JP3984107B2 - 高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、放熱用金属板と絶縁体、及び絶縁体と外部接続端子を接合して形成する高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波用半導体素子収納用パッケージは、例えば、ＲＦ基地局等に用いるシリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等のような高周波、高出力用の半導体素子が実装されて高周波、高出力の信号が入出力するときの伝播の損失を少なくできる等のためのパッケージとして用いられている。この高周波用半導体素子収納用パッケージは、半導体素子を実装するためのキャビティ部が、半導体素子の高周波の領域での電気特性を悪化させないために、略長方形状をした高放熱特性を有する放熱用金属板上に形成された半導体素子実装領域をセラミック製の枠状の絶縁体で囲繞するように接合して形成されている。そして、高周波用半導体素子収納用パッケージは、半導体素子が実装された後、絶縁体の上面に接合される蓋体でキャビティ部を気密に封止するようになっている。また、高周波信号は、絶縁体上面と蓋体との間に接合された外部接続端子を介して入出力されるようになっている。
【０００３】
高周波用半導体素子収納用パッケージに、パワートランジスターモジュールに代表されるような半導体素子からの発熱量の大きな半導体素子が通常の方法で搭載されるのでは、発熱により半導体装置が正常に作動しなくなる恐れがある。そこで、半導体素子の作動時に発生する熱を大気中に良好に放散させるようにした高周波用半導体素子収納用パッケージとして、例えば、熱膨張係数がセラミックの熱膨張係数に近似し、しかも、熱伝導性に優れた金属からなる板状の放熱用金属板にセラミック製の枠状の絶縁体を接合して形成したパッケージが用いられている。
【０００４】
図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して、従来の高周波用半導体素子収納用パッケージ５０の製造方法の一例を説明する。セラミックと熱膨張係数が近似し、しかも放熱特性がよい銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）系の複合金属材料からなる板状の放熱用金属板５１上に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなるセラミック製の枠状の絶縁体５２を、その裏面側に形成したメタライズパターン上にＡｇ−Ｃｕろう５３を介して載置する。次いで、加熱炉で加熱して放熱金属板５１と絶縁体５２をろう付け接合する。更に、絶縁体５２には、表面側に形成されたメタライズパターンを介して外部と接続するための金属部材からなる外部接続端子５４をＡｇ−Ｃｕろう５３でろう付け接合する。次いで、放熱金属板５１と絶縁体５２及び外部接続端子５４の金属表面に、Ｎｉめっき及びＡｕめっきを施す。なお、放熱金属板５１の長手方向の両端部には、ボード等に取り付けるための固定用切り欠き部５５が設けられている。
【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高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法は、次のような問題がある。
（１）放熱用金属板や、外部接続端子の熱膨張係数は、絶縁体の熱膨張係数に近似させてはいるが、完全に一致させることが難しいので、Ａｇ−Ｃｕろう等の高温ろう材でろう付け接合を行うときに接合部に応力が発生し、接合して形成した接合体に反りが発生するのを防止することができない。従って、決められた許容範囲を超える反りが発生し、作製された高周波用半導体素子収納用パッケージの反りを選別検査を行って、良品のみを検出しているので、選別工程が必要となると同時に歩留まりの低下をきたし、高周波用半導体素子収納用パッケージのコスト高となっている。
（２）接合体に発生した反りを常温中で強制的に反り修正を行うと、応力の解放がないままでの修正であると考えられるが、半導体素子の接合や、蓋体の接合の時の加熱によって修正前の反りの状態に戻ってしまい、半導体素子や、蓋体の接合不良が発生している。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、反りの発生を防止して、歩留まりを向上させ、安価で接合不良の発生がない高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法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】
前記目的に沿う本発明に係る高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法は、銅タングステン系の複合金属材料からなる長方形板状の放熱用金属板の上面とセラミックからなる枠状の絶縁体の下面を接合し、絶縁体の上面に外部接続端子を接合して形成する高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法において、放熱用金属板と絶縁体、及び絶縁体と外部接続端子をＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材でろう付け接合して接合体を形成する工程と、接合体をＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材の溶融温度以下で加熱しながら接合体の上面側から押圧して上面側が凹形状になるまで反りを矯正する工程を有する。これにより、接合体に発生した反りを容易に矯正するすることができ、修正後の反りの発生を防止して歩留まりを向上させて安価に高周波用半導体素子収納用パッケージを作製でき、高周波用半導体素子収納用パッケージに接合される部材の接合不良の発生がない高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法を提供できる。
【０００７】
ここで、接合体の放熱用金属板の長手方向両端部が、円柱体側部形状からなる凹部を有する反りの矯正を行うための台板の凹部内に当接するように載置し、接合体の上部から放熱用金属板の下面が凹部に接触するまで加熱しながら押圧して上面側が凹形状になるまで反りを矯正するのがよい。これにより、接合体の曲げすぎや、曲げ不足による高周波用半導体素子収納用パッケージの反りの矯正不良を発生させることがない。また、曲げすぎによるセラミック製の絶縁体を破壊させることなく高周波用半導体素子収納用パッケージの反りを矯正することができる。
【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（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法で作製された高周波用半導体素子収納用パッケージの平面図、正面図、図２は同高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法で作製された高周波用モジュール基板の斜視図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法の説明図、図４（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同高周波用半導体素子収納用パッケージの他の製造方法の説明図である。
【０００９】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法で作製された高周波用半導体素子収納用パッケージ１０は、実装される半導体素子から発生する高温、且つ大量の熱を放熱するための略長方形板状の放熱用金属板１１の上面に、セラミック製の枠状の絶縁体１２を高温ろう材１３でろう付け接合して有している。また、高周波用半導体素子収納用パッケージ１０は、絶縁体１２の上面に、半導体素子１８（図２参照）と電気的に接続し、外部との電送を行うためのリードフレーム形状の外部接続端子１４を高温ろう材１３でろう付け接合して有している。そして、この放熱用金属板１１と、絶縁体１２、及び外部接続端子１４とで、接合体１５を形成している。更に、図２に示すように、高周波用半導体素子収納用パッケージ１０には、半導体素子１８がキャビティ部１６にダイボンドされ、半導体素子１８と外部接続端子１４とをボンディングワイヤ１９で接続した後、樹脂や、セラミックや、金属等からなる蓋体２０を樹脂や、ガラス等の接着材２１で接着して気密に封止して、高周波用モジュール基板２２を形成している。なお、放熱用金属板１１の長手方向の両端部には、高周波用モジュール基板２２をボード等に取り付けるための固定用切り欠き部１７を有している。
【００１０】
次いで、本発明の一実施の形態に係る高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法を詳細に説明する。
高周波用半導体素子収納用パッケージ１０を形成するための放熱用金属板１１は、熱膨張係数をセラミックの熱膨張係数と近似させ、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）系の複合金属材料から形成されている。そして、切削加工や、粉末冶金等の手法を用いてボード等の取り付け部材にねじ止め固定するための固定用切り欠き部１７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−Ｗの熱伝導率は、２３０Ｗ／ｍ・ｋ程度であり、半導体素子１８からの発熱を効率よく放熱させることができる。
【００１１】
枠状の絶縁体１２を形成するためのセラミックは、セラミックの一例であるＡｌ_２Ｏ_３からなり、Ａｌ_２Ｏ_３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。
【００１２】
次に、１又は複数枚のセラミックグリーンシートには、窓枠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金属導体ペーストを用いて、絶縁体１２の下面側及び上面側となるようにスクリーン印刷して金属導体パターンを形成する。また、セラミックグリーンシートが複数枚の場合には、積層して積層体の下面側及び上面側が金属導体パターンとなるようにスクリーン印刷して形成する。そして、高融点金属とセラミックグリーンシートを還元雰囲気中で同時焼成して下面側及び上面側に金属導体パターンを有する枠状の絶縁体１２を作製する。なお、下面側の金属導体パターンは、放熱用金属板１１と枠状の全周にわたってろう付け接合するために絶縁体１２の下面全周面に形成されている。また、因みに、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数は、６．７×１０^−６／ｋ程度であり、Ｃｕ−Ｗの熱膨張係数が、６．５×１０^−６／ｋ程度であるので、熱膨張係数が近似している。
【００１３】
絶縁体１２の上面に接合されるリードフレーム形状からなる外部接続端子１４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、切削加工や、エッチング加工や、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、ＫＶの熱膨張係数が、５．３×１０^−６／ｋ程度であり、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数の、６．７×１０^−６／ｋ程度とは、互いに近似している。
【００１４】
次いで、放熱用金属板１１と、絶縁板１２、及び外部接続端子１４を接合して形成する接合体１５から高周波用半導体素子収納用パッケージ１０を作製する方法を説明する。
先ず、放熱用金属板１１の表面、絶縁体１２の両面の金属導体パターンの表面、及び外部接続端子１４の表面には、それぞれＮｉや、Ｎｉ合金等からなる第１Ｎｉめっきを施す。次に、放熱用金属板１１の中央部上面に、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材１３を介して絶縁体１２の下面側を当接させて載置し、約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合している。次に、絶縁体１２の上面に、例えば、ＢＡｇ−８等のＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材１３を介して外部接続端子１４の先端部の下面側を当接させて載置し、約７８０〜９００℃で加熱してろう付け接合している。この放熱用金属板１１と、絶縁体１２の接合、及び絶縁体１２と外部接続端子１４の接合によって、接合体１５を形成している。なお、接合体１５の形成は、放熱用金属板１１と、絶縁体１２の接合、及び絶縁体１２と外部接続端子１４の接合を同時に行って形成することもできる。
【００１５】
このろう付け接合によって形成された接合体１５には、放熱用金属板１１、絶縁体１２、及び外部接続端子１４のそれぞれの熱膨張係数の不一致によって、反りが発生する。従って、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、接合体１５には、高温ろう材１３の溶融温度以下の温度、すなわち約７８０℃未満の温度で加熱しながら押圧することで反りが矯正され、高周波用半導体素子収納用パッケージ１０が作製されている。なお、矯正前の反りの形状は、高周波用半導体素子収納用パッケージ１０が有する一般的な形状、及び接合体１５を形成する放熱用金属板１１、絶縁体１２、外部接続端子１４のそれぞれの熱膨張係数の差から、実質的に接合体１５の上面側に凸形状となっているので、押圧を接合体１５の上面側から行っている。また、押圧は、押圧を解除した時に発生するバックラッシュを考慮して接合体１５の形状が若干凹形状になるまで行っている。
【００１６】
次いで、図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本発明の一実施の形態に係る高周波用半導体素子収納用パッケージ１０の他の製造方法を説明する。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ接合体１５を押圧する前の平面図、正面図、図４（Ｃ）は接合体１５を押圧した後の正面図である。
【００１７】
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上述の場合と同様にして放熱用金属板１１と、絶縁体１２の接合、及び絶縁体１２と外部接続端子１４の接合によって形成された接合体１５は、接合体１５の放熱用金属板１１の長手方向端部の稜辺が、円柱体の側部形状のようにして曲率半径を備えた溝状の凹部２４を有する台板２３の凹部２４内で当接するようにして載置する。
【００１８】
次に、図４（Ｃ）に示すように、接合体１５の上部から、例えば、キャビティ部１６の表面を押圧できる断面視して凸形曲面形状等からなる押圧体を用いて、放熱用金属板１１の下面が凹部２４に接触するまで高温ろう材１３の溶融温度以下の温度で加熱しながら押圧を行って高周波用半導体素子収納用パッケージ１０を形成するのがよい。
【００１９】
なお、台板２３は、ステンレス等の金属部材から形成され、凹部２４の曲率半径は、接合体１５の大きさ、形状によって選択できるが、７００〜８００ｍｍ程度がよく、７００ｍｍを下まわると反りが矯正されすぎ、７００ｍｍを超えると反りの矯正が不足する。また、加熱温度は、接合体１５の大きさ、形状や、高温ろう材の種類によって選択できるが、２５０〜４００℃程度がよく２５０℃を下まわると高周波用半導体素子収納用パッケージ１０を再加熱した時に反りの矯正が元に戻る割合が大きくなる。
【００２０】
【実施例】
本発明者は、Ｃｕ−Ｗからなり、外形寸法４１×１０ｍｍ、厚み１．２ｍｍの放熱用金属板と、Ａｌ_２Ｏ_３からなり、外形寸法３１×９．５ｍｍ、内形寸法２７．５×６ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの枠状の絶縁体、及び、ＫＶからなり、外形寸法１１．５×５ｍｍ、厚み０．１５ｍｍの４枚の外部接続端子を準備し、ＢＡｇ−８からなるＡｇ−Ｃｕろうでろう付け接合して接合体を作製した。そして、曲率半径７５０ｍｍの凹部を有する台板上で、（１）常温中で押圧して反りを矯正したもの、（２）３００℃で加熱しながら３秒押圧して反りを矯正したものの高周波用半導体素子収納用パッケージのサンプルを各６個作製した。これらのサンプルについて、反りを矯正する前と、反りを矯正した後と、４００℃５分間加熱した後の反りの発生度合いを測定した。なお、４００℃５分間の加熱した後の反りの測定は、半導体素子を実装したり、実装後のキャビティ部を蓋体で封止する時の加熱を想定したものである。（１）の各サンプルの測定結果を折れ線グラフにして表１に、（２）の各サンプルの測定結果を折れ線グラフにして表２に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
（１）の常温中で押圧して反りを矯正したものについては、４００℃５分間加熱した後の反りが矯正する前の反りの値に戻っており、反りの矯正効果がなくなっている。これに反して、（２）の３００℃で加熱しながら３秒押圧して反りを矯正したものについては、４００℃５分間加熱した後も反りが矯正する前の反りに戻ることなく、反りの矯正効果を維持することができる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項２記載の高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法は、放熱用金属板と絶縁体、及び絶縁体と外部接続端子をＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材でろう付け接合して接合体を形成する工程と、接合体をＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材の溶融温度以下で加熱しながら接合体の上面側から押圧して上面側が凹形状になるまで反りを矯正する工程を有するので、接合体に発生した反りを容易に矯正するすることができ、修正後の反りの発生を防止して歩留まりを向上させて安価に高周波用半導体素子収納用パッケージを作製できる。また、再加熱工程があったとしても矯正した反りが元に戻ることなく、高周波用半導体素子収納用パッケージに接合される部材の接合不良の発生がない高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法を提供できる。
【００２５】
特に、請求項２記載の高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法は、接合体の放熱用金属板の長手方向両端部が、円柱体側部形状からなる凹部を有する反りの矯正を行うための台板の凹部内に当接するように載置し、接合体の上部から放熱用金属板の下面が凹部に接触するまで加熱しながら押圧して上面側が凹形状になるまで反りを矯正するので、接合体の曲げすぎや、曲げ不足による高周波用半導体素子収納用パッケージの反りの矯正不良の発生がなく、また、曲げすぎによる絶縁体の破壊を防止して高周波用半導体素子収納用パッケージの反りを矯正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法で作製された高周波用半導体素子収納用パッケージの平面図、正面図である。
【図２】 同高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法で作製された高周波用モジュール基板の斜視図である。
【図３】 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法の説明図である。
【図４】 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同高周波用半導体素子収納用パッケージの他の製造方法の説明図である。
【図５】 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法で作製された高周波用半導体素子収納用パッケージの平面図、正面図である。
【符号の説明】
１０：高周波用半導体素子収納用パッケージ、１１：放熱用金属板、１２：絶縁体、１３：高温ろう材、１４：外部接続端子、１５：接合体、１６：キャビティ部、１７：固定用切り欠き部、１８：半導体素子、１９：ボンディングワイヤ、２０：蓋体、２１：接着材、２２：高周波用モジュール基板、２３：台板、２４：凹部

Claims (2)

1. 銅タングステン系の複合金属材料からなる長方形板状の放熱用金属板の上面とセラミックからなる枠状の絶縁体の下面を接合し、該絶縁体の上面に外部接続端子を接合して形成する高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法において、
   前記放熱用金属板と前記絶縁体、及び該絶縁体と前記外部接続端子をＡｇ−Ｃｕろうからなる高温ろう材でろう付け接合して接合体を形成する工程と、
   前記接合体を前記Ａｇ−Ｃｕろうからなる前記高温ろう材の溶融温度以下で加熱しながら前記接合体の上面側から押圧して該上面側が凹形状になるまで反りを矯正する工程を有することを特徴とする高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法。
2. 請求項１記載の高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法において、前記接合体の前記放熱用金属板の長手方向両端部が、円柱体側部形状からなる凹部を有する反りの矯正を行うための台板の該凹部内に当接するように載置し、前記接合体の上部から前記放熱用金属板の下面が前記凹部に接触するまで加熱しながら押圧して該上面側が凹形状になるまで反りを矯正することを特徴とする高周波用半導体素子収納用パッケージの製造方法。

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