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】
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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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