JPS6355215B2 - - Google Patents
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- JPS6355215B2 JPS6355215B2 JP21912883A JP21912883A JPS6355215B2 JP S6355215 B2 JPS6355215 B2 JP S6355215B2 JP 21912883 A JP21912883 A JP 21912883A JP 21912883 A JP21912883 A JP 21912883A JP S6355215 B2 JPS6355215 B2 JP S6355215B2
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は冷却効率の優れた半導体パツケージに
関する。
関する。
近年、電子機器の小型、軽量化、高信頼性化の
要求が様々の分野で大きくなつてきている。
要求が様々の分野で大きくなつてきている。
例えば、第１図に示すようにアルミナ等の高密
度多層配線基板１上に発熱素子である半導体素子
２をチツプ状で複数個搭載し、これら半導体素子
２全体を気密封止すべく、例えば半田やエポキシ
系接着剤により金属製キヤツプ３を支持固定した
半導体装置が開発されているが、この様な半導体
装置においても小型、軽量化の要求が大きなもの
となつている。そのため半導体装置の高密度化、
高集積化が進み、それに伴なつて半導体装置の単
位面積当りの発熱量が増加するため、発熱素子で
ある半導体素子のジヤンクシヨン温度を最大定格
動作温度（コマーシヤル規格70℃、MIL規格125
〜150℃）以下に押さえるべく半導体装置の冷却
技術の開発が重要なものとなつてきている。
度多層配線基板１上に発熱素子である半導体素子
２をチツプ状で複数個搭載し、これら半導体素子
２全体を気密封止すべく、例えば半田やエポキシ
系接着剤により金属製キヤツプ３を支持固定した
半導体装置が開発されているが、この様な半導体
装置においても小型、軽量化の要求が大きなもの
となつている。そのため半導体装置の高密度化、
高集積化が進み、それに伴なつて半導体装置の単
位面積当りの発熱量が増加するため、発熱素子で
ある半導体素子のジヤンクシヨン温度を最大定格
動作温度（コマーシヤル規格70℃、MIL規格125
〜150℃）以下に押さえるべく半導体装置の冷却
技術の開発が重要なものとなつてきている。
しかして従来は第１図に示すように、例えばア
ルミニウム等の比較的熱伝導性の優れた金属製冷
却用フイン４を半田やエポキシ樹脂等の接着剤５
を用いて前記配線基板１の裏面に支持固定し、半
導体装置全体としての表面積を著しく増加させ、
半導体装置と空気との熱抵抗を減少させたり、さ
らに必要に応じて前記冷却用フイン４にフアンに
より空気を送つて強制冷却を行なつたり、冷却用
フイン４をシステムの筐体にねじ止め等により取
りつけて半導体装置で発熱した熱を筐体に逃がし
て発熱素子のジヤンクシヨン温度を最大定格動作
温度以下に低減していた。
ルミニウム等の比較的熱伝導性の優れた金属製冷
却用フイン４を半田やエポキシ樹脂等の接着剤５
を用いて前記配線基板１の裏面に支持固定し、半
導体装置全体としての表面積を著しく増加させ、
半導体装置と空気との熱抵抗を減少させたり、さ
らに必要に応じて前記冷却用フイン４にフアンに
より空気を送つて強制冷却を行なつたり、冷却用
フイン４をシステムの筐体にねじ止め等により取
りつけて半導体装置で発熱した熱を筐体に逃がし
て発熱素子のジヤンクシヨン温度を最大定格動作
温度以下に低減していた。
しかしながらこの様な方法では、例えばシステ
ム全体の大きさに制約があつて冷却用のフアンを
取り付けるスペースがない場合、あるいはシステ
ム全体が非常な悪環境下にさらされ、システムの
筐体自身が発熱素子の最大定格動作温度近傍、あ
るいはそれ以上になる場合等においては、発熱素
子のジヤンクシヨン温度を最大定格動作温度以下
にする事が困難になり、その結果発熱素子の破壊
という事態を招き、半導体装置としての機能が損
われるという欠点があつた。
ム全体の大きさに制約があつて冷却用のフアンを
取り付けるスペースがない場合、あるいはシステ
ム全体が非常な悪環境下にさらされ、システムの
筐体自身が発熱素子の最大定格動作温度近傍、あ
るいはそれ以上になる場合等においては、発熱素
子のジヤンクシヨン温度を最大定格動作温度以下
にする事が困難になり、その結果発熱素子の破壊
という事態を招き、半導体装置としての機能が損
われるという欠点があつた。
このため配線基板の発熱素子の搭載されていな
い面に金属製皿状体を縁部にて支持固定し、この
金属製皿状体と配線基板との間隙に、常温から発
熱素子の最大定格動作温度までの比較的低い温度
範囲内で吸熱を伴つて相変化をおこす物質を封入
し、この物質の相変化の際の吸熱によつて半導体
装置を冷却することが考えられるが、封入する物
質としてアルコールやフルオロカーボン等の比較
的低い温度範囲で液体から気体へと相変化し、気
化熱により吸熱する物質を使用した場合は相変化
に伴なう体積の増加により配線基板と金属製皿状
体との封止部分が破壊されるか、破壊されなくて
も配線基板と金属製皿状体との間隙の気圧が増加
し、ある一定温度で連続的に相変化が起こらなく
なるという欠点があつた。
い面に金属製皿状体を縁部にて支持固定し、この
金属製皿状体と配線基板との間隙に、常温から発
熱素子の最大定格動作温度までの比較的低い温度
範囲内で吸熱を伴つて相変化をおこす物質を封入
し、この物質の相変化の際の吸熱によつて半導体
装置を冷却することが考えられるが、封入する物
質としてアルコールやフルオロカーボン等の比較
的低い温度範囲で液体から気体へと相変化し、気
化熱により吸熱する物質を使用した場合は相変化
に伴なう体積の増加により配線基板と金属製皿状
体との封止部分が破壊されるか、破壊されなくて
も配線基板と金属製皿状体との間隙の気圧が増加
し、ある一定温度で連続的に相変化が起こらなく
なるという欠点があつた。
また封入物質としてワツクス等の固体から液体
へ相変化する物質を使用した場合は相変化に伴な
う体積の増減が小さく、従つて金属製皿状体の板
厚を0.1〜0.25mmと薄く形成することができると
いう利点があるが、有機物であるため熱伝導性が
非常に悪く、その結果、熱抵抗が大きくなつてワ
ツクス自体は固体から液体へと相変化し吸熱反応
が生じているにもかかわらず、配線基板裏面の温
度はあまり低下しない。従つて配線基板上に搭載
されている発熱素子のジヤンクシヨン温度を低く
おさえることが困難になるという欠点があつた。
へ相変化する物質を使用した場合は相変化に伴な
う体積の増減が小さく、従つて金属製皿状体の板
厚を0.1〜0.25mmと薄く形成することができると
いう利点があるが、有機物であるため熱伝導性が
非常に悪く、その結果、熱抵抗が大きくなつてワ
ツクス自体は固体から液体へと相変化し吸熱反応
が生じているにもかかわらず、配線基板裏面の温
度はあまり低下しない。従つて配線基板上に搭載
されている発熱素子のジヤンクシヨン温度を低く
おさえることが困難になるという欠点があつた。
本発明はこのような欠点を解消するためになさ
れたもので、配線基板と金属製皿状体との封止部
を破壊したりすることなく配線基板を冷却して配
線基板上の発熱素子のジヤンクシヨン温度を最大
定格動作温度以下に低減することのできる半導体
装置を提供することを目的とする。
れたもので、配線基板と金属製皿状体との封止部
を破壊したりすることなく配線基板を冷却して配
線基板上の発熱素子のジヤンクシヨン温度を最大
定格動作温度以下に低減することのできる半導体
装置を提供することを目的とする。
すなわち本発明の半導体装置は、配線基板上に
１個以上の発熱素子を搭載し、これら発熱素子全
体を気密封止してなる半導体装置において、前記
配線基板の発熱素子を搭載していない面あるいは
搭載面の発熱素子のない部分に、金属製皿状体の
縁部を支持固定するとともに、この金属製皿状体
と前記配線基板との間隙を常温から前記発熱素子
の最大定格動作温度までの温度範囲内で融解する
低融点金属で満たしてなることを特徴としてい
る。
１個以上の発熱素子を搭載し、これら発熱素子全
体を気密封止してなる半導体装置において、前記
配線基板の発熱素子を搭載していない面あるいは
搭載面の発熱素子のない部分に、金属製皿状体の
縁部を支持固定するとともに、この金属製皿状体
と前記配線基板との間隙を常温から前記発熱素子
の最大定格動作温度までの温度範囲内で融解する
低融点金属で満たしてなることを特徴としてい
る。
本発明に使用することのできる低融点金属とし
ては、ガリウム（融点30℃）、セシウム（融点
28.5℃）、カリウム（融点63.5℃）、ナトリウム
（融点98℃）、ルビジウム（融点39℃）、インジウ
ム（融点156℃）等の単体金属元素があげられる
が、ガリウム、セシウム、ルビジウムは非常に高
価であること、カリウム、ナトリウムは人体に対
する危険性が大きいこと、インジウムは融点が発
熱素子の最大定格動作温度に近いこと等の難点が
あるため、次に挙げる低融点の合金の使用が望ま
しい。すなわち、ビスマス−錫−カドミウム合金
（融点102.5℃）、ビスマス−鉛−錫合金（融点95
℃）、ビスマス−鉛−カドミウム合金（融点91.5
℃）、ビスマス−鉛−錫−カドミウム合金（融点
70℃）、ビスマス−鉛−錫−カドミウム−インジ
ウム合金（融点46.7℃）、ビスマス−錫−インジ
ウム合金（融点78.8℃、例：57.5Bi−17.3Sn−
25.2In合金）、ビスマス−鉛−錫−インジウム合
金（融点58.0℃、例：49.4Bi−18.0Pb−11.6Sn−
21.0In合金、）等があげられる。特に人体に有害
なカドミウムを含まないビスマス−錫−インジウ
ム合金やビスマス−鉛−錫−インジウム合金の使
用が好ましい。
ては、ガリウム（融点30℃）、セシウム（融点
28.5℃）、カリウム（融点63.5℃）、ナトリウム
（融点98℃）、ルビジウム（融点39℃）、インジウ
ム（融点156℃）等の単体金属元素があげられる
が、ガリウム、セシウム、ルビジウムは非常に高
価であること、カリウム、ナトリウムは人体に対
する危険性が大きいこと、インジウムは融点が発
熱素子の最大定格動作温度に近いこと等の難点が
あるため、次に挙げる低融点の合金の使用が望ま
しい。すなわち、ビスマス−錫−カドミウム合金
（融点102.5℃）、ビスマス−鉛−錫合金（融点95
℃）、ビスマス−鉛−カドミウム合金（融点91.5
℃）、ビスマス−鉛−錫−カドミウム合金（融点
70℃）、ビスマス−鉛−錫−カドミウム−インジ
ウム合金（融点46.7℃）、ビスマス−錫−インジ
ウム合金（融点78.8℃、例：57.5Bi−17.3Sn−
25.2In合金）、ビスマス−鉛−錫−インジウム合
金（融点58.0℃、例：49.4Bi−18.0Pb−11.6Sn−
21.0In合金、）等があげられる。特に人体に有害
なカドミウムを含まないビスマス−錫−インジウ
ム合金やビスマス−鉛−錫−インジウム合金の使
用が好ましい。
なお、本発明においては発熱素子の最大定格動
作温度や半導体装置の使用状態等により、上述し
た抵融点金属のうち最適のものを適宜選定して使
用する。
作温度や半導体装置の使用状態等により、上述し
た抵融点金属のうち最適のものを適宜選定して使
用する。
次に本発明の実施例を第２図を用いて説明す
る。なお第１図と共通する部分は同一符号で示
す。
る。なお第１図と共通する部分は同一符号で示
す。
第２図において符号１はアルミナ等からなる配
線基板であり、この配線基板１上には発熱素子で
ある半導体素子２が複数個搭載され、これら素子
全体が配線基板の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張
係数を有する例えばコバールやFe／Ni42アロイ
等からなる金属製キヤツプ３により気密封止され
ている。しかして本発明においては、配線基板裏
面の周縁部に銀ろう等の接着剤６により配線基板
と熱膨張係数がほぼ等しい、例えばコバールや
Fe／Ni42アロイ等からなる溶接用のウエルドリ
ング７が支持固定され、このウエルドリング７に
はさらにコバールやFe／Ni42アロイ等からなる
金属製皿状体８の縁部が溶接等の手法により取り
付けられている。
線基板であり、この配線基板１上には発熱素子で
ある半導体素子２が複数個搭載され、これら素子
全体が配線基板の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張
係数を有する例えばコバールやFe／Ni42アロイ
等からなる金属製キヤツプ３により気密封止され
ている。しかして本発明においては、配線基板裏
面の周縁部に銀ろう等の接着剤６により配線基板
と熱膨張係数がほぼ等しい、例えばコバールや
Fe／Ni42アロイ等からなる溶接用のウエルドリ
ング７が支持固定され、このウエルドリング７に
はさらにコバールやFe／Ni42アロイ等からなる
金属製皿状体８の縁部が溶接等の手法により取り
付けられている。
そしてこの金属製皿状体８と配線基板１との間
隙には低融点金属９が封じ込まれており、低融点
金属９は配線基板１の裏面に均一に接触した状態
となつている。なおこの低融点金属の封じ込み方
法は任意の方法を採ることができる。
隙には低融点金属９が封じ込まれており、低融点
金属９は配線基板１の裏面に均一に接触した状態
となつている。なおこの低融点金属の封じ込み方
法は任意の方法を採ることができる。
また金属製皿状体および低融点金属は配線基板
の発熱素子の搭載面で発熱素子のない部分にとり
つけることもできる。
の発熱素子の搭載面で発熱素子のない部分にとり
つけることもできる。
このように構成してなる本発明の半導体パツケ
ージにおいては、半導体素子の発熱により配線基
板が抵融点金属の融点以上にさらされた場合、低
融点金属が融解し、この融解時の吸熱により配線
基板および半導体素子の温度が低下して融点近傍
の温度に保持される。ちなみに低融点金属として
例えば融点58℃のビスマス−鉛−錫−インジウム
合金を使用した場合、低融点金属の熱抵抗が小さ
いので配線基板裏面の温度（第２図中Ａ点）は第
３図のグラフの実線に示すように一定時間（低融
点金属の融解熱×低融点金属の量÷パツケージの
発熱量）、低融点金属の融点近傍の温度に保持す
ることができ、従つて配線基板上の半導体素子の
ジヤンクシヨン温度をその最大定格動作温度以下
に保つことが可能となる。一方封じ込む物質とし
て融点58℃のワツクスを使用した場合、ワツクス
は融解して吸熱しているにもかかわらず、熱伝導
性が悪いので第３図のグラフの点線に示すように
配線基板裏面の温度は上昇し続けるため、配線基
板上の半導体素子のジヤンクシヨン温度を最大定
格動作温度以下におさえることが不可能になる。
ージにおいては、半導体素子の発熱により配線基
板が抵融点金属の融点以上にさらされた場合、低
融点金属が融解し、この融解時の吸熱により配線
基板および半導体素子の温度が低下して融点近傍
の温度に保持される。ちなみに低融点金属として
例えば融点58℃のビスマス−鉛−錫−インジウム
合金を使用した場合、低融点金属の熱抵抗が小さ
いので配線基板裏面の温度（第２図中Ａ点）は第
３図のグラフの実線に示すように一定時間（低融
点金属の融解熱×低融点金属の量÷パツケージの
発熱量）、低融点金属の融点近傍の温度に保持す
ることができ、従つて配線基板上の半導体素子の
ジヤンクシヨン温度をその最大定格動作温度以下
に保つことが可能となる。一方封じ込む物質とし
て融点58℃のワツクスを使用した場合、ワツクス
は融解して吸熱しているにもかかわらず、熱伝導
性が悪いので第３図のグラフの点線に示すように
配線基板裏面の温度は上昇し続けるため、配線基
板上の半導体素子のジヤンクシヨン温度を最大定
格動作温度以下におさえることが不可能になる。
以上説明したように本発明の半導体パツケージ
は、配線基板裏面等に熱伝導性の良好な低融点金
属を接触させているので、効率よく発熱素子のジ
ヤンクシヨン温度を最大定格動作温度以下におさ
えることができ、半導体パツケージを高密度化、
高集積化することが可能となる。
は、配線基板裏面等に熱伝導性の良好な低融点金
属を接触させているので、効率よく発熱素子のジ
ヤンクシヨン温度を最大定格動作温度以下におさ
えることができ、半導体パツケージを高密度化、
高集積化することが可能となる。
なお本発明の半導体装置は、特に比較的短い一
定時間急激に発熱する様なシステムや、比較的短
い一定時間高発熱し、その後低発熱となる様な消
費電力特性を有するシステムに適している。
定時間急激に発熱する様なシステムや、比較的短
い一定時間高発熱し、その後低発熱となる様な消
費電力特性を有するシステムに適している。
第１図は従来の冷却方法を採用した半導体装置
の断面図、第２図は本発明の半導体装置の断面
図、第３図は封入物質として低融点金属を使用し
た本発明の半導体装置とワツクスを使用した比較
例の半導体装置の配線基板裏面における温度上昇
特性を示すグラフである。 １……配線基板、２……半導体素子、３……金
属性キヤツプ、４……冷却用フイン、５，６……
接着剤、７……ウエルドリング、８……金属製皿
状体、９……低融点金属。
の断面図、第２図は本発明の半導体装置の断面
図、第３図は封入物質として低融点金属を使用し
た本発明の半導体装置とワツクスを使用した比較
例の半導体装置の配線基板裏面における温度上昇
特性を示すグラフである。 １……配線基板、２……半導体素子、３……金
属性キヤツプ、４……冷却用フイン、５，６……
接着剤、７……ウエルドリング、８……金属製皿
状体、９……低融点金属。
Claims (1)
- １ 配線基板上に１個以上の発熱素子を搭載し、
これら発熱素子全体を気密封止してなる半導体装
置において、前記配線基板の発熱素子を搭載して
いない面あるいは搭載面の発熱素子のない部分
に、金属製皿状体の縁部を支持固定するととも
に、この金属製皿状体と前記配線基板との間隙を
常温から前記発熱素子の最大定格動作温度までの
温度範囲内で融解する低融点金属で満たしてなる
ことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21912883A JPS60111446A (ja) | 1983-11-21 | 1983-11-21 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21912883A JPS60111446A (ja) | 1983-11-21 | 1983-11-21 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60111446A JPS60111446A (ja) | 1985-06-17 |
| JPS6355215B2 true JPS6355215B2 (ja) | 1988-11-01 |
Family
ID=16730674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21912883A Granted JPS60111446A (ja) | 1983-11-21 | 1983-11-21 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60111446A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100370231B1 (ko) * | 2000-06-13 | 2003-01-29 | 페어차일드코리아반도체 주식회사 | 리드프레임의 배면에 직접 부착되는 절연방열판을구비하는 전력 모듈 패키지 |
| JP4266689B2 (ja) * | 2003-04-09 | 2009-05-20 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置 |
-
1983
- 1983-11-21 JP JP21912883A patent/JPS60111446A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60111446A (ja) | 1985-06-17 |
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