり作製の作業効率を良好とし得る。
【００２８】
枠状部材２を介しての基体１と枠体３との接合は以下のようにして行われる。リング状のプリフォームからなるロウ材を枠状部材２と枠体３との間に配置した状態で例えば最高温度800〜840℃で溶融し接合する。このとき、ロウ材２ｆは枠状部材２と枠体３との隙間を満たすとともに、帯状金属板の面取り部２ａを伝わって極めて速やかに、かつ均一な厚さで対向する端面２ｃ間の隙間を埋めていき、それと同時にその隙間に大きなメニスカスを形成し接合強度の大きいロウ接合部となる。さらに面取り部２ａを伝わったロウ材２ｆは枠状部材２と基体１との隙間に流れ、この隙間を均一に埋めるようにして全周に流れる。このようにして、極めて短時間で端面２ｃ同士の隙間、基体１と枠状部材２との隙間、および枠状部材２と枠体３との隙間が接合されることになり、厚さバラツキや接合強度のバラツキの無い接合を実現できる。
【００２９】
また、枠状部材２の表面には酸化腐食等を防止するために、厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層などの金属層をメッキ法により被着させておくと良い。
【００３０】
入出力部３ａの枠体３外側には、熱膨張係数が枠体３の熱膨張係数に近似した材料からなるリード端子（図示せず）がＡｇロウなどのロウ材で接合される。例えば、枠体３がＡｌ₂Ｏ₃セラミックスからなる場合、リード端子はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金などの金属からなるのがよく、熱膨張差による応力が発生してリード端子が剥がれ落ちるなどの不具合が発生し難くなる。
【００３１】
枠体３の上面には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属、またはＡｌ₂Ｏ₃セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミックスから成る蓋体４が接合される。この蓋体４により半導体素子Ｂを半導体パッケージの内部に気密に封止する。
【００３２】
本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体パッケージと、載置部１ａに載置固定され入出力部３ａに電気的に接続された半導体素子Ｂと、枠体３の上面に接合された蓋体４とを具備して成る。具体的には、載置部１ａに半導体素子Ｂをガラス、樹脂、ロウ材などの接合剤を介して載置固定して、半導体素子Ｂの電極をボンディングワイヤを介して入出力部３ａに電気的に接続し、しかる後、枠体３の上面に蓋体４をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤等により接合することにより、基体１，枠状部材２，枠体３からなる半導体パッケージの内部に半導体素子Ｂを収容し蓋体４で封止することにより製品としての半導体装置となる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。例えば、半導体素子Ｂが光半導体素子であっても良く、この場合、枠体３の側部に集光用のレンズが内周面に接着された筒状の光ファイバ固定部材が取り付けられて光半導体装置として機能する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、上面に半導体素子を載置する載置部が設けられた基体と、基体の上面に載置部を囲繞するように接合され、側部に入出力部が形成された枠体とを具備しており、基体と枠体との間に、ヤング率が100〜120ＧＰａで厚さが0.05〜0.5ｍｍであり、帯状金属板の端面同士を向き合わせて成るとともに端面と主面との間の稜部に幅が0.01〜0.1ｍｍの面取り部が形成された枠状部材がロウ付けされていることにより、基体と枠体との間に生じる熱応力等による歪みを枠状部材が有効に緩和することができるため、非常に高い熱伝導率を有するとともに軽量かつ軟性を有するＣｕ，Ａｇ等から成る基体を用いることができる。その結果、半導体装置を作動させた際に、基体の非常に高い熱伝導率と軟性により半導体素子の熱を効率良く外部に放散できる。また、帯状金属板の端面同士を向き合わせて成るとともに端面と主面との間の稜部に幅が0.01〜0.1ｍｍの面取り部が形成された枠状部材を用いていることから、面取り部においてろう材が流れ易くなるとともに大きなメニスカスを形成するため、帯状金属板の端面間の僅かな隙間をろう材が埋めて内部の気密性が良好な半導体装置を構成することができる。
【００３５】
本発明は、好ましくは枠状部材の高さが１〜３ｍｍであることにより、基体と枠体との間に生じる熱応力等による歪みを枠状部材がより有効に緩和することができ、その結果、半導体素子の熱により枠体に破損が発生し半導体素子の気密性が劣化することを有効に防止することができる。
【００３６】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体パッケージと、載置部に載置固定され入出力部に電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことにより、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る信頼性の高い半導体装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージについて実施の形態の例を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体パッケージの断面図である。
【図３】図１の半導体パッケージの平面図である。
【図４】本発明の半導体パッケージの要部拡大断面図である。
【図５】本発明の半導体パッケージの要部拡大斜視図である。
【図６】従来の半導体パッケージの斜視図である。
【図７】図６の半導体パッケージの断面図である。
【図８】図６の半導体パッケージの平面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠状部材
２ａ：面取り部
２ｂ：主面
２ｃ：端面
２ｄ：稜部
２ｅ：高さ
３：枠体
３ａ：入出力部
４：蓋体
Ｂ：半導体素子

Claims

上面に半導体素子を載置する載置部が設けられた基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に入出力部が形成された枠体とを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記基体と前記枠体との間に、ヤング率が100〜120ＧＰａで厚さが0.05〜0.5ｍｍであり、帯状金属板の端面同士を向き合わせて成るとともに前記端面と主面との間の稜部に幅が0.01〜0.1ｍｍの面取り部が形成された枠状部材がロウ付けされていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
前記枠状部材の高さが１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力部に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする半導体装置。