JPH0997855A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0997855A
JPH0997855A JP25398895A JP25398895A JPH0997855A JP H0997855 A JPH0997855 A JP H0997855A JP 25398895 A JP25398895 A JP 25398895A JP 25398895 A JP25398895 A JP 25398895A JP H0997855 A JPH0997855 A JP H0997855A
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JP
Japan
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lid
metal
ceramic
envelope
semiconductor device
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Application number
JP25398895A
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English (en)
Inventor
Nobuo Iwase
暢男 岩瀬
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 半導体外囲器に装着された半導体チップを保
護するための外囲器用蓋は、従来金属またはセラミック
スで作られている。しかしセラミックスは成形性および
加工性が劣り、外囲器との半田付けに前処理を必要とす
る。金属は外囲器本体のセラミックスとの熱膨張率の差
が大きいため半田付けした接合部に負荷がかかり、半導
体装置の信頼性が低い。 【解決手段】 半導体外囲器用蓋30の、少なくとも外
囲器本体20との接合箇所に金属31を、その他の部分
にセラミックス32を併用する部分複合構造を採用し
た。成形性〜半田付け性は金属の特徴を生かす一方、そ
の熱膨張は積層されたセラミックスが抑制する結果、半
導体装置の信頼性が増大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、外囲器用蓋との接
合の信頼性が優れた半導体装置ならびに外囲器用蓋に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体外囲器の蓋は、半導体チップを納
めた外囲器を気密に封止し、半導体チップの機械的保護
を図るためのもので、従来はアルミナその他のセラミッ
クス、または鉄−ニッケル系合金例えばWH社のKOV
AR,GE社のFERNICO(何れも商品名)などの
金属で作られていた。図2のようにこの蓋(30)は、
セラミックスの外囲器本体(20)に半田付け,ろう接
などにより気密に接合して使用される。なお図中の他の
符号は後述する実施例(図1)と同一である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】セラミックスは所望の
蓋状に成形したり蓋の上に放熱フィンを取り付ける際の
加工が難しく、機械的に破損し易いことなどの問題があ
り、また半田付けに際しては接合箇所にメタライズなど
表面金属化の前処理を施す必要がある。
【0004】一方金属・合金の場合は加工性は良いもの
の、放熱性が劣ること、熱膨張率が外囲器本体のセラミ
ックスに比べて大きいために接合の信頼性が悪く、その
対策として機械的逃げ、応力緩和用の溝を設ける必要が
あるなどの問題があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る蓋は、少な
くとも外囲器本体との接合箇所には金属を、その他の部
分にセラミックスを併用することにより、接合箇所にお
ける熱歪みを抑制するとともに、金属の加工性,半田付
け性その他の特性とセラミックスの放熱性などを併せ持
たせたものである。この構成により両材質の長所を生か
し短所を補った結果、接合の信頼性が著しく改善された
半導体装置を提供することができる。
【0006】本発明の実施に際し、蓋の主要部を構成す
る金属は所要の形状に形成する際の加工性,外囲器本体
との半田付け性,蓋に貼り合わせるセラミックスとの接
合性などを勘案して選ばれるが、前述の鉄−ニッケル系
合金のほか銅,鉄,ニッケルおよびアルミニウムなどの
金属またはこれらの合金が適している。
【0007】また蓋に貼り合わせるセラミックスとして
は、従来から外囲器本体やその蓋に用いられているアル
ミナ,窒化アルミニウム,窒化ホウ素および窒化ケイ素
から適宜に選ばれるが、外囲器本体の構成材と同質のも
のがより好ましい。なお金属との組み合わせについて
は、ここに列挙した各材料の範囲内であれば、本発明の
実施にとくに不適当な組み合わせはない。
【0008】
【発明の実施の形態】
(実施例1) 先ず厚さ0.15mmの無酸素銅箔を用
意して、その上に厚さ0.5mm,縦横それぞれ20m
mの窒化アルミニウム(AlN)薄板を載せて温度10
75℃の窒素雰囲気炉に入れ、両者をDBC法(銅直接
接合法)により接合した。次にセラミックス面が蓋の内
側,即ち半導体側に来るようにして銅箔を絞り加工し、
外形が25mm角の蓋状に成形した。
【0009】次にこの蓋を、半導体チップを装着した窒
化アルミニウム製の外囲器本体に被せ、AuSn半田を
用いて所定の温度,雰囲気(320℃,窒素雰囲気)で
接合した。外囲器本体の外形は25mm角、厚さ2m
m,導体の積層数6であり、蓋との接合部には気密封止
用のAu電極が、半導体チップの載置される反対側には
0.675mm直径の入出力用電極が1.0mmピッチ
で形成されている。図1はかくして得られた半導体装置
の概略を示す断面図で、(20)は半導体チップ(1
0)を保持する外囲器本体,(21)は気密封止用電
極,(22)は入出力用電極である。蓋(30)は銅箔
を絞り加工した金属部材(31)の天面内側にセラミッ
クス部材(32)が接合された部分積層構造になってい
る。このため、蓋の大部分を占める天面部の熱膨張がセ
ラミックス部材により拘束される結果として蓋全体の熱
膨張が緩和され、外囲器本体との接合部に及ぼす影響
(熱歪み)が減少する訳である。
【0010】かくして得られた半導体装置について、H
e気密試験を実施した結果、10-8atm.cc/se
c以下の高い気密性が確保できた。この値は、初期気密
度として実用上十分なものである。またΔVbe法によ
る熱抵抗を測定した結果、半導体動作部〜大気間の熱抵
抗は13℃/Wであった。この値は窒化アルミニウムセ
ラミックスの蓋を使用した場合と放熱性がほぼ同等であ
ることを示し、一方、金属(KOVAR…商品名)製の
蓋の場合よりは10℃/W優れている。
【0011】次にTCT信頼性試験(−65℃〜155
℃冷熱サイクル,ΔT=200℃)を行なった結果、5
00サイクル経過後でも気密性および半田付けの接合部
に異常はなかった。この結果はセラミックス蓋を使用し
た場合の寿命と同等であり、また金属(KOVAR)の
蓋の場合の限界200サイクルに比べて大幅に寿命が延
びている。即ち本発明に係る蓋は半田付け性は金属材と
同等,放熱性、信頼性はセラミックスと同等で、従来材
の優れた点のみを併せ持つことが実証された。
【0012】(実施例2) 上述の実施例1における銅
箔(31)と窒化アルミニウム薄板(32)との接合を
DBC法から活性金属法に変え、そのほかは実施例1と
同様にしたたもので、即ちTiおよびTi化合物を含む
ペーストを用いて、蓋を構成する両部材の接合を行なっ
た。
【0013】かくして得られた試料について実施例1と
同様に評価試験を実施した結果は、実施例1の場合と殆
ど同一のデータが得られ、実施例1と同じく本発明の有
用性が確認された。これはまた、構成部材に変更がなけ
れば、接合方法を変えても蓋自体の諸特性に格別の変化
は生じないことを意味するものである。
【0014】(実施例3) 先ず厚さ0.25mmの無
酸素銅箔を用意して、その上に厚さ0.2mm,縦横そ
れぞれ37mmの窒化ケイ素セラミックス(SiN)薄
板を載せて、両者を活性金属法により接合した。即ち、
窒化チタンとタングステンの粉末を含むペーストをSi
N薄板に印刷して、銅箔の所定の位置に貼り合わせ、こ
れを温度1000〜1083℃の窒素雰囲気炉に通して
両者を接合した。次にセラミックス面が蓋の内側,即ち
半導体側に来るようにして銅箔を絞り加工し、所要の蓋
を成形した。蓋の内側の高さは1mmで、半導体チップ
の厚さ0.45mmおよびワイヤーボンディングに十分
なスペースになっている。
【0015】次にこの蓋を、半導体チップが装着された
窒化アルミニウム製の外囲器本体に被せ、AuSn半田
を用いて所定の温度,雰囲気(320℃,窒素雰囲気)
で接合した。外囲器本体の外形は40mm角、厚さ3m
m,導体積層数10であり、蓋との接合部には厚さ4μ
mのニッケル下地の上に厚さ4μmのAu電極(気密封
止用)を鍍金して、半田が濡れやすい状態にしてある。
半導体チップの載置される反対側には0.35mm直径
の入出力用Au電極が0.8mmピッチで形成されてい
る。
【0016】かくして得られた半導体装置について、H
e気密試験を実施した結果、10-8atm.cc/se
c以下の高い気密性が確保できた。この値は、初期気密
度として実用上十分なものである。また、ΔVbe法に
よる熱抵抗を測定した結果、半導体動作部〜大気間の熱
抵抗は8℃/Wであった。この値は、窒化ケイ素セラミ
ックスの蓋を使用した場合と放熱性がほぼ同等であるこ
とを示し、一方、金属(KOVAR…商品名)製の蓋の
場合よりは15℃/W優れている。
【0017】次にTCT信頼性試験(−65℃〜155
℃冷熱サイクル,ΔT=225℃)を行なった結果、3
00サイクル経過後でも気密性および半田付けの接合部
に異常はなかった。この結果はセラミックス蓋を使用し
た場合の寿命と同等であり、また金属(KOVAR)の
蓋の場合は100サイクルで不良を生じたのに比べて大
幅に寿命が延びている。即ち本発明に係る蓋は半田付け
性は金属材と同等,放熱性、信頼性はセラミックスと同
等で、従来材の優れた点のみを併せ持つことが実証され
た。
【0018】(実施例4) 実施例3における外囲器本
体の材質を窒化ケイ素セラミックス単板に変え、蓋と外
囲器本体との接合に64Sn/Pb共晶半田を用いた半
導体装置を作製した。
【0019】この半導体装置についてHe気密試験,Δ
Vbe法による熱抵抗の測定およびTCT信頼性試験
(上記実施例3と同一条件)を行なった結果、気密性は
10-8atm.cc/sec以下,熱抵抗は8℃/Wで
あり、信頼性については300サイクル経過後も気密性
および半田付けの接合部に異常は認められず、実施例3
の場合と同様の優れた結果が得られた。なお、以上の各
実施例ではセラミックス部材(32)を蓋の内側に設け
た実施態様を説明したが、これを図3のように、蓋の外
側に設けることも可能である。
【0020】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明に係る半導体
外囲器用蓋は熱伝導率が高く、外囲器本体との接合部は
金属で半田付け性が優れ、しかも熱膨張率が外囲器本体
のセラミックスと近いために、本発明の実施により半導
体装置の信頼性を著しく高めるという効果を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る半導体装置の概略構成
を示す断面図である。
【図2】従来の半導体装置の概略構成を示す断面図であ
る。
【図3】本発明の他の実施例に係る半導体装置の概略構
成を示す断面図である。
【符号の説明】
10 半導体チップ 20 外囲器本体 30 外囲器の蓋 31 金属部材 32 セラミックス部材 33 半田(半田付け部) 21 気密封止用電極 22 入出力用電極 23 信号,電源,接地電極 24 ボンディングワイヤー

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックスおよび金属の複合体からな
    る外囲器用蓋を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 外囲器用蓋のセラミックスがアルミナ,
    窒化アルミニウム,窒化ホウ素または窒化ケイ素であ
    る、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 外囲器用蓋の金属が銅,鉄,ニッケルお
    よびアルミニウムの少なくとも1種の金属またはこれら
    の合金、またはFe−Ni−Co合金である請求項1ま
    たは請求項2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 外囲器用蓋のセラミックスが窒化アルミ
    ニウム,窒化ホウ素または窒化ケイ素であり、金属が
    銅,鉄およびアルミニウムの少なくとも1種の金属また
    はこれらの合金、またはFe−Ni−Co合金である、
    請求項1に記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 セラミックスおよび金属の複合体からな
    ることを特徴とする半導体装置の外囲器用蓋。
  6. 【請求項6】 セラミックスが窒化アルミニウム,窒化
    ホウ素または窒化ケイ素であり、金属が銅,鉄およびア
    ルミニウムの少なくとも1種の金属またはこれらの合
    金、またはFe−Ni−Co合金である、請求項5に記
    載の半導体装置の外囲器用蓋。
  7. 【請求項7】 セラミックスと金属の接合が銅直接接合
    (DBC)法またはこれと同一原理の接合法による、請
    求項6に記載の半導体装置の外囲器用蓋。
  8. 【請求項8】 セラミックスと金属の接合が活性金属法
    による、請求項6に記載の半導体装置の外囲器用蓋。
  9. 【請求項9】 蓋の用途がモジュール用である、請求項
    5,請求項6,請求項7または請求項8に記載の半導体
    装置の外囲器用蓋。
  10. 【請求項10】 蓋の四周が金属、蓋の天面が金属とセ
    ラミックスの積層材からなる、請求項5,請求項6,請
    求項7,請求項8または請求項9に記載の半導体装置の
    外囲器用蓋。
JP25398895A 1995-09-29 1995-09-29 半導体装置 Pending JPH0997855A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7239010B2 (en) 2004-03-23 2007-07-03 Hitachi, Ltd. Semiconductor device

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