JPH07122678A - Semiconductor ceramic package - Google Patents

Semiconductor ceramic package

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JPH07122678A
JPH07122678A JP5287697A JP28769793A JPH07122678A JP H07122678 A JPH07122678 A JP H07122678A JP 5287697 A JP5287697 A JP 5287697A JP 28769793 A JP28769793 A JP 28769793A JP H07122678 A JPH07122678 A JP H07122678A
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JP
Japan
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thin film
semiconductor
container body
semiconductor ceramic
semiconductor element
Prior art date
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Application number
JP5287697A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanori Kito
正典 鬼頭
Kazuhisa Sato
和久 佐藤
Kazuo Kimura
賀津雄 木村
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To operate a semiconductor element under stabilized operational environment by transmitting heat generated from a semiconductor element, e.g. a power transistor, quickly to a package board thence dissipating to the outside of the semiconductor ceramic package body. CONSTITUTION:A thin metal film MF comprising two layers of a thin titanium film 11 and a thin molybdenum film 12 is deposited by sputtering on the surface 10a and the rear 10b of a package board 10 made of aluminium nitride and nickel plating layers 15, 19 are formed on the thin metal film MF as underlying plating layers. A lead 14 is connected with the nickel plating layer 15 on the surface 10a and a nickel underlying gold plating layer 16 is formed thereon before a semiconductor element SC is bonded. A heat sink 18 is bonded to the nickel plating layer 19 on the rear 10b.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、パワートランジスタ等
の半導体素子が収容される半導体容器本体に関し、更に
詳細には、窒化アルミニウム等の熱伝導率の高いセラミ
ック材料から成る容器基板とその上に搭載される発熱量
の多いパワートランジスタ等の半導体素子との接合面に
おける熱伝導率を高めた半導体セラミック容器本体に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor container body in which a semiconductor element such as a power transistor is housed, and more specifically, a container substrate made of a ceramic material having a high thermal conductivity such as aluminum nitride and the like. The present invention relates to a semiconductor ceramic container body having a high thermal conductivity at a joint surface with a semiconductor element such as a power transistor which has a large heat generation amount.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、半導体セラミック容器本体に
収容される半導体素子が駆動される際に抵抗熱を発する
ことは知られており、かかる抵抗熱が半導体セラミック
容器本体内部に蓄積されると半導体素子の特性を低下さ
せるに留まらず、半導体素子内部回路を破壊する虞があ
る。これらの現象は、特に高い抵抗熱を発するパワート
ランジスタ等の半導体素子において顕著に見受けられ、
これらを収容する半導体セラミック容器本体には、他の
半導体素子を収容する半導体セラミック容器本体と比較
してより迅速に抵抗熱をセラミック容器本体外へ放出す
ることが要求される。
2. Description of the Related Art Conventionally, it has been known that a semiconductor element housed in a semiconductor ceramic container body emits resistance heat when driven, and if such resistance heat is accumulated inside the semiconductor ceramic container body, In addition to deteriorating the characteristics of the element, the internal circuit of the semiconductor element may be destroyed. These phenomena are particularly noticeable in semiconductor elements such as power transistors that generate high resistance heat,
The semiconductor ceramic container body that accommodates these is required to release resistance heat to the outside of the ceramic container body more quickly than the semiconductor ceramic container body that accommodates other semiconductor elements.

【0003】かかる要求に対応するため、半導体セラミ
ック容器本体の熱伝導率を高めることが行われており、
半導体セラミック容器本体の材料にセラミックとしては
特に高い熱伝導率を有する酸化ベリリウム(BeO、2
60W/mK)が用いられてきた。
In order to meet such requirements, it has been attempted to increase the thermal conductivity of the semiconductor ceramic container body.
Beryllium oxide (BeO, 2), which has a particularly high thermal conductivity, is used as the material of the semiconductor ceramic container body.
60 W / mK) has been used.

【0004】ところで、この酸化ベリリウムは有毒であ
り、生産量も少なく高価であるため無毒で熱伝導率が高
く、安価な半導体セラミック容器基板の材料が望まれて
いる。ここに、酸化ベリリウムと比較すれば熱伝導特性
は劣るものの、良好な熱伝導特性を示すものに窒化アル
ミニウム(AlN、180W/mK)がある。この窒化
アルミニウムは、無毒であり、比較的安価であるため酸
化ベリリウムの代替材料として適していると考えられ
る。
By the way, since beryllium oxide is toxic, its production amount is small and it is expensive, a material of a semiconductor ceramic container substrate which is non-toxic, has high thermal conductivity and is inexpensive is desired. Here, aluminum nitride (AlN, 180 W / mK) is one that shows good heat conduction characteristics, although it has poor heat conduction characteristics as compared with beryllium oxide. This aluminum nitride is considered to be suitable as a substitute material for beryllium oxide because it is non-toxic and relatively inexpensive.

【0005】しかし、卓越した熱伝導率を有する酸化ベ
リリウムを完全に代替することは難しく、上記のような
特に高い熱伝導特性を必要とするパワートランジスタ用
等の半導体セラミック容器基板には、依然として酸化ベ
リリウムが使用されていた。半導体セラミック容器本体
と半導体素子とは、Au−Ge、Au−Si等の金系ロ
ウ材を用いたロウ付けにより互いに接合されるのである
が、セラミック容器本体に対して金属成分からなるロウ
材を用いて直接半導体素子を接合することは困難である
ことから、一般に、半導体接合部には金属被膜形成処理
として厚膜メタライズが施され、ロウ材との接合性の向
上を図っている。
However, it is difficult to completely replace beryllium oxide having excellent thermal conductivity, and the above-mentioned semiconductor ceramic container substrate for a power transistor which requires particularly high thermal conductivity is still oxidized. Beryllium was used. The semiconductor ceramic container body and the semiconductor element are joined to each other by brazing using a gold-based brazing material such as Au-Ge or Au-Si. Since it is difficult to directly bond a semiconductor element by using it, a thick film metallization is generally applied to a semiconductor bonding portion as a metal film forming treatment to improve the bonding property with a brazing material.

【0006】この厚膜メタライズは、半導体セラミック
容器本体の表面上にシルクスクリーン等により金属ペー
ストを印刷し、これを炉に入れて焼付け処理を行うこと
により得られるものである。詳述すれば焼付け処理の際
に金属ペーストに含有されるガラス成分が、半導体セラ
ミック容器本体を形成するセラミック材料に含浸される
ことにより金属被膜が半導体セラミック容器本体の表面
上に溶着されて厚膜メタライズ層が形成されるのであ
る。
This thick film metallization is obtained by printing a metal paste on the surface of the semiconductor ceramic container body by a silk screen or the like, and placing it in a furnace for baking. More specifically, when the glass component contained in the metal paste during the baking process is impregnated into the ceramic material forming the semiconductor ceramic container body, the metal coating is deposited on the surface of the semiconductor ceramic container body to form a thick film. The metallized layer is formed.

【0007】このようにして設けられる厚膜メタライズ
層は、厚さ10μm程度の被膜形状のものであり、その
組成材料としては、金属成分としてタングステン
(W)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)等を中
心とする高融点金属が用いられ、また焼結助材として酸
化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(Mg
O)、二酸化ケイ素(SiO2)等のガラス成分が用い
られている。そして、かかる厚膜メタライズ層上にロウ
付性向上等のためNi及びAuメッキを施し、半導体素
子固着部としていた。
The thick metallized layer thus provided is in the form of a film having a thickness of about 10 μm, and its composition material includes tungsten (W), molybdenum (Mo) and manganese (Mn) as metal components. A refractory metal mainly composed of, for example, is used, and calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (Mg) are used as sintering aids.
Glass components such as O) and silicon dioxide (SiO 2 ) are used. Then, Ni and Au plating was applied on the thick metallized layer to improve the brazability, etc., to form a semiconductor element fixing portion.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、厚膜メ
タライズにより半導体素子接合部が形成された半導体セ
ラミック容器本体には、セラミックにいかに高い熱伝導
率を有する材料を用いて容器本体を形成したとしても、
その表面に施される厚膜メタライズ層において迅速な熱
伝導が妨げられていたため結果として半導体セラミック
容器本体内の抵抗熱を大気中に迅速に放出できないとい
う問題があった。
However, in a semiconductor ceramic container body in which a semiconductor element junction is formed by thick film metallization, no matter how the ceramic has a high thermal conductivity, the container body may be formed. ,
Since the rapid heat conduction was hindered in the thick film metallized layer applied to the surface, there was a problem that the resistance heat in the semiconductor ceramic container body could not be rapidly released into the atmosphere.

【0009】厚膜メタライズ層において熱伝導速度が遅
くなる理由は、含有されるガラス成分の熱伝導率が低い
ことにあり、さらに膜厚が厚いことからガラス成分の熱
伝導率の低さが厚膜メタライズ層における熱伝導性の悪
さに大きく影響してしまうところにある。従って、ガラ
ス成分を含有しない金属ペーストを用いればこの問題は
解決されるように思われるが、金属ペーストには焼付け
の際に焼結助材として機能し、半導体セラミック容器本
体との接合性を高めるガラス成分の含有が必要不可欠で
ある。従って、本来、半導体セラミック容器本体に用い
た材料が有している高い熱伝導特性が活用できない。
The reason why the heat conduction rate becomes slow in the thick film metallized layer is that the contained glass component has a low heat conductivity. Further, since the film thickness is large, the low heat conductivity of the glass component is large. This is where the poor thermal conductivity of the film metallization layer is greatly affected. Therefore, it seems that this problem can be solved by using a metal paste containing no glass component, but the metal paste functions as a sintering aid during baking and enhances the bondability with the semiconductor ceramic container body. The inclusion of glass components is essential. Therefore, originally, the high thermal conductivity characteristic of the material used for the semiconductor ceramic container body cannot be utilized.

【0010】すなわち、パワートランジスタ等の半導体
素子が駆動されることにより発生した抵抗熱は、Au、
Niメッキ層を通じ厚膜メタライズ層に伝導され、厚膜
メタライズ層から半導体セラミック容器本体に熱伝導さ
れる。従って、厚膜メタライズ層の熱伝導率が半導体セ
ラミック容器本体の熱伝導率を下回る場合には、厚膜メ
タライズ層の熱伝導率が全体の熱伝導の速度を左右する
律速要因となり、厚膜メタライズ層の熱伝導性が高めら
れるかこれに代わるメタライズ層が半導体セラミック容
器本体表面に施されない限り半導体セラミック容器本体
に如何に高い熱伝導率を有する材料を用いたとしてもこ
れを有効に活用できないこととなる。
That is, resistance heat generated by driving a semiconductor element such as a power transistor is Au,
It is conducted to the thick film metallized layer through the Ni plating layer, and is thermally conducted from the thick film metallized layer to the semiconductor ceramic container body. Therefore, when the thermal conductivity of the thick film metallized layer is lower than that of the semiconductor ceramic container body, the thermal conductivity of the thick film metallized layer is a rate-determining factor that influences the speed of overall heat conduction, and the thick film metallized layer The thermal conductivity of the layer should be enhanced or the metallized layer should not be used effectively even if a material with high thermal conductivity is used for the body of the semiconductor ceramic container unless a metallized layer is applied to the surface of the body of the semiconductor ceramic container. Becomes

【0011】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、その目的とするところは、熱伝
導性に優れる窒化アルミニウム等のセラミック材料から
なる容器基板とその上に搭載されるパワートランジスタ
等の半導体素子との接合面における伝熱速度を高くして
半導体素子を駆動することにより発生する抵抗熱を容器
基板へ迅速に伝導し容器基板から大気中に速やかに放出
させることにある。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to mount a container substrate made of a ceramic material such as aluminum nitride having excellent thermal conductivity on the container substrate. In order to quickly transfer the resistance heat generated by driving the semiconductor element by increasing the heat transfer rate at the junction surface with the semiconductor element such as a power transistor to the container substrate and quickly releasing it from the container substrate to the atmosphere. is there.

【0012】また、半導体素子を安定した熱環境の下で
作動させることにより恒久的使用を達成することをも目
的とする。また、これにより本発明を窒化アルミニウム
製の半導体セラミック容器基板に適用することにより、
酸化ベリリウム製容器本体からの代替することをも目的
とする。
It is also an object to achieve permanent use by operating the semiconductor device under a stable thermal environment. Further, by applying the present invention to the semiconductor ceramic container substrate made of aluminum nitride by this,
It is also intended to replace the beryllium oxide container body.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係る半導体セラミック容器本体は、良熱伝
導性セラミックからなる容器基板と、その容器基板の1
主面上の半導体素子固着部に形成された第1の金属薄膜
層とからなることを要旨とし、また前記容器基板の1主
面の裏面には第2の金属薄膜層を有しても良く、第1、
第2の金属薄膜層上にはメッキ層を形成することが望ま
しい。
In order to achieve this object, a semiconductor ceramic container body according to the present invention comprises a container substrate made of a good heat conductive ceramic, and a container substrate.
It is characterized in that it comprises a first metal thin film layer formed on a semiconductor element fixing portion on the main surface, and may have a second metal thin film layer on the back surface of one main surface of the container substrate. , First,
It is desirable to form a plating layer on the second metal thin film layer.

【0014】ここで、前記第1及び第2の金属薄膜層
は、スパッタリングにより形成されたチタン薄膜層とそ
のチタン薄膜層上にスパッタリングにより形成されたモ
リブデン薄膜層とからなることが望ましい。また、前記
良熱伝導性セラミックは、150W/mK以上の熱伝導
率を有するセラミックであることが望ましく、窒化アル
ミニウムまたは酸化ベリリウムであることが望ましい。
Here, it is preferable that the first and second metal thin film layers include a titanium thin film layer formed by sputtering and a molybdenum thin film layer formed by sputtering on the titanium thin film layer. Also, the good thermal conductive ceramic is preferably a ceramic having a thermal conductivity of 150 W / mK or more, and is preferably aluminum nitride or beryllium oxide.

【0015】[0015]

【作用】上記の構成を備える本発明に係る半導体セラミ
ック容器本体によれば、容器基板の表面には、チタン、
モリブデン等の金属薄膜が形成されているので、その容
器基板の上に搭載される半導体素子が駆動されることに
より発生した抵抗熱は、半導体素子から金属薄膜を介し
て速やかに容器基板に伝導される。
According to the semiconductor ceramic container body of the present invention having the above-mentioned structure, titanium is formed on the surface of the container substrate.
Since a metal thin film such as molybdenum is formed, the resistance heat generated by driving the semiconductor element mounted on the container substrate is quickly conducted from the semiconductor element to the container substrate through the metal thin film. It

【0016】そして、その容器基板は、熱伝導率が高く
放熱性に優れる窒化アルミニウム等のセラミック材料か
ら形成されているので、金属薄膜を介して容器基板に伝
導された抵抗熱は直ちに半導体セラミック容器本体の大
気接触面(裏面)から大気中に放熱される。さらに、半
導体セラミック容器本体の裏面にヒートシンクを接合し
ておけば、半導体セラミック容器本体に伝導された抵抗
熱は極めて迅速にヒートシンクへと移動し、ヒートシン
ク内部を伝導してその大気接触面から大気中へ放熱され
る。
Since the container substrate is made of a ceramic material such as aluminum nitride having a high thermal conductivity and an excellent heat dissipation property, the resistance heat conducted to the container substrate through the metal thin film is immediately transferred to the semiconductor ceramic container. Heat is dissipated into the atmosphere from the atmosphere contact surface (back surface) of the main body. Furthermore, if a heat sink is bonded to the back surface of the semiconductor ceramic container body, the resistance heat conducted to the semiconductor ceramic container body moves to the heat sink very quickly, and is conducted inside the heat sink to the atmosphere from the atmosphere contact surface. Is radiated to.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例について図
面を参照にしつつ説明する。図1は、本実施例に係るパ
ワートランジスタ搭載用の半導体セラミック容器本体の
概略的構造を示している。図示されるように、この半導
体セラミック容器本体Pは、窒化アルミニウム(Al
N)材料製の容器基板10の表面10a(ここには、パ
ワートランジスタのような半導体素子が搭載される。)
及び裏面10b(ここには、ヒートシンクが接合され
る。)にそれぞれチタン(Ti)薄膜層11とモリブデ
ン(Mo)薄膜層12の金属薄膜MFが形成されてい
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic structure of a semiconductor ceramic container body for mounting a power transistor according to this embodiment. As shown, the semiconductor ceramic container body P is made of aluminum nitride (Al
N) Surface 10a of container substrate 10 made of material (here, a semiconductor element such as a power transistor is mounted).
The metal thin films MF of the titanium (Ti) thin film layer 11 and the molybdenum (Mo) thin film layer 12 are formed on the back surface 10b and the back surface 10b (herein, the heat sink is joined).

【0018】そして、このセラミック容器基板10の表
面10aには、下地メッキ層としてニッケル(Ni)メ
ッキ層15が形成され、その上に半導体素子SCと外部
電気回路(図示せず)とを電気的に接続するためのリー
ド14が銀ロウ材等によるロウ付によって接合されてい
る。そして、回路の耐腐食性を向上し、半導体素子SC
の実装性を高めるためにニッケル下地金(Au)メッキ
層16が形成されている。このニッケル下地金メッキ層
16の上には、半導体素子SCが金−シリコンロウ材に
よりロウ付されており、さらに半導体セラミック容器本
体P表面全体を密封するためキャップ17がエポキシ系
接着剤等により接合されている。
A nickel (Ni) plating layer 15 is formed as a base plating layer on the surface 10a of the ceramic container substrate 10, and the semiconductor element SC and an external electric circuit (not shown) are electrically connected to the nickel (Ni) plating layer 15. The lead 14 for connecting to the above is joined by brazing with a silver brazing material or the like. Then, by improving the corrosion resistance of the circuit, the semiconductor element SC
A nickel underlayer gold (Au) plating layer 16 is formed in order to enhance the mountability. A semiconductor element SC is brazed by a gold-silicon brazing material on the nickel-base gold plating layer 16, and a cap 17 is joined by an epoxy adhesive or the like to seal the entire surface of the semiconductor ceramic container body P. ing.

【0019】一方、セラミック容器基板10の裏面10
bには、この半導体セラミック容器本体P搭載される半
導体素子SCの駆動により発生する抵抗熱の放熱部材と
して機能するヒートシンク18との接合性を高めるため
やはりニッケルメッキ層19が形成され、銀ロウ材等に
よるロウ付によって銅(Cu)材料によるヒートシンク
18が接合されている。
On the other hand, the back surface 10 of the ceramic container substrate 10
In b, a nickel plating layer 19 is also formed in order to enhance the bondability with the heat sink 18 that functions as a heat dissipation member for resistance heat generated by the driving of the semiconductor element SC mounted on the semiconductor ceramic container body P. The heat sink 18 made of a copper (Cu) material is joined to the heat sink 18 by brazing.

【0020】次に、本実施例に係るパワートランジスタ
搭載用セラミックパッケージの製造方法について図2
(a)〜(f)を参照して説明する。まず、図2(a)
に示すように窒化アルミニウムを原材料として所望の形
状に容器基板20を形成し、続いて図2(b)に示すよ
うに容器基板20の表面(半導体素子実装面)20aと
裏面20bに金属薄膜MFを形成するのであるが、金属
薄膜MFの形成に用いる薄膜材料には焼結助材であるガ
ラス成分は含有されておらず、通常の厚膜形成に用いら
れるスクリーン印刷、焼付けといった一連の方法によっ
ては金属薄膜を容器基板20の表面20a、裏面20b
上に形成することはできない。
Next, a method of manufacturing a ceramic package for mounting a power transistor according to this embodiment will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to (a) to (f). First, FIG. 2 (a)
As shown in FIG. 2, a container substrate 20 is formed into a desired shape using aluminum nitride as a raw material, and subsequently, as shown in FIG. 2B, a metal thin film MF is formed on the front surface (semiconductor element mounting surface) 20a and the rear surface 20b of the container substrate 20. However, the thin film material used for forming the metal thin film MF does not contain a glass component which is a sintering aid, and it is formed by a series of methods such as screen printing and baking used for forming a normal thick film. Is a metal thin film on the front surface 20a and the rear surface 20b of the container substrate 20
Cannot be formed on.

【0021】従って、スパッタリング法、CVD(化学
的気相成長)法等の物理的、化学的蒸着による薄膜形成
方法を用いて薄膜材料の原子、分子を容器基板の表面上
に被着させることや無電解メッキにより金属薄膜を形成
してやる必要があり、本実施例においては、スパッタリ
ングにより金属薄膜を蒸着形成した。
Therefore, it is possible to deposit the atoms and molecules of the thin film material on the surface of the container substrate by using a thin film forming method by physical or chemical vapor deposition such as a sputtering method or a CVD (chemical vapor deposition) method. It is necessary to form the metal thin film by electroless plating, and in this embodiment, the metal thin film was deposited by sputtering.

【0022】本実施例においては、ターゲットにチタン
材あるいはモリブデン材を用いて、まず容器基板20の
表面20a及び裏面20bに金属薄膜MFとしてチタン
薄膜21を形成し、その上にモリブデン薄膜22を形成
した。このとき形成される金属薄膜MFのうち、容器基
板20の表面20aに形成される金属薄膜MFには、図
2(c)に示すようにトランジスタのベース、エミッ
タ、コレクタの各電極を絶縁して各リードと接合するた
めにパターニングが施されており、絶縁部分23を境界
として3つの導電部分24が形成されている。一方、容
器基板20の裏面20bには、ヒートシンク25が接合
されるだけなので金属薄膜MFは全面に形成されてい
る。
In the present embodiment, a titanium material or a molybdenum material is used as a target, first, a titanium thin film 21 is formed as a metal thin film MF on the front surface 20a and the rear surface 20b of the container substrate 20, and a molybdenum thin film 22 is formed thereon. did. Of the metal thin film MF formed at this time, the metal thin film MF formed on the surface 20a of the container substrate 20 has the base, emitter, and collector electrodes of the transistor insulated as shown in FIG. 2C. Patterning is performed to join the leads, and three conductive portions 24 are formed with the insulating portion 23 as a boundary. On the other hand, since the heat sink 25 is only bonded to the back surface 20b of the container substrate 20, the metal thin film MF is formed on the entire surface.

【0023】このように金属薄膜MFが形成された容器
基板20には、図2(d)に示すように銀ロウ材による
ロウ付け時の密着性を向上するため表裏面共に下地メッ
キ処理としてニッケルメッキ層26を形成し、図2
(e)に示すように、そのニッケルメッキ層26の上に
3つのリード27を銀ロウ材によって接合し、更に容器
基板20の表面20aには、半導体素子SCを実装する
ため及び基板上に形成された回路の耐腐食性を向上させ
るためにニッケル下地金メッキ層28が形成される。
The container substrate 20 on which the metal thin film MF has been formed in this way has nickel as a base plating treatment on both the front and back surfaces in order to improve adhesion when brazing with a silver brazing material, as shown in FIG. 2D. The plating layer 26 is formed, and as shown in FIG.
As shown in (e), three leads 27 are bonded on the nickel plating layer 26 by a silver brazing material, and further formed on the surface 20a of the container substrate 20 for mounting the semiconductor element SC and on the substrate. A nickel-underlying gold plating layer 28 is formed to improve the corrosion resistance of the formed circuit.

【0024】このニッケル下地金メッキ層28は、ニッ
ケルメッキ、金メッキ共電気メッキ法により形成される
ので容器基板20においてパターニングにより窒化アル
ミニウムが露出している絶縁部分23には金メッキ層2
8を構成せず絶縁が保持される。
Since this nickel-base gold plating layer 28 is formed by nickel plating and gold plating co-electroplating, the gold plating layer 2 is formed on the insulating portion 23 of the container substrate 20 where aluminum nitride is exposed by patterning.
Insulation is retained without configuring 8.

【0025】以上により半導体セラミック容器本体の製
造は終了するが、図2(f)に示すように、容器基板2
0の裏面20bにより放熱性を高めるためにヒートシン
ク25を銀ロウ材によって接合することが多い。このと
き用いられるヒートシンク25の材料は、極めて高い熱
伝導率を有する銅が多く用いられる。
Although the manufacturing of the semiconductor ceramic container body is completed as described above, as shown in FIG.
The heat sink 25 is often joined by a silver brazing material in order to improve the heat dissipation by the back surface 20b of 0. As the material of the heat sink 25 used at this time, copper having an extremely high thermal conductivity is often used.

【0026】また、半導体素子SCの実装は、客先で行
われ、シリコンからなる半導体素子SCを接合する際に
は金−シリコンロウ材を用いて接合が行われる。半導体
素子SCの実装が終了すると、エポキシ系の接着剤を用
いてキャップ29がかぶせられて装置に組み込まれる。
The semiconductor element SC is mounted by the customer, and when the semiconductor element SC made of silicon is joined, the joining is performed by using a gold-silicon brazing material. When the mounting of the semiconductor element SC is completed, the cap 29 is covered with an epoxy adhesive and incorporated into the device.

【0027】続いて、薄膜金属層と厚膜メタライズ層に
よる熱伝達係数の違いを知るため窒化アルミニウム製半
導体セラミック容器本体に金属薄膜層を設けた本発明品
と、モリブデン厚膜メタライズ層を設けた従来品との熱
伝達係数を測定した。本測定は、以下に説明するレーザ
フラッシュ法により行った。レーザフラッシュ法は、熱
伝導測定方法の1つで、セラミック、複合材料等の広範
な熱伝導材料に適用可能な熱三定数(熱拡散率、比熱容
量、熱伝導率)の測定方法であり、赤外線被接触温度セ
ンサを用いることにより迅速かつ試料に熱伝対を付加す
ることなく測定可能であるという特徴を有する。
Subsequently, in order to know the difference in heat transfer coefficient between the thin film metal layer and the thick film metallized layer, the present invention product in which a metal thin film layer was provided on the aluminum nitride semiconductor ceramic container body and the molybdenum thick film metallized layer were provided. The heat transfer coefficient with the conventional product was measured. This measurement was performed by the laser flash method described below. The laser flash method is one of the thermal conductivity measurement methods, and is a method of measuring thermal three constants (thermal diffusivity, specific heat capacity, thermal conductivity) applicable to a wide range of thermal conductive materials such as ceramics and composite materials. The use of the infrared contact temperature sensor has a feature that it can be measured quickly and without adding a thermocouple to the sample.

【0028】その測定は、窒化アルミニウムから形成さ
れる容器基板の両面に金属薄膜層または厚膜メタライズ
層の形成された試料の片面からレーザフラッシュ光を照
射して試料表面に瞬間的に熱を与え、板状試料内部を伝
導し試料の他面に伝導される熱量変化(実際には温度変
化)を非接触赤外線センサを用いて一定時間連続測定す
るものである。このようにして測定した結果得られたデ
ータをグラフ上にプロットすれば試料裏面における温度
覆歴曲線が得られる。そして、このグラフから得られる
温度覆歴曲線におけるΔTmaxの1/2に達する時間t
1/2(s)を用いて一次元熱拡散率αが次式から求めら
れる。 α=1.37×L2/t1/2(cm2/s)・・・(1)
The measurement is carried out by irradiating the surface of the sample with laser flash light from one side of the sample in which the metal thin film layer or the thick metallized layer is formed on both sides of the container substrate made of aluminum nitride. The thermal quantity change (actually temperature change) conducted inside the plate sample and to the other surface of the sample is continuously measured for a certain period of time using a non-contact infrared sensor. By plotting the data obtained as a result of the measurement in this way on the graph, the temperature history curve on the back surface of the sample can be obtained. Then, the time t to reach 1/2 of ΔT max in the temperature history curve obtained from this graph
The one-dimensional thermal diffusivity α is obtained from the following equation using 1/2 (s). α = 1.37 × L 2 / t 1/2 (cm 2 / s) (1)

【0029】次に、比熱容量Cpは温度覆歴曲線のΔT
maxを用いて次式から求められる。 Cp=Q/D・L・ΔTmax(J/g.K)・・・(2) 以上の(1)、(2)式から得られたα、Cpを用いて
熱伝導率(K)は、次式から求められる。 K=α・Cp・D(W/cm.K)・・・(3) 以上の式において、L:試料厚さ(cm)、Q:試料単
位表面積当りに吸収された熱エネルギー(J/c
2)、D:試料の密度(g/cm3)である。
Next, the specific heat capacity Cp is ΔT of the temperature history curve.
It is calculated from the following formula using max . Cp = Q / D · L · ΔT max (J / g.K) (2) The thermal conductivity (K) is calculated by using α and Cp obtained from the above equations (1) and (2). , Is calculated from the following equation. K = α · Cp · D (W / cm.K) (3) In the above equation, L: sample thickness (cm), Q: heat energy absorbed per unit surface area of the sample (J / c)
m 2 ), D: Density (g / cm 3 ) of the sample.

【0030】このようにして得られた熱伝導率と空気の
熱伝導率等から熱伝達係数が算出される。本測定には、
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム製半導体セラミ
ック容器本体板表面に厚さ0.2μmのチタン薄膜と厚
さ0.5μmのモリブデン薄膜の合計0.7μmの2層
薄膜がスパッタリングにより蒸着形成されてなる本発明
品と、窒化アルミニウム製半導体セラミックパッケージ
板表面に厚さ10μmのモリブデン−マンガンの厚膜メ
タライズが施されてなる従来品とを用い、更に熱伝達係
数は、試料表面における大気接触面の形状に大きく影響
を受けるので、両試料の表面状態を同一にすべく各々の
試料表面にはニッケルメッキが施してある。なお、本測
定は異なる5つのセラミックパッケージについて行っ
た。表1に本測定により得られた測定結果を示す。
The heat transfer coefficient is calculated from the heat conductivity thus obtained and the heat conductivity of air. For this measurement,
A two-layer thin film of 0.7 μm in total including a 0.2 μm thick titanium thin film and a 0.5 μm thick molybdenum thin film is formed on the surface of a 0.635 mm thick aluminum nitride semiconductor ceramic container body plate by sputtering. The product of the present invention and a conventional product obtained by subjecting a surface of an aluminum nitride semiconductor ceramic package plate to a thick film of molybdenum-manganese having a thickness of 10 μm were used. The surface of each sample is nickel-plated so that the surface conditions of both samples are the same. Note that this measurement was performed on five different ceramic packages. Table 1 shows the measurement results obtained by this measurement.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】表に示すように、金属薄膜層が設けられた
本発明品は、熱伝達係数の最低値として0.7208
(cm2/s)、最高値として0.7416(cm2
s)、平均値として0.7280(cm2/s) の測定
値が得られ、一方、モリブデン−マンガンの厚膜メタラ
イズが施された従来品は、熱伝達係数の最低値として
0.6724(cm2/s)、最高値として0.705
8(cm2/s)、平均値として0.6871(cm2
s)の測定値が得られた。
As shown in the table, the product of the present invention provided with the metal thin film layer has a minimum heat transfer coefficient of 0.7208.
(Cm 2 / s), as the highest value 0.7416 (cm 2 /
s), a measured value of 0.7280 (cm 2 / s) as an average value was obtained, while the conventional product subjected to thick film metallization of molybdenum-manganese had a minimum value of 0.6724 (coefficient of heat transfer). cm 2 / s), the highest value is 0.705
8 (cm 2 / s), the average value is 0.6871 (cm 2 / s)
The measured value of s) was obtained.

【0033】この測定値から分かるように、金属薄膜層
が蒸着形成された本発明品は従来品と比較して熱伝達係
数が約1割程向上している。ここで、本発明品と従来品
との相違は半導体セラミック容器本体表面に形成される
メタライズ層の膜厚及びその成分のみである。従って、
従来品における熱伝導の律速段階は、厚膜メタライズ層
における伝熱速度にあったことが分かり、これを金属薄
膜層に置き換えることにより伝熱速度が高められ、かか
る問題は解消されたことが確認された。
As can be seen from the measured values, the heat transfer coefficient of the product of the present invention having the metal thin film layer formed by vapor deposition is improved by about 10% as compared with the conventional product. Here, the difference between the present invention product and the conventional product is only the film thickness of the metallized layer formed on the surface of the semiconductor ceramic container body and its components. Therefore,
It was confirmed that the rate-determining step of heat conduction in the conventional product was the heat transfer rate in the thick film metallized layer, and by replacing this with a metal thin film layer, the heat transfer rate was increased, and it was confirmed that this problem was solved. Was done.

【0034】次に、実際にパワートランジスタを本発明
品、従来品に載置した場合を想定し熱抵抗値を測定し
た。本測定には、窒化アルミニウム製セラミックパッケ
ージ本体の表裏面にチタン薄膜及びモリブデン薄膜の2
層からなる金属薄膜がスパッタ形成され、Ni、Auメ
ッキされたものの表面に、パワートランジスタの代わり
にサーマルチップが接合され、その裏面には銅製ヒート
シンクが接合された構成を備える本発明品と、窒化アル
ミニウム製セラミックパッケージ本体の表裏面にモリブ
デン−マンガン厚膜メタライズが形成され、Ni、Au
メッキされたものの表面に、パワートランジスタの代わ
りにサーマルチップが接合され、その裏面には銅製ヒー
トシンクが接合された構成を備える従来品とを測定試料
として用いた。
Next, the thermal resistance value was measured assuming that the power transistor was actually mounted on the product of the present invention and the conventional product. For this measurement, two layers of titanium thin film and molybdenum thin film were prepared on the front and back of the aluminum nitride ceramic package body.
A metal thin film consisting of a layer is sputtered and plated with Ni or Au, a thermal chip is bonded to the surface instead of the power transistor, and a copper heat sink is bonded to the back surface thereof; A molybdenum-manganese thick film metallization is formed on the front and back surfaces of the aluminum ceramic package body.
As a measurement sample, a conventional product having a structure in which a thermal chip was bonded to the surface of the plated one instead of the power transistor and a copper heat sink was bonded to the back surface thereof was used.

【0035】このような測定試料を用いて、サーマルチ
ップに電圧を印加し疑似的にパワートランジスタの発熱
状態を実現させてジャンクション温度を120℃に保
ち、セラミックパッケージ裏面に接合される銅製ヒート
シンクの大気接触面における温度を測定して熱抵抗値を
得た。なお、本測定は異なる3つのセラミックパッケー
ジについて行った。表2に本測定によって得られた熱抵
抗値を示す。
Using such a measurement sample, a voltage is applied to the thermal chip to artificially realize the heat generation state of the power transistor, the junction temperature is maintained at 120 ° C., and the atmosphere of the copper heat sink bonded to the back surface of the ceramic package is maintained. The temperature at the contact surface was measured to obtain the thermal resistance value. Note that this measurement was performed for three different ceramic packages. Table 2 shows the thermal resistance values obtained by this measurement.

【0036】[0036]

【表2】 [Table 2]

【0037】金属薄膜が蒸着形成された本発明品におい
ては、最も良い測定値として2.41(℃/W)の熱抵
抗値が、最も悪い測定値として2.53(℃/W)の測
定値が得られ平均としては2.47(℃/W)の熱抵抗
値が得られた。一方、厚膜メタライズが施された従来品
においては、最も良い測定値として2.98(℃/W)
の熱抵抗値が、最も悪い測定値として3.09(℃/
W)の測定値が得られ平均としては3.04(℃/W)
の熱抵抗値が得られた。
In the product of the present invention in which the metal thin film was formed by vapor deposition, the best measured value was 2.41 (° C./W) and the worst measured value was 2.53 (° C./W). A value was obtained and an average thermal resistance value of 2.47 (° C./W) was obtained. On the other hand, in the case of the conventional product with thick film metallization, the best measured value is 2.98 (° C / W)
Has the worst thermal resistance of 3.09 (° C /
The measured value of (W) is obtained and the average is 3.04 (° C / W)
The thermal resistance value of was obtained.

【0038】この測定結果から分かるように、金属薄膜
が形成された本発明品は、従来品と比較して約20%の
熱抵抗値を低減することができる。この結果は、金属薄
膜が熱伝導の妨げとなるガラス成分を含有しない金属を
形成してなり、従来の厚膜メタライズよりも高い熱伝導
率を有していること、また膜厚が極めて薄く厚さ効果が
生じないことにも起因していると考えられる。
As can be seen from the measurement results, the product of the present invention having the metal thin film formed thereon can reduce the thermal resistance value by about 20% as compared with the conventional product. The result is that the metal thin film is formed of a metal that does not contain a glass component that hinders heat conduction, has a higher thermal conductivity than conventional thick film metallization, and has an extremely thin film thickness. It is thought that this is also due to the fact that the effect does not occur.

【0039】以上詳細に説明したように、本実施例に係
る窒化アルミニウム製半導体セラミック容器本体は、半
導体接続部としてガラス成分を含有しない金属薄膜を形
成し、この金属薄膜は高い熱伝導率を有しているので、
半導体素子が駆動されることにより発生する抵抗熱は、
迅速に金属薄膜を通過して半導体セラミック容器本体に
伝導され、その表面から大気中に放熱される。従って、
半導体セラミック容器本体内部に熱が蓄積されることを
回避することができる。
As described in detail above, the aluminum nitride semiconductor ceramic container body according to the present embodiment forms a metal thin film containing no glass component as a semiconductor connecting portion, and this metal thin film has a high thermal conductivity. Because
The resistance heat generated by driving the semiconductor element is
It quickly passes through the metal thin film, is conducted to the semiconductor ceramic container body, and is radiated from the surface to the atmosphere. Therefore,
Accumulation of heat inside the semiconductor ceramic container body can be avoided.

【0040】また、半導体素子の発する抵抗熱が迅速に
半導体セラミック容器本体外へ放熱されるので、発熱量
の多いパワートランジスタ等の半導体素子も実装して装
置に組み込むことも可能となり、そのような作動環境の
下でも安定して駆動させることができる。
Further, since the resistance heat generated by the semiconductor element is rapidly radiated to the outside of the semiconductor ceramic container body, it becomes possible to mount a semiconductor element such as a power transistor, which generates a large amount of heat, and incorporate it into the apparatus. It can be driven stably even in an operating environment.

【0041】以上、実施例に基づいて本発明を説明した
が、本発明は上記実施例に何ら限定されるものでなく、
本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形改良が可能
であることは容易に推察できるものである。例えば、本
実施例においては、半導体素子としてパワートランジス
タを用いているが、パワーダイオード、サイリスタ、G
TO、パワーMOSFET等のパワー制御用半導体素子
の他、マイクロプロセッサ等の発熱量の多い半導体集積
回路素子にも適用できることは勿論である。
The present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments.
It can be easily inferred that various modifications and improvements can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, although the power transistor is used as the semiconductor element in this embodiment, the power diode, the thyristor, the G
It is needless to say that the present invention can be applied to a semiconductor integrated circuit device such as a microprocessor that generates a large amount of heat in addition to a power control semiconductor device such as a TO and a power MOSFET.

【0042】本発明を窒化アルミニウム製容器基板に適
用すれば、従来の厚膜メタライズを用いた酸化ベリリウ
ム製容器基板の代替として使用可能である。特に半導体
素子が動作して発熱するとセラミック容器基板の温度も
上昇する。かかる場合には、セラミックの熱伝導率は低
下する傾向にあるが、窒化アルミニウムはその度合が酸
化ベリリウムに比して少ない。すなわち、窒化アルミニ
ウムの熱伝導率は25℃で180W/mK、100℃で
160W/mKであるのに対し、酸化ベリリウムは25
℃で260W/mK、100℃で180W/mKと大き
く低下する。従って、若干窒化アルミニウムの方が熱伝
導率が低い分を本発明によってカバーすれば酸化ベリリ
ウムの代替が可能となる。
When the present invention is applied to an aluminum nitride container substrate, it can be used as a substitute for a conventional beryllium oxide container substrate using a thick film metallization. In particular, when the semiconductor element operates to generate heat, the temperature of the ceramic container substrate also rises. In such a case, the thermal conductivity of the ceramic tends to decrease, but the degree of aluminum nitride is less than that of beryllium oxide. That is, the thermal conductivity of aluminum nitride is 180 W / mK at 25 ° C. and 160 W / mK at 100 ° C., whereas that of beryllium oxide is 25 W / mK.
It greatly decreases to 260 W / mK at ℃ and 180 W / mK at 100 ℃. Therefore, beryllium oxide can be replaced by covering a portion of aluminum nitride having a slightly lower thermal conductivity with the present invention.

【0043】一方、酸化ベリリウム製容器基板に本発明
品を適用すればより熱伝導特性の良好な容器本体とする
ことができるのはもちろんである。なお、本発明は窒化
アルミニウム、酸化ベリリウムに限らず適用できるが熱
伝導率が150W/mK程度以上あることが適当であ
る。熱伝導率が低い場合には厚膜メタライズ層のガラス
成分の有無よりもセラミック自体の熱伝導率が熱移動の
律速となるからである。
On the other hand, if the product of the present invention is applied to a beryllium oxide container substrate, it goes without saying that a container body having better thermal conductivity can be obtained. The present invention can be applied not only to aluminum nitride and beryllium oxide, but it is suitable that the thermal conductivity is about 150 W / mK or more. This is because when the thermal conductivity is low, the thermal conductivity of the ceramic itself is the rate-determining factor for the heat transfer rather than the presence or absence of the glass component in the thick film metallized layer.

【0044】さらに、金属薄膜の材料についても本実施
例においてはチタン及びモリブデンを用いているが、ガ
ラス成分を含有せず、金属薄膜として十分な密着強度を
備えるものであればこれに限られず各種金属材料が適用
される。更には、半導体セラミック容器本体表面に蒸着
形成される金属薄膜は、スパッタリングにより蒸着され
たものに限られず、例えば化学的気相成長(CVD)等
の薄膜を蒸着形成できる方法あるいはメッキ方法による
ものであっても良い。
Further, titanium and molybdenum are also used as the material of the metal thin film in this embodiment, but the material is not limited to this as long as it does not contain a glass component and has sufficient adhesion strength as the metal thin film. A metallic material is applied. Furthermore, the metal thin film formed by vapor deposition on the surface of the semiconductor ceramic container body is not limited to the one deposited by sputtering, and may be formed by a method such as chemical vapor deposition (CVD) capable of forming a thin film by vapor deposition or a plating method. It may be.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明に係る半導体セラミック容器本体は、熱伝導性に優
れる窒化アルミニウム等のセラミック材料からなる容器
基板の表面にチタン、モリブデン等の金属薄膜を形成
し、そこには従来のような熱伝導性に劣るガラス成分が
含有されていないので、パワートランジスタ等の半導体
素子が駆動されることにより発生する抵抗熱を、迅速に
容器基板に伝導し、容器基板を介して大気中に速やかに
放出することができる。
As is apparent from the above description, the semiconductor ceramic container body according to the present invention has a container substrate made of a ceramic material such as aluminum nitride having excellent thermal conductivity on the surface of a metal thin film of titanium, molybdenum or the like. Since it does not contain a glass component that is inferior in thermal conductivity as in the conventional case, resistance heat generated by driving a semiconductor element such as a power transistor is quickly transmitted to the container substrate. , And can be rapidly released into the atmosphere through the container substrate.

【0046】また、発熱量の多い半導体素子を安定した
熱環境の下で作動させることができ、半導体素子の機能
を恒久的に発揮させることができる。特に、有害である
にも拘らず、高熱伝導率であるが故に他の材質に代替す
ることが難しかった酸化ベリリウムを本発明を用いて若
干熱伝導率は低いが無害である窒化アルミニウムに代替
できる。従って、これを電力用機器や電子情報機器類等
に適用することは産業上極めて有益である。
Further, the semiconductor element which generates a large amount of heat can be operated in a stable thermal environment, and the function of the semiconductor element can be exhibited permanently. In particular, beryllium oxide, which is harmful but difficult to substitute for other materials because of its high thermal conductivity, can be replaced by aluminum nitride, which has a slightly low thermal conductivity but is harmless, by using the present invention. . Therefore, it is extremely useful industrially to apply this to electric power equipment and electronic information equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の半導体セラミック容器本体の実施例に
係る窒化アルミニウム製半導体セラミック容器本体の概
略的構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of an aluminum nitride semiconductor ceramic container body according to an embodiment of the semiconductor ceramic container body of the present invention.

【図2】図1に示した窒化アルミニウム製半導体セラミ
ック容器本体の製造工程を示す説明図であり、図2
(a)は、窒化アルミニウムから形成された容器基板の
側面図、また図2(b)は、表面及び裏面に金属薄膜が
蒸着形成された容器基板の側面図、図2(c)は、図2
(b)に示した容器基板の平面図、図2(d)は、蒸着
形成された金属薄膜の上にニッケルメッキ層が形成され
た容器基板の側面図、図2(e)は、ニッケルメッキ層
の上にリードが接合され金メッキ層が形成された容器基
板の側面図、図2(f)は、半導体素子、ヒートシンク
等が実装された半導体セラミック容器本体の側面図であ
る。
2 is an explanatory view showing a manufacturing process of the aluminum nitride semiconductor ceramic container body shown in FIG.
2A is a side view of a container substrate formed of aluminum nitride, FIG. 2B is a side view of a container substrate on which a metal thin film is formed by vapor deposition on the front and back surfaces, and FIG. Two
2B is a plan view of the container substrate shown in FIG. 2B, FIG. 2D is a side view of the container substrate in which a nickel plating layer is formed on a metal thin film formed by vapor deposition, and FIG. 2E is nickel plating. FIG. 2 (f) is a side view of a semiconductor ceramic container body on which semiconductor elements, heat sinks, etc. are mounted.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 容器基板 11 チタン薄膜 12 モリブデン薄膜 14 リード P 半導体セラミック容器本体 SC 半導体素子 MF 金属薄膜 10 Container Substrate 11 Titanium Thin Film 12 Molybdenum Thin Film 14 Lead P Semiconductor Ceramic Container Main Body SC Semiconductor Element MF Metal Thin Film

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 良熱伝導性セラミックからなる容器基板
と、その容器基板の一主面上の半導体素子固着部に形成
された第1の金属薄膜層とからなることを特徴とする半
導体セラミック容器本体。
1. A semiconductor ceramic container comprising a container substrate made of good thermal conductive ceramics and a first metal thin film layer formed on a semiconductor element fixing portion on one main surface of the container substrate. Body.
【請求項2】 前記容器基板の一主面の裏面に形成され
た第2の金属薄膜層を有することを特徴とする請求項1
に記載される半導体セラミック容器本体。
2. A second metal thin film layer formed on the back surface of the one main surface of the container substrate.
The semiconductor ceramic container body described in 1.
【請求項3】 前記容器基板上に形成された前記第1ま
たは第2の金属薄膜層上にメッキ層を形成してなること
を特徴とする請求項1または請求項2に記載される半導
体セラミック容器本体。
3. The semiconductor ceramic according to claim 1, wherein a plating layer is formed on the first or second metal thin film layer formed on the container substrate. Container body.
【請求項4】 前記容器基板の前記第1または第2の金
属薄膜層がチタン薄膜層と、そのチタン薄膜層上に形成
されたモリブデン薄膜層とからなることを特徴とする請
求項1乃至3に記載される半導体セラミック容器本体。
4. The first or second metal thin film layer of the container substrate comprises a titanium thin film layer and a molybdenum thin film layer formed on the titanium thin film layer. The semiconductor ceramic container body described in 1.
【請求項5】 前記良熱伝導性セラミックが、150W
/mK以上の熱伝導率を有するセラミックであることを
特徴とする請求項1乃至4に記載される半導体セラミッ
ク容器本体。
5. The good thermal conductive ceramic is 150 W.
The semiconductor ceramic container body according to any one of claims 1 to 4, which is a ceramic having a thermal conductivity of / mK or more.
【請求項6】 前記良熱伝導性セラミックが、窒化アル
ミニウムまたは酸化ベリリウムであることを特徴とする
請求項1乃至5に記載される半導体セラミック容器本
体。
6. The semiconductor ceramic container body according to claim 1, wherein the good thermal conductive ceramic is aluminum nitride or beryllium oxide.
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