JPH0569954U

JPH0569954U - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JPH0569954U
Application number: JP982392U
Authority: JP
Inventors: 元秀荒山; 泰宏後藤; 孝男土井; 重亮木里; 剛古野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1993-09-21
Anticipated expiration: 2007-02-28
Also published as: JP2577063Y2

Abstract

(57)【要約】【構成】半導体パッケージ２０を構成するキャップ２１
またはベース２２の少なくとも一方に、凹凸形状やハニ
カム形状などの放熱構造を持った窒化アルミウム質セラ
ミック製フィン１１を接合一体化する。【効果】極めて簡単な工程で櫛形形状のセラミック製放
熱体１０をもった半導体パッケージを製造することがで
き、また研削工程が少ないため、原料の無駄がなく、低
コストで製造できるとともに、放熱体１０を形成するセ
ラミックスの研削性を高くする必要がなく、熱伝導率の
高い材質を用いることができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、半導体素子を収納するためのパッケージに関し、特に空冷機能を持たせるための放熱構造を備えた半導体パッケージに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来より、高速、高密度ＬＳＩなどの半導体パッケージに於いて、チップに発生する熱を逃がし、冷却するための放熱体が用いられていた。例えば、図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、チップを収納した半導体パッケージ２０のキャップ２１に放熱体１０が取り付けられていた。また、図８（Ｃ）に示すように半導体パッケージのキャップ自体を放熱体１０としたものもあった。この放熱体１０は基体１２とフィン１１が一体的に形成された櫛形形状であり、その材質として、従来はアルミニウムなどの金属が用いられていたが、近年は軽量化や、パッケージを構成するセラミックスとの熱膨張率を一致させるために、熱伝導率に優れた窒化アルミニウム質セラミックスが用いられている。

【０００３】このような放熱体１０をセラミックスで形成する場合の製造方法は以下の通りであった。まず、セラミック原料をゴム型に充填してラバープレス成形し、得られた成形体の周囲に切削加工を施してブロック形状とする。次に、このブロック状成形体を焼成した後、図９に示すようにブロック状焼結体３０に対しダイヤモンドカッター３１で複数の溝を研削加工し、さらに外周、下面を研削加工することによって、図７（Ａ）に示すような複数のフィン１１を持った放熱体１０を形成していた。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、上記のような従来の製造方法では、ブロック状の焼結体３０に複数の溝研削加工を施していたため、極めて加工効率の悪いものであった。また、研削加工を施す部分が多いため原料の無駄が多く、コストの高いものであった。

【０００５】さらに、焼結体に研削加工を行うため、放熱体１０を形成する窒化アルミニウム質セラミックスに窒化硼素（ＢＮ）を添加するなどして研削性を高める必要があり、放熱体１０自体の熱伝導率を向上させることに限界があった。しかも、研削加工上、単純なフィン形状としかできず、冷却効果も低いものであった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

上記に鑑みて本考案は、半導体パッケージを構成するセラミック製キャップとセラミック製ベースの少なくとも一方に、凹凸形状やハニカム形状などの放熱構造を持った窒化アルミニウム質セラミック製フィンを接合して一体化したものである。

【０００７】なお、本考案の半導体パッケージは、キャップまたはベースに直接複数のセラミック製フィンを接合一体化したものや、予め複数のフィンを基体に接合一体化したものを、キャップまたはベースに接合したものである。また、接合一体化するとは、それぞれの部材を別々に成形、焼成しておいて接合したものや、別々に成形した部材を同時焼成により一体化することである。

【０００８】さらに、本考案の半導体パッケージは、複数のフィンを接合することで、全体として凹凸形状の放熱構造を有しているが、さらに各々のフィン自体を凹凸形状やハニカム形状として、より放熱性を高めるようにすることもできる。

【０００９】

【実施例】

以下本考案実施例を説明する（従来例と同一部分は同一符号を用いる）。

【００１０】図１（Ａ）に示すように、本考案の半導体パッケージを構成する放熱体１０は、基体１２に複数のフィン１１を接合一体化してなる櫛形（凹凸）形状であり、高熱伝導率の窒化アルミニウム質セラミックスにより形成されている。そして、この放熱体１０を接合した本考案の半導体パッケージを図１（Ｂ）に示すように、キャップ２１、ベース２２、ピン２３からなる半導体パッケージ２０のキャップ２１上に、上記放熱体１０の基体１２を接合することによって、半導体チップに発生する熱を逃がして冷却できるようになっている。

【００１１】また、図１（Ｃ）に他の実施例を示すように、半導体パッケージ２０のキャップ２１に、直接複数のフィン１１を接合一体化することもできる。さらに、図示していないが、ベース２２側にフィン１１を接合一体化してもよい。

【００１２】以下、図１（Ａ）（Ｂ）に示す形状のものを例にして説明する。上記したように本考案の半導体パッケージ２０を構成する放熱体１０は、基体１２とフィン１１をそれぞれ別体として形成し、接合したものであるが、具体的な接合方法は以下の通りである。

【００１３】例えば、図２（Ａ）に示すように、予め基体１２、およびフィン１１をそれぞれセラミックスのプレス成形、テープ成形、押出成形などにより所定の板状に成形し、別々に焼成したものを用意する。そして、基体１２の所定位置に複数のフィン１１を植立させて、メタライズ、半田、ガラスなどを用いて接合すればよい。このとき、フィン１１の位置決めを容易にし、接合強度を高めるために、図２（Ｂ）に示すように基体１２に形成した凹部１２ａ中にフィン１１を挿入固定すれば好適である。また図示していないが、基体１２とフィン１１の接合部に互いに合致する形状の凹凸部を形成しておいて、これらの凹凸部を組み合わせて接合することもできる。

【００１４】さらに、他の接合方法として、基体１２とフィン１１を別体で成形しておいて、同時焼成により接合することもできる。例えば、図３に示すように、複数の凹部１２ａを有する基体１２と、この凹部１２ａに合致する形状のフィン１１をそれぞれ別体としてセラミックスのプレス成形、テープ成形、押出成形などにより成形する。そして、焼成前の生成形体の状態で、上記フィン１１を基体１２の凹部１２ａ中に挿入し、両者の間に成形時のバインダー、または同種のセラミック原料からなるスラリーを介在させておいて、同時に焼成し一体化すればよい。あるいは、焼成時に基体１２側がフィン１１よりも大きく収縮するように原料を調整しておけば、両者間に何も介在させなくても同時に焼成して一体化できる。このように、基体１２とフィン１１を同時焼成で接合すれば、両者間に異なる物質が存在せず、両者の接合界面がなくなるため、基体１２からフィン１１への熱伝達を良くすることができ、冷却効果をより高めることができる。

【００１５】また、他の実施例を図４に示すように、フィン１１を棒状として、基体１２の凹部１２ａに挿入し、両者を同時焼成することもできる。このようにフィン１１を棒状とすれば、放熱面積が大きくなるため、より冷却効果を高くできる。

【００１６】さらに、以上の実施例ではフィン１１の形状として四角形の板状または丸棒状のものを示したが、本考案の放熱体１０ではフィン１１を別体で形成することから、もっと複雑な形状とすることが可能である。たとえば、フィン１１を三角形状としたり、あるいは後述するようにフィン１１を波状などの凹凸形状とすることで放熱性を高めることができる。

【００１７】また、基体１２上でのフィン１１の配置も、規則正しくする必要はなく自由に配置できる。例えば、図５（Ａ）〜（Ｄ）に平面図を示すように、角柱状、丸棒状、板状などのフィン１１を互いに向きを変えたり、異なる形状のものを組み合わせたりすることができる。このようにして各フィン１１の配置を不規則とすることにより、空気などの冷却媒体が乱流となって、より冷却効果を高めることができる。

【００１８】なお、上記のようにして得られた放熱体１０を半導体パッケージ２０のキャップ２１に接合する際にも、上記したようにメタライズ、半田、ガラスなどを用いた接合や、同時焼成によって接合一体化すれば良い。

【００１９】また、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率セラミックスとしては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等さまざまなものがあるが、本考案の放熱体１０を構成する基体１２、フィン１１の材質としては、特に熱伝導率の高い窒化アルミニウム質セラミックスを用いる。さらに、その中でも特にＡｌＮを主成分とし、希土類元素やアルカリ土類元素の酸化物、窒化物、フッ化物などの焼結助剤を含有する窒化アルミニウム質セラミックスが熱伝導率の点で最も優れている。そして、これらの主成分および焼結助剤からなるセラミック原料粉末に所定のバインダーを添加混合した後、上記したようにプレス成形、テープ成形、押出成形などでフィン１１および基体１２の形状に成形し、同時焼成または焼成後に接合することによって、本考案の放熱体１０を得ることができる。

【００２０】なお、以上の実施例では、図１（Ａ）（Ｂ）に示すような、基体１２とフィン１１を接合一体化してなるものについて述べたが、図１（Ｃ）に示すような、半導体パッケージのキャップ２１に直接フィン１１を接合一体化したものであっても同様である。

【００２１】さらに、本考案の他の実施例として、各々のフィン１１自体に凹凸形状やハニカム形状を形成することもできる。例えば、図６に示すセラミック製放熱体１０は、基体１２とフィン１１を一体的に形成したものであって、各フィン１１の側面１１ａに凹凸を形成してあり、この放熱体１０をキャップ２１に接合一体化することによって、本考案の半導体パッケージを構成することができる。このように、フィン１１の側面１１ａに凹凸を形成してあることにより、表面積を大きくでき、放熱性を高められる。

【００２２】また、この凹凸は、図中の矢印方向に向かって直線状に伸びる形状のものであり、このようなセラミック製放熱体１０はプレス成形または押出成形によって、容易に製造することができる。即ち、予めこのような凹凸形状をもった金型を用意しておき、図中の矢印方向に力が加わるようにして、プレス成形または押出成形した後、焼成すれば、図６に示すセラミック製放熱体１０を容易に形成することができる。なお、プレス成形の場合は、上下パンチの加圧面にも凹凸形状を形成しておくことによって、フィン１１の端面にも凹凸を形成することができる。

【００２３】さらに、上記フィン１１の凹凸形状としては、さまざまなものとすることができる。例えば図７（Ａ）に示すように全体的に波状としたもの、図７（Ｂ）に示すように全体的に鋸刃状としたもの、図７（Ｃ）（Ｄ）に示すように板状体に突起部１１ｂを備えた形状のもの、あるいは図７（Ｅ）に示すように中空部１１ｃを備えたハニカム形状のものなどとすることができる。なお、いずれの形状のものであっても、基体１２とフィン１１を一体的にプレス成形または押出成形するためには、図６中の矢印方向に向かって直線状に伸びる形状とする必要がある。

【００２４】また、上記実施例では、基体１２とフィン１１を一体的に形成したものを示したが、図１〜図４に示した実施例のように、基体１２とフィン１１を別体で形成しておいて、互いに接合することもできる。この場合は、フィン１１をプレス成形、押出成形、テープ成形などによる成形、またはこれらの成形後の加工によって凹凸を有する形状とし、別体として成形した基体１２に対し、同時焼成、あるいはメタライズ、半田、ガラスを用いて接合一体化することによって、製造することができる。このように、フィン１１を別体として成形すれば、より複雑な凹凸形状を容易に形成することができる。

【００２５】実験例１ここで、本考案実施例として、図３に示す放熱体を製造した。まず原料として、主成分のＡｌＮと、焼結助剤としてＥｒ₂Ｏ₃とバインダーを添加混合した。次にこの原料を金型に充填してプレス成形し、基体１２および板状のフィン１１を別体で成形した。このようにして得られた生成形体のフィン１１を、基体１２の凹部１２ａ中に挿入し、１７５０℃で同時に焼成して一体化した。最終的な大きさは、外形が３４×３４×２１ｍｍで、各フィンの厚みは１．３ｍｍ、各フィンの隙間は１．３ｍｍとし、フィンの数は１４枚とした。

【００２６】これに対し、比較例として、全く同一形状、同一大きさのセラミック製放熱体を従来の方法で製造した。即ち、上記と同様のセラミック原料に、研削性を高めるために窒化硼素（ＢＮ）を添加し、この原料をラバープレスによりブロック状に成形した後、周囲を切削加工し、焼成した後、溝および外周、下面の切削加工を施し、セラミック製放熱体を得た。

【００２７】これらの本考案実施例および比較例の放熱体１０について、それぞれの製造工程に要する時間、原料ロス、および放熱体１０の熱伝導率を比較したところ、結果は表１に示す通りであった。なお、表１中、加工時間は比較例を１とした時の比であり、また原料ロスは出発原料に対する割合で表した。この表１より明らかなように、本考案実施例は比較例に比べ加工時間が１／１０と短く、しかも原料ロスが１％と極めて少ないことがわかる。さらに、本考案の放熱体１０は、研削性を高めるための添加物を含有していないため、熱伝導率を高くでき、放熱体としての特性を高めることができる。

【００２８】

【表１】

【００２９】実験例２次に、本考案実施例として、図７（Ｂ）に示す凹凸形状のフィン１１を持ったセラミック製放熱体１０を試作した。原料や全体の大きさなどは、上記実験例１と同じとし、各フィン１１の厚みｔは１．５ｍｍ、長さＬは１６ｍｍ、凹凸部の角度αは４５°とした。これに対し、比較例として、同一材料で凹凸を持たないフィン１１からなるセラミック製放熱体１０を試作し、両者の放熱性の比較をした。

【００３０】まず、これらのフィンにおける放熱量（熱損失）ｑは、ｑ＝√（ｈＰｋＡ）・θ₀・ｔａｎｈ（ｍＬ_C）ただしｋ：熱伝達率〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕ｈ：熱伝導率〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕Ａ：断面積〔ｍ²〕Ｐ：フィン周長〔ｍ〕ｍ＝√（ｈＰ／ｋＡ）ｔ：フィン厚み〔ｍ〕Ｌ：フィン長さ〔ｍ〕Ｌ_C＝Ｌ＋ｔ／２Ｔ₀：フィン根本温度〔Ｋ〕Ｔ₁：外部流体温度〔Ｋ〕 θ₀＝Ｔ₀−Ｔ₁ で近似することができる。

【００３１】上記式に、各値を代入すると、比較例の放熱体における放熱量ｑ’は、ｑ’＝１．１７６×１０^-2Ｗであるのに対し、本考案の放熱体における放熱量ｑは、ｑ＝１．６３９×１０^-2Ｗとなり、本考案のセラミック製放熱体は、フィン自体に凹凸を形成してあることによって、放熱性を約１．４倍に向上できることが理論的にわかる。

【００３２】また、実際に上記放熱体を半導体パッケージに取り付けて、放熱性を比較する実験を行ったところ、上記理論式と同様に、本考案実施例の半導体パッケージは優れた放熱特性を示した。

【００３３】

【考案の効果】

このように、本考案によれば、半導体パッケージを構成するセラミック製キャップまたはベースの少なくとも一方に、凹凸形状やハニカム形状などの放熱構造を持った窒化アルミニウム質セラミック製フィンを接合一体化したことによって、極めて簡単な工程で櫛形形状のセラミック製放熱体を製造することができる。また、研削工程が必要ないため、原料の無駄がなく、低コストで製造できるとともに、放熱体を形成するセラミックスの研削性を高くする必要がないことから、熱伝導率の高い材質を用いることができる。

【００３４】また、セラミック製放熱体を構成するフィンに凹凸形状を形成したことによって、表面積を大きくし、より放熱特性を高くすることができる。

【００３５】したがって、優れた特性のセラミック製放熱体を安価に得ることができ、超高速ＬＳＩ等好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本考案の半導体パッケージを構成する
放熱体を示す斜視図、（Ｂ）（Ｃ）は本考案の半導体パ
ッケージを示す側面図である。

【図２】（Ａ）は本考案の半導体パッケージを構成する
放熱体の製造工程を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の
Ｘ−Ｘ線断面図である。

【図３】本考案の他の実施例による放熱体の製造工程を
示す図である。

【図４】本考案の他の実施例による放熱体の製造工程を
示す図である。

【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は本考案の他の実施例による放
熱体を示す平面図である。

【図６】本考案を構成する放熱体の他の実施例を示す斜
視図である。

【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は、本考案を構成する放熱体に
おけるフィン形状のさまざまな実施例を示す図である。

【図８】（Ａ）は従来のセラミック製放熱体を示す斜視
図、（Ｂ）（Ｃ）は従来のセラミック製放熱体を取り付
けた半導体パッケージを示す側面図である。

【図９】従来のセラミック製放熱体の製造方法を示す図
である。

【符号の説明】

１０・・・放熱体１１・・・フィン１１ａ・・側面１１ｂ・・突起部１１ｃ・・中空部１２・・・基体１２ａ・・凹部２０・・・半導体パッケージ２１・・・キャップ２２・・・ベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者木里重亮滋賀県蒲生郡蒲生町川合10番地の１京セラ株式会社滋賀蒲生工場内 (72)考案者古野剛滋賀県蒲生郡蒲生町川合10番地の１京セラ株式会社滋賀蒲生工場内

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】半導体パッケージを構成するセラミック製
キャップとセラミック製ベースの少なくとも一方に、凹
凸形状、ハニカム形状などの放熱構造を持った窒化アル
ミニウム質セラミック製フィンを接合一体化してなる半
導体パッケージ。