(57)【要約】【課題】  電子部品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、かつ電子部品を放熱部材に強固に接着させることが可能な電子部品収納用パッケージおよびそれを用いた電子装置を提供すること。【解決手段】  電子部品収納用パッケージ８は、上面の中央部に電子部品11の搭載部10を有する平板状の放熱部材１と、放熱部材１の上面に搭載部10を取り囲んで取着された、内面から外面に導出する複数の配線導体６を有する枠体５とを具備しており、放熱部材５は、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る枠状の基体２の中央部の上面から下面にかけて銅または銅を主成分とする合金から成る貫通金属体３が埋設されているとともに、基体２および貫通金属体３の上下面を覆ってそれぞれ銅層４ａ，４ｂが形成されており、放熱部材１と枠体５との熱膨張係数の差が３×10−６/℃以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面の中央部に電子部品の搭載部を有する平板状の放熱部材と、該放熱部材の上面に前記搭載部を取り囲んで取着された、内面から外面に導出する複数の配線導体を有する枠体とを具備しており、前記放熱部材は、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る枠状の基体の中央部の上面から下面にかけて銅または銅を主成分とする合金から成る貫通金属体が埋設されているとともに、前記基体および前記貫通金属体の上下面を覆ってそれぞれ銅層が形成されており、前記放熱部材と前記枠体との熱膨張係数の差が３×１０−６/℃以下であることを特徴とする電子部品収納用パッケージ。
【請求項２】
請求項１記載の電子部品収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに電極が前記配線導体に電気的に接続された前記電子部品と、前記枠体の上面に前記電子部品を覆うように取着された蓋体または前記枠体の内側に前記電子部品を覆うように充填された封止樹脂とを具備していることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は良好な放熱特性の放熱構造を有する、半導体素子などの電子部品を収納するための電子部品収納用パッケージおよびそれを用いた電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子や圧電振動子、発光素子などの電子部品を収容するための電子部品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等の電気絶縁材料から成る枠体と、電子部品が搭載されてその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、銅粉末とタングステン粉末とを溶融して得られる銅−タングステン合金または銅粉末とモリブデン粉末とを溶融して得られる銅−モリブデン合金から成る放熱部材と、蓋体とから構成されており、放熱部材の上面の電子部品の搭載部を取り囲むように枠体が配置されているとともに、これら枠体および放熱部材によって形成される凹部の内側から外側にかけて、タングステン，モリブデン，マンガン，銅，銀等から成る複数の配線導体が枠体に被着され導出されている。
【０００３】
そして、放熱部材の上面の搭載部に電子部品をガラス，樹脂，ロウ材等の接合材を介して接合固定するとともに、この電子部品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、枠体に蓋体をガラス，樹脂，ロウ材等から成る封止材を介して接合し、放熱部材と枠体と蓋体とから成る容器の内部に電子部品を収容することによって製品としての電子装置となる（例えば、下記の特許文献１参照）。この電子装置は、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。
【０００４】
このような銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金等から成る放熱部材を具備した電子部品収納用パッケージは、放熱部材の熱伝導率が高く、なおかつ放熱部材の熱膨張係数が、電子部品としての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電子部品収納用パッケージとして注目されている。
【特許文献１】特開平９−312361号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を持つ放熱部材が求められている。しかしながら、前述のタングステンと銅との合金材料またはモリブデンと銅との合金材料から成る放熱部材の熱伝導率は200Ｗ／ｍ・Ｋ程度とその要求に対して低いため、放熱特性が不十分であるという問題点があった。
【０００６】
これに対し、タングステンまたはモリブデンと銅とがマトリクス状に構成された複合材料、つまり、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る放熱部材を用いることが提案されている。
【０００７】
しかしながら、このタングステンまたはモリブデ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材を用いた電子部品収納用パッケージでは、タングステンまたはモリブデンは熱伝導率，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伴って放熱部材の熱伝導率，熱膨張率も共に増加することとなる。よって、放熱部材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、電子部品と放熱部材との熱膨張係数の差が大きくなり、電子部品を放熱部材に強固に接合することができなくなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記従来の技術における問題に鑑み案出されたものであり、その目的は、電子部品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、かつ電子部品を放熱部材に強固に接合させることが可能な電子部品収納用パッケージおよびそれを用いた電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電子部品収納用パッケージは、上面の中央部に電子部品の搭載部を有する平板状の放熱部材と、該放熱部材の上面に前記搭載部を取り囲んで取着された、内面から外面に導出する複数の配線導体を有する枠体とを具備しており、前記放熱部材は、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る枠状の基体の中央部の上面から下面にかけて銅または銅を主成分とする合金から成る貫通金属体が埋設されているとともに、前記基体および前記貫通金属体の上下面を覆ってそれぞれ銅層が形成されており、前記放熱部材と前記枠体との熱膨張係数の差が３×１０−６/℃以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の電子装置は、上記本発明の電子部品収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに電極が前記配線導体に電気的に接続された前記電子部品と、前記枠体の上面に前記電子部品を覆うように取着された蓋体または前記枠体の内側に前記電子部品を覆うように充填された封止樹脂とを具備していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子部品収納用パッケージによれば、放熱部材は、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る枠状の基体の中央部の上面から下面にかけて銅または銅を主成分とする合金から成る貫通金属体が埋設されているとともに、基体および貫通金属体の上下面を覆ってそれぞれ銅層が形成されており、放熱部材と枠体との熱膨張係数の差が３×10−６/℃以下であることから、従来のタングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る放熱部材に比べて、電子部品の搭載部の下により体積の大きい銅から成る高熱伝導部分を配置することができるので、電子部品で発生した熱を電子部品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、電子部品に発生する熱をこの放熱部材を介して大気中あるいは外部放熱板にきわめて良好に放散することができる。
【００１２】
また、銅または銅を主成分とする合金から成る貫通金属体が熱膨張しても、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る枠状の基体が貫通金属体を拘束して放熱部材全体の熱膨張を抑制することができる。よって、放熱部材における銅の占める割合が大きいにもかかわらず、放熱部材全体の熱膨張を小さくすることができ、電子部品と放熱部材との強固な接合を維持することができる。
【００１３】
さらに、放熱部材の上下に形成された銅層により、電子部品が発生した熱を放熱部材に平行な方向にもより多く伝えることができ、放熱部材に垂直な方向と平行な方向の両方に伝達することができ、電子部品の放熱性をきわめて向上させることができる。その結果、電子部品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。
【００１４】
また、放熱部材と枠体との熱膨張係数の差が３×10−６/℃以下であることから、電子部品が作動した際に発生する熱による放熱部材と枠体の熱膨張率の差に起因する反りを低減することができ、放熱部材と枠体の接合部の破壊防止、電子部品の破壊防止することができる。その結果、電子部品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。
【００１５】
本発明の電子装置によれば、上記本発明の電子部品収納用パッケージと、搭載部に搭載されるとともに電極が配線導体に電気的に接続された電子部品と、枠体の上面に電子部品を覆うように取着された蓋体または枠体の内側に電子部品を覆うように充填された封止樹脂とを具備していることから、本発明の電子部品収納用パッケージの特徴を備えた、電子部品の放熱特性が極めて良好な、長期にわたって安定して電子部品を作動させることができる電子装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の電子部品収納用パッケージおよびそれを用いた電子装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は放熱部材、２は放熱部材１の基体、３は貫通金属体、４は銅層（４ａは放熱部材１の上面側の銅層，４ｂは放熱部材１の下面側の銅層）、５は枠体、６は配線導体である。主にこれら放熱部材１と枠体５で電子部品11を収納する電子部品収納用パッケージ８が構成される。また、この放熱部材１の搭載部10に電子部品11を搭載した後に、放熱部材１と枠体５とからなる凹部５ａに電子部品11を覆うように封止樹脂13を充填して電子部品11を封止することにより、または、枠体５の上面に蓋体を凹部５ａを覆うように取着して電子部品11を封止することにより、本発明の電子装置14が構成される。
【００１８】
枠体５は酸化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等から成り、ロウ材を介して放熱部材１の上面に搭載部10を取り囲んで接着固定されることにより取着される。なお、このロウ材による接着固定に際しては、ロウ付け用の金属層（図示せず）が枠体５の放熱部材１との接合部に形成されてもよい。また、枠体５は金属から構成されていてもよく、その場合、配線導体６を枠体５を構成する金属と絶縁させるために配線導体６の周囲をセラミックスや樹脂、ガラス等の絶縁体で覆えばよい。
【００１９】
また、放熱部材１には、その上面の中央部の搭載部10に電子部品11が樹脂，ガラス，ロウ材等の接着剤を介して固定される。なお、接着剤としてロウ材を用いる場合には、ロウ付け用の金属層（図示せず）が放熱部材１の電子部品11との接合部10に形成されてもよい。ただし、放熱部材１の上面の搭載部10に接合された銅層４ａ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。
【００２０】
枠体５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、これから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）を形成し、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の配線導体６の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。
【００２１】
また、枠体５には、放熱部材１と枠体５とで構成される凹部５ａの内面（搭載部10周辺）から枠体５の外面にかけて導出する配線導体６が形成されており、配線導体６の凹部５ａの内側の一端には電子部品11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。また、配線導体６の枠体５の外側の他端には外部電気回路基板との接続用のリード端子７が接続される。
【００２２】
配線導体６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枠体５となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法等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、放熱部材１および枠体５による凹部５ａの内面から枠体５の外面にかけて被着形成される。
【００２３】
また、配線導体６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６の酸化腐食を有効に防止できるとともに配線導体６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６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。
【００２４】
本発明の放熱部材１は、タングステンまたはモリブデンから成る焼結体に銅を含浸させて成る枠状の基体２の中央部の上面から下面にかけて銅または銅を主成分とする合金から成る貫通金属体３が埋設されているとともに、基体２および貫通金属体３の上下面を覆ってそれぞれ銅層４ａ，４ｂが接合されている。
【００２５】
放熱部材１は、電子部品11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、あるいは外部放熱板に伝導させる機能を有する。このような放熱部材１は、例えば、先ず平均粒径が５〜40μｍのタングステン粉末またはモリブデン粉末を、電子部品11の搭載部10となる部位に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により、電子部品11の搭載部10に上面から下面にかけて形成された貫通穴を持つ多孔体をあらかじめ作製する。そして、この多孔体に水素雰囲気下において約1200℃で10〜50質量％の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から成る焼結体に銅を含浸させて成る（タングステンまたはモリブデンと銅とのマトリクスから成る）平板状の基体２を作製する。この基体２の中央に形成された貫通穴に、基体２の上面から下面にかけて銅から成る貫通金属体３を埋設し、さらに、この基体２および貫通金属体３の上面を覆って銅層４ａならびに基体２および貫通金属体３の下面を覆って銅層４ｂを被着することによって形成される。
【００２６】
基体２の貫通穴への貫通金属体３の埋設方法、および、上下の銅層４の被着方法は、例えば、銅粉末を含む金属体を挿入した後、焼成する方法が挙げられる。また、基体２の貫通穴へ貫通金属体３を埋設した後、基体２の上下面に上下の銅層４となる金属板をＡｇ系ロウ材により接合することにより形成してもよい。
【００２７】
なお、貫通金属体３の材料は純銅に限られるものではなく、銅を主成分とする合金でもよい。このような銅を主成分とする合金とは、銅を50質量％以上含む合金であり、例えば、銅−タグステン合金や銅−モリブデン合金等が用いられる。また、基体２に含浸される銅も同様に純銅に限らず、貫通金属体３と同様の銅を主成分とする合金でもよい。
【００２８】
本発明では放熱部材１と枠体５との熱膨張係数の差が３×10−６/℃以下である。これにより、電子部品11が作動した際に発生する熱による放熱部材１と枠体５の熱膨張率の差に起因する反りを低減することができ、放熱部材１と枠体５の接合部の破壊防止、電子部品11の破壊防止することができる。その結果、電子部品11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。
【００２９】
放熱部材１と枠体５の熱膨張率の差が３×10−６/℃より大きい場合には、電子部品11が動作し発熱した場合に、放熱部材１と枠体５の熱膨張率の差に起因する反りが発生し放熱部材１と枠体５の接合部にて発生した曲げ応力により、放熱部材１と枠体５の接合部で亀裂が発生しやすくなって電子部品11を気密封止することが困難となり、あるいは発生した曲げ応力により電子部品11と銅層４ａとを接合する接合材に亀裂が発生しやすくなる。電子部品11が放熱部材１と枠体５の接合部にて発生した曲げ応力により電子部品11と銅層４ａとを接合する接合材に亀裂が発生した場合、電子部品11と銅層４ａとの間で充分な接続が確保できず、電子部品11で発生する熱を放熱部材１内に良好に伝熱させることが困難となる。
【００３０】
また、好ましくは、貫通金属体３の外周は、電子部品11の外周より大きくなっているのがよく、特に好ましくは、基体２の厚み分大きくなっているのがよい。これにより、電子部品11で発生した熱を放熱部材１の上面の電子部品11の搭載部10から下面へと垂直な方向により多く伝えることができるとともに、貫通金属体３内においても電子部品11の外周から外側へ放熱部材１に平行な方向への熱の広がりを持たせることが可能となり、放熱性をより向上させることができる。
【００３１】
なお、貫通金属体３の外周は、電子部品11の外周に対して基体２の厚みよりも大きくなると、貫通金属体３の熱膨張が大きくなって搭載部10が歪みやすくなる。その結果、電子部品11が剥離しやすくなる。
【００３２】
また、放熱部材１の上面側、即ち、電子部品11が搭載される搭載部10側の銅層４ａの表面の算術平均粗さＲａは、Ｒａ≦30（μｍ）の平滑面であることが好ましい。Ｒａ＞30（μｍ）の場合には、電子部品11をガラス，樹脂，ロウ材等の接合材を介して搭載部10に接合固定する際に、接合材中に空隙が発生しやすくなる傾向がある。接合材中に発生した空隙は、電子部品11と放熱部材１との接合強度を低下させるだけでなく、電子部品11と放熱部材１との間の熱伝達を阻害し、電子部品収納用パッケージ８および電子装置14の熱放散性を低下させる傾向がある。
【００３３】
また、放熱部材１の下面側、即ち、電子部品11が搭載される搭載部10とは反対側の銅層４ｂの表面の算術平均粗さＲａは、Ｒａ≦30（μｍ）であることが好ましい。通常、電子部品収納用パッケージ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、基体２の下面の銅層４ｂの下面の算術平均粗さＲａがＲａ＞30（μｍ）の場合には、電子部品収納用パッケージ８と支持基板とを十分に密着させることが困難となり、両者の間に空隙が発生しやすくなり、その結果、電子部品11で発生した熱を電子部品収納用パッケージ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おそれがある。したがって、下面の銅層４ｂの外側表面となる下面は、支持基板との良好な密着性が得られるように、Ｒａ≦30（μｍ）の平滑面であることが望ましい。
【００３４】
銅層４ａ，４ｂの厚みは、それぞれ800μｍより厚くなると基体２と銅層４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂの厚みが50μｍ以上であれば、電子部品11の作動に伴い発生する熱が銅層４ａ，４ｂの平面方向に十分広がるので、放熱部材１の熱放散性はさらに向上することから50μｍ以上としておくことが望ましい。
【００３５】
また、放熱部材１の基体２の上下面に接合される銅層４（４ａ，４ｂ）は、少なくとも貫通金属体３が埋設されている部位の上下面のうち、例えば電子部品11の搭載部10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、必ずしも図１に示すように放熱部材１の上下面の全面を覆うように形成される必要はない。
【００３６】
かくして、上述の電子部品収納用パッケージ８の放熱部材１の搭載部10上に電子部品11をガラス，樹脂，ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに、電子部品11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６に電気的に接続し、しかる後に、放熱部材１と枠体５とからなる凹部５ａの内側に電子部品11を覆うようにエポキシ樹脂等の封止樹脂13を充填して電子部品11を封止することによって、あるいは、樹脂や金属，セラミックス等から成る蓋体を枠体５の上面に凹部５ａを覆うように取着して電子部品11を封止することによって製品としての電子装置14となる。
【００３７】
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、電子部品11で発生した熱を放熱部材１から大気中に効率良く放散させるために、放熱部材１の基体２および貫通金属体３の下面に接合された銅層４ｂに放熱フィンを接続したり、銅層４ｂに放熱フィンをロウ付け等で接合して放熱フィンが放熱部材１と一体化した形状としたりしてもよく、これによって、電子部品11の作動に伴い発生する熱を放熱部材１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。
【実施例】
【００３８】
次に、以下のようにしてサンプルを作製し、本発明の電子部品収納用パッケージの評価を行なった。
【００３９】
まず、図１に示した放熱部材１として、大きさが34ｍｍ×17.4ｍｍで、厚みが1.9ｍｍのものを準備した。
【００４０】
放熱部材1の基体２は、タングステンから成る焼結体に銅を含浸させて成る材料で形成し、その厚みは1.00ｍｍとした。また、放熱部材１の銅層４（４ａ・４ｂ）としての銅板は、それぞれ厚みを0.45ｍｍとした。
【００４１】
貫通金属体３は基体２に大きさが20ｍｍ×５ｍｍで形成し、銅層４（４ａ・４ｂ）としての銅板と基体２および貫通金属体３との接合はＢ銀合金（銀が72.0質量％、銅が28.0質量％）から成るロウ材15で行なった。これにより、熱膨張係数が20×10−６／℃の放熱部材１が得られた。
【００４２】
これら放熱部材１に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ鋼およびアルミナセラミックス製の枠体５をＢ銀合金（銀が72.0質量％、銅が28.0質量％）から成るロウ材で接合し、電子部品収納用パッケージ８を得た。この後、放熱部材１と枠体５との接合部を観察し、クラック等の有無を確認した。
【００４３】
以上の評価試験について、表１に試験結果を示す。表１は、電子部品収納用パッケージ８における放熱部材１と枠体５との接合部の外観観察結果を示したものである。
【表１】
2005243967.tif 000003
【００４４】
表１に示す結果から明らかなように、放熱部材１と枠体５の材質の熱膨張率差と放熱部材１と枠体５との接合部のクラック発生に明確な関係があることが分かった。
【００４５】
すなわち、表１に示すように、放熱部材１の熱膨張率と枠体５の熱膨張率の差が、３×１０−６/℃より小さい場合には、放熱部材１と枠体５の間で良好な接合状態であることがわかった。これに対し、放熱部材１の熱膨張率と枠体５の熱膨張率の差が、３×１０−６/℃より大きい場合には、枠体５にクラックが発生したり放熱部材１に反りが発生することがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の電子部品収納用パッケージおよびそれを用いた本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・・・・・・・放熱部材
２・・・・・・・・・基体
３・・・・・・・・・貫通金属体
４、４ａ、４ｂ・・・銅層
５・・・・・・・・・枠体
５ａ・・・・・・・・凹部
６・・・・・・・・・配線導体
８・・・・・・・・・電子部品収納用パッケージ
10・・・・・・・・・搭載部
11・・・・・・・・・電子部品
14・・・・・・・・・電子装置
【図１】
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