JP3695706B2

JP3695706B2 - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP3695706B2
Application number: JP2001395839A
Authority: JP
Inventors: 恵二成重
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003197803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を収納する半導体パッケージに係り、より詳細には、特に高周波用の半導体素子の収納に適し、基体と蓋体で気密封止する半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体パッケージとしては、半導体素子を直接樹脂で覆う樹脂封止型パッケージと、基体と蓋体で形成する空間中に収納する気密封止型パッケージが知られている。前者は、リードフレーム等に搭載した半導体素子を樹脂モールドしたもので、大量生産に向きコストが安くできる等の利点から広く採用されている。後者は、セラミック等からなる基体に搭載した半導体素子を金属板やセラミック基板等からなる蓋体で蓋をして気密に封止したものであり、前者に比べてコストは高くなるが気密性に優れるため、高い信頼性が要求される場合に採用されている。
【０００３】
近年、移動体通信の基地局等に用いるガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力用の半導体素子の需要が高まっている。この半導体素子は発熱量が非常に大きく、従来の気密封止型の半導体パッケージでは十分な放熱性を得ることができない。このため、放熱用の金属板からなる底体上にセラミック製の枠体を接合し、更に外部接続端子用のリードフレームをセラミック製の枠体に接合した基体の放熱用の金属板上に半導体素子を搭載し、金属製やセラミック製等の蓋体を用いて樹脂や、ガラス等で接合して蓋をする気密封止型の半導体パッケージが開発されている。
【０００４】
図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して従来の半導体パッケージを説明する。図４（Ａ）は、従来の半導体パッケージの平面図を示し、図４（Ｂ）は、Ａ−Ａ’線拡大断面図である。従来の半導体パッケージの基体５０は、１又は複数枚を重ね合わせたセラミックグリーンシートの両面にメタライズパターンを印刷し、枠状に形成した後、焼成して形成したメタライズ層５１を有するセラミック製の枠体５２を有している。また、基体５０は、枠体５２の上面側にろう材の一例であるＡｇ−Ｃｕ共晶合金からなる銀ろう５５を介して加熱し、銀ろう５５を溶融させてろう付け接合する外部接続端子用のリードフレーム５３を有している。更に、基体５０は、枠体５２の下面側にろう材の一例であるＡｇ−Ｃｕ共晶合金からなる銀ろう５５を介して加熱し、銀ろう５５を溶融させてろう付け接合する半導体素子からの発熱を放熱させるための金属板５４を有している。基体５０には、半導体素子（図示せず）が搭載された後、金属板やセラミック基板等からなる蓋体（図示せず）を樹脂や、ガラス等で接合して半導体パッケージを形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体パッケージは、次のような問題がある。
基体と蓋体を樹脂材で接合して形成する半導体パッケージは、大気中で行うことができるが、樹脂から発生する水分及び大気中の水分が半導体パッケージの内部に含まれた状態で気密封止される。この状態で環境試験等を行った時に、半導体パッケージの内部で露結した状態となり、そこに電圧が掛けられると、基体を形成するときに使用したろう材のＡｇ−Ｃｕ共晶合金からＡｇがイオン化し、Ａｇが析出して樹枝状に成長して、セラミック製の枠体の内部側壁に樹枝状晶（デントライト）が発生することが考えられ、リードフレームと金属板が短絡を起こす場合がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、外部接続端子用のリードフレームと放熱用の金属板との間で短絡の発生しない半導体パッケージを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る半導体パッケージは、外部接続端子用のリードフレームとリング状のセラミック枠体及び放熱用の金属板を強固に接合して有する基体と、基体の内部に半導体素子を搭載した後樹脂で封止する蓋体を有する半導体パッケージにおいて、基体はリードフレームと金属板をセラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかもリードフレームとセラミック枠体とを接合する第１の接合材と、セラミック枠体と金属板とを接合する第２の接合材のいずれか一方に約８９０〜１０１０℃で加熱してろう付け接合するＢＡｕ−２又はＢＡｕ−４の金ろう、他方に約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合する銀ろうからなる接合材を有する。これにより、セラミック枠体の内部側壁で銀のデントライトが成長したとしても、一方の接合面からの析出となるので、リードフレームと金属板との短絡を防止できる。
【０００７】
前記目的に沿う第２の発明に係る半導体パッケージは、外部接続端子用のリードフレームとリング状のセラミック枠体及び放熱用の金属板を強固に接合して有する基体と、基体の内部に半導体素子を搭載した後樹脂で封止する蓋体を有する半導体パッケージにおいて、基体はリードフレームと金属板をセラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかもリードフレームとセラミック枠体とを接合する第１の接合材と、セラミック枠体と金属板とを接合する第２の接合材の両方に約８９０〜１０１０℃で加熱してろう付け接合するＢＡｕ−２又はＢＡｕ−４の金ろうからなる接合材を有する。これにより、接合材の中に銀が存在しないので、デントライトの発生がなく、リードフレームと金属板との短絡を防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は第１の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージの斜視図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体パッケージの基体のリードフレームとセラミック枠体と金属板の接合部の拡大断面図、図３は第２の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージの基体のリードフレームとセラミック枠体と金属板の接合部の拡大断面図である。
【０００９】
図１、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０は、基体１１と、基体１１の内部に半導体素子を搭載した後、気密に封止するためのセラミックや金属等からなる基板１３に樹脂１４が接合された蓋体１２とから構成されている。基体１１は、外部接続端子用のリードフレーム１５と、リング状のセラミック枠体１６、及び半導体素子からの発熱を放熱させるための金属板１７を有している。基体１１のリードフレーム１５とセラミック枠体１６を接合する第１の接合材には、セラミック枠体１６の上面にメタライズパターンが形成されたメタライズ層１８ａを介して銀ろう１９が用いられ、リードフレーム１５とセラミック枠体１６を強固に接合している。そして、基体１１のセラミック枠体１６と金属板１７を接合する第２の接合材には、セラミック枠体１６の下面にメタライズパターンが形成されたメタライズ層１８ｂを介して金ろう２０が用いられ、セラミック枠体１６と金属板１７を強固に接合している（図２（Ａ）参照）。また、第１の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０の変形例の基体１１ａは、リードフレーム１５とセラミック枠体１６を接合する第１の接合材に金ろう２０が用いられ、セラミック枠体１６と金属板１７を接合する第２の接合材に銀ろう１９が用いられている（図２（Ｂ）参照）。
【００１０】
なお、ここで用いられるセラミック枠体１６の厚みが０．４〜１．５ｍｍ程度においては、特に、デントライトの発生に対して短絡を防止するのに有効に働く。０．４ｍｍ未満であれば銀ろう１９を用いた場合に、デントライトの発生に対してそれを防止することが困難となる。また、１．５ｍｍを超えると、第１の接合材及び第２の接合材に銀ろう１９を用いてもデントライトによる短絡は発生が非常に少なくなる。
【００１１】
図３に示すように、第２の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０ａは、基体１１ｂと、基体１１ｂの内部に半導体素子を搭載した後、気密に封止するためのセラミックや金属等からなる基板１３に樹脂１４が接合された蓋体１２とから構成されている。基体１１ｂは、外部接続端子用のリードフレーム１５と、リング状のセラミック枠体１６、及び半導体素子からの発熱を放熱させるための金属板１７を有している。基体１１のリードフレーム１５とセラミック枠体１６を接合する第１の接合材には、セラミック枠体１６の上面にメタライズパターンが形成されたメタライズ層１８ａを介して金ろう２０が用いられ、リードフレーム１５とセラミック枠体１６を強固に接合している。また、基体１１のセラミック枠体１６と金属板１７を接合する第２の接合材にも、セラミック枠体１６の下面にメタライズパターンが形成されたメタライズ層１８ｂを介して金ろう２０が用いられ、セラミック枠体１６と金属板１７を強固に接合している。
【００１２】
次いで、第１、第２の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０、１０ａの製造方法について、まとめて詳細に説明する。
半導体パッケージ１０、１０ａの基体１１、１１ａ、１１ｂに用いられるリードフレーム１５は、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等のセラミックと熱膨張係数が近似する金属部材からなり、切削や、エッチングや、打ち抜き加工等で所定の形状に形成されている。なお、因みに、セラミックの一例であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の熱膨張係数は、６．７×１０^−６／ｋであり、ＫＶの熱膨張係数は、５．３×１０^−６／ｋである。
【００１３】
セラミック枠体１６を形成するセラミックは、セラミックの一例であるアルミナからなり、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練し、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製する。次いで、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートを形成し、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製する。そして、セラミック枠体１６は、１又は複数枚のセラミックグリーンシートにリング状になるように中空部を打ち抜き加工すると共に、タングステンや、モリブデン等の高融点金属からなるメタライズペーストを用いて、セラミック枠体１６の表面側及び裏面側となるようにスクリーン印刷し、セラミックグリーンシートが複数枚の場合には積層した後、高融点金属とセラミックグリーンシートとを還元雰囲気中で同時焼結して表面側のメタライズ層１８ａと、裏面側のメタライズ層１８ｂを有するリング状に形成する。裏面側のメタライズ層１８ｂは、金属板１７とリング状の全周にわたって接合するためにセラミック枠体１６の裏面全周面に形成されている。なお、セラミックは、アルミナ以外に、窒化アルミニウムや、低温焼成セラミック等特に限定されるものではなく、メタライズペーストも焼成温度に合わせて、Ａｇや、Ｃｕ系等の低融点金属を用いることもできる。
【００１４】
金属板１７は、セラミックの熱膨張係数と近似させて熱伝導率の高い高放熱特性を有する、例えば、ポーラス状のタングステンに銅を含浸させたりして作製する銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）板や、銅、モリブデン、銅の板を３層構造に貼り合わせたりして作製する銅モリブデン銅（Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ）の接合板等からなり、切削加工や、粉末冶金等の手法を用いてボード等の取付部材にねじ止め固定するための固定用切り欠き部２１を設けて実質的に長方形状に形成されている。なお、因みに、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕの接合板の熱伝導率は、２６０Ｗ／ｍ・ｋ程度で、Ｃｕ−Ｗの熱伝導率は、２３０Ｗ／ｍ・ｋ程度であり、半導体素子からの発熱を効率よく放熱することができる。
【００１５】
ここで、第１の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０の基体１１の製造方法は、先ず、リードフレーム１５の表面、セラミック枠体１６の両面のメタライズ層１８ａ、１８ｂの表面、及び金属板１７の表面にＮｉめっきを施す。次いで、セラミック枠体１６と金属板１７を接合するのに用いられる第２の接合材に、例えば、ＢＡｕ−２（Ａｕが８０％と、残部がＣｕからなる共晶合金）、ＢＡｕ−４（Ａｕが８２％と、残部がＮｉからなる共晶合金）等のろう付け温度の高い金ろう２０を用い、セラミック枠体１６の下面側に形成されたメタライズ層１８ｂと金属板１７との間に金ろう２０を載置し、約８９０〜１０１０℃で加熱してろう付け接合している。次いで、リードフレーム１５とセラミック枠体１６を接合するのに用いられる第１の接合材に、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のろう付け温度が金ろう２０より低い銀ろう１９を用い、リードフレーム１５とセラミック枠体１６の上面側に形成されたメタライズ層１８ａとの間に銀ろう１９を載置し、約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合している。
【００１６】
また、第１の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０の変形例の基体１１ａの製造方法は、先ず、リードフレーム１５の表面、セラミック枠体１６の両面のメタライズ層１８ａ、１８ｂの表面、及び金属板１７の表面にＮｉめっきを施す。次いで、リードフレーム１５とセラミック枠体１６を接合するのに用いられる第１の接合材に、例えば、ＢＡｕ−２、ＢＡｕ−４等のろう付け温度の高い金ろう２０を用い、リードフレーム１５とセラミック枠体１６の上面側に形成されたメタライズ層１８ａとの間にこの金ろう２０を載置し、約８９０〜１０１０℃で加熱してろう付け接合している。次いで、セラミック枠体１６と金属板１７を接合するのに用いられる第２の接合材に、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のろう付け温度が金ろう２０より低い銀ろう１９を用い、セラミック枠体１６の下面側に形成されたメタライズ層１８ｂと金属板１７との間にこの銀ろう１９を載置し、約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合している。
【００１７】
更に、第２の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０ａの基体１１ｂの製造方法は、先ず、リードフレーム１５の表面、セラミック枠体１６の両面のメタライズ層１８ａ、１８ｂの表面、及び金属板１７の表面にＮｉめっきを施す。次いで、リードフレーム１５とセラミック枠体１６を接合するのに用いられる第１の接合材、及び、セラミック枠体１６と金属板１７を接合するのに用いられる第２の接合材に、例えば、ＢＡｕ−２、ＢＡｕ−４等の金ろう２０を用い、リードフレーム１５とセラミック枠体１６の上面側に形成されたメタライズ層１８ａとの間、及び、セラミック枠体１６の下面側に形成されたメタライズ層１８ｂと金属板１７との間にこの金ろう２０を載置し、約８９０〜１０１０℃で加熱してろう付け接合している。なお、第１の接合材と第２の接合材に金ろう２０を用いるので、２箇所を同時に加熱接合してもよく、２度に分けて加熱接合することもできる。
【００１８】
リードフレーム１５、セラミック枠体１６、及び金属板１７が接合された基体１１、１１ａ、１１ｂには、Ｎｉめっき及びＡｕめっきが施される。
【００１９】
一方、第１及び第２の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージ１０、１０ａの蓋体１２の製造方法は、アルミナ等のセラミック材を焼結して板状に形成したり、ＫＶ、４２アロイ等の金属材等から板状に形成した基板１３に、例えば、エポキシ等からなる樹脂１４をセラミック枠体１６と実質的に重なる大きさにスクリーン印刷して形成している。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１記載の半導体パッケージは、基体にリードフレームと金属板をセラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかもリードフレームとセラミック枠体とを接合する第１の接合材と、セラミック枠体と金属板とを接合する第２の接合材のいずれか一方に金ろう、他方に銀ろうからなる接合材を有するので、セラミック枠体の内部側壁で銀のデントライトが成長したとしても、一方の接合面からの析出となるので、リードフレームと金属板との間に短絡を発生させるまでには成長しない。
【００２１】
請求項２記載の半導体パッケージは、基体にリードフレームと金属板をセラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかもリードフレームとセラミック枠体とを接合する第１の接合材と、セラミック枠体と金属板とを接合する第２の接合材の両方に金ろうからなる接合材を有するので、接合材に銀が存在せず、デントライトが発生がなく、リードフレームと金属板との短絡を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージの斜視図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体パッケージの基体のリードフレームとセラミック枠体と金属板の接合部の拡大断面図である。
【図３】第２の発明の一実施の形態に係る半導体パッケージの基体のリードフレームとセラミック枠体と金属板の接合部の拡大断面図である。
【図４】従来の半導体パッケージの基体の平面図、拡大断面図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ：半導体パッケージ、１１、１１ａ、１１ｂ：基体、１２：蓋体、１３：基板、１４：樹脂、１５：リードフレーム、１６：セラミック枠体、１７：金属板、１８ａ、１８ｂ：メタライズ層、１９：銀ろう、２０：金ろう、２１：固定用切り欠き部

Claims

外部接続端子用のリードフレームとリング状のセラミック枠体及び放熱用の金属板を強固に接合して有する基体と、該基体の内部に半導体素子を搭載した後、樹脂で封止する蓋体を有する半導体パッケージにおいて、
前記基体は前記リードフレームと前記金属板を前記セラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかも前記リードフレームと前記セラミック枠体とを接合する第１の接合材と、前記セラミック枠体と前記金属板とを接合する第２の接合材のいずれか一方にＢＡｕ−２又はＢＡｕ−４の金ろう、他方に銀ろうからなる前記接合材を有することを特徴とする半導体パッケージ。
外部接続端子用のリードフレームとリング状のセラミック枠体及び放熱用の金属板を強固に接合して有する基体と、該基体の内部に半導体素子を搭載した後、樹脂で封止する蓋体を有する半導体パッケージにおいて、
前記基体は前記リードフレームと前記金属板を前記セラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかも前記リードフレームと前記セラミック枠体とを接合する第１の接合材と、前記セラミック枠体と前記金属板とを接合する第２の接合材の両方にＢＡｕ−２又はＢＡｕ−４の金ろうからなる前記接合材を有することを特徴とする半導体パッケージ。