(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、
前記基体と協働して前記半導体素子を収容するための収容空間を構成する蓋体と、を備え、
前記基体は、立方晶窒化硼素および銅を含んでなり、
前記立方晶窒化硼素粉末の表面には、該立方晶窒化硼素の酸化物を含んでなる酸化物膜が被着され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】
半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、
前記基体と協働して前記半導体素子を収容するための収容空間を構成する蓋体と、を備え、
前記基体は、立方晶窒化硼素および銅を含んでなり、
前記立方晶窒化硼素粉末の表面には、活性金属を含んでなる活性金属膜が被着され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３】
請求項１または２に記載の半導体素子収納用パッケージの前記載置部に半導体素子を載置してなる、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ＬＳＩ（大規模集積回路素子）や光半導体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、上面に半導体素子が載置される載置部を有する銅−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基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するようにして取着された酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料からなる枠状絶縁体と、該枠状絶縁体の内周部から外周部にかけて被着導出されているタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属からなる複数個の配線層と、前記枠状絶縁体の上面に取着され、絶縁体の内側の穴を塞ぐ蓋体とから構成されており、基体の半導体素子載置部に半導体素子を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枠状絶縁体に形成した配線層に電気的に接続し、しかる後、枠状絶縁体に蓋体を該枠状絶縁体の内側の穴を塞ぐようにしてガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、基体と枠状絶縁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】
なお上述の半導体素子収納用パッケージにおいては、半導体素子が載置される基体が銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金等の金属材料で形成されており、該銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金等は熱伝導率が約１８０Ｗ／ｍ・Ｋと高く熱伝導性に優れていることから基体は半導体素子の作動時に発する熱を良好に吸収するとともに大気中に良好に放散させることができ、これによっ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】
また上述の半導体素子収納用パッケージの基体として使用されている銅−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に銅を含浸させる場合は焼結多孔体が７５乃至９０重量％、銅が１０乃至２５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８０乃至９０重量％、銅が１０乃至２０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、枠状絶縁体に形成されている配線層はタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属材料により形成されており、該タングステン等はその比電気抵抗が５．４μΩ・ｃｍ（２０℃）以上と高いことから配線層に電気信号を伝搬させた場合、電気信号に大きな減衰が生じ、半導体素子と外部電気回路との間で電気信号を正確、かつ確実に入出力せることができないという欠点を有していた。
【０００６】
またこの従来の半導体素子収納用パッケージにおいては、銅−タングステン合金あるいは銅−モリブデン合金から成る基体の熱伝導率は最大でも約１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、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基体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も有していた。
【０００７】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は内部に収容する半導体素子に外部電気回路から供給される電気信号を正確に入力することができ、同時に半導体素子が出力する電気信号を外部電気回路に正確に供給す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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面に係る半導体素子収納用パッケージは、半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、この基体と協働して半導体素子を収容するため収容空間を構成する蓋体とを備え、基体は、立方晶窒化硼素および銅を含んでなり、立方晶窒化珪素粉末の表面には、該立方晶窒化硼素の酸化物を含んでなる酸化物膜、および／または、活性金属を含んでなる活性金属膜が被着されている。このような構成によると、基体に含まれる立方晶窒化硼素と銅とをより強固に被着させることが可能となる。したがって、本構成の半導体素子収納用パッケージは、基体としての信頼性を充分に確保するうえで好適である。
【０００９】
本発明の第２の側面に係る半導体装置は、半導体素子と、該半導体素子を載置するための載置部を有する基体と、この基体と協働して半導体素子を収容するため収容空間を構成する蓋体とを備え、基体は、立方晶窒化硼素および銅を含んでなり、立方晶窒化珪素粉末の表面には、該立方晶窒化硼素の酸化物を含んでなる酸化物膜、および／または、活性金属を含んでなる活性金属膜が被着されている。
【００１０】
本発明の第３の側面に係る半導体装置は、第１および第２の側面に記載の半導体素子収納用パッケージの載置部に半導体素子を載置してなる。
【００１１】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、基体を５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と、１０乃至４５重量％の銅とで形成する場合は、熱伝導率を７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとなしたことから、基体上に載置される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基体の半導体素子載置部平面方向に素早く広がらせるとともに基体の厚さ方向を良好に伝搬させて外部に効率よく確実に放散させることができ、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。また、上記場合は、その線熱膨張係数を枠状絶縁体の線熱膨張係数（６ｐｐｍ／℃乃至８ｐｐｍ／℃：室温〜８００℃）に近似するものとなしたことから基体上に枠状絶縁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基体と枠状絶縁体の両者に熱が作用したとしても基体と枠状絶縁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、これによって半導体素子を収納する空所の気密封止が常に完全となり、半導体素子を安定かつ正常に作動させることが可能となる。
【００１２】
【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り、図１において、１は基体、２は枠状絶縁体、３は蓋体である。この基体１と枠状絶縁体２と蓋体３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。
【００１３】
前記基体１はその上面に半導体素子４が載置される載置部１ａを有するとともに上面外周部に該基体１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして枠状絶縁体２がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されている。
【００１４】
前記基体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良好に吸収するとともに大気中に効率よく放散させ、半導体素子４を常に適温とする作用をなし、枠状絶縁体２に囲まれた基体１の載置部１ａ上に半導体素子４がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定される。
【００１５】
なお前記基体１は立方晶窒化硼素と銅とから成り、例えば溶融させた銅に平均粒径５μｍ程度の立方晶窒化硼素粉末を分散混入させることによって製作されている。
【００１６】
また前記基体１の上面外周部には該基体１の上面に設けた半導体素子４が載置される載置部１ａを囲繞するようにして枠状絶縁体２がロウ材やガラス、樹脂等の接着剤を介して取着されており、基体１と枠状絶縁体２とで半導体素子４を収容するための空所が内部に形成される。
【００１７】
前記基体１に取着される枠状絶縁体２はＳｉＯ2、ＢａＯ、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ等の原料粉末にアクリル樹脂を主成分とするバインダー及び分散剤、可塑剤、有機溶媒を加えて泥漿物を作るとともに該泥漿物を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グリーンシート（生シート）となし、しかる後、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約８００℃〜１０００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１８】
また前記枠状絶縁体２はその内周部から上部にかけて導出する複数の配線層６が被着形成されており、枠状絶縁体２の内周部に露出する配線層６の一端には半導体素子４の各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、また枠状絶縁体２の上面に導出された部位には外部電気回路と接続される外部リードピン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。
【００１９】
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、銅、銀、金等の金属粉末により形成されている。
【００２０】
前記配線層６は銅、銀、金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枠状絶縁体２となる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枠状絶縁体２の内周部から上面にかけて被着形成される。
【００２１】
なお、前記配線層６は銅や銀からなる場合、その露出表面に耐蝕性に優れる金属をメッキ法により１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくと、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とボンディングワイヤ７との接続及び配線層６への外部リードピン８の取着を強固となすことができる。従って、前記配線層６は銅や銀からなる場合、配線層６の酸化腐蝕を防止し、配線層６とボンディングワイヤ７及び外部リードピン８との取着を強固とするには配線層６の露出表面に金等の耐蝕性に優れる金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００２２】
また前記枠状絶縁体２に被着した配線層６にロウ付けされる外部リードピン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、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す。
【００２３】
前記外部リードピン８は、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。
【００２４】
本発明においては、枠状絶縁体２をＳｉ成分がＳｉＯ2に換算して２５〜８０重量％、Ｂａ成分がＢａＯに換算して１５〜７０重量％、Ｂ成分がＢ2Ｏ3に換算して１．５〜５重量％、Ａｌ成分がＡｌ2Ｏ3に換算して１〜３０重量％、Ｃａ成分がＣａＯに換算して０重量％を超えて３０重量％以下含まれる焼結体（線熱膨張係数：６ｐｐｍ／℃乃至８ｐｐｍ／℃）で形成しておくことが重要である。
【００２５】
前記枠状絶縁体２をＳｉ成分がＳｉＯ2に換算して２５〜８０重量％、Ｂａ成分がＢａＯに換算して１５〜７０重量％、Ｂ成分がＢ2Ｏ3に換算して１．５〜５重量％、Ａｌ成分がＡｌ2Ｏ3に換算して１〜３０重量％、Ｃａ成分がＣａＯに換算して０重量％を超えて３０重量％以下含まれる焼結体で形成すると、該焼結体の焼成温度は８００〜１０００℃と低いことから枠状絶縁体２と同時焼成により形成される配線層６を比抵抗が２．５Ω・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や銀、金で形成することができ、その結果、配線層６に電気信号を伝搬させた場合、電気信号に大きな減衰が生じることはなく、電気信号を正確かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００２６】
前記焼結体から成る枠状絶縁体２は所定量に秤量されたＳｉＯ2、ＢａＯ、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯの各原料粉末にアクリル樹脂を主成分とするバインダー及び分散剤、可塑剤、有機溶媒を加えて泥漿物を作るとともに該泥漿物を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グリーンシート（生シート）となし、しかる後、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約８００℃〜１０００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００２７】
なお、前記枠状絶縁体２を構成する焼結体は、ＳｉＯ2が２５重量％未満であると誘電損失が大きくなって配線層６を伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまい、また８０重量％を超えると枠状絶縁体２の機械的強度が大きく低下してしまうと同時に焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる配線層６と同時焼成するのが困難となる。従って、ＳｉＯ2の量は２５〜８０重量％の範囲に特定される。
【００２８】
また前記枠状絶縁体２を構成する焼結体は、ＢａＯが１５重量％未満であると焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる配線層６と同時焼成するのが困難となる。また７０重量％を超えると誘電損失が大きくなって配線層６を伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまう。従って、ＢａＯの量は１５〜７０重量％の範囲に特定される。
【００２９】
更に前記枠状絶縁体２を構成する焼結体は、Ｂ2Ｏ3が１．５重量％未満となると焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる配線層６と同時焼成するのが困難となり、また５重量％を超えると枠状絶縁体２の機械的強度が大きく低下してしまう。従って、Ｂ2Ｏ3の量は１．５〜５重量％の範囲に特定される。
【００３０】
また更に前記枠状絶縁体２を構成する焼結体は、Ａｌ2Ｏ3が１重量％未満となると焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる配線層６と同時焼成するのが困難となり、また３０重量％を超えると誘電損失が大きくなって配線層６を伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまう。従って、Ａｌ2Ｏ3の量は１〜３０重量％の範囲に特定される。
【００３１】
更にまた前記枠状絶縁体２を構成する焼結体は、ＣａＯが含有されない時には線熱膨張係数が半導体素子の線熱膨張係数に近似させた基体１の線熱膨張係数に対して大きく相違し、基体１に枠状絶縁体２を強固に取着させることができなくなり、また３０重量％を超えると焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる配線層６と同時焼成するのが困難となる。従って、ＣａＯの量は０重量％を超えて３０重量％以下の範囲に特定される。
【００３２】
また本発明の半導体素子収納用パッケージにおいては、基体１を５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と、１０乃至４５重量％の銅とで形成しておくことが重要である。
【００３３】
前記基体１を５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と、１０乃至４５重量％の銅とで形成しておくと基体１の熱伝導率が７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとなり、その結果、基体１上に載置される半導体素子４が作動時に多量の熱を発したとしてもその熱は基体１の半導体素子載置部１ａ平面方向に素早く広がらせるとともに基体１の厚さ方向を良好に伝搬させて外部に効率よく確実に放散させることができ、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。
【００３４】
また上述の５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と、１０乃至４５重量％の銅とからなる基体１はその線熱膨張係数が枠状絶縁体２の線熱膨張係数（６ｐｐｍ／℃乃至８ｐｐｍ／℃：室温〜８００℃）に近似するものとなり、その結果、基体１上に枠状絶縁体２を取着させる際や半導体素子４が作動した際において基体１と枠状絶縁体２の両者に熱が作用したとしても基体１と枠状絶縁体２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、これによって半導体素子４を収納する空所の気密封止が常に完全となり、半導体素子４を安定かつ正常に作動させることが可能となる。
【００３５】
なお前記基体１は立方晶窒化硼素の量が９０重量％を超えると、言い換えれば銅の量が１０重量％未満となると、基体１の線熱膨張係数が枠状絶縁体２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、基体１に枠状絶縁体２を強固に取着させておくことができなくなってしまい、また立方晶窒化硼素の量が５５重量％未満となると、言い換えれば銅の量が４５重量％を超えると基体１の熱伝導率を７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものと成すことができず、半導体素子４が作動時に多量の熱を発した場合、その熱を基体１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、特性にばらつきが生じ安定に作動させることができなくなってしまう。従って、前記基体１は立方晶窒化硼素の量が５５乃至９０重量％の範囲に、銅の量が１０乃至４５重量％の範囲に特定される。
【００３６】
また前記５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と１０乃至４５重量％の銅とから成る基体１は窒化硼素が六方晶のものは熱伝導率が悪く基体１としての特性を充分に発揮することができず、これに対し立方晶のものは熱伝導率が８００Ｗ／ｍ・Ｋと極めて高く、基体１の熱伝導率を７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものになすことができるため立方晶のものに特定される。
【００３７】
前記立方晶窒化硼素は、例えば、まず圧力２６６Ｐａ以下、温度１９５０℃以上、蒸着速度１００μｍ／ｈ以下において原料であるＢＣｌ2及びＮＨ3ガスを高流速（１００ｍ／ｓ以上）で基材に上に吹き付けてＰ−ＢＮ（六方晶窒化硼素）を作成し、次に圧力、温度を上昇させ、所要の温度・圧力（１５００〜２１００℃、５〜６ＧＰａ）で一定時間（０．５〜２ｈ）保持して高温処理を行いＰ−ＢＮをＣＢＮ（立方晶窒化硼素）に変えることによって製作される。
【００３８】
更に前記５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と１０乃至４５重量％の銅とから成る基体１は立方晶窒化硼素の表面に酸化物膜やチタン、ジルコン、ハフニウム等の活性金属膜を０．０５μｍ乃至１μｍ程度の厚みに被着させておくと立方晶窒化硼素と銅とが強固に被着し、基体１としての信頼性が大幅に向上する。従って、前記基体１は表面に酸化物膜や活性金属膜を０．０５μｍ乃至１μｍ程度の厚みに被着させた立方晶窒化硼素と銅とで形成しておくことが好ましい。
【００３９】
前記立方晶窒化硼素の表面に酸化物膜や活性金属膜を被着させる方法としては、スパッタリングや蒸着等を採用することによって行われる。
【００４０】
また更に前記基体１は溶融させた銅に立方晶窒化硼素粉末を分散混入させて形成した場合、基体１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、基体１上に半導体素子を載置させた後、基体１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基体１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が基体１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。
【００４１】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、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、前記枠状絶縁体２の上面に蓋体３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、基体１、枠状絶縁体２及び蓋体３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。
【００４２】
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。
【００４３】
【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、枠状絶縁体をＳｉ成分がＳｉＯ2に換算して２５〜８０重量％、Ｂａ成分がＢａＯに換算して１５〜７０重量％、Ｂ成分がＢ2Ｏ3に換算して１．５〜５重量％、Ａｌ成分がＡｌ2Ｏ3に換算して１〜３０重量％、Ｃａ成分がＣａＯに換算して０重量％を超えて３０重量％以下含まれる焼結体で形成し、かかる酸化物焼結体の焼成温度が８００℃〜１０００℃と低いことから枠状絶縁体と同時焼成により形成される配線層を比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や銀、金で形成することができ、その結果、配線層に電気信号を伝搬させた場合、電気信号に大きな減衰が生じることはなく、電気信号を正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００４４】
また本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、基体を５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と、１０乃至４５重量％の銅とで形成し、熱伝導率を７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高いものとなしたことから、基体上に載置される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基体の半導体素子載置部平面方向に素早く広がらせるとともに基体の厚さ方向を良好に伝搬させて外部に効率よく確実に放散させることができ、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。
【００４５】
更に本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、基体を５５乃至９０重量％の立方晶窒化硼素と、１０乃至４５重量％の銅とで形成し、その線熱膨張係数を枠状絶縁体の線熱膨張係数（６ｐｐｍ／℃乃至８ｐｐｍ／℃：室温〜８００℃）に近似するものとなしたことから基体上に枠状絶縁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基体と枠状絶縁体の両者に熱が作用したとしても基体と枠状絶縁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、これによって半導体素子を収納する空所の気密封止が常に完全となり、半導体素子を安定かつ正常に作動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・・・・・基体
１ａ・・・・載置部
２・・・・・枠状絶縁体
３・・・・・蓋体
４・・・・・半導体素子
５・・・・・容器
６・・・・・配線層
７・・・・・ボンディングワイヤ
８・・・・・外部リードピン
【図１】
0003792561.tif 000002