(57)【要約】【課題】半導体素子が作動する際に発する熱を大気中に効果的に放散できない。【解決手段】タングステンおよび銅のマトリクス４から成り、上面の中央部に半導体素子７が接着されて搭載される搭載部を有する放熱部品３と、放熱部品３の上面に搭載部を取り囲んで取着された、搭載部周辺から外表面に導出される複数の配線導体１１を有する絶縁枠体１と、放熱部品３と絶縁枠体１とからなる凹部１ａに注入され半導体素子７を封止する封止樹脂２とからなり、放熱部品３は、搭載部から下面にかけて銅から成る複数の貫通金属体５が埋設されているとともに、少なくともこれら貫通金属体５が埋設されている部位の上下面に銅層６が接合されている半導体素子収納用パッケージ８である。放熱部品３の熱伝導が良好で、半導体素子７との接触面を平滑にできるため、半導体素子７の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンまたはモリブデンおよび銅のマトリクスから成り、上面の中央部に半導体素子が接着されて搭載される搭載部を有する放熱部品と、該放熱部品の上面に前記搭載部を取り囲んで取着された、前記搭載部周辺から外表面に導出される複数の配線導体を有する絶縁枠体と、前記放熱部品と前記絶縁枠体とからなる凹部に注入され半導体素子を封止する封止樹脂とからなる半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱部品は、前記搭載部から下面にかけて銅から成る複数の貫通金属体が埋設されているとともに、少なくともこれら貫通金属体が埋設されている部位の上下面に銅層が接合されており、該銅層の前記半導体素子が搭載される前記上面の中央部は、算術平均粗さＲａが０．０５≦Ｒａ≦３０（μｍ）であることを特徴とする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】
本発明は半導体素子収納用パッケージの放熱構造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・ムライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等の電気絶縁材料から成る絶縁基体と、半導体素子が動作時に発生する熱を外部もしくは大気中に良好に放散させるための銅とタングステンとの複合材料や銅とモリブデンとの複合材料等から成る放熱部品からなり、放熱部品上面の半導体素子搭載部を取り囲むように絶縁基体が配置されており、この絶縁基体と放熱部品によって形成される凹部から外表面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・銅・銀等の金属粉末から成る複数の配線導体と、蓋体とから構成されており、放熱部品上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この半導体素子の各電極をボンディングワイヤを介して配線導体に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体と放熱部品とからなる凹部にエポキシ等の封止樹脂を注入し、半導体素子を封止することによって製品としての半導体装置となる。この半導体装置は、さらに放熱効率を向上させるために、ねじ止め等によって外部放熱板に搭載される場合もある。
【０００３】
このようなタングステンと銅との複合材料から成る放熱部品を具備した半導体素子収納用パッケージは、放熱部品の熱伝導率が高く、なおかつ放熱部品の熱膨張係数が半導体素子の構成材料であるシリコン・ガリウム砒素やパッケージの構成材料として使われるセラミック材料等と熱膨張係数が近似することから、パワーＩＣや高周波トランジスタ等の高発熱半導体素子を搭載する半導体素子収納用パッケージとして注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、パワーＩＣや高周波トランジスタの高集積化に伴う発熱量の増大によって、現在では３００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ放熱部品が求められている。しかしながら、前述のタングステンと銅との複合材料から成る放熱部品の熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ程度と低いため、放熱特性が不十分になりつつあるという問題がある。
【０００５】
これに対し、タングステンと銅とがマトリクス状に構成された複合材料から成る放熱部品を用いることが提案されている。
【０００６】
しかしながら、この複合材料から成る放熱部品を用いた半導体素子収納用パッケージでは、タングステンは熱伝導率・熱膨張係数が共に低く、銅は熱伝導率・熱膨張係数が共に高いため、銅の含有量を増加させるに従って放熱部品の熱伝導率・熱膨張率を共に増加させることができるものの、熱伝導率を向上させるために銅の含有量を増加させると、半導体素子と放熱部品の熱膨張係数の差が大きくなり、半導体素子を放熱部品に強固に接合することができなくなってしまうという問題が発生する。
【０００７】
また、一般に放熱部品の表面粗さは、半導体素子をガラス・樹脂・ロウ材等の接着剤を介して放熱部品に接着固定する際のボイド発生による放熱部品と半導体素子との接合強度の低下を防止するために、放熱部品の表面粗さを算術平均粗さＲａ≦３０μｍにする場合が多い。
【０００８】
しかしながら、放熱部品の表面粗さが極端に小さい場合は、放熱部品と封止樹脂とが接触する面積が減少すると同時に放熱部品への封止樹脂の投錨効果が少なくなるため、放熱部品と封止樹脂との接合強度が低下し、放熱部品と封止樹脂の界面で剥離が発生する恐れがある。
【０００９】
本発明は上記従来の問題に鑑み案出されたものであり、その目的は、半導体素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、かつ半導体素子を放熱部品に強固に接着させると同時に封止樹脂による高い封止信頼性を有する半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、タングステンまたはモリブデンおよび銅のマトリクスから成り、上面の中央部に半導体素子が接着されて搭載される搭載部を有する放熱部品と、この放熱部品の上面に前記搭載部を取り囲んで取着された、前記搭載部周辺から外表面に導出される複数の配線導体を有する絶縁枠体と、前記放熱部品と前記絶縁枠体とからなる凹部に注入され半導体素子を封止する封止樹脂とからなる半導体素子収納用パッケージであって、前記放熱部品は、前記搭載部から下面にかけて銅から成る複数の貫通金属体が埋設されているとともに、少なくともこれら貫通金属体が埋設されている部位の上下面に銅層が接合されており、前記銅層の前記半導体素子が搭載される前記上面の中央部は、算術平均粗さＲａが０．０５≦Ｒａ≦３０（μｍ）であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱部品の半導体素子の搭載部に、上面の半導体素子の搭載部から下面まで貫通する銅から成る複数の貫通金属体を埋設することで、タングステンと銅とのマトリクスのみで形成された放熱部品に比べて、半導体素子の下部により多くの銅から成る高熱伝導部分を配置することができることから、半導体素子で発生した熱を半導体素子の搭載面に垂直な方向により多く伝えることができ、その結果、半導体素子に発生する熱をこの放熱部品を介して大気中に良好に放散することができる。
【００１２】
さらに、放熱部品の半導体素子の搭載部に埋設された、上面の半導体素子の搭載部から下面まで貫通する銅から成る複数の貫通金属体を、放熱部品の上下面に接合されている銅層と直接接合していることから、半導体素子で発生する熱の放熱部品内の伝達を極めて良好なものとすることができる。これらの結果、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。
【００１３】
また、放熱部品の銅層の半導体素子が搭載される上面の中央部は、算術平均粗さＲａがＲａ≦３０（μｍ）であるため、半導体素子をガラス・樹脂・ロウ材等の接着剤を介して放熱部品に接着固定する際のボイド発生が無く、その結果、半導体素子を強固に接続することができることから、半導体素子で発生する熱を放熱部品へ効率良く伝達することが可能になる。
【００１４】
また、放熱部品の銅層の半導体素子が搭載される上面の中央部は、算術平均粗さＲａが０．０５（μｍ）≦Ｒａであるため、放熱部品と封止樹脂とが接触する面積が増加すると同時に放熱部品への封止樹脂の投錨効果が増加することから放熱部品と封止樹脂との接合強度を増加させ、その結果、高い信頼性を有する半導体素子収納用パッケージを提供することができる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、１は絶縁枠体、２は封止樹脂、３は放熱部品である。この絶縁枠体１と封止樹脂２と放熱部品３とで半導体素子７を収納する半導体素子収納用パッケージ８が構成される。
【００１７】
絶縁枠体１は酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラスセラミック質焼結体等から成り、ロウ材９を介して放熱部品３に接着固定される。なお、このロウ材９による接着固定に際しては、通常、ロウ付け用の金属層（非図示）が絶縁枠体１と放熱部品３との接合部に形成される。
【００１８】
また、放熱部品３には、その上面の中央部の搭載部に半導体素子７が樹脂・ガラス・ロウ材等の接着剤１０を介して固定される。なお、接着剤１０としてロウ材を用いる場合には、通常、ロウ付け用の金属層（非図示）が放熱部品３の半導体素子７との接着部に形成される。ただし、放熱部品３の上面の搭載部に接合された銅層６により十分なロウ付けができる場合には、ロウ付け用の金属層は特に必要ではない。
【００１９】
絶縁枠体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、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・溶剤・可塑剤・分散剤等を混合添加して泥漿状となすとともに、これを従来周知の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、タングステン・モリブデン・マンガン・銅・銀・ニッケル・パラジウム・金等の金属材料粉末に適当な有機バインダ・溶剤を混合してなる導電性ペーストをグリーンシートに予めスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布した後に、この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。
【００２０】
また、絶縁枠体１には、絶縁枠体１と放熱部品３とで構成される凹部１ａから絶縁枠体１の外表面にかけて導出する配線導体１１が形成されており、配線導体１１の一端には半導体素子７の各電極がボンディングワイヤ１２を介して電気的に接続される。
【００２１】
配線導体１１はタングステン・モリブデン等の高融点金属から成り、タングステン・モリブデン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁枠体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って所定のパターンに印刷塗布しておくことによって、絶縁枠体１および放熱部品３による凹部１ａから絶縁枠体１の外表面にかけて被着形成される。
【００２２】
また、配線導体１１はその露出する表面にニッケル・金等の耐食性に優れ、かつボンディングワイヤ１２のボンディング性に優れる金属を１〜２０μｍの厚みにメッキ法によって被着させておくと、配線導体１１の酸化腐食を有効に防止できるとともに配線導体１１へのボンディングワイヤ１２の接続を強固となすことができる。従って、配線導体１１は、その露出する表面にニッケル・金等の耐食性に優れ、かつボンディング性に優れる金属を１〜２０μｍの厚みに被着させておくことが望ましい。
【００２３】
放熱部品３は、半導体素子７の作動に伴い発生する熱を吸収するとともに大気中に放散させる機能を有し、例えば、平均粒径が５〜４０μｍのタングステン粉末またはモリブデン粉末を、半導体素子７の搭載部に複数の貫通穴が形成されるように加圧成形し、これを１３００〜１６００℃の雰囲気中で焼結することで、１０〜５０質量％の銅を含浸し得る、半導体素子７の搭載部に複数の貫通穴を持つ多孔体をあらかじめ作製し、この多孔体に水素雰囲気下、約１２００℃で銅を含浸させることにより、タングステンまたはモリブデンおよび銅のマトリクス４と貫通金属体５および銅層６とが形成される。
【００２４】
また、銅層６の内、半導体素子７が搭載される上面の中央部は、算術平均粗さＲａが０．０５≦Ｒａ≦３０（μｍ）になるように、例えば研磨されている。
【００２５】
銅層６の半導体素子７が搭載される上面の中央部の算術平均粗さＲａがＲａ＞３０（μｍ）の場合は、半導体素子７をガラス・樹脂・ロウ材等の接着剤１０を介して接着固定する際に、接着剤１０中にボイドが発生することがあり、接着剤１０中に発生したボイドは半導体素子７と放熱部品３との接合強度を低下させるだけでなく、半導体素子７と放熱部品３との間の熱伝達を阻害し、半導体素子収納用パッケージ８の熱放散性を低下させるおそれがある。
【００２６】
銅層６の半導体素子７が搭載される上面の中央部の算術平均粗さＲａがＲａ＜０．０５（μｍ）の場合は、銅層６と封止樹脂２とが接触する面積が減少すると同時に銅層６への封止樹脂２の投錨効果が少なくなるため、銅層６と封止樹脂２との接合強度が低下し、銅層６と封止樹脂２の界面で剥離が発生するおそれがある。
【００２７】
以上のことから銅層６の半導体素子７が搭載される上面の中央部の算術平均粗さＲａは、０．０５≦Ｒａ≦３０（μｍ）であることが望ましい。
【００２８】
一方、半導体素子７が搭載される上面とは反対側の下面の銅層６の算術平均粗さＲａは、Ｒａ≦３０（μｍ）であることが好ましい。通常、半導体素子収納用パッケージ８は、アルミニウムや銅等の金属体あるいは、高熱伝導を有するセラミック体から成る支持基板へネジ止めにより、またははんだ等の溶融金属・ロウ材を用いて接続される。このとき、下面の銅層６の算術平均粗さＲａがＲａ＞３０（μｍ）の場合には、半導体素子収納用パッケージ８と支持基板とを十分に密着させることが困難となり、両者の間に空隙やボイドが発生してしまい、その結果、半導体素子７で発生した熱を半導体素子収納用パッケージ８からこの支持基板へ効率良く伝達させることができなくなる恐れがある。したがって、下面の銅層６の表面は、支持基板との良好な密着性が得られるように平滑であることが望ましい。
【００２９】
よって、半導体素子７が搭載される上面とは反対側の下面の銅層６の算術平均粗さＲａは、Ｒａ≦３０（μｍ）で表面が平滑であることが好ましい。
【００３０】
銅層６の厚みは、それぞれ８００μｍより厚くなるとマトリクス４と銅層６との熱膨張差によって発生する応力が大きくなり十分な接合強度が得られない傾向があることから、８００μｍ以下としておくことが望ましい。また、銅層６の厚みが５０μｍ以上であれば、半導体素子７の作動に伴い発生する熱が銅層６の平面方向に十分広がるので、放熱部品３の熱放散性はさらに向上する。
【００３１】
なお、放熱部品３の上下面に接合される銅層６の材料は、純銅に限られるものではなく、熱伝導性が良好でタングステンまたはモリブデンおよび銅のマトリックス４と十分な接合強度が得られるものであれば、銅を主成分とする各種の銅合金であっても構わない。これは、銅から成る貫通金属体５についても同様である。
【００３２】
また、放熱部品３の上下面に接合される銅層６は、少なくとも複数の貫通金属体５が埋設されている部位の上下面、例えば半導体素子７の搭載部および外部放熱板との接合部に形成されれば十分であり、必ずしも放熱部品３の上下面の全面を覆う必要はない。
【００３３】
かくして、上述の半導体素子収納用パッケージ８によれば、放熱部品３の搭載部上に半導体素子７をガラス・樹脂・ロウ材等からなる接着剤１０を介して接着固定するとともに、半導体素子７の各電極をボンディングワイヤ１２を介して所定の配線導体１１に接続させ、必要に応じて配線導体１１に取着された外部リード端子１３に電気的に接続して導出し、しかる後に、放熱部品３と絶縁枠体１とにより形成される凹部１ａに封止樹脂２を注入して半導体素子７を封止し、凹部１ａ内に半導体素子７を収容することによって、製品としての半導体装置となる。
【００３４】
なお、本発明は以上の実施の形態の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が可能である。例えば、半導体素子７で発生した熱を放熱部品３から大気中に効率良く放散させるために、放熱部品３の半導体素子７を搭載する上面とは反対側の下面の銅層６に、放熱フィンを接続したり、放熱フィンをロウ付け等で接合し、放熱フィンが放熱部品３と一体化した形状としてもよく、これによって、半導体素子７の作動に伴い発生する熱を放熱部品３により吸収するとともに大気中に放散させる作用をさらに向上することができる。
【００３５】
【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、放熱部品の半導体素子の搭載部に、上面の半導体素子の搭載部から下面まで貫通する銅から成る複数の貫通金属体を埋設することで、タングステンと銅とのマトリクスのみで形成された放熱部品に比べて、半導体素子の下部により多くの銅から成る高熱伝導部分を配置することができることから、半導体素子で発生した熱を半導体素子の搭載面に垂直な方向により多く伝えることができ、その結果、半導体素子に発生する熱をこの放熱部品を介して大気中に良好に放散することができる。
【００３６】
さらに、放熱部品の半導体素子の搭載部に埋設された、上面の半導体素子の搭載部から下面まで貫通する銅から成る複数の貫通金属体を、放熱部品の上下面に接合されている銅層と直接接合していることから、半導体素子で発生する熱の放熱部品内の伝達を極めて良好なものとすることができる。これらの結果、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。
【００３７】
また、放熱部品の銅層の半導体素子が搭載される上面の中央部は、算術平均粗さＲａがＲａ≦３０（μｍ）であるため、半導体素子をガラス・樹脂・ロウ材等の接着剤を介して放熱部品に接着固定する際のボイド発生が無く、その結果、半導体素子を強固に接続することができることから、半導体素子で発生する熱を放熱部品へ効率良く伝達することが可能になる。
【００３８】
また、放熱部品の銅層の半導体素子が搭載される上面の中央部は、算術平均粗さＲａが０．０５（μｍ）≦Ｒａであるため、放熱部品と封止樹脂とが接触する面積が増加すると同時に放熱部品への封止樹脂の投錨効果が増加することから放熱部品と封止樹脂との接合強度を増加させ、その結果、高い信頼性を有する半導体素子収納用パッケージを提供することができる。
【００３９】
以上により、本発明によれば、半導体素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、かつ半導体素子を放熱部品に強固に接着させると同時に封止樹脂による高い封止信頼性を有する半導体素子収納用パッケージを提供することができた。
【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実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁枠体
１ａ・・・・凹部
２・・・・・封止樹脂
３・・・・・放熱部品
４・・・・・タングステンまたはモリブデンおよび銅のマトリクス
５・・・・・貫通金属体
６・・・・・銅層
７・・・・・半導体素子
８・・・・・半導体素子収納用パッケージ
９・・・・・ロウ材
１０・・・・・接着剤
１１・・・・・配線導体
１２・・・・・ボンディングワイヤ
【図１】
2004063561.tif 000003