(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板に前記載置部を囲繞するようにして枠状の絶縁体を取着させた半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱板は厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層が拡散接合により被着されて形成されており、かつ前記クロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の各々の厚みが略同一厚みであ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子が載置される載置部を有する銅、銅ータングステン合金等の金属材料からなる放熱板と、該放熱板の上面に前記載置部を囲繞するようにして取着された酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る枠状の絶縁体と、該枠状絶縁体の内周部から外周部にかけて被着導出されているタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末からなる複数個のメタライズ配線層と、前記枠状絶縁体の上面に取着され、絶縁体の穴を塞ぐ蓋体とから構成されており、放熱板の半導体素子載置部に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子の各電極をボンディングワイヤを介して枠状絶縁体に形成したメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、枠状絶縁体に蓋体を該絶縁体の穴を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、放熱板と枠状絶縁体と蓋体とから成る容器内部に半導体素子を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【０００３】
なお、上述の半導体素子収納用パッケージにおいては、半導体素子が載置される放熱板が銅や銅ータングステン合金等の金属材料で形成されており、該銅や銅ータングステン合金等は熱伝導性に優れていることから放熱板は半導体素子の作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させることができ、これによって半導体素子を常に適温とし半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするのを有効に防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージでは、放熱板が銅で形成されている場合、該銅はその熱膨張係数が約１８×１０-6／℃で枠状絶縁体を構成する酸化アルミニウム質焼結体等の熱膨張係数（酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数は約７×１０-6／℃）と大きく相異することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、枠状絶縁体と放熱板の各々に半導体素子が作動時に発生する熱等が印加された場合、放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生し、該熱応力によって放熱板が枠状絶縁体より剥がれたり、枠状絶縁体に割れやクラックが発生して容器の気密封止が破れ、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、正常、且つ安定に作動させることができないという欠点を有していた。
【０００５】
また放熱板が銅ータングステン合金で形成されている場合、該銅ータングステン合金は重いことから容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした際、半導体装置の重量が重くなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にはその実装が困難となってしまう欠点を有していた。
【０００６】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は容器内部の気密封止を完全とするとともに容器内部に収容する半導体素子を常に適温として半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板に前記載置部を囲繞するようにして枠状の絶縁体を取着させた半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱板は厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層が拡散接合により被着されて形成されており、かつ前記クロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の各々の厚みが略同一厚みであることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板として厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合させたものを使用したことから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板の上面側から下面側にかけて選択的に伝達されるとともに放熱板の下面側から大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【０００９】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、枠状絶縁体を形成する酸化アルミニウム質焼結体等の熱膨張係数に近似することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、放熱板と枠状絶縁体の各々に半導体素子が作動時に発する熱が印加されたとしても、放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板は絶縁体に割れやクラックを発生させることなく絶縁体に強固に接合し、かつ半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００１０】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその重量が銅ータングステン合金に比べて１／５程度であり、極めて軽量なものであることから半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を収容し、半導体装置となした場合、半導体装置の重量は極めて軽量なものとなり、その結果、近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示し、１は放熱板、２は枠状の絶縁体、３は蓋体である。この放熱板１と枠状絶縁体２と蓋体３とで半導体素子４を収容する容器５が構成される。
【００１２】
前記放熱板１はその上面に半導体素子４が載置される載置部１ａを有するとともに上面外周部に該放熱板１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして枠状の絶縁体２がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されている。
【００１３】
前記放熱板１は半導体素子４を支持する支持部材として作用するとともに半導体素子４が作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に効率良く放散させ、半導体素子４を常に適温とする作用をなし、枠状絶縁体２に囲まれた放熱板１の載置部１ａ上に半導体素子４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定される。
【００１４】
前記放熱板１は、図２に示すように、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体１ｂの上下両面にクロムー鉄合金層６ａ、銅層６ｂ、モリブデン層６ｃの３層構造を有する金属層６を拡散接合により被着させたものから成り、枠状絶縁体２の下面に予めタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成るメタライズ金属層７を被着させておき、該メタライズ金属層７に放熱坂１の上面側に被着させた金属層６を半田や銀ー銅合金、チタンー銀ー銅合金等のロウ材を介しロウ付けすることによって放熱板１は枠状絶縁体２の下面に取着される。
【００１５】
前記放熱板１の一方向性複合材料から成る芯体１ｂは、例えば、一方向に配列した炭素繊維の束を、固体のピッチあるいはコークスなどの微粉末を分散させたフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の溶液中に含浸させ、次にこれを乾燥させて一方向に炭素繊維が配列している複数枚のシー卜を形成するとともに各々のシー卜を炭素繊維の方向が同一となるようにして複数枚積層し、次に前記積層された複数枚のシー卜に所定の圧力を加えるとともに加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させ、最後にこれを不活性雰囲気中、高温で焼成し、フェノール樹脂とピッチあるいはコークスの微粉末を炭化させる（炭素を形成する）とともに該炭素で各々の炭素繊維を結合させることによって製作されている。
【００１６】
また前記放熱板１の一方向性複合材料からなる芯体１ｂはその上下両面にクロムー鉄合金層６ａと銅層６ｂとモリブデン層６ｃとの３つの層からなる金属層６が被着されており、該金属層６のクロムー鉄合金層６ａと銅層６ｂとモリブデン層６ｃの各々はその厚みが略同一厚みとなっている。
【００１７】
前記金属層６を略同一厚みのクロムー鉄合金層６ａと銅層６ｂとモリブデン層６ｃの３つの層で形成するのは一方向性複合材料からなる芯体１ｂの熱膨張係数を枠状絶縁体２の熱膨張係数に近似する約７×１０-6／℃にするためであり、一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両面に略同一厚みのクロムー鉄合金層６ａと銅層６ｂとモリブデン層６ｃの３つの層からなる金属層６を被着させた放熱板１はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃となり、これによって放熱板１を枠状絶縁体２の下面に取着させた後、両者に半導体素子４が作動時に発生する熱等が印加されたとしても、放熱板１と枠状絶縁体２との間には両者の熱膨張係数の相異に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板１は枠状絶縁体２に強固に接合し、かつ半導体素子４の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子４を長期間にわたり、正常、旦つ安定に作動させることができる。
【００１８】
なお、前記金属層６は一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両面に拡散接合させることによって被着されており、具体的には、一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両面に厚さ５０μｍ以下のクロムー鉄合金の箔と銅の箔とモリブデンの箔を順次、載置させ、次にこれを真空ホットプレスで５ＭＰａの圧力をかけつつ１２０００ｃの温度を１時間印加することによって行われる。
【００１９】
また前記金属層６のクロムー鉄合金層６ａは、金属層６を一方向性複合材料からなる芯体１ｂに強固に接合させる作用をなし、また銅層６ｂはクロムー鉄合金層６ａとモリブデン層６ｃとを強固に接合させるとともに両者の相互拡散を有効に防止する作用をなし、更にモリブデン層６ｃはクロムー鉄合金層６ａ及び銅層６ｂと相まって放熱板１の熱膨張係数を約７×１０-6／℃とする作用をなす。
【００２０】
前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両主面に金属層６を被着させてなる放熱板１は、一方向性複合材料からなる芯体１ｂの炭素繊維の方向、即ち、放熱板１の上面から下面にかけての方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上、炭素繊維に対し直交する方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・ｋ以下であり、放熱板１の上面側から下面側に向けて熱が一方向に選択的に効率良く伝達するようになっている。そのためこの一方向性複合材料から成る芯体１ｂを用いた放熱板１の上面に半導体素子４を載置固定させた場合、半導体素子４の作動時に発する熱は放熱板１の上面から下面にかけて一方向に伝達し、放熱板１の下面から大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２１】
前記一方向性複合材料から成る芯体１ｂを用いた放熱板１はまたその重量が銅ータングステン合金に比較して１／５程度であり、軽いことからこの放熱板１を使用した半導体素子収納用パッケージに半導体素子４を収容して半導体装置を形成した際、該半導体装置の重量も極めて軽量なものとなり、近時の小型化、軽量化が進む電子装置にも実装が可能となる。
【００２２】
更に前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂを用いた放熱板１はその弾性率が３０ＧＰａ以下であり、軟質であることから放熱板１と枠状絶縁体２との間に若干の熱膨張係数差があったとしても両者間に発生する熱応力は放熱板１を適度に変形させることによって吸収され、その結果、枠状絶縁体２と放熱板１とは極めて強固に接合し、半導体素子４が発する熱を常に大気中へ効率良く放散させることができる。
【００２３】
また更に前記一方向性複合材料からなる芯体１ｂの上下両面に金属層６を被着させた放熱板１は、芯体１ｂと上面金属層６との間及び芯体１ｂと下面金属層６との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生するがその各々の熱応力は金属層６の芯体１ｂに対する被着位置が異なることから互いに相殺され、その結果、放熱板１は芯体１ｂと金属層６との間に発生する熱応力によって変形することはなく常に平坦となり、これによって枠状絶縁体２の下面に放熱板１を強固に接合させることが可能となるとともに半導体素子４が作動時に発する熱を放熱板１を介して大気中に効率良く放散させることが可能となる。
【００２４】
更にまた前記放熱板１の上面外周部に該放熱板１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして枠状の絶縁体２がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されており、放熱板１と枠状絶縁体２とで半導体素子４を収容するための空所が内部に形成される。
【００２５】
前記放熱板１に取着される枠状絶縁体２は酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００２６】
前記枠状絶縁体２は更にその内周部から上面にかけて導出する複数個のメタライズ配線層８が被着形成されており、枠状絶縁体２の内周部に露出するメタライズ配線層８の一端には半導体素子４の各電極がボンディングワイヤ９を介して電気的に接続され、また枠状絶縁体２の上面に導出された部位には外部電気回路と接続される外部リードピン１０が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００２７】
前記メタライズ配線層８は半導体素子４の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されている。
【００２８】
前記メタライズ配線層８はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを枠状絶縁体２となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンにに印刷塗布しておくことによって枠状絶縁体２の内周部から上面にかけて被着形成される。
【００２９】
なお、前記メタライズ配線層８はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、メタライズ配線層８の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層８への外部リードピン１０のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記メタライズ配線層８は、その露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００３０】
また前記メタライズ配線層８には外部リードピン１０が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リードピン１０は容器５内部に収容する半導体素子４の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リードピン１０を外部電気回路に接続することによって容器５内部に収容される半導体素子４はメタライズ配線層８及び外部リードピン１０を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３１】
前記外部リードピン１０は鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００３２】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板１の半導体素子載置部１ａ上に半導体素子４をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子４の各電極をボンディングワイヤ９を介して所定のメタライズ配線層８に接続させ、しかる後、前記枠状絶縁体２の上面に蓋体３をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、放熱板１、枠状絶縁体２及び蓋体３とから成る容器５内部に半導体素子４を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００３３】
なお、本発明は上述の実施例に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あれば種々の変更は可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱板として厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合させたものを使用したことから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板の上面側から下面側にかけて選択的に伝達されるとともに放熱板の下面側から大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００３５】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、枠状絶縁体を形成する酸化アルミニウム質焼結体等の熱膨張係数に近似することから、容器内部に半導体素子を気密に収容し、半導体装置となした後、放熱板と枠状絶縁体の各々に半導体素子が作動時に発する熱膨張係数が印加されたとしても、放熱板と枠状絶縁体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、その結果、放熱板は絶縁体に割れやクラックを発生させることなく絶縁体に強固に接合し、かつ半導体素子の作動時に発する熱を大気中に良好に放散させることを可能として、容器内部に収容する半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００３６】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る芯体の上下両面にクロムー鉄合金層、銅層、モリブデン層の３層構造を有する金属層を拡散接合させた放熱板はその重量が銅ータングステン合金に比べて１／５程度であり、極めて軽量なものであることから半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を収容し、半導体装置となした場合、半導体装置の重量は極めて軽量なものとなり、その結果、近時の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体素子収納用パッケージの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・放熱板
１ａ・・・・・・・半導体素子の載置部
１ｂ・・・・・・・芯体
２・・・・・・・・枠状の絶縁体
３・・・・・・・・蓋体
４・・・・・・・・半導体素子
６・・・・・・・・金属層
６ａ・・・・・・・クロムー鉄合金層
６ｂ・・・・・・・銅層
６ｃ・・・・・・・モリブデン層
８・・・・・・・・メタライズ配線層
１０・・・・・・・・外部リードピン
【図１】
0003659301.tif 000002
【図２】
0003659301.tif 000003