(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状の基体、該基体の穴部に挿着され、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、前記基体上面に取着され、前記載置部を囲繞する枠状の壁部材と、該壁部材の上面に接合され、壁部材の内側を塞ぐ蓋体とから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、一般に酸化アルミニウム質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する絶縁基体と、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】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージは、絶縁基体を構成する酸化アルミニウム質焼結体の熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ・ｋと低いため絶縁基体に収容される半導体素子が作動時に多量の熱を発した場合、その熱を大気中に良好に放散させることができず、その結果、半導体素子は該半導体素子の発する熱によって高温となり、半導体素子に熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を与え、誤動作を生じさせるという欠点を有していた。
【０００４】
そこで上記欠点を解消するために絶縁基体の半導体素子が接着固定される凹部底面に貫通穴をあけておき、該貫通穴に銅や銅ータングステン合金等の金属材料から放熱板を挿着させるとともに該放熱板の上面に半導体素子を接着固定するようになした半導体素子収納用パッケージが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この半導体素子収納用パッケージは、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の熱膨張係数（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、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際、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、軽量の半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、枠状の基体、該基体の穴部に挿着され、上面に半導体素子が載置される載置部を有する放熱板と、前記基体上面に取着され、前記載置部を囲繞する枠状の壁部材と、該壁部材の上面に接合され、壁部材の内側を塞ぐ蓋体とから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。
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、半導体素子が接着固定される放熱板に厚み方向に配列された炭素繊維を炭素で結合した、上面から下面にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上、横方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・ｋ以下の熱が一方向に選択的に伝達する一方向性複合材料を使用したことから半導体素子が作動時に発する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。
【００１１】
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該放熱板が挿着される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、基体と放熱板とは極めて強固に接合し、容器の気密封止の信頼性を高いものとして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可能となる。
【００１２】
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。
【００１３】
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、容器内部の気密封止の信頼性が高いものとなるとともに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。
【００１４】
【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は枠状の基体、２は放熱板、３は壁部材、４は蓋体である。この枠状の基体１と放熱板２と壁部材３と蓋体４とで半導体素子５を収容する容器６が構成される。
【００１５】
前記枠状の基体１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無機物、或い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、その中央部に放熱板２が挿着される穴が形成されている。
【００１６】
前記枠状の基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、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、また鉄ーニッケルーコバルト合金等から成る場合、鉄ーニッケルーコバルト合金等のインゴット（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を施すことによって製作される。
【００１７】
前記基体１はまたその中央部に形成された穴内に放熱板２が挿着されており、該放熱板２はその上面に半導体素子５が載置される載置部２ａを有し、該載置部２ａに半導体素子５がロウ材、ガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定される。
【００１８】
前記放熱板２は半導体素子５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５が作動時に発する熱を大気中に放散する作用をなし、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いる。
【００１９】
前記一方向性複合材料から成る放熱板２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る。
【００２０】
また前記一方向性複合材料から成る放熱板２はその上面に半導体素子５がロウ材、ガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定され、半導体素子５がロウ材を介して接着固定される場合には、放熱板２の上面に予め下地金属層を被着させておき、該下地金属層に半導体素子５の下面をロウ付けすることによって半導体素子５は放熱板２の上面に接着固定されることとなる。
【００２１】
なお、前記放熱板２上面への下地金属層の被着は、例えば、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時間印加し、薄板状金属部材の一部を放熱板に拡散させ、拡散接合することによって行われる。
【００２２】
更に前記放熱板２は基体１に形成した穴内に挿着されており、該放熱板２の基板１に設けた穴内への挿着は、基体１の穴内に放熱板２を挿入するとともに基体１の穴の内壁面と放熱板２の外周面とをロウ材やガラス、樹脂等により接合させることによって行われる。
【００２３】
前記放熱板２を基体１の穴内にロウ材を介して挿着する場合、基体１が酸化アルミニウム質焼結体等の無機物から成る時は基体１の穴の内壁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を被着させておくとともに放熱板２の側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の厚みに被着させておき、次に前記メタライズ金属層とニッケルメッキ層と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行われ、また基体１が鉄ーニッケルーコバルト合金等の金属材料から成る時には放熱板２の側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の厚みに被着させておき、次に前記ニッケルメッキ層を基体１の穴の内壁面に半田や銀ー銅合金、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行われる。
【００２４】
前記放熱板２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２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２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２の上面に半導体素子５を接着固定させた場合、半導体素子５の作動時に発する熱は放熱板２の上面側から下面側に向かって一方向に伝達し、放熱板２の下面側から大気中に効率良く放散されて半導体素子５を常に適温となすことができる。
【００２５】
また前記一方向性複合材料から成る放熱板２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２が使用した半導体素子収納用パッケージに半導体素子５を収容して形成される半導体装置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。
【００２６】
更に前記一方向性複合材料から成る放熱板２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２と該放熱板２が挿着される基体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２を適度に変形させることによって吸収され、その結果、放熱板２と基体１とは極めて強固に接合し、容器６の気密封止の信頼性を高いものとして内部に収容する半導体素子５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。
【００２７】
前記基体１の穴内に挿着された放熱板２は更にその露出する外表面、即ち、下面に被覆層１０が被着されており、該被覆層１０によって放熱板２を構成する一方向性複合材料が内部及び表面に多数の気孔を有し、多孔質であるとしてもその気孔が前記被覆層１０で完全に塞がれ、容器６の気密封止の信頼性が極めて高いものとなる。また同時に前記被覆層１０によって放熱板２の気孔が完全に塞がれることから容器６内部に半導体素子５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２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。
【００２８】
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２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。
【００２９】
なお、前記被覆層１０を金属で形成する場合、放熱板２の下面に鉄やニッケル、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配置させ、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時間印加し、放熱板２に薄板状金属部材の一部を拡散させ、拡散接合することによって、或いは放熱板２の下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。
【００３０】
前記放熱板２が挿着された基体１はまたその上面に放熱板２の半導体素子５が載置される載置部２ａを囲繞するようにして枠状の壁部材３がロウ材やガラス、樹脂等の接着材を介して取着されており、壁部材３の内側には半導体素子５を収容するための空所が形成される。
【００３１】
前記枠状の壁部材３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、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。
【００３２】
また前記枠状の壁部材３にはその内周部から外周縁にかけて導出する複数個のメタライズ配線層７が被着形成されており、壁部材３の内周部に露出するメタライズ配線層７の一端には半導体素子５の各電極がボンディングワイヤ８を介して電気的に接続され、また壁部材３の外周縁に導出する部位には外部電気回路と接続される外部リード端子９が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００３３】
前記メタライズ配線層７は半導体素子５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。
【００３４】
前記メタライズ配線層７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壁部材３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壁部材３の内周部から外周縁にかけて被着形成される。
【００３５】
また前記メタライズ配線層７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７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７への外部リード端子９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７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。
【００３６】
更に前記メタライズ配線層７には外部リード端子９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９は容器６内部に収容する半導体素子５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９を外部電気回路に接続することによって容器６内部に収容される半導体素子５はメタライズ配線層７及び外部リード端子９を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【００３７】
前記外部リード端子９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。
【００３８】
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２の半導体素子載置部２ａ上に半導体素子５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５の各電極をボンディングワイヤ８を介して所定のメタライズ配線層７に接続させ、しかる後、前記枠状の壁部材３の上面に蓋体４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、基体１と放熱板２と壁部材３と蓋体４とから成る容器６内部に半導体素子５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。
【００３９】
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り、例えば、上述の実施例では基体１と壁部材３とを各々別個に準備する旨、説明したが、両部材を同一の材料で形成し、一体的に形成しておいてもよい。
【００４０】
【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、半導体素子が接着固定される放熱板に厚み方向に配列された炭素繊維を炭素で結合した、上面から下面にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・ｋ以上、横方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・ｋ以下の熱が一方向に選択的に伝達する一方向性複合材料を使用したことから半導体素子が作動時に発する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。
【００４１】
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該放熱板が挿着される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、基体と放熱板とは極めて強固に接合し、容器の気密封止の信頼性を高いものとして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可能となる。
【００４２】
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。
【００４３】
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、容器内部の気密封止の信頼性が高いものとなるとともに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・・・・・・・・基体
２・・・・・・・・放熱板
２ａ・・・・・・・半導体素子載置部
３・・・・・・・・壁部材
４・・・・・・・・蓋体
５・・・・・・・・半導体素子
７・・・・・・・・メタライズ配線層
９・・・・・・・・外部リード端子
１０・・・・・・・・被覆層
【図１】
0003659299.tif 000002