(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に半導体素子が載置される載置部を有し、該載置部より外部にかけて導出する半導体素子の各電極が接続される配線層を有する絶縁基体と、前記絶縁基体の上面に取着され、前記半導体素子が載置される載置部を封止する蓋体と、前記絶縁基体の下面に取着されている放熱体とからなる半導体素子収納用パッケージであって、前記絶縁基体は熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体からなり、かつ前記放熱体は７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とから成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ＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の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、酸化アルミニウム質焼結体から成り、上面に半導体素子が載置される載置部を有し、該載置部から外部にかけて導出するタングステンやモリブデン等から成る複数個の配線層を有する絶縁基体と、前記絶縁基体の上面に取着され、前記半導体素子が載置される載置部を封止する蓋体と、前記絶縁基体の下面に取着されている放熱体とにより構成されており、絶縁基体の半導体素子載置部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該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層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体の上面に蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等からなる封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とからなる容器内部に半導体素子を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【０００３】
また前記絶縁基体の下面には銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金等の金属材料からなる放熱体が取着されており、半導体素子の作動時に発する熱を外部に良好に放散させて半導体素子を常に適温とし半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするのを有効に防止している。
【０００４】
なお上述の半導体素子収納用パッケージの放熱体として使用される銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金はタングステン粉末やモリブデン粉末を焼成して焼結多孔体を得、次に前記焼結多孔体の空孔内に溶融させた銅を含浸させることによって製作されており、例えば、タングステンから成る焼結多孔体の空孔内に溶融させた銅を含浸させる場合は焼結多孔体が８０乃至９５重量％、銅が５乃至２０重量％の範囲に、モリブデンから成る焼結多孔体に銅を含浸させる場合は焼結多孔体が８５乃至９５重量％、銅が５乃至１５重量％の範囲となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体から成り、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋと低いこと、放熱体がタングステン粉末やモリブデン粉末を焼成して焼結多孔体を得るとともに該焼結多孔体の空孔内に溶融させた銅を含浸させることによって形成されており、熱伝導率が約１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であること等から半導体素子収納用パッケージ内に近時の高密度化、高集積化が大きく進み、作動時に多量の熱を発する半導体素子を収容した場合、半導体素子が作動時に発する熱は絶縁基体及び放熱体を介して外部に完全に放出させることができなくなり、その結果、半導体素子が該素子自身の発する熱によって高温となり、半導体素子に熱破壊を招来させたり、特性にばらつきを生じ安定に作動させることができないという欠点を有していた。
【０００６】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は絶縁基体及び放熱体の熱伝導率を高いものとし、半導体素子が作動時に発する多量の熱を絶縁基体及び放熱体を介して外部に良好に放出させて半導体素子を常に適温となし半導体素子を常に正常、かつ安定に作動させることができる半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有し、該載置部より外部にかけて導出する半導体素子の各電極が接続される配線層を有する絶縁基体と、前記絶縁基体の上面に取着され、前記半導体素子が載置される載置部を封止する蓋体と、前記絶縁基体の下面に取着されている放熱体とからなる半導体素子収納用パッケージであって、前記絶縁基体は熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体からなり、かつ前記放熱体は炭化珪素粉末と銅とから成り、７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とから成ることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体で、放熱体を表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５重量％から成る、熱伝導率を２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とした炭化珪素粉末−銅で形成したことから、半導体素子が作動時に多量の熱を発したとしてもその熱は熱伝導率が高い絶縁基体及び放熱体を介して外部に効率よく放散され、これによって半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり安定かつ正常に作動させることが可能となる。
【０００９】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱体を７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とで形成したことから、放熱体の線熱膨張係数を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体等のセラミックス焼結体からなる絶縁基体の線熱膨張係数に近似させることができ、その結果、絶縁基体の下面に放熱体を取着させる際や半導体素子が作動した際等において絶縁基体と放熱体の両者に熱が作用したとしても絶縁基体と放熱体との間には両者の線熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、これによって放熱体を絶縁基体に割れやクラックを発生させることなく強固に取着させて半導体素子が作動時に発する熱を常に外部に良好に放出させることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は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。
【００１１】
図１において、１は絶縁基体、２は蓋体、３は放熱体である。この絶縁基体１と蓋体２とにより内部に半導体素子４を気密に収容する容器５が構成される。
【００１２】
前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３が載置される載置部１ａを有する凹部が形成されており、該凹部底面の載置部１ａに半導体素子４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着材を介して接着固定される。
【００１３】
前記絶縁基体１は半導体素子４を支持する支持部材として作用するとともに半導体素子４が作動時に発する熱を吸収して後述する放熱体３に良好に伝達させる作用をなし、窒化アルミニウム質焼結体や炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体等の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体により形成されている。
【００１４】
前記絶縁基体１は例えば、窒化アルミニウム質焼結体から成る場合には窒化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該泥漿物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）を形成し、次に前記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、所定形状となすとともに必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１５】
また前記絶縁基体１は凹部の内側から外側にかけて導出する複数個の配線層６が形成されており、凹部内側の領域には半導体素子４の電極がボンディングワイヤ７を介して電気的に接続され、また外側に導出する領域には外部電気回路に接続される外部リード端子８が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されている。
【００１６】
前記配線層６は半導体素子４の各電極を外部電気回路に接続する際の導電路として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属粉末により形成されている。
【００１７】
前記配線層６はタングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して得られた金属ペーストを絶縁基体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等の印刷法を用いることにより所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁基体１の凹部内側から外側にかけて被着形成される。
【００１８】
なお前記配線層６はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みにメッキ法により被着させておくと、配線層６の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともに配線層６への外部リード端子８のロウ付けを強固となすことができる。従って、前記配線層６はその露出する表面にニッケル、金等の耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１９】
また前記配線層６には外部リード端子８が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付け取着されており、該外部リード端子８は容器５内部に収容する半導体素子４の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなし、外部リード端子８を外部電気回路に接続することによって容器５内部に収容される半導体素子４は配線層６および外部リード端子８を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【００２０】
前記外部リード端子８は鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に形成される。
【００２１】
更に前記絶縁基体１はその下面に放熱体３が取着されており、該放熱体３は半導体素子４が作動時に発した熱を絶縁基体１を介して吸収するとともに吸収した熱を大気中に放出する作用をなし、炭化珪素粉末−銅により形成されている。
【００２２】
前記炭化珪素粉末−銅より成る放熱体３は、例えば、溶融させた銅に平均粒径５μｍ程度の炭化珪素粉末を分散混入させることによって、或いは炭化珪素粉末を焼成して多孔質の焼結体を得、しかる後、焼結体の空孔内に溶融させた銅を充填させることによって製作されている。
【００２３】
また前記放熱体３の絶縁基体１下面への取着は絶縁基体１の下面に予め金属層を形成しておき、該金属層と放熱体３とを銀ロウ等のロウ材を介しロウ付けすることによって行われる。
【００２４】
また更に前記絶縁基体１はその上面に蓋体２がガラス、樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合され、これによって絶縁基体１と蓋体２とから成る容器５内部に半導体素子４が気密に収容されることとなる。
【００２５】
前記蓋体２はセラミックス製の板材や鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材から成る板材により形成されている。
【００２６】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の半導体素子載置部１ａ上に半導体素子４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該半導体素子４の各電極をボンディングワイヤ７を介して所定の配線層６に接続させ、しかる後、前記絶縁基体１の上面に蓋体２をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器５内部に半導体素子４を気密に収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００２７】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体１を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体で形成しておくことが重要である。
【００２８】
前記絶縁基体１を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体で形成しておくと半導体素子４が作動時に発した多量の熱は絶縁基体１を介して放熱体３に効率よく伝達され、これによって半導体素子４は常に適温と成り、半導体素子４を常に正常、かつ安定に作動させることができる。
【００２９】
なお、前記絶縁基体１はその熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ未満となると半導体素子４が作動時に発した多量の熱を放熱体３に効率よく伝達させることができなくなり、その結果、半導体素子４が該素子自身の発する熱によって高温となり、熱破壊や特性に熱劣化等を招来してしまう。従って、前記絶縁基体１はその熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体に特定される。
【００３０】
また本発明の半導体素子収納用パッケージにおいては、前記放熱体３を７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とで形成しておくことが重要である。
【００３１】
前記放熱体３を７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とで形成すると、放熱体３の熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、その結果、半導体素子４が作動時に多量の熱を発したとしてもその熱は熱伝導率が高い絶縁基体１及び放熱体３を介して外部に効率よく放散され、これによって半導体素子４は常に適温となり、半導体素子４を長期間にわたり安定かつ正常に作動させることが可能となる。
【００３２】
また上述の７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と１０乃至２５重量％の銅とから成る放熱体３はその線熱膨張係数が熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体等のセラミック焼結体から成る絶縁体１の線熱膨張係数に近似する５ｐｐｍ／℃乃至７．５ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）となり、その結果、絶縁基体１に放熱体３を取着させる際や半導体素子４が作動した際において絶縁基体１と放熱体３の両者に熱が作用したとしても絶縁基体１と放熱体３との間には両者の線熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、これによって放熱体３を絶縁基体１に割れやクラックを発生させることなく強固に取着させて半導体素子４が作動時に発する熱を常に外部に良好に放出させることができる。
【００３３】
なお前記放熱体３は表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末の量が７５重量％未満となると、言い換えれば銅が２５重量％を超えると、放熱体３の線熱膨張係数が絶縁基体１の線熱膨張係数に対して大きく相違することとなり、その結果、絶縁基体１に放熱体３を強固に取着させておくことができなくなってしまい、また表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末の量が９０重量％を超えると、言い換えれば銅が１０重量％未満となると、放熱体３の熱伝導率が大きく劣化し、高密度化、高集積化が大きく進み、作動時に多量の熱を発する半導体素子４を収容した場合、半導体素子４が作動時に発する熱は放熱体３を介して外部に完全に放散させることができなくなり、その結果、半導体素子４を高温として半導体素子４に熱破壊を招来させたり、特性にばらつきを生じ安定に作動させることができなくなる。従って、前記放熱体３は表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末の量が７５乃至９０重量％の範囲に、銅の量が１０乃至２５重量％の範囲に特定される。
【００３４】
また前記７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とから成る放熱体３は炭化珪素粉末の表面に酸化物膜、例えばＳｉＯ2等の膜を０．０５μｍ乃至１μｍ程度の厚みに被着させておくことにより、炭化珪素粉末と銅との密着強度が大きく向上して放熱体３としての信頼性が大幅に向上する。従って前記放熱体３は表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着させた炭化珪素粉末と銅とで形成しておく必要がある。
【００３５】
前記炭化珪素粉末の表面に酸化物膜を被着させる方法としては、例えば、炭化珪素粉末を大気中で約１２００℃の温度で加熱することによって行われる。
【００３６】
更に、前記放熱体３は溶融させた銅に炭化珪素粉末を分散混入させて形成した場合、放熱体３のヤング率が銅のヤング率に依存する１００ＧＰａ程度の軟質なものとなり、その結果、放熱体３上に半導体素子４を載置させた後、放熱体３と半導体素子４に熱が作用して両者間に熱応力が発生したとしても、その熱応力は放熱体３を若干変形させることによって効率よく吸収され、半導体素子４が放熱体３より剥離したり、半導体素子４に割れやクラックを発生したりすることがなく、半導体素子４を常に正常かつ安定に作動させることができる。
【００３７】
なお、本発明は上述の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であれば種々の変更は可能である。
【００３８】
【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、絶縁基体を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス焼結体で、放熱体を表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５重量％から成る熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とした炭化珪素粉末−銅で形成したことから、半導体素子が作動時に多量の熱を発したとしてもその熱は熱伝導率が高い絶縁基体及び放熱体を介して外部に効率よく放散され、これによって半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり安定かつ正常に作動させることが可能となる。
【００３９】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、放熱体を７５乃至９０重量％の表面に酸化物膜を０．０５μｍ乃至１μｍの厚みに被着した炭化珪素粉末と、１０乃至２５重量％の銅とで形成したことから、放熱体の線熱膨張係数を熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体等のセラミックス焼結体からなる絶縁基体の線熱膨張係数に近似させることができ、その結果、絶縁基体の下面に放熱体を取着させる際や半導体素子が作動した際等において絶縁基体と放熱体の両者に熱が作用したとしても絶縁基体と放熱体との間には両者の線熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生することはなく、これによって放熱体を絶縁基体に割れやクラックを発生させることなく強固に取着させて半導体素子が作動時に発する熱を常に外部に良好に放出させることが可能となる。
【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。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
１ａ・・・・載置部
２・・・・・蓋体
３・・・・・放熱体
４・・・・・半導体素子
５・・・・・容器
６・・・・・配線層
【図１】
0003971592.tif 000002