JP4055276B2

JP4055276B2 - 半導体用パッケージ及び該パッケージを用いた半導体モジュール

Info

Publication number: JP4055276B2
Application number: JP35731098A
Authority: JP
Inventors: 喜之山本; 裕久齋藤; 貴浩今井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: JPH11345922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体用パッケージに関するものであり、より詳しくは、大出力トランジスタ、あるいはマイクロ波モノリシックＩＣ（ＭＭＩＣ）等の大出力で、高放熱の半導体素子を搭載するための放熱特性に優れた半導体用パッケージに関し、またこの半導体用パッケージに半導体素子を搭載した半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の大出力化、動作周波数の向上に伴い、これらの素子の発生する熱量が増大してきている。更には、電子機器の小型化、軽量化への市場の要求は大きく、半導体素子の実装密度は増加の一途をたどっている。このような半導体素子の発熱量の増大、及び実装密度の増大に伴って、これらの半導体素子を実装するモジュールに要求される放熱特性も一層厳しさを増している。
【０００３】
このように高い放熱性が要求される半導体モジュールでは、ヒートシンクとして熱伝導性の高い材料で構成された基板を用い、この基板に半導体素子を搭載することにより、効率的に熱を拡散させて半導体素子の過熱を防いでいる（米国特許第４７８８６２７号、特開平７−９９２６８号参照）。尚、この基板は金属部材に接合され、必要に応じて気密封止して使用される。
【０００４】
このような従来の典型的な半導体モジュールを図３及び図４に示す。図３はその半導体用パッケージの斜視図であり、図４の（ａ）は図３の半導体用パッケージの断面図、及び図４の（ｂ）はその平面図である。金属部材１１の上に取り付けられた基板１２に半導体素子搭載部１５が設けられ、半導体素子搭載部１５の周囲には下層の金属部材１１と接続されたビアホール１４が設けてある。更に、基板１２の両端近くには、メタライズ層１６を介してリードフレーム１３が取り付けられている。
【０００５】
また、従来の半導体モジュールにおいて、特に大出力トランジスタやＭＭＩＣ等の発熱量の大きな高出力半導体素子を搭載する場合には、半導体素子を搭載する基板として熱伝導性が優れ且つ誘電特性にも秀でた酸化ベリリウム（ＢｅＯ）が広く使用されてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような、熱伝導性の優れたＢｅＯを基板として用いた半導体モジュールにおいても、上記した半導体素子の発熱量の増大及び実装密度の増大が続く現状では、その放熱特性が不十分となっている。ＢｅＯ基板の厚みを薄くして熱抵抗を低減させる試みもなされているが、ＢｅＯ自体が加工性が悪い上に毒性を有しているため、事実上その薄肉化は限界に達している。
【０００７】
一方、ダイヤモンドは物質中で最も熱伝導率が高く、上記のような半導体モジュールの熱抵抗を下げるには究極の材料といえる。また、ダイヤモンドの誘電特性も、従来から基板として使用されてきたＢｅＯ、アルミナ、ＡｌＮ等と比較して遜色無い（特開平４−３４３２３２号公報参照）。しかし、半導体モジュールに適用するには低コストで製造できることが重要であるが、ダイヤモンドは価格が高すぎるという問題があった。
【０００８】
しかも、ダイヤモンドは熱膨張率が半導体素子に比べて小さいため、その基板上にロウ付けにより半導体素子を搭載する際に、半導体素子が割れてしまうという欠点があった。また、ＭＭＩＣを搭載するとき、アースを低インダクタンスに取るためビアホールを基板に設けるが、ダイヤモンドは加工が難しいため加工コストが大幅に上昇するという問題もあった。更に、ダイヤモンドに直接リードフレームを取り付けると、リードフレームとダイヤモンドの接着強度が小さいために、リードフレームが剥離しやすいという問題もあった。
【０００９】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、毒性が無く製造上安全であり、ヒートシンクとして放熱性に優れると同時に、半導体素子搭載時における半導体素子の割れを防止することのできる、安価な半導体用パッケージ及びこれを用いた半導体モジュールを実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する半導体用パッケージは、半導体素子を搭載する気相合成ダイヤモンド基板と、該気相合成ダイヤモンド基板の半導体素子を搭載する面と反対側の面で該気相合成ダイヤモンド基板に接合した高熱伝導性の金属部材とを備え、該金属部材が気相合成ダイヤモンド基板の周囲に該気相合成ダイヤモンド基板の表面に達する盛り上がり部を有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明が提供する他の半導体用パッケージは、半導体素子を搭載する熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の基材と、該基材の半導体素子を搭載する側の面の一部又は全部に形成した気相合成ダイヤモンド層と、前記基材の半導体素子を搭載する面と反対側の面で該基材に接合した高熱伝導性の金属部材とを備え、該金属部材が前記気相合成ダイヤモンド層を有する基材の周囲に該気相合成ダイヤモンド層の表面に達する盛り上がり部を有することを特徴とする。この場合、前記基材はＳｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＷＭｏ合金から選ばれた少なくとも１種からなることが好ましい。
【００１２】
上記のいずれの半導体用パッケージにおいても、パッケージのリードフレーム接合箇所に、アルミナ又はアルミナを主成分とするセラミックス部材を配置することができる。また、前記気相合成ダイヤモンド基板又は前記気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面には、比誘電率５以下の絶縁層と金属配線層とからなる多層配線層を形成することができる。
【００１３】
更に、本発明が提供する半導体モジュールは、上記した半導体用パッケージにおいて、前記気相合成ダイヤモンド基板の半導体素子搭載面上に、又は前記基材表面に形成した気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面上に、高出力半導体素子を搭載したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、半導体素子を搭載する基板として、気相合成によって形成したダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板、若しくは表面に気相合成ダイヤモンド層を形成した熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の基材を用いる。気相合成ダイヤモンドは近年特に開発が進んでおり、天然ダイヤモンドや高圧合成ダイヤモンドに比べて大面積に合成できるので、半導体モジュールやパッケージの価格の低減を図ることができる。また、この気相合成ダイヤモンド基板か、又は気相合成ダイヤモンド層を形成した基材を高熱伝導性の金属部材に接合することにより、半導体用パッケージの熱抵抗を低下させることが可能となる。かかる高熱伝導性の金属部材としては、例えばＣｕ、Ｍｏ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＷＭｏ合金が好ましく、これらのクラッド材を用いることもできる。
【００１５】
本発明の半導体用パッケージにおいては、上記金属部材が、気相合成ダイヤモンド基板又は気相合成ダイヤモンド層を形成した基材の周囲に、該気相合成ダイヤモンド基板又は該気相合成ダイヤモンド層の表面に達する盛り上がり部を有することが好ましい。この盛り上がり部の内側のみに気相合成ダイヤモンド基板又は気相合成ダイヤモンド層を形成した基材を収納して金属部材に接合することにより、気相合成ダイヤモンドからなる部分及びパッケージの小型化と低価格化を図ることができる。しかも、この盛り上がり部によってマイクロ波やミリ波の漏洩を防止することができるうえ、盛り上がり部をビアホールの代わりに利用することで、搭載する半導体素子にアース電位を供給することが可能となり、高性能なパッケージを得ることができる。
【００１６】
本発明においては、半導体素子を搭載する基板として、前記のごとく、気相合成により形成されたダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板を用いることができる。その場合、厚さが薄すぎるとダイヤモンドの高放熱性が十分発揮できず、逆に厚すぎると合成コストの上昇につながるので、気相合成ダイヤモンド基板の厚さは５０〜７００μｍが好ましく、１００〜５００μｍの範囲がより好ましい。
【００１７】
また、本発明の別の形態として、半導体素子を搭載する基板は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である基材と、この基材の表面の一部又は全部に設けた気相合成ダイヤモンド層とから構成することもできる。熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の基材としては、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＷＭｏ合金の少なくとも１種であることが好ましい。また、この基材の厚さは２００〜７００μｍの範囲が好ましい。この基材上に形成する気相合成ダイヤモンド層の厚さは、５〜２００μｍが好ましく、１０〜１００μｍの範囲が更に好ましい。
【００１８】
この場合には、基材上の気相合成ダイヤモンド層の厚さを薄くすることができるので、より一層低価格のパッケージが得られる。同時に、基材上の気相合成ダイヤモンド層が薄いので、半導体素子搭載面の実効的な熱膨張率はダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板の場合に比べて大きくなり、半導体素子の熱膨張率に近づく。従って、半導体素子の内部に発生する熱応力を緩和することができ、半導体素子の搭載時における割れを一層効果的に防止することができる。
【００１９】
また、基材上に気相合成ダイヤモンド層を配置することによって、半導体素子から発生する熱を更に効率よく放散することができる。即ち、半導体素子で発生した熱は、まず高熱伝導率の気相合成ダイヤモンド層中を横方向に拡散し、その後気相合成ダイヤモンド層の全面から下層の高熱伝導率の基材に向かって広がっていくため、気相合成ダイヤモンド層の厚さが薄くても、熱拡散性に優れたパッケージを得ることができる。気相合成ダイヤモンド層中での横方向の良好な熱拡散を得るため、気相合成ダイヤモンド層の熱伝導率は１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体用パッケージでは、前記の気相合成ダイヤモンド基板の半導体素子搭載部、又は前記基材上の気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載部に、メタライズ層を形成して、このメタライズ層上に半導体素子をロウ材により接合する。メタライズ層は、Ａｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌから選ばれた少なくとも１種の金属又は合金、若しくはそれらの積層体が好ましい。また、使用するロウ材としては、Ａｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｔｉから選ばれた少なくとも１種類の金属又は合金が好ましい。これらメタライズ層及びロウ付け層の厚みは、合計で０.１〜５０μｍの範囲とすることが好ましい。
【００２１】
半導体用パッケージのリードフレーム接続箇所には、アルミナ又はアルミナを主成分とするセラミックス部材が配置されていることが好ましい。例えば、金属部材の盛り上がり部の内側に気相合成ダイヤモンド基板又は気相合成ダイヤモンド層を有する基材を接合し、盛り上がり部の外側にセラミック部材を接合して、このセラミック部材上にメタライズ層を介してリードフレームを接続することができる。このように、半導体素子を搭載する基板とは別に、リードフレーム接続用のセラミック部材を金属部材に接合することによって、コストの低減を図ると共に、リードフレームを容易に且つ高い接着強度で取り付けることができる。
【００２２】
また、本発明の半導体用パッケージでは、その気相合成ダイヤモンド基板又は基材上の気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面に、比誘電率が５以下の絶縁層と金属配線層とからなる多層配線層を形成することによって、更に半導体素子の搭載密度を高めることができる。その結果、半導体モジュールの使用周波数の増大、並びにパッケージ及びモジュールの小型化に資することができる。
【００２３】
更に、本発明における半導体用パッケージを使用することにより、その気相合成ダイヤモンド基板上又は気相合成ダイヤモンド層上に、高出力半導体素子を搭載して、低価格で放熱性に優れた半導体モジュールを構成することができる。搭載する半導体素子としては、ＧａＡｓあるいはＳｉを主成分とする高出力半導体素子、中でも大出力トランジスタやＭＭｌＣが好適である。また、高出力半導体素子は、その発熱領域と反対側の面を気相合成ダイヤモンド基板側又は基材上の気相合成ダイヤモンド層側に接合することが好ましい。
【００２４】
このように半導体素子を搭載する基板を気相合成ダイヤモンドで作製することによって、気相合成ダイヤモンド基板をヒートシンクとするか、若しくは基材及びその上に形成した気相合成ダイヤモンド層をヒートシンクとする、放熱性に優れ且つ熱抵抗の小さい半導体用パッケージが得られる。この半導体用パッケージに半導体素子を搭載した半導体モジュールでは、これまでにない大出力のマイクロ波増幅用トランジスタあるいはＭＭＩＣが安定に動作する。
【００２５】
【実施例】
参考例１
図１に示す半導体用パッケージを作製した。この半導体用パッケージは、間隔を隔てて平行に設けられた２つの盛り上がり部２６を有する金属部材２１を備え、２つの盛り上がり部２６に囲まれた部位（サブマウント部）には、気相合成により形成されたダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板２２が接合されている。また、盛り上がり部２２の外側には、枠状のアルミナからなるセラミック部材２７が接合してある。気相合成ダイヤモンド基板２２の表面には半導体素子搭載部２５を有し、セラミック部材２７の表面にはメタライズそう２８を介してリードフレーム２３が取り付けてある。
【００２６】
この半導体用パッケージは、以下のごとく製造した。即ち、ＣｕＷ合金からなる金属部材２１に、サブマウント部を囲むように高さＨだけ盛り上げて、平行な２つの盛り上がり部２６を形成した。この盛り上がり部２６の外側に嵌め込むことができるように、アルミナからなる厚さＨの枠状のセラミック部材２７を形成し、その表面のリードフレーム２３の接合箇所にメタライズ層２８を設け、裏面にもメタライズ層（図示せず）を形成した。このセラミック部材２７の裏面を金属部材２１に、及び表面のメタライズ層２８にリードフレーム２３を、それぞれ銀ロウにてロウ付け接合した。
【００２７】
気相合成ダイヤモンド基板２２となるダイヤモンド自立板は、熱フィラメントＣＶＤ法により下記表１の条件でＳｉ基板上にダイヤモンドを気相合成し、その成長表面を研磨し、更にＳｉ基板を酸によって溶解除去して作製した。得られたダイヤモンド自立板の熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定したところ、１０５０〜１１５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内であった。
【００２８】
【表１】
原料ガス１.２％メタン−水素
流量５００ｓｃｃｍ
圧力８０Ｔｏｒｒ
基板温度８００℃
フィラメントタングステン
フィラメント温度２２００℃
【００２９】
このダイヤモンド自立板を、レーザー加工により前記金属部材２１の盛り上がり部２６に囲まれたサブマウント部に収納可能な直方体に切り出し、気相合成ダイヤモンド基板２２とした。この気相合成ダイヤモンド基板２２の表面の半導体素子搭載部２５に、下から順にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを積層して、１μｍＡｕ／０.１μｍＰｔ／０.０５μｍチタンの積層体からなるメタライズ層を形成した。このダイヤモンド自立板２２の裏面を、ＡｕＧｅロウ付けにより金属部材２１の盛り上がり部２６に囲まれたサブマウント部に接合した。
【００３０】
かくして得られた半導体用パッケージの寸法は、気相合成ダイヤモンド基板２２が縦３ｍｍ×横７ｍｍ×厚さ０.３ｍｍ、金属部材２１の厚さが１.５ｍｍ、その盛り上がり部２６の高さＨが０.４５ｍｍである。この半導体用パッケージを用い、その気相合成ダイヤモンド基板２２の表面の半導体素子搭載部２５にＭＭＩＣチップ（発熱量６０Ｗ）を搭載して、半導体モジュールを構成した。この半導体モジュールを駆動したところ、放熱性が非常に高く且つチップに対するアース電位の供給もインダクタンスを小さくできるため、ＭＭＩＣチップは高効率に安定して長時間動作することができた。
【００３１】
一方、上記ダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板２２の代わりに、従来のＡｌＮ基板又はＢｅＯ基板をサブマウント部に搭載した半導体用パッケージを作製し、上記と同様にＭＭＩＣチップを搭載して使用したところ、チップの発熱量が１０Ｗを越えると温度上昇により誤動作が頻発し、ついにはＭＭＩＣチップが破損した。
【００３２】
実施例１
上記参考例１のダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板２２に代えて、図２に示すように、表面に気相合成ダイヤモンド層２４ｂを設けた基材２４ａを使用して、同様に半導体用パッケージを作製した。尚、気相合成ダイヤモンド層２４ｂの形成は以下の通り行ったが、その他の製法及びパッケージの寸法は上記参考例１と同様とした。
【００３３】
即ち、気相合成ダイヤモンド層２４ｂの形成については、基材２４ａとして、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＣｕＷ合金、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄をそれぞれ用意し、その一表面をダイヤモンドパウダーを使用して傷つけ処理を行った後、熱フィラメントＣＶＤ法により下記表２の条件で基材２４ａの全表面にダイヤモンドを成長させた。
【００３４】
【表２】
原料ガス０.８％メタン−水素
流量４００ｓｃｃｍ
圧力９０Ｔｏｒｒ
基板温度７７０℃
フィラメントタングステン
フィラメント温度２２５０℃
【００３５】
各基材２４ａの表面に、高い接着強度の気相合成ダイヤモンド層２４ｂが形成された。基材２４ａの厚さは全て０．２８ｍｍであり、各気相合成ダイヤモンド層２４ｂは研磨後の厚さが２０μｍとなるようにした。また、得られた各気相合成ダイヤモンド層２４ｂの熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定したところ、いずれも１１５０〜１２５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内であった。
【００３６】
各気相合成ダイヤモンド層２４ｂを研磨した後、全体を直方体にレーザー切断し、その表面に実施例１と同様にメタライズ層を施し、更に実施例１と同様に金属部材２１の盛り上がり部２６で囲まれたサブマウント部に接合して、半導体用パッケージとした。
【００３７】
得られた各半導体用パッケージについて、気相合成ダイヤモンド層２４ｂの表面の半導体素子搭載部２５にＭＭＩＣチップ（発熱量６０Ｗ）を搭載して、半導体モジュールを構成した。これらの各半導体モジュールを駆動したところ、実施例１と同様にＭＭＩＣチップは高効率で安定して長時間動作することができた。ただし、基材２４ａがＳｉ₃Ｎ₄の場合のみ、動作開始後数分でＭＭＩＣチップが加熱して破損した。これは、Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体の熱伝導率が２０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋと小さいためであると考えられる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子を搭載する基板として、気相合成ダイヤモンド基板か又は気相合成によりダイヤモンド層を形成した高熱伝導率の基材を用いることにより、有毒なＢｅＯを用いないので製造上安全であり、放熱性に優れ且つ熱抵抗が小さく、搭載時の半導体素子の割れを防止することができる半導体用パッケージが得られる。
【００３９】
特に、高熱伝導率の基材上に薄い気相合成ダイヤモンド層を設けた基板を用いた場合には、表面の見掛けの熱膨張係数を大きくすることができるので、その上に搭載する半導体素子の破損をより確実に防ぐことができる。
【００４０】
更に、金属部材に盛り上がり部を設けることによって、アース電位を低インダクタンスで供給でき、且つマイクロ波やミリ波の漏洩のない半導体モジュールが得られるので、ＭＭＩＣ等の大出力で高放熱の半導体素子であっても安定して動作させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体用パッケージの一具体例を示す概略の図面であり、その（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、及び（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の半導体用パッケージの他の具体例を示す概略の図面であり、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、及び（ｂ）は平面図である。
【図３】従来の半導体用パッケージの具体例を示す概略の斜視図である。
【図４】従来の半導体用パッケージの具体例を示す概略の図面であり、（ａ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図、及び（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１１、２１金属部材
１２基板
１３、２３リードフレーム
１４ビアホール
１５半導体素子
１６、２８メタライズ層
２２気相合成ダイヤモンド基板
２４ａ基材
２４ｂ気相合成ダイヤモンド層
２５半導体素子搭載部
２６盛り上がり部
２７セラミック部材

Claims

半導体素子を搭載する、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＷＭｏ合金から選ばれた少なくとも１種からなる基材と、該基材の半導体素子を搭載する側の面の一部又は全部に形成した厚さ５〜２００μｍである気相合成ダイヤモンド層と、前記基材の半導体素子を搭載する面と反対側の面で該基材に接合した高熱伝導性の金属部材とを備え、該金属部材が前記気相合成ダイヤモンド層を有する基材の周囲に該気相合成ダイヤモンド層の表面に達する盛り上がり部を有し、パッケージのリードフレーム接合箇所に、アルミナ又はアルミナを主成分とするセラミックス部材が配置されていることを特徴とする半導体用パッケージ。
前記気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面に、比誘電率５以下の絶縁層と金属配線層とからなる多層配線層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体用パッケージ。
請求項１又は２に記載の半導体用パッケージにおいて、前記気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面上に、高出力半導体素子を搭載したことを特徴とする半導体モジュール。