(57)【要約】【課題】金属成形体（またはセラミック成形体）の凹部内にセラミック成形体（または金属成形体）を配置し、ろう材で接合する際の、セラミック成形体におけるクラックの発生を防止し、かつ十分な接合強度を得る。【解決手段】底面１０３ａおよび側面１０３ｂで構成される凹部１０３を備え、該凹部１０３の底表面に金属部を備える第１成形体１０４と、凹部１０３内に、該凹部の側面１０３ｂに近接して配置され、第１成形体１０４側の表面に金属部を備える第２成形体１０５と、第１成形体１０４の金属部と第２成形体１０５の金属部との間に配置されるろう材１０７とを具備する接合構造体であって、第２成形体１０５は、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂ側に面取部１１０を備え、該面取部１１０の表面も金属部を備える接合構造体、及びこのような接合構造体を有する半導体素子収納用パッケージ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面および側面で構成される凹部を備え、該凹部の底表面に金属部を備える第１成形体と、
前記凹部内に、該凹部の側面に近接して配置され、前記第１成形体側の表面に金属部を備える第２成形体と、
前記第１成形体の金属部と前記第２成形体の金属部との間に配置されるろう材と、
を具備する接合構造体であって、
前記第２成形体は、前記第１成形体の前記凹部の側面側に面取部を備え、該面取部の表面も金属部を備えることを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
前記第１成形体が、前記凹部の底表面に金属層を備えるセラミック成形体からなり、前記第２成形体が、金属成形体からなり、前記第１成形体の金属層と前記第２成形体との間に前記ろう材が配置されることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
【請求項３】
前記第１成形体が、金属成形体からなり、前記第２成形体が、前記第１成形体側の表面に金属層を備えるセラミック成形体からなり、前記第１成形体と前記第２成形体の金属層との間に前記ろう材が配置されることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
【請求項４】
前記第１成形体の凹部側面と、前記第２成形体の面取部との間のろう材は、その断面が、底辺（ａ）に対する高さ（ｂ）の比（ｂ／ａ）が１以下の三角形をなすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体。
【請求項５】
前記第１成形体の凹部側面と、前記第２成形体の面取部との間のろう材の表面は、平面または内側に凹んだ傾斜面からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の接合構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の接合構造体を有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子収納用パッケージにおいてセラミック部材と金属部材とをろう材で接合する際等に使用される接合構造体、及びそのような接合構造体を用いた半導体素子収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子収納用パッケージ等において、セラミック部材と金属部材とをろう材を用いて接合することが行われている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
図３は、そのような接合技術を用いた接合構造体の一例を示したもので、金属からなるベース１上に、上面に凹部３を備えたセラミックからなる成形体４が固定され、さらにその凹部３内に金属からなる成形体５が配置され、ろう材７により接合されている。図３において、符号８は、凹部３の底表面にろう付けのために設けられた金属層を示している。
【０００４】
このような接合構造体においては、ろう付け部の接続信頼性を高めるため、一般に、金属成形体５の基部外面からセラミック成形体４の凹部３底表面にかけてろう材７のフィレット１２を形成している。しかしながら、このようなろう材７のフィレット１２の形成は、金属成形体５の基端部分の応力集中を緩和するうえでは有効であるものの、場合によりセラミック成形体４にクラック９が発生することがあった。特に、金属成形体５とセラミック成形体４の凹部３側面までの距離（ｄ）が短い（例えば、１ｍｍ程度以下）と、クラック９が入りやすい傾向が見られた。これは、次のような理由によると考えられる。
【０００５】
すなわち、金属成形体５とセラミック成形体４の凹部３側面までの距離（ｄ）が短いと、ろう材過多の状態となり、フィレット１２の先端がセラミック成形体４の凹部３側面に達し、該部に大きな応力の集中が生じる。その結果、応力の集中した凹部３側面基部を起点にセラミック成形体４にクラック９が発生しやすくなる。
【０００６】
この対策として、ろう材の使用量を減らすことが考えられるが、ろう材の使用量を減らすと、十分な接合強度が得られなくなるおそれがある。このため、金属成形体５の凹部３側面までの距離（ｄ）が短い場合であっても、セラミック成形体４にクラック９が生ずることがなく、しかも、十分な接合強度が得られる接合技術が求められている。
【０００７】
なお、上記のようなクラック９の発生は、例えば図４に示すように、上面に凹部１３を備えた金属からなる成形体１４の凹部１３内にセラミックからなる成形体１５が載置され、ろう材７により接合されている接合構造体等においても見られた。そして、この場合も、図３に示す接合構造体と同様、セラミック成形体１５と金属成形体１４の凹部１３側面までの距離（ｄ）が短い（例えば、１ｍｍ程度以下）と、クラック９が入りやすい傾向が見られた。図４において、符号８は、セラミック成形体１５の底面にろう付けのために設けられた金属層を示している。
【特許文献１】特開昭６３−１４４５４号公報
【特許文献２】特開平６−３３４０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題に対処してなされたものであり、金属成形体またはセラミック成形体の凹部内にセラミック成形体または金属成形体を配置し、ろう材で接合する際の、セラミック成形体におけるクラックの発生を防止することができ、かつ金属成形体とセラミック成形体とを十分な接合強度をもって接合することができる接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）請求項１の発明（接合構造体）は、底面および側面で構成される凹部を備え、該凹部の底表面に金属部を備える第１成形体と、前記凹部内に、該凹部の側面に近接して配置され、前記第１成形体側の表面に金属部を備える第２成形体と、前記第１成形体の金属部と前記第２成形体の金属部との間に配置されるろう材と、を具備する接合構造体であって、前記第２成形体は、前記第１成形体の前記凹部の側面側に面取部を備え、該面取部の表面も金属部を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、第２成形体が第１成形体の凹部の側面側に面取部を備え、該面取部の表面も金属部を備えるので、第１成形体の凹部側面と第２成形体の面取部との間のろう材が固化し収縮する際に第１成形体または第２成形体に加わる応力を低減でき、かかる応力に起因するクラック等の欠陥が第１成形体または第２成形体に発生するのを防止することができる。また、第１成形体の金属部と第２成形体の金属部との間のろう材が過少となることはないため、十分な接合強度が得られる。
【００１１】
（２）請求項２の発明は、請求項１記載の接合構造体において、前記第１成形体が、前記凹部の底表面に金属層を備えるセラミック成形体からなり、前記第２成形体が、金属成形体からなり、前記第１成形体の金属層と前記第２成形体との間に前記ろう材が配置されることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、第１成形体が、凹部の底表面に金属層を備えるセラミック成形体からなり、第２成形体が、金属成形体から構成されている。このような接合構造体においては、ろう材が固化し収縮する際の応力で第１成形体を構成するセラミック成形体にクラックが発生する恐れがあるが、本発明では、第１成形体の凹部側面に加わる前記応力を低減することができるため、そのような応力に起因するクラックの発生を防止することができる。
【００１３】
（３）請求項３の発明は、請求項１記載の接合構造体において、前記第１成形体が、金属成形体からなり、前記第２成形体が、前記第１成形体側の表面に金属層を備えるセラミック成形体からなり、前記第１成形体と前記第２成形体の金属層との間に前記ろう材が配置されることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、第１成形体が、金属成形体からなり、第２成形体が、第１成形体側の表面に金属層を備えるセラミック成形体から構成されている。このような接合構造体においては、ろう材が固化し収縮する際の応力で第２成形体を構成するセラミック成形体にクラックが発生する恐れがあるが、本発明では、第２成形体に加わる前記応力を低減することができるため、そのような応力に起因するクラックの発生を防止することができる。
【００１５】
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体において、前記第１成形体の凹部側面と、前記第２成形体の面取部との間のろう材は、その断面が、底辺（ａ）に対する高さ（ｂ）の比（ｂ／ａ）が１以下の三角形をなすことを特徴とする。
【００１６】
本発明では、第１成形体の凹部側面と、第２成形体の面取部との間のろう材の断面が、底辺（ａ）に対する高さ（ｂ）の比（ｂ／ａ）が１以下の三角形をなすので、ろう材が固化し収縮する際の応力をより低減することができ、かかる応力に起因するクラック等の欠陥も発生をより確実に防止することができる。
【００１７】
ここで、上記「断面」とは、第１成形体の凹部側面と第２成形体の面取部との間のろう材を、第１成形体の凹部の底面及び側面に垂直な面で切断したときの断面をいう。
【００１８】
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の接合構造体において、前記第１成形体の凹部側面と、前記第２成形体の面取部との間のろう材の表面は、平面または内側に凹んだ傾斜面からなることを特徴とする。
【００１９】
本発明では、第１成形体の凹部側面と、第２成形体の面取部との間隙部のろう材の表面が、平面または内側に凹んだ傾斜面であるので、ろう材が固化し収縮する際の応力をより低減することができ、かかる応力に起因するクラック等の欠陥も発生をより確実に防止することができる。
【００２０】
（６）請求項６の発明（半導体素子収納用パッケージ）は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の接合構造体を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明では、クラック等の欠陥がなく、かつ十分な接合強度を有する接合構造体を備えることができるので、高い信頼性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、金属成形体またはセラミック成形体の凹部内にセラミック成形体または金属成形体を配置し、ろう材で接合する際の、セラミック成形体におけるクラックの発生を防止することができ、かつ金属成形体とセラミック成形体とを十分な接合強度をもって接合することができる接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なることに留意すべきである。さらに、以下の説明において、同一もしくは略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００２５】
図１において、１０１は、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなるベースを示している。この金属ベース１０１上には、上面に、底面１０３ａおよび側面１０３ｂからなる凹部１０３を備えたセラミックからなる第１成形体１０４が固定され、さらに、このセラミックからなる第１成形体１０４の凹部１０３内には、金属からなる第２成形体１０５が配置され、銀ろう等のろう材１０７によって接合されている。
【００２６】
第１成形体１０４は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第１成形体１０４の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第１成形体１０４の凹部１０３の底表面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１０８が設けられている。金属層１０８の表面には、必要に応じて、ろう材１０７との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。なお、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１０８や、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層は、凹部１０３の底表面全体に設けられていてもよく、あるいはろう材１０７が配置される部分のみに選択的に設けられていてもよい。
【００２７】
第２成形体１０５は、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる。なお、第２成形体１０５は、金属ベース１０１と同様、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金で形成されていてもよく、また、その他の金属で形成されていてもよい。一方、金属ベース１０１も、コバール（Ｋｏｖａｒ）や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００２８】
第２成形体１０５の底表面には、必要に応じて、ろう材１０７との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００２９】
第２成形体１０５は、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂに近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第２成形体１０５と第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂまでの距離（ｄ）が１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第２成形体１０５は、距離（ｄ）が１００μｍとなる位置に配置されている。
【００３０】
そして、第２成形体１０５の第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂ側には、Ｃ面取寸法（縦、横の長さ）が例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲のＣ面取部１１０が形成されている。
【００３１】
ろう材１０７は、このようなＣ面取部１１０が形成された第２成形体１０５と、第１成形体１０４の凹部１０３の底表面に形成された金属層１０８の間に配置される。第２成形体１０５にＣ面取部１１０を形成したことにより、Ｃ面取部１１０と第１成形体１０４の凹部１０３の底面１０３ａの間に、次のようなメニスカス１１２が形成される。すなわち、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂと、第２成形体１０５のＣ面取部１１０との間のろう材１０７は、その断面が、底辺（ａ）に対する高さ（ｂ）の比（ｂ／ａ）が１以下の略三角形をなしている。また、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂと、第２成形体１０５のＣ面取部１１０との間のろう材１０７の表面は、平面または内側に凹んだ傾斜面で形成されている。なお、前記比（ｂ／ａ）は、０．８以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましく、０．２以下であることがよりいっそう好ましい。
【００３２】
このように構成される接合構造体においては、第２成形体１０５が、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂに近接して配置されているにも拘らず、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂに従来のようなろう材１０７の固化収縮に伴う大きな応力が加わることがなく、かかる応力に起因するクラックの発生を防止することができる。しかも、第２成形体１０５と第１成形体１０４の金属層１０８の間には、十分な量のろう材１０７を配置することができるため、十分な強度を持って第１成形体１０４と第２成形体１０５とを接合することができる。したがって、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００３３】
ちなみに、第２成形体１０５の第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂ側にＣ面取部１１０を形成することによって、上記のようなメニスカス１１２が形成されるようにした接合構造体と、Ｃ面取部１１０を形成しない以外は同様に構成した従来構造の接合構造体について、第２成形体１０５と第１成形体１０４との接合強度と、ろう付け後の第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂにおける残留応力とを測定したところ、接合強度はいずれも良好であったが、残留応力では、本実施形態の接合構造体は、従来構造のものに比べ、最大で５５％低減された。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態では、上面に、底面１０３ａおよび側面１０３ｂからなる凹部１０３を備えた金属からなる第１成形体１０４の凹部１０３内に、セラミックからなる第２成形体1０５が配置され、銀ろう等のろう材１０７によって接合されている。金属からなる第１成形体１０４には、また、凹部１０３の底面１０３ａを貫通する貫通孔２０６が設けられている。
【００３６】
第１成形体１０４は、コバール（Ｋｏｖａｒ）からなる。第１成形体１０４は、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等で形成されていてもよい。また、第１成形体１０４の凹部１０３の底表面には、必要に応じて、ろう材１０７との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。これらのニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層は、凹部１０３の底表面１０３ａ全体に設けられてもよく、あるいはろう材１０７が配置される部分のみに選択的に設けられてもよい。
【００３７】
第２成形体１０５は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第２成形体１０５の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第２成形体１０５の底表面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１０８が設けられている。金属層１０８の表面には、必要に応じて、ろう材１０７との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。なお、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１０８や、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層は、第２成形体１０５の底表面全体に設けられていてもよく、また、場合により、ろう材１０７が配置される部分のみに選択的に設けられていてもよい。
【００３８】
第２成形体１０５は、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂに近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第２成形体１０５と第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂまでの距離（ｄ）が１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第２成形体１０５は、距離（ｄ）が１００μｍとなる位置に配置されている。
【００３９】
そして、第２成形体１０５の第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂ側には、Ｃ面取寸法（縦、横の長さ）が例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲のＣ面取部１１０が形成されている。前述した金属層１０８は、このＣ面取部１１０の表面にも設けられており、該部の金属層１０８の表面にも、必要に応じて、ろう材１０７との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成することができ、さらに、このニッケル（Ｎｉ）層上に厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成することができる。
【００４０】
ろう材１０７は、このようなＣ面取部１１０が形成された第２成形体１０５の底表面に形成された金属層１０８と、第１成形体１０４との間に配置される。第２成形体１０５にＣ面取部１１０を形成したことにより、Ｃ面取部１１０と第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂの間に、次のようなメニスカス１１２が形成される。すなわち、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂと、第２成形体１０５のＣ面取部１１０との間のろう材１０７は、その断面が、底辺（ａ）に対する高さ（ｂ）の比（ｂ／ａ）が１以下の略三角形をなしている。また、第１成形体１０４の凹部側面１０３ｂと、第２成形体１０５のＣ面取部１１０との間のろう材１０７の表面は、平面または内側に凹んだ傾斜面で形成されている。なお、前記比（ｂ／ａ）は、０．８以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましく、０．２以下であることがよりいっそう好ましい。
【００４１】
このように構成される接合構造体においては、セラミックからなる第２成形体１０５が、金属からなる成形体１０４の凹部側面１０３ｂに近接して配置されているにも拘らず、第２成形体１０５に従来のようなろう材１０７の固化収縮に伴う大きな応力が加わることがなく、かかる応力に起因するクラックの発生を防止することができる。しかも、第２成形体１０５の金属層１０８と第１成形体１０４の間には、十分な量のろう材１０７を配置することができるため、十分な強度を持って第１成形体１０４と第２成形体１０５とを接合することができる。したがって、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００４２】
なお、本発明は以上説明した実施の形態に記載内容に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。例えば、上記各実施形態において、Ｃ面取部１１０に代えて、Ｒ面取部、あるいは内側に凹んだ面取部を形成してもよい。また、通常、Ｃ面取部１１０のＣ面取寸法は、縦及び横の長さが同じであるが、縦及び横の長さが異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体の一例を示す断面図である。
【図４】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０３…凹部、１０３ａ…凹部底面、１０３ｂ…凹部側面、１０４…第１成形体、１０５…第２成形体、１０７…ろう材、１０８…金属層、１１０…Ｃ面取部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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