(57)【要約】  本発明は、信頼性が向上した電子部品搭載用パッケージおよび電子装置に関する。電子部品搭載用パッケージ１は、中央部に電子部品１２の搭載領域５を有する放熱板６と、その搭載領域５を取り囲むように、放熱板６上に配設された枠体７と、放熱板６と枠体７とを接合する接合材８と、枠体７の上面に設けられた、枠体７の外方に向かって延びるリード端子９とを含んでいる。放熱板６は、金属材料からなり、搭載領域５を含む第１部分６１と、第１部分６１よりも厚さが薄い第２部分６２とを有し、第２部分６２の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径が、第１部分６１の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径よりも小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品が搭載される搭載領域を含む第１部分と、前記第１部分よりも厚さが薄い第２部分とを有する、金属材料からなる放熱板であって、放熱板厚さ方向における、前記第２部分の金属結晶の結晶粒径が、前記第１部分の金属結晶の結晶粒径よりも小さい放熱板と、
前記放熱板の前記第２部分に配設された、セラミック材料からなる絶縁部材と、
前記第２部分と前記絶縁部材とを接合する接合材と、
前記絶縁部材によって前記放熱板と電気的に絶縁された外部接続端子と、を備える電子部品搭載用パッケージ。
【請求項２】
前記放熱板は、前記第１部分の、前記搭載領域が位置する面とは反対側の面と前記第２部分の前記絶縁部材が配設された面とは反対側の面とが面一である、請求項１に記載の電子部品搭載用パッケージ。
【請求項３】
前記金属材料が、銅である、請求項１または２に記載の電子部品搭載用パッケージ。
【請求項４】
前記第１部分は、前記放熱板の中央に位置し、前記第２部分は、前記第１部分を外囲するように位置し、
前記絶縁部材は、枠状である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の電子部品搭載用パッケージ。
【請求項５】
枠状の前記絶縁部材を覆う蓋部材をさらに備える、請求項４に記載の電子部品搭載用パッケージ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子部品搭載用パッケージと、
前記搭載領域に搭載された電子部品と、
前記電子部品と前記外部接続端子とを電気的に接続する接続部材と、を備える電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を搭載するための電子部品搭載用パッケージおよびこれを用いた電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電子部品を搭載するための電子部品搭載用パッケージとして、金属材料からなり、上面に電子部品の搭載領域を有している放熱板と、その搭載領域を取り囲むように配置されている枠体とを含む電子部品搭載用パッケージが用いられている。【０００３】
このような電子部品搭載用パッケージにおいては、枠体と放熱板とを接合材によって接合している。特許文献１記載の半導体パッケージは、放熱板（フランジ）の中央を高くして高くなった部分の周りに枠体を配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５１６３６１号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示の電子部品搭載用パッケージは、放熱板と、絶縁部材と、接合材と、部接続端子と、を備える。放熱板は、電子部品が搭載される搭載領域を含む第１部分と、前記第１部分よりも厚さが薄い第２部分とを有しており、金属材料からなる。また放熱板は、その厚さ方向における、前記第２部分の金属結晶の結晶粒径が、前記第１部分の金属結晶の結晶粒径よりも小さい。絶縁部材は、前記放熱板の前記第２部分に配設された、セラミック材料からなる。接合材は、前記第２部分と前記絶縁部材とを接合する。外部接続端子は、前記絶縁部材によって前記放熱板と電気的に絶縁されている。
【０００６】
本開示の電子装置は、上記の電子部品搭載用パッケージと、前記搭載領域に搭載された電子部品と、前記電子部品と前記外部接続端子とを電気的に接続する接続部材と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【図１】本実施形態の電子部品搭載用パッケージを上方から見た斜視図である。
【図２】電子部品搭載用パッケージを上方から見た分解斜視図である。
【図３】電子部品搭載用パッケージの断面図である。
【図４】他の実施形態の電子部品搭載用パッケージの断面図である。
【図５】電子装置の断面図である。
【図６Ａ】放熱板の第１部分の断面ＳＩＭ画像である。
【図６Ｂ】放熱板の第２部分の断面ＳＩＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。図面において、電子部品搭載用パッケージおよび電子装置は、仮想のＸＹＺ空間内にあって、ＸＹ平面上に載置されている。また、本実施形態では、Ｚ軸方向を上下方向としている。
【０００９】
図１は、本実施形態の電子部品搭載用パッケージを上方から見た斜視図である。図２は、電子部品搭載用パッケージを上方から見た分解斜視図である。図３は、電子部品搭載用パッケージの断面図である。本実施形態の電子部品搭載用パッケージ１は、中央部に電子部品１２の搭載領域５を有する放熱板６と、その搭載領域５を取り囲むように、放熱板６上に配設された枠状の絶縁部材（以下、「枠体」という）７と、放熱板６と枠体７とを接合する接合材８と、枠体７の上面に設けられた、枠体７の外方に向かって延びるリード端子９とを含んでいる。
【００１０】
放熱板６は、金属材料からなり、搭載領域５を含む第１部分６１と、第１部分６１よりも厚さが薄い第２部分６２とを有している。放熱板６は、例えば、平面視して矩形状または円板状などであってもよく、矩形状であれば、一辺が５〜５０ｍｍであればよく、円板状であれば、直径が５〜５０ｍｍである。本実施形態では、放熱板６は、矩形状である。なお、第１部分６１の上下方向の厚みは、例えば０．５〜２ｍｍである。第２部分６２の上下方向の厚みは、例えば０．１〜０．５ｍｍである。放熱板６が、厚さの異なる２つの部分を有していればよく、例えば、矩形状の第１部分６１と矩形状の第２部分６２とが一辺を共有するように隣接して、段差を有する形状であってもよく、矩形状の第１部分６１とこれを挟んで両側に第２部分６２が隣接するような形状であってもよい。本実施形態では、第１部分６１は、矩形状で、放熱板６の中央に位置し、第２部分６２は、第１部分６１を外囲するように位置しており、放熱板６全体の外形も矩形状である。
【００１１】
枠体７は、厚さが薄い第２部分６２に配設され、第１部分６１を取り囲んでいる。放熱板６は、搭載領域５に搭載される電子部品１２で発生した熱を拡散させ、例えば放熱板６の裏面側にまで伝導させて、空気中にまたはさらに別の冷却体へと放熱させる。放熱性、熱伝導性を考慮すれば、放熱板６は、第１部分６１のように厚さが厚いほうが良い。一方、枠体７との接合性を考慮すれば、第２部分６２のように厚さが薄いほうが、反りなどを抑制できるので良い。本実施形態の放熱板６は、放熱性と接合性の両者を考慮して、厚さが異なる第１部分６１と第２部分６２とを組合わせている。
【００１２】
本実施形態では、放熱板６は、第１部分６１の、搭載領域５が位置する面６１ａとは反対側の面６１ｂと第２部分６２の枠体７が配設される面６２ａとは反対側の面６２ｂとが面一である。すなわち、放熱板６の裏面には段差が無く、平坦である。放熱板６の裏面は、アルミニウム筐体など別の冷却体などと接触して放熱を促進させるので、放熱板６の裏面を面一とすることにより、冷却体との接触面積を大きくして放熱効率を向上させることができる。
【００１３】
本実施形態の放熱板６は、第２部分６２の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径が、第１部分６１の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径よりも小さい。金属材料においては、結晶粒径が小さいほど機械的強度が高い。すなわち、放熱板厚さ方向の結晶粒径が小さい第２部分６２のほうが、第１部分６１よりも強度が高い。本実施形態は、結晶構造に着目して強度が向上された第２部分６２に枠体７を接合することで、放熱板６と絶縁部材である枠体７との接合強度を向上させることができる。
【００１４】
放熱板６を構成する金属材料は、熱伝導性に優れた材料、例えば銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）等の金属材料またはこれらの合金などを使用することができる。本実施形態では、熱伝導性、加工性、コスト性などを考慮して銅を用いている。銅としては、純銅を用いてもよく、銅を主成分とする各種の銅合金を用いてもよい。
【００１５】
放熱板６において、金属結晶の結晶粒径を測定する測定方法は、たとえば、厚さ方向に平行に切断したときの断面画像から結晶粒径を直接測定する方法、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction pattern）法などの公知の方法を用いることができる。断面画像は、ＦＩＢ（集束イオンビーム）を用いて放熱板６の断面加工を行い、ＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）を用いて断面画像としてＳＩＭ画像を取得する。取得したＳＩＭ画像では、異なる結晶配向が可視化されるので、結晶粒を確認することができ、画像処理などによって放熱板厚さ方向の結晶粒径が得られる。またＥＢＳＤ法は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）によって金属試料の表面から得られる反射回折パターンを取得し、このパターンから結晶方位などを測定することができ、金属表面（断面）の結晶方位マップ、結晶粒界マップ、結晶粒分布マップなどが得られる。放熱板６の第１部分６１および第２部分６２それぞれにおいて、厚さ方向に平行な切断面を測定すれば、それぞれの部分における放熱板厚さ方向の結晶粒径が得られる。得られた結晶粒径を比較すれば、第２部分６２の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径が、第１部分６１の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径よりも小さいことを確認することができる。
【００１６】
ここで、第２部分６２の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径が、第１部分６１の金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径よりも小さいとは、第１部分６１の放熱板厚さ方向の結晶粒径をｒ１とし、第２部分６２の放熱板厚さ方向の結晶粒径をｒ２としたとき、ｒ２＜ｒ１であればよい。また、第２部分６２の結晶粒径ｒ２が、第１部分６１の結晶粒径ｒ１よりも小さければよく、例えば、結晶粒径ｒ１に対する結晶粒径ｒ２の比率（ｒ２／ｒ１）が、０．０５〜０．５であればよい。なお、結晶粒径ｒ１、ｒ２は、次のように算出する。上記の測定方法によって、一つの断面領域（縦５０μｍ×横５０μｍ）において、放熱板厚さ方向の結晶粒径（断面画像における厚さ方向の最大長さ）を２０個測定し、その算術平均値を求め、一断面あたりの平均粒径とする。５個の断面領域において同様に、一断面あたりの平均粒径を算出し、さらにこれらの算術平均値を求める。これを第１部分６１と第２部分６２とでそれぞれ行い、結晶粒径ｒ１、ｒ２とする。
【００１７】
金属材料からなる放熱板６の第２部分６２と、セラミック材料からなる枠体７とは、接合材８によって接合される。接合材８は、ろう材など金属材料とセラミック材料とを接合できるものであれば、用いることができる。また、例えば放熱板６が、銅からなる場合は、接合材８には、銀ろう、ＡｇＣｕＳｎ合金ろうなどの銀系のろう材が用いられる。このろう材の銀は、放熱板６の銅中に拡散して、Ａｇ−Ｃｕ合金が生じる。生じたＡｇ−Ｃｕ合金は、脆弱性を有しており、放熱板６表層におけるＡｇ−Ｃｕ合金部分が広がると合金部分で容易に剥離や断裂などが発生し、接合強度の低下を招くことになる。
【００１８】
金属中の他金属元素の拡散速度は、結晶粒内よりも結晶粒界のほうが速く、結晶粒界を他金属元素の拡散経路とみなすことができる。放熱板６の第２部分６２は、上記のように放熱板厚さ方向の結晶粒径が小さいので、第２部分６２では、実質的に拡散経路が長くなっており、放熱板６の銅中に拡散する銀は、より浅い位置で留まり易くなる。このように第２部分６２でのＡｇ−Ｃｕ合金部分の広がりが抑えられ、接合強度の低下を抑制することができる。
【００１９】
放熱板６は、プレス加工および圧延加工のうち少なくとも１つの加工を施すことによって、厚さの異なる第１部分６１と第２部分６２を形成すればよい。また、打ち抜き加工、切削加工、エッチング加工および研磨加工等の金属加工法を併用してもよい。例えば、まず銅板を放熱板６の外形形状に打ち抜き、その後周縁部をプレスまたは圧延して、厚さの薄い第２部分６２を形成すればよい。部分的なプレス加工または圧延加工により、第２部分６２における金属結晶を塑性変形させて、第２部分６２の放熱板厚さ方向の結晶粒径を第１部分６１における金属結晶の放熱板厚さ方向の結晶粒径よりも小さくすることができる。
【００２０】
打ち抜き後には、外周端面において、厚み方向一方側に表面粗さの大きい部分（粗面部分）が生じる。第２部分６２の枠体７が配設される面６２ａ側に粗面部分がある場合、枠体７と放熱板６との接合時に、軟化した接合材８が粗面部分によって外方へ流れ出すことが抑制され粗面部分付近にメニスカスが形成される。接合材８にメニスカスが形成されることで、接合材８の応力緩和特性が向上し、枠体７と放熱板６との接合信頼性が向上する。第２部分６２の枠体７が配設される面６２ａと反対側の面６２ｂに粗面部分がある場合、放熱板６とアルミニウム筐体など別の冷却体との接合時に、軟化したはんだが粗面部分によって外方へ流れ出すことが抑制され粗面部分付近にメニスカスが形成される。はんだにメニスカスが形成されることで、はんだの応力緩和特性が向上し、放熱板６と冷却体との接合信頼性が向上する。
【００２１】
枠体７は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミック材料から成る絶縁部材であり、放熱板６の熱膨張係数と熱膨張係数が近似する材料から選ばれる。本実施形態では、枠体７はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体から成っている。
【００２２】
枠体７は、例えば、アルミナ質焼結体から成る場合であれば、アルミナ，酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤等を混合添加して泥漿状となす。泥漿から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）を形成し、しかる後に、この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、このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって作製される。
【００２３】
リード端子９は、銅，銅合金，鉄−ニッケル−コバルト，鉄−ニッケル等の金属から成る短冊状の外部接続端子であり、枠体７の外方に向かって延びるように、その長手方向の一端部が枠体７に接合される。リード端子９は、枠体７によって放熱板６と電気的に絶縁されていればよく、本実施形態のように枠体７の上面に設けてもよいし、枠体７を貫通していてもよい。
【００２４】
図４は、他の実施形態の電子部品搭載用パッケージの断面図である。本実施形態の電子部品搭載用パッケージ１Ａは、さらに蓋体１０を備えている。搭載しようとする電子部品を保護するために、蓋体１０を備えることで、パッケージ内（枠体７と放熱板６と蓋体１０とで囲まれる空間）の気密性、水密性を確保することができる。蓋体１０の材料は、特に限定されず、セラミック材料、ガラス材料または樹脂材料などの他、これらの材料を複合させてもよい。
【００２５】
蓋体１０は、電子部品をパッケージ内に収納できるように構成されていれば、どのような形状であってもよく、たとえば、平坦な板状の部材であってもよく、内面が凹状の部材であってもよく、その他の形状であってもよい。蓋体１０は、枠体７の上面に接合される。蓋体１０と枠体７とを接合する接合材は、蓋体１０の材料に応じて適宜選択すればよい。
【００２６】
図５は、電子装置の断面図である。本実施形態の電子装置１１は、電子部品搭載用パッケージ１，１Ａと、搭載領域５に搭載された半導体素子等の電子部品１２と、電子部品１２とリード端子９とを電気的に接続する接続部材であるボンディングワイヤ１３とを備える。
【００２７】
本実施形態の電子装置１１は、上記の電子部品搭載用パッケージ１，１Ａにおける搭載領域５に、所望の電子部品１２を搭載し、搭載された電子部品１２とリード端子９とを、ボンディングワイヤ１３によって電気的に接続することにより得られる。さらに、ボンディングワイヤ１３によって、電子部品１２と放熱板６とが電気的に接続された構成であってもよい。
【００２８】
電子装置１１は、さらに、放熱板６をアルミニウムブロックなどの冷却体表面に固定してもよい。電子部品１２で発生した熱は、放熱板６を伝熱し、さらに冷却体を伝熱して冷却体から放熱またはさらに他の冷却体に伝熱させてもよい。放熱板６（電子部品搭載用パッケージ１，１Ａ）と、冷却体との固定は、前述のようにはんだなどの接合材を用いればよい。
【００２９】
（実施例）
図１〜３に示す実施形態と同様の構成で電子部品搭載用パッケージを作製した。放熱板６は、予め矩形状（縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ）に打ち抜き加工した厚さ１ｍｍの銅板を準備し、その外周（幅２ｍｍ）を厚さ０．２ｍｍにプレス加工して、厚さ１ｍｍの中央部分を第１部分６１とし、これを外囲する外周部分を第２部分６２とした。第２部分６２に、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体から成る枠体７を、接合材８として銀ろうを用いて接合した。さらに、枠体７にリード端子９を接合して電子部品搭載用パッケージを得た。
【００３０】
放熱板６の第１部分６１および第２部分６２のそれぞれについて、ＦＩＢを用いて断面加工し、ＳＩＭ画像を得た。図６Ａは、放熱板の第１部分の断面ＳＩＭ画像であり、図６Ｂは、放熱板の第２部分の断面ＳＩＭ画像である。断面加工およびＳＩＭ画像の取得は、集束イオンビーム加工観察装置（株式会社日立ハイテクノロジーズ製  ＦＢ−２１００型）を用いて、断面加工条件を４０ｋＶ、４〜７８ｎＡとし、断面観察条件を、倍率３０００倍として行った。
【００３１】
得られたＳＩＭ画像からわかるように、第２部分６２の放熱板厚さ方向における結晶粒径は、第１部分６１の放熱板厚さ方向における結晶粒径よりも小さい。本実施例における結晶粒径ｒ１に対する結晶粒径ｒ２の比率（ｒ２／ｒ１）は、０．２１であった。
【００３２】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００３３】
１，１Ａ  電子部品搭載用パッケージ
５      搭載領域
６      放熱板
７      枠体
８      接合材
９      リード端子
１０    蓋体
１１    電子装置
１２    電子部品
１３    ボンディングワイヤ
６１    第１部分
６２    第２部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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2019039258.tif 000011