(57)【要約】【課題】パッケージの放熱性及び変形防止の両方を満足する半導体装置用パッケージを提供する。【解決手段】一種類の金属材料にて形成されるベース部１と、セラミック回路基板３と、上記ベース部と上記セラミック回路基板との間の接合層４に半田と共に設けられ、半田のみの場合に比べて上記接合層の厚みを拡大しかつ上記セラミック回路基板の熱を上記ベース部に伝導する接合層拡大部材５とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一種類の金属材料にて形成されるベース部と、
上記ベース部の表面上に半田付けされるセラミック回路基板と、
上記ベース部に取り付けられ上記セラミック回路基板と電気的に接続される半導体装置と、
上記ベース部の表面と上記セラミック回路基板との間の接合層に半田と共に設けられ、半田のみの場合に比べて上記接合層の厚みを拡大しかつ上記セラミック回路基板の熱を上記ベース部に伝導する接合層拡大部材と、
を備えたことを特徴とする半導体装置用パッケージ。
【請求項２】
上記接合層拡大部材は、コイル状に成形した金属ワイヤである、請求項１記載の半導体装置用パッケージ。
【請求項３】
上記金属ワイヤは金にてなる、請求項２記載の半導体装置用パッケージ。
【請求項４】
上記接合層拡大部材は、上記ベース部表面に立設された支柱を有する複数のスタッドバンプである、請求項１記載の半導体装置用パッケージ。
【請求項５】
上記スタッドバンプは金にてなる、請求項４記載の半導体装置用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置用パッケージに関し、特に高周波用半導体装置用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、当該半導体装置の導通、放熱の促進、及び外気との遮断という各目的のため、パッケージに搭載される。該パッケージは、搭載する半導体装置の放熱を良くするため、通常、銅等の金属により製作される。特に高周波用の半導体装置については、良好な放熱性が要求される。このようなパッケージには、搭載した半導体装置を外部に導通するための端子が接続され、又、内部には、搭載した半導体装置と外部回路との整合をとるためのセラミック製の回路基板が半田付けされている。
【０００３】
一方、半導体装置をパッケージに搭載するときには、パッケージは、約３００℃程度の加熱、冷却の熱履歴を経る。又、動作時における半導体装置の発熱、さらに当該パッケージが設置された環境の温度変化等がパッケージに作用する。したがって、金属にてなるパッケージと、該パッケージに半田付けされたセラミック製の回路基板とにおける線膨張率の違いにより、パッケージに反りが生じ、その結果、放熱性の劣化や半導体装置の割れが発生する場合があった。
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−０４５８２８号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した、パッケージにおける反りの発生を防止するため、モリブデンや銅タングステンなどの固い金属層を銅層で挟んだ３層構造としパッケージの剛性を増したパッケージが存在する。
【０００６】
上記３層構造によりパッケージの反りは軽減されるものの、上記固い金属層の熱伝導率は、概して銅よりも低いため、搭載された半導体装置からのパッケージにおける放熱性が阻害される等の問題があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、パッケージの放熱性及び変形防止の両方を満足する半導体装置用パッケージ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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における半導体装置用パッケージは、一種類の金属材料にて形成されるベース部と、上記ベース部の表面上に半田付けされるセラミック回路基板と、上記ベース部に取り付けられ上記セラミック回路基板と電気的に接続される半導体装置と、上記ベース部の表面と上記セラミック回路基板との間の接合層に半田と共に設けられ、半田のみの場合に比べて上記接合層の厚みを拡大しかつ上記セラミック回路基板の熱を上記ベース部に伝導する接合層拡大部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の第１態様における半導体装置用パッケージによれば、ベース部とセラミック回路基板との接合層には接合層拡大部材を設けたことにより、セラミック回路基板がベース部に半田のみで接合される場合に比べて厚い半田層を形成することができる。したがって、金属材料にてなるベース部とセラミック回路基板との線膨張係数の差によって生じる半田のクリープを大幅に低減でき、効果的に半導体装置用パッケージの反りを抑制することができる。
半田層が厚くなったことによるセラミック回路基板からベース部への熱伝導率の低下は、接合層拡大部材にて補うことができる。又、接合層拡大部材を設けることで、放熱性を阻害する高剛性部材をベース部に用いる必要はなく、ベース部は一種類の金属、例えば銅のみで形成することができ、放熱性の阻害は生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態である半導体装置用パッケージについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置用パッケージ１０１、特に、高周波用半導体パッケージを示す断面図である。半導体装置用パッケージ１０１は、金属ベース１と、半導体素子２と、セラミック回路基板３と、接合層拡大部材５とを備えている。
このような構成を備えた半導体装置用パッケージ１０１は、半導体素子２及びセラミック回路基板３の導通、放熱及び外気封止の目的で使用される。
【００１１】
金属ベース１は、ベース部の機能を果たす一例であり、熱伝導性の良好な一種類の金属材料にてなり本実施形態１では銅にて形成されている。金属ベース１の表面１ａに形成された凸部１ｂには、半導体素子２が半田にて接合され、又、詳細を以下に説明するように、セラミック回路基板３が接合層４によって接合されている。半導体素子２は、例えば高周波信号を処理する素子であり、動作時には発熱体となる。又、セラミック回路基板３は、その表面３ａに、外部回路との整合をとるための回路パターンが形成されており、半導体素子２とワイヤボンディングにより電気的に接続される。そこで、凸部１ｂは、半導体素子２の表面とセラミック回路基板３の表面３ａとをほぼ同じ高さに配置させるような高さを有する。
【００１２】
又、金属ベース１の表面１ａには、セラミック回路基板３及び半導体素子２を取り囲む壁１ｃが形成され、該壁１ｃには、セラミック回路基板３の回路パターンと電気的に接続される端子１０が設けられている。
【００１３】
接合層４は、金属ベース１の表面１ａとセラミック回路基板３の裏面３ｂとの間に位置し、半田と接合層拡大部材５とを有する層である。ここで、接合層拡大部材５は、本実施形態１では、図２に示すように、コイル状に成形した金属ワイヤ５ａにてなる。ワイヤの金属材料としては、高熱伝導性を有する材料が好ましく、本実施形態１では、金線を使用している。よって、接合層４は、コイル状の金属ワイヤ５ａと、該金属ワイヤ５ａのコイル内側及び外側を問わず金属ワイヤ５ａを取り囲んだ半田とによって一体的に構成された層である。
【００１４】
又、一つのセラミック回路基板３に対する接合層４には、一又は複数、好ましくは複数の金属ワイヤ５ａが含まれる。セラミック回路基板３に対する金属ワイヤ５ａの配置位置は、特に限定されない。金属ベース１の表面１ａに対向するセラミック回路基板３の裏面３ｂの全面に金属ワイヤ５ａが接触しているのが好ましい。又、半導体素子２に近接する位置により多くの金属ワイヤ５ａを配置するように構成してもよい。
【００１５】
セラミック回路基板３の裏面３ｂには焼結金属が設けられており、金属ワイヤ５ａと共に例えば半田ペレットを金属ベース１とセラミック回路基板３との間に設けて加熱することで、セラミック回路基板３は、上述の接合層４に含まれる半田により金属ベース１の表面１ａに半田付けされる。このとき、金属ワイヤ５ａは、金属ベース１の表面１ａ及びセラミック回路基板３の裏面３ｂの両方に接触している。このようにセラミック回路基板３と金属ベース１とを接合層４を介して接合することで、通常状態で、半田のみにて、両者を接合する場合に比べて、金属ワイヤ５ａの厚み分、半田層を厚くすることができる。
【００１６】
以上のように構成された半導体装置用パッケージ１０１においても、従来と同様に、動作時における半導体素子２の発熱、半導体装置用パッケージ１０１が設置された環境の温度変化、さらに上記環境温度変化を模擬した製造時におけるヒートサイクル試験により、半導体装置用パッケージ１０１には温度変化が作用する。したがって、これらの温度変化の際には、セラミック回路基板３及び金属ベース１は、それぞれの線膨張率の相違により異なって膨張、収縮する。
【００１７】
しかしながら本実施形態１では、セラミック回路基板３の裏面３ｂと、金属ベース１の表面１ａとの間には、コイル状の金属ワイヤ５ａを有する接合層４が存在し、半田層は、従来よりも厚くなっている。したがって、半導体装置用パッケージ１０１に対して特に厳しい温度変化が作用する上記ヒートサイクル試験においても、セラミック回路基板３及び金属ベース１における線膨張係数の差による半田層のクリープを緩和することができ、半導体装置用パッケージ１０１の反りを抑制することができる。
【００１８】
一方、上述のように接合層４における半田層が厚くなることで、金属ベース１とセラミック回路基板３との熱伝導性が劣化し、金属ベース１とセラミック回路基板３との温度差が大きくなり、熱膨張、収縮差がより大きくなるとも考えられる。又、本実施形態１では、上記半田層には金すず半田を使用するが、この金すず半田の熱伝導率は５７Ｗ／ｍ・Ｋと余り良くない。しかしながら、上述のように、金属ワイヤ５ａは、金属ベース１の表面１ａ及びセラミック回路基板３の裏面３ｂの両方に接触していることから、金属ワイヤ５ａを介して両者間での熱伝導は有効に行われ、半田層の増厚による熱伝導の低下分を十分に補うことができる。又、本実施形態１では、金属ワイヤ５ａは、高熱伝導性材料、特に金にて形成していることから、熱伝導性は、より良好となっている。具体的に、金の熱伝導率は３０１Ｗ／ｍ・Ｋであり、金製の金属ワイヤ５ａが、半田層の増厚による熱伝導の低下分を十分に補償可能であることがわかる。
【００１９】
又、従来例のように、金属ベースの剛性を大きくするために異種金属をはさむという構成を採る必要はなく、金属ベース１を、熱伝導性の良好な、一種類の金属、例えば銅にて構成することができる。よって、動作時に発熱した半導体素子２から金属ベース１へ伝導した熱は、滞ることなく金属ベース１内を伝導し効果的に放散される。よって、放熱性が阻害されることはない。
【００２０】
尚、金属ワイヤ５ａのコイル状は、図示するような円形に限定されず、例えば角形等であってもよい。さらに、接合層拡大部材５は、コイル状の金属ワイヤ５ａである必要はなく、例えばいわゆるスチールウール状のような形態であってもよい。要するに、セラミック回路基板３と金属ベース１とを、通常状態で半田のみにて接合する場合に比べて、半田層を厚くすることができる形態であれば、いずれの形態を採ることもできる。
又、接合層拡大部材５が例えばコイル状の金属ワイヤ５ａであるときには、接合層４の厚みは、コイル形のらせん径によって調整することができる。
【００２１】
尚、出願人は、半田層の厚みと、クリープひずみとの関係を知るために、図５に示すように、アルミナセラミック板と銅ブロックとを、金すず半田にて接合した、３層接合モデルにて、ヒートサイクル時の半導体用パッケージの有限要素法による反り解析を行った。
温度条件は、−６５℃から１７５℃の間で各３０分保持のヒートサイクルを１００回負荷した。その結果を、図６に示す。
【００２２】
図６から明らかなように、半田厚が厚い程、クリープひずみは低減する。特に半田厚が１５０μｍの場合では、ヒートサイクルが約１００回近辺で、クリープひずみは、ほぼ飽和していることがわかる。
以上から、上述の条件の下では、例えば、半田厚を１５０μｍ以上にすることで、クリープひずみを大幅に抑制でき、半導体パッケージの反り抑制に大きな効果があることがわかる。
【００２３】
このように、接合層４における半田層の厚みを増すために接合層拡大部材５を用いることは、半導体装置用パッケージ１０１の反り抑制に大きな効果があることがわかる。尚、接合層拡大部材５をコイル状の金属ワイヤ５ａの形態を採った場合、接合層４における半田層の厚さは、容易に１５０μｍ以上にすることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による半導体装置用パッケージ１０２、特に、高周波用半導体パッケージを示す断面図である。上述の実施形態１では、接合層拡大部材５としてコイル状の金属ワイヤ５ａを使用した。本実施形態２では、接合層拡大部材５として、図４に示すような、金属ベース１の表面１ａに対して垂直方向に突出する支柱６ａを有する複数の凸状部材５ｂを用いる。凸状部材５ｂは金属にてなり、その材料としては、高熱伝導性を有する材料が好ましく、本実施形態２では、金を使用している。
【００２５】
さらに、本実施形態２では、凸状部材５ｂは、金属ベース１の表面１ａに形成したスタッドバンプであり、支柱６ａは該スタッドバンプにおける突起部である。金属ベース１の表面１ａにおける凸状部材５ｂの配置位置は特に限定されず、セラミック回路基板３に対向する領域内に適宜設置可能である。又、上述の実施形態１で説明したように、半導体素子２に近接する領域により多くの凸状部材５ｂを形成してもよい。
その他の構成については、実施形態１における構成と同じであり、ここでの説明を省略する。
【００２６】
実施形態２において、接合層４は、凸状部材５ｂと、該凸状部材５ｂを取り囲んだ半田とによって一体的に構成された層である。
実施形態１の場合と同様に、凸状部材５ｂと共に例えば半田ペレットを金属ベース１とセラミック回路基板３との間に設けて加熱することで、セラミック回路基板３は、接合層４に含まれる半田により金属ベース１の表面１ａに半田付けされる。このとき、凸状部材５ｂは、金属ベース１の表面１ａに立設され、その支柱６ａは、セラミック回路基板３の裏面３ｂに接触している。このようにセラミック回路基板３と金属ベース１とを接合層４を介して接合することで、通常状態で、半田のみにて、両者を接合する場合に比べて、凸状部材５ｂの厚み分、特に支柱６ａの高さにより、半田層を厚くすることができる。
【００２７】
上述の半導体装置用パッケージ１０１と同様に、半導体装置用パッケージ１０２の場合でも、動作時における半導体素子２の発熱、半導体装置用パッケージ１０２が設置された環境の温度変化、さらに上記ヒートサイクル試験により、半導体装置用パッケージ１０２には温度変化が作用する。したがって、これらの温度変化の際には、セラミック回路基板３及び金属ベース１は、それぞれの線膨張率の相違により異なって膨張、収縮する。
【００２８】
しかしながら、上述のように凸状部材５ｂを有する接合層４により、その半田層は、従来よりも厚い。したがって、半導体装置用パッケージ１０２に対して特に厳しい温度変化が作用する上記ヒートサイクル試験においても、セラミック回路基板３及び金属ベース１における線膨張係数の差による半田層のクリープを緩和することができ、半導体装置用パッケージ１０２の反りを抑制することができる。
【００２９】
又、接合層４における半田層が厚くなることによるセラミック回路基板３と金属ベース１との間の熱伝導率の低下分は、金製の凸状部材５ｂの高熱伝導性により補うことができる。
又、従来例のように、金属ベースの剛性を大きくするために異種金属をはさむ必要がなく、金属ベース１をすべて銅で構成することができるため、半導体素子２からの放熱性が阻害されないといった利点もある。
【００３０】
このように実施形態２における半導体装置用パッケージ１０２においても、上述した半導体装置用パッケージ１０１における効果と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１による高周波用半導体パッケージを示す断面図である。
【図２】図１に示す金属ワイヤの形状を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２による高周波用半導体パッケージを示す断面図である。
【図４】図３に示す凸状部材を示す斜視図である。
【図５】半田層の厚みと、クリープ歪みとの関係する調べるための解析モデルを示す図である。
【図６】図５に示す解析モデルにて得られた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１  金属ベース、  １ａ  表面、  ２  半導体素子、  ３  セラミック回路基板、
４  接合層、  ５  接合層拡大部材、  ５ａ  金属ワイヤ、  ５ｂ  凸状部材、
６ａ  支柱、
１０１，１０２  半導体装置用パッケージ。
【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６】
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【図５】
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