JPH11345922A - Semiconductor package and semiconductor module using the same - Google Patents
Semiconductor package and semiconductor module using the sameInfo
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- JPH11345922A JPH11345922A JP35731098A JP35731098A JPH11345922A JP H11345922 A JPH11345922 A JP H11345922A JP 35731098 A JP35731098 A JP 35731098A JP 35731098 A JP35731098 A JP 35731098A JP H11345922 A JPH11345922 A JP H11345922A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体用パッケー
ジに関するものであり、より詳しくは、大出力トランジ
スタ、あるいはマイクロ波モノリシックＩＣ（ＭＭＩ
Ｃ）等の大出力で、高放熱の半導体素子を搭載するため
の放熱特性に優れた半導体用パッケージに関し、またこ
の半導体用パッケージに半導体素子を搭載した半導体モ
ジュールに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor package, and more particularly, to a high power transistor or a microwave monolithic IC (MMI).
The present invention relates to a semiconductor package having excellent heat radiation characteristics for mounting a high-output and high-heat-dissipating semiconductor element such as C), and also relates to a semiconductor module having a semiconductor element mounted on this semiconductor package.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体素子の大出力化、動作周波数の向
上に伴い、これらの素子の発生する熱量が増大してきて
いる。更には、電子機器の小型化、軽量化への市場の要
求は大きく、半導体素子の実装密度は増加の一途をたど
っている。このような半導体素子の発熱量の増大、及び
実装密度の増大に伴って、これらの半導体素子を実装す
るモジュールに要求される放熱特性も一層厳しさを増し
ている。2. Description of the Related Art As the output of semiconductor devices increases and the operating frequency increases, the amount of heat generated by these devices increases. Furthermore, there is a great demand in the market for miniaturization and weight reduction of electronic devices, and the mounting density of semiconductor elements is steadily increasing. With an increase in the amount of heat generated by the semiconductor elements and an increase in the mounting density, the heat radiation characteristics required for a module on which these semiconductor elements are mounted have become more severe.
【０００３】このように高い放熱性が要求される半導体
モジュールでは、ヒートシンクとして熱伝導性の高い材
料で構成された基板を用い、この基板に半導体素子を搭
載することにより、効率的に熱を拡散させて半導体素子
の過熱を防いでいる（米国特許第４７８８６２７号、特
開平７−９９２６８号参照）。尚、この基板は金属部材
に接合され、必要に応じて気密封止して使用される。In a semiconductor module requiring such high heat dissipation, a substrate made of a material having high thermal conductivity is used as a heat sink, and a semiconductor element is mounted on the substrate to efficiently diffuse heat. This prevents overheating of the semiconductor element (see U.S. Pat. No. 4,788,627 and JP-A-7-99268). This substrate is bonded to a metal member and used in a hermetically sealed state as required.
【０００４】このような従来の典型的な半導体モジュー
ルを図３及び図４に示す。図３はその半導体用パッケー
ジの斜視図であり、図４の（ａ）は図３の半導体用パッ
ケージの断面図、及び図４の（ｂ）はその平面図であ
る。金属部材１１の上に取り付けられた基板１２に半導
体素子搭載部１５が設けられ、半導体素子搭載部１５の
周囲には下層の金属部材１１と接続されたビアホール１
４が設けてある。更に、基板１２の両端近くには、メタ
ライズ層１６を介してリードフレーム１３が取り付けら
れている。FIG. 3 and FIG. 4 show such a typical semiconductor module of the related art. 3 is a perspective view of the semiconductor package, FIG. 4A is a cross-sectional view of the semiconductor package of FIG. 3, and FIG. 4B is a plan view thereof. A semiconductor element mounting portion 15 is provided on a substrate 12 mounted on the metal member 11, and a via hole 1 connected to the lower metal member 11 is provided around the semiconductor element mounting portion 15.
4 are provided. Further, near the both ends of the substrate 12, a lead frame 13 is attached via a metallization layer 16.
【０００５】また、従来の半導体モジュールにおいて、
特に大出力トランジスタやＭＭＩＣ等の発熱量の大きな
高出力半導体素子を搭載する場合には、半導体素子を搭
載する基板として熱伝導性が優れ且つ誘電特性にも秀で
た酸化ベリリウム（ＢｅＯ）が広く使用されてきた。In a conventional semiconductor module,
In particular, when a high-output semiconductor element such as a large-output transistor or MMIC having a large amount of heat is mounted, beryllium oxide (BeO) having excellent thermal conductivity and excellent dielectric properties is widely used as a substrate on which the semiconductor element is mounted. Have been used.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】このような、熱伝導性
の優れたＢｅＯを基板として用いた半導体モジュールに
おいても、上記した半導体素子の発熱量の増大及び実装
密度の増大が続く現状では、その放熱特性が不十分とな
っている。ＢｅＯ基板の厚みを薄くして熱抵抗を低減さ
せる試みもなされているが、ＢｅＯ自体が加工性が悪い
上に毒性を有しているため、事実上その薄肉化は限界に
達している。Even in such a semiconductor module using BeO having excellent heat conductivity as a substrate, the increase in the amount of heat generated by the semiconductor element and the increase in the mounting density continue as described above. Heat dissipation characteristics are insufficient. Attempts have been made to reduce the thermal resistance by reducing the thickness of the BeO substrate, but since BeO itself has poor processability and is toxic, its thickness reduction has reached its limit in practice.
【０００７】一方、ダイヤモンドは物質中で最も熱伝導
率が高く、上記のような半導体モジュールの熱抵抗を下
げるには究極の材料といえる。また、ダイヤモンドの誘
電特性も、従来から基板として使用されてきたＢｅＯ、
アルミナ、ＡｌＮ等と比較して遜色無い（特開平４−３
４３２３２号公報参照）。しかし、半導体モジュールに
適用するには低コストで製造できることが重要である
が、ダイヤモンドは価格が高すぎるという問題があっ
た。On the other hand, diamond has the highest thermal conductivity among substances, and can be said to be the ultimate material for lowering the thermal resistance of the semiconductor module as described above. In addition, the dielectric properties of diamond include BeO, which has been conventionally used as a substrate,
Compared to alumina, AlN, etc.
No. 43232). However, it is important to be able to manufacture the semiconductor module at low cost in order to apply it to a semiconductor module, but diamond has a problem that the price is too high.
【０００８】しかも、ダイヤモンドは熱膨張率が半導体
素子に比べて小さいため、その基板上にロウ付けにより
半導体素子を搭載する際に、半導体素子が割れてしまう
という欠点があった。また、ＭＭＩＣを搭載するとき、
アースを低インダクタンスに取るためビアホールを基板
に設けるが、ダイヤモンドは加工が難しいため加工コス
トが大幅に上昇するという問題もあった。更に、ダイヤ
モンドに直接リードフレームを取り付けると、リードフ
レームとダイヤモンドの接着強度が小さいために、リー
ドフレームが剥離しやすいという問題もあった。Moreover, since diamond has a smaller coefficient of thermal expansion than a semiconductor element, there is a disadvantage that the semiconductor element is broken when the semiconductor element is mounted on the substrate by brazing. Also, when mounting MMIC,
Via holes are provided in the substrate to provide a low inductance ground, but diamond is difficult to process, and there is also a problem that the processing cost increases significantly. Further, when the lead frame is directly attached to the diamond, there is a problem that the lead frame is easily peeled off because the bonding strength between the lead frame and the diamond is low.
【０００９】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
毒性が無く製造上安全であり、ヒートシンクとして放熱
性に優れると同時に、半導体素子搭載時における半導体
素子の割れを防止することのできる、安価な半導体用パ
ッケージ及びこれを用いた半導体モジュールを実現する
ことを目的とする。The present invention has been made in view of such conventional circumstances,
To provide an inexpensive semiconductor package and a semiconductor module using the same, which are safe in manufacturing without toxicity, have excellent heat dissipation properties as a heat sink, and can prevent cracking of a semiconductor element when the semiconductor element is mounted. With the goal.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する半導体用パッケージは、半導体素
子を搭載する気相合成ダイヤモンド基板と、該気相合成
ダイヤモンド基板の半導体素子を搭載する面と反対側の
面で該気相合成ダイヤモンド基板に接合した高熱伝導性
の金属部材とを備え、該金属部材が気相合成ダイヤモン
ド基板の周囲に該気相合成ダイヤモンド基板の表面に達
する盛り上がり部を有することを特徴とするものであ
る。In order to achieve the above object, a semiconductor package provided by the present invention comprises a vapor-phase synthetic diamond substrate on which a semiconductor element is mounted, and a semiconductor element of the vapor-phase synthetic diamond substrate. A high thermal conductive metal member joined to the vapor-deposited diamond substrate on the surface opposite to the surface, wherein the metal member surrounds the vapor-deposited diamond substrate and reaches a raised portion reaching the surface of the vapor-deposited diamond substrate It is characterized by having.
【００１１】また、本発明が提供する他の半導体用パッ
ケージは、半導体素子を搭載する熱伝導率１００Ｗ／ｍ
・Ｋ以上の基材と、該基材の半導体素子を搭載する側の
面の一部又は全部に形成した気相合成ダイヤモンド層
と、前記基材の半導体素子を搭載する面と反対側の面で
該基材に接合した高熱伝導性の金属部材とを備え、該金
属部材が前記気相合成ダイヤモンド層を有する基材の周
囲に該気相合成ダイヤモンド層の表面に達する盛り上が
り部を有することを特徴とする。この場合、前記基材は
Ｓｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、Ｃ
ｕＷＭｏ合金から選ばれた少なくとも１種からなること
が好ましい。Another semiconductor package provided by the present invention has a thermal conductivity of 100 W / m on which a semiconductor element is mounted.
A base material of K or more, a vapor-phase synthetic diamond layer formed on part or all of a surface of the base material on which the semiconductor element is mounted, and a surface opposite to the surface of the base material on which the semiconductor element is mounted A metal member having high thermal conductivity bonded to the base material, the metal member having a raised portion reaching the surface of the vapor-phase synthetic diamond layer around the substrate having the vapor-phase synthetic diamond layer. Features. In this case, the base material is Si, AlN, SiC, CuW alloy, CuMo alloy, C
It is preferable that it be made of at least one selected from uWMo alloys.
【００１２】上記のいずれの半導体用パッケージにおい
ても、パッケージのリードフレーム接合箇所に、アルミ
ナ又はアルミナを主成分とするセラミックス部材を配置
することができる。また、前記気相合成ダイヤモンド基
板又は前記気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面
には、比誘電率５以下の絶縁層と金属配線層とからなる
多層配線層を形成することができる。In any of the above-described semiconductor packages, alumina or a ceramic member containing alumina as a main component can be arranged at the joint portion of the lead frame of the package. In addition, a multilayer wiring layer including an insulating layer having a relative dielectric constant of 5 or less and a metal wiring layer can be formed on the semiconductor element mounting surface of the vapor synthetic diamond substrate or the vapor synthetic diamond layer.
【００１３】更に、本発明が提供する半導体モジュール
は、上記した半導体用パッケージにおいて、前記気相合
成ダイヤモンド基板の半導体素子搭載面上に、又は前記
基材表面に形成した気相合成ダイヤモンド層の半導体素
子搭載面上に、高出力半導体素子を搭載したものであ
る。Further, in the semiconductor module provided by the present invention, in the above-mentioned semiconductor package, the semiconductor of the vapor-phase synthetic diamond layer formed on the semiconductor element mounting surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate or on the substrate surface may be used. A high-power semiconductor element is mounted on the element mounting surface.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】本発明では、半導体素子を搭載す
る基板として、気相合成によって形成したダイヤモンド
自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板、若しくは表
面に気相合成ダイヤモンド層を形成した熱伝導率１００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の基材を用いる。気相合成ダイヤモンド
は近年特に開発が進んでおり、天然ダイヤモンドや高圧
合成ダイヤモンドに比べて大面積に合成できるので、半
導体モジュールやパッケージの価格の低減を図ることが
できる。また、この気相合成ダイヤモンド基板か、又は
気相合成ダイヤモンド層を形成した基材を高熱伝導性の
金属部材に接合することにより、半導体用パッケージの
熱抵抗を低下させることが可能となる。かかる高熱伝導
性の金属部材としては、例えばＣｕ、Ｍｏ、ＣｕＷ合
金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＷＭｏ合金が好ましく、これら
のクラッド材を用いることもできる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, as a substrate on which a semiconductor element is mounted, a vapor-phase synthetic diamond substrate composed of a free-standing diamond plate formed by vapor-phase synthesis, or a thermal conductivity having a vapor-phase synthetic diamond layer formed on the surface. 100
Use a substrate of W / m · K or more. Vapor-phase synthetic diamond has been particularly developed in recent years, and can be synthesized in a larger area than natural diamond or high-pressure synthetic diamond, so that the cost of semiconductor modules and packages can be reduced. In addition, by joining this vapor-phase synthetic diamond substrate or the substrate on which the vapor-phase synthetic diamond layer is formed to a metal member having high thermal conductivity, the thermal resistance of the semiconductor package can be reduced. As such a high heat conductive metal member, for example, Cu, Mo, CuW alloy, CuMo alloy, and CuWMo alloy are preferable, and these clad materials can also be used.
【００１５】本発明の半導体用パッケージにおいては、
上記金属部材が、気相合成ダイヤモンド基板又は気相合
成ダイヤモンド層を形成した基材の周囲に、該気相合成
ダイヤモンド基板又は該気相合成ダイヤモンド層の表面
に達する盛り上がり部を有することが好ましい。この盛
り上がり部の内側のみに気相合成ダイヤモンド基板又は
気相合成ダイヤモンド層を形成した基材を収納して金属
部材に接合することにより、気相合成ダイヤモンドから
なる部分及びパッケージの小型化と低価格化を図ること
ができる。しかも、この盛り上がり部によってマイクロ
波やミリ波の漏洩を防止することができるうえ、盛り上
がり部をビアホールの代わりに利用することで、搭載す
る半導体素子にアース電位を供給することが可能とな
り、高性能なパッケージを得ることができる。In the semiconductor package of the present invention,
It is preferable that the metal member has a raised portion that reaches the surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate or the vapor-phase synthetic diamond layer around the vapor-phase synthetic diamond substrate or the substrate on which the vapor-phase synthetic diamond layer is formed. By storing the vapor-phase synthetic diamond substrate or the base material on which the vapor-phase synthetic diamond layer is formed only inside the raised portion and joining it to the metal member, the portion made of the vapor-phase synthetic diamond and the package can be reduced in size and the price can be reduced. Can be achieved. In addition, the raised portions can prevent the leakage of microwaves and millimeter waves, and the raised portions can be used in place of via holes to supply the ground potential to the semiconductor element to be mounted. Package can be obtained.
【００１６】本発明においては、半導体素子を搭載する
基板として、前記のごとく、気相合成により形成された
ダイヤモンド自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板
を用いることができる。その場合、厚さが薄すぎるとダ
イヤモンドの高放熱性が十分発揮できず、逆に厚すぎる
と合成コストの上昇につながるので、気相合成ダイヤモ
ンド基板の厚さは５０〜７００μｍが好ましく、１００
〜５００μｍの範囲がより好ましい。In the present invention, as described above, a vapor-phase synthetic diamond substrate made of a self-standing diamond plate formed by vapor-phase synthesis can be used as a substrate on which a semiconductor element is mounted. In this case, if the thickness is too small, the high heat dissipation of diamond cannot be sufficiently exhibited, and if the thickness is too large, the synthesis cost increases. Therefore, the thickness of the vapor-phase synthesized diamond substrate is preferably 50 to 700 μm, and 100
The range of -500 µm is more preferable.
【００１７】また、本発明の別の形態として、半導体素
子を搭載する基板は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
である基材と、この基材の表面の一部又は全部に設けた
気相合成ダイヤモンド層とから構成することもできる。
熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の基材としては、Ｓ
ｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、Ｃｕ
ＷＭｏ合金の少なくとも１種であることが好ましい。ま
た、この基材の厚さは２００〜７００μｍの範囲が好ま
しい。この基材上に形成する気相合成ダイヤモンド層の
厚さは、５〜２００μｍが好ましく、１０〜１００μｍ
の範囲が更に好ましい。According to another aspect of the present invention, a substrate on which a semiconductor element is mounted is provided on a substrate having a thermal conductivity of 100 W / m · K or more, and on a part or all of the surface of the substrate. It can also be composed of a vapor-phase synthetic diamond layer.
As a base material having a thermal conductivity of 100 W / m · K or more, S
i, AlN, SiC, CuW alloy, CuMo alloy, Cu
Preferably, it is at least one kind of WMo alloy. The thickness of the substrate is preferably in the range of 200 to 700 μm. The thickness of the vapor-phase synthetic diamond layer formed on the substrate is preferably 5 to 200 μm, and 10 to 100 μm.
Is more preferable.
【００１８】この場合には、基材上の気相合成ダイヤモ
ンド層の厚さを薄くすることができるので、より一層低
価格のパッケージが得られる。同時に、基材上の気相合
成ダイヤモンド層が薄いので、半導体素子搭載面の実効
的な熱膨張率はダイヤモンド自立板からなる気相合成ダ
イヤモンド基板の場合に比べて大きくなり、半導体素子
の熱膨張率に近づく。従って、半導体素子の内部に発生
する熱応力を緩和することができ、半導体素子の搭載時
における割れを一層効果的に防止することができる。In this case, the thickness of the vapor-phase synthetic diamond layer on the substrate can be reduced, so that an even lower cost package can be obtained. At the same time, since the vapor-phase synthetic diamond layer on the base material is thin, the effective thermal expansion coefficient of the semiconductor element mounting surface is larger than that of the vapor-phase synthetic diamond substrate composed of a free-standing diamond substrate, and the thermal expansion of the semiconductor element Approach the rate. Therefore, thermal stress generated inside the semiconductor element can be reduced, and cracks during mounting of the semiconductor element can be more effectively prevented.
【００１９】また、基材上に気相合成ダイヤモンド層を
配置することによって、半導体素子から発生する熱を更
に効率よく放散することができる。即ち、半導体素子で
発生した熱は、まず高熱伝導率の気相合成ダイヤモンド
層中を横方向に拡散し、その後気相合成ダイヤモンド層
の全面から下層の高熱伝導率の基材に向かって広がって
いくため、気相合成ダイヤモンド層の厚さが薄くても、
熱拡散性に優れたパッケージを得ることができる。気相
合成ダイヤモンド層中での横方向の良好な熱拡散を得る
ため、気相合成ダイヤモンド層の熱伝導率は１０００Ｗ
／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。Further, by disposing a vapor phase synthetic diamond layer on a substrate, heat generated from a semiconductor element can be more efficiently dissipated. That is, the heat generated in the semiconductor element is first diffused laterally in the high thermal conductivity synthetic diamond layer, and then spreads from the entire surface of the vapor synthetic diamond layer toward the underlying high thermal conductivity base material. Therefore, even if the thickness of the vapor-phase synthetic diamond layer is small,
A package having excellent heat diffusion properties can be obtained. In order to obtain good thermal diffusion in the lateral direction in the vapor-phase synthetic diamond layer, the thermal conductivity of the vapor-phase synthetic diamond layer is 1000 W
/ M · K or more.
【００２０】本発明の半導体用パッケージでは、前記の
気相合成ダイヤモンド基板の半導体素子搭載部、又は前
記基材上の気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載部
に、メタライズ層を形成して、このメタライズ層上に半
導体素子をロウ材により接合する。メタライズ層は、Ａ
ｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌから選
ばれた少なくとも１種の金属又は合金、若しくはそれら
の積層体が好ましい。また、使用するロウ材としては、
Ａｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｔｉから
選ばれた少なくとも１種類の金属又は合金が好ましい。
これらメタライズ層及びロウ付け層の厚みは、合計で
０.１〜５０μｍの範囲とすることが好ましい。In the semiconductor package of the present invention, a metallized layer is formed on the semiconductor element mounting portion of the vapor-phase synthetic diamond substrate or on the semiconductor element mounting portion of the vapor-phase synthetic diamond layer on the substrate. A semiconductor element is joined on the metallized layer with a brazing material. The metallized layer is A
At least one metal or alloy selected from u, Mo, Ni, Pt, Pd, Ti, Cu, and Al, or a laminate thereof is preferable. Also, as the brazing material used,
At least one metal or alloy selected from Au, Si, Ge, Sn, Pb, In, Ag, and Ti is preferable.
The total thickness of the metallized layer and the brazing layer is preferably in the range of 0.1 to 50 μm.
【００２１】半導体用パッケージのリードフレーム接続
箇所には、アルミナ又はアルミナを主成分とするセラミ
ックス部材が配置されていることが好ましい。例えば、
金属部材の盛り上がり部の内側に気相合成ダイヤモンド
基板又は気相合成ダイヤモンド層を有する基材を接合
し、盛り上がり部の外側にセラミック部材を接合して、
このセラミック部材上にメタライズ層を介してリードフ
レームを接続することができる。このように、半導体素
子を搭載する基板とは別に、リードフレーム接続用のセ
ラミック部材を金属部材に接合することによって、コス
トの低減を図ると共に、リードフレームを容易に且つ高
い接着強度で取り付けることができる。It is preferable that alumina or a ceramic member containing alumina as a main component is disposed at a connection point of the lead frame of the semiconductor package. For example,
Bonding the base material having a vapor-phase synthetic diamond substrate or a vapor-phase synthetic diamond layer inside the raised portion of the metal member, and bonding the ceramic member to the outside of the raised portion,
A lead frame can be connected to the ceramic member via a metallized layer. In this way, by connecting the ceramic member for connecting the lead frame to the metal member separately from the substrate on which the semiconductor element is mounted, the cost can be reduced, and the lead frame can be easily attached with high adhesive strength. it can.
【００２２】また、本発明の半導体用パッケージでは、
その気相合成ダイヤモンド基板又は基材上の気相合成ダ
イヤモンド層の半導体素子搭載面に、比誘電率が５以下
の絶縁層と金属配線層とからなる多層配線層を形成する
ことによって、更に半導体素子の搭載密度を高めること
ができる。その結果、半導体モジュールの使用周波数の
増大、並びにパッケージ及びモジュールの小型化に資す
ることができる。In the semiconductor package of the present invention,
By forming a multilayer wiring layer composed of an insulating layer having a relative dielectric constant of 5 or less and a metal wiring layer on the semiconductor element mounting surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate or the vapor-phase synthetic diamond layer on the base material, The mounting density of the elements can be increased. As a result, the use frequency of the semiconductor module can be increased, and the package and the module can be downsized.
【００２３】更に、本発明における半導体用パッケージ
を使用することにより、その気相合成ダイヤモンド基板
上又は気相合成ダイヤモンド層上に、高出力半導体素子
を搭載して、低価格で放熱性に優れた半導体モジュール
を構成することができる。搭載する半導体素子として
は、ＧａＡｓあるいはＳｉを主成分とする高出力半導体
素子、中でも大出力トランジスタやＭＭｌＣが好適であ
る。また、高出力半導体素子は、その発熱領域と反対側
の面を気相合成ダイヤモンド基板側又は基材上の気相合
成ダイヤモンド層側に接合することが好ましい。Further, by using the semiconductor package according to the present invention, a high-power semiconductor element is mounted on the vapor-deposited diamond substrate or on the vapor-deposited diamond layer, so that the heat-dissipation is excellent at low cost. A semiconductor module can be configured. As a semiconductor element to be mounted, a high-output semiconductor element containing GaAs or Si as a main component, particularly a high-output transistor or MMIC is preferable. It is preferable that the surface of the high-power semiconductor element opposite to the heat-generating region is joined to the vapor-deposited diamond substrate or the vapor-deposited diamond layer on the substrate.
【００２４】このように半導体素子を搭載する基板を気
相合成ダイヤモンドで作製することによって、気相合成
ダイヤモンド基板をヒートシンクとするか、若しくは基
材及びその上に形成した気相合成ダイヤモンド層をヒー
トシンクとする、放熱性に優れ且つ熱抵抗の小さい半導
体用パッケージが得られる。この半導体用パッケージに
半導体素子を搭載した半導体モジュールでは、これまで
にない大出力のマイクロ波増幅用トランジスタあるいは
ＭＭＩＣが安定に動作する。As described above, the substrate on which the semiconductor element is mounted is made of vapor-phase synthetic diamond, so that the vapor-phase synthetic diamond substrate can be used as a heat sink or the substrate and the vapor-phase synthetic diamond layer formed thereon can be used as a heat sink. As a result, a semiconductor package having excellent heat dissipation and low thermal resistance can be obtained. In a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a semiconductor package, a high-output microwave amplifying transistor or MMIC that has never been operated stably.
【００２５】[0025]
【実施例】実施例１ 図１に示す本発明の半導体用パッケージを作製した。こ
の半導体用パッケージは、間隔を隔てて平行に設けられ
た２つの盛り上がり部２６を有する金属部材２１を備
え、２つの盛り上がり部２６に囲まれた部位（サブマウ
ント部）には、気相合成により形成されたダイヤモンド
自立板からなる気相合成ダイヤモンド基板２２が接合さ
れている。また、盛り上がり部２６の外側には、枠状の
アルミナからなるセラミック部材２７が接合してある。
気相合成ダイヤモンド基板２２の表面には半導体素子搭
載部２５を有し、セラミック部材２７の表面にはメタラ
イズ層２８を介してリードフレーム２３が取り付けてあ
る。 EXAMPLE 1 A semiconductor package of the present invention shown in FIG. 1 was manufactured. The semiconductor package includes a metal member 21 having two raised portions 26 provided in parallel at a distance from each other, and a portion (submount portion) surrounded by the two raised portions 26 is formed by a gas phase synthesis. The vapor-phase synthetic diamond substrate 22 formed of the formed free-standing diamond plate is joined. A ceramic member 27 made of a frame-shaped alumina is joined to the outside of the raised portion 26.
A semiconductor element mounting portion 25 is provided on the surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate 22, and a lead frame 23 is attached to the surface of the ceramic member 27 via a metallized layer 28.
【００２６】この半導体用パッケージは、以下のごとく
製造した。即ち、ＣｕＷ合金からなる金属部材２１に、
サブマウント部を囲むように高さＨだけ盛り上げて、平
行な２つの盛り上がり部２６を形成した。この盛り上が
り部２６の外側に嵌め込むことができるように、アルミ
ナからなる厚さＨの枠状のセラミック部材２７を形成
し、その表面のリードフレーム２３の接合箇所にメタラ
イズ層２８を設け、裏面にもメタライズ層（図示せず）
を形成した。このセラミック部材２７の裏面を金属部材
２１に、及び表面のメタライズ層２８にリードフレーム
２３を、それぞれ銀ロウにてロウ付け接合した。This semiconductor package was manufactured as follows. That is, the metal member 21 made of a CuW alloy
Two parallel raised portions 26 were formed by raising the height H so as to surround the submount portion. A frame-shaped ceramic member 27 made of alumina and having a thickness of H is formed so that it can be fitted outside the raised portion 26, a metallized layer 28 is provided on a joint portion of the lead frame 23 on the surface thereof, and Also metallization layer (not shown)
Was formed. The lead frame 23 was solder-bonded to the metal member 21 on the back surface of the ceramic member 27 and to the metallized layer 28 on the front surface using a silver braze.
【００２７】気相合成ダイヤモンド基板２２となるダイ
ヤモンド自立板は、熱フィラメントＣＶＤ法により下記
表１の条件でＳｉ基板上にダイヤモンドを気相合成し、
その成長表面を研磨し、更にＳｉ基板を酸によって溶解
除去して作製した。得られたダイヤモンド自立板の熱伝
導率をレーザーフラッシュ法によって測定したところ、
１０５０〜１１５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内であった。The diamond free-standing plate serving as the vapor-phase synthesized diamond substrate 22 is prepared by vapor-phase synthesizing diamond on a Si substrate by the hot filament CVD method under the conditions shown in Table 1 below.
The growth surface was polished, and the Si substrate was dissolved and removed with an acid to produce the substrate. When the thermal conductivity of the obtained diamond free-standing plate was measured by a laser flash method,
It was in the range of 1,050 to 1,150 W / mK.
【００２８】[0028]
【表１】 原料ガス １.２％メタン−水素 流 量 ５００ｓｃｃｍ 圧 力 ８０Ｔｏｒｒ 基板温度 ８００℃ フィラメント タングステン フィラメント温度 ２２００℃[Table 1] Source gas 1.2% Methane-hydrogen flow rate 500 sccm Pressure 80 Torr Substrate temperature 800 ° C Filament Tungsten Filament temperature 2200 ° C
【００２９】このダイヤモンド自立板を、レーザー加工
により前記金属部材２１の盛り上がり部２６に囲まれた
サブマウント部に収納可能な直方体に切り出し、気相合
成ダイヤモンド基板２２とした。この気相合成ダイヤモ
ンド基板２２の表面の半導体素子搭載部２５に、下から
順にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを積層して、１μｍＡｕ／０.１
μｍＰｔ／０.０５μｍチタンの積層体からなるメタラ
イズ層を形成した。このダイヤモンド自立板２２の裏面
を、ＡｕＧｅロウ付けにより金属部材２１の盛り上がり
部２６に囲まれたサブマウント部に接合した。The diamond self-standing plate was cut into a rectangular parallelepiped that could be stored in a submount surrounded by the raised portion 26 of the metal member 21 by laser processing, and was used as a vapor-phase synthetic diamond substrate 22. Ti, Pt, and Au are laminated in this order from the bottom on the semiconductor element mounting portion 25 on the surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate 22, and 1 μm Au / 0.1
A metallized layer made of a laminated body of μmPt / 0.05 μm titanium was formed. The back surface of the self-supporting diamond plate 22 was joined to a submount portion surrounded by a raised portion 26 of the metal member 21 by AuGe brazing.
【００３０】かくして得られた半導体用パッケージの寸
法は、気相合成ダイヤモンド基板２２が縦３ｍｍ×横７
ｍｍ×厚さ０.３ｍｍ、金属部材２１の厚さが１.５ｍ
ｍ、その盛り上がり部２６の高さＨが０.４５ｍｍであ
る。この半導体用パッケージを用い、その気相合成ダイ
ヤモンド基板２２の表面の半導体素子搭載部２５にＭＭ
ＩＣチップ（発熱量６０Ｗ）を搭載して、半導体モジュ
ールを構成した。この半導体モジュールを駆動したとこ
ろ、放熱性が非常に高く且つチップに対するアース電位
の供給もインダクタンスを小さくできるため、ＭＭＩＣ
チップは高効率に安定して長時間動作することができ
た。The dimensions of the semiconductor package obtained in this way are as follows.
mm x thickness 0.3 mm, thickness of metal member 21 is 1.5 m
m, and the height H of the raised portion 26 is 0.45 mm. Using this semiconductor package, MM is mounted on the semiconductor element mounting portion 25 on the surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate 22.
A semiconductor module was configured by mounting an IC chip (heating value: 60 W). When this semiconductor module is driven, the heat dissipation is very high and the supply of the ground potential to the chip can reduce the inductance.
The chip was able to operate efficiently and stably for a long time.
【００３１】一方、上記ダイヤモンド自立板からなる気
相合成ダイヤモンド基板２２の代わりに、従来のＡｌＮ
基板又はＢｅＯ基板をサブマウント部に搭載した半導体
用パッケージを作製し、上記と同様にＭＭＩＣチップを
搭載して使用したところ、チップの発熱量が１０Ｗを越
えると温度上昇により誤動作が頻発し、ついにはＭＭＩ
Ｃチップが破損した。On the other hand, instead of the vapor-phase synthetic diamond substrate 22 composed of the above-mentioned diamond free-standing plate, a conventional AlN
When a semiconductor package in which a substrate or a BeO substrate is mounted on a submount portion is manufactured and an MMIC chip is mounted and used in the same manner as described above, malfunctions frequently occur due to a temperature rise when the heat generation of the chip exceeds 10 W. Is MMI
C chip was broken.
【００３２】実施例２ 上記実施例１のダイヤモンド自立板からなる気相合成ダ
イヤモンド基板２２に代えて、図２に示すように、表面
に気相合成ダイヤモンド層２４ｂを設けた基材２４ａを
使用して、同様に半導体用パッケージを作製した。尚、
気相合成ダイヤモンド層２４ｂの形成は以下の通り行っ
たが、その他の製法及びパッケージの寸法は上記実施例
１と同様とした。 Embodiment 2 In place of the vapor-phase synthetic diamond substrate 22 of the above-described embodiment 1 which is a self-standing diamond plate, as shown in FIG. 2, a substrate 24a having a vapor-phase synthetic diamond layer 24b on the surface is used. Thus, a semiconductor package was similarly manufactured. still,
The vapor-phase synthetic diamond layer 24b was formed as described below, but other manufacturing methods and package dimensions were the same as those in the first embodiment.
【００３３】即ち、気相合成ダイヤモンド層２４ｂの形
成については、基材２４ａとして、Ｓｉ、ＡｌＮ、Ｃｕ
Ｗ合金、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4をそれぞれ用意し、その一表
面をダイヤモンドパウダーを使用して傷つけ処理を行っ
た後、熱フィラメントＣＶＤ法により下記表２の条件で
基材２４ａの全表面にダイヤモンドを成長させた。That is, as for the formation of the vapor phase synthetic diamond layer 24b, Si, AlN, Cu
W alloy, SiC, and Si 3 N 4 were prepared, and one surface was damaged using diamond powder. Then, diamond was applied to the entire surface of the substrate 24a by the hot filament CVD method under the conditions shown in Table 2 below. Grew.
【００３４】[0034]
【表２】 原料ガス ０.８％メタン−水素 流 量 ４００ｓｃｃｍ 圧 力 ９０Ｔｏｒｒ 基板温度 ７７０℃ フィラメント タングステン フィラメント温度 ２２５０℃Table 2 Source gas 0.8% methane-hydrogen flow rate 400 sccm Pressure 90 Torr Substrate temperature 770 ° C Filament Tungsten Filament temperature 2250 ° C
【００３５】各基材２４ａの表面に、高い接着強度の気
相合成ダイヤモンド層２４ｂが形成された。基材２４ａ
の厚さは全て０．２８ｍｍであり、各気相合成ダイヤモ
ンド層２４ｂは研磨後の厚さが２０μｍとなるようにし
た。また、得られた各気相合成ダイヤモンド層２４ｂの
熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定したとこ
ろ、いずれも１１５０〜１２５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内で
あった。A vapor-phase synthetic diamond layer 24b having a high adhesive strength was formed on the surface of each substrate 24a. Base material 24a
Was 0.28 mm, and the thickness of each of the vapor-phase synthetic diamond layers 24 b was 20 μm after polishing. When the thermal conductivity of each of the obtained vapor-phase synthetic diamond layers 24b was measured by a laser flash method, all of them were in the range of 1150 to 1250 W / m · K.
【００３６】各気相合成ダイヤモンド層２４ｂを研磨し
た後、全体を直方体にレーザー切断し、その表面に実施
例１と同様にメタライズ層を施し、更に実施例１と同様
に金属部材２１の盛り上がり部２６で囲まれたサブマウ
ント部に接合して、半導体用パッケージとした。After polishing each vapor-phase synthetic diamond layer 24b, the whole is cut by a laser into a rectangular parallelepiped, and a metallized layer is applied to the surface thereof in the same manner as in the first embodiment. It was joined to a submount surrounded by 26 to form a semiconductor package.
【００３７】得られた各半導体用パッケージについて、
気相合成ダイヤモンド層２４ｂの表面の半導体素子搭載
部２５にＭＭＩＣチップ（発熱量６０Ｗ）を搭載して、
半導体モジュールを構成した。これらの各半導体モジュ
ールを駆動したところ、実施例１と同様にＭＭＩＣチッ
プは高効率で安定して長時間動作することができた。た
だし、基材２４ａがＳｉ3Ｎ4の場合のみ、動作開始後数
分でＭＭＩＣチップが加熱して破損した。これは、Ｓｉ
3Ｎ4焼結体の熱伝導率が２０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋと小さい
ためであると考えられる。For each of the obtained semiconductor packages,
An MMIC chip (heating value: 60 W) is mounted on the semiconductor element mounting portion 25 on the surface of the vapor-phase synthetic diamond layer 24 b,
A semiconductor module was constructed. When each of these semiconductor modules was driven, the MMIC chip was able to operate with high efficiency and stably for a long time as in the first embodiment. However, only when the substrate 24a was Si 3 N 4 , the MMIC chip was heated and damaged within a few minutes after the start of operation. This is Si
3 the thermal conductivity of the N 4 sintered body is considered to be smaller and 20~50W / m · K.
【００３８】[0038]
【発明の効果】本発明によれば、半導体素子を搭載する
基板として、気相合成ダイヤモンド基板か又は気相合成
によりダイヤモンド層を形成した高熱伝導率の基材を用
いることにより、有毒なＢｅＯを用いないので製造上安
全であり、放熱性に優れ且つ熱抵抗が小さく、搭載時の
半導体素子の割れを防止することができる半導体用パッ
ケージが得られる。According to the present invention, toxic BeO can be produced by using a vapor phase synthetic diamond substrate or a substrate having a high thermal conductivity on which a diamond layer is formed by vapor phase synthesis as a substrate on which a semiconductor element is mounted. Since it is not used, a semiconductor package which is safe in manufacturing, has excellent heat dissipation, has low thermal resistance, and can prevent cracking of a semiconductor element during mounting can be obtained.
【００３９】特に、高熱伝導率の基材上に薄い気相合成
ダイヤモンド層を設けた基板を用いた場合には、表面の
見掛けの熱膨張係数を大きくすることができるので、そ
の上に搭載する半導体素子の破損をより確実に防ぐこと
ができる。In particular, when a substrate having a thin vapor-phase synthetic diamond layer provided on a substrate having a high thermal conductivity is used, the apparent thermal expansion coefficient of the surface can be increased. The damage of the semiconductor element can be more reliably prevented.
【００４０】更に、金属部材に盛り上がり部を設けるこ
とによって、アース電位を低インダクタンスで供給で
き、且つマイクロ波やミリ波の漏洩のない半導体モジュ
ールが得られるので、ＭＭＩＣ等の大出力で高放熱の半
導体素子であっても安定して動作させることが可能であ
る。Furthermore, by providing a raised portion on the metal member, a ground potential can be supplied with a low inductance and a semiconductor module free of microwave or millimeter wave leakage can be obtained. Even a semiconductor element can be operated stably.
【図１】本発明の半導体用パッケージの一具体例を示す
概略の図面であり、その（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線に沿
った断面図、及び（ｂ）は平面図である。FIG. 1 is a schematic drawing showing a specific example of a semiconductor package of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view taken along the line AA of (b), and (b) is a plan view. .
【図２】本発明の半導体用パッケージの他の具体例を示
す概略の図面であり、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿っ
た断面図、及び（ｂ）は平面図である。FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams showing another specific example of the semiconductor package of the present invention, in which FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 2B, and FIG. .
【図３】従来の半導体用パッケージの具体例を示す概略
の斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view showing a specific example of a conventional semiconductor package.
【図４】従来の半導体用パッケージの具体例を示す概略
の図面であり、（ａ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面
図、及び（ｂ）は平面図である。4A and 4B are schematic drawings showing a specific example of a conventional semiconductor package, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 4B, and FIG. 4B is a plan view.
１１、２１ 金属部材 １２ 基板 １３、２３ リードフレーム １４ ビアホール １５ 半導体素子 １６、２８ メタライズ層 ２２ 気相合成ダイヤモンド基板 ２４ａ 基材 ２４ｂ 気相合成ダイヤモンド層 ２５ 半導体素子搭載部 ２６ 盛り上がり部 ２７ セラミック部材 11, 21 Metal member 12 Substrate 13, 23 Lead frame 14 Via hole 15 Semiconductor element 16, 28 Metallized layer 22 Vapor-phase synthetic diamond substrate 24a Base material 24b Vapor-phase synthetic diamond layer 25 Semiconductor element mounting portion 26 Rising portion 27 Ceramic member
Claims (6)
ンド基板と、該気相合成ダイヤモンド基板の半導体素子
を搭載する面と反対側の面で該気相合成ダイヤモンド基
板に接合した高熱伝導性の金属部材とを備え、該金属部
材が気相合成ダイヤモンド基板の周囲に該気相合成ダイ
ヤモンド基板の表面に達する盛り上がり部を有すること
を特徴とする半導体用パッケージ。1. A gas-phase synthetic diamond substrate on which a semiconductor element is mounted, and a metal having high thermal conductivity bonded to the gas-phase synthetic diamond substrate on a surface of the gas-phase synthetic diamond substrate opposite to a surface on which the semiconductor element is mounted. A package for a semiconductor, comprising: a metal member; and the metal member having a raised portion around the vapor-phase synthetic diamond substrate and reaching a surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate.
／ｍ・Ｋ以上の基材と、該基材の半導体素子を搭載する
側の面の一部又は全部に形成した気相合成ダイヤモンド
層と、前記基材の半導体素子を搭載する面と反対側の面
で該基材に接合した高熱伝導性の金属部材とを備え、該
金属部材が前記気相合成ダイヤモンド層を有する基材の
周囲に該気相合成ダイヤモンド層の表面に達する盛り上
がり部を有することを特徴とする半導体用パッケージ。2. A thermal conductivity of 100 W on which a semiconductor element is mounted.
/ M · K or more, a vapor-phase synthetic diamond layer formed on part or all of a surface of the substrate on which the semiconductor element is mounted, and a side opposite to the surface of the substrate on which the semiconductor element is mounted A metal member having high thermal conductivity bonded to the base material on the surface of the base material, and the metal member has a raised portion reaching the surface of the gas-phase synthetic diamond layer around the base material having the gas-phase synthetic diamond layer. A semiconductor package characterized by the above-mentioned.
Ｗ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＷＭｏ合金から選ばれた少
なくとも１種からなることを特徴とする、請求項２に記
載の半導体用パッケージ。3. The method according to claim 1, wherein the base material is Si, AlN, SiC, Cu.
The semiconductor package according to claim 2, comprising at least one selected from a W alloy, a CuMo alloy, and a CuWMo alloy.
に、アルミナ又はアルミナを主成分とするセラミックス
部材が配置されていることを特徴とする、請求項１〜３
のいずれかに記載の半導体用パッケージ。4. The package according to claim 1, wherein alumina or a ceramic member containing alumina as a main component is arranged at a joint portion of the lead frame of the package.
The semiconductor package according to any one of the above.
気相合成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面に、比誘電
率５以下の絶縁層と金属配線層とからなる多層配線層が
形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいず
れかに記載の半導体用パッケージ。5. A multi-layered wiring layer comprising an insulating layer having a relative dielectric constant of 5 or less and a metal wiring layer is formed on the semiconductor element mounting surface of the vapor-deposited diamond substrate or the vapor-deposited diamond layer. The semiconductor package according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
ケージにおいて、前記気相合成ダイヤモンド基板の半導
体素子搭載面上に、又は前記基材表面に形成した気相合
成ダイヤモンド層の半導体素子搭載面上に、高出力半導
体素子を搭載したことを特徴とする半導体モジュール。6. The semiconductor package according to claim 1, wherein a semiconductor element mounting surface of the vapor-phase synthetic diamond substrate or a vapor-phase synthetic diamond layer formed on the surface of the base material. A semiconductor module having a high-power semiconductor element mounted on a surface.
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|---|---|---|---|
| JP35731098A JP4055276B2 (en) | 1998-01-16 | 1998-12-16 | Semiconductor package and semiconductor module using the package |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6483040B2 (en) | 2000-03-02 | 2002-11-19 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Package and method of manufacturing the same |
| JP2003031765A (en) * | 2001-07-17 | 2003-01-31 | Hitachi Ltd | Power module and inverter |
| JP2011249576A (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-08 | Kobe Steel Ltd | Diamond-aluminum joined body and method for producing the same |
-
1998
- 1998-12-16 JP JP35731098A patent/JP4055276B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2003031765A (en) * | 2001-07-17 | 2003-01-31 | Hitachi Ltd | Power module and inverter |
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