JP4360567B2 - 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、上面に半導体素子が載置される載置部を有する鉄ーニッケルーコバルト合金、鉄ーニッケル合金等の金属材料からなる金属基体と、該金属基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして取着された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なる金属製枠体と、該金属製枠体の一部に形成された切欠部に挿着され、金属製枠体の内側から外側にかけて導出するタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末からなる複数個のメタライズ配線層が埋設されている酸化アルミニウム等のセラミックスから成るセラミック端子体と、前記金属製枠体の上面に取着され、枠体の内側を塞ぐ蓋体とから構成されており、金属基体の半導体素子載置部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セラミック端子体のメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、金属製枠体に蓋体を該枠体の内側を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、金属基体と金属製枠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、半導体素子が載置される金属基体が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で形成されており、該鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等は熱伝導性がよいことから金属基体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、近時、半導体素子は高密度化、高集積化が急激に進み、これに伴って半導体素子の作動時に発する熱量が従来に比し極めて大きなものとなってきた。そのためこの半導体素子を従来の半導体素子収納用パッケージに収容し、半導体装置となした場合、半導体素子が載置される金属基体は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等から成り、その熱伝導率は１５〜１７Ｗ／ｍ・Ｋと多少熱伝導性が良いものの、近時の半導体素子が発する多量の熱は完全に吸収することができず、その結果、半導体素子は該半導体素子が作動時に発する熱によって高温となり、半導体素子に熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を招来させ半導体素子を誤動作させるという欠点を有していた。
【０００５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率よく放散させて半導体素子を常に適温とし、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本実施形態にかかる半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、切欠部を有するとともに、前記載置部を囲繞するようにして取着された金属製枠体と、前記切欠部に挿着されたセラミック端子体と、を具備し、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を被着させたものから成り、接着層、中間層、主層の各々の厚みが同一厚みであることを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である部材、即ち、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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【０００８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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／℃（室温〜８００℃）と金属製枠体を形成する鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）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、放熱板と金属製枠体に半導体素子が作動時に発する熱が印加されたとしても、放熱板と金属製枠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、放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、容器の気密封止を完全とし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、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００９】
更に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極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１０】
【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乃至図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は放熱板、２は金属製枠体、３は蓋体である。この放熱板１と金属製枠体２と蓋体３とで半導体素子４を収容する容器５が構成される。
【００１１】
前記放熱板１はその上面に半導体素子４が載置される載置部１ａを有するとともに上面外周部に該放熱板１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして金属製枠体２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。
【００１２】
前記放熱板１は半導体素子４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４が作動時に発する熱を大気中に効率良く放散させ、半導体素子４を常に適温とする作用をなし、金属製枠体２に囲まれた放熱板１の載置部１ａ上に半導体素子４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定される。
【００１３】
前記放熱板１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１ｂ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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの３層構造を有する金属層６を被着させたものから成り、金属製枠体２の下面に放熱坂１の上面側に被着させた金属層６を半田や銀ー銅合金、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１は枠状絶縁体２の下面に取着される。
【００１４】
前記放熱板１の一方向性複合材料から成る芯体１ｂ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卜を形成するとともに各々のシー卜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卜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。
【００１５】
また前記放熱板１の一方向性複合材料からなる芯体１ｂはそ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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの３層構造を有する金属層６が被着されており、該金属層６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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの各々はその厚みが略同一厚みとなっている。
【００１６】
前記金属層６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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃ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１ｂの熱膨張係数を後述する鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金から成る金属製枠体２の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）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１ｂ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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの３つの層からなる金属層６を被着させた放熱板１はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃（室温〜８００℃）となり、これによって放熱板１を金属製枠体２の下面に取着させた後、両者に半導体素子４が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板１と金属製枠体２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１は金属製枠体２に強固に接合し、かつ半導体素子４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４を長期間にわたり、正常、旦つ安定に作動させることができる。
【００１７】
なお、前記金属層６は一方向性複合材料からなる芯体１ｂ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１ｂ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種より成る接着層６ａとしての箔と銅から成る中間層６ｂとしての箔と、モリブデンから成る主層６ｃとしての箔を順次、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。
【００１８】
また前記金属層６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６ａは、金属層６を一方向性複合材料からなる芯体１ｂに強固に接合させる作用をなし、また銅から成る中間層６ｂは接着層６ａとモリブデンから成る主層６ｃ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６ｃは接着層６ａ及び中間層６ｂと相まって放熱板１の熱膨張係数を約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃（室温〜８００℃）とする作用をなす。
【００１９】
前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両主面に金属層６を被着させてなる放熱板１は、一方向性複合材料からなる芯体１ｂの炭素繊維の方向、即ち、放熱板１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１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成る芯体１ｂを用いた放熱板１の上面に半導体素子４を載置固定させた場合、半導体素子４の作動時に発する熱は放熱板１の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板１の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２０】
前記一方向性複合材料から成る芯体１ｂを用いた放熱板１はまたその重量が軽いことからこの放熱板１を使用した半導体素子収納用パッケージに半導体素子４を収容して半導体装置を形成した際、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。
【００２１】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂを用いた放熱板１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１と金属製枠体２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１を適度に変形させることによって吸収され、その結果、金属製枠体２と放熱板１とは極めて強固に接合し、半導体素子４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。
【００２２】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両面に金属層６を被着させた放熱板１は、芯体１ｂと上面金属層６との間及び芯体１ｂと下面金属層６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６の芯体１ｂ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１は芯体１ｂと金属層６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、これによって金属製枠体２の下面に放熱板１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４が作動時に発する熱を放熱板１を介して大気中に効率良く放散させることが可能となる。
【００２３】
更にまた前記放熱板１の上面外周部に該放熱板１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして金属製枠体２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１と金属製枠体２とで半導体素子４を収容するための空所が内部に形成される。
【００２４】
前記放熱板１に取着される金属製枠体２は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金のインゴット（塊）に従来周知のプレス成形法等の金属加工法を採用し、所定の形状に成形することによって製作される。
【００２５】
前記鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金から成る金属製枠体２はその熱膨張係数が約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）であり、放熱板１の熱膨張係数（約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃：室温〜８００℃）に近似することから、両者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い。
【００２６】
また前記金属製枠体２はその側部の一部に切欠部２ａが形成されており、該切欠部２ａには、金属製枠体２の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が埋設されたセラミック端子体７が挿着されている。
【００２７】
前記セラミック端子体７はメタライズ配線層８を金属製枠体２に対し電気的絶縁をもって金属製枠体２の内側から外側にかけて配設する作用をなし、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、側面に予めメタライズ金属層を被着させておくとともに該メタライズ金属層を金属製枠体２の切欠部２ａ内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって金属製枠体２の切欠部２ａに挿着される。
【００２８】
前記セラミック端子体７は、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。
【００２９】
また前記セラミック端子体７には金属製枠体２の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が埋設されており、該メタライズ配線層８の金属製枠体２の内側に位置する領域には半導体素子４の各電極がボンディングワイヤ９を介して電気的に接続され、また金属製枠体２の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子１０が銀ロウ等のロウ材を介し取着されている。
【００３０】
前記メタライズ配線層８は半導体素子４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。
【００３１】
前記メタライズ配線層８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体２ａ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セラミック端子体７に形成される。
【００３２】
なお、前記メタライズ配線層８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８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８への外部リード端子１０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８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。
【００３３】
また前記メタライズ配線層８には外部リード端子１０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１０は容器５内部に収容する半導体素子４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１０を外部電気回路に接続することによって容器５内部に収容される半導体素子４はメタライズ配線層８及び外部リード端子１０を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３４】
前記外部リード端子１０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。
【００３５】
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１の半導体素子載置部１ａ上に半導体素子４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４の各電極をボンディングワイヤ９を介して所定のメタライズ配線層８に接続させ、しかる後、前記金属製枠体２の上面に蓋体３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１、金属製枠体２及び蓋体３とから成る容器５内部に半導体素子４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。
【００３６】
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。
【００３７】
【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、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である部材、即ち、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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【００３８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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／℃（室温〜８００℃）と金属製枠体を形成する鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）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、放熱板と金属製枠体に半導体素子が作動時に発する熱が印加されたとしても、放熱板と金属製枠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、放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、容器の気密封止を完全とし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、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３９】
更に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極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、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。
【符号の説明】
１・・・・放熱板
１ａ・・・半導体素子の載置部
１ｂ・・・芯体
２・・・・金属製枠体
３・・・・蓋体
４・・・・半導体素子
６・・・・金属層
６ａ・・・接着層
６ｂ・・・中間層
６ｃ・・・主層
７・・・・セラミック端子体
８・・・・メタライズ配線層
１０・・・・外部リード端子
【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、上面に半導体素子が載置される載置部を有する鉄ーニッケルーコバルト合金、鉄ーニッケル合金等の金属材料からなる金属基体と、該金属基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして取着された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なる金属製枠体と、該金属製枠体の一部に形成された切欠部に挿着され、金属製枠体の内側から外側にかけて導出するタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末からなる複数個のメタライズ配線層が埋設されている酸化アルミニウム等のセラミックスから成るセラミック端子体と、前記金属製枠体の上面に取着され、枠体の内側を塞ぐ蓋体とから構成されており、金属基体の半導体素子載置部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セラミック端子体のメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、金属製枠体に蓋体を該枠体の内側を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、金属基体と金属製枠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、半導体素子が載置される金属基体が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で形成されており、該鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等は熱伝導性がよいことから金属基体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、近時、半導体素子は高密度化、高集積化が急激に進み、これに伴って半導体素子の作動時に発する熱量が従来に比し極めて大きなものとなってきた。そのためこの半導体素子を従来の半導体素子収納用パッケージに収容し、半導体装置となした場合、半導体素子が載置される金属基体は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等から成り、その熱伝導率は１５〜１７Ｗ／ｍ・Ｋと多少熱伝導性が良いものの、近時の半導体素子が発する多量の熱は完全に吸収することができず、その結果、半導体素子は該半導体素子が作動時に発する熱によって高温となり、半導体素子に熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を招来させ半導体素子を誤動作させるという欠点を有していた。
【０００５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率よく放散させて半導体素子を常に適温とし、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本実施形態にかかる半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、切欠部を有するとともに、前記載置部を囲繞するようにして取着された金属製枠体と、前記切欠部に挿着されたセラミック端子体と、を具備し、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を被着させたものから成り、接着層、中間層、主層の各々の厚みが同一厚みであることを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である部材、即ち、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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【０００８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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／℃（室温〜８００℃）と金属製枠体を形成する鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）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、放熱板と金属製枠体に半導体素子が作動時に発する熱が印加されたとしても、放熱板と金属製枠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、放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、容器の気密封止を完全とし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、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００９】
更に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極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１０】
【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乃至図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は放熱板、２は金属製枠体、３は蓋体である。この放熱板１と金属製枠体２と蓋体３とで半導体素子４を収容する容器５が構成される。
【００１１】
前記放熱板１はその上面に半導体素子４が載置される載置部１ａを有するとともに上面外周部に該放熱板１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして金属製枠体２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。
【００１２】
前記放熱板１は半導体素子４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４が作動時に発する熱を大気中に効率良く放散させ、半導体素子４を常に適温とする作用をなし、金属製枠体２に囲まれた放熱板１の載置部１ａ上に半導体素子４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定される。
【００１３】
前記放熱板１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１ｂ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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの３層構造を有する金属層６を被着させたものから成り、金属製枠体２の下面に放熱坂１の上面側に被着させた金属層６を半田や銀ー銅合金、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１は枠状絶縁体２の下面に取着される。
【００１４】
前記放熱板１の一方向性複合材料から成る芯体１ｂ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卜を形成するとともに各々のシー卜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卜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。
【００１５】
また前記放熱板１の一方向性複合材料からなる芯体１ｂはそ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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの３層構造を有する金属層６が被着されており、該金属層６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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの各々はその厚みが略同一厚みとなっている。
【００１６】
前記金属層６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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃ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１ｂの熱膨張係数を後述する鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金から成る金属製枠体２の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）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１ｂ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６ａと、銅から成る中間層６ｂと、モリブデンから成る主層６ｃの３つの層からなる金属層６を被着させた放熱板１はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃（室温〜８００℃）となり、これによって放熱板１を金属製枠体２の下面に取着させた後、両者に半導体素子４が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板１と金属製枠体２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１は金属製枠体２に強固に接合し、かつ半導体素子４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４を長期間にわたり、正常、旦つ安定に作動させることができる。
【００１７】
なお、前記金属層６は一方向性複合材料からなる芯体１ｂ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１ｂ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種より成る接着層６ａとしての箔と銅から成る中間層６ｂとしての箔と、モリブデンから成る主層６ｃとしての箔を順次、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。
【００１８】
また前記金属層６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６ａは、金属層６を一方向性複合材料からなる芯体１ｂに強固に接合させる作用をなし、また銅から成る中間層６ｂは接着層６ａとモリブデンから成る主層６ｃ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６ｃは接着層６ａ及び中間層６ｂと相まって放熱板１の熱膨張係数を約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃（室温〜８００℃）とする作用をなす。
【００１９】
前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両主面に金属層６を被着させてなる放熱板１は、一方向性複合材料からなる芯体１ｂの炭素繊維の方向、即ち、放熱板１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１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成る芯体１ｂを用いた放熱板１の上面に半導体素子４を載置固定させた場合、半導体素子４の作動時に発する熱は放熱板１の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板１の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２０】
前記一方向性複合材料から成る芯体１ｂを用いた放熱板１はまたその重量が軽いことからこの放熱板１を使用した半導体素子収納用パッケージに半導体素子４を収容して半導体装置を形成した際、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。
【００２１】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂを用いた放熱板１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１と金属製枠体２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１を適度に変形させることによって吸収され、その結果、金属製枠体２と放熱板１とは極めて強固に接合し、半導体素子４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。
【００２２】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両面に金属層６を被着させた放熱板１は、芯体１ｂと上面金属層６との間及び芯体１ｂと下面金属層６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６の芯体１ｂ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１は芯体１ｂと金属層６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、これによって金属製枠体２の下面に放熱板１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４が作動時に発する熱を放熱板１を介して大気中に効率良く放散させることが可能となる。
【００２３】
更にまた前記放熱板１の上面外周部に該放熱板１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして金属製枠体２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１と金属製枠体２とで半導体素子４を収容するための空所が内部に形成される。
【００２４】
前記放熱板１に取着される金属製枠体２は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金のインゴット（塊）に従来周知のプレス成形法等の金属加工法を採用し、所定の形状に成形することによって製作される。
【００２５】
前記鉄ーニッケルーコバルト合金または鉄ーニッケル合金から成る金属製枠体２はその熱膨張係数が約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（室温〜８００℃）であり、放熱板１の熱膨張係数（約７×１０-6／℃〜９×１０-6／℃：室温〜８００℃）に近似することから、両者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い。
【００２６】
また前記金属製枠体２はその側部の一部に切欠部２ａが形成されており、該切欠部２ａには、金属製枠体２の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が埋設されたセラミック端子体７が挿着されている。
【００２７】
前記セラミック端子体７はメタライズ配線層８を金属製枠体２に対し電気的絶縁をもって金属製枠体２の内側から外側にかけて配設する作用をなし、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、側面に予めメタライズ金属層を被着させておくとともに該メタライズ金属層を金属製枠体２の切欠部２ａ内壁面に銀ロウ等のロウ材を介し取着することによって金属製枠体２の切欠部２ａに挿着される。
【００２８】
前記セラミック端子体７は、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。
【００２９】
また前記セラミック端子体７には金属製枠体２の内側から外側にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が埋設されており、該メタライズ配線層８の金属製枠体２の内側に位置する領域には半導体素子４の各電極がボンディングワイヤ９を介して電気的に接続され、また金属製枠体２の外側に位置する領域には外部電気回路と接続される外部リード端子１０が銀ロウ等のロウ材を介し取着されている。
【００３０】
前記メタライズ配線層８は半導体素子４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。
【００３１】
前記メタライズ配線層８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体２ａ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セラミック端子体７に形成される。
【００３２】
なお、前記メタライズ配線層８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８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８への外部リード端子１０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８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。
【００３３】
また前記メタライズ配線層８には外部リード端子１０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１０は容器５内部に収容する半導体素子４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１０を外部電気回路に接続することによって容器５内部に収容される半導体素子４はメタライズ配線層８及び外部リード端子１０を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３４】
前記外部リード端子１０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。
【００３５】
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１の半導体素子載置部１ａ上に半導体素子４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４の各電極をボンディングワイヤ９を介して所定のメタライズ配線層８に接続させ、しかる後、前記金属製枠体２の上面に蓋体３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１、金属製枠体２及び蓋体３とから成る容器５内部に半導体素子４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。
【００３６】
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。
【００３７】
【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、上面に半導体素子が載置される放熱板として、放熱板の上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である部材、即ち、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から下面側にかけて選択的に伝達され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。
【００３８】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、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／℃（室温〜８００℃）と金属製枠体を形成する鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金の熱膨張係数（約１０×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃：室温〜８００℃）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、放熱板と金属製枠体に半導体素子が作動時に発する熱が印加されたとしても、放熱板と金属製枠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、放熱板と金属製枠体とは強固に接合し、容器の気密封止を完全とし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、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３９】
更に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極めて軽量なものであり、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、半導体装置の重量も極めて軽量なものとなって近時の小型化、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。
【符号の説明】
１・・・・放熱板
１ａ・・・半導体素子の載置部
１ｂ・・・芯体
２・・・・金属製枠体
３・・・・蓋体
４・・・・半導体素子
６・・・・金属層
６ａ・・・接着層
６ｂ・・・中間層
６ｃ・・・主層
７・・・・セラミック端子体
８・・・・メタライズ配線層
１０・・・・外部リード端子
Claims (3)
- 上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、
切欠部を有するとともに、前記載置部を囲繞するようにして取着された金属製枠体と、
前記切欠部に挿着されたセラミック端子体と、
を具備し、
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を被着させたものから成り、
接着層、中間層、主層の各々の厚みが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。 - 前記金属製枠体は、鉄ーニッケルーコバルト合金もしくは鉄ーニッケル合金から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項１又は請求項２に記載の半導体素子収納用パッケージと、
前記放熱板に搭載された半導体素子と、
を具備した半導体装置。
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