(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収容する絶縁容器の外表面に放熱板を取着して成る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り、かつ露出する外表面が被覆層で被覆されていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項２】
前記被覆層が金属材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の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、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子を収容するための凹部を有し、下面に銅や銅ータングステン合金等の金属材料から成る放熱板が取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の凹部周辺から外周縁にかけて被着導出されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、内部に収容する半導体素子を外部電気回路に接続するために前記メタライズ配線層に銀ロウ等のロウ材を介し取着された外部リード端子と、蓋体とから構成されており、絶縁基体の凹部底面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メタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体に蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基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、絶縁基体の下面に取着されてい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】
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／℃で絶縁基体を構成する酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス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／℃、ムライト質焼結体の熱膨張係数は約４×１０-6／℃、窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数は約４×１０-6／℃、炭化珪素質焼結体の熱膨張係数は約３×１０-6／℃、ガラスセラミックス焼結体の熱膨張係数は約４×１０-6／℃）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、絶縁基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、放熱板と絶縁基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絶縁基体より剥がれ、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が不可となったり、絶縁基体に割れやクラックが発生し、容器の気密封止が破れ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、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】
そこで上記欠点を解消するために放熱板を銅や銅ータングステン合金等の金属材料で形成するのに変えて所定の方向に配列された炭素繊維の各々を炭素で結合した一方向性複合材料で形成することが提案されている（特開平９ー３２１１９０号公報参照）。
【０００７】
かかる一方向性複合材料は炭素繊維の配列方向（炭素繊維の長さ方向）のみに熱を伝達するという特性を有するため炭素繊維の配列方向を絶縁基体の半導体素子が搭載される凹部底面に対し直角方向としておくと半導体素子が作動時に発する熱を良好に吸収し、該吸収した熱を大気中に効率良く放散させることが可能となる。
【０００８】
またこの一方向性複合材料は軟質であるため絶縁基体と熱膨張係数が相違し、絶縁基体との間に熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生したとしても該熱応力は一方向性複合材料から成る放熱板を適度に変形させることによって吸収され、その結果、絶縁基体と放熱板とは極めて強固に接合し、半導体素子の作動時に発する熱を長期間にわたり大気中に放散させることが可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この一方向性複合材料を放熱板として使用した場合、該一方向性複合材料はその表面及び内部に多数の気孔を有しており、多孔質であることから容器内部に半導体素子を収容し、半導体装置となした後、ヘリウムを使用して半導体装置の気密封止の検査をした際、ヘリウムの一部が前記気孔内にトラップされ、このトラップされたヘリウムによって検査結果に誤差が生じ、半導体装置の気密封止の正確な検査ができないという欠点を誘発した。
【００１０】
本発明は上述の諸欠点に鑑み案出されたもので、その目的は内部に収容する半導体素子を常に適温として正常、かつ安定に作動させることができ、かつ内部に半導体素子を収容して形成される半導体装置の気密封止の正確な検査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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子を収容する絶縁容器の外表面に放熱板を取着して成る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り、かつ露出する外表面が被覆層で被覆されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明は、前記被覆層が金属材料から成ることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、厚み方向に配列された炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料を放熱板として使用することから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板に選択的に吸収されるとともに放熱板を介して大気中に効率良く放散され、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。
【００１４】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、一方向性複合材料から成る放熱板は弾性率が３０ＧＰａ以下で、軟質であることから放熱板と絶縁基体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が多少発生したとしてもその熱応力は放熱板を適度に変形させることによって吸収され、その結果、絶縁基体と放熱板とは極めて強固に接合し、半導体素子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。
【００１５】
更に本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、一方向性複合材料から成る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。  また更に本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、一方向性複合材料から成る放熱板の露出する外表面を被覆層で被覆したことから放熱板の内部及び表面に多数の気孔が形成されており多孔質であるとしてもその気孔は被覆層によって完全に塞がれ、その結果、容器内部に半導体素子を収容し、半導体装置となした後、ヘリウムを使用して半導体装置の気密封止の検査をする場合、ヘリウムの一部が放熱板の気孔内にトラップされることが有効に防止されて半導体装置の気密封止の検査を極めて正確に行うことが可能となる。
【００１６】
【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は絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子３を収容する絶縁容器４が構成される。
【００１７】
前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３を収容するための空所を形成する凹部１ａが設けてあり、該凹部１ａ底面には半導体素子３が載置され、ガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１８】
前記絶縁基体１は酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、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。
【００１９】
また前記絶縁基体１は凹部１ａ周辺から外周縁にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成されており、該メタライズ配線層５の凹部１ａ周辺部には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ６を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の上面外周縁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端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００２０】
前記メタライズ配線層５は半導体素子３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。
【００２１】
前記メタライズ配線層５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絶縁基体１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絶縁基体１の凹部１ａ周辺から外周縁にかけて被着形成される。
【００２２】
また前記メタライズ配線層５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５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５への外部リード端子７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５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。
【００２３】
更に前記メタライズ配線層５には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子７は容器４内部に収容する半導体素子３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、外部リード端子７を外部電気回路に接続することによって容器４内部に収容される半導体素子３はメタライズ配線層５及び外部リード端子７を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００２４】
前記外部リード端子７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。
【００２５】
前記外部リード端子７が被着された絶縁基体１はまたその下面に放熱板８がロウ材、ガラス、樹脂等から成る接着剤を介して取着されており、該放熱板８は半導体素子３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て半導体素子３を常に適温となし、これによって半導体素子３は常に正常に作動することが可能となる。
【００２６】
前記放熱板８は炭素繊維を厚み方向に配列させるとともに各々の炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料で形成されており、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トを形成するとともに各々のシート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ト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。
【００２７】
前記放熱板８を形成する一方向性複合材料は炭素繊維の方向、即ち、放熱板８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８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放熱板８を半導体素子３が載置収容される絶縁基体１の下面に取着させた場合、半導体素子３の作動時に発する熱は絶縁基体１を介して放熱板８に良好に吸収され、かつ放熱体８を一方向に伝達して大気中に効率良く放散されることとなる。
【００２８】
また前記一方向性複合材料から成る放熱板８は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８が取着された半導体素子収納用パッケージに半導体素子３を収容して半導体装置を形成した場合、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。
【００２９】
更に前記一方向性複合材料から成る放熱板８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８と絶縁基体１との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が多少発生したとしてもその熱応力は放熱板８を適度に変形させることによって吸収され、その結果、絶縁基体１と放熱板８とは極めて強固に接合し、半導体素子３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。
【００３０】
なお、前記一方向性複合材料から成る放熱板８の絶縁基体１下面への取着は、ロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を使用することによって行われ、ロウ材を使用して取着する場合は、絶縁基体１の下面に前述のメタライズ配線層５と同様の方法によって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９を予め被着させておくとともに放熱板８の上面に鉄やニッケル、クロム、チタン、モリブデン、タンタル、タングステン等の厚さ５０μｍ以下の薄板状金属部材を拡散接合により被着させておき、薄板状金属部材と絶縁基体１下面に被着形成したメタライズ金属層９とを半田等のロウ材を介しロウ付けすることによって行われる。
【００３１】
また前記放熱板８の薄板状金属部材の拡散接合による被着は、特開平９ー３２１１９０号公報に記載の方法、具体的には、一方向性複合材料の一主面に鉄やニッケル、クロム、チタン、モリブデン、タンタル、タングステン等の厚さ５０μｍ以下の薄板状金属部材を載置させ、次にこれを真空ホットプレスで５ＭＰａの圧力をかけつつ１２００℃の温度を１時間印加することによって行われる。
【００３２】
更に前記放熱板８はその露出する外表面が被覆層１０で被覆されており、該被覆層１０によって放熱板８を形成する一方向性複合材料の気孔が完全に塞がれている。
【００３３】
前記放熱板８はその気孔が被覆層１０により完全に塞がれていることから絶縁容器４内部に半導体素子３を収容し、半導体装置となした後、ヘリウムを使用して半導体装置の気密封止の検査をする場合、ヘリウムの一部が放熱板８の気孔内にトラップされることはなく、半導体装置の気密封止の検査を極めて正確に行うことが可能となる。
【００３４】
前記被覆層１０は金属や鉛ホウ酸系やホウケイ酸系のガラス、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂から成り、金属はガラスや樹脂に比べ熱伝導率が高く、熱を伝え易く、放熱板８を伝達してきた熱をそのまま大気中に効率よく放散することができることから金属で形成しておくことが好ましい。
【００３５】
前記被覆層１０を金属で形成する場合、放熱板８への被覆層１０の被着は、例えば、まず放熱板８の露出する外表面に無電解メッキ法や電解メッキ法によりニッケルを１μｍ〜１０μｍの厚みに被着させ、次に前記ニッケルメッキ層表面に溶融させた銀ー銅合金やチタンー銀ー銅合金等を被着させることによって行われる。
【００３６】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに該半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ６を介して所定のメタライズ配線層５に接続させ、しかる後、前記絶縁基体１の上面に蓋体２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、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３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。
【００３７】
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。
【００３８】
【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、厚み方向に配列された炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料を放熱板として使用することから半導体素子が作動時に発した熱は放熱板に選択的に吸収されるとともに放熱板を介して大気中に効率良く放散され、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。
【００３９】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、一方向性複合材料から成る放熱板は弾性率が３０ＧＰａ以下で、軟質であることから放熱板と絶縁基体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が多少発生したとしてもその熱応力は放熱板を適度に変形させることによって吸収され、その結果、絶縁基体と放熱板とは極めて強固に接合し、半導体素子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。
【００４０】
更に本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、一方向性複合材料から成る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。
【００４１】
また更に本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、一方向性複合材料から成る放熱板の露出する外表面を被覆層で被覆したことから放熱板の内部及び表面に多数の気孔が形成されており多孔質であるとしてもその気孔は被覆層によって完全に塞がれ、その結果、容器内部に半導体素子を収容し、半導体装置となした後、ヘリウムを使用して半導体装置の気密封止の検査をする場合、ヘリウムの一部が放熱板の気孔内にトラップされることが有効に防止されて半導体装置の気密封止の検査を極めて正確に行うことが可能となる。
【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。
【符号の説明】
１・・・・・・・・絶縁基体
２・・・・・・・・蓋体
３・・・・・・・・半導体素子
４・・・・・・・・絶縁容器
５・・・・・・・・メタライズ配線層
７・・・・・・・・外部リード端子
８・・・・・・・・放熱板
１０・・・・・・・・被覆層
【図１】
0003659297.tif 000002