JPS63318146A - セラミックパッケ−ジとその製造方法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックと
を用いた電子部品用セラミックパッケージとその製造方
法に関する。

（従来の技術およびその問題点） 近年、電子部品の高密度化、高速化にともない、パッケ
ージ材料はより低誘電率で、熱伝導性に優れ、搭載され
る半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率を有すると共に
、機械的強度がより高く、かつ低コストで製造できるこ
と等が要請されている。

これに対応して、近年１４００°Ｃ以下の低温で焼成で
きる低誘電率の低温焼成セラミックが開発されている。

この低温焼成セラミックは低誘電率であって信号ライン
での伝播遅延時間を短縮できるため高速化に対応できる
上に、低温で焼成できることから金、銀等の電気抵抗の
小さい金属ペーストを使用してグリーンシートの焼成と
同時に導体配線を形成することができるものである。ま
た。

この低温焼成セラミックはその熱膨張率が半導体素子の
熱膨張率に近いので半導体素子の剥離等を引き起こさず
大型の半導体素子の搭載を可能にするという利点がある
。

しかしながら、この低温焼成セラミックは抗折強度が３
０Ｋｇ／　＋ｎ＋ｎ　’未満で従来のアルミナセラミッ
クに比べて機械的強度が劣るという問題点があり、また
、熱伝導性がアルミナセラミックに比べて著しく低く熱
放散性が劣るという問題点がある。

一方、これらのセラミックに比して窒化アルミニウム、
炭化けい素、酸化ベリリウ１１等から成る各セラミック
ははるかに優れた熱伝導性を有するという特徴があり、
また、機械的強度が従来のアルミナセラミックよりもさ
らに高いという利点がある。とくに窒化アルミニウムか
ら成るセラミックおよび炭化けい素から成るセラミック
は熱膨張率が半導体素子に近いという特徴がある。

しかしながら、窒化アルミニウム、炭化けい素から成る
各セラミックは誘電率がアルミナセラミック以上に高く
、また焼成温度も高いために、導体配線として金、銀等
の低抵抗の金属を同時焼成できないという問題点がある
。

また、コスト的にも従来のセラミックに比べて著しく高
く、特に酸化ベリリウムから成るセラミックに関しては
、加工時に環境衛生上の問題点がある上、原料粉末のメ
ーカーが限られている等供給安定性が低いという問題点
がある。

また、炭化けい素から成るセラミックではアルミナセラ
ミックと組合せて構成したパッケージが作られているが
、この場合はアルミナセラミックとの熱膨張率の整合性
に問題があり、この熱膨張率のギャップを解消するため
両セラミック間に高価な銀などの金属をバッファ層とし
て用いなければならず、その結果部材点数が増え、構造
の小型化・単純化に反するだけでなく、組立コストを上
げてしまうという問題点がある。さらに導体配線は、誘
電率の高い従来のアルミナセラミック中に形成されるの
で、信号伝播速度を短縮することができない。

そこで１本発明は上記問題点を解消すべくなされたもの
であり、その［１的とするところは低誘電率でかつ熱伝
導性が良好であり、電子部品の高速化、高密度化に効果
的に対処できるセラミックパッケージおよびこのセラミ
ックパッケージの製造方法を提供するにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため次の構成をそなえる。

すなわち、半導体素子等が搭載される基板部が高熱伝導
性セラミックから成り、導体配線を有し該基板部」二に
接合される枠体部が低温焼成セラミックから成ることを
特徴とし、また、 １４００℃以下の温度で焼成可能な低温焼成セラミック
組成物をグリーンシートに成形し、このグリーンシート
に１４００℃以下で焼成可能な高電気伝導性を有する金
属ペーストにより導体配線を形成した後、このグリーン
シート単体またはその積層体を形成して枠体とし、該枠
体を焼成を完了した高熱伝導性セラミックから成る基板
上に載置して１４００℃以下で焼成し、該基板と前記枠
体とを一体化することを特徴とし、また １４００℃以下の温度で焼成可能な低温焼成セラミック
組成物をグリーンシートに成形し、このグリーンシート
に１４００℃以下で焼成可能な高電気伝導性を有する金
属ペース１−により導体配線を形成した後、このグリー
ンシート単体またはその積層体を形成して１４００℃以
下で焼成して成る低温焼成セラミックからなる枠体を、
焼成を完了した高熱伝導性セラミックから成る基板上に
載置して、１４００℃以下で焼成し、該基板と前記枠体
とを一体化することを特徴とする。

（実施例） 以下本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明に係るセラミックパッケージの一実施例
の断面図である。図で１０は窒化アルミニウム、炭化け
い素、酸化ベリリウム等から成る高熱伝導性セラミック
基板であり、１２はこの高熱伝導性セラミック基板１０
の上面に接合される低温焼成セラミック枠体である。１
４はこの低温焼成セラミック枠体１２に設けられる導体
配線であり、この導体配線１４は金、銀等の高電気伝導
性金属ペーストを低温焼成セラミック枠体１２を形成す
るグリーンシート上に所定の配線パターンに印刷した後
焼成されて形成される。１６は前記導体配線１４に一端
が接続されて、前記低温焼成セラミック［２に立設され
る外部リードピンである。１８は前記高熱伝導性セラミ
ック基板１０にダイボンディングされる半導体素子であ
り、２０は半導体素子１８と前記導体配線１４の所定部
位とをワイヤボンディングするワイヤである。

本実施例のセラミックパッケージは高熱伝導性セラミッ
ク基板１０に低温焼成セラミック枠体１２が１４００℃
以下の低温で焼成されて一体化されているものであり、
低温焼成セラミックが緻密化した後にガラス成分の高熱
伝導性セラミック基板１０側への移動をともなって固着
されるもので、きわめて強固に接合される。

本実施例のセラミックパッケージによれば、半導体素子
１８は高熱伝導性セラミック基板１ｏ上に接合されるか
ら、半導体素子１８の熱放散性が良好となり、発熱量が
大きい高密度の半導体素子を容易に搭載することが可能
となり、信頼性を向上させることができる。

また、導体配線１４が設けられている低温焼成セラミッ
ク枠体１２の誘電率は４程度であり、窒化アルミニウム
から成るセラミックの誘電率が８〜９、炭化けい素から
成るセラミックが４０、アルミナセラミックが１０ｆＩ
ｉ度であることと比較して、かなり低誘電率であるから
、パッケージを低温焼成セラミック以外のセラミックで
形成した場合に比べて、信号ラインでの伝播遅延時間を
より短縮することができる。また、同時に低温で焼成す
るから、金、銀等の電気伝導性の高い金属を導体配線と
して設けることができ、これらによってさらに高速化に
対応することができるという効果を有する。

次に、上述したセラミックパッケージの製造方法につい
て説明する。

まず、１４００℃以下の低温で焼成することが可能なア
ルミナ、ホウケイ酸ガラス等の低温焼成セラミック組成
物をグリーンシートに成形する。このグリーンシートの
成形方法は従来と同様なドクターブレード法などの成形
手段が適用できる。

次に、前記グリーンシート上に金、銀等の高電気伝導性
を有する金属ペーストにより所定の導体配線パターンを
印刷する。そして、このグリーンシートを単体または積
層体とした後、高焼成温度ですでに焼成を完了した窒化
アルミニウム、炭化けい素、酸化ベリリウム等から成る
高熱伝導性セラミック上に載置し、１４００℃以下の低
温で焼成して一体化する。なお、一体化の際には、低温
焼成セラミックに導体配線パターンを印刷したグリーン
シートまたはその積層体をあらかじめ１４００℃以下の
温度で焼成しておき、この低温焼成セラミックの焼成体
を、すでに焼成した前記高熱伝導性セラミック上に載置
して１４００℃以下の低温で焼成して一体化してもよい
。

また、使用する高熱伝導性セラミックとしては、従来と
同様の手段によってｌＪられるものが使用でき、焼結助
剤添加または無添加の原料粉末を用いてグリーンシート
や圧粉体とし、常圧焼成ないしは小ツトプレス法等によ
って得られる窒化アルミニウム、炭化けい素、酸化ベリ
リウム等から成る各セラミックが良好に使用できとくに
限定されない。

上述した低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックと
の一体化の方法は、従来低温焼成セラミックの製造過程
において、焼成する際の最高温度が高過ぎたり、最高温
度が適当であってもその温度での保持時間が長過ぎると
、セッターと強固に固着すること、またアルミナとガラ
スとの組成比においてガラスの含有量が多過ぎると同じ
く焼成体がセッターと強固に固着するという現象を利用
したものである。すなわち、低温焼成セラミックの未焼
成体あるいは焼成体を高熱伝導性セラミックの焼結体上
に載置し、上記固着をおこす条件で焼成を行うことによ
り、低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックとを接
合して一体化することができる。

ここで、低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックと
の固着方法はとくに限定されるものではなく、低温焼成
セラミック組成物の原料無機粉末の粒度調整やアルミナ
とガラスの組成比の調整あるいは焼成温度および焼成時
間を調整することによって良好に行い得るものである。

また、低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックとの
強固な固着を得るための焼成温度と時間は、低温焼成セ
ラミック組成物の原料無機粉末の粒度や組成比等にもよ
るが、一般に十分な緻密化が得られる温度よりも高い温
度であるほど、または、十分な緻密化を得るのに要する
時間よりも長時間であるほど、十分な緻密さと固着強度
が得られる。しかし、この場合は同時に焼成体の変形を
ともなうので、実際には焼成温度は十分な緻密化が得ら
れる最低の温度から高くても１００℃高い温度までの間
が望ましく、また焼成時間は十分な緻密化が得られる最
短の時間から長くてもその時間−の３倍までの時間であ
ることが望ましい。

また、アルミナとガラスから成る組成の低温焼成セラミ
ックでは、一般にガラス含有量を多くするほど高熱伝導
性セラミックとの固着が強固となるが、ガラス含有量が
多過ぎると焼成体の変形が起こったり、導体配線との同
時焼成に不都合が生じるので、その組成は低誘電率が保
持でき、高熱伝導性セラミックとの熱膨張率のマツチン
グが図れ、焼成体が変形をおこしたり導体配線に支障が
生じない範囲でガラス含有量を増加させるようにする必
要がある。

また、必要に応じて高熱伝導性セラミックの低温焼成セ
ラミックと接する側の表面の粗度を調節することができ
る。また用途によっては、この表面にあらかじめ導体金
属を同時焼成しておいてもよく、低温焼成セラミックに
接して焼成される直前に導体金属のペーストを塗布して
焼成してもよｕ’ｅ また、高熱伝導性セラミック焼結体上に低温焼成セラミ
ックの未焼成体あるいは焼成体を載置して焼成する際の
焼成雰囲気は空気または中性、還元性雰囲気のいずれで
も良く、導体金属の性質に合わせて選択できる。とくに
、高熱伝導性セラミックが窒化アルミニウムから成る場
合は、中性または還元性雰囲気が好ましく、都合上大気
中で焼成する場合は、焼成温度は１０００℃以下が望ま
しい。

これは、窒化アルミニウムが大気中で一部酸化されその
熱伝導性が低下することを防止するためである。

また、ここで用いられる低温焼成セラミックはその熱膨
張率がこれと固着される高熱伝導性セラミックの熱膨張
率に近い値をもつものが使用される。これは、焼成して
得られたセラミックパッケージの両セラミックの接合面
が熱的ストレスを受けるのを防止するためである。した
がって、高熱伝導性を得る目的で上述した高熱伝導性セ
ラミックのかわりにニッケルや銅等の金属板を使用した
場合は、この熱的ストレスに弱くかつ熱膨張率が半導体
素子の熱膨張率とマツチングしないため不適であり、ま
た、タングステンやモリブデン板のように比較的熱膨張
率の小さい金属を使用した場合は、望ましい機械的強度
が得られない等のためやはり不適である。

次に、上述したセラミックパッケージの製造方法の実施
例を説明する。

まず、高熱伝導性セラミック基板としての窒化アルミニ
ウム基板を得るために、平均粒径２μｍ以下の窒化アル
ミニウム粉末５０ｇに炭酸カルシウム粉末１．５ｇを添
加し、これにｎ−ブタノール４０ｍ１を加え、これを樹
脂製ポットおよび樹脂製ボールを用いて２０時間ボール
ミル混合した。この混合物を乾燥して混合粉末を得た後
、このうちから５ｇを分取し、窒素ガス中で１８００℃
、３００　ｋｇ　／　ｃｒａ　２のホットプレス焼成を
行い、３５Ｘ　３５Ｘ　１．３　ｆｆ１ｍの窒化アルミ
ニウム基板を得た。

一方、低温焼成セラミックの原料粉末として、アルミノ
ホウケイ酸ガラス５４重量部と平均粒径２．５μｍのア
ルミナ粉末４６重量部とを、ｎ−ブタノール−トルエン
混合溶剤９０ｍ１、フタル酸ジ−ｎ−ブチル４ｍｌとと
もにアルミナボールミルにて２４時間混合し、これにポ
リビニルブチラール樹脂粉末をｌ１ｇ加えた後さらに２
４時間ボールミル混合を行い、得られたスラリーを脱泡
後、ドクターブレード法にて乾燥後の厚さが０．６ｍｍ
のグリーンシートを得た。このグリーンシートを３９　
Ｘ　３９ｍｍに切断し所定の形状加工を施した後、銀−
パラジウムペースト（Ｅ　Ｓ　Ｌ　９６０１）をスクリ
ーン印刷法によって塗布し、４枚のグリーンシートを油
圧プレスにて熱圧着した。

次に、得られた低温焼成セラミック組成物から成るグリ
ーンシート積層体を前述の窒化アルミニウム基板上にフ
タル酸ジ−ｎ−ブチルを塗布した上から押さえつけて載
置し、これを大気中で一度５００℃まで加熱して有機成
分を除いた後、大気中にて９２０℃、８０分間の条件で
焼成した。

得られたセラミック接合体は、低温焼成セラミック枠体
と窒化アルミニウム基板との接合部が強固に固着してお
り、低温焼成セラミック枠体と窒化２アルミニウム基板
の一部分が破壊される程度の引張応力を加えても接合界
面での剥離は起こらなかった。

上記低温焼成セラミック枠体としての積層体は焼成中１
１％以上の平面方向の収縮率を示したが、窒化アルミニ
ウム基板との固着過程は低温焼成セラミックがある程度
緻密化した後にガラス成分の移動を伴って起こるものと
考えられ、低温焼成セラミック組成物のグリーンシート
を熱圧着する際の条件を変えることにより焼成中の収縮
率を変えても両セラミック間の固着強度に変化はみられ
なかった。

また、これらの接合体は室温〜３００℃（各々１０分保
持）のヒートサイクルを１００回経た後でも固着界面に
接合力の低下等の変化は認められなかった。

（発明の効果） 本発明のセラミックパッケージは、低温焼成セラミック
と高熱伝導性セラミックとを接合して成ることにより以
下のような顕著な効果を奏する。

すなわち、 ■　半導体素子を搭載する基板部分に高熱伝導性のセラ
ミックを使用し、また導体配線部分に低誘電率の低温焼
成セラミックを使用しているから、パッケージを構成す
る各セラミックの長所をそれぞれ効果的°にいかして、
パッケージに要求される高熱伝導性と低誘電率を同時に
可能とする。

■　パッケージが低温焼成によって得られるから。

電気抵抗の小さな金属を導体配線に使用することができ
、上記低誘電率と相まって高速化に対処できる。

■　パッケージ全体を低温焼成セラミックで作成した場
合に比較して抗折強度等の機械的強度が改善される。

■　搭載される半導体素子と熱膨張率をマツチングさせ
ることができ、大型の素子であっても素子固着の信頼性
が向上する。

また、低温焼成セラミックの未焼成体と高熱伝導性セラ
ミックの焼結体とを低温で焼成して一体化しているから
。

■　低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックが強固
に固着され、また、低温焼成セラミックと高熱伝導性セ
ラミックの熱膨張率がほぼ等しいものを使用することに
より、接合面での熱的ストレスを解消することができる
。

■　また、従来の炭化けい素から成るセラミックとアル
ミナセラミックとを組合せて接合したセラミックパッケ
ージにくらべ１部材点数および組立工程が少なく、さら
に構造の小型化・単純化の要求に対応することができる
。

また、低温焼成セラミックの焼成体と高熱伝導性セラミ
ックの焼結体とを焼成して一体化する場合は。

■　低温焼成セラミックと高熱伝導性セラミックが強固
に固着され、接合面での熱的ストレスを解消できると共
に、あらかじめ焼成しておくので、焼成体の完成サイズ
をより正確にすることができる。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて種々説明し
たが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、
発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得る
のはもちろんのことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミックパッケージの一実施例
を示す断面図である。 ｌＯ・・・高熱伝導性セラミック基板、１２・・・低温
焼成セラミック枠体、 １４・・・導体配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子等が搭載される基板部が高熱伝導性セラ
   ミックから成り、導体配線を有し該基板部上に接合され
   る枠体部が低温焼成セラミックから成ることを特徴とす
   るセラミックパッケージ。 ２、１４００℃以下の温度で焼成可能な低温焼成セラミ
   ック組成物をグリーンシートに成形し、このグリーンシ
   ートに１４００℃以下で焼成可能な高電気伝導性を有す
   る金属ペーストにより導体配線を形成した後、このグリ
   ーンシート単体またはその積層体を形成して枠体とし、
   該枠体を焼成を完了した高熱伝導性セラミックから成る
   基板上に載置して１４００℃以下で焼成し、該基板と前
   記枠体とを一体化することを特徴とするセラミックパッ
   ケージの製造方法。 ３、１４００℃以下の温度で焼成可能な低温焼成セラミ
   ック組成物をグリーンシートに成形し、このグリーンシ
   ートに１４００℃以下で焼成可能な高電気伝導性を有す
   る金属ペーストにより導体配線を形成した後、このグリ
   ーンシート単体またはその積層体を形成して１４００℃
   以下で焼成して成る低温焼成セラミックから成る枠体を
   、焼成を完了した高熱伝導性セラミックから成る基板上
   に載置して、１４００℃以下で焼成し、該基板と前記枠
   体とを一体化することを特徴とするセラミックパッケー
   ジの製造方法。