(57)【要約】【課題】入出力端子を破損し難くし、気密性に優れた半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供すること。【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が形成された金属製の基体１と、基体１の上側主面の外周部５ｂに載置部１ａを囲繞するように取着され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子３の取付部２ａが形成された金属製の枠体２と、取付部２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を有するセラミック製の入出力端子３と、枠体２の上面に外周部５ｂが取着される蓋体５とを具備しており、蓋体５は、その中央部５ａの上面が外周部５ｂの下面と同じ面内にあるかまたは中央部５ａの上面が外周部５ｂの下面よりも下方に位置している。【選択図】  図１
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【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た金属製の基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように取着され、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、前記枠体の上面に外周部が取着される蓋体とを具備しており、該蓋体は、その中央部の上面が前記外周部の下面と同じ面内にあるかまたは前記中央部の上面が前記外周部の下面よりも下方に位置してい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】
請求項１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、前記枠体の上面に取着された前記蓋体とを具備している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、半導体素子を収納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、特に気密性に優れた半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）を図２に示す。図２はパッケージの断面図である。この図において、２１は基体、２２は枠体、２３は入出力端子を示し、これら基体２１、枠体２２および入出力端子２３で、内部空間に半導体素子２４を収容する容器が基本的に構成される。
【０００３】
基体２１は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属から成り、基体２１の上側主面に半導体素子２４が載置される載置部２１ａが形成され、その外周部には、載置部２１ａを囲繞するようにして接合された枠体２２が立設されている。この枠体２２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、基体２１に銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【０００４】
枠体２２は、側部の下側に切欠きから成る入出力端子２３を取り付けるための取付部２２ａが形成されている。そして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体等のセラミックスから成る入出力端子２３が枠体２２の取付部２２ａ、および基体２１にＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【０００５】
そして、載置部２１ａに半導体素子２４を載置し、ボンディングワイヤ等で半導体素子２４の電極と入出力端子２３に被着形成されているメタライズ配線層とを電気的に接続した後、枠体２２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属製の板体からなる蓋体２５の外周部をシーム溶接法やレーザ溶接法等の溶接法によって接合し、基体２１、枠体２２および蓋体２５から成る容器内部に半導体素子２４を収容し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。（例えば、下記の特許文献１参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２１７３３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成においては、枠体２２の上面に蓋体２５の外周部をシーム溶接法やレーザ溶接法等の溶接法で接合した際に、溶接時の熱が蓋体２５に伝わって蓋体２５が枠体２２よりも大きく熱膨張し、枠体２２に蓋体２５との熱膨張量の相違に起因する大きな熱応力が発生して枠体２２に取り付けられたセラミック製の入出力端子２３にクラックや割れ等が発生してパッケージ内部を気密に保持できなくなり、その結果、パッケージの気密封止の信頼性が低くなり、パッケージ内部に収容する半導体素子２４を長期間わたり正常、かつ安定に作動させることができないという問題点があった。
【０００８】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、入出力端子を破損し難くし、気密性に優れた半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【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た金属製の基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように取着され、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、前記枠体の上面に外周部が取着される蓋体とを具備しており、該蓋体は、その中央部の上面が前記外周部の下面と同じ面内にあるかまたは前記中央部の上面が前記外周部の下面よりも下方に位置していることを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、蓋体の中央部の上面が外周部の下面と同じ面内にあるかまたは中央部の上面が外周部の下面よりも下方に位置していることから、枠体の上面に蓋体の外周部をシーム溶接法やレーザ溶接法等の溶接法で接合した際に、溶接時の熱が蓋体に伝わって蓋体が枠体よりも大きく熱膨張しても、蓋体の外周部と中央部との間の屈曲部が適度に変形して弾性的に作用し、枠体に蓋体との熱膨張差に起因する大きな熱応力が加わるのを防止できる。その結果、セラミック製の入出力端子にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止し、パッケージ内部を気密に保持することができ、パッケージ内部に収容する半導体素子を長期間わたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００１１】
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、前記枠体の上面に取着された前記蓋体とを具備していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体装置は、上記構成により、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた気密信頼性の高いものとなる。
【００１３】
【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について以下に詳細に説明する。図１は本発明のパッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、１は基体、２は枠体、３は入出力端子を示し、これら基体１、枠体２および入出力端子３で、内部空間に半導体素子４を収容する容器が基本的に構成される。
【００１４】
本発明のパッケージは、図１に示すように、上側主面に半導体素子４が載置される載置部１ａが形成された金属製の基体１と、基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するように取着され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子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を有するセラミック製の入出力端子３と、枠体２の上面に溶接接合された金属製の板体からなる蓋体５とを具備しており、蓋体５の中央部５ａの上面が外周部５ｂの下面と同じ面内にあるかまたは中央部５ａの上面が外周部５ｂの下面よりも下方に位置している。
【００１５】
本発明の基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｗ等から成り、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、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す。基体１の表面には、酸化腐食の防止や半導体素子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）層から成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の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。
【００１６】
また、基体１の上側主面の外周部には、載置部１ａ囲繞するようにしてＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して接合された枠体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。枠体２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｗ等の金属から成る枠状体であり、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、基体１にＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して接続される。また、枠体２の表面には、酸化腐食の防止や入出力端子３のロウ付け等による嵌着を良好にするために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層や厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層から成る金属層をめっき法等により被着させておくとよい。
【００１７】
また、枠体２には、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子３を取り付けるための取付部が形成されている。そして、入出力端子３が枠体２の取付部２ａにＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【００１８】
入出力端子３は、上面に一辺から対向する他辺にかけて形成された枠体２の内外を導通するメタライズ配線層を有する四角形状の平板部およびこの平板部の上面にメタライズ配線層の一部を間に挟んで接合された直方体状の立壁部とから構成され、枠体２の側部に設けられた取付部２ａにＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介してロウ付けされる。
【００１９】
入出力端子３を構成する上記の平板部および立壁部は、Ａｌ２Ｏ３質焼結体、ＡｌＮ質焼結体等のセラミックスから成り、セラミックグリーンシートを打ち抜き加工し、セラミックグリーンシートを多層積層し焼成することによって形成される。
【００２０】
入出力端子３の平板部の上面に設けられたメタライズ配線層は、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の導体ペーストを焼成することにより形成され、枠体２外側のメタライズ配線層にはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成るリード端子がＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して電気的に接続される。
【００２１】
本発明の蓋体５は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属製の板体からなり、図１に示すように、蓋体５の中央部５ａの上面が外周部５ｂの下面と同じ面内にあるかまたは中央部５ａの上面が外周部５ｂの下面よりも下方に位置している。即ち、蓋体５の中央部５ａ上面の外周部５ｂ上面からの深さをｔとし、蓋体５の外周部５ｂの厚みをＴとすると、Ｔ≦ｔである。
【００２２】
この構成により、枠体２の上面に蓋体５の外周部５ｂをシーム溶接法やレーザ溶接法等の溶接法で接合した際に、溶接時の熱が蓋体５に伝わって蓋体５が枠体２よりも大きく熱膨張しても、蓋体５の外周部５ｂと中央部５ａとの間の屈曲部が適度に変形して弾性的に作用し、枠体２に蓋体５との熱膨張差に起因する大きな熱応力が加わるのを防止できる。その結果、セラミック製の入出力端子３にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止し、パッケージ内部を気密に保持することができ、パッケージ内部に収容する半導体素子４を長期間わたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００２３】
このような蓋体５の中央部５ａ上面の外周部５ｂ上面からの深さｔは、Ｔ＜ｔであるのがよい。これにより、蓋体５の中央部５ａと外周部５ｂとの間の屈曲部がより変形し易くなって応力を緩和する効果を向上させることができる。
【００２４】
また、蓋体５の中央部５ａ上面の外周部５ｂ上面からの深さｔは、蓋体５が大きく歪むのを抑制するという観点から、ｔ≦５Ｔであるのがよい。ｔ＞５Ｔであると、蓋体５の表面積が大きくなって熱膨張により歪み易くなるとともに、パッケージ内部の容積が小さくなるという不都合が生じる。
【００２５】
また、蓋体５は、外周部５ｂと中央部５ａとの間の屈曲部が、図１に示すように、外周部５ｂおよび中央部５ａに対して直角になっているのがよい。即ち、外周部５ｂと中央部５ａとで形成される凹部の側面、および蓋体５の下面よりも下に突出した部位の側面が、中央部５ａおよび外周部５ｂに対して直角になっているのがよい。これにより、中央部５ａと外周部５ｂとの間の屈曲部がより変形し易くなって応力を緩和する効果を向上させることができる。
【００２６】
さらに、蓋体５は、外周部５ｂと中央部５ａとの間の屈曲部の厚みが外周部５ｂよりも薄くなっているのがよい。これにより、中央部５ａと外周部５ｂとの間の屈曲部がより変形し易くなって応力を緩和する効果を向上させることができる。
【００２７】
このような屈曲部の厚みが外周部５ｂと異なる蓋体５は、プレス成型での圧力を調整することによって、あるいは金属射出成型などによって作製することができる。
【００２８】
また、上面視において、蓋体５の中央部５ａの上面の面積は、枠体２の内側面で囲まれる面積の０．３〜０．８倍であるのがよい。これにより、蓋体５と枠体２との接合部に加わる応力をほぼ均一に緩和することができる。０．３倍未満であると、応力を緩和することのできる部位が小さくなり、特に蓋体５の角部周辺における応力を緩和するのが困難になり易い。一方、０．８倍を超えると、蓋体５が熱膨張した際、中央部５ａが熱膨張により枠体２と接触して枠体２と蓋体５との間に作用する応力が大きくなる。
【００２９】
上記構成のパッケージの載置部１ａに半導体素子を載置固定した後、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の枠体２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の上面に上記の蓋体５の外周部５ｂをシーム溶接法やレーザ溶接法等の溶接法によって接合し、半導体素子４を気密に封止することにより、製品としての半導体装置となる。
【００３０】
【実施例】
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の実施例を以下に説明する。
【００３１】
図１の本発明のパッケージおよび半導体装置を以下のようにして作製した。まず、Ｃｕ−Ｗから成る縦９ｍｍ×横１６ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの長方形の基体１の上側主面の外周部に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏから成る縦７ｍｍ×横１４ｍｍ×高さ２．５ｍｍで肉厚０．５ｍｍの枠体２をＡｇ−Ｃｕろうでろう付けし、そして枠体２の一側部の中央部に基体１側から切り欠かかれた幅４．６５ｍｍ×高さ０．８１ｍｍの切欠きからなる入出力端子３の取付部２ａが設けた。
【００３２】
そして、この取付部２ａに幅２．３ｍｍ×長さ４．６ｍｍ×高さ０．３８ｍｍの平板部とその上面の中央部に幅０．５ｍｍ×長さ４．６ｍｍ×高さ０．３８ｍｍの立壁部からなるＡｌ２Ｏ３質焼結体からなる入出力端子３を嵌め込んでＡｇ−Ｃｕろうでろう付けすることによりパッケージを作製した。
【００３３】
次に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る縦７ｍｍ×横１４ｍｍ×厚さＴ（Ｔ＝０．１３ｍｍ，０．１９ｍｍ，０．２５ｍｍとした）の板体で中央部５ａが縦６ｍｍ×横１３ｍｍ×深さｔ（ｔ＝０，０．５Ｔ，０．９Ｔ，１Ｔ，１．１Ｔ，３Ｔ，４．９Ｔ，５Ｔ，５．１Ｔとした）の蓋体５を合計２７種類準備した。
【００３４】
そして、これらの蓋体５を１３０℃の状態で、下に凸になるようにして上記のパッケージの枠体２の上面に載せ、枠体２と蓋体５の当接する部分のみ照射温度１６００℃でレーザ溶接することによって、蓋体５を枠体２の上面に溶接接合させ、その後、−５５℃まで均一に冷却した際のセラミック製の入出力端子３に発生する応力について有限要素法に基づくシミュレーションを行ない、そして入出力端子３に発生する最大主応力値（単位：ＭＰａ）を求めた。その結果、表１に示すような結果となった。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
入出力端子３は入出力端子３に加わる最大主応力値が１２０Ｍｐａを超えると破損が発生し易くなることから、蓋体５の深さｔは蓋体５の厚さＴに対してＴ≦ｔ≦５Ｔであるとよいことが判った。なお、蓋体は中央部５ａの上面が外周部５ｂの上面と同じ場合（ｔ＝０）に比べ、中央部５ａの深さｔが厚さＴ以上のものでは、入出力端子３に加わる最大主応力値を大幅に低減できることが判った。
【００３７】
なお、本発明は以上の実施の形態の例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種々の変更を施すことは何等支障ない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、蓋体の中央部の上面が外周部の下面と同じ面内にあるかまたは中央部の上面が外周部の下面よりも下方に位置していることから、枠体の上面に蓋体の外周部をシーム溶接法やレーザ溶接法等の溶接法で接合した際に、溶接時の熱が蓋体に伝わって蓋体が枠体よりも大きく熱膨張しても、蓋体の外周部と中央部との間の屈曲部が適度に変形して弾性的に作用し、枠体に蓋体との熱膨張差に起因する大きな熱応力が加わるのを防止できる。その結果、セラミック製の入出力端子にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止し、パッケージ内部を気密に保持することができ、パッケージ内部に収容する半導体素子を長期間わたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００３９】
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、枠体の上面に取着された蓋体とを具備していることにより、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の一実施例を示す断面図である。
【図２】従来の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：取付部
３：入出力端子
４：半導体素子
５：蓋体
５ａ：中央部
５ｂ：外周部
【図１】
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【図２】
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