(57)【要約】  【課題】  単層構造のヒートシンクを接合材として抵抗溶接することができる半導体装置用パッケージの製造方法を提供する。  【解決手段】  金属薄板で形成したベース１にヒートシンク６を接合する工程を含む半導体装置用パッケージの製造方法であって、ヒートシンク６は、ベース１よりも高導電率で高熱伝導率の金属で形成しており、ベース１の片面にヒートシンク６を載置した状態で、ベース１とヒートシンク６とを一対の溶接電極８ａ，８ｂで挟持し、かつ圧力を加えながら通電して抵抗溶接する接合工程を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄板で形成したベースにヒートシンクを接合する工程を含む半導体装置用パッケージの製造方法であって、
前記ヒートシンクは、前記ベースよりも高導電率で高熱伝導率の金属で形成しており、
前記ベースの片面に前記ヒートシンクを載置した状態で、前記ベースと前記ヒートシンクとを一対の溶接電極で挟持し、かつ圧力を加えながら通電して抵抗溶接する接合工程を備えたことを特徴とする半導体装置用パッケージの製造方法。
【請求項２】
前記ベースと前記ヒートシンクとの接合部に加熱処理をし、金属拡散を促進する加熱工程をさらに備えた請求項１に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
【請求項３】
前記ベースを支持する溶接電極は、前記ベースよりも高導電率で高熱伝導率の金属で形成しており、
前記ヒートシンクを支持する溶接電極は、前記ヒートシンクよりも低導電率で低熱伝導率の金属で形成している請求項１に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
【請求項４】
前記ベースは鉄又は鉄合金で形成しており、前記ヒートシンクは銅又は銅合金で形成しており、前記ベースを支持する溶接電極が銅−クロム合金で形成しており、前記ヒートシンクを支持する溶接電極はタングステンで形成している請求項１に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程において、前記ベースと前記ヒートシンクとの間の金属拡散を促進させつつ、絶縁ガラスを溶融させ前記ベースに前記絶縁ガラスを介してリードを封着する請求項２に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
【請求項６】
前記ベースの外周に、位置出し用の溝部を形成している請求項１に記載の半導体装置用パッケージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力ＦＥＴ、発光ダイオード、又はレーザーダイオードなどの半導体素子を収納する半導体装置用パッケージの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置用パッケージには、半導体素子が出す熱の放熱性を向上させるために、基体であるベースにヒートシンクを接合したステムを備え、ヒートシンクに、半導体素子を取り付けたものがある。ベースにヒートシンクを接合する方法として、例えばろう付け法がある。ろう付け法は、鉄材で形成したベースの上面の所定位置に、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で形成したヒートシンクを銀ろう材で接着するというものである。
【０００３】
ろう付け法は、鉄材と銅材とを十分な接合強度で接合できるものの、銀ろう材による銅喰われ現象により、ベースに対するヒートシンクの位置決め精度を高めることが困難である。さらに銀ろうを用いているため、材料コストが高くなる。
【０００４】
このため、近年では、抵抗溶接法でヒートシンクを接着することが検討されている。例えば、特許文献１には、鉄材で形成したベースの上面の所定位置に、鉄材と銅材とを積層固定したブロック状のヒートシンクを抵抗溶接で接着する方法が提案されている。
【０００５】
図２は、前記特許文献１に記載された従来の半導体装置用パッケージの製造方法を示した斜視図である。本図は、鉄又は鉄合金で形成したベース１０１に、ヒートシンク１０２を接合させる前の状態を示している。ヒートシンク１０２は、ブロック状のクラッド材で構成したものである。具体的には、銅又は銅合金で形成した放熱金属層１０２ａの下面に、放熱金属層１０２ａよりも薄い鉄又は鉄合金で形成した接合金属層１０２ｂを積層固定している。
【０００６】
ヒートシンク１０２は、ベース１０１の上面の所定位置に、接合金属層１０２ｂを介して、抵抗溶接されることになる。この際、溶接部分であるベース１０１及び接合金属層１０２ｂは共に鉄又は鉄合金で形成しているので、抵抗溶接に必要な電気抵抗が確保されることになる。
【特許文献１】特開２０００−６８４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記の従来の抵抗溶接法によれば、接合強度は確保できるものの、ヒートシンクを構成するクラッド材は、一般的に単層の材料に比べ原材料費が高価となる。さらに、硬度が異なる金属が積層された材料をプレス加工でブロック状に成形するには高度な設備や技術が必要となり加工費が高価となるという問題があった。
【０００８】
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、単層構造のヒートシンクを接合材として抵抗溶接することができる半導体装置用パッケージの製造方法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】
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置用パッケージの製造方法は、金属薄板で形成したベースにヒートシンクを接合する工程を含む半導体装置用パッケージの製造方法であって、前記ヒートシンクは、前記ベースよりも高導電率で高熱伝導率の金属で形成しており、前記ベースの片面に前記ヒートシンクを載置した状態で、前記ベースと前記ヒートシンクとを一対の溶接電極で挟持し、かつ圧力を加えながら通電して抵抗溶接する接合工程を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、単層構造のヒートシンクを接合材として抵抗溶接することにより、製造が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によれば、単層構造のヒートシンクを接合材として抵抗溶接することにより、ヒートシンクの成形が容易になるので、製造が容易になる。
【００１２】
前記本発明の半導体装置用パッケージの製造方法においては、前記ベースと前記ヒートシンクとの接合部に加熱処理をし、金属拡散を促進する加熱工程をさらに備えたことが好ましい。この構成によれば、接合強度を向上させることができる。
【００１３】
また、前記ベースを支持する溶接電極は、前記ベースよりも高導電率で高熱伝導率の金属で形成しており、前記ヒートシンクを支持する溶接電極は、前記ヒートシンクよりも低導電率で低熱伝導率の金属で形成していることが好ましい。この構成によれば、加圧通電の際に、ベースとヒートシンクとの界面が最も発熱する部分になり、抵抗溶接に適している。
【００１４】
また、前記ベースは鉄又は鉄合金で形成しており、前記ヒートシンクは銅又は銅合金で形成しており、前記ベースを支持する溶接電極が銅−クロム合金で形成しており、前記ヒートシンクを支持する溶接電極はタングステンで形成していることが好ましい。
【００１５】
また、前記加熱工程において、前記ベースと前記ヒートシンクとの間の金属拡散を促進させつつ、絶縁ガラスを溶融させ前記ベースに前記絶縁ガラスを介してリードを封着することが好ましい。この構成によれば、加熱工程とリード封着工程を同時に進行させることができ、生産効率を向上させることができる。
【００１６】
また、前記ベースの外周に、位置出し用の溝部を形成していることが好ましい。この構成によれば、抵抗溶接の際、ベースの方向性の設定及び位置合わせが容易になる。また、溝部に嵌合する固定治具を採用することで位置出し精度を高めることができる。
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態は基体であるベースにヒートシンクを接合したステムを備えた半導体装置用パッケージの製造方法に関するものである。
【００１８】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の一実施の形態に係る半導体装置用パッケージの製造方法を工程フローに沿って斜視図で示したものである。図１（ｄ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、図１（ｅ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線における断面図、図１（ｆ）は図１（ｃ）のＣ−Ｃ’線における断面図である。
【００１９】
なお、図１（ｂ）は、図１（ｅ）に図示した溶接電極８ａ、８ｂの図示は省略している。また、図１（ｄ）−（ｆ）の各断面図は、図１（ａ）−（ｃ）に示した構成全体の断面図であるが、Ｂ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線は便宜上、ベース１上に図示している。
【００２０】
図１の各図は、半導体装置用パッケージの製造方法のうち、ベースにヒートシンクを接合したステムを作製する工程を示したものである。半導体装置用パッケージとして完成させるには、半導体素子の取り付け、各種配線、キャップの取り付け等が必要となるが、これらは従来からある通常の製造方法を用いることができる。
【００２１】
図１（ａ）、（ｄ）は、ベース１の斜視図及び断面図を示している。ベース１は、成形工程後の状態を図示しており、鉄又は鉄合金の金属薄板を、従来から用いられている冷間鍛造加工により成形したものである。ベース１の具体例としては、外形が直径５．６ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの円板状のものが挙げられる。本図の例では、第１主面２と第２主面７との間を垂直方向に貫通する貫通孔３を形成している。貫通孔３は、後に説明するリード９の封着用である。
【００２２】
あわせて、外周壁面４に、位置出し用の溝部５を少なくとも２箇所形成している。位置出し用の溝部５を設けたことにより、後述するヒートシンク接合工程や半導体素子実装工程等において、位置合わせが容易になるとともに位置出し精度を高めることができる。
【００２３】
図１（ｂ）、（ｅ）は、溶接工程における斜視図及び断面図を示している。溶接工程においては、まずベース１の第１主面２の所定位置に、銅又は銅合金で形成したヒートシンク６を載置する。次に、図１（ｅ）に示したように、ベース１の第２主面７とヒートシンク６とを一対の溶接電極８ａ、８ｂで狭持する。この状態で、溶接電極８ａと８ｂとの間のベース１及びヒートシンク６を加圧しつつ通電し、ベース１とヒートシンク６とを接合する。
【００２４】
ヒートシンク６の具体例として、材料を無酸素銅の単一素材とし、搭載領域と放熱性能を考慮し、外形形状を図１（ｂ）に示したような半月形状に設計したものが挙げられる。
【００２５】
本実施の形態においては、各部の材料を以下のようにした。ベース１の第２主面７を支持する溶接電極８ａは、導電率が７０％、熱伝導率が３３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の銅−クロム合金で形成し、第２主面７との接触面積よりも大きな平坦面を有している。ヒートシンク６を支持する溶接電極８ｂは、導電率が３１％、熱伝導率が１６７Ｗ／（ｍ・Ｋ）のタングステンで形成し、ヒートシンク６との接触面積と略同じ平坦面を含んでいる。
【００２６】
一方、ベース１は、導電率１６％、熱伝導率５３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の鉄で形成し、ベース１に接合するヒートシンク６は、導電率９７％、熱伝導率３９４Ｗ／（ｍ・Ｋ）の無酸素銅で形成した。
【００２７】
この構成によれば、加圧通電の際に、ベース１とヒートシンク６との界面が最も発熱する部分になり、抵抗溶接に適したものになる。具体的には、低導電率で低熱伝導率の材料（鉄）のベース１を、高導電率で高熱伝導率の材料（銅−クロム合金）の溶接電極８ａが支持している。このことにより、溶接電極８ａの発熱は小さくベース１の発熱が大きくなる。
【００２８】
これに対して、高導電率で高熱伝導率の材料（無酸素銅）のヒートシンク６を、低導電率で低熱伝導率の材料（タングステン）の溶接電極８ｂが支持している。このことにより、ヒートシンク６の発熱は小さく溶接電極８ｂの発熱が大きくなる。この場合、溶接電極８ｂの熱は、高熱伝導率のヒートシンク６に伝わり易い。このため、ヒートシンク６は通電自体による発熱は小さいが、溶接電極８ｂからの伝熱により、発熱は大きくなる。すなわち、ベース１及びヒートシンク６の双方共に、発熱が大きくなり、抵抗溶接に適していることになる。なお、前記の各部の材料は一例であり、他の材料を用いて導電率及び熱伝導率が前記のような関係を満足するようにしてもよい。
【００２９】
また、拡散接合を促進させるために、ベース１表面にニッケルめっき（図示せず）を予め施しておいてもよい。ニッケルめっきは、例えば、導電率が１８％、熱伝導率が９１Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものが挙げられる。
【００３０】
溶接工程を終えると、加熱工程に移行する。図１（ｃ）、（ｆ）は、加熱工程における斜視図及び断面図を示している。加熱工程においては、ヒートシンク６を接合したベース１を中性又は還元性雰囲気中で加熱処理をする。加熱処理の設定温度、時間は、例えば約１０００℃で約１５分間である。この加熱処理により、接合箇所が高温に加熱され、抵抗溶接で形成された金属拡散領域の金属拡散をより一層促進させることができる。このため、ベース１とヒートシンク６との接合強度をより強くすることができる。
【００３１】
また、ハーメチックシール構造を採用した半導体装置用パッケージにおいては、シール性を確実にするために、図１（ｃ）に示したように、絶縁ガラス１０により、貫通孔３を挿通した鉄又は鉄合金のリード９を封着することになる。この封着工程を前記の加熱工程に含ませることが好ましい。具体的には、図１（ｃ）に示したように、予め貫通孔３にリード９を挿通させておき、加熱工程において絶縁ガラス１０を溶融させてリード９を貫通孔３に封着する。このことにより、加熱工程とリード封着工程を同時に進行させることができ、生産効率を向上させることができる。
【００３２】
以下の表１には、拡散距離及び接合強度について、溶接工程後と加熱工程後との比較を示しており、あわせて銀ろう接着した場合の比較値を示している。
【００３３】
表１に示したように、加熱工程後は溶接工程後に比べ、拡散距離は全体的に大きくなり、２倍以上になる部分もあった。また、接合強度の測定は、接合箇所が破壊することなくヒートシンク自体が変形する限界強度までが限界となる。加熱工程後の接合強度は、限界強度である１００Ｎにまで向上した。また、銀ろう接着によっても同等の接合強度を確保することができた。しかしながら、この場合は、ベースに対するヒートシンクの位置決め精度を高めることが困難であり、銀ろうを用いるため、材料コストも高くなる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
以上のように、本実施の形態によれば、抵抗溶接において、単層構造のヒートシンクを接合材として製造コストを抑えつつ、加熱工程を備えたことにより、優れた接合強度を実現することができる。
【００３６】
さらに、ベース１に溝部５を設けることにより、抵抗溶接の際、ベースの方向性の設定及び位置合わせが容易になる。また、溝部５に嵌合する固定治具（図示せず）を採用することで位置出し精度を高めることができる。
【００３７】
また、ヒートシンクに熱伝導性の低下要因となる厚みのある鉄層を成形する必要がないので、半導体チップで発生した熱を吸収・発散する放熱性の低下を防止することができる。
【００３８】
なお、導電率は、国際焼きなまし導線標準（ＩＡＣＳ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｓｔａｎｄｅｒｄ）と呼ばれる標準焼きなまし導線を１００％としたときの値とした。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明によれば、単層構造のヒートシンクを接合材として抵抗することができるので、半導体素子をヒートシンクに取り付けて収納する半導体装置用パッケージの製造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置用パッケージの製造方法を示す図であり、（ａ）はベース１の斜視図、（ｂ）は溶接工程における斜視図、（ｃ）は加熱工程における斜視図、（ｄ）は（ａ）図のＡ−Ａ’線における断面図、（ｅ）は（ｂ）図のＢ−Ｂ’線における断面図、（ｆ）は（ｃ）図のＣ−Ｃ’線における断面図。
【図２】従来の半導体装置用パッケージの製造方法の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１  ベース
２  第１主面
３  貫通孔
４  外周壁面
５  溝部
６  ヒートシンク
７  第２主面
８ａ，８ｂ  溶接電極
９  リード
１０  絶縁ガラス
【図１】
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【図２】
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