JPH0964229A - Ceramic package with heat sink - Google Patents

Ceramic package with heat sink

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Publication number
JPH0964229A
JPH0964229A JP21717195A JP21717195A JPH0964229A JP H0964229 A JPH0964229 A JP H0964229A JP 21717195 A JP21717195 A JP 21717195A JP 21717195 A JP21717195 A JP 21717195A JP H0964229 A JPH0964229 A JP H0964229A
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JP
Japan
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package
ceramic package
heat sink
thermal expansion
lid
Prior art date
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Pending
Application number
JP21717195A
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Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Hidaka
明弘 日高
Sumio Nakano
澄夫 中野
Hiroyuki Shinya
裕之 新屋
Tetsuya Yamamoto
哲也 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Original Assignee
Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc filed Critical Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To generate no fatigue failure in the junction portion between a ceramic package board and its lid, even by the temperature cycle tests of the ceramic package with a metallic heat sink, by making the thermal expansion coefficients of both the metallic heat sink and the ceramic package board in a specific temperature range fall within the scope of a specific multiplication. SOLUTION: Thirty Cu/W heat sinks 22 of 45mm×45mm in external shape, 1mm in thickness, 5wt.% in Cu content, 95wt.% in W content and about 5.5×10<-6> / deg.C in thermal expansion coefficient for temperature range of -65 deg.C to 150 deg.C, and thirty Cu/W heat sinks 22 of the same size as the foregoing ones which have different Cu contents from the foregoing ones are manufactured respectively to perform their temperature cycle tests in the temperature range of -65 deg.C to 150 deg.C. As a result, in case of ceramic packages 10 wherein their package boards are all made of alumina and the thermal expansion coefficients of their metallic heat sinks 22 fall within the scope of 4.8×10<-6> / deg.C to 6.2×10<-6> / deg.C in the temperature range of -65 deg.C to 150 deg.C, no fatigue failure of solder layer portions 15 is observed, even in their temperature cycle tests comprising respectively a thousand cycles in the same temperature range.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は放熱板付セラミック
パッケージに関し、より詳細には半導体素子を搭載する
ためのPGA(Pin Grid Array)タイプの放熱板付セラ
ミックパッケージに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat dissipation plate-equipped ceramic package, and more particularly to a PGA (Pin Grid Array) type heat dissipation plate-equipped ceramic package for mounting a semiconductor element.

【0002】[0002]

【従来の技術】PGAタイプのパッケージを利用した半
導体装置においては、集積回路などの半導体素子がパッ
ケージ基体に設けられた半導体素子搭載部に収納され、
該半導体素子搭載部がリッドで気密に封止されて実用に
供されている。アルミナ等のセラミックは耐熱性、耐久
性、信頼性等に優れるため、このパッケージ基体及びリ
ッドの材料として好適であり、セラミック製のICパッ
ケージは現在盛んに使用されている。
2. Description of the Related Art In a semiconductor device using a PGA type package, a semiconductor element such as an integrated circuit is housed in a semiconductor element mounting portion provided on a package base,
The semiconductor element mounting portion is airtightly sealed with a lid for practical use. Since ceramics such as alumina are excellent in heat resistance, durability, reliability, etc., they are suitable as materials for the package base and lid, and ceramic IC packages are now actively used.

【0003】このセラミックパッケージにおいて、セラ
ミック製のパッケージ基体をセラミック製のリッドで封
止する場合、比較的低温で封止が可能でかつ安価な点か
ら、封止材として半田が利用されている。しかし、半田
とセラミックとを直接は接合させられない。そこで、前
記パッケージ基体及び前記リッドの封止部には下地金属
層が形成されている。従って、前記パッケージ基体と前
記リッドとは前記下地金属層を介して半田により接合さ
れることになる。さらに、半導体素子の放熱のために、
パッケージ基体には金属製放熱板が銀ろう付け接合され
ている場合がある。
In this ceramic package, when a ceramic package base is sealed with a ceramic lid, solder is used as a sealing material because it can be sealed at a relatively low temperature and is inexpensive. However, the solder and ceramic cannot be directly joined. Therefore, a base metal layer is formed on the package base and the lid sealing portion. Therefore, the package base and the lid are joined by solder through the base metal layer. Furthermore, for heat dissipation of the semiconductor element,
A metal heat dissipation plate may be silver brazed to the package base.

【0004】このような半導体素子を搭載した放熱板付
セラミックパッケージ(半導体装置)の構成及び前記半
導体装置の作製方法を具体的に説明する。以下において
は、半導体装置のうち、半導体素子及びワイヤボンディ
ング等の配線部分を除いた部分をパッケージということ
にする。
The structure of a ceramic package (semiconductor device) with a heat dissipation plate on which such a semiconductor element is mounted and a method of manufacturing the semiconductor device will be specifically described. In the following, a portion of the semiconductor device excluding a semiconductor element and a wiring portion such as wire bonding will be referred to as a package.

【0005】図3は半導体素子が搭載された放熱板付セ
ラミックパッケージ(半導体装置)を模式的に示した断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a ceramic package (semiconductor device) with a heat dissipation plate on which a semiconductor element is mounted.

【0006】この放熱板付セラミックパッケージ30
は、半導体素子18を搭載する容器であるパッケージ基
体12と、半導体素子18を封止するための蓋であるリ
ッド11と、半導体素子18の放熱を促進するための放
熱板32とから構成されている。
This ceramic package 30 with a heat sink
Comprises a package base 12 which is a container for mounting the semiconductor element 18, a lid 11 which is a lid for sealing the semiconductor element 18, and a heat dissipation plate 32 which promotes heat dissipation of the semiconductor element 18. There is.

【0007】まず、パッケージ基体12について説明す
ると、パッケージ基体12の中央部には半導体素子18
を搭載するためのキャビティ部16が形成され、その周
囲にリッド11で封止する際に用いられる下地金属層2
0が形成され、下地金属層20の周囲には図示しないボ
ードに接続するための外部接続ピン21が、パッケージ
基体12に形成された下地金属層(図示せず)を介し
て、銀ろう付けにより固着されている。また、キャビテ
ィ部16は通常その周辺部分が階段状に構成されてお
り、中間の階段部分にはワイヤボンディングのためのパ
ッド19が形成され、底面部分は半導体素子搭載部17
となっている。そして、この半導体素子搭載部17に半
導体素子18が固着され、半導体素子18に形成された
パッド(図示せず)とキャビティ部16に形成されたパ
ッド19とが、ワイヤ23を用いたワイヤボンディング
により接続されている。
First, the package base 12 will be described. The semiconductor element 18 is provided at the center of the package base 12.
The base metal layer 2 is formed in which the cavity 16 for mounting the substrate is formed and which is used when sealing with the lid 11 around the cavity 16.
0 is formed, and external connection pins 21 for connecting to a board (not shown) are formed around the base metal layer 20 by silver brazing via the base metal layer (not shown) formed on the package base 12. It is fixed. Further, the cavity portion 16 is usually formed in a stepped shape in its peripheral portion, a pad 19 for wire bonding is formed in an intermediate step portion, and a semiconductor element mounting portion 17 is formed in a bottom surface portion.
It has become. Then, the semiconductor element 18 is fixed to the semiconductor element mounting portion 17, and the pad (not shown) formed on the semiconductor element 18 and the pad 19 formed on the cavity portion 16 are bonded by the wire bonding using the wire 23. It is connected.

【0008】また、キャビティ部16に搭載された半導
体素子18を保護するため、キャビティ部16はリッド
11により封止されている。リッド11による封止は半
田を用いた接合により行われており、キャビティ部16
の周囲に形成された下地金属層20及びリッド11を構
成する基板13に形成された下地金属層14を介してキ
ャビティ部16は封止されている。
The cavity 16 is sealed by a lid 11 in order to protect the semiconductor element 18 mounted in the cavity 16. Sealing with the lid 11 is performed by joining using solder, and the cavity portion 16
The cavity portion 16 is sealed via the base metal layer 20 formed around the base metal layer 14 and the base metal layer 14 formed on the substrate 13 forming the lid 11.

【0009】さらに、パッケージ基体12のリッド11
が接合された面と反対側の面(外表面)には半導体素子
18から発散される熱を放散するため、金属製の放熱板
32がパッケージ基体12に形成された下地金属層(図
示せず)を介して銀ろう付けにより接合されている。な
お、通常は半導体素子搭載部17にもアース用の金属層
(図示せず)が形成されている。
Further, the lid 11 of the package base 12
In order to dissipate the heat radiated from the semiconductor element 18 to the surface (outer surface) opposite to the surface to which is bonded, a metal heat dissipation plate 32 is formed on the base metal layer 12 of the package base 12 (not shown). ) Is joined by silver brazing. A metal layer (not shown) for grounding is usually formed also on the semiconductor element mounting portion 17.

【0010】このパッケージ基体12、リッド11及び
放熱板32を部品として使用し、半導体装置を作製する
方法は以下の通りである。
A method of manufacturing a semiconductor device using the package substrate 12, the lid 11 and the heat dissipation plate 32 as components is as follows.

【0011】まず、導体パターン等を印刷したグリーン
シートを積層、焼成する方法によりパッケージ基体12
を製造した後、Cu製の放熱板、又はW製の多孔質体に
溶融Cuを含浸させた放熱板(以下、Cu/W製放熱板
と記す)等の金属製の放熱板32をパッケージ基体12
に銀ろう付けする。
First, the package base 12 is formed by stacking and firing green sheets on which conductor patterns and the like are printed.
Then, a metal radiator plate 32 such as a radiator plate made of Cu or a radiator plate made by impregnating molten Cu into a porous body made of W (hereinafter referred to as a radiator plate made of Cu / W) is used as a package base. 12
Braze silver on.

【0012】次に、パッケージ基体12の半導体素子搭
載部17に樹脂付け等により半導体素子18を固着した
後、ワイヤボンディング法により半導体素子18側のパ
ッド(図示せず)とキャビティ部16に形成されたパッ
ド19とを接続する。
Next, after the semiconductor element 18 is fixed to the semiconductor element mounting portion 17 of the package base 12 by resin bonding or the like, a pad (not shown) on the semiconductor element 18 side and the cavity portion 16 are formed by a wire bonding method. Connected to the pad 19.

【0013】次に、リッド11の下地金属層14上に形
成された半田層15を下側にしてパッケージ基体12の
上面に形成された下地金属層20に半田層15を重ね合
わせ、バネ、クリップ等の固定治具によってリッド11
とパッケージ基体12とを仮固定する。この状態で加熱
炉内にパッケージ基体12及びリッド11を搬入し、リ
ッド11に形成されている半田層15を溶融させてリッ
ド11とパッケージ基体12とを接合させ、その後冷却
することによって半導体素子18をパッケージ基体12
内に気密に封止する。
Next, with the solder layer 15 formed on the base metal layer 14 of the lid 11 on the lower side, the solder layer 15 is superposed on the base metal layer 20 formed on the upper surface of the package base 12, and a spring and a clip are formed. The lid 11 with a fixing jig such as
And the package base 12 are temporarily fixed. In this state, the package substrate 12 and the lid 11 are loaded into the heating furnace, the solder layer 15 formed on the lid 11 is melted to bond the lid 11 and the package substrate 12, and then the semiconductor element 18 is cooled. The package base 12
It is hermetically sealed inside.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】このようにして作製さ
れた放熱板付セラミックパッケージ30は、過酷な温度
条件下においても耐久性を有することが要求され、その
ためには放熱板付セラミックパッケージ30に−65℃
から150℃の温度変化を繰り返し与え、この温度変化
に対する放熱板付セラミックパッケージ30の耐久性を
試験する温度サイクル試験が課せられる。
The ceramic package 30 with a heat radiating plate manufactured in this manner is required to have durability even under severe temperature conditions. For that purpose, the ceramic package 30 with a heat radiating plate is -65. ℃
A temperature cycle test is performed to repeatedly apply a temperature change of 150 ° C. to 150 ° C. and test the durability of the ceramic package 30 with a heat sink against the temperature change.

【0015】しかし、従来から使用されている放熱板付
セラミックパッケージ30を前記温度サイクル試験にか
けた場合、温度サイクル試験の温度域におけるパッケー
ジ基体12と放熱板32との熱膨張係数の差が大きいた
め、パッケージ基体12に変形が生じ、この変形に起因
してパッケージ基体12とリッド11との接合部分であ
る半田層15に疲労破壊が生じることがあるという課題
があった。
However, when the conventionally used ceramic package 30 with a heat sink is subjected to the temperature cycle test, there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the package base 12 and the heat sink 32 in the temperature range of the temperature cycle test. There is a problem in that the package base 12 is deformed, and the solder layer 15 that is a joint portion between the package base 12 and the lid 11 may be fatigue-damaged due to the deformation.

【0016】このように温度サイクル試験を行う際の温
度域において、パッケージ基体12と放熱板32との間
に大きな熱膨張係数の差が存在し、この熱膨張係数の差
に起因して半田層15が疲労破壊するのは、以下のよう
な理由による。すなわち、パッケージ基体12に放熱板
32を銀ろう付けする際の温度は、銀ろうの組成によっ
ても異なるが、通常、約780〜950℃の範囲であ
る。従来、この銀ろう付けの後冷却されるまでの間に、
パッケージ基体12と放熱板32との間の銀ろう部分に
亀裂等が生じないように、放熱板32の熱膨張係数は前
記銀ろう付けを行う温度付近におけるパッケージ基体1
2の熱膨張係数になるべく近いように設計されていた。
As described above, there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the package base 12 and the heat dissipation plate 32 in the temperature range when the temperature cycle test is performed, and due to the difference in the coefficient of thermal expansion, the solder layer is caused. Fatigue failure of 15 is due to the following reasons. That is, the temperature at which the heat dissipation plate 32 is brazed to the package base 12 by silver brazing varies depending on the composition of the silver brazing solder, but is usually in the range of about 780 to 950 ° C. Conventionally, after this silver brazing, before cooling,
The thermal expansion coefficient of the heat radiating plate 32 is set so that the silver brazing portion between the package base 12 and the heat radiating plate 32 is not cracked or the like in the vicinity of the temperature at which the silver brazing is performed.
It was designed to have a coefficient of thermal expansion of 2 as close as possible.

【0017】従って、銀ろう付けを行った温度付近から
室温の間は熱膨張係数に大きな差はなく、銀ろう付け部
分に亀裂等が生じることはない。
Therefore, there is no great difference in the coefficient of thermal expansion between the temperature near the silver brazing temperature and the room temperature, and no cracks or the like occur in the silver brazing portion.

【0018】例えば、パッケージ基体12としてAl2
3 製のものを用い、放熱板32として多孔質のWに溶
融Cuを含浸させた、いわゆるCu/W板製のものを用
いた場合を例にとると、Al23 製のパッケージ基体
12の−65℃〜150℃における熱膨張係数が約5.
5×10-6/℃であるのに対し、銀ろう付け温度付近で
は7.2×10-6/℃であり、熱膨張係数に温度依存性
がある。一方、放熱板32は温度依存性がなく、従来で
は銀ろう付け温度付近のAl23 の熱膨張係数に合わ
せて放熱板付セラミックパッケージ10全体のバランス
をとるようにしていた。
For example, as the package substrate 12, Al 2
Taking a case where a so-called Cu / W plate made of O 3 is used and porous W is impregnated with molten Cu as a heat dissipation plate 32, a package base made of Al 2 O 3 is used. 12 has a thermal expansion coefficient of about 5.
While it is 5 × 10 −6 / ° C., it is 7.2 × 10 −6 / ° C. near the silver brazing temperature, and the coefficient of thermal expansion has temperature dependence. On the other hand, the heat radiating plate 32 has no temperature dependence, and conventionally, the whole heat radiating plate ceramic package 10 is balanced in accordance with the thermal expansion coefficient of Al 2 O 3 near the silver brazing temperature.

【0019】しかし、−65℃〜150℃の温度サイク
ルをかけたとき、パッケージ基体12と放熱板32との
間の熱膨張係数の差が大きくなり、図4の(a)及び
(b)に示したように−65℃から150℃に昇温する
場合(図4(a))と、150℃から−65℃に降温す
る場合(図4(b))とで、パッケージ基体12の逆の
方向に曲げが発生し、この曲げにより半田層15に繰り
返し力がかかって塑性変形が生じ、破壊に至るのであ
る。
However, when a temperature cycle of -65 ° C. to 150 ° C. is applied, the difference in the coefficient of thermal expansion between the package base 12 and the heat dissipation plate 32 becomes large, and FIGS. 4 (a) and 4 (b) show the difference. As shown, in the case of raising the temperature from −65 ° C. to 150 ° C. (FIG. 4A) and in the case of lowering the temperature from 150 ° C. to −65 ° C. (FIG. 4B), the reverse of the package base 12 is performed. Bending occurs in the direction, and this bending repeatedly applies a force to the solder layer 15 to cause plastic deformation, resulting in destruction.

【0020】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、温度サイクル試験によってもパッケージ基体
とリッドとの接合部分に疲労破壊が生じないセラミック
パッケージを提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a ceramic package in which a fatigue fracture does not occur at a joint portion between a package base and a lid even by a temperature cycle test.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段及びその効果】すなわち本
発明に係る放熱板付セラミックパッケージ(1)は、半
導体素子を収納するキャビティ部を備えたセラミック製
のパッケージ基体と、該キャビティ部を封止するリッド
と、前記パッケージ基体と前記リッドとの間を気密に封
着する半田層と、前記パッケージ基体の外表面側にろう
材で接合された金属製放熱板とで構成された放熱板付セ
ラミックパッケージにおいて、−65℃〜150℃の温
度範囲における前記金属製放熱板の熱膨張係数が前記パ
ッケージ基体の熱膨張係数の0.87〜1.13倍の範
囲内にあることを特徴としている。
Means for Solving the Problems and Effects Thereof That is, a ceramic package (1) with a heat radiating plate according to the present invention seals the ceramic package base having a cavity for accommodating a semiconductor element. In a ceramic package with a heat dissipation plate, which includes a lid, a solder layer that hermetically seals the package base and the lid, and a metal heat dissipation plate bonded to the outer surface of the package base with a brazing material The thermal expansion coefficient of the metal heat sink in the temperature range of −65 ° C. to 150 ° C. is 0.87 to 1.13 times the thermal expansion coefficient of the package base.

【0022】上記(1)記載の放熱板付セラミックパッ
ケージによれば、温度サイクル試験の温度範囲におい
て、前記金属製放熱板の熱膨張係数が前記パッケージ基
体の熱膨張係数の0.87〜1.13倍の範囲内にある
ので、温度サイクル試験を行っても前記パッケージ基体
の反り具合に大きな変化は生じず、その結果、パッケー
ジ基体とリッドとの間の半田層に塑性変形に起因する疲
労破壊が生じない。従って、耐久性に優れた放熱板付セ
ラミックパッケージを提供することができる。
According to the ceramic package with a heat sink described in (1) above, the thermal expansion coefficient of the metal heat sink is 0.87 to 1.13 of the thermal expansion coefficient of the package base in the temperature range of the temperature cycle test. Since it is within the double range, a large change does not occur in the warp degree of the package base even if a temperature cycle test is performed, and as a result, fatigue failure due to plastic deformation is caused in the solder layer between the package base and the lid. Does not happen. Therefore, it is possible to provide a ceramic package with a heat sink having excellent durability.

【0023】また、本発明に係る放熱板付セラミックパ
ッケージ(2)は、上記(1)記載の放熱板付セラミッ
クパッケージにおいて、パッケージ基体がアルミナによ
り構成され、−65℃〜150℃の温度範囲における金
属製放熱板の線膨張係数が4.8×10-6/℃〜6.2
×10-6/℃の範囲内にあることを特徴としている。
Further, the ceramic package with a heat sink according to the present invention (2) is the ceramic package with a heat sink according to the above (1), wherein the package base is made of alumina and is made of metal in the temperature range of -65 ° C to 150 ° C. The linear expansion coefficient of the heat sink is 4.8 × 10 -6 / ° C ~ 6.2
It is characterized by being in the range of × 10 -6 / ° C.

【0024】本発明に係る放熱板付セラミックパッケー
ジ(2)によれば、温度サイクル試験を行っても、上記
(1)記載の放熱板付セラミックパッケージの場合と同
様に、アルミナ製セラミックパッケージとリッドとの間
の半田層に、塑性変形に起因する疲労破壊が生じない。
従って、耐久性に優れたアルミナ製の放熱板付セラミッ
クパッケージを提供することができる。
According to the ceramic package with a heat radiating plate (2) of the present invention, even if a temperature cycle test is performed, a ceramic package made of alumina and a lid are provided as in the case of the ceramic package with a heat radiating plate described in (1) above. Fatigue failure due to plastic deformation does not occur in the solder layer in between.
Therefore, it is possible to provide a ceramic package with a heat sink made of alumina, which is excellent in durability.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】図2は本発明に係る放熱板付セラ
ミックパッケージの実施の形態を模式的に示した断面図
である。
2 is a sectional view schematically showing an embodiment of a ceramic package with a heat sink according to the present invention.

【0026】実施の形態に係る放熱板付セラミックパッ
ケージ10の構成は、放熱板22の熱膨張係数が異なる
他は、図3に示した従来のセラミックパッケージの構成
と同様であるので、ここではその詳しい説明を省略す
る。
The structure of the ceramic package 10 with a heat radiating plate according to the embodiment is the same as the structure of the conventional ceramic package shown in FIG. 3 except that the heat radiating plate 22 has a different coefficient of thermal expansion. The description is omitted.

【0027】次に、実施の形態に係る放熱板付セラミッ
クパッケージにつき、その構造以外の材料等について説
明する。パッケージ基体12の形成材料は特に限定され
るものではなく、通常のセラミックパッケージ基体の材
料であれば使用することができる。パッケージ基体12
の材料としては、例えばアルミナ、ムライト等の酸化物
系セラミック、ホウ珪酸系ガラス、MgO−Al23
−SiO2 −B23系ガラス、CaO−Al23
SiO2 −B23 系ガラス等のガラスセラミック、窒
化アルミニウム、炭化ケイ素等の非酸化物系セラミック
等が挙げられる。これらの材料のなかで、パッケージ基
体12としては、一般的にアルミナが最もよく使用され
ている。パッケージ基体12に形成される下地金属層2
0は、通常パッケージ基体12と同時焼成可能なW、M
o等からなる高融点金属メタライズ層と、その上に形成
されるNiめっき層及びAuめっき層により構成され、
この構成により、封止時の半田との接合性及びパッケー
ジとしての長期安定性が確保される。
Next, with respect to the ceramic package with the heat radiating plate according to the embodiment, materials other than its structure will be described. The material for forming the package substrate 12 is not particularly limited, and any ordinary ceramic package substrate material can be used. Package base 12
The materials, such as alumina, oxide ceramic, borosilicate glass mullite, MgO-Al 2 O 3
-SiO 2 -B 2 O 3 based glass, CaO-Al 2 O 3 -
Examples thereof include glass ceramics such as SiO 2 —B 2 O 3 glass and non-oxide ceramics such as aluminum nitride and silicon carbide. Of these materials, alumina is generally most often used as the package base 12. Base metal layer 2 formed on package base 12
0 is W, M which can be co-fired with the package base 12 normally.
and a Ni-plated layer and an Au-plated layer formed thereon,
With this configuration, the bondability with solder at the time of sealing and the long-term stability as a package are ensured.

【0028】また、リッド11の形成材料は、−65℃
〜150℃の温度範囲において、パッケージ基体12と
リッド11との半田層15部分になるべく塑性変形が生
じないように、パッケージ基体12と同様に膨張、収縮
するものが好ましく、この点からパッケージ基体12と
同じ材料が好ましい。リッド11の下地金属層14とし
ては、例えばAg−Pt、Ag−Pd等の金属が挙げら
れる。
The material for forming the lid 11 is -65.degree.
In the temperature range of 150 ° C. to 150 ° C., it is preferable that the package base 12 and the lid 11 expand and contract in the same manner as the package base 12 so that plastic deformation does not occur in the solder layer 15 portion. The same material as is preferable. Examples of the base metal layer 14 of the lid 11 include metals such as Ag-Pt and Ag-Pd.

【0029】パッケージ基体12は、中央部分に半導体
素子搭載用のキャビティ部(凹部)16を有し、キャビ
ティ部16がリッド11により封止されるPGAタイプ
のものであれば、その形状や大きさは限定されない。ま
た、リッド11もパッケージ基体12のキャビティ部1
6を封止できるものであればよい。半田層15はなるべ
く耐熱衝撃性、強度等の大きいものが好ましく、例えば
Sn−Ag−In−Bi−Pbの5成分を含んで構成さ
れているものが好ましい。
The package base 12 has a cavity portion (recess) 16 for mounting a semiconductor element in the central portion, and if the cavity portion 16 is of the PGA type sealed by the lid 11, its shape and size Is not limited. The lid 11 is also the cavity portion 1 of the package base 12.
Any material capable of sealing 6 may be used. The solder layer 15 is preferably as high as possible in thermal shock resistance, strength, etc. For example, it is preferable that the solder layer 15 contains five components of Sn—Ag—In—Bi—Pb.

【0030】金属製の放熱板22は、−65℃〜150
℃の温度範囲においてパッケージ基体12の熱膨張係数
の0.87〜1.13倍の範囲内にある必要があり、こ
れらの条件を満足する材料の中でも熱伝導率が高いもの
が好ましい。放熱板22の熱膨張係数がパッケージ基体
12の熱膨張係数の0.87未満である場合、又は1.
13倍を超える場合には、パッケージ基体12とリッド
11との接合部分である半田層15が疲労破壊し易くな
る。
The heat sink 22 made of metal has a temperature of -65 ° C to 150 ° C.
In the temperature range of ° C, it must be 0.87 to 1.13 times the coefficient of thermal expansion of the package substrate 12, and among the materials satisfying these conditions, those having high thermal conductivity are preferable. When the thermal expansion coefficient of the heat dissipation plate 22 is less than 0.87 of the thermal expansion coefficient of the package base 12, or 1.
If it exceeds 13 times, the solder layer 15 that is the joint portion between the package base 12 and the lid 11 is easily fractured by fatigue.

【0031】パッケージ基体12の線膨張係数は、−6
5℃〜150℃の温度範囲において、アルミナが5.5
×10-6/℃、窒化アルミニウムが3.2×10-6/℃
、ムライトが2.7×10-6/℃、ガラスセラミック
が4.4×10-6/℃程度であり、パッケージ基体12
を構成する材料の線膨張係数に合わせて放熱板22の材
料を選定する必要がある。
The linear expansion coefficient of the package base 12 is -6.
Alumina is 5.5 in the temperature range of 5 ° C to 150 ° C.
× 10 -6 / ℃, aluminum nitride 3.2 × 10 -6 / ℃
, Mullite is about 2.7 × 10 −6 / ° C. and glass ceramic is about 4.4 × 10 −6 / ° C.
It is necessary to select the material of the heat dissipation plate 22 according to the linear expansion coefficient of the material forming the.

【0032】放熱板22の材料を熱伝導性の良好なCu
とした場合、Cuの線膨張係数は約17×10-6/℃で
あり、パッケージ基体12の材料と比べて大きすぎる場
合が多いので、CuにW、Mo等の線膨張係数が小さい
材料を加えて、その線膨張係数を調節する必要がある。
また、パッケージ基体12を構成する材料の熱膨張係数
に対して0.87〜1.13倍の範囲内にあるような金
属材料を選定してもよい。
The material of the heat sink 22 is Cu, which has good thermal conductivity.
In such a case, the coefficient of linear expansion of Cu is about 17 × 10 −6 / ° C., which is often too large compared to the material of the package base 12. Therefore, a material having a small coefficient of linear expansion such as W or Mo is used for Cu. In addition, it is necessary to adjust its linear expansion coefficient.
Further, a metal material having a coefficient of thermal expansion of 0.87 to 1.13 times the thermal expansion coefficient of the material forming the package base 12 may be selected.

【0033】Cu/W製の放熱板22を使用する場合に
は、含浸させる溶融Cuの量を調整して、放熱板22の
熱膨張係数を調節する。
When the heat dissipation plate 22 made of Cu / W is used, the amount of molten Cu to be impregnated is adjusted to adjust the thermal expansion coefficient of the heat dissipation plate 22.

【0034】パッケージ基体12を構成する材料をアル
ミナとした場合には、−65℃〜150℃の温度範囲に
おいて、アルミナの線膨張係数は5.5×10-6/℃で
あるので、前記線膨張係数に対して約0.87〜1.1
3倍となるもの、すなわち線膨張係数が4.8×10-6
/℃〜6.2×10-6/℃の材料から構成される放熱板
22を選択するのが好ましい。前記範囲内の線膨張係数
を有する材料としては、Cuを2.5〜9wt%、Wを
97.5〜91wt%の範囲で有するCu/W製放熱板
が挙げられる。
When the material constituting the package base 12 is alumina, the linear expansion coefficient of alumina is 5.5 × 10 −6 / ° C. in the temperature range of −65 ° C. to 150 ° C. About 0.87 to 1.1 for expansion coefficient
3 times, that is, the coefficient of linear expansion is 4.8 × 10 -6
It is preferable to select the heat radiating plate 22 composed of a material having a temperature of / ° C to 6.2 x 10 -6 / ° C. As a material having a linear expansion coefficient within the above range, a Cu / W radiator plate having Cu in the range of 2.5 to 9 wt% and W in the range of 97.5 to 91 wt% can be mentioned.

【0035】上記したキャビティ部16を備えたセラミ
ック製のパッケージ基体12と、キャビティ部16を封
止するリッド11と、パッケージ基体12とリッド11
との間を気密に封着する半田層15と、金属製放熱板2
2とで構成された放熱板付セラミックパッケージ10に
おいて、−65℃〜150℃の範囲でセラミックパッケ
ージ10の温度を変化させた際に、放熱板22の熱膨張
収縮がパッケージ基体12とリッド11との接合部(半
田層15)に生じる相当歪に及ぼす影響を詳しく調べる
ために、シミュレーションを行った。このシミュレーシ
ョンは外形が66mm×66mm、厚さが3mm、キャ
ビティ部16の外枠が37mm×37mmのパッケージ
基体12に外形が45mm×45mmでその厚さが1m
mの放熱板22を銀ろう付けし、その後外形が42mm
×42mm、厚さが1mmのリッド11をSn、Ag、
In、Bi、Pbよりなる半田により封止したという条
件に基づいて行った。図1は前記シミュレーションを行
った結果を示したグラフである。
A ceramic package base 12 having the above-mentioned cavity 16; a lid 11 for sealing the cavity 16; a package base 12 and a lid 11;
A solder layer 15 that hermetically seals between the
When the temperature of the ceramic package 10 is changed in the range of −65 ° C. to 150 ° C., the thermal expansion and contraction of the heat radiating plate 22 cause the package base 12 and the lid 11 to change. A simulation was performed in order to investigate in detail the influence on the equivalent strain generated in the joint portion (solder layer 15). In this simulation, the outer shape is 66 mm × 66 mm, the thickness is 3 mm, the outer frame of the cavity 16 is 37 mm × 37 mm, the outer shape is 45 mm × 45 mm, and the thickness is 1 m.
m heat radiating plate 22 was brazed with silver, and then the outer shape was 42 mm
The lid 11 having a thickness of 42 mm and a thickness of 1 mm is Sn, Ag,
It was performed based on the condition that it was sealed with solder composed of In, Bi, and Pb. FIG. 1 is a graph showing the result of the simulation.

【0036】図1に示したグラフより明らかなように、
線膨張係数が4.8×10-6/℃〜6.2×10-6/℃
の範囲内にあるものは、前記温度サイクル試験における
1000サイクル許容歪(1.5%)より最大相当歪の
値が小さく、温度サイクル試験においても十分な耐久性
を有する。
As is clear from the graph shown in FIG.
Linear expansion coefficient of 4.8 × 10 -6 /℃~6.2×10 -6 / ℃
In the range of 1, the maximum equivalent strain value is smaller than the 1000 cycle allowable strain (1.5%) in the temperature cycle test, and the durability is sufficient in the temperature cycle test.

【0037】[0037]

【実施例及び比較例】以下、図2に示した実施の形態に
係る放熱板付セラミックパッケージ10につき、具体的
に数値を挙げて特定した実施例及びその効果を説明す
る。実施例に係るセラミックパッケージ10において
は、まず放熱板22として、外形が45mm×45m
m、厚さが1mm、Cu含有量が5wt%、W含有量が
95wt%で、その−65℃〜150℃における熱膨張
係数が約5.5×10-6/℃のCu/W製放熱板22
(実施例1)、サイズは実施例1と同じでCu含有量が
7wt%、W含有量が93wt%、熱膨張係数が約5.
7×10-6/℃のCu/W製放熱板22(実施例2)、
サイズは実施例1と同じでCu含有量が4.5wt%、
W含有量が95.5wt%、熱膨張係数が約5.3×1
-6/℃のCu/W製放熱板22(実施例3)をそれぞ
れ30個ずつ製造した。そして、これらの放熱板22を
前記シミュレーションの場合と同様に、それぞれ外形が
66mm×66mm、厚さが3mm、キャビティ部16
の外枠が37mm×37mmで、線膨張係数が−65℃
〜150℃において5.5×10-6/℃のアルミナ製パ
ッケージ基体12に銀ろう付けし、その後外形が42m
m×42mm、厚さが1mmのアルミナ製リッド11を
Sn、Ag、In、Bi、Pbよりなる半田を用いてパ
ッケージ基体12に接合してパッケージ基体12のキャ
ビティ部16を封止し、セラミックパッケージ10を完
成させた。
EXAMPLES AND COMPARATIVE EXAMPLES Examples and effects of the ceramic package 10 with a radiator plate according to the embodiment shown in FIG. 2 specified by numerical values will be described below. In the ceramic package 10 according to the example, first, as the heat dissipation plate 22, the outer shape is 45 mm × 45 m.
m / thickness 1mm, Cu content 5wt%, W content 95wt%, Cu / W heat dissipation coefficient of about 5.5x10 -6 / ° C at -65 ° C to 150 ° C Board 22
(Example 1) The size is the same as in Example 1, the Cu content is 7 wt%, the W content is 93 wt%, and the thermal expansion coefficient is about 5.
7 × 10 −6 / ° C. Cu / W radiator plate 22 (Example 2),
The size is the same as in Example 1, the Cu content is 4.5 wt%,
W content is 95.5 wt%, thermal expansion coefficient is about 5.3 × 1
30 Cu / W heat sinks 22 (Example 3) each having a temperature of 0 -6 / ° C were manufactured. Then, similar to the case of the simulation, these heat dissipation plates 22 have an outer shape of 66 mm × 66 mm, a thickness of 3 mm, and a cavity portion 16 respectively.
Has an outer frame of 37 mm x 37 mm and a linear expansion coefficient of -65 ° C.
Silver brazing is applied to the alumina package substrate 12 of 5.5 × 10 −6 / ° C. at ˜150 ° C., and then the outer shape is 42 m.
An alumina lid 11 having a size of m × 42 mm and a thickness of 1 mm is joined to the package base 12 with a solder composed of Sn, Ag, In, Bi, and Pb to seal the cavity portion 16 of the package base 12 to form a ceramic package. Completed 10.

【0038】このようにして作製された実施例1〜3に
係る放熱板付きセラミックパッケージ10を用いて、−
65℃〜150℃の温度範囲で温度サイクル試験を行っ
た。
Using the ceramic package 10 with a heat sink according to Examples 1 to 3 thus manufactured,
A temperature cycle test was performed in the temperature range of 65 ° C to 150 ° C.

【0039】なお、従来より使用されている放熱板32
(図3)として、Cu含有量が11wt%、W含有量が
89wt%で、その熱膨張係数が6.5×10-6/℃の
Cu/W製放熱板22を使用した他は、実施例の場合と
同様にして製造した放熱板付きセラミックパッケージ3
0(比較例1)についても、実施例の場合と同様に温度
サイクル試験を行った。
The heat radiating plate 32 which has been conventionally used
As shown in FIG. 3, except that the Cu / W radiator plate 22 having a Cu content of 11 wt% and a W content of 89 wt% and a coefficient of thermal expansion of 6.5 × 10 −6 / ° C. was used. Ceramic package with heat sink manufactured in the same way as the example 3
For 0 (Comparative Example 1), the temperature cycle test was performed as in the case of the example.

【0040】その結果、比較例1に係る放熱板付きセラ
ミックパッケージ30にあっては、1000サイクルの
温度サイクル試験で、10個のうち10個は半田層15
部分での疲労破壊が観察されたのに対し、実施例1〜3
に係る放熱板付きセラミックパッケージ10にあって
は、1000サイクルの温度サイクル試験において、い
ずれのものも半田層15部分での疲労破壊が観察されな
かった。
As a result, in the ceramic package 30 with the radiator plate according to Comparative Example 1, 10 out of 10 solder layer 15 were subjected to the temperature cycle test of 1000 cycles.
Fatigue fracture in the part was observed, while Examples 1-3
In the heat dissipation plate-equipped ceramic package 10 of the above, no fatigue fracture was observed in the solder layer 15 portion in the 1000-cycle temperature cycle test.

【0041】以上のように、実施例に係るセラミックパ
ッケージ10にあっては、パッケージ基体12がアルミ
ナにより構成され、−65℃〜150℃の温度範囲にお
ける金属製放熱板22の熱膨張係数が4.8×10-6
℃〜6.2×10-6/℃の範囲内にあるので、−65℃
〜150℃の温度範囲における1000サイクルの温度
サイクル試験においても、何ら半田層15部分の疲労破
壊は観察されず、耐久性に優れたセラミックパッケージ
を提供することができる。
As described above, in the ceramic package 10 according to the embodiment, the package base 12 is made of alumina, and the thermal expansion coefficient of the metal radiator plate 22 is 4 in the temperature range of -65 ° C to 150 ° C. .8 × 10 -6 /
Since it is in the range of ℃ ~ 6.2 × 10 -6 / ℃, -65 ℃
Even in the temperature cycle test of 1000 cycles in the temperature range of up to 150 ° C., no fatigue fracture of the solder layer 15 portion was observed, and a ceramic package excellent in durability can be provided.

【0042】アルミナ以外の材質により構成されるパッ
ケージ基体12を用いた場合においても同様である。
The same applies when the package base 12 made of a material other than alumina is used.

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

【図1】放熱板付セラミックパッケージの放熱板の熱膨
張係数を変化させ、放熱板の線膨張係数と最大相当歪と
の関係についてシミュレーションを行った結果を示した
グラフである。
FIG. 1 is a graph showing the results of simulations performed on the relationship between the linear expansion coefficient of a heat sink and the maximum equivalent strain by changing the thermal expansion coefficient of the heat sink of the ceramic package with a heat sink.

【図2】本発明の実施の形態に係る放熱板付セラミック
パッケージを模式的に示した断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a ceramic package with a heat dissipation plate according to an embodiment of the present invention.

【図3】従来の放熱板付セラミックパッケージを模式的
に示した断面図である。
FIG. 3 is a sectional view schematically showing a conventional ceramic package with a heat sink.

【図4】(a)は−65℃から150℃に昇温する場合
のパッケージ基体を模式的に示した断面図であり、
(b)は150℃から−65℃に降温する場合のパッケ
ージ基体を模式的に示した断面図である。
FIG. 4A is a cross-sectional view schematically showing a package base when the temperature is raised from −65 ° C. to 150 ° C.
(B) is sectional drawing which showed typically the package base | substrate in the case of temperature-falling from 150 degreeC to -65 degreeC.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 放熱板付セラミックパッケージ 11 リッド 12 パッケージ基体 15 半田層 22 放熱板 10 Ceramic Package with Heat Sink 11 Lid 12 Package Base 15 Solder Layer 22 Heat Sink

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 哲也 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tetsuya Yamamoto 2701-1 Iwakura, East branch, Omine Town, Mine City, Yamaguchi Prefecture Sumitomo Metal Ceramics Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体素子を収納するキャビティ部を備
えたセラミック製のパッケージ基体と、該キャビティ部
を封止するリッドと、前記パッケージ基体と前記リッド
との間を気密に封着する半田層と、前記パッケージ基体
の外表面側にろう材で接合された金属製放熱板とで構成
された放熱板付セラミックパッケージにおいて、−65
℃〜150℃の温度範囲における前記金属製放熱板の熱
膨張係数が前記パッケージ基体の熱膨張係数の0.87
〜1.13倍の範囲内にあることを特徴とする放熱板付
セラミックパッケージ。
1. A ceramic package base having a cavity for accommodating a semiconductor element, a lid for sealing the cavity, and a solder layer for hermetically sealing between the package base and the lid. A ceramic package with a heat sink, which is formed of a metal heat sink joined to the outer surface of the package base with a brazing material,
The thermal expansion coefficient of the metal heat sink in the temperature range of ℃ to 150 ℃ is 0.87 of the thermal expansion coefficient of the package substrate.
A ceramic package with a heat sink characterized by being in the range of up to 1.13 times.
【請求項2】 パッケージ基体がアルミナにより構成さ
れ、−65℃〜150℃の温度範囲における金属製放熱
板の熱膨張係数(線膨張係数)が4.8×10-6/℃〜
6.2×10-6/℃の範囲内にあることを特徴とする請
求項1記載の放熱板付セラミックパッケージ。
2. The package base is made of alumina, and the thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the metal heat sink in the temperature range of −65 ° C. to 150 ° C. is 4.8 × 10 −6 / ° C.
The ceramic package with a heat sink according to claim 1, wherein the ceramic package is in the range of 6.2 × 10 -6 / ° C.
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