JPS59134852A - 集積回路パツケ−ジ - Google Patents

集積回路パツケ−ジ

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JPS59134852A
JPS59134852A JP58007306A JP730683A JPS59134852A JP S59134852 A JPS59134852 A JP S59134852A JP 58007306 A JP58007306 A JP 58007306A JP 730683 A JP730683 A JP 730683A JP S59134852 A JPS59134852 A JP S59134852A
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cap
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Hironori Kodama
弘則 児玉
Katsuhiro Sonobe
薗部　勝弘
Hiroaki Doi
土居　博昭
Fumiyuki Kobayashi
小林　二三幸
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集積回路パッケージに係シ、特にセラミックス
パッケージ部材の熱膨張係数の整合と熱放散性に特徴の
ある集積回路パッケージに関する。
セラミックス系の絶縁基、板、キャップおよび封止材か
らなるパッケージによって気密に囲われた小室内に、半
導体素子並びに外部から導入されたリード片の端部と両
者を電気的に接続したワイヤとを収容した構造になる集
積回路パッケージ（パッケージされた集積回路製品を指
す）は、今日広く使われているう そのようなセラミックスのパッケージを用いた際の離点
として、半導体素子に生じた熱の放散特性が極めて悪い
という問題が指摘される。このことは、半導体素子の大
容量化、高集積化および小型化全図るうえで、大きな障
害となっている。従って、集積回路パッケージにおいて
、半導体素子をと９つける絶縁基板に使われるセラミッ
クスには、電気絶縁性とともに優れた熱伝導性を有する
ことが要求される。また、基板用材料としては、熱願張
係数がケ・ｆ素手導体のそれに近似すること、大きな機
械的強度を有することなどの条件を満すことも望まれる
。
現在、これらの条件にある程度かなう絶縁基板材料とし
て、アルミナ焼結体が使用されている。
しかし、その熱伝導率は低（０，０５ｍ１ｃｍ・Ｓ・Ｃ
はどである。従って、アルミナ焼結体は、半導体素子の
熱放散特性の観点からは、好ましい材料ではない。他方
、セラミック・パッケージを用いながら半導体素子の熱
放散特性を構造面から改善する提案として、第１図に示
すように、絶縁基板４を貫通してパッケージの外部に延
びる銅スタッド３１の上に、半導体素子１を取り付ける
方法が知られている。基板４、キャップ５および封止材
６からなるパッケージ内において、半導体素子１は銅ス
タッド３１に、両者間の熱膨張の差に起因する応力を緩
和すめためにモリブデン製支持板３２を介して接着され
、該素子１は、基板４上に疵着されたリード片３の端部
にボンディングワイヤ２によって電気的に接続さｎてい
る。半導体素子１に発生した熱は支持板３２、銅スタッ
ド３１を経てパッケージ外に伝わり、さらに、冷却フィ
ン９によって放散される。このような構造にあっては、
半導体素子１から冷却フィン９に至る伝熱路が全て、熱
伝導性に優れた金属から成るので、高い熱放散特性をも
つ集積回路パッケージが得られる。
しかし反面、この方式には（１）部品点数が増加し、構
造が複雑であるために組立て工数が多くなること、（２
）銅、モリブデ／など比重の大きい部品を使用するため
に製品が重くなジ、プリント配線板等への取付けが面倒
になることなどの欠点がある、このような状況を打開す
べく、本発明者らは種包研究金進め、既述の条件にそっ
て従来に勝る高い熱伝導率とケイ素に近似した熱膨張係
数を有する炭化ケイ素質セラミックスを開発し、それを
絶縁基板に適用して、熱放散特性の良好な集積回路パッ
ケージの製作を可能にした（出願番号５６−１９５９８
６　　）。
しかし、該炭化ケイ素質基板の適用に関する検討の進行
に伴い、該基板に従来のアルミナセラミック製キャップ
を組合せたとき、それらを接着封止したガラス層に亀裂
が生ずるという問題が起つた。これは炭化ケイ素質セラ
ミックスとアルミナセラミックスとの熱膨張の差に起因
する。
本発明はそれらの知見に基づき、キャップ材料の熱膨張
係数を限定することによって前記の提案を補完し、熱放
散特、性に優れるとともに、一層高い安定性と信頼性を
有する集積回路パッケージを提供することを目的に゛し
ている。すなわちその特徴は、炭化ケイ素質絶縁基板、
キャップおよび封止ガラスによって気密に囲われた小室
内圧、該基板上に載置された半導体素子と該室外から導
入されたリード片の端部およびそれらを電気的に接続す
るワイヤが収容されてなる集積回路パッケージにおいて
、キャップが熱膨張係数（２０〜５５）ＸＩＯ”７／Ｃ
を有する材料からなることでるゐ。
さらに、本発明においては、封止材として熱膨張係数（
３０〜５５）ＸＩＯ−’／Ｃ？有するガラスが推奨され
る。特に、実際的には（４０〜５５）Ｘ１０−７／Ｃの
熱膨張係数をもつガラスが適応される。
本発明において、半導体素子がと９付けられる絶縁基板
は、ベリリウムおよびベリリウム化合物のうちから選ば
れた少なくとも１棟をベリリウム世にして０．０５−５
重量％含み灰化ケイ素を主成分とする実質的に炭化ケイ
素質セラミックスでろって、かつ、理論密度の９０％以
上の相対密度を有する焼結体によりて構成さ扛ている。
その熱膨張係数は（３５〜４０）ＸＩＯ’−７／ｌ：’
でろってケイ素の熱膨張係数値に近く、また、その熱伝
導率は０．２ｄ／ｃｒｎ−５−Ｃ以上である。この熱伝
導率０．２ｍ／ｃｎ１・Ｓ−Ｃという値は、炭化ケイ素
質セラミックスが焼結によって作ら扛る場合に、電気絶
縁性（抵抗率１０７Ω・鋸板上）と熱膨張係式とに悪影
暫を与えることなく、良好な再現性をもって得られる熱
伝導率の下限を意味し、しかもそれは従来のアルミナセ
ラミックス基板の熱伝導率の約４倍の値である。また、
該炭化ケイ素質セラミックスの熱膨張係数がケイ素のそ
れに近いので、半導体素子が絶縁基板に接着剤層を介し
てと９つけられた場合に、両者の熱膨張の差によって生
ずる熱応力は小さい。従って、第１図のような応力緩衝
材を基板・素子間に挿入することも要しない。
このような特性をもつセラミックス＊Ｗ＝基板の構成材
料とすることは、本発明において半導体素子の熱放散性
を尚める基礎的条件でおる。
その条件のうえにたって本発明１・こおいては、絶縁基
板上の半導体素子や配線等を覆い封入するためのキャッ
プが、熱膨張係数（２０〜５５）×１ｏ−７／Ｃｉもつ
材料で構成されることが、特徴をなしている。そのよう
な材料として、絶縁基板の材料と同じ炭化ケイ素質セラ
ミックス、ムライト買セラミックス、ジルコン質セラミ
ックス、窒化ケイ素質セラミックスなどが使用できる。
前記熱膨張係数値をもつキャップ材全使用すると、従来
のアルミナセラミックス（熱膨張係数値６５×１０−７
／ｌｍ’）使用に比較して、炭化ケイ素質絶縁基板との
間の膨張差は少なくとも１／３以上縮減され、従ってそ
れだけ基板・キャップ間に起シ得る熱応力は軽減される
。
封止用ガラス材についても、理想的には絶縁基板に使わ
ｔ′１−′／′ｃ炭化ケイ素質セラミックスの熱膨張係
数に近い熱膨張係数をもつことが望ましく、その匝とし
て（３０〜５５）ＸＩＯ−７／Ｃが適当である。なお、
ガラス封止が、絶縁基板上に半導体素子を接着してのち
に行なわれりため、高融点のガラスは使用に適しない。
最高でも５００ｃ以下の温度で封止可能なガラスが選定
されねばならない。
絶縁基板、キャップおよび封止材にそれぞｎ前記した特
性ヲ有するセラミックスおよびガラスを使用することに
よって、封止温度から室温までの冷却においても、また
、−５５〜＋１５０１１’の間の冷熱サイクルを反復し
た際にも、封止部に亀裂を生じたｐ１電気特性に異常を
生ずることのない安定性と、高い信頼性をもち熱放散特
性にすぐれた集積回路パッケージが得られる。
次に、本発明を実施例によって説明する。
実施例１ 第２図に本発明の集積回路パッケージの断面上例示する
。同図において炭化ケイ素質セラミックスからなる絶縁
基板４の一方の面４ａ上の中央部に半導体素子１が金属
ソルダ層７によって接着され、同面上に封止ガラス層６
によって接着された複数個のリード片３の一端３ａと該
素子ｌとの間は、ボンディングワイヤ２によって電気的
に接続されている。リード片３の他端３ｂは、基板４の
周縁から外方に延びている。素子１、ボンディングワイ
ヤ２およびリード片３の端部３ａは、絶縁基板４とキャ
ップ５とによって囲わｎ１該キヤツプ５と基板４および
リード片３との間隙はソルダガラス層６を介して気密に
封着されている。
さて、このような構造において、封正に熱膨張係数（５
０〜５５）ＸＩＯ−’／Ｃ金もつガラスが用いられた際
に、側止温度から室温までの温度範囲で該ガラスにかか
る最大熱応力が、キャップ材の熱膨張係数に依存してど
う変るか、その関係を計算によυ求めた。゛ この計算はパッケージを中空円板にモデル比し、要素分
割を行ない、３次元軸対称問題用の有限要素法解析プロ
グラムを用いて行なったものである。
その結果は第３図に示される。ガラスの強度は４にり／
欄２程度であるので、熱膨張係数５５×１０”７／Ｃ以
上のセラミックスは、ガラスに亀裂を生じ、キャップ材
として不適当である。
（２０〜５５）ｘｌＯ−７／Ｃの熱膨張係数（α）をも
つ材料として、前記の炭化ケイ素質セラミックス（α＝
（３５〜４０）ＸＩＯ−７／Ｃ）、ムライト質セラミッ
クス（α＝（４３〜５５）ＸＩＯ”７／ｌ：’　　＞、
ジルコン質のセラミックス（α＝（３０〜４０　）　Ｘ
ｉ　Ｏ−７／Ｃ）、ある種の窒化ケイ素質セラミックス
（α＝（２０〜３ｓ）ｘｌＯ−７／Ｃ）等が使用される
。
ここで絶縁基板に使われた炭化ケイ素質セラミックスは
、ベリリウム量にして０．０５〜５重量−の酸比ベリリ
ウムを含むほかは実質的に炭化ケイ素からなシ、理論密
度の９０％以上の密度をもつ焼結体である。それは抵抗
率（室温）１０８Ω・ｍ以上の電気絶縁性と、熱伝導率
０．２〜０．７Ｃ１ｌｔ／ｍ−５−Ｃ１曲げ隼す３０Ｋ
ｒ／ｍｍ２以上トイウ特性をもっている。
上記のような材料構成で得られた集積回路パッケージは
、リード片とリード片との間で１０８Ω以上の絶縁抵抗
を有し、封止温度（４６０ｔＺ’）〜冨温の冷却時、お
よび−５５〜１５０Ｃの冷熱サイクル１０００回の試験
数も、破損などの事故や電気特性上の異常を示さ・なか
った。
実施例２ 基本的には実施例１と同様にして集積回路パッケージを
作成した。
絶縁基板は、ベリリウム量の電量チ（酸化ベリリウム便
用）のほかは、炭化ケイ素ケ不可避的に混入する不純物
からな９、理論密度の９８チの密度を有する焼結体で形
成された炭１ヒケイ素質セラミックスで作らｒた。その
特性として、比重的３．２、抵抗率１０１３Ω・ｃｒｒ
ｌ（室温）、熱膨張係数（２５〜３００Ｃ）３５Ｘ１０
−７／Ｃ前後、熱伝導率０．６　ｃａｌ／ｃｍ−ｓ−’
Ｃ，曲げ強さ４５　Ｋｙ／ｍｍ２前後の値が得られた。
キャップは、熱膨張係数４５ｘｌＯ−７／Ｃｋもクムラ
イト質セラミックスから作成された。
上記絶縁基板とキャップに対し、種々の熱膨張係数をも
つガラスが封正に用いられたときに、ガラスにかかる最
大熱応力とその熱膨張係数との関係を、実施例２の第３
図の場合と同様にして、求めた。結果は第４図に示され
るとおりである。
ガラスの熱膨張係数が５５Ｘ１０−７／ｌｔ−越えると
、ガラスは過大な応力をうけて亀裂する。一方、熱膨張
係数５５Ｘ１０−’以下のガラスは、小さな熱応力をつ
けるにすぎない。しかし、３０×１０−７／Ｃ以下熱膨
張係数をもち、しかも封止用として望まれるような低融
点のガラスは得られないので、実質的には実施されない
。したがって、（３０〜５５）ＸＩＯ−７／Ｃの熱膨張
をもつガラスが望ましい。
前記された絶縁基板とキャップおよび熱膨張係数（４５
〜４８　）　Ｘ　１０−７／Ｃ％封正温度４５０〜４６
０Ｃの封止用ガラスを用いて、集積回路パッケージが作
成された。
該集積回路パッケージは、リード片間の絶縁抵抗１０８
０以上、半導体素子と絶縁基板の表面との間の熱抵抗１
２．５０／Ｗの特性値を与えた。また、該パッケージは
一５５〜１５００間の冷熱すイクル金１００回受けた後
にも、破損などの事故や策気特性上の異常を起さなかっ
た。
実施例３ 実施例１に記された集積回路パッケージにおいて、第５
図に示されるように、アルミニウムなどの金属からなる
冷却フィン９が絶縁基板４に取付けられた。該フィン９
は、熱伝導性フィンで充填さｎたエポキシ樹脂系−また
はシリコーン樹脂系接着剤によって接着されることが、
好ましい。また、フィンは、炭化ケイ素質絶縁基板の所
望に従いメタライズさｎた部分に半田で接着されること
も可能である。このような構成においては、半導体素子
と外気雰囲気との間の熱抵抗は９．３０／Ｗになシ、実
施例２における１２．５Ｃ／Ｗよりも、さらに低減さｔ
″Ｌｆ７Ｃ０この値は、従来の集積回路パッケージ（第
１図参照）の熱抵抗約１１．５Ｃ／Ｗに比べ、約２０％
低い、 さらに、変型例として、基板とフィンとが炭化ケイ素質
セラミックスで一体に製作さ扛ることかでさ、その通用
によって集積回路パンケージの熱抵抗は５．１１Ｇ／Ｗ
に低減可能であった。また、該集積回路パッケージは一
５５〜１５０Ｃの冷熱サイクル１００回の試験を受けた
後も、破損などの事故や電気特性の異常を来さなかった
。
実施例４ 本発明の集積回路パッケージの構造は、前日己実施例に
よって限定されない。各種の変り型が可能である。その
例（断面）を第６図および第７図に示す。箱形に成形さ
ｎた絶縁基板４の内側底面の中央部に、メタライズ層８
を介して半導体素子１が接着されている。リード片３は
、ボンディングワイヤ２によって一端を半導体素子１に
電気的に接続され、他方の絶縁基板内面に沿い立上り基
板周縁に引出された端に、フルグ一層７を介してリード
フレーム１０と接着さｔ″しる。そして、該基板４の開
口部に盆状のキャップ５がはめ込まれ、基板・キャップ
またはリード片間の隙はガラス６をもって封止される。
絶縁基板はべＩＪ　ＩＪウム’ｉｏ、０５〜５重量％含
む炭化ケイ素質セラミックスで、キャップは熱膨張係数
４５ｘｔＯ−７／ｌｌ−有するムライト質セラミックス
でそれぞれ作成された。また、封正には熱膨張係μ４７
Ｘ１０−７／Ｔ、封止温度４６（ｌｌ’全イ１するカラ
スが用いられた。
製作された集積回路パッケージは、−５５〜１５０Ｃの
冷熱サイクル１００回の試験に耐え、破損や電気特性の
異常奮起さなかった。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の集積回路パッケージの断面図、第２図は
本発明の集積回路パッケージの断面図である。第３図は
キャップ材の膨張係数と封止カラス層に生ずる最大熱応
力との関係を示し、第４図は制止ガラスの熱膨張係数と
該ガラス層に生ずる最大熱応力との関係を示す。また、
第５．６および７図はそれぞれ本発明の集積回路パッケ
ージの断面図でるる。 １・・・半導体系子、２・・・ボンディングワイヤ、３
・・・リード片、４・・・絶縁基板、５・・・キャップ
、６・・・封止ガラス、７・・・金属フルグ一層、８・
・・メタライズ層、９・・・冷却フィン、１０・・・リ
ードフレーム。 春　Ｊｆｆｌ 燕Ｍ震翔孜（Ｘ　／ｌ）−り饅

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、　炭化ケイ素質絶縁基板、キャップおよび封止用ガ
    ラスによって気密に囲われた小室内に、該基板上に載置
    された半導体素子と該室外から導入されたリード片の端
    部およびそｎｒ−）を電気的に接続したワイヤが収容さ
    れてなる集積回路パッケージにおいて、キャップが熱膨
    張係数（２０〜５５）Ｘ　ｌ　Ｏ−’　／Ｃｆｔ３する
    セラミックスからなること′ＩＩ：特徴とする集積回路
    パッケージ。 ２、封止用ガラスが熱膨張係数（３０〜５５）×１０−
    ７／ｌＺ’を有ｆ今特許請求の範囲第１項記載の集積回
    路パッケージ。 ３、　キャップの構成材料がムライト質、炭化ケイ素質
    、ジルコン質および窒化ケイ素質のセラミックスからな
    る群から選ばれた少なくとも１種である特許請求の範囲
    第１項記載の集積回路パッケージ。 ４、絶縁基板が、室温における熱伝導率０，２ｃａｔ／
    ｃｍ−５−Ｃ以上、熱膨張係数（３５〜４０）ＸＩＯ−
    ”／Ｃの特性値を有し、がっ′電気絶縁性である特許請
    求の範囲第１項２、第２項もしくは第３項記載の集積回
    路パッケージ。 ５、絶縁基板が、ベリリウムおよびベリリウム化合物の
    うちから選ばれた少なくとも１種をベリリウムとして０
    ．０５〜５重量襲含むほかは実貝的に炭化ケイ素からな
    り、かつ理論密度の９０％以上の密度を有する焼結体で
    ある特許請求の範囲第１項記載の集積回路パッケージ。 ６、　半導体素子が載置された絶縁基板の裏面に冷却用
    フィンが接着された特許請求の範囲第１項記載の集積回
    路パッケージ。 ７、　炭化ケイ素質絶縁基板、キャップおよび封止用ガ
    ラスによって気密に囲われた小室内に該基板上に載置さ
    れた半導体素子と該室外から導入されたリード片の端部
    およびそれらを電気的に接続したワイヤが収容されてな
    る集積回路パッケージにおいて、キャップ構成材の熱膨
    張係数が（２０〜５５　）　Ｘｉ　Ｏ−’／Ｕでおｐ５
    ガラスの熱膨張係数が（３０〜５５）ＸＩＯ−７／Ｃで
    あることを特徴とする集積回路パッケージ。 ８、　キャップ構成材料がムライト質、炭化ケイ素質、
    ジルコン質および窒化ケイ素質のセラミックスからなる
    群から選軟ルた少なくとも１種である特許請求の範囲第
    ７項記載の集積回路パッケージう９、絶縁基板が、ベリ
    リウムおよびベリリウム比合物のうちから選ばれた少な
    くとも１種をベリリウムとして０．０５〜５重：ｍｓ含
    むほかは実質的に炭化ケイ素からなる焼結体であって、
    理論密度に対する相対密度９０チ以上、室温における熱
    伝導率０．２　ｒｎｅ／ｃｍ−ｓ−ｔ：’以上、熱膨張
    係数（３５〜４０）ＸＩＯ−７／Ｃ特性値を有し電気絶
    縁性である特許請求の範囲棺７項もしくは第７項記載の
    集積回路パッケージ。 １０、半導体素子が載置された絶縁基板の匪面に冷却用
    フィンが接着された特許請求の範囲第７項記載の集積回
    路パッケージ。
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