JP7097764B2 - 半導体装置及び半導体装置用パッケージ並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置及び半導体装置用パッケージの製造方法に関する。

特許文献１には、基体と、発光素子と、発光素子を囲むように基体の上面に接合された枠体と、枠体に接合された蓋体と、を備える発光装置が記載されている。枠体と基体との熱膨張係数が異なる場合、枠体を基体に銀ロウ材などの接合材により加熱接合して冷却すると、反りが生じることがある。この場合、例えば、中央部が外周部よりも高くなるように反った基体の下面に対して、中央部と外周部の高さが同程度となるまで研磨プレートを用いて研磨することができる。これにより下面を平坦化することができるので、下面をヒートシンク等に固定しやすくなる。

特許文献２には、板状体のＡｌ－ＳｉＣ系複合体からなる放熱部品を、その下面が端部から中央部に向かって凸状に突出した形状とし、その放熱部品に半導体基板を接合する工程が記載されている。放熱部品に半導体基板をはんだ付けにより接合したとき、放熱部品全体に反りを生じるため、放熱部品の下面の突出量は、半導体基板の接合前よりも接合後の方が小さくなる。

特開２０１７－２０８４８４号公報 特開２００４－２２９６４号公報

特許文献１には、反りが生じた基体の下面を平坦化するために研磨を施すことが記載されているが、このような研磨を不要とできれば、さらなるコストダウンが可能である。

特許文献２には、放熱部品が反ることを前提として予め下面を凸形状とすることが記載されている。しかし、特許文献２において反りが生じるのは半導体基板を接合するからであり、半導体基板の接合後にさらに他の部材を放熱部品上面に配置することは想定されていない。このため、接合前の放熱部品上面は平坦であるが、接合後の放熱部品上面は接合前の下面の凸形状を反転させた非平坦な形状となっている。

下面と上面とを有し、前記上面は、外周部と、前記外周部に囲まれ前記外周部よりも上方に突出した内側部と、を有し、前記内側部における厚みは前記外周部における厚みよりも大きい、底板を準備する第１工程と、
前記底板の前記外周部に、前記底板よりも線膨張係数が小さい枠部材を接合する第２工程と、
前記底板の前記内側部に、半導体素子を固定する第３工程と、
をこの順に備え、
前記第１工程において、前記底板の前記下面は、最も下方に位置する基準部と、前記基準部よりも上方に位置する凹部と、を有し、前記凹部は前記外周部の直下に配置されており、
前記第２工程によって前記底板に反りが生じることにより、前記凹部の深さが減少する半導体装置の製造方法。

下面と上面とを有し、前記上面は、外周部と、前記外周部に囲まれ前記外周部よりも上方に突出した内側部と、を有し、前記内側部における厚みは前記外周部における厚みよりも大きい、底板を準備する第１工程と、
前記底板の前記外周部に、前記底板よりも線膨張係数が小さい枠部材を接合する第２工程と、
をこの順に備え、
前記第１工程において、前記底板の前記下面は、最も下方に位置する基準部と、前記基準部よりも上方に位置する凹部と、を有し、前記凹部は前記外周部の直下に配置されており、
前記第２工程によって前記底板に反りが生じることにより、前記凹部の深さが減少する半導体装置用パッケージの製造方法。

このような半導体装置及び半導体装置用パッケージの製造方法によれば、枠部材の接合によって底板の上面の内側部が変形し難く、且つ、枠部材の接合後における下面の平坦化処理を不要とすることができる。

一実施形態に係る半導体装置及び半導体装置用パッケージの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 底板準備工程を示す模式的断面図である。 枠部材接合工程を示す模式的断面図である。 半導体素子固定工程を示す模式的断面図である。 蓋体接合工程を示す模式的断面図である。 一実施形態に係る底板の模式的平面図である。 一実施形態に係る底板の模式的正面図である。 一実施形態に係る底板の模式的右側面図である。 一実施形態に係る底板の模式的底面図である。 一実施形態に係る底板の模式的斜視図である。 底板の変形例１を示す模式的底面図である。 底板の変形例２を示す模式的底面図である。 底板の変形例３を示す模式的底面図である。 底板の変形例４を示す模式的底面図である。 底板の変形例５を示す模式的底面図である。 底板の変形例５を示す模式的正面図である。 底板の変形例６を示す模式的底面図である。 底板の変形例６を示す模式的左側面図である。 底板の変形例７を示す模式的底面図である。 底板の変形例７を示す模式的正面図である。 一実施形態に係る半導体装置用パッケージを示す模式的平面図である。 一実施形態に係る半導体装置用パッケージを示す模式的正面図である。 一実施形態に係る半導体装置用パッケージを示す模式的右側面図である。 図１１ＡのＸＩｄ－ＸＩｄ線における模式的断面図である。 検証例における、枠部材接合工程後の底板の下面の突出量分布を示す図である。 比較例における、枠部材接合工程後の底板の下面の突出量分布を示す図である。 半導体素子及びその付近を示す部分拡大図である。

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

図１は一実施形態に係る半導体装置及び半導体装置用パッケージの製造方法を概略的に示すフローチャートである。本実施形態の半導体装置用パッケージの製造方法は、底板を準備する工程Ｓ１０１と、枠部材を接合する工程Ｓ１０２と、をこの順に有する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、その後にさらに、半導体素子を固定する工程Ｓ１０３を有する。また、半導体装置の製造方法は、工程Ｓ１０３の後に、蓋体を接合する工程Ｓ１０４を有してもよい。図２Ａ～図２Ｄは、各工程を示す模式的な断面図である。図２Ａ～図２Ｄに示すように、底板１０は枠部材２０が接合されることにより反りが生じるが、底板１０の厚みは枠部材２０が接合される外周部１２ａにおいて薄く内側部１２ｂにおいて厚いため、主に外周部１２ａの部分が反る。このように内側部１２ｂが反り難いことにより、半導体素子３０が固定される面の平坦性を維持することができる。加えて、底板１０の下面１１のうち反りによって突出する部分には予め凹部１１ａが設けられているため、反りが生じた状態において底板１０の下面１１を平坦面に近付けることができる。したがって、底板１０と枠部材２０の接合後における下面１１の平坦化処理を不要とすることができる。以下に各工程について詳述する。

（底板準備工程）
まず、図２Ａに示すように、底板１０を準備する。底板１０は、下面１１と上面１２を有する。上面１２は、外周部１２ａと内側部１２ｂとを有する。内側部１２ｂは、外周部１２ａに囲まれており、且つ、外周部よりも上方に突出している。底板１０の内側部１２ｂにおける厚みは外周部１２ａにおける厚みよりも大きい。下面１１は、最も下方に位置する基準部１１ｂと、基準部１１ｂよりも上方に位置する凹部１１ａと、を有する。凹部１１ａは外周部１２ａの直下に配置されている。なお、本明細書において、後述する半導体素子が配置される側の面を上面１２とし、その反対側の面を下面１１とする。また、下面１１から上面１２に向かう方向を上方とし、上面１２から下面１１に向かう方向を下方とする。

凹部１１ａは、枠部材２０の接合によって突出すると想定される箇所に、その突出量を減少させることが可能な程度の深さで設けることができる。突出想定箇所の特定は、例えば、下面１１を平坦面とした底板１０に枠部材２０を接合し、接合後の下面の突出量の分布を測定することにより行うことができる。これによって突出量の想定も可能である。突出想定箇所の特定はシミュレーションにより行ってもよい。図２Ａに示すように、凹部１１ａは外周部１２ａの直下に限らず、内側部１２ｂの直下にも設けられていてもよい。この場合、凹部１１ａは、内側部１２ｂにおける厚みが外周部１２ａにおける厚みよりも小さくならないように配置することが好ましい。

図３Ａ～図３Ｅを用いて、底板１０のより詳細な構造を説明する。図３Ａは平面図であり、図３Ｂは正面図であり、図３Ｃは右側面図であり、図３Ｄは底面図である。図３Ｅは、底面と右側面と背面とを含む斜視図である。

図３Ａ～図３Ｅに示すように、底板１０の上面１２は外周部１２ａと内側部１２ｂとを有し、下面１１は基準部１１ｂと、凹部として平行面１３及び傾斜面１４とを有する。図３Ｄに示すように、底板１０の下面１１の形状は四角形状であり、それぞれ向かい合う、第１辺１５ａ及び第２辺１５ｂと、第３辺１５ｃ及び第４辺１５ｄと、を含む。基準部１１ｂは、第３辺１５ｃと第４辺１５ｄとを結ぶ形状で設けられている。凹部としては、４つの第１平行面１３ａと、４つの第２平行面１３ｂと、２つの傾斜面１４とが設けられている。第１平行面１３ａは下面１１の四隅にそれぞれ１つずつ配置されており、それらに隣接して第２平行面１３ｂが１つずつ配置されている。第１平行面１３ａは正方形状であり、第２平行面１３ｂはそれと一辺を共有する二等辺三角形状である。第１辺１５ａに沿って２つの第１平行面１３ａと２つの第２平行面１３ｂとが配置されており、また、第２辺１５ｂに沿って２つの第１平行面１３ａと２つの第２平行面１３ｂとが配置されている。２つの傾斜面１４のうち一方は第１辺１５ａと基準部１１ｂとを結ぶ形状で配置され、他方は第２辺１５ｂと基準部１１ｂとを結ぶ形状で配置されている。傾斜面１４はそれぞれ、基準部１１ｂと第１平行面１３ａ及び第２平行面１３ｂとを結ぶ形状でもある。図３Ｂに示すように、第１平行面１３ａの深さｄ１は第２平行面１３ｂの深さｄ２よりも大きい。傾斜面１４は、第１辺１５ａ（又は第２辺１５ｂ）と一致する部分が最も深くなっており、ここにおける深さは第２平行面１３ｂと同じ深さｄ２である。傾斜面１４は、そこから基準部１１ｂまでを一定の傾斜度合で繋ぐ形状である。

下面１１は四角形の角が丸められ且つ複数の欠け形状１７、１８、１９を有する形状である。傾斜面１４に隣接して配置された４つの欠け形状１７は、ネジ止め用のネジが挿入されるための部分である。基準部１１ｂに隣接して配置された１つの欠け形状１８は、位置決めピンが挿入されるための部分である。貫通孔１６はもう１つの位置決めピンが挿入されるための孔である。図３Ｅに示すように、貫通孔１６の周囲を凹形状としてもよい。また、下面１１は第２辺１５ｂと第３辺１５ｃが交わる角部にも欠け形状１９を有する。この欠け形状１９は、ネジ止め等によって半導体装置をヒートシンク等に固定する際に、設置する向きを判断するために用いる。

図３Ｂに示すように、内側部１２ｂと基準部１１ｂとは平行であることが好ましい。これにより、内側部１２ｂと基準部１１ｂが向かい合う部分における底板１０の厚みを均一とすることができるため、この部分において応力の偏りが生じ難く、したがって反りが生じ難い。なお、本明細書において「平行」とは、厳密な意味の平行だけではなく、それから２度ずれた範囲も含む意味で用いる。また、図３Ｂに示すように、内側部１２ｂと外周部１２ａの境界は斜面となっている場合があるが、この場合、斜面を除いた部分を内側部１２ｂとし、これが基準部１１ｂと平行であればよい。基準部１１ｂは曲面であってもよいが、図３Ｂに示すように平坦面である方が枠部材２０の接合時に底板１０が安定するため好ましい。

凹部１１ａは、平行面１３と、傾斜面１４とを有することができる。平行面１３は基準部１１ｂと平行な面であり、傾斜面１４は基準部１１ｂに対して傾斜した面である。平行面１３は基準部１１ｂから離間した位置に配置することが好ましく、傾斜面１４は平行面１３と基準部１１ｂとを接続する位置に配置することが好ましい。図２Ａ～図２Ｄに示すように、平行面１３を設けることにより段差が生じている場合、枠部材２０の接合後に平行面１３の痕跡が残り易い。一方で、傾斜面１４は痕跡が残り難いため、基準部１１ｂに隣接して傾斜面１４を配置することで、枠部材２０接合後に基準部１１ｂ及びその周囲を平坦面に近付け易い。平行面１３は内側部１２ｂの直下を避けて配置することが好ましい。これにより、内側部１２ｂに固定される半導体素子３０の熱を効率的にヒートシンク等に伝えることができる。また、傾斜面１４だけであると枠部材２０の接合後に突出しすぎないための深さが足りない場合があるため、傾斜面１４だけでなく平行面１３も設けることが好ましい。平行面１３に替えて、傾斜面１４よりも一段深い傾斜面を設けてもよい。

図３Ｄに示すように、底板１０の下面１１の形状は四角形状とすることができる。なお、図３Ｄにおいて、下面１１は四角形の角が丸められ且つ複数の欠け形状１７、１８、１９を有する形状であるが、本明細書ではこのような形状も四角形状に含む。下面１１が四角形状である場合、枠部材２０の接合による反りによって主に下方に突出し易い部分は四隅である。このため、平行面１３は下面１１の四隅に配置されることが好ましい。図２Ｂ～図３Ｅに示すように、平行面１３として、それぞれ深さの異なる第１平行面１３ａと第２平行面１３ｂを有することができる。この場合、四隅が最も深くなるように、第１平行面１３ａの深さｄ１を第２平行面１３ｂの深さｄ２よりも大きくし、第１平行面１３ａを四隅に配置することが好ましい。深さｄ１は、例えば０．０１～０．１ｍｍとすることができる。深さｄ２は、例えば０．０１～０．０５ｍｍとすることができる。深さｄ１と深さｄ２の差は、例えば０．０１ｍｍ以上とすることができる。枠部材２０接合後に段差が残り難いように、深さｄ１と深さｄ２の差は０．０３ｍｍ以下とすることが好ましい。

後述するように枠部材２０の構造によって反りの生じやすい方向を調整することができる。例えば図３Ｄにおける図中上下方向は反り難く、図中左右方向は反り易い場合、基準部１１ｂは、第３辺１５ｃと第４辺１５ｄとを結ぶ形状で設けることが好ましい。また、この場合、反りは基準部１１ｂを挟んで概ね左右対称に生じるため、平行面１３と傾斜面１４は基準部１１ｂを挟んで左右対称に配置することが好ましい。このように基準部１１ｂと凹部は、反りの生じやすい方向に応じて適所に配置することができる。

底板１０の変形例１～７を図４～図１０Ｂに示す。図４は底板１０の変形例１を示す模式的底面図である。図３Ｄに示す底板１０では、図中左右方向の幅について、基準部１１ｂの方が傾斜面１４よりも大きいが、図４に示すように、基準部１１ｂの方を小さくしてもよい。反りは底板１０の全体に生じるため、反りが生じた状態において底板１０の下面をより平坦に近付けるためには、同じ高さの面を大きなサイズで設けるよりも、同じ高さの面を小さなサイズで設けて傾斜面や異なる高さの面の割合を増加させる方が好ましいと考えられる。このため、基準部１１ｂのサイズは小さい方が好ましい。

図５は底板１０の変形例２を示す模式的底面図である。図５に示すように、底板１０は、第３辺１５ｃに沿って延伸して第１辺１５ａと第２辺１５ｂとを繋ぐ第１平行面１３ａと、第４辺１５ｄに沿って延伸して第１辺１５ａと第２辺１５ｂとを繋ぐ第１平行面１３ａとを有することができる。このように、平行面は必ずしも四隅に分断されていなくてもよい。

図６は底板１０の変形例３を示す模式的底面図である。変形例３の底板１０は、基準部１１ｂから第１辺１５ａ及び第２辺１５ｂまでをそれぞれ繋ぐ２つの第１傾斜面１４ａと、基準部１１ｂから第１平行面１３ａ及び第２平行面１３ｂまでをそれぞれ繋ぐ４つの第２傾斜面１４ｂとを有する。このように、底板１０は、傾斜面として、第１傾斜面１４ａと第２傾斜面１４ｂとを有していてもよい。その傾斜角度は、第１傾斜面１４ａの方が第２傾斜面１４ｂよりも小さい。上述のように、反りが生じた状態において底板１０の下面をより平坦に近付けるためには、種々の高さの面を設けることが好ましいと考えられる。このため、傾斜角度の異なる２以上の傾斜面を設けることが好ましく、これにより、反りが生じた状態において底板１０の下面をより平坦に近付けることが可能である。

図７は底板１０の変形例４を示す模式的底面図である。変形例４の底板１０は、隣り合う平行面（第２平行面１３ｂ）同士を繋ぐ第１傾斜面１４ａと、第１傾斜面１４ａから基準部１１ｂまでを繋ぐ第２傾斜面１４ｂとを有する。その傾斜角度は、第１傾斜面１４ａの方が第２傾斜面１４ｂよりも小さい。底板１０をプレスで形成する際にその外周部が凹みやすい傾向がある。このため、傾斜角度の小さな第１傾斜面１４ａの方を外周部に配置することで、プレス時の凹みと合わせて外周部が凹みすぎることを防止することが可能である。

図８Ａは底板１０の変形例５を示す模式的底面図であり、図８Ｂはその模式的正面図である。変形例５の底板１０は、曲面の傾斜面１４を有する。図８Ｂに示すように、傾斜面１４は、底板１０の中心部を通過し且つ第１辺１５ａに平行である線状の部分が最も下方に位置する部分であり、すなわち基準部１１ｂである。この傾斜面１４は、基準部１１ｂから第１辺１５ａ及び第２辺１５ｂをそれぞれ曲面によって繋いでいる。上述のように、反りが生じた状態において底板１０の下面をより平坦に近付けるためには、種々の高さの面を設けることが好ましいと考えられる。このため、このような曲面であればより平坦に近付けることが可能である。

図９Ａは底板１０の変形例６を示す模式的底面図であり、図９Ｂはその模式的左側面図である。図９Ａ及び図９Ｂに示す底板１０は、図３Ａ～図３Ｅに示す底板１０よりも縦方向に長い形状である。このような形状であれば、長手方向に反り易く、短手方向には反り難い。このため、例えば、基準部１１ｂを下面の長辺と長辺とを結ぶ形状とし、２つの短辺のそれぞれに沿った平行面１３を配置し、基準部１１ｂと平行面１３の間に傾斜面１４を配置する。

図１０Ａは底板１０の変形例７を示す模式的底面図であり、図１０Ｂはその模式的正面図である。変形例７の底板１０は、複数の基準部１１ｂを有する。底板１０の四隅に形成された４つの貫通孔１６がネジ止め用のネジが挿入されるための部分であり、残りの２つの貫通孔が位置決めピンが挿入されるための孔である。また、底板１０は、四隅にそれぞれ形成された第１平行面１３ａを繋ぐ１つの第２平行面１３ｂを有する。底板１０のサイズが大きくなるほど、隅と隅の間の部分が上方に浮きやすく、複雑な反り方をする。このため、そのような場合は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、中央部の基準部１１ｂに加えて、隅と隅の間の各辺に沿った部分にも基準部１１ｂを配置することが好ましい。これにより、隅と隅の間の各辺に沿った部分においても上方に浮き難いという効果が期待できる。なお、傾斜面１４に替えて、２段以上の段差としてもよい。

図８Ａ及び図８Ｂに示す変形例５のように、下面１１の断面形状を下方に凸であるアーチ状としてもよい。この場合、アーチ状のうち最も下方に位置する部分が基準部１１ｂであり、それ以外の部分が傾斜面１４である。この場合も、下面１１の四隅には傾斜面１４よりも深い平行面１３を配置することが好ましい。

底板１０は、その上に半導体素子３０等を実装可能な部材である。底板１０の下面１１は、ヒートシンク等と熱的に接続させることができる。これにより、半導体素子３０の熱をヒートシンク等に放散することができる。底板１０には、セラミック材料や金属材料を用いることができ、放熱性向上のためには金属材料を用いることが好ましい。金属材料としては、例えば、アルミ、アルミ合金、鉄、鉄合金、銅、銅合金等が挙げられる。底板準備工程において底板１０の内側部１２ｂや基準部１１ｂ等に平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、研磨、圧延処理等が挙げられる。凹部１１ａの形成は、例えばプレスにより行うことができる。

（枠部材接合工程）
次に、図２Ｂに示すように、底板１０の外周部１２ａに枠部材２０を接合する。枠部材２０の線膨張係数は、底板１０の線膨張係数よりも小さい。このような枠部材２０を接合することにより、底板１０が上方に凸となるような反りが発生する。これによって、底板準備工程において底板１０の下面１１に設けていた凹部１１ａの深さが減少する。

底板準備工程と枠部材接合工程により、半導体装置用パッケージを製造することができる。図１１Ａ～図１１Ｄを用いて、枠部材のより詳細な構造を説明する。図１１Ａ～図１１Ｄは、底板１０に枠部材を接合した状態を示す図であり、すなわち半導体装置用パッケージを示す図である。図１１Ａは平面図であり、図１１Ｂは正面図であり、図１１Ｃは右側面図であり、図１１Ｄは図１１ＡのＸＩｄ－ＸＩｄ線における断面図である。なお、図１１Ａ～図１１Ｄでは、底板１０の下面１１における凹部１１ａ及び基準部１１ｂは省略しており、図示していない。

図１１Ａ～図１１Ｄに示すように、枠部材は、枠体２１と板体を有することができる。枠体２１の上面視形状は四角形状であり、それぞれ向かい合う、第１壁部２１ａ及び第２壁部２１ｂと、第３壁部２１ｃ及び第４壁部２１ｄと、を含む。板体として、第１壁部２１ａに接合された第１板体２２Ａと、第２壁部２１ｂに接合された第２板体２２Ｂと、を有する。底板１０の第１辺１５ａの側に第１壁部２１ａが位置し、底板１０の第２辺１５ｂの側に第２壁部２１ｂが位置している。枠部材は、さらに、第１壁部２１ａ及び第１板体２２Ａを貫通して配置された第１リード端子２３Ａと、第２壁部２１ｂ及び第２板体２２Ｂを貫通して配置された第２リード端子２３Ｂと、を有する。第１リード端子２３Ａ及び第２リード端子２３Ｂはそれぞれ、ガラス等の絶縁部材を介して第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂに固定されている。

このような枠部材を底板に接合する構造において、接合後の底板下面の反り状態を測定した結果を図１２及び図１３に示す。図１２は、試料Ａにおける枠部材接合工程後の底板の下面の突出量分布を示す図である。図１３は、試料Ｂにおける枠部材接合工程後の底板の下面の突出量分布を示す図である。図１２及び図１３ではそれぞれ、下面のうち最も上方に位置する部分（すなわち、最も凹んだ部分）を０μｍとし、それに対する突出量の分布を示している。

試料Ａでは、図３Ａ～図３Ｅに示す形状の底板１０を用いた。試料Ａの底板１０は、第１辺１５ａの長さが約３０ｍｍであり、第４辺１５ｄの長さが約２９ｍｍであり、最大厚みＤが約３．５ｍｍであった。内側部１２ｂは、その高さｄ３が約１．４ｍｍであり、その平面形状は短辺が約１３．７ｍｍであり長辺が約１９．５ｍｍである長方形状であった。第１平行面１３ａは一辺が約４．６ｍｍの正方形状であり、その深さｄ１は約０．０５ｍｍであった。第２平行面１３ｂは直角を成す二辺がそれぞれ約４．６ｍｍの直角二等辺三角形状であり、その深さｄ２は約０．０４ｍｍであった。なお、図３Ａ～図３Ｅでは、下面１１の段差を実際に用いた試料Ａよりも強調して示している。底板１０としてＣｕを用い、枠体２１としてＳＰＣ（ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ｃｏｌｄ）を用い、第１板体２２Ａ及び第２板体２２ＢとしてＳＰＣを用い、第１リード端子２３Ａ及び第２リード端子２３Ｂとしてコバールを用いた。

試料Ｂは、下面に凹部を設けないこと、平面視における底板の外形寸法が約３５ｍｍ×約２９ｍｍであること、及び、外形寸法差に起因して貫通孔や欠け形状等が若干異なること以外は、試料Ａと同じとした。

図１３に示すように、試料Ｂの底板の下面は、枠体の接合により、中央部分が０μｍに近い値となり、第１辺及び第２辺及びその近傍が突出するように反りが生じた。特に四隅が大きく突出していた。試料Ｂにおいて最も突出した部分は図１３における左下の隅部であり、下面の中心部と比較して約０．０８ｍｍ突出していた。一方、図１２に示すように、試料Ａの底板１０の下面１１は、０μｍ及びそれに近い値は、基準部１１ｂではなく周辺部分に分布していた。試料Ａにおいて最も突出した部分は傾斜面１４の第１平行面１３ａとの境界付近であり、下面の中心部と比較して約０．０２ｍｍ突出していた。また、内側部１２ｂの直下、すなわち半導体素子３０が配置される部分の直下の突出量を比較すると、試料Ｂでは０μｍ及びそれに近い値が多かったが、試料Ａではほとんどの部分で数十μｍ程度突出していた。すなわち、試料Ｂでは半導体素子３０の直下が凹んでいたが、試料Ａでは半導体素子３０の直下は突出し、外周部分が凹んでいた。このような試料Ａの構造とすることにより、半導体素子３０の直下の部分をヒートシンク等に接触しやすくできるため、半導体素子３０が発する熱を効率的にヒートシンク等に伝えることができると考えられる。

図１２に示すように、枠部材接合後に第１平行面１３ａや第２平行面１３ｂによる段差が残存していてもよい。あるいは、このような反りの発生状態を考慮して、凹部１１ａを、枠部材接合後に段差が残存しない形状及び深さに設計してもよい。反りの発生状態にはばらつきが生じ易いため、枠部材接合後に下面１１の全体が完全に平坦になるように設計するよりも、枠部材接合後に下面１１のうち基準部１１ｂが最も突出するように設計することが好ましいと考えられる。半導体素子３０の直下となる基準部１１ｂが突出していれば、半導体素子３０が発する熱を効率的にヒートシンク等に伝えることができるためである。

図１１Ｄに示すように、底板１０の第１辺１５ａの側に第１壁部２１ａが位置し、底板１０の第２辺１５ｂの側に第２壁部２１ｂが位置するように、底板１０に枠部材を接合することができる。すなわち、底板１０の第１辺１５ａの側に第１板体２２Ａが位置し、底板１０の第２辺１５ｂの側に第２板体２２Ｂが位置するように接合することができる。第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂが設けられた第１壁部２１ａ及び第２壁部２１ｂは、これらが設けられていない第３壁部２１ｃ及び第４壁部２１ｄと比較して曲がり難くなる。このため、図１１Ａ～図１１Ｄに示すような配置であれば、底板１０の第１辺１５ａ（及び第２辺１５ｂ）に沿った方向には曲がり難く、それと交差する方向、すなわち第３辺１５ｃ（及び第４辺１５ｄ）に沿った方向には曲がり易い。したがって、この場合、上述のとおり、底板１０の基準部１１ｂは第３辺１５ｃと第４辺１５ｄとを結ぶ形状で設けることが好ましい。

枠部材が枠体２１と板体を有する場合、枠体２１のみを底板１０と接合してもよく、枠体２１と板体の両方を底板１０と接合してもよい。枠部材と底板１０とは、例えば銀ロウ等の接合材を用いて接合することができる。底板１０との線膨張係数の比較は、底板１０と直接的に接合される部材で行うことができる。すなわち、枠体２１のみを接合する場合は枠体２１の線膨張係数を底板１０よりも小さくし、枠体２１と板体の両方を接合する場合はこれら両方の線膨張係数を底板１０よりも小さくする。枠部材は、後述する蓋体５０を接合することで半導体素子３０等を気密封止できるように底板１０に接合することができる。枠体２１の厚みとしては、好ましくは０．１～１．０ｍｍ、より好ましくは０．２～０．８ｍｍの範囲とすることができる。枠体２１の材料としては、例えばＳＰＣが挙げられる。ＳＰＣであれば、コバールよりも枠部材２０の形状に容易に加工することができ、安価に製造することができる。

第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂは、それぞれ、枠体２１の外側面に接合することができる。第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂの厚みは、それぞれ、枠体２１の厚みよりも大きいことが好ましい。第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂの厚みの具体的な範囲としては、１．０～３．０ｍｍ程度が挙げられる。第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂの材料としては、コバール等の金属が挙げられる。第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂの形状は、それぞれ、例えば略直方体である。すなわち、直方体のほか、直方体の１以上の角が面取り等された形状であってもよい。第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂのそれぞれと枠部材２０とは、例えば銀ロウ等の接合材を用いて接合される。

第１リード端子２３Ａ及び第２リード端子２３Ｂは、半導体素子３０を外部の電源等に電気的に接続するための部材である。第１リード端子２３Ａ及び第２リード端子２３Ｂはホウケイ酸ガラス等の絶縁部材を介してそれぞれ第１板体２２Ａ及び第２板体２２Ｂに固定することができる。第１リード端子２３Ａ及び第２リード端子２３Ｂが底板１０の下面１１に設けられていないことにより、底板１０の下面１１の略全面を放熱面として利用することができる。第１リード端子２３Ａ及び第２リード端子２３Ｂの材料としては、コバール、鉄ニッケル合金等が挙げられる。

枠部材接合工程によって得られる半導体装置用パッケージは、底板１０と、枠部材と、を有する。底板１０は、下面１１と上面１２とを有し、上面１２は外周部１２ａと内側部１２ｂとを有し、内側部１２ｂにおける厚みは外周部１２ａにおける厚みよりも大きい。枠部材は、底板１０の外周部１２ａに接合されており、その線膨張係数は底板１０の線膨張係数よりも小さい。例えば図１２に示すように、底板１０の下面１１の最も突出している部分は内側部１２ｂの直下に位置していることが好ましい。これにより、後述する半導体素子固定工程において底板１０に固定される半導体素子３０の熱を効率的にヒートシンク等に伝えることができる。また、底板１０の下面１１には、凹部１１ａの痕跡が残存していてよい。例えば、図１２に示すように、下面１１の四隅のそれぞれに四角形状の段差や三角形状の段差があってよい。

（半導体素子固定工程）
図２Ｃに示すように、半導体装置用パッケージの底板１０の内側部１２ｂに、半導体素子３０を固定する。半導体素子３０が内側部１２ｂに固定されるとは、半導体素子３０が内側部１２ｂに直接固定されている場合に限らず、半導体素子３０が別部材を介して内側部１２ｂに固定されている場合も含む。図２Ｃでは、内側部１２ｂにサブマウント４０が固定され、サブマウント４０に半導体素子３０が固定されている。サブマウント４０を介して半導体素子３０を配置する場合、サブマウント４０の材料として、底板１０と半導体素子３０との間の線膨張係数を有する材料を用いてもよい。

半導体素子３０は例えば半導体レーザ素子等の発光素子である。半導体レーザ素子としては、窒化物半導体からなる活性層を有するものが挙げられる。このような半導体レーザ素子を用いる場合は、出射するレーザ光によって集塵が発生しやすいため、気密封止することが好ましい。窒化物半導体としては、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のようなＩＩＩ－Ｖ族半導体が挙げられる。半導体レーザ素子は、例えば、ｎ側半導体層と活性層とｐ側半導体層とがこの順に積層された半導体積層体と、ｎ側半導体層と電気的に接続されたｎ電極と、ｐ側半導体層と電気的に接続されたｐ電極と、を有する。例えば、１Ｗ以上の高出力の半導体レーザ素子を半導体素子３０として用いることができる。

図２Ｃに示すように、複数の半導体素子３０を配置してもよい。配置する半導体素子３０の数が多いほど、半導体装置の駆動時の発熱量が大きくなる。上述のような半導体素子３０の直下が反りによって浮きにくい構造は、このような発熱量の大きな半導体装置において特に適している。半導体素子３０の数は、例えば２個以上であり、２～４０個とすることができる。複数の半導体素子３０はワイヤ等により互いに電気的に接続することができる。ワイヤとしては、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。

（蓋体接合工程）
図２Ｄに示すように、枠部材２０に蓋体５０を接合することにより、半導体素子３０を封止することができる。蓋体５０は、例えば、枠部５１と、透光性部５２とを有する。半導体素子３０が発光素子である場合は、半導体素子３０からの光が透光性部５２を通過して外部へ取り出される。図１４に、半導体素子３０及びその付近の部分拡大図を示す。図１４に示すように、半導体装置は光反射部材６０を有してもよい。光反射部材６０は、枠体接合工程の後であって蓋体接合工程の前に、底板１０に固定すればよい。図１４では、半導体素子３０からの光の経路を破線で模式的に示す。半導体素子３０からの光（例えばレーザ光）は、直接または光反射部材６０などを介して透光性部５２に到達する。半導体素子３０からの光の光路上に蛍光体含有部材を配置して、半導体素子３０からの光によって励起された蛍光を外部に取り出してもよい。

枠部５１にはガラス、金属、セラミック、又はこれらの材料を組み合わせた材料などを用いることができる。枠部５１に金属を用いることにより、溶接等により枠部材２０と蓋体５０とを固定することができるため、半導体素子３０を気密封止しやすくなる。透光性部５２には、底板１０と枠部材２０と蓋体５０とに囲まれた封止空間内で発光する光の少なくとも一部を透過させる部材を用いることができる。例えば、半導体素子３０の発光を透過させる部材を用いる。

図２Ｄに示すように、得られた半導体装置は、底板１０と、枠部材２０と、半導体素子３０と、を有する。底板１０は、下面１１と上面１２とを有し、上面１２は外周部１２ａと内側部１２ｂとを有し、内側部１２ｂにおける厚みは外周部１２ａにおける厚みよりも大きい。枠部材２０は、底板１０の外周部１２ａに接合されており、その線膨張係数は底板１０の線膨張係数よりも小さい。半導体素子３０は、底板１０の内側部１２ｂに固定されている。上述のとおり、底板１０の下面１１の最も突出している部分は内側部１２ｂの直下に位置していることが好ましい。これにより、半導体素子３０の熱を効率的にヒートシンク等に伝えることができる。また、底板１０の下面１１には、凹部１１ａの痕跡が残存していてよい。例えば、図１２に示すように、下面１１の四隅のそれぞれに四角形状の段差や三角形状の段差があってよい。

また、得られた半導体装置を、ヒートシンク等の放熱部材にネジ止めする工程をさらに有していてもよい。ネジ止めは、底板１０の欠け形状１７にネジを挿入することによって行うことができる。欠け形状１７に代えて貫通孔であってもよい。貫通孔よりも欠け形状１７である方が底板１０を小型化することができる。また、ネジ止め工程の前または後に、レンズ等の光学部材を半導体装置に固定する工程を有していてもよい。

１０ 底板
１１ 下面
１１ａ 凹部、１１ｂ 基準部
１２ 上面
１２ａ 外周部、１２ｂ 内側部
１３ 平行面
１３ａ 第１平行面、１３ｂ 第２平行面
１４ 傾斜面
１４ａ 第１傾斜面、１４ｂ 第２傾斜面
１５ａ 第１辺、１５ｂ 第２辺、１５ｃ 第３辺、１５ｄ 第４辺
１６ 貫通孔
１７、１８、１９ 欠け形状
２０ 枠部材
２１ 枠体
２１ａ 第１壁部、２１ｂ 第２壁部、２１ｃ 第３壁部、２１ｄ 第４壁部
２２Ａ 第１板体、２２Ｂ 第２板体
２３Ａ 第１リード端子、２３Ｂ 第２リード端子
３０ 半導体素子
４０ サブマウント
５０ 蓋体
５１ 枠部
５２ 透光性部
６０ 光反射部材
Ｄ 最大厚み
ｄ１ 第１平行面の深さ、ｄ２ 第２平行面の深さ、ｄ３ 内側部１２ｂの高さ
Ｓ１０１ 底板準備工程
Ｓ１０２ 枠部材接合工程
Ｓ１０３ 半導体素子固定工程
Ｓ１０４ 蓋体接合工程

Claims (32)

1. 下面と上面とを有し、前記上面は、外周部と、前記外周部に囲まれ前記外周部よりも上方に突出した内側部と、を有し、前記内側部における厚みは前記外周部における厚みよりも大きい、底板を準備する第１工程と、
   前記底板の前記外周部に、前記底板よりも線膨張係数が小さい枠部材を接合する第２工程と、
   前記底板の前記内側部に、半導体素子を固定する第３工程と、
   をこの順に備え、
   前記第１工程において、前記底板の前記下面は、最も下方に位置する基準部と、前記基準部よりも上方に位置する凹部と、を有し、前記凹部は前記外周部の直下に配置されており、
   前記第２工程によって前記底板に反りが生じることにより、前記凹部の深さが減少する半導体装置の製造方法。
2. 前記第１工程において、前記内側部と前記基準部とは平行である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１工程において、前記凹部は、
   前記基準部から離間した位置に配置され、前記基準部と平行である平行面と、
   前記基準部に対して傾斜しており、前記平行面と前記基準部とを接続する傾斜面と、
   を有する請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１工程において、
   前記底板の前記下面の形状は四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１辺及び第２辺と、第３辺及び第４辺と、を含み、
   前記平行面は前記下面の四隅に配置されている請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１工程において、
   前記底板の前記下面の形状は四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１辺及び第２辺と、第３辺及び第４辺と、を含み、
   前記基準部は、前記第３辺と前記第４辺とを結ぶ形状で設けられており、
   前記第２工程において、
   枠部材は、上面視形状が四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１壁部及び第２壁部と、第３壁部及び第４壁部と、を含む枠体と、前記第１壁部及び前記第２壁部にそれぞれ接合された第１板体及び第２板体と、を有し、
   前記第１辺の側に前記第１壁部が位置し前記第２辺の側に前記第２壁部が位置するように、前記底板に前記枠部材を接合する、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第２工程において、枠部材は、
   前記第１壁部及び前記第１板体を貫通して配置された第１リード端子と、
   前記第２壁部及び前記第２板体を貫通して配置された第２リード端子と、を有する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第３工程の後、前記枠部材に蓋体を接合する第４工程をさらに備える請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第３工程において、前記半導体素子は半導体レーザ素子である請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 下面と上面とを有し、前記上面は、外周部と、前記外周部に囲まれ前記外周部よりも上方に突出した内側部と、を有し、前記内側部における厚みは前記外周部における厚みよりも大きい、底板を準備する第１工程と、
   前記底板の前記外周部に、前記底板よりも線膨張係数が小さい枠部材を接合する第２工程と、
   をこの順に備え、
   前記第１工程において、前記底板の前記下面は、最も下方に位置する基準部と、前記基準部よりも上方に位置する凹部と、を有し、前記凹部は前記外周部の直下に配置されており、
   前記第２工程によって前記底板に反りが生じることにより、前記凹部の深さが減少する半導体装置用パッケージの製造方法。
10. 前記第１工程において、前記内側部と前記基準部とは平行である請求項９に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
11. 前記第１工程において、前記凹部は、
    前記基準部から離間した位置に配置され、前記基準部と平行である平行面と、
    前記基準部に対して傾斜しており、前記平行面と前記基準部とを接続する傾斜面と、
    を有する請求項９又は１０に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
12. 前記第１工程において、
    前記底板の前記下面の形状は四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１辺及び第２辺と、第３辺及び第４辺と、を含み、
    前記平行面は前記下面の四隅に配置されている請求項１１に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
13. 前記第１工程において、前記傾斜面は、傾斜角度の異なる２以上の面からなる請求項１１又は１２に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
14. 前記第１工程において、
    前記底板の前記下面の形状は四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１辺及び第２辺と、第３辺及び第４辺と、を含み、
    前記基準部は、前記第３辺と前記第４辺とを結ぶ形状で設けられており、
    前記第２工程において、
    枠部材は、上面視形状が四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１壁部及び第２壁部と、第３壁部及び第４壁部と、を含む枠体と、前記第１壁部及び前記第２壁部にそれぞれ接合された第１板体及び第２板体と、を有し、
    前記第１辺の側に前記第１壁部が位置し前記第２辺の側に前記第２壁部が位置するように、前記底板に前記枠部材を接合する、請求項９～１３のいずれか１項に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
15. 前記第２工程において、枠部材は、
    前記第１壁部及び前記第１板体を貫通して配置された第１リード端子と、
    前記第２壁部及び前記第２板体を貫通して配置された第２リード端子と、を有する請求項１４に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
16. 下面と上面とを有する底板と、前記底板の上面に接合された枠体と、リード端子と、半導体素子と、前記枠体の外側面又は内側面の少なくとも一方に接合された板体と、固定部材と、を備え、
    前記底板の下面は、基準部と、前記基準部よりも上方に位置する凹部と、を有し、
    前記底板の上面は、外周部と、前記外周部に囲まれ前記外周部よりも上方に突出した内側部と、を有し、前記内側部における厚みは、前記外周部における厚みよりも大きく、
    前記枠体は、前記枠体の内側と外側とを繋ぐように前記枠体を貫通する第１貫通孔を有し、
    前記板体は、 前記第１貫通孔の貫通方向と同じ方向に前記板体を貫通する第２貫通孔を有し、且つ、前記枠体の厚みよりも大きい厚みを有し、
    前記リード端子は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に挿入されており、
    前記固定部材は、前記第２貫通孔内に設けられ、前記リード端子を固定し、
    前記半導体素子は、前記内側部に固定されている半導体装置。
17. 前記底板の下面は、前記凹部を複数有する請求項１６に記載の半導体装置。
18. 前記基準部の少なくとも一部は、前記底板が有する前記下面の中央部に配置されている請求項１６または１７に記載の半導体装置。
19. 前記底板が有する前記下面の形状は四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１辺及び第２辺と、第３辺及び第４辺と、を含む請求項１６から１８のいずれか一項に記載の半導体装置。
20. 前記底板の下面は、前記凹部を複数有し、
    複数の前記凹部は、前記底板が有する前記下面の四隅に配置されている請求項１９に記載の半導体装置。
21. 前記基準部は、前記第３辺と前記第４辺を接続する形状を有する請求項１９または請求項２０に記載の半導体装置。
22. 前記枠体は、上面視形状が四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１壁部及び第２壁部と、第３壁部及び第４壁部と、を含み、
    前記第１壁部は、前記第１貫通孔を有する請求項１６から２１のいずれか一項に記載の半導体装置。
23. 前記板体は、前記第１壁部に接合されている請求項２２に記載の半導体装置。
24. 前記半導体素子は半導体レーザ素子である請求項１６から２３のいずれか一項に記載の半導体装置。
25. 下面と上面とを有する底板と、
    前記底板の上面に接合された枠体と、
    リード端子と、を備える半導体装置用パッケージであって、
    前記枠体の外側面又は内側面の少なくとも一方に接合された板体と、
    固定部材と、をさらに備え、
    前記底板の下面は、基準部と、前記基準部よりも上方に位置する凹部と、を有し、
    前記底板の上面は、外周部と、前記外周部に囲まれ前記外周部よりも上方に突出した内側部と、を有し、前記内側部における厚みは、前記外周部における厚みよりも大きく、
    前記枠体は、前記枠体の内側と外側とを繋ぐように前記枠体を貫通する第１貫通孔を有し、
    前記板体は、 前記第１貫通孔の貫通方向と同じ方向に前記板体を貫通する第２貫通孔を有し、且つ、前記枠体の厚みよりも大きい厚みを有し、
    前記リード端子は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に挿入されており、
    前記固定部材は、前記第２貫通孔内に設けられ、前記リード端子を固定する半導体装置用パッケージ。
26. 前記底板の下面は、前記凹部を含む複数の凹部を有する請求項２５に記載の半導体装置用パッケージ。
27. 前記基準部の少なくとも一部は、前記底板が有する前記下面の中央部に配置されている請求項２５または２６に記載の半導体装置用パッケージ。
28. 前記底板が有する前記下面の形状は四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１辺及び第２辺と、第３辺及び第４辺と、を含む請求項２５から２７のいずれか一項に記載の半導体装置用パッケージ。
29. 前記底板の下面は、前記凹部を複数有し、
    複数の前記凹部は、前記底板が有する前記下面の四隅に配置されている請求項２８に記載の半導体装置用パッケージ。
30. 前記基準部は、前記第３辺と前記第４辺を接続する形状を有する請求項２８または請求項２９に記載の半導体装置用パッケージ。
31. 前記枠体は、上面視形状が四角形状であって、それぞれ向かい合う、第１壁部及び第２壁部と、第３壁部及び第４壁部と、を含み、
    前記第１壁部は、前記第１貫通孔を有する請求項２５から３０のいずれか一項に記載の半導体装置用パッケージ。
32. 前記板体は、前記第１壁部に接合されている請求項３１に記載の半導体装置用パッケージ。

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