(57)【要約】【課題】半導体素子収納用パッケージに収容される半導体素子が発する熱を効率よく放熱させて、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させること。【解決手段】半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子４が載置される載置部１ａが形成されるとともに四隅部にネジ止め部１ｂがそれぞれ形成された略四角形の金属製の基体１と、基体１の上側主面に載置部１ａを囲繞するように接合され、側部に入出力端子３の取付部２ａが形成された金属製の枠体２と、取付部２ａに嵌着された、枠体２の内外を電気的に導通するメタライズ配線層３ａを有する入出力端子３と、基体１の下側主面の略全面に密着された厚さ０．０５乃至０．３ｍｍのグラファイトシート６とを具備しており、グラファイトシート６は、ネジ止め部１ｂを外部基板Ｃに固定することにより２×１０５乃至６×１０５Ｐａの圧力が加えられた状態で外部基板Ｃの主面に密着される。【選択図】  図１
2004228543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側主面に半導体素子が載置される載置部が形成されるとともに四隅部にネジ止め部がそれぞれ形成された略四角形の金属製の基体と、該基体の前記上側主面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された金属製の枠体と、前記取付部に嵌着された、前記枠体の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミック製の入出力端子と、前記基体の下側主面の略全面に密着された厚さ０．０５乃至０．３ｍｍのグラファイトシートとを具備しており、該グラファイトシートは、前記ネジ止め部を外部基板に固定することにより２×１０５乃至６×１０５Ｐａの圧力が加えられた状態で前記外部基板の主面に密着され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】
前記グラファイトシートは、前記基体に密着される主面に金属めっき層およびロウ材層が順次被着されており、該ロウ材層が加熱溶融されることにより前記基体に密着されていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関し、特に外部基板への実装構造を改良したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージともいう）を図４および図５に示す。図４は半導体パッケージの平面図、図５は図４の半導体パッケージのＢ−Ｂ’面における断面図である。これらの図において、１１は基体、１２は枠体、１３は入出力端子を示し、これらで内部空間に半導体素子１４を収容する半導体パッケージが基本的に構成される。
【０００３】
基体１１は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）の焼結材等の金属から成り、その上側主面の略中央部には、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の半導体素子１４を載置するための載置部１１ａが設けられている。また、基体１１の四隅部に、貫通孔１１ｃが形成されて成るネジ止め部１１ｂが設けられている。この基体１１は、ネジ止め部１１ｂの貫通孔１１ｃにネジを挿入し放熱板等の外部基板Ｃにネジ止め固定される。
【０００４】
基体１１の上側主面には、載置部１１ａを囲繞するようにして接合され、側部に入出力端子１３の取付部１２ａが形成された枠体１２が立設されている。
【０００５】
枠体１２は基体１１と同様に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体１１と一体成形される、または基体１１に銀（Ａｇ）ロウ等の材を介してロウ付けされる、または、シーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体１１の上側主面に立設される。
【０００６】
入出力端子１３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）質焼結体等のセラミックスから成り、枠体１２の取付部１２ａにロウ材を介して嵌着接合され、枠体１２の内外を導通する複数のメタライズ配線層１３ａが被着形成されている。
【０００７】
このような構成の半導体パッケージの載置部１１ａに半導体素子１４を載置固定した後、半導体素子１４の電極と入出力端子１３の枠体１２内面側のメタライズ配線層１３ａとをボンディングワイヤ（図示せず）で電気的に接続し、枠体１２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る蓋体１５をシーム溶接法等の溶接法により接合して半導体素子１４を気密に封止することによって、製品としての半導体装置となる。
【０００８】
しかしながら、半導体素子１４は作動により発熱し、特に作動周波数が高周波になるほど発熱量は大きく、半導体素子１４が高温となって誤動作するという問題点を有していた。
【０００９】
このような問題点を解決するために、半導体素子１４を熱伝導率の高いグラファイトシートを介して基体１１上に載置固定することにより半導体素子１４が発する熱を基体１１へ放熱させることが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。
【００１０】
この構成の半導体装置は、外部電気回路装置に設けた放熱板等の外部基板Ｃにネジ止め固定されることにより、外部電気回路装置の構成要素として機能することができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２２３６２９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の半導体装置は、半導体素子１４が作動する際に発する熱を基体１１に効率よく放熱することができるが、基体１１においては熱を外部基板Ｃに効率よく放熱することは困難であった。即ち、ネジ止め部１１ｂの貫通孔１１ｃにネジを挿入して外部基板Ｃにネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部１１ｂ周辺に大きな応力が加わることによって、基体１１が変形して基体１１の下側主面と外部基板Ｃとの間に隙間が生じ、基体１１から外部基板Ｃへの放熱が効率よく行なわれなくなる。
【００１３】
また、近年の高密度化が進んだ半導体素子１４では、発熱量が従来のものに比べてきわめて大きくなってきており、基体１１の半導体素子１４の直下の部位が半導体素子１４から伝わる熱のために急激に高温化する。そのため、基体１１の半導体素子１４の直下の部位が局部的に熱膨張して基体１１が変形し、基体１１の下側主面と外部基板Ｃとの間に隙間が生じて基体１１から外部基板Ｃへの放熱が効率よく行なわれなくなる。
【００１４】
このように基体１１から外部基板Ｃへの放熱が困難となるため、半導体素子１４から基体１１への放熱の効率も低下して半導体素子１４が高温となって誤動作したり、あるいは、基体１１の変形がより大きくなって枠体１２に嵌着させた入出力端子１３に応力が加わり、入出力端子１３にクラックが発生することにより、気密性が失われたりメタライズ配線層１３ａが断線したりするといった問題点を有していた。
【００１５】
このような基体１１と外部基板Ｃとの間の隙間による放熱効率の低下を改善するために、例えばシリコングリースなどの充填材料を基体１１と外部基板Ｃとの間の隙間に介在させて基体１１と外部基板Ｃとの密着不足を補うという方法がある。
【００１６】
しかしながら、シリコングリースの熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以下と小さく、例え基体１１と外部基板Ｃとの間の隙間が小さくてシリコングリースの層が薄くなっているとしても熱伝導はシリコングリース層で妨げられ、基体１１から外部基板Ｃへの放熱性は著しく低下するといった問題点を有していた。
【００１７】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、ＦＥＴ，ＭＭＩＣ等の半導体素子が発する熱を効率よく外部に放熱して半導体素子の温度を所定の範囲内に維持し、また、基体における温度の偏りによる半導体パッケージの歪みを緩和して入出力端子に発生するクラックを抑制することにより、気密性の保持や入出力端子のメタライズ配線層の断線防止を行い、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１８】
【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、上側主面に半導体素子が載置される載置部が形成されるとともに四隅部にネジ止め部がそれぞれ形成された略四角形の金属製の基体と、該基体の前記上側主面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された金属製の枠体と、前記取付部に嵌着された、前記枠体の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミック製の入出力端子と、前記基体の下側主面の略全面に密着された厚さ０．０５乃至０．３ｍｍのグラファイトシートとを具備しており、該グラファイトシートは、前記ネジ止め部を外部基板に固定することにより２×１０５乃至６×１０５Ｐａの圧力が加えられた状態で前記外部基板の主面に密着されることを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、基体の下側主面の略全面に密着された厚さ０．０５乃至０．３ｍｍのグラファイトシートを具備したことから、半導体素子収納用パッケージの内部に収容した半導体素子から発生し基体に伝達された熱をきわめて速やかにグラファイトシートの面方向に伝達することができ、基体の半導体素子の接合部直下が局所的に高温になるのを有効に抑制することができる。また、グラファイトシートの厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さい熱抵抗で熱を外部基板へ速やかに放熱することができ、半導体素子の高温化を有効に抑制することができる。
【００２０】
また、基体の下側主面の略全面に密着されたグラファイトシートが、ネジ止め部を外部基板に固定することにより２×１０５乃至６×１０５Ｐａの圧力が加えられた状態で外部基板の主面に密着されることから、ネジ止め部の貫通孔にネジを挿入して外部基板にネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部周辺に大きな応力が加わって基体が変形した場合や、基体の半導体素子の直下の部位が半導体素子から伝わる熱のために急激に高温化し、基体の半導体素子の直下の部位が局部的に熱膨張して基体が変形した場合に、基体がグラファイトシートから離れようとしても、グラファイトシートに加わっている圧力が若干開放されて圧縮されていたグラファイトシートの厚みが復元されて増すことにより基体とグラファイトシートの密着性を保つことができる。また、逆に基体がグラファイトシートを押し付けるように変形した場合でも、グラファイトシートがさらに圧縮されても破損されずに基体との密着性が保たれるとともに基体に加わる応力を緩和できる。
【００２１】
これらの結果、半導体素子が発する熱を効率よく外部に放熱して半導体素子の温度を所定の範囲内に維持し、また、基体における温度の偏りによる半導体パッケージの歪みを緩和して入出力端子に発生するクラックを抑制することにより、気密性の保持や入出力端子のメタライズ配線層の断線防止を行い、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００２２】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記グラファイトシートは、前記基体に密着される主面に金属めっき層およびロウ材層が順次被着されており、該ロウ材層が加熱溶融されることにより前記基体に密着されていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
【００２３】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、グラファイトシートの基体に密着される主面に金属めっき層およびロウ材層が順次被着されており、このロウ材層が加熱溶融されることにより基体に密着されていることから、基体をグラファイトシートを介して外部基板に固定する際、ロウ材を基体の下側主面の微細な凹凸や、グラファイトシートの表面の微細な凹凸に入り込ませることによってグラファイトシートと基体との間に存在する微細な隙間をほぼ完全に埋めることができ、その結果、半導体素子から発生した熱をさらに速やかに外部に伝達して半導体素子収納用パッケージ内部に収容する半導体素子をより長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００２４】
また、本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた放熱性、気密信頼性および導通信頼性の高いものとなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す斜視図である。また、図２は図１の半導体パッケージのＡ−Ａ’面における断面図、である。これらの図において、１は基体、１ａは載置部、１ｂはネジ止め部、２は枠体、２ａは取付部、３は入出力端子、３ａはメタライズ配線層、４は半導体素子、５は蓋体、６はグラファイトシートを示し、これら基体１、枠体２、入出力端子３、グラファイトシート６で、内部空間に半導体素子４を収容する半導体パッケージが基本的に構成される。また、半導体パッケージに半導体素子４を搭載し、枠体２の上面に蓋体５を接合することにより半導体装置と成る。
【００２７】
本発明の基体１は平面視形状が略四角形であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施したり、射出成形と切削加工等を施すことによって所定形状に製作される。基体１の上側主面には、ＦＥＴ，ＭＭＩＣ等の半導体素子４を載置する載置部１ａが設けられる。この基体１は、半導体素子４が作動時に発する熱を外部に放熱させる放熱板の役割をも果たし、基体１が放熱板等の外部基板Ｃにネジ止めされることにより半導体素子４で発生した熱を基体１を介して外部基板Ｃに放熱することができる。
【００２８】
基体１表面には、酸化腐食の防止や半導体素子４のロウ付け等による載置固定を良好にするために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層や厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層からなる金属層をめっき法等により被着させておくとよい。また、半導体素子４から発せられる熱を効率よく外部へ放熱させるために、半導体素子４がペルチェ素子等の熱電冷却素子（図示せず）に搭載された状態で載置部１ａに載置固定されていてもよい。
【００２９】
また、基体１の上側主面には、載置部１ａを囲繞するようにして接合されるとともに、側部に入出力端子３の取付部２ａが形成された枠体２が立設されており、枠体２は基体１とともにその内側に半導体素子４を収容する空所を形成する。
【００３０】
枠体２は平面視形状が略四角形状の枠状体であり、入出力端子３を支持する作用をなす。また、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属から成り、基体１と一体成形される、または基体１にＡｇロウ等のロウ材を介してロウ付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることにより、基体１の上側主面に立設される。取付部２ａは、枠体２の１乃至４つの側部を貫通するかまたは側部を切り欠いて成る。取付部２ａが枠体２の側部を上面から切り欠いて成る場合、枠体２および取付部２ａの上面に略四角形の枠状のシールリング（図示せず）が接合されていてもよく、その場合シールリングは、取付部２ａに入出力端子３が嵌着接合される際、または嵌着接合された後にロウ付けによって接合される。
【００３１】
本発明の入出力端子３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）質焼結体等のセラミックスから成る断面が逆Ｔ字型（凸型）の部材であり、枠体２の取付部２ａに嵌め込むとともに、入出力端子３と取付部２ａとの隙間に溶融したＡｇロウ等のロウ材を毛細管現象により充填させることで枠体２に嵌着接合される。この入出力端子３には、枠体２の内外を導通するメタライズ配線層３ａが被着形成される。また、入出力端子３は枠体２の一部となって枠体２の内外を気密に仕切るとともに、枠体２の内外を導通させる導電路としての機能を有する。
【００３２】
また入出力端子３は、例えばアルミナ質焼結体から成る場合以下のようにして作製される。まず、Ａｌ２Ｏ３，酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、これら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しメタライズ配線層３ａとなる金属ペーストを印刷塗布して積層する。次いで所定の大きさに切断して個々の積層体となすとともに、得られた積層体が焼成後に枠体２と接合される面に、メタライズ層となる金属ペーストを印刷塗布し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００３３】
なお、メタライズ配線層３ａおよびメタライズ層となる金属ペーストは、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の高融点金属粉末に適当な有機バインダや溶剤を添加混合してペースト状となしたものを従来周知のスクリーン印刷法を採用して印刷することにより、セラミックグリーンシートおよびその積層体に印刷塗布される。
【００３４】
また、基体１の四隅部には貫通孔１ｃが形成されて成るネジ止め部１ｂが設けられている。このネジ止め部１ｂの貫通孔１ｃにネジを挿入し、外部基板Ｃにネジ止めすることにより半導体パッケージを固定することができる。このようなネジ止め部１ｂは基体１の四隅部に切欠きを形成することによって設けられてもよい。また、基体１の四隅部の各ネジ止め部１ｂを基体１からそれぞれ基体１の外側に延出して形成されてもよい。これにより、ネジ止め部１ｂを外部基板Ｃにネジ止めした際に加わる応力を延出したネジ止め部１ｂで吸収することができ、基体１の歪を小さくすることができる。
【００３５】
本発明の基体１は、下側主面の略全面に厚さ０．０５乃至０．３ｍｍのグラファイトシート６が密着されている。これにより、半導体パッケージの内部に収容した半導体素子４から発生し基体１に伝達された熱をきわめて速やかにグラファイトシート６の面方向に伝達することができ、基体１の半導体素子４の接合部直下が局所的に高温になるのを有効に抑制することができる。また、グラファイトシート６の厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さい熱抵抗で熱を外部基板Ｃへ速やかに放熱することができ、半導体素子４の高温化を有効に抑制することができる。
【００３６】
グラファイトシート６は、ポリイミドフィルム等の高分子フィルムを、例えば不活性雰囲気下、２０００℃以上の条件で加熱して得られるものであり、面方向に６００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、また厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さな熱抵抗を有するものが得られている。
【００３７】
グラファイトシート６の厚さが０．０５ｍｍ未満の場合、基体１をネジ止め固定した際、基体１や外部基板Ｃの反りなどの変形のために基体１と外部基板Ｃとの間をグラファイトシート６で隙間なく埋めることが困難になり易く、基体１からグラファイトシート６への熱伝導性が低下し易くなる。また、０．５ｍｍを超えると、グラファイトシート６に加わる圧力にばらつきが生じ易くなり、圧力が小さい部分において基体１とグラファイトシート６との密着性および外部基板Ｃとグラファイトシート６との密着性が小さくなって放熱性が低下し易くなる。
【００３８】
また、基体１の下側主面の略全面に密着されたグラファイトシート６は、ネジ止め部１ｂを外部基板Ｃに固定することにより２×１０５乃至６×１０５Ｐａの圧力が加えられた状態で外部基板Ｃの主面に密着される。これにより、ネジ止め部１ｂの貫通孔１ｃにネジを挿入して外部基板Ｃにネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部１ｂ周辺に大きな応力が加わって基体１が変形した場合や、基体１の半導体素子４の直下の部位が半導体素子４から伝わる熱のために急激に高温化し、基体１の半導体素子４の直下の部位が局部的に熱膨張して基体１が変形した場合に、基体１がグラファイトシート６から離れようとしても、グラファイトシート６に加わっている圧力が若干開放されて圧縮されていたグラファイトシート６の厚みが復元されて増すことにより基体１とグラファイトシート６の密着性を保つことができる。また、逆に基体１がグラファイトシート６を押し付けるように変形した場合でも、グラファイトシート６がさらに圧縮されても破損されずに基体との密着性が保たれるとともに基体に加わる応力を緩和できる。
【００３９】
グラファイトシート６に加えられる圧力は、予めグラファイトシート６と外部基板Ｃとの間に感圧紙を挟んでおいてネジ止めを行ない、ネジのトルクあるいはネジ込み深さを測定することにより、ネジのトルクと圧力あるいはネジ込み深さと圧力との関係を間接的に計算上で求めることができる。
【００４０】
グラファイトシート６に加えられる圧力が２×１０５Ｐａ未満の場合、基体１とグラファイトシート６および外部基板Ｃとグラファイトシート６との密着力が弱くなり、基体１から外部基板Ｃへの熱伝導性が低下し易くなる。また、基体１が変形して基体１がグラファイトシート６から離れようとした場合に、グラファイトシート６に加わっている圧力が若干開放されることにより増加する圧縮されていたグラファイトシート６の復元による厚み変化は小さく、基体１とグラファイトシート６の密着性を保つことが困難になり易い。
【００４１】
また、圧力が６×１０５Ｐａを超えると、半導体パッケージをネジ止めする際や半導体素子４からの熱が基体１に伝達した際、基体１が変形して基体１がグラファイトシート６を押し付けようとした場合に、グラファイトシート６が収縮して応力を緩和することが困難となり易く、グラファイトシート６が破損し易い。
【００４２】
さらに、図３に示すように、グラファイトシート６は、基体１に密着される主面に金属めっき層およびロウ材層が順次被着されており、このロウ材層が加熱溶融されることにより基体１に密着されているのが好ましい。これにより、基体１をグラファイトシート６を介して外部基板Ｃに固定する際、ロウ材を基体１の下側主面の微細な凹凸や、グラファイトシート６の表面の微細な凹凸に入り込ませることによってグラファイトシートと基体１との間に存在する微細な隙間をほぼ完全に埋めることができ、その結果、半導体素子４から発生した熱をさらに速やかに外部に伝達してパッケージ内部に収容する半導体素子４をより長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００４３】
このような金属めっき層は、グラファイトシート６とロウ材層との接着性を強固にするという観点から、例えば、下層がニッケル（Ｎｉ）等の金属めっき層で上層が金，白金等の金属めっき層から成る多層のものが好ましい。
【００４４】
また、ロウ材層は金属めっき層と基体１とを強固に接合するという観点からは、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金等から成るものが好ましい。
【００４５】
このような金属めっき層およびロウ材層が順次被着されて成る金属層７は、例えば、グラファイトシート６に公知のめっき法にて金属めっき層を形成した後、箔状のロウ材層を介して基体１の下側主面とグラファイトシート６とを積層して加熱してロウ材層を溶融後、冷却して固化することにより、グラファイトシート６と基体１との間に形成される。
【００４６】
上記構成の半導体パッケージの載置部１ａに半導体素子４を載置固定した後、半導体素子４の電極と入出力端子３のメタライズ配線層３ａの枠体２の内側の部位とをボンディングワイヤで電気的に接続し、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る蓋体５をシームウエルド法等の溶接法やロウ付け法により接合し、半導体素子４を気密に封止することにより半導体装置となる。
【００４７】
この半導体装置は、メタライズ配線層３ａの枠体２外側の部位にリード線やリボン線（図示せず）をロウ付けまたは半田付けし、リード線やリボン線を外部電気回路基板の外部電気回路に接続することにより、半導体パッケージ内部に収納した半導体素子４が外部電気回路に電気的に接続され、半導体素子４が電気信号で作動することとなる。
【００４８】
【実施例】
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施例について以下に説明する。
【００４９】
図１に示される本発明の半導体パッケージを以下のように作製した。先ず、縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、高さ１．５ｍｍのＣｕ−Ｗ合金からなる基体１に、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ５ｍｍ、枠部の幅１ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなるとともに側部に幅３ｍｍ、高さ２ｍｍの取付部２ａを有する枠体２をＡｇロウ（ＢＡｇ８：ＪＩＳ  Ｚ  ３２６１）でロウ付けした。そして、この取付部２ａに入出力端子３を同じＡｇロウで嵌着接合させたサンプルを７０個用意した。
【００５０】
なお、このサンプルは、基体１の四隅部にそれぞれ貫通孔１ｃから成るネジ止め部１ｂをあらかじめ形成しておき、基体１および枠体２、メタライズ配線層３ａ上に厚さが３μｍのＮｉめっきと厚さが１μｍのＡｕめっきをこの順で被着した。
【００５１】
このようにして得られたサンプルについて、基体１の裏面の形状に合わせた７種類の厚さのグラファイトシート６（表１参照）をそれぞれの厚さに対して各１０枚の計７０枚用意し、これを各サンプルの基体１とアルミニウムから成る放熱板としての外部基板Ｃとの間に配置し、ネジ止めのトルクを調整して計算上でグラファイトシート６に加えられる圧力が４×１０５Ｐａとなるようにサンプルを外部基板Ｃにネジ止めした。
【００５２】
このとき、グラファイトシート６と外部基板Ｃとの間に感圧紙（富士プレスケール（超低圧用）：富士フィルム社製）を載置してグラファイトシート６の基体１および外部基板Ｃへの密着性をグラファイトシート６に作用した圧力で評価した。そして、基体１の下側主面全面に圧力が略均一に加わっているものを良とした。
【００５３】
なお、感圧紙は発色剤を含むとともに所定の圧力で潰れるように加工されたきわめて小さいカプセルを表面に均一に分散させて塗布したシートと、顕色剤があらかじめ塗布されているシートとからなり、所定の圧力で壊れたカプセルから出てくる発色剤により、顕色剤が赤く発色し、発色した色の濃度で圧力を知ることができるというものである。
【００５４】
また、放熱性の評価として、これらのサンプルに半導体素子４を搭載し、半導体素子４を強制加熱（常温から１５０℃まで１０分で加熱）したときに半導体素子４が正常に作動するかどうかの作動性を調べた。全てのサンプルの半導体素子４が正常に作動した場合を良、正常に作動しないものが１個でも発生した場合を不良とした。その評価結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
2004228543.tif 000003
【００５６】
表１の結果より、グラファイトシート６の厚さは０．０５乃至０．３ｍｍであるとグラファイトシート６に略均一に圧力が加わることが判明した。また、放熱性においても、グラファイトシート６の厚さが０．０５乃至０．３ｍｍであると放熱性が良好であることが判明した。
【００５７】
次いで、グラファイトシート６の厚さを０．２ｍｍとし、ネジ止めのトルクを調整してグラファイトシート６にかかる圧力を計算上で８種類の圧力（表２参照）となるように各１０個、計８０個のサンプルを作製し、上記と同様に感圧紙を用いて、グラファイトシート６の密着性のバラツキ状態を評価した。また、放熱性の評価をこれらのサンプルについて表１の場合と同様に行なった。その評価結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
2004228543.tif 000004
【００５９】
表２の結果より、圧力が２×１０５Ｐａ未満では基体１の反りに起因して発生する基体１と外部基板Ｃとの隙間をグラファイトシート６が埋め切らない場合があり、部分的に圧力が小さいところが発生するのを解消することができなかった。また、圧力が６×１０５Ｐａを超えるとネジ止め部１ｂの周囲のグラファイトシート６が横方向に破断するとともに、ネジ止め部１ｂ付近のグラファイトシート６が実質的に潰れた状態となり、その結果基体１に上方向に凸の反りが発生し、これにより基体１の中央部でグラファイトシート６の密着性が低下し易くなってしまうことが判明した。
【００６０】
また、放熱性においても圧力が２×１０５Ｐａ未満および６×１０５Ｐａを超える場合は放熱性が小さく、半導体素子４が熱のために正常に作動しなくなるものがあった。
【００６１】
これらに対し、グラファイトシート６に加わる圧力が２×１０５乃至６×１０５Ｐａのものは圧力が略均一に加わっているとともに、放熱性においても良いことが判明した。
【００６２】
次いで、図３に示すようにグラファイトシート６の厚さを０．２ｍｍとし、その片面に３μｍのＮｉめっき層および２μｍのＡｕめっき層が順次被着されて成る金属めっき層を形成し、次いでロウ材層としてＡｕ−Ｓｎ合金からなる厚さが８μｍの箔状ロウ材を介して最高温度が３２０℃のブレージング炉を用いて基体１の下側主面に取着した。
【００６３】
このようにして得られた基体１のサンプルの載置部１ａにＦＥＴを搭載し、次いで別体の外部基板Ｃにネジ止めのトルクを調整してグラファイトシート６にかかる圧力が計算上で５×１０５Ｐａとなるように固定したテスト用サンプルを１０個用意し、このテスト用サンプルに２．５ＧＨｚ、１０Ｖの電気信号を入力し、このときのＦＥＴの表面温度を周知の非接触型温度センサーを使用する赤外線温度計を用いて２５℃に設定された測定室内で評価した。
【００６４】
また、金属めっき層およびロウ材層を有していないグラファイトシート６を直接基体１の下側主面に接するようにして外部基板Ｃに固定した比較用サンプルを１０個用意し、同様にＦＥＴを取着し、同様の方法でＦＥＴの表面温度を評価した。これらの評価結果を表３に示す。
【００６５】
【表３】
2004228543.tif 000005
【００６６】
表３の結果より、グラファイトシート６の基体１との接合面に金属めっき層およびＡｕ−Ｓｎ合金ロウ材層を順次被着させたテスト用サンプルでは、ＦＥＴの表面温度を１．５℃程度下げることができることが判明した。この１．５℃の温度低下は、これにより半導体素子が正常かつ安定して作動する寿命をさらに大きく延ばすことができるという点できわめて有効なものである。
【００６７】
なお、本発明は上記実施の形態および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内であれば種々の変更は可能である。例えば、メタライズ配線層３ａがＣｕ等の電気抵抗の低い金属から成っていてもよく、この場合メタライズ配線層３ａにおいて電気信号の抵抗損失を低減でき、半導体素子４をより正常に作動させることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子が載置される載置部が形成されるとともに四隅部にネジ止め部がそれぞれ形成された略四角形の金属製の基体と、基体の上側主面に載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された金属製の枠体と、取付部に嵌着された、枠体の内外を電気的に導通するメタライズ配線層を有するセラミック製の入出力端子と、基体の下側主面の略全面に密着された厚さ０．０５乃至０．３ｍｍのグラファイトシートとを具備したことから、半導体素子収納用パッケージの内部に収容した半導体素子から発生し基体に伝達された熱をきわめて速やかにグラファイトシートの面方向に伝達することができ、基体の半導体素子の接合部直下が局所的に高温になるのを有効に抑制することができる。また、グラファイトシートの厚さ方向においても１℃／Ｗ以下の小さい熱抵抗で熱を外部基板へ速やかに放熱することができ、半導体素子の高温化を有効に抑制することができる。
【００６９】
また、基体の下側主面の略全面に密着されたグラファイトシートが、ネジ止め部を外部基板に固定することにより２×１０５乃至６×１０５Ｐａの圧力が加えられた状態で外部基板の主面に密着されることから、ネジ止め部の貫通孔にネジを挿入して外部基板にネジ止め固定する際において、ネジの締め付けによりネジ止め部周辺に大きな応力が加わって基体が変形した場合や、基体の半導体素子の直下の部位が半導体素子から伝わる熱のために急激に高温化し、基体の半導体素子の直下の部位が局部的に熱膨張して基体が変形した場合、すなわち基体がグラファイトシートから離れるように変形しても、グラファイトシートに加わっている圧力が若干開放されて圧縮されていたグラファイトシートの厚みが復元されて増すことにより基体とグラファイトシートの密着性を保つことができる。また、逆に基体がグラファイトシートを押し付けるように変形した場合でも、グラファイトシートがさらに圧縮されても破損されずに基体との密着性が保たれるとともに基体に加わる応力を緩和できる。
【００７０】
これらの結果、半導体素子が発生する熱を効率よく外部に放熱して半導体素子の温度を所定の範囲内に維持し、また、基体における温度の偏りによる半導体素子収納用パッケージの歪みを緩和して入出力端子に発生するクラックを抑制することにより、気密性の保持や入出力端子のメタライズ配線層の断線防止を行い、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００７１】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、グラファイトシートの基体に密着される主面に金属めっき層およびロウ材層が順次被着されており、このロウ材層が加熱溶融されることにより基体に密着されていることから、基体をグラファイトシートを介して外部基板に固定する際、ロウ材を基体の下側主面の微細な凹凸や、グラファイトシートの表面の微細な凹凸に入り込ませることによってグラファイトシートと基体との間に存在する微細な隙間をほぼ完全に埋めることができ、その結果、半導体素子から発生した熱をさらに速やかに外部に伝達して半導体素子収納用パッケージ内部に収容する半導体素子をより長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。
【００７２】
本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定されるとともに入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた気密信頼性および導通信頼性の高いものとなる。
【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について実施の形態の例を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体素子収納用パッケージのＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】本発明の半導体素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】従来の半導体素子収納用パッケージの平面図である。
【図５】図４の半導体素子収納用パッケージのＢ−Ｂ’線における断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｂ：ネジ止め部
１ｃ：貫通孔
２：枠体
２ａ：取付部
３：入出力端子
３ａ：メタライズ配線層
４：半導体素子
５：蓋体
６：グラファイトシート
７：金属めっき層およびロウ材層が順次被着されて成る金属層
Ｃ：外部基板
【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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