JPH08139217A - 放熱部品付きセラミックパッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放熱部品ロウ付け用のメタライズ層の外縁部
の強度を向上させ、また放熱部品の側壁面と該メタライ
ズ層表面との間に形成されるろう材メニスカス端部の応
力集中を低減し、セラミック基板の損傷を防止できる放
熱部品付きセラミックパッケージを提供する。 【構成】 メタライズ層の外縁部が、金属製放熱部品の
外縁部よりセラミック基板の外縁部側に位置し、該メタ
ライズ層の周辺部上面と該周辺部に連なる該セラミック
基板の上面に該セラミック基板と同質のセラミック層を
有する。該セラミック層と前記メタライズ層の重なり幅
が、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであり、該セラミック基板
とメタライズ層およびセラミック層が同時焼結体であ
り、またろう材のメニスカス端部が該セラミック層の内
縁部に位置し、かつメニスカス端部の厚みが、０．０５
ｍｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放熱フィン等の金属製
放熱部品をロウ付けした放熱部品付きセラミックパッケ
ージに係り、より詳細には、セラミック基板と金属製放
熱部品との熱膨張差と、該セラミック基板の表裏面の温
度差によるろう材のメニスカス端部への応力の集中と、
メタライズ層外縁部の強度の低下を防止する、金属製放
熱部品をロウ付けした半導体セラミックパッケージに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体パッケージにおいて、半導
体チップ等の電子部品の高密度化に伴う高発熱化に対応
するため、金属製放熱部品をロウ付けした放熱部品付き
パッケージが多く使用されるようになっている。そし
て、この放熱部品付きパッケージとしては、図８に示す
ように、パッケージ４１の背面にメタライズ層４２を
介して放熱部品４３をそのままロウ付けするヒートスプ
レッダータイプ（図８ａ参照）と、パッケージ４１の
中央部に孔４４を設け、パッケージ４１の背面にメタラ
イズ層４２を介して放熱部品４３をロウ付けすると共
に、この放熱部品４３の一部を、孔４４に嵌合し、半導
体チップ４５の搭載部とするヒートスラグタイプ（図８
ｂ参照）がある。

【０００３】この放熱部品４３としては、一般的には、
セラミック基板と熱膨張率の合うコバールや、銅／タン
グステン合金が用いられ、近年では、前述したように電
子部品の高発熱化に対応するために熱伝導性の良好な銅
が用いられている。この放熱部品４３は、図９に示すよ
うにセラミック基板４１にタングステン等のメタライズ
層４２を介して銀ロウ等のろう材４６で接合され、放熱
部品４３の側壁面４７と、メタライズ層４２の表面４８
との間でろう材４６にメニスカス形状４９を形成させて
いる。そして、この放熱部品付きパッケージは、セラミ
ック基板４１に搭載した電子部品からの発熱を、セラミ
ック基板４１から放熱部品４３を通じてスムーズに放熱
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような放
熱部品付きパッケージは、図９に示すように、熱応力と
外力によってセラミック基板４１に損傷を生じさせると
いう課題がある。すなわち、 熱応力による損傷 放熱部品４３として、セラミック基板４１より熱膨張率
の大きい銅製放熱部品を用いた場合、ロウ付け工程での
熱変形に伴いメタライズ層４２の外縁部５０が剥離し、
セラミック基板４１そのものが損傷する。また熱サイク
ル試験時においても、その熱膨張差で同様の損傷が発生
する。このような損傷を防止するには、放熱部品４３の
大きさを制限すればよいが、その放熱特性が低下すると
いう課題が発生する。 外力による損傷 セラミック基板４１に外力が作用する時、ろう材４６の
メニスカス端部５１に応力が集中し、メタライズ層４２
が剥離してセラミック基板４１が損傷する。この外力と
しては、パッケージの評価を行うための遠心力が挙げら
れる。その他には、このパッケージをプリント基板５２
に実装する工程で、このプリント基板５２が基板上下面
の温度差で湾曲する場合がある。この場合は、該湾曲に
伴いパッケージに曲げ力が発生することになって、ろう
材４６のメニスカス端部５１に応力が集中する。この外
力による損傷は、放熱部品４３がセラミック基板４１と
熱膨張率の合うコバールや、銅／タングステン合金の場
合でも問題となる。等の課題がある。

【０００５】本発明者は、この課題に鑑み、種々、研究
・検討した結果、このような熱応力や外力によるセラミ
ック基板の損傷（クラックの発生）が、いずれもメタラ
イズ層４２の剥離が原因であり、この原因が、 ろう材４６のメニスカス端部５１に応力が集中する
ことにあること、 メタライズ層４２の外縁部５０のメタライズ厚みが
薄いため強度が低く、かつ外縁部５０と応力集中が発生
するメニスカス端部５１が一致していること、にあるこ
とを究明した。

【０００６】本発明は、以上のような課題に対処して創
作したものであって、その目的とする処は、放熱部品ロ
ウ付け用のメタライズ層の外縁部の強度を向上させ、ま
た放熱部品の側壁面と該メタライズ層表面との間に形成
されるろう材メニスカス端部の応力集中を低減し、セラ
ミック基板の損傷を防止できる放熱部品付きセラミック
パッケージを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そして、上記課題を解決
するための手段としての本発明の請求項１の放熱部品付
きセラミックパッケージは、半導体チップ等の電子部品
を搭載するセラミック基板にメタライズ層を介して金属
製放熱部品をロウ付けし、該金属製放熱部品の側壁面と
該メタライズ層表面との間でろう材にメニスカス形状を
形成してなる放熱部品付きセラミックパッケージにおい
て、該メタライズ層の外縁部が、該金属製放熱部品の外
縁部より前記セラミック基板の外縁部側に位置し、また
該メタライズ層の周辺部上面と該周辺部に連なる該セラ
ミック基板の上面に該セラミック基板と同質のセラミッ
ク層を有し、該セラミック層と前記メタライズ層の重な
り幅が、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであり、該セラミック
基板とメタライズ層およびセラミック層が同時焼結体で
あり、また前記ろう材のメニスカス端部が該セラミック
層の内縁部に位置し、かつメニスカス端部の厚みが、
０．０５ｍｍ以下である構成としている。

【０００８】また、本発明の請求項２の放熱部品付きセ
ラミックパッケージは、半導体チップ等の電子部品を搭
載するセラミック基板にメタライズ層を介して金属製放
熱部品をロウ付けし、該金属製放熱部品の側壁面と該メ
タライズ層表面との間でろう材にメニスカス形状を形成
してなる放熱部品付きセラミックパッケージにおいて、
前記金属製放熱部品の外縁部のロウ付け面側角部に０．
２Ｃ以上の面取り部を設けてなる構成としている。

【０００９】更に、本発明の請求項３の放熱部品付きセ
ラミックパッケージは、請求項１のセラミックパッケー
ジにおいて、金属製放熱部品の外縁部のロウ付け面側角
部に０．２Ｃ以上の面取り部を設けてなる構成としてい
る。

【００１０】

【作用】本発明の請求項１の放熱部品付きセラミックパ
ッケージは、メタライズ層の周辺部上面と該周辺部に連
なる該セラミック基板の上面にセラミック基板と同質の
材料からなるセラミック層を設けているので、該セラミ
ック層によって、該メタライズ層の外縁部を補強でき、
またろう材のメニスカス端部の位置をメタライズ層の外
縁部との位置より放熱部品側に位置させることができ
る。そして、ろう材のメニスカス端部とメタライズ層の
外縁部の位置がずれた位置とすることによって、該メタ
ライズ層の外縁部への応力の集中を低減できる。

【００１１】また、請求項２の放熱部品付きセラミック
パッケージは、金属製放熱部品の外縁部のろう付け面側
角部に０．２Ｃ以上の面取り部を設けてなるので、該面
取り部にろう溜を形成できる。一方、セラミック基板
は、焼成品であるので、『反り』がそれぞれ異なってい
る。そのため、放熱部品とセラミック基板との間に必要
とされるろう材量は、それぞれ異なるが、前記ろう溜が
あることにより良好なメニスカスを得ることができる。
すなわち、該面取り部が形成されていない従来のパッケ
ージにあっては、該セラミック基板の反りが大きい場合
（図１０ｂ参照）、ろう材の多くが放熱部品と基板間に
充填され、放熱部品周辺部のメニスカス部にはろう材が
不足する。そのため、良好なメニスカス形状が得られな
い。極端な場合はメニスカスが形成されない場合もあ
る。一方、該セラミック基板の反りが小さい場合（図１
０ａ参照）、放熱部品と基板間に充填されるろう材は少
量でよいので、メニスカス部には過大なろう材が供給さ
れる。そのため、メニスカス先端厚さが増大し、強度が
低下する。これに対して、請求項２のパッケージにあっ
ては、前記面取り部が、過不足のろう材を、該ろう材量
に応じて溜めるため、セラミック基板の反りの大小にか
かわらず良好なメニスカスを得ることができる。

【００１２】更に、請求項３の放熱部品付きセラミック
パッケージは、請求項１のパッケージにおいて、金属製
放熱部品の外縁部のロウ付け面側角部に０．２Ｃ以上の
面取り部を設けてなるので、前記した請求項１と請求項
２のパッケージの作用を合わせ持つことができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明を具体化
した実施例について説明する。ここに、図１〜図２は、
本発明の第１実施例を示し、図１は要部断面図、図２は
メニスカス端部応力−セラミック層とメタライズ層の重
なり幅との関係を説明するグラフ、図３〜図５は、本発
明の第２実施例を示し、図３は要部断面図、図４はセラ
ミック基板の反りによるろう材の変化を説明するための
要部断面図、図５ははメニスカス端部応力−メニスカス
端部厚みとの関係を説明するグラフ、図６は熱応力試験
方法の説明図、図７は外力試験方法の説明図である。

【００１４】−実施例１− 本実施例の放熱部品付きセラミックパッケージは、図１
に示すように、ヒートスプレッダータイプのパッケージ
であって、概略すると、セラミック基板１の一面（通
常、半導体チップ等の電子部品が搭載される面の背面
側）にメタライズ層２を設け、このメタライズ層２の周
辺部上面３と、この周辺部上面３に連なるセラミック基
板上面４にセラミック層５を設け、またメタライズ層２
にろう材６を介して金属製放熱部品７を接合し、かつ金
属製放熱部品７の側壁面８とメタライズ層２の上面２ａ
との間にろう材６によるメニスカス形状９を形成した構
成よりなる。

【００１５】セラミック基板１は、アルミナ系のセラミ
ック材料からなる複数枚のグリーンシートを積層して得
たグリーンシート体の一面にメタライズ層２を形成する
タングステンペーストを印刷・乾燥し、その周辺部上面
と、この周辺部上面に連なるグリーンシート体の上面
に、セラミック層５を形成する該グリーンシート体と同
質であるアルミナ系のセラミック材料を印刷・乾燥し、
これを加圧し、同時焼成することで、メタライズ層２と
セラミック層５を表面に形成している。

【００１６】ここで、メタライズ層２は、金属製放熱部
品７との接触面積より大きい幅に形成されている。また
セラミック層５は、その内縁部１０とメタライズ層２の
外縁部１１が所定の幅重なり、この重なり部１２の重な
り幅ｘは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍとしている。これ
は、図２に示すメニスカス端部応力−セラミック層とメ
タライズ層の重なり幅との関係を測定した試験結果得ら
れた数値であって、この重なり幅ｘが０．３ｍｍ未満の
場合、メタライズ層２の外縁部１１の剥離を十分に抑え
ることが期待できないこと、また１．０ｍｍを越える場
合、不必要にメタライズ層２の幅が大きくなることを対
処したことによる。

【００１７】セラミック層５として、セラミック基板１
と同質のアルミナセラミックを用いたのは、セラミック
基板１とセラミック層５との一体性を良好にすること
で、メタライズ層２とセラミック層５の重なり部１２
が、メタライズ層２の剥離を抑えさせ得ることを考慮し
たことによる。金属製放熱部品７としては、銅製放熱部
品（銅製ヒートスプレッダー）を用いている。またろう
材６としては、銀ロウを用いている。

【００１８】そして、本実施例の放熱部品付きセラミッ
クパッケージは、メタライズ層２との間に重なり部１２
を有するセラミック層５によって、メタライズ層２の外
縁部１１を補強できる。

【００１９】次に、本実施例の放熱部品付きセラミック
パッケージの作用、効果を確認するために、図６に示す
熱応力試験方法、すなわちヒーターブロック２１で所定
の温度に加熱したパッケージを、金属製放熱部品７側か
ら氷２２で急冷し、セラミック基板１に損傷が発生する
温度と、図７に示す外力試験方法、すなわちプリント基
板２３にパッケージを実装した後、これに外力を付与
し、プリント基板２３の周囲を支え、プリント基板２３
の中央部２４に荷重を負荷し、該外力によるセラミック
基板の損傷の発生する荷重をそれぞれ測定した。

【００２０】ここで、前記放熱部品付きセラミックパッ
ケージとしては、アルミナ系グリーンシートを積層し、
その表面に約２０μｍの厚さにタングステンメタライズ
を印刷し、その後、重なりが１ｍｍになるように、前記
アルミナ系グリーンシートと同一材質のアルミナを厚さ
３０μｍ印刷し、これを３０ｋｇ／ｃｍ² 以上の圧力で
加圧し、更に焼成してメタライズ層とセラミック層を有
するセラミック基板を得て、これに銅製ヒートスプレッ
ダー７を銀ロウ付けしたパッケージを用いた。

【００２１】この結果、熱応力試験によれば、パッケー
ジに損傷が発生する温度が、従来のパッケージにあって
は、２８０℃であったものが、本実施例パッケージにあ
っては、３１０℃に上昇しているという結果を得た。ま
た、外力試験によれば、パッケージに損傷が発生する荷
重が、従来のパッケージにあっては、１５０ｋｇであっ
たものが、本実施例パッケージにあっては、２３０ｋｇ
に上昇しているという結果を得た。このことより、メタ
ライズ層と重なり部を有するセラミック層を設けたこと
による効果が確認できた。

【００２２】−実施例２− 本実施例の放熱部品付きセラミックパッケージは、図３
に示すように、スートスプレッダータイプのパッケージ
であって、基本構成については、前述した実施例１と同
様にある。本実施例パッケージの場合、実施例１のセラ
ミック層が形成されてなく、その代わりに、金属製放熱
部品７の外縁部１５のロウ付け面側角部１６に０．２Ｃ
の面取り部１７を設けた構成よりなる。なお、その他の
構成については、実施例１と同様であるので、その説明
を省略する。

【００２３】そして、本実施例の放熱部品付きセラミッ
クパッケージは、金属製放熱部品７の外縁部１１のロウ
付け面側角部１６に、０．２Ｃの面取り部１７を設けて
なるので、この面取り部１７にロウ溜を形成でき、セラ
ミック基板１の反りの大小による余分のろう材６の増減
にかかわらず良好なメニスカス形状９を得ることができ
る。

【００２４】次に、本実施例の作用・効果を確認するた
めに、セラミック基板１の金属製放熱部品の外縁部のろ
う付け面側角部に０．２Ｃ以上の面取り部１７を設けた
本実施例のパッケージと、該面取り部を有しない従来例
のパッケージに付き、セラミック基板１の反りが大きい
場合と、該反りが小さい場合について、それぞれろう材
６の変化を調べた。その結果、本実施例のパッケージに
あっては、セラミック基板１の反りが小さい場合は、面
溜まり部１７にろう材６が溜まり、良好なメニスカスを
得られ（図４ａ参照）、セラミック基板１の反りが大き
い場合は、ろう材６が、ろう溜を形成する面取り部１７
に引き込まれ、ろう材６の量が少なくなり、良好なメニ
スカスを形成できた。これに対して、従来例のパッケー
ジにあっては、該セラミック基板の反りが大きい場合、
ろう材の多くが放熱部品と基板間に充填され、放熱部品
周辺部のメニスカス部にはろう材が不足し、良好なメニ
スカス形状が得られなく（図１０ｂ参照）、また該セラ
ミック基板の反りが小さい場合放熱部品と基板間に充填
されるろう材は少量でよいので、メニスカス部には過大
なろう材が供給され、メニスカス先端厚さが増大し（図
１０ａ参照）、強度が低下することがわかった。このこ
とから、本実施例のパッケージにあっては、面取り部１
７が、過不足のろう材を、該ろう材量に応じて溜めるた
め、セラミック基板の反りの大小にかかわらず良好なメ
ニスカスを得ることができることが確認できた。

【００２５】また、メニスカス端部１３の厚みｙとメニ
スカス端部１３の応力との関係について測定した。この
結果、図５に示すように、メニスカス端部１３の厚みが
薄いほど、該応力を小さくできることが確認できた。こ
のことより、前述したろう材の変化の測定した結果にお
いて、メニスカス端部１３の厚みを薄くすることが、セ
ラミック基板１の損傷を低減することに有効であること
が分かる。

【００２６】更に、前述した実施例１の場合と同様に、
図６に示す熱応力試験方法と、図７に示す外力試験方法
を用いて、セラミック基板の損傷の発生する温度と荷重
をそれぞれ測定した。ここで、本実施例のパッケージと
しては、図８（ｂ）に示すヒートスラグタイプのパッケ
ージを用い、このヒートスラグ（放熱部品）７に０．３
Ｃの面取りをした面取り部１７を形成した構成のパッケ
ージを用いた。

【００２７】この結果、熱応力試験によれば、パッケー
ジに損傷が発生する温度が、従来のパッケージにあって
は、２８０℃であったものが、本実施例パッケージにあ
っては、３００℃に上昇しているという結果を得た。ま
た、外力試験によれば、パッケージに損傷が発生する荷
重が、従来のパッケージにあっては、１５０ｋｇであっ
たものが、本実施例パッケージにあっては、１９０ｋｇ
に上昇しているという結果を得た。このことより、メニ
スカス形状の改善効果が確認できた。

【００２８】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものでなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で変
形実施できる構成を含む。因に、前述した実施例１と実
施例２を組み合わせた構成としてもよいことは当然であ
る。この場合、両実施例の作用・効果を兼ね備え、熱応
力や外力による影響を受けることなく、セラミック基板
の損傷をいっそう軽減できる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の請求項１の放熱部品付きセラミックパッケージによれ
ば、メタライズ層の周辺部上面と該周辺部に連なる該セ
ラミック基板の上面にセラミック基板と同質の材料から
なるセラミック層を設けているので、該セラミック層に
よって、該メタライズ層の外縁部を補強でき、またろう
材のメニスカス端部の位置をメタライズ層の外縁部との
位置より放熱部品側に位置させることができると共に、
該セラミック層とメタライズ層との重なり幅を０．３ｍ
ｍ〜１．０ｍｍとし、該メニスカス端部の厚みを、０．
０５ｍｍ以下としているので、ろう材のメニスカス端部
とメタライズ層の外縁部の位置がずれた位置とすること
によって、該メタライズ層の外縁部への応力の集中を低
減できるという効果を有する。

【００３０】また、請求項２の放熱部品付きセラミック
パッケージによれば、金属製放熱部品の外縁部のロウ付
け面側角部に０．２Ｃ以上の面取り部を設けてなるの
で、該面取り部にロウ溜を形成でき、セラミック基板の
反りの大小による余分のろう材の増減にかかわらず良好
なメニスカス形状を得ることができるという効果を有す
る。

【００３１】更に、請求項３の放熱部品付きセラミック
パッケージによれば、請求項１のパッケージにおいて、
金属製放熱部品の外縁部のロウ付け面側角部に０．２Ｃ
以上の面取り部を設けてなるので、前記した請求項１と
請求項２のパッケージの効果を合わせ持つことができる
という効果を有する。

【００３２】従って、本発明によれば、放熱部品ロウ付
け用のメタライズ層の外縁部の強度を向上させ、また放
熱部品の側壁面と該メタライズ層表面との間に形成され
るろう材メニスカス端部の応力集中を低減し、セラミッ
ク基板の損傷を防止できる放熱部品付きセラミックパッ
ケージを提供するこができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例を示す要部断面図であ
る。

【図２】 メニスカス端部応力−セラミック層とメタラ
イズ層の重なり幅との関係を説明するグラフである。

【図３】 本発明の第２実施例を示す要部断面図であ
る。

【図４】 セラミック基板の反りによるろう材の変化を
説明するための要部断面図である。

【図５】 メニスカス端部応力−メニスカス端部厚みと
の関係を説明するグラフである。

【図６】 熱応力試験方法の説明図である。

【図７】 外力試験方法の説明図である。

【図８】 従来のヒートスプレッダータイプのパッケー
ジと、ヒートスラグタイプのパッケージの断面図であ
る。

【図９】 従来のパッケージにおいて、セラミック基板
に損傷が発生する状態の説明用の断面図である。

【図１０】 従来例のパッケージにおけるセラミック基
板の反りによるろう材の変化を説明するための要部断面
図である。

【符号の説明】

１・・・セラミック基板、２・・・メタライズ層、３・
・・メタライズ層２の周辺部上面、４・・・セラミック
基板上面、５・・・セラミック層、６・・・ろう材、７
・・・金属製放熱部品、８・・・金属製放熱部品７の側
壁面、２ａ・・・メタライズ層２の上面、９・・・ろう
材６によるメニスカス形状、１０・・・セラミック層５
の内縁部、１１・・・メタライズ層２の外縁部、１２・
・・重なり部、１３・・・メニスカス端部、１５・・・
金属製放熱部品７の外縁部、１６・・・ロウ付け面側角
部、１７・・・面取り部、２１・・・ヒーターブロッ
ク、２２・・・氷、２３・・・プリント基板、２４・・
・プリント基板２３の中央部、４１・・・パッケージ、
４２・・・メタライズ層、４３・・・放熱部品、４４・
・・孔、４５・・・半導体チップ、４６・・・ろう材、
４７・・・放熱部品４３の側壁面、４８・・・メタライ
ズ層４２の表面、４９・・・メニスカス形状、５０・・
・メタライズ層４２の外縁部、５１・・・ろう材４６の
メニスカス端部、５２・・・プリント基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河村 茂樹 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップ等の電子部品を搭載するセ
   ラミック基板にメタライズ層を介して金属製放熱部品を
   ロウ付けし、該金属製放熱部品の側壁面と該メタライズ
   層表面との間でろう材にメニスカス形状を形成してなる
   放熱部品付きセラミックパッケージにおいて、該メタラ
   イズ層の外縁部が、該金属製放熱部品の外縁部より前記
   セラミック基板の外縁部側に位置し、また該メタライズ
   層の周辺部上面と該周辺部に連なる該セラミック基板の
   上面に該セラミック基板と同質のセラミック層を有し、
   該セラミック層と前記メタライズ層の重なり幅が、０．
   ３ｍｍ〜１．０ｍｍであり、該セラミック基板とメタラ
   イズ層およびセラミック層が同時焼結体であり、また前
   記ろう材のメニスカス端部が該セラミック層の内縁部に
   位置し、かつメニスカス端部の厚みが、０．０５ｍｍ以
   下であることを特徴とする放熱部品付きセラミックパッ
   ケージ。
2. 【請求項２】 半導体チップ等の電子部品を搭載するセ
   ラミック基板にメタライズ層を介して金属製放熱部品を
   ロウ付けし、該金属製放熱部品の側壁面と該メタライズ
   層表面との間でろう材にメニスカス形状を形成してなる
   放熱部品付きセラミックパッケージにおいて、前記金属
   製放熱部品の外縁部のロウ付け面側角部に０．２Ｃ以上
   の面取り部を設けてなることを特徴とする放熱部品付き
   セラミックパッケージ。
3. 【請求項３】 金属製放熱部品の外縁部のロウ付け面側
   角部に０．２Ｃ以上の面取り部を設けてなる請求項１に
   記載の放熱部品付きセラミックパッケージ。