(57)【要約】【課題】半導体素子の接合信頼性、及びヒートシンク板とセラミック基板の接合強度を向上できる安価な半導体素子収納用パッケージを提供する。【解決手段】ヒートシンク板１１と窓枠形状からなるセラミック基板１２がろう材１６でろう付け接合され、セラミック基板１２の内周側壁面１７とヒートシンク板１１の表面とで半導体素子を中空状態で載置し収納するためのキャビティ部１８を設ける半導体素子収納用パッケージ１０において、セラミック基板１２が接合されるヒートシンク板１１の接合部２０表面の表面粗さがセラミック基板１２が接合されないキャビティ部１８底面の表面粗さより粗い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク板と窓枠形状からなるセラミック基板がろう材でろう付け接合され、該セラミック基板の内周側壁面と前記ヒートシンク板の表面とで半導体素子を中空状態で載置し収納するためのキャビティ部を設ける半導体素子収納用パッケージにおいて、
前記セラミック基板が接合される前記ヒートシンク板の接合部表面の表面粗さが前記セラミック基板が接合されない前記キャビティ部底面の表面粗さより粗い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において、前記セラミック基板が接合される前記ヒートシンク板の前記接合部表面が前記セラミック基板の内周側壁面から０．５ｍｍ以下であると共に、前記接合部表面の表面粗さが前記キャビティ部底面の表面粗さより中心線平均粗さでＲａ０．１μｍ以上粗い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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波用等の半導体素子からの高発熱をヒートシンク板を介して放熱させることができるヒートシンク板、セラミック基板、及び外部接続端子の接合体からなる半導体素子収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等に用いられるシリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力の半導体素子は、作動時の発熱が大きいので、発生する熱を大気中に良好に放散させなければ、装置を正常に作動させることができなくなる恐れがある。
そこで、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、これに対応できる従来の半導体素子収納用パッケージを説明する。ここで、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の半導体素子収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
【０００３】
図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、このような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５０には、窓枠形状からなるセラミック基板５１の内周側壁面と、ヒートシンク板５２の上表面とで半導体素子を中空状態で載置し収納するためのキャビティ部５３を設けている。このキャビティ部５３を形成するには、下面にタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなるメタライズ膜５４を設け、更にこの上にＮｉめっき被膜５５を設けた、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミック基板５１が用いられている。また、このキャビティ部５３を形成するには、セラミック基板５１のセラミックと熱膨張係数が近似し、しかも熱伝導率の高い高放熱特性を有する、例えば、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）系の金属からなる略長方形状をしたヒートシンク板５２が用いられている。そして、キャビティ部５３は、ヒートシンク板５２と、セラミック基板５１との間に、例えば、Ａｇろう等のろう材５６を挟み込んで加熱してろう付け接合することで形成している。上記の半導体素子収納用パッケージ５０は、半導体素子をキャビティ部５３のヒートシンク板５２上に載置して接合させることで、半導体素子からの発熱をヒートシンク板５２を介して大気中に放熱させることができるようにしている。
【０００４】
また、セラミック基板５１の上面側には、セラミック基板５１の下面に形成されたメタライズ膜５４と同等のタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなるメタライズ膜５４ａ、更にこの上に形成されたＮｉめっき被膜５５ａと、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の金属部材からなる外部接続端子５７の間に、セラミック基板５１の下面で接合するのに用いられるろう材５６と同等の、例えば、Ａｇろう等のろう材５６ａを挟み込んで加熱してろう付け接合している。そして、ヒートシンク板５２、セラミック基板５１、及び外部接続端子５７の接合体の外部に露出する全ての金属表面には、Ｎｉめっき被膜（図示せず）及びＡｕめっき被膜（図示せず）が施されて半導体素子収納用パッケージ５０とされている。
【０００５】
しかしながら、上記の半導体素子収納用パッケージ５０は、キャビティ部５３の底面にヒートシンク板５２と、セラミック基板５１をろう付け接合するときのろう材５６が中央部に大きく流れ出してろう材流れ５８を発生させている。このろう材流れ５８は、半導体素子が接合されるキャビティ部５３の底面を凸凹の状態としている。特に、このろう材流れ５８は、セラミック基板５１の内周側壁面近傍に多く発生し、ヒートシンク板５２の上面であるキャビティ部５３の底面の平坦性の面積を中央部に偏らせていると共に、面積を小さくしている。一方、キャビティ部５３に搭載される半導体素子は、高周波化、高出力化からますます大型化になって、セラミック基板５２の内周側壁面に近接して接合されるようになっている。従って、この半導体素子収納用パッケージ５０は、搭載される半導体素子がキャビティ部５３底面のろう材流れ５８で凸凹状態となった上に接合されるので、半導体素子にクラックや、半導体素子の不着部分等を発生させたりして半導体素子の接合信頼性の低下となっている。また、上記の半導体素子収納用パッケージ５０は、ヒートシンク板５２とセラミック基板５１との接合部以外へのろう材流れ５８によって、接合部におけるろう材５６量が少なくなるので、接合部の接合強度の低下となっている。
【０００６】
従来の半導体素子収納用パッケージには、ヒートシンク板の接合面の近傍のヒートシンク板上に、接合用のろう材が流れ込むように接合面より低い位置に受け部を設けるようにしたパッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の半導体素子収納用パッケージには、ヒートシンク板が高熱伝導性の金属板の上面と下面にＣｕ板を貼り合わせた形態からなり、高熱伝導性の金属板に接合したセラミック基板と、上面側のＣｕ板との間の段差部分でろう材がＣｕ板上に流れ込むのを防止するようにしたパッケージが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
更に、従来の半導体素子収納用パッケージには、接合面の外周寄りの部分のみでろう付け接合するパッケージが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−７４８５３号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５７９３号公報
【特許文献３】特開平９−２８９２６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述したような従来の半導体素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）特開平１０−７４８５３号公報や、特開２００７−１１５７９３号公報で開示されるような半導体素子収納用パッケージは、凹みや、土手によってろう材の流れ込みを抑えることができるものの、ヒートシンク板に特段の加工を要し、ヒートシンク板を高価なものとするので、半導体素子収納用パッケージのコストアップとなっている。
（２）特開平９−２８９２６０号公報で開示されるような半導体素子収納用パッケージは、接合面の外周寄りの部分のみでろう付け接合するので、接合後のシール幅が狭く気密信頼性が低くなっていると共に、接合強度が低くなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、半導体素子の接合信頼性、及びヒートシンク板とセラミック基板の接合強度を向上できる安価な半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的に沿う本発明に係る半導体素子収納用パッケージは、ヒートシンク板と窓枠形状からなるセラミック基板がろう材でろう付け接合され、セラミック基板の内周側壁面とヒートシンク板の表面とで半導体素子を中空状態で載置し収納するためのキャビティ部を設ける半導体素子収納用パッケージにおいて、セラミック基板が接合されるヒートシンク板の接合部表面の表面粗さがセラミック基板が接合されないキャビティ部底面の表面粗さより粗い。
【００１０】
ここで、上記の半導体素子収納用パッケージは、セラミック基板が接合されるヒートシンク板の接合部表面がセラミック基板の内周側壁面から０．５ｍｍ以下であると共に、接合部表面の表面粗さがキャビティ部底面の表面粗さより中心線平均粗さでＲａ０．１μｍ以上粗いのがよい。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１又はこれに従属する請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、セラミック基板が接合されるヒートシンク板の接合部表面の表面粗さがセラミック基板が接合されないキャビティ部底面の表面粗さより粗いので、ヒートシンク板表面の表面粗さが粗い部分である接合部において溶融したろう材が流れ出すのを阻止することができ、キャビティ部底面が凸凹状態になるのを防止して、そこに接合される半導体素子のクラックや、半導体素子の接合不着部分等の発生をなくして半導体素子の接合信頼性を確保することができる。また、溶融したろう材は、接合部を超えての流れ出し量を少なくして接合部に多くすることができるので、ヒートシンク板とセラミック基板のろう付け接合の接合強度を向上させることができる。
【００１２】
特に、請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、セラミック基板が接合されるヒートシンク板の接合部表面がセラミック基板の内周側壁面から０．５ｍｍ以下であると共に、接合部表面の表面粗さがキャビティ部底面の表面粗さより中心線平均粗さでＲａ０．１μｍ以上粗いので、キャビティ部底面への溶融したろう材の流れ出しを阻止して半導体素子を接合するためのエリアを確実に確保でき、半導体素子の接合信頼性、及びヒートシンク板とセラミック基板の接合強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線拡大縦断面図、図２は同半導体素子収納用パッケージに用いられるヒートシンク板の平面図である。
【００１４】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ１０は、ヒートシンク板１１の上面に窓枠形状からなるセラミック基板１２の下面を接合すると共に、セラミック基板１２の上面に外部接続端子１３を接合することで形成されている。
【００１５】
この半導体素子収納用パッケージ１０に用いられるセラミック基板１２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、低温焼成セラミック等からなるセラミックから形成されている。セラミック基板１２がセラミックの一例であるＡｌ２Ｏ３からなる場合には、先ず、Ａｌ２Ｏ３粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練し、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製している。次いで、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートを形成し、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製している。
【００１６】
１又は複数枚のセラミックグリーンシートには、窓枠形状になるように中空部を打ち抜き加工すると共に、タングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる金属導体ペーストを用いて、セラミック基板１２の下面側である一方の主面、上面側である他方の主面にスクリーン印刷してそれぞれろう付け接合用の導体パターンを形成する。また、セラミックグリーンシートが複数枚の場合には、積層して積層体の一方の主面、及び他方の主面が導体パターンとなるようにスクリーン印刷して形成する。そして、導体パターンが形成されたセラミックグリーンシートは、高融点金属とセラミックグリーンシートを還元雰囲気中で同時焼成して両表面にメタライズ膜１４、１４ａを有するセラミック基板１２を作製する。なお、一方の主面のメタライズ膜１４は、ヒートシンク板１１とろう付け接合するために、窓枠形状の下面全周面に形成されており、他方の主面のメタライズ膜１４ａは、外部接続端子１３とろう付け接合するために、窓枠形状の上面周面に部分的に形成されている。更に、セラミック基板１２のメタライズ膜１４、１４ａの表面には、例えば、Ｎｉや、Ｎｉ−Ｃｏ等のＮｉ合金等からなるＮｉめっき被膜１５、１５ａが電解めっき法や、無電解めっき法で形成される。
【００１７】
そして、ヒートシンク板１１と、セラミック基板１２は、ヒートシンク板１１の上面側と、セラミック基板１２の下面側の一方の主面に設けたメタライズ膜１４及びＮｉめっき被膜１５との間に、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のＡｇろうからなるろう材１６が載置され、非酸化性雰囲気中、約７８０〜９００℃で加熱してろう材１６を溶融し、ろう付け接合することとなっている。このろう付け接合によって、半導体素子収納用パッケージ１０は、セラミック基板１２の内周側壁面１７と、ヒートシンク板１１の上表面とで半導体素子を中空状態で載置し収納するためのキャビティ部１８を設けている。
【００１８】
上記の半導体素子収納用パッケージ１０に用いられるヒートシンク板１１は、熱伝導率の高い高放熱特性を有する、例えば、Ｃｕや、Ｃｕ合金からなる金属板や、熱膨張係数をセラミックの熱膨張係数と近似させ、熱伝導率の比較的高い高放熱特性を有する、例えば、ポーラス状のタングステン（Ｗ）に銅（Ｃｕ）を含浸させたりして作製されるＣｕ−Ｗ系の複合金属板や、Ｃｕとモリブデン（Ｍｏ）からなるＣｕ−Ｍｏ系の合金金属板や、Ｃｕ−Ｍｏ系複合金属板の両面にＣｕ板をクラッドしたＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕの接合板等から形成されている。ヒートシンク板１１の選定には、放熱特性を向上させるために、熱伝導性のよいＣｕの比率を高めたものを用いることが有効であるが、Ｃｕは熱膨張係数が高いので、セラミックとの熱膨張係数の整合性を図るためのＣｕ以外の材料選定や、Ｃｕと他の金属との板材としての構造が重要となる。そして、ヒートシンク板１１は、切削加工や、粉末冶金等の手法を用いて基台にねじ止め固定するための取付部１９を設けて、実質的に長方形状に形成されている。なお、因みに、ヒートシンク板１１がＣｕ−Ｗの場合は、熱伝導率が２２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、熱膨張係数が７．８×１０−６／Ｋ（３０〜８００℃）程度であり、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕ（厚さ比率＝２：３：２）の場合は、熱伝導率が２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、熱膨張係数が９．２×１０−６／Ｋ（３０〜８００℃）程度である。
【００１９】
図２に示すように、ヒートシンク板１１は、セラミック基板１１がろう材１６を介してろう付け接合される接合部２０表面の表面粗さを、セラミック基板１１が接合されないキャビティ部１８底面である非接合部２１の表面粗さより粗くしている。なお、ヒートシンク板１１は、通常、接合部２０表面の表面粗さがキャビティ部１８底面である非接合部２１以外のセラミック基板１１が接合されない非接合部２１ａの表面粗さより粗く、非接合部２１ａの表面粗さがキャビティ部１８底面である非接合部２１と略同等の表面粗さからなっている。この表面粗さを粗くする方法は、特に、限定するものではないが、例えば、ヒートシンク板１１の接合部２０が開口となるマスクをヒートシンク板１１上に当接させ、研磨剤を高圧で吹きかけて表面を粗くするブラスト処理等の物理的方法や、ヒートシンク板１１の接合部２０が開口となるレジスト膜を密着させ、エッチング液で表面を粗くするエッチング処理等の化学的方法等がある。上記の半導体素子収納用パッケージ１０は、接合部２０の表面粗さが非接合部２１、２１ａの表面粗さより粗いことで、Ａｇろうからなるろう材１６が溶融した後、接合部２０に選択的に流れて非接合部２１、２１ａへの流れ出しの発生を阻止できるようになっている。
【００２０】
上記の半導体素子収納用パッケージ１０に用いられる外部接続端子１３は、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等のセラミックと熱膨張係数が近似する金属部材からなり、切削加工や、エッチング加工や、打ち抜き加工等で１つの半導体素子収納用パッケージ１０に備える複数の外部接続端子１３をタイバー部で支え持つようにしたリードフレーム形状に形成されている。なお、因みに、ＫＶの熱膨張係数は、５．３×１０−６／Ｋ程度であり、セラミックの熱膨張係数に近似させている。
【００２１】
そして、セラミック基板１２と、外部接続端子１３は、セラミック基板１２の上面側である他方の主面のメタライズ膜１４ａ及びＮｉめっき被膜１５ａと、外部接続端子１３の下面側との間に、例えば、ＢＡｇ−８（Ａｇが７２％と、残部がＣｕからなる共晶合金）等のＡｇろうからなるろう材１６ａが載置され、非酸化性雰囲気中、約７８０〜９００℃で加熱してろう材１６ａを溶融し、ろう付け接合することとなっている。なお、ろう付け接合は、通常、ヒートシンク板１１と、セラミック基板１２とのろう付け接合、セラミック基板１２と、外部接続端子１３とのろう付け接合を同時に行っている。また、半導体素子収納用パッケージ１０は、ヒートシンク板１１、セラミック基板１２、及び外部接続端子１３がろう付け接合された後、この接合体の外部に露出する全ての金属表面には、Ｎｉめっき被膜（図示せず）及びＡｕめっき被膜（図示せず）が施される。そして、この半導体素子収納用パッケージ１０には、キャビティ部１８に半導体素子がダイボンドされ、半導体素子と外部接続端子１３とがボンディングワイヤで接続された後、樹脂や、セラミックや、金属等からなる蓋体（図示せず）を樹脂や、ガラス等の接着材で接着してキャビティ部１８内が気密に封止されて、半導体素子がキャビティ部１８内に中空状態で収納されることとなっている。
【００２２】
次いで、図１（Ｂ）を参照しながら、セラミック基板１１が接合されるヒートシンク板１２の接合部２０について説明する。この接合部２０の大きさは、セラミック基板１１の内周側壁面１７から接合部２０の表面の外周端部までの距離ａが０．５ｍｍ以下のところにある。接合部２０の大きさの距離ａが０．５ｍｍを超える場合には、半導体素子を接合するときの上面が凸凹状態の部位に接合されることとなるので、半導体素子のクラックや、半導体素子の接合不着部分等の発生によって半導体素子の接合信頼性を確保することができなくなる。そして、この接合部２０表面の表面粗さは、キャビティ部１８底面の非接合部２１の表面粗さより中心線平均粗さでＲａ０．１μｍ以上粗いのがよい。接合部２０表面の表面粗さがキャビティ部１８底面の非接合部２１の表面粗さより中心線平均粗さでＲａ０．１μｍを下まわる場合には、差が小さくなるので、溶融したろう材の流れ出しを阻止することができなくなり、半導体素子を接合するためのエリアの確保ができなく、半導体素子の接合信頼性、及びヒートシンク板とセラミック基板の接合強度を向上させることができなくなる。なお、この中心線平均粗さは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１で規定されているものが用いられている。
【００２３】
上記のヒートシンク板１２を用いて作製された半導体素子収納用パッケージ１０は、表面粗さのよい非接合部２１より中心線平均粗さでＲａ０．１μｍ以上表面粗さの悪い接合部２０によって、非接合部２１への溶融したろう材の流れ出しを確実に阻止できるので、半導体素子を接合するためのエリアである非接合部２１を確実に確保できる。従って、この半導体素子収納用パッケージ１０は、非接合部２１のろう材１６による凸凹状態になるのを防止して、半導体素子の接合信頼性を確保できると共に、接合部２０のろう材１６量を多くして、ヒートシンク板１１と、セラミック基板１２の接合強度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、例えば、シリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力の半導体素子を実装でき、例えば、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等のために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線拡大縦断面図である。
【図２】同半導体素子収納用パッケージに用いられるヒートシンク板の平面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の半導体素子収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０：半導体素子収納用パッケージ、１１：ヒートシンク板、１２：セラミック基板、１３：外部接続端子、１４、１４ａ：メタライズ膜、１５、１５ａ：Ｎｉめっき被膜、１１６、１６ａ：ろう材、１７：内周側壁面、１８：キャビティ部、１９：取付部、２０：接合部、２１、２１ａ：非接合部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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