JPH0548953B2 - - Google Patents
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- JPH0548953B2 JPH0548953B2 JP61131892A JP13189286A JPH0548953B2 JP H0548953 B2 JPH0548953 B2 JP H0548953B2 JP 61131892 A JP61131892 A JP 61131892A JP 13189286 A JP13189286 A JP 13189286A JP H0548953 B2 JPH0548953 B2 JP H0548953B2
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- Ceramic Products (AREA)
Description
(産業上の利用分野)
本発明は半導体装置用セラミツク多層基板又は
ICパツケージの半導体素子の搭載部の接合構造
に関し、特にGaAs,Ge,Si等の半導体素子を収
納する放熱能力の大きい超高速用多層基板又は
ICパツケージにおける前記接合構造に関する。 (従来の技術) 近時家電製品から産業機器に至るまで広く半導
体が使用されており、これらの機器に対して小型
軽量(高密度実装)化、高速化、高出力化、高信
頼性化の要請は益々強くなり、用いられる半導体
は高集積化、チツプサイズの増大、マルチモジユ
ール化或いは高出力化の方向に進んでいる。 我々は、先に実開昭61−149336号に示すよう
に、熱放散性が良く、半導体素子との密着性に優
れ、高密度配線に適した超高周波、超高速用ピン
グリツドアレイ(PGA)型ICパツケージ用基板
を開発したが、これはパツケージの半導体搭載部
分にMo,W,SiC,AN等の高熱伝導材料を
用い、他の部分を結晶化ガラスで構成し、蝋付け
又はガラス封着したものであるが、ろう材は
Ai/Sb共晶ろう又はAu/Si共晶ろうを使用して
おり、一層高温ろうで封着されることが望まし
い。その理由は高熱伝導体の上に搭載される半導
体素子は通常Au/Siの如く400℃以上の耐熱ろう
材が用いられる為、パツケージの他の接合部は当
然それ以上の耐熱性を有することが望まれるから
であり、従来アルミナは850℃という高温ろう材
であるAg/Cu共晶ろうを用いて端子部と金具と
を接合し、高い信頼性を得た実績がある。 本発明者等は低誘電率、低温焼成セラミツク多
層基板又はICパツケージの半導体素子を搭載す
るところに高温ろうで接合する方法を鋭意研究し
たが、アルミナと同様な方法でAg/Cu(850℃)
を用いて接合すると高温ろうの固着温度以下での
両者の膨張差によつて、クラツクが入り信頼性に
欠けるものしか得られなかつた。 アルミナセラミツクを半導体素子を搭載すると
ころに用いても、同様にクラツクの発生が避けら
れず、信頼性に欠けるものであつた。 尚、ICパツケージに於いて、内部に半導体素
子を装着するのに接合層を介して接着する部分を
SiC等から成る熱良導体で形成し、残部を結晶化
ガラスで形成したものを焼結して一体化した基板
を用いたものとして、既に特開昭61−168942号に
提示しているが、高温蝋材を用いた接合ではない
ので、一層の改良が求められている。 又、アルミナ、低温焼成セラミツク多層基板又
はICパツケージに於ける半導体素子を搭載する
部分を高熱伝導材料(例えばAN,SiC等)を
用いて形成しておいて、従来の高温蝋材(970〜
1050℃)により蝋付けすると、この両者のいずれ
かに熱膨張差による応力歪みでクラツクが入つて
実用的なものは得られなかつた。 (問題点を解決するための手段) 本発明は、上記の問題点を解決するために、如
何にしたら熱膨張差により生ずる応力を吸収させ
ることができるかについて鋭意検討した結果、高
熱伝導材料と接合されるセラミツクとの間に、両
者の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有するスペ
ーサーを介在させることにより、応力歪を緩和
し、かつ反りを少なくすることによりクラツクを
防止することができることを見出した。 又、この際、各基材の厚みを熱膨張差に起因す
る接合部の応力歪による反りを修正することがで
きる程度に厚くすることにより、クラツク発生の
防止を一層確実に達成することができることを見
出した。但しこの厚みについては製品の形状によ
り制限があり、最小限1.0mmが有効である。 (作用) 本願の発明について、以下に図面を参照しつつ
説明する。ANから成る高熱伝導材で形成した
基板(α=5×10-6/℃)とアルミナ(92〜99.5
%)から成るパツケージ枠体(α=7.6〜8.1×
10-6/℃)とを接合するに際して、従来は第2図
に見るように、基板1の下面にメタライズ層2を
設けると共に枠体5の上面にもメタライズ層4を
設けておいて、その間にAg/Cu蝋材3を適用し
て蝋付けしていたが、熱膨張差による反りやクラ
ツクが発生していた。 そこで、本発明に於いては第1図に見るよう
に、基板1の下面にメタライズ層2を設けると共
に枠体5の上面にもメタライズ層4を設けておい
たものの両メタライズ層の間に、ANとA2
O3のそれぞれの熱膨張係数のほぼ中間の値を有
する材料を間挿材6として介在させておいてから
高温蝋材で接合したところ、両者に反りやクラツ
クの発生は認められなかつた。 次に、反りやクラツク等の発生のメカニズムに
ついて検討してみたところ、第3図に示すとおり
であつた。異なる熱膨張係数とα1とα2(α1>α2)
を有する二種類の材料を接合すると、第3図−1
のように高温状態下で接合されたものが、室温に
なるまで温度が下がつて縮んだ結果、α1の材料の
引張り強度が小さい場合には、α1はα2との膨張差
に基づく収縮応力に耐えられなくなつて、第3図
−2に見るようにクラツクが発生し、又、両者が
膨張差に基づく収縮応力に耐えられる強度を有す
る場合には、熱膨張係数の大きいα1側が大きく縮
んで、第3図−3に見るように反りを発生するこ
ととなる。 このような反りとか素地のクラツクの発生を防
止するためには、引張り強度の大きい材料を用い
て熱膨張差による応力歪みをくい止めることがで
きる程度に各基材を厚くしておくか、又は、本発
明のように熱膨張係数がα1とα2とのほぼ中間の値
を有する材料を間挿材として用いて接合して、両
者の膨張差を吸収することにより、反りやクラツ
クの発生を防止することが必要である。 但し接合材(ろう材)としてAg等の展性のあ
る材料を用いた方がよいことは当然である。 ここに各種材料の熱膨張係数αと熱伝導率Kを
表示すれば以下のとおりである。
ICパツケージの半導体素子の搭載部の接合構造
に関し、特にGaAs,Ge,Si等の半導体素子を収
納する放熱能力の大きい超高速用多層基板又は
ICパツケージにおける前記接合構造に関する。 (従来の技術) 近時家電製品から産業機器に至るまで広く半導
体が使用されており、これらの機器に対して小型
軽量(高密度実装)化、高速化、高出力化、高信
頼性化の要請は益々強くなり、用いられる半導体
は高集積化、チツプサイズの増大、マルチモジユ
ール化或いは高出力化の方向に進んでいる。 我々は、先に実開昭61−149336号に示すよう
に、熱放散性が良く、半導体素子との密着性に優
れ、高密度配線に適した超高周波、超高速用ピン
グリツドアレイ(PGA)型ICパツケージ用基板
を開発したが、これはパツケージの半導体搭載部
分にMo,W,SiC,AN等の高熱伝導材料を
用い、他の部分を結晶化ガラスで構成し、蝋付け
又はガラス封着したものであるが、ろう材は
Ai/Sb共晶ろう又はAu/Si共晶ろうを使用して
おり、一層高温ろうで封着されることが望まし
い。その理由は高熱伝導体の上に搭載される半導
体素子は通常Au/Siの如く400℃以上の耐熱ろう
材が用いられる為、パツケージの他の接合部は当
然それ以上の耐熱性を有することが望まれるから
であり、従来アルミナは850℃という高温ろう材
であるAg/Cu共晶ろうを用いて端子部と金具と
を接合し、高い信頼性を得た実績がある。 本発明者等は低誘電率、低温焼成セラミツク多
層基板又はICパツケージの半導体素子を搭載す
るところに高温ろうで接合する方法を鋭意研究し
たが、アルミナと同様な方法でAg/Cu(850℃)
を用いて接合すると高温ろうの固着温度以下での
両者の膨張差によつて、クラツクが入り信頼性に
欠けるものしか得られなかつた。 アルミナセラミツクを半導体素子を搭載すると
ころに用いても、同様にクラツクの発生が避けら
れず、信頼性に欠けるものであつた。 尚、ICパツケージに於いて、内部に半導体素
子を装着するのに接合層を介して接着する部分を
SiC等から成る熱良導体で形成し、残部を結晶化
ガラスで形成したものを焼結して一体化した基板
を用いたものとして、既に特開昭61−168942号に
提示しているが、高温蝋材を用いた接合ではない
ので、一層の改良が求められている。 又、アルミナ、低温焼成セラミツク多層基板又
はICパツケージに於ける半導体素子を搭載する
部分を高熱伝導材料(例えばAN,SiC等)を
用いて形成しておいて、従来の高温蝋材(970〜
1050℃)により蝋付けすると、この両者のいずれ
かに熱膨張差による応力歪みでクラツクが入つて
実用的なものは得られなかつた。 (問題点を解決するための手段) 本発明は、上記の問題点を解決するために、如
何にしたら熱膨張差により生ずる応力を吸収させ
ることができるかについて鋭意検討した結果、高
熱伝導材料と接合されるセラミツクとの間に、両
者の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有するスペ
ーサーを介在させることにより、応力歪を緩和
し、かつ反りを少なくすることによりクラツクを
防止することができることを見出した。 又、この際、各基材の厚みを熱膨張差に起因す
る接合部の応力歪による反りを修正することがで
きる程度に厚くすることにより、クラツク発生の
防止を一層確実に達成することができることを見
出した。但しこの厚みについては製品の形状によ
り制限があり、最小限1.0mmが有効である。 (作用) 本願の発明について、以下に図面を参照しつつ
説明する。ANから成る高熱伝導材で形成した
基板(α=5×10-6/℃)とアルミナ(92〜99.5
%)から成るパツケージ枠体(α=7.6〜8.1×
10-6/℃)とを接合するに際して、従来は第2図
に見るように、基板1の下面にメタライズ層2を
設けると共に枠体5の上面にもメタライズ層4を
設けておいて、その間にAg/Cu蝋材3を適用し
て蝋付けしていたが、熱膨張差による反りやクラ
ツクが発生していた。 そこで、本発明に於いては第1図に見るよう
に、基板1の下面にメタライズ層2を設けると共
に枠体5の上面にもメタライズ層4を設けておい
たものの両メタライズ層の間に、ANとA2
O3のそれぞれの熱膨張係数のほぼ中間の値を有
する材料を間挿材6として介在させておいてから
高温蝋材で接合したところ、両者に反りやクラツ
クの発生は認められなかつた。 次に、反りやクラツク等の発生のメカニズムに
ついて検討してみたところ、第3図に示すとおり
であつた。異なる熱膨張係数とα1とα2(α1>α2)
を有する二種類の材料を接合すると、第3図−1
のように高温状態下で接合されたものが、室温に
なるまで温度が下がつて縮んだ結果、α1の材料の
引張り強度が小さい場合には、α1はα2との膨張差
に基づく収縮応力に耐えられなくなつて、第3図
−2に見るようにクラツクが発生し、又、両者が
膨張差に基づく収縮応力に耐えられる強度を有す
る場合には、熱膨張係数の大きいα1側が大きく縮
んで、第3図−3に見るように反りを発生するこ
ととなる。 このような反りとか素地のクラツクの発生を防
止するためには、引張り強度の大きい材料を用い
て熱膨張差による応力歪みをくい止めることがで
きる程度に各基材を厚くしておくか、又は、本発
明のように熱膨張係数がα1とα2とのほぼ中間の値
を有する材料を間挿材として用いて接合して、両
者の膨張差を吸収することにより、反りやクラツ
クの発生を防止することが必要である。 但し接合材(ろう材)としてAg等の展性のあ
る材料を用いた方がよいことは当然である。 ここに各種材料の熱膨張係数αと熱伝導率Kを
表示すれば以下のとおりである。
【表】
実施例
次に実施例を図面を参照しながら説明する。第
5図は従来のパツケージの一例で、半導体素子1
1を搭載するところは放熱性が高く電気伝導性の
Cu/W12を介して蓋状のCu/W(10:90)13
に接合され、Cu/W13の内側の端部はアルミ
ナパツケージ14にメタライズ層18を介して
Ag/Cuろうでろう付15されている。又同パツ
ケージ14には同じろう材でろう付15により、
42アロイからなるリード16が取付けられてい
る。半導体素子11を搭載したアルミナパツケー
ジ14に蓋部材17を蝋材により気密封着して半
導体装置としたものである。 このような構造では半導体素子ベース下の材料
が重く、絶縁性に乏しいという問題がある。 そこで、半導体素子の搭載部を前記Cu/Wに
代えてAN,SiCを用いて従来と同様な方法に
より接合してみたところ、軽量で絶縁性は良かつ
たが、アルミナパツケージとAN,SiCの両方
にクラツクが発生したので、このクラツクの発生
を防ぐべく鋭意努力した結果生まれたのが本願の
発明である。 第4図に示すものは本発明の一実施例で、半導
体素子11を搭載する部分22aは全体にAN
又はSiCで構成し、これがアルミナパツケージと
接合する面にメタライズ層18を設けると共にア
ルミナパツケージ面にもメタライズ層18を設け
て、Cu/W(10:90)から成る緩衝作用を有する
間挿材23を両接合面間に介在させてAg/Cu蝋
材により蝋付け15したものである。その他の構
成は第5図と同一部分には同一符号で示し説明を
省略してある。 このような構造によるときは反りや貫入、クラ
ツク等は発生しなかつた。 尚、図には示していないが、本発明は、特開昭
61−196599号で開示した結晶化ガラスを用いた多
層回路基板や実開昭61−149336号で開示したピン
グリツドアレイ(PGA)型ICパツケージにも適
用することが可能なことは明らかである。 又、更に高熱伝導部材としてCu(α=17.0)を
用いると共に、パツケージ部材として特開昭59−
092943号に示すようなSiO2−A2O3−MgO−
ZnO−R2O及び又はP2O5(低温低膨張セラミツ
ク、α=2.5)を用い、間挿材としてW程度の熱
膨張率(α=4.5)を有するものを介在させて高
温蝋材で蝋付けすれば、クラツクを発生すること
もなく接合できる。因みにCuの如きものとセラ
ミツクを接合する場合従来はアルミナでは接合で
きても低温焼成基板とは旨く接合できなかつたこ
とと対比すれば本発明が優れていることが判る。 発明の効果 本発明によれば1)半導体素子を搭載するとこ
ろが、高熱伝導性のあるAlN又はSiC等を用いて
接合することが可能となり、2)従来接合時に反
りやクラツク等が発生していた点を接合する両者
の中間の熱膨張係数を有するスペーサー例えば
Cu/W,W等を用いることにより、更には蝋材
として、緩衝材の役目も果たし得るAg等の高温
蝋材を使用することにより、気密性のあるクラツ
クのない接合構造を提供することができる。
5図は従来のパツケージの一例で、半導体素子1
1を搭載するところは放熱性が高く電気伝導性の
Cu/W12を介して蓋状のCu/W(10:90)13
に接合され、Cu/W13の内側の端部はアルミ
ナパツケージ14にメタライズ層18を介して
Ag/Cuろうでろう付15されている。又同パツ
ケージ14には同じろう材でろう付15により、
42アロイからなるリード16が取付けられてい
る。半導体素子11を搭載したアルミナパツケー
ジ14に蓋部材17を蝋材により気密封着して半
導体装置としたものである。 このような構造では半導体素子ベース下の材料
が重く、絶縁性に乏しいという問題がある。 そこで、半導体素子の搭載部を前記Cu/Wに
代えてAN,SiCを用いて従来と同様な方法に
より接合してみたところ、軽量で絶縁性は良かつ
たが、アルミナパツケージとAN,SiCの両方
にクラツクが発生したので、このクラツクの発生
を防ぐべく鋭意努力した結果生まれたのが本願の
発明である。 第4図に示すものは本発明の一実施例で、半導
体素子11を搭載する部分22aは全体にAN
又はSiCで構成し、これがアルミナパツケージと
接合する面にメタライズ層18を設けると共にア
ルミナパツケージ面にもメタライズ層18を設け
て、Cu/W(10:90)から成る緩衝作用を有する
間挿材23を両接合面間に介在させてAg/Cu蝋
材により蝋付け15したものである。その他の構
成は第5図と同一部分には同一符号で示し説明を
省略してある。 このような構造によるときは反りや貫入、クラ
ツク等は発生しなかつた。 尚、図には示していないが、本発明は、特開昭
61−196599号で開示した結晶化ガラスを用いた多
層回路基板や実開昭61−149336号で開示したピン
グリツドアレイ(PGA)型ICパツケージにも適
用することが可能なことは明らかである。 又、更に高熱伝導部材としてCu(α=17.0)を
用いると共に、パツケージ部材として特開昭59−
092943号に示すようなSiO2−A2O3−MgO−
ZnO−R2O及び又はP2O5(低温低膨張セラミツ
ク、α=2.5)を用い、間挿材としてW程度の熱
膨張率(α=4.5)を有するものを介在させて高
温蝋材で蝋付けすれば、クラツクを発生すること
もなく接合できる。因みにCuの如きものとセラ
ミツクを接合する場合従来はアルミナでは接合で
きても低温焼成基板とは旨く接合できなかつたこ
とと対比すれば本発明が優れていることが判る。 発明の効果 本発明によれば1)半導体素子を搭載するとこ
ろが、高熱伝導性のあるAlN又はSiC等を用いて
接合することが可能となり、2)従来接合時に反
りやクラツク等が発生していた点を接合する両者
の中間の熱膨張係数を有するスペーサー例えば
Cu/W,W等を用いることにより、更には蝋材
として、緩衝材の役目も果たし得るAg等の高温
蝋材を使用することにより、気密性のあるクラツ
クのない接合構造を提供することができる。
第1図は本発明の要部の接合構造を示す断面
図、第2図は従来の接合構造の断面図、第3図は
α1>α2の接合部分の変化状態を示す断面図、第4
図は本発明の一例を示す断面図、第5図は従来例
を示す断面図。 1……AlN、2……メタライズ層、3……ろ
う材(Ag/Cu)、4……メタライズ層、5……
アルミナ、6……間挿材、11……半導体素子、
12……Cu/W、13……蓋状のCu/W、14
……アルミナパツケージ、15……ろう付、16
……リード、17……蓋部材、18……メタライ
ズ層、22a,22b……半導体素子を搭載する
部分、22b-1……Cu/Wからなる金属部分、2
2b-2……AlN又はSiCからなるセラミツク部分。
図、第2図は従来の接合構造の断面図、第3図は
α1>α2の接合部分の変化状態を示す断面図、第4
図は本発明の一例を示す断面図、第5図は従来例
を示す断面図。 1……AlN、2……メタライズ層、3……ろ
う材(Ag/Cu)、4……メタライズ層、5……
アルミナ、6……間挿材、11……半導体素子、
12……Cu/W、13……蓋状のCu/W、14
……アルミナパツケージ、15……ろう付、16
……リード、17……蓋部材、18……メタライ
ズ層、22a,22b……半導体素子を搭載する
部分、22b-1……Cu/Wからなる金属部分、2
2b-2……AlN又はSiCからなるセラミツク部分。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 半導体装置用セラミツク多層基板又は、IC
セラミツクパツケージ等に於ける半導体素子搭載
部を、熱伝導率が40W/m・K以上の高熱伝導セ
ラミツク焼結体を用いて構成し、該セラミツク焼
結体と前記基板又はセラミツクパツケージ枠体と
を接合する接合面間に、両接合材の熱膨張係数の
中間の熱膨張係数を有する材料から成る間挿材を
介在させて、高温蝋材により接合して成ることを
特徴とする半導体素子搭載部のセラミツクの接合
構造。 2 高熱伝導セラミツク焼結体として、AN,
SiC,Be0,BNを用いたことを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の半導体装置搭載部のセラ
ミツクの接合構造。 3 半導体装置用セラミツク多層基板又はICセ
ラミツクパツケージが、アルミナ、ムライトその
他の低温焼成セラミツク成形体から成ることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体素子
搭載部のセラミツクの接合構造。 4 高熱伝導セラミツク焼結体が熱膨張差による
応力歪みに抗する厚さを有することを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の半導体素子搭載部の
セラミツクの接合構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13189286A JPS62290158A (ja) | 1986-06-09 | 1986-06-09 | 半導体素子塔載部のセラミツクの接合構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13189286A JPS62290158A (ja) | 1986-06-09 | 1986-06-09 | 半導体素子塔載部のセラミツクの接合構造 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7276502A Division JP2759777B2 (ja) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | 半導体素子搭載部のセラミックの接合構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPS62290158A JPS62290158A (ja) | 1987-12-17 |
JPH0548953B2 true JPH0548953B2 (ja) | 1993-07-22 |
Family
ID=15068590
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP13189286A Granted JPS62290158A (ja) | 1986-06-09 | 1986-06-09 | 半導体素子塔載部のセラミツクの接合構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPS62290158A (ja) |
Families Citing this family (4)
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Citations (5)
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---|---|---|---|---|
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-
1986
- 1986-06-09 JP JP13189286A patent/JPS62290158A/ja active Granted
Patent Citations (5)
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Also Published As
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JPS62290158A (ja) | 1987-12-17 |
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