DE69232912T2 - Halbleitergehäuse - Google Patents

Halbleitergehäuse

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitergehäuse (package) mit einem Aluminiumnitridsubstrat.
  • Halbleiterchips werden allgemein mit einem keramischen Substrat verpackt verwendet, beispielsweise zum Schutz gegen die äußere Umgebung und zur Verbesserung der Zweckmäßigkeit der Handhabung. Nebenbei bemerkt hat der Fortschritt bei der Technologie für die Fertigung von Halbleitern dem schnellen Wachstum von Halbleiterchips hinsichtlich des Integrationgrads und der Hochgeschwindigkeitskapazität einen kräftigen Impuls verliehen. Wie es bei Leistungstransistoren beobachtet wurde, sind Halbleiterchips mit einer zunehmend großen elektrischen Leistungskapazität ausgestattet worden. Da die Mengen der von derartigen Halbleiterchips emittierten Wärme proportional dem Anstieg in der elektrischen Leistungskapazität der Halbleiterchips und dem Integrationsgrad ansteigt, hat der Wunsch der Verbesserung von Halbleitergehäusen in der Wärmeabgabekapazität eine enthusiastische Anerkennung gefunden.
  • Zur Verbesserung der Wärmeabgabefähigkeit von Halbleitergehäusen wurden nach Bedarf metallische, mit keramischen Substraten, d. h. den Hauptkörpern der Gehäuses, verbundenen, wärmeabstrahlenden Rippen verwendet. Wenn dieses Anbringen der wärmeabstrahlenden Rippen richtig ausgeführt wird, werden sie für Halbleitergehäuse verwendet, die im Cavity-down-Typ oder Hohlraum-nach unten- Typ aufzubauen sind, die nach unten geöffnete Vertiefungen zum Halten der Halbleiterchips und gleichzeitig an der offenen Oberflächenseite der Vertiefungen angebrachte Anschlussstifte haben.
  • Da die Nachfrage nach einer weiteren Miniaturisierung und nach verschiedenen elektronischen Vorrichtungen stetig steigt, hat die Notwendigkeit des Verwirklichens einer größeren Verdichtung von Komponentenelementen in Halbleitergehäusen eine weit verbreitete Zustimmung gefunden. Somit wurde ein ernsthafter Wunsch nach einer weiteren Miniaturisierung und Verdichtung der Halbleitergehäuse selber geweckt. Die Miniaturisierung der Halbleitergehäuse wurde ebenfalls vöm Standpunkt des Verringerns der Verzögerung von Signalen durch Verkürzung der Länge von innerhalb der Gehäuse verteilten Drähten angestrebt. Außerdem neigt die Anzahl von Eingangs- /Ausgangssignalen pro Element in den Halbleiterchips dazu, als Folge der ansteigenden Integration der Halbleiterchips anzusteigen. Da im Fall der Halbleitergehäuse des oben erwähnten Hohlraum-nach unten-Typs Stifte nicht für der Oberflächenmontage der Halbleiterchips und ihrer Nachbarschaft vorgesehen werden können, erscheint es, dass die Halbleitergehäuse vom Hohlraum-nach-oben-Typ bei angemessener Berücksichtigung der Fähigkeit, einen Anstieg in der Anzahl von Eingangs-/Ausgangssignalen oder der Anzahl von Stifte zu ermöglichen, vorteilhaft.
  • Fig. 9 veranschaulicht ein Beispiel des Aufbaus des herkömmlichen Halbleitergehäuses vom Hohlraum-nach-oben- Typ. Bei diesem Diagramm steht 1 für ein keramisches Mehrschichtsubstrat, das mit einer internen Verdrahtungsschicht 4 versehen ist, die eine Signalverdrahtung 2, eine Erdungsschicht 3, etc. umfasst. Ein Hohlraum 1a vom oben-offen-Typ dieses keramischen Mehrschichtsubstrats 1 nimmt einen Halbleiterchip auf. Der den Halbleiterchip 5 haltende Hohlraum 1a ist luftdicht mit einer metallischen Kappe 6 abgedichtet, und der Halbleiterchip 5 ist mit der internen Verdrahtungsschicht 4 mittels eines Verbindungsdrahts 7 und einer Oberflächenverdrahtungsschicht 8 elektrisch verbunden. An der verbleibenden Oberfläche des keramischen Mehrschichtsubstrats 1 ist ein Anschlussstift 9 verbunden, der mit der internen Verdrahtungsschicht 4 elektrisch verbunden ist.
  • Das Halbleitergehäuse vom Hohlraum-nach-oben-Typ ermöglicht eine breite Verbindungsfläche für den Anschlussstift 9, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, und erlaubt daher einen Anstieg in der Anzahl von Stifte (in dem Grad der Integration der Halbleiterchips) und eine Verringerung in der Größe des Gehäuses. Da er jedoch keine leichte Verwendung von zusätzlichen wärmeabstrahlenden Rippen ermöglicht, weist er jedoch das Problem auf, nicht imstande zu sein, eine genügende Wärmeabgabekapazität sicherzustellen. Es ist für derartige wärmeabstrahlende Rippen strukturell schwierig, direkt an der Seite des Hohlraums 1a des Halbleitergehäuses verbunden zu sein. Wenn die wärmeabstrahlenden Rippen an der Kappe 6 befestigt sind, die den Hohlraum 1a luftdicht abdichtet, können sie nicht wirksam arbeiten, da keine ausreichende Wärmeübertragungsfläche in der Grenzfläche zwischen den wärmeabstrahlenden Rippen und dem eigentlichen Gehäuse sichergestellt ist. Wenn die wärmeabstrahlenden Rippen an dem Umfang des Hohlraums 1a verbunden sind, wird die Miniaturisierung des Gehäuses die Bereitstellung einer ausreichenden Wärmeübertragungsfläche stören.
  • Angesichts dieser Hindernisse kann eine Idee zum Vergrößern des Wegs für die Wärmeabstrahlung durch Erhöhen der Dicke jeder Komponentenschicht des keramischen Mehrschichtsubstrats, die bestimmt ist, das eigentliche Gehäuse zu bilden, entworfen werden. In diesem Fall wird jedoch das folgende Problem aufgeworfen. Für den Zweck des Beschleunigens des elektrischen Schaltungsbetriebs ist es unabdingbar, die Verdrahtungsschicht innerhalb des Gehäuses als einen Weg zur Übertragung und zur Steuerung der charakteristischen Impedanz dieses Übertragungswegs zu behandeln. Hier wird die charakteristische Impedanz des Übertragungswegs durch die Induktivität des Übertragungswegs und die Kapazität zwischen dem Übertragungsweg und der Erdungsschicht festgelegt. Mit anderen Worten wird die charakteristische Impedanz der Verdrahtungsschicht in dem Halbleitergehäuse mit dem keramischen Mehrschichtsubstrat durch das Volumen (Dicke · Breite) der Verdrahtungsschicht und die Dicke jeder Komponentenschicht festgelegt. Wenn die Dicken derartiger Schichten zum Erhöhen der Fläche des Wärmeabgabewegs verändert werden, wird es daher möglicherweise nicht nur notwendig, die grundlegende Änderung in dem Gehäuseaufbau (elektrischer Schaltungsaufbau) durchzuführen, sondern ebenfalls der sichtbare Umriss des Gehäuses selbst zu ändern. Diese Tatsache kann möglicherweise eine erfolgreiche Miniaturisierung des Gehäuses verhindern.
  • In den letzten Jahren hat der Fortschritt der Halbleiterchips hin zu einem höheren Integrationsgrad und höherer Arbeitsgeschwindigkeit dazu tendiert, die von den Halbleiterchips zu handhabende Anzahl von Eingangs- /Ausgangssignalen in großen Maß zu erhöhen. Als Folge des großen Anstiegs in der von den Halbleiterchips gehandhabten Signale haben die Gehäuse zur Aufnahme derartiger Halbleiterchips sehr häufig ein keramisches Mehrschichtsubstrat angenommen, das intern mit einer gleichzeitig eingebrannten Verdrahtungsschicht aus Mo und W und auf deren Oberfläche mit einer Dünnschichtverdrahtungsschicht von Al und Au versehen ist. Der Grund für diese übliche Verwendung des keramischen Mehrschichtsubstrats besteht darin, dass es die Technologie zur Dünnschichtbildung ermöglicht, dass eine Oberflächenverdrahtung mit einem sehr engen Verdrahtungsabstand in der Größenordnung von 60 um erzeugt werden kann, und folglich dass es die Bildung einer Verdrahtung hoher Dichte ermöglicht.
  • Da die Oberflächenverdrahtungsschicht eines dünnen Films einen hohen Widerstandwert pro Einheitslänge verglichen mit der internen Verdrahtungsschicht aufweist, führt der relative Anstieg der Länge der Dünnschichtsignalverdrahtung auf der Oberfläche zu einem Anstieg des Gesamtwiderstands des Gehäuses. Diese Tatsache stellt ein ernsthaftes Hindernis für die Entwicklung eines Halbleiterchips dar, der sich einer verbesserten Arbeitsgeschwindigkeit erfreut und eine Verringerung beim Leistungsverbrauch ermöglicht. Wenn der Bereich der zu bildenden Dünnschichtoberflächenverdrahtungsschicht erhöht wird, wird die Möglichkeit ansteigen, dass während des nachfolgenden Schritts der Metallisierung oder des Transports Staub oder andere ähnliche feine leitenden Substanzen an der Verdrahtung anhaften. Die Verschmutzung der Verdrahtung weist das Problem auf, dass das hergestellte Gehäuse nicht tolerierbaren Fehlern, wie beispielsweise Kurzschlüssen, ausgesetzt ist.
  • Obgleich das herkömmliche Halbleitergehäuse einen Anstieg in der Anzahl der Stifte und eine Verringerung in der Größe des Gehäuses ermöglicht, trifft es auf Schwierigkeiten beim Sicherstellen einer genügenden Wärmeabgabekapazität, wie es oben beschrieben ist. Bei der gegenwärtigen Lage der Dinge ist daher dieses Halbleitergehäuse nicht vollständig im Stande, Halbleiterchips erhöhter Integration und verbesserter Arbeitsgeschwindigkeit wirksam zu handhaben. Der Wunsch, die Wärmeabgabekapazität zu verstärken, kann möglicherweise eine Idee veranlassen, die Dicke jeder Komponentenschicht des keramischen Mehrebenensubstrats zu erhöhen. Diese Idee ist jedoch nicht ganz durchführbar, da sie verschiedene Probleme mit sich bringt, wie beispielsweise eine zwingende Änderung einer elektrischen Schaltungsausgestaltung und das Verhindern der Größenverringerung des Gehäuses. Obwohl das keramische Mehrschichtgehäuse, das von einer Dünnschicht- Oberflächenverdrahtungsschicht Gebrauch macht, mit der Verdichtung der Verdrahtung umgehen kann, weist die herkömmliche Verdrahtungsausgestaltung viele noch zu lösende Probleme auf, da sie dazu neigt, die Länge der Dünnschichtsignalverdrahtung auf der Oberfläche zu erhöhen, den Gesamtwiderstand des Halbleitergehäuses und die Größe des Gehäuses zu erhöhen, und Kurzschlüsse bei den nachfolgenden Herstellungsschritten zu Verursachen.
  • Unter diesen Umständen hat der Wunsch nach der Entwickelung eines Halbleitergehäuses, das eine Größenverringerung des Gehäuses erlaubt und eine weitere Integration von Halbleiterchips möglich macht, eine zunehmende Anerkennung gefunden. Um genauer zu sein, wurde ein starker Wunsch nach einer erfolgreichen Entwicklung eines Halbleitergehäuses geäußert, das eine weitere Integration von Halbleiterchips und eine konsequente Addition der in dem Gehäuse angenommenen Anzahl von Stiften ermöglicht, was eine Größenverringerung des Gehäuses ermöglicht, eine Fähigkeit, eine genügende Abgabe einer großen Menge von von den Halbleiterchips emittierter Wärme bewirkt, die Bildung einer Oberflächenverdrahtungsschicht ermöglicht und eine Verringerung in den Herstellungskosten des Halbleitergehäuses gewährleistet, ferner eine Verringerung in dem Widerstand der Signalverdrahtung für das gesamte Gehäuse und eine Verringerung in der Größe des Gehäuses verwirklicht, das Auftreten von Fehlern sicher drosselt und sich ideal an Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen anpasst.
  • Ein Halbleitergehäuse sollte einen Anstieg in der Anzahl darin zuzulassender Stifte und eine Verringerung der Größe des Gehäuses ermöglichen, und eine beträchtliche Verbesserung der Wärmeabgabefähigkeit zu bewirken. Es sollte ferner eine Senkung der Fertigungskosten ermöglichen.
  • Ein Halbleitergehäuse sollte eine nennenswerte Verbesserung in der Fähigkeit verwirklichen, Wärmeabgabe zu bewirken, ohne irgendwelche Änderung des elektrischen Schaltungsaufbaus zu erfordern, und die Maßnahme ermöglichen, die die Integration fördern und die Arbeitsgeschwindigkeit der Halbleiterchips zu erhöhen, zusätzlich zum Erreichen der Erhöhen der Anzahl von Stiften und der Verringerung der Gehäusegröße.
  • Die US-A-S 018 004 offenbart ein Halbleitergehäuse, das ein Aluminiumnitridsubstrat mit einem an einer dessen Oberflächen angebrachten Halbleiterelement und eine mit dem Halbleiterelement elektrisch verbundene Signalverdrahtungsschicht umfasst. Eine Vielzahl von Verbindungsanschlüssen sind elektrisch mit der Signalverdrahtungsschicht verbunden und gemäß der Art eines Gitters an der anderen Oberfläche des Aluminiumnitratsubstrats angeordnet. Die Signalverdrahtungsschicht wird durch Kontaktlöcher verbunden. Die Signalverdrahtungsschicht ist aus einer Oberflächen-Signalverdrahtungsschicht und einer internen Signalverdrahtungsschicht innerhalb des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats aufgebaut.
  • Außerdem wird ein Mehrschichtsubstrat in US-A-827 327 in Verbindung mit dem Gebiet von Hochgeschwindigkeits-IC- Vorrichtungen offenbart.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt im Bereitstellen eines keramischen Halbleitermehrschichtgehäuses, das eine Verringerung im Gesamtwiderstand der Signalverdrahtung in dem gesamten Gehäuse und eine Verringerung in der Größe des Gehäuses verwirklicht, das Auftreten von Fehlern erfolgreich drosselt, und sich ideal an Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen anpasst.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung ein Halbleitergehäuse bereit, wie es in Anspruch 1 spezifiziert ist.
  • Das Halbleitergehäuse dieser Erfindung umfasst eine interne Signalverdrahtungsschicht, eine Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungsschicht, die in einem ihrer Anschlussteile mit Anschlussinseln versehen ist, und Kontaktlöcher, durch die die interne Verdrahtungsschicht und die Dünnschichtoberflächen- Signalverdrahtungsschicht elektrisch miteinander verbunden sind, wobei das Halbleitergehäuse dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kontaktlöcher in einer Mehrzahl von Reihen angeordnet sind, die Länge der Signalverdrahtungen der Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungsschicht nicht mehr als ein Halb, vorzugsweise nicht mehr als ein Viertel der Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen in dem gesamten Gehäuse sind. Es ist wünschenswert, dass die Kontaktlöcher in einer Mehrzahl von Reihen angeordnet sind und sich entlang der entgegengesetzten Seiten der Reihen von Anschlussinseln erstrecken.
  • Nun werden einige der aus dem obigen Halbleitergehäuse herleitbare Vorteile nachstehend speziell beschrieben.
  • Da die Halbleiterelemente vorzugsweise auf der Oberfläche gegenüber einer Verbindungsfläche für Anschlussstifte angebracht sind, erreicht das Gehäuse eine Größenverringerung zusätzlich zum Erfüllen der Maßnahme, die unternommen wurde, um die Anzahl von Stifte zu erhöhen, die darin angenommen werden. Die Tatsache, dass das eigentliche Gehäuse prinzipiell aus dem Aluminiumnitridsubstrat gebildet ist, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, die Halbleiterelemente mit dem keramischen Dichtungselement aus Aluminiumnitrid abgedeckt (abgedichtet) sind, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, sind optionale wärmeabstrahlende Rippen in dem Dichtungselement ausgebildet. Da das Dichtungselement vorzugsweise mit einer metallischen Verbundschicht verbunden ist, die eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, leitet es wirksam die in dem Halbleiterchip und dem Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat erzeugte Wärme und ermöglicht, dass das Gehäuse eine ausgezeichnete wärmeabstrahlende Eigenschaft aufweist. Insbesondere ermöglicht dieser Aufbau, dass der Wärmewiderstand des Halbleitergehäuses unter 3ºC/W gehalten wird. Wenn dieses Verbinden mittels einer Glasverbundschicht ausgeführt wird, weist die Schicht dieses dazwischen anzuordnenden Glasbindemittels eine Dicke von vorzugsweise nicht mehr als 100 um, bevorzugter von nicht mehr als 50 um auf. Die Glasverbundschicht ist im Stande, indem deren Dicke auf eine derartig kleine Größe eingestellt wird, wie es oben erwähnt ist, den Wärmewiderstand des Halbleitergehäuses auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten und eine genügende Bindefestigkeit zwischen dem keramischen Dichtungselement und dem Aluminiumnitridsubstrat sicherzustellen, sogar wenn das für die Verbundschicht verwendete Glas eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wenn das in diesem Fall verwendete Dichtungselement in einem Querschnitt von der Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet ist, und insbesondere, wenn das Aluminiumnitridsubstrat in der Form eines Substrats mit ebener Oberfläche ohne einem Hohlraum ist, ermöglicht dieses Dichtungselement, dass die Fläche der Verbindung zwischen dem Dichtungselement und dem Substrat vergrößert wird, und verursacht als Ergebnis, dass die Wärme von dem Aluminiumnitridsubstrat wirksamer an das keramische Dichtungselement abgeführt und von dort in die Umgebungsluft verteilt wird.
  • Die Verbindungsfläche zwischen dem Aluminiumnitridsubstrat und dem Dichtungselement mit einer ausgezeichneten wärmeabstrahlenden Eigenschaft kann weiter vergrößert werden, da es den Verbindungsanschlüssen gestattet wird, die vorgeschriebenen Nichtverbindungsfläche in dem äußeren Randteil der Oberfläche des Aluminiumnitridsubstrats zu nutzen, und den Nichtverbindungsflächen wird eine Größe gegeben, die größer als der Zwischen-Mitten-Abstand zwischen den benachbarten Verbindungsanschlüssen ist. Somit wird dem Gehäuse eine verbesserte Fähigkeit verliehen, die Wärmeabgabe zu bewirken. Die Tatsache, dass die Nichtverbindungsflächen (Nicht-Layout-Bereiche) vorzugsweise wegen der Anschlüsse in großen Abmessungen ausgebildet sind, wie es oben beschrieben ist, verleiht dem Aluminiumnitridsubstrat eine ausgezeichnete wärmeabstrahlende Eigenschaft, um die Fläche oder dessen Volumen über den festen Bereich für die Anbringung der Verbindungsanschlüsse zu erhöhen, und stellt eine genügende Wärmestrahlung sogar dann sicher, wenn der Verdichtungsgrad hoch, der Zwischen-Mitten-Abstand zwischen den benachbarten Verbindungsanschlüssen klein und das Halbleitergehäuse ebenfalls klein ist. Genauer gesagt wird der Zwischen- Mitten-Abstand der Verbindungsanschlüsse vorzugsweise auf weniger als 1,27 um (50 mils) eingestellt. Somit kann das Gehäuse eine Verringerung der Länge der internen Verdrahtungen erlangen und ist effektive auf die Verbesserung der Arbeitsgeschwindigkeit der Halbleiterelemente angepasst.
  • Das eigentliche Gehäuse ist vorzugsweise aus einem keramischen Mehrschichtsubstrat gebildet, das eine mit internen Verdrahtungen versehene Aluminiumnitrid- Verdrahtungsschicht und eine Aluminiumnitrid- Wärmeleitungsschicht, die bestimmt ist, einen Weg für die Wärmeabgabe zu bilden, umfasst. Dank der Verwendung dieses keramischen Mehrschichtsubstrats können die elektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise die charakteristische Impedanz der internen Verdrahtungen, ohne Rücksicht auf die wärmeabstrahlende Eigenschaft ausgestaltet werden, und das Gehäuse erzielt eine Größenverringerung. Ferner ist das Gehäuse vorzugsweise selber imstande, eine genügende wärmeabstrahlende Eigenschaft, d. h. einen ausreichenden Bereich für den Weg der Wärmestrahlung, zu erlangen. Somit ist das Gehäuse für eine weitere Verbesserung der Halbleiterelemente im Integrationsgrad und der Arbeitsgeschwindigkeit angepasst, wobei zur gleichen Zeit eine Verringerung der Größe des Gehäuses ermöglicht wird.
  • Bei dem Halbleitergehäuse dieser Erfindung ist die Länge der Signalverdrahtungen in der Oberflächen- Signalverdrahtungsschicht, die einen hohen Widerstandswert pro Einheitslänge verglichen mit der internen Signalverdrahtungsschicht aufweist, so kurz, dass sie nicht mehr als eine Hälfte der Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen ausmacht. Diese bemerkenswerte Verringerung in der Länge der Oberflächen- Signalverdrahtungen wird durch Anordnen der Kontaktlöcher in einer Mehrzahl von Reihen und durch ein weiteres Verteilen dieser Reihen von Kontaktlöchern entlang der entgegengesetzten Seiten der Reihe von Anschlussinseln erreicht. Wegen der verringerten Länge ist es dem Gehäuse möglich, eine Verringerung in dem Gesamtwiderstand des Gehäuses zu erreichen, und es ist in der Lage, idealerweise sogar zu arbeiten, wenn das Gehäuse Halbleiterchips vom Hochgeschwindigkeitbetriebstyp darauf angebracht hat. Ferner erlaubt die Anordnung der Kontaktlöcher in einer Mehrzahl von Reihen, dass der Bereich der Bildung der Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungsschicht verringert wird, und ermöglicht daher die Größenverringerung des Gehäuses und drosselt zur gleichen Zeit das Auftreten von Kurzschlüssen und anderen Fehlern.
  • Fig. 1 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 2 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 3 ist eine Draufsicht, die die untere Oberfläche des in Fig. 2 gezeigten Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 4 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines weiteren Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 5 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines weiteren Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 6 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines weiteren Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 7 ist eine "Typ-Draufsicht", die einen Bereich darstellt, der die Verbindung von Verbindungsanschlüssen in der unteren Oberfläche eines Halbleitergehäuses ermöglicht, das so aufgebaut ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
  • Fig. 8 ist eine "Typ-Draufsicht", die einen Bereich darstellt, der die Verbindung von Verbindungsanschlüssen in der unteren Oberfläche eines Halbleitergehäuses vom Hohlraum-nach unten-Typ ermöglicht.
  • Fig. 9 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines herkömmlichen Halbleitergehäuses vom Hohlraumnach-oben-Typ darstellt.
  • Fig. 10 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines weiteren Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 11 ist ein Typendiagramm, das den Zustand der Übertragung von Wärme bei dem in Fig. 10 gezeigten Halbleitergehäuse darstellt.
  • Fig. 12 ist ein Querschnitt, der den Aufbau einer Modifikation des in Fig. 10 gezeigten Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 13 ist ein Querschnitt, der den Aufbau einer weiteren Modifikation des in Fig. 10 gezeigten Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 14 ist ein Querschnitt, der den Aufbau noch einer weiteren Modifikation des in Fig. 10 gezeigten Halbleitergehäuses darstellt.
  • Fig. 15 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Beispiels eines keramischen Mehrschichtgehäuses von Halbleiterqualität darstellt, das bei dem Halbleitergehäuse dieser Erfindung zu verwenden ist.
  • Fig. 16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Dünnschicht-Oberflächenverdrahtungsschichtmusters des in Fig. 15 gezeigten keramischen Mehrschichtgehäuses darstellt.
  • Fig. 17 ist ein Diagramm, das ein Muster darstellt, das für den Zweck des Vergleichs mit dem in Fig. 16 gezeigten Dünnschicht-Oberflächenverdrahtungsschichtmuster des Gehäuses angeführt wird.
  • Fig. 18 ist ein Querschnitt, das ein Beispiel eines Halbleitergehäuses darstellt, das mit dem in Fig. 15 gezeigten keramischen Mehrschichtgehäuse fertig gestellt wurde.
  • Die ersten, zweiten und dritten Halbleitergehäuse, die in Verbindung mit Fig. 1 bis 14 beschrieben sind, werden nun zur Erläuterung des technischen Backgrounds bezüglich der Erfindung beschrieben. Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit den Fig. 15 bis 18 beschrieben.
  • Nun wird das erste Halbleitergehäuse nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 1 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Beispiels des Halbleitergehäuses darstellt. Ein in diesem Diagramm dargestelltes Halbleitergehäuse 10 hat einen Halbleiterchip 12, wie beispielsweise einem LSI oder einem Leistungs-IC, der an einer oberen Oberfläche 11a eines Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 angebracht ist, und an einer unteren Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 sind Anschlussstifte 13 verbundenen. Die obere Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11, auf dem der Halbleiterchip 12 angebracht ist, wird mit einem Dichtungselement abgedeckt, das aus Aluminiumnitrid hergestellt und im Querschnitt der Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet ist.
  • Außerdem sind wärmeabstrahlende Rippen 19 auf dem Dichtungselement 14 vorgesehen.
  • Das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 ist ein Mehrschichtverdrahtungssubstrat, das gebildet wurde, indem eine Vielzahl von keramischen Schichten 15 einstückig übereinander angeordnet sind. Auf jeder keramischen Komponentenschicht 15 ist eine interne Verdrahtungsschicht 16 mit einem vorgeschriebenen Verdrahtungsmuster bereitgestellt. Die interne Verdrahtungsschicht 16 enthält Kontaktlöcher 16a, die mit einer leitenden Substanz gefüllt sind, und ist elektrisch durch die Kontaktlöcher 16a mit einer Oberflächenverdrahtungsschicht 17 verbunden, die auf der den Halbleiterchip tragenden Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 ausgebildet ist. Da die Oberflächenverdrahtungsschicht 17 für eine Verdrahtung mit hoher Dichte geeignet ist, wird sie in der Form einer Dünnschichtverdrahtung mittels derartiger Dünnschichtbildungstechniken, wie beispielsweise das Zerstäubungsverfahren oder das Vakuumaufdampfungsverfahren, erzeugt. Der auf dem Substrat angebrachte Halbleiterchip 12 wird elektrisch mit der Oberflächenverdrahtungsschicht 17 mittels eines Bondingdrahts 18 verbunden. Die Anschlussstifte 13 sind mit der unteren Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 auf eine solche Art und Weise verbunden, dass sie mit der internen Verdrahtungsschicht 16 elektrisch verbunden sind. Das wie oben beschrieben aufgebaute Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 wird beispielsweise durch gleichzeitiges Einbrennen des Substrats (keramische Komponentenschichten 15) und einer leitenden Substanz, die bestimmt ist, die interne Verdrahtungsschicht 16 zu bilden, hergestellt.
  • Die Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11, das den Halbleiterchip trägt, wird wie oben beschrieben mit dem aus Aluminiumnitrid hergestellten Dichtungselement 14 abgedeckt. Der so angebrachte Halbleiterchip 12 wird luftdicht mit dem Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid abgedichtet. Um genau zu sein, wird das Dichtungselement 14 aus Aluminium mit dem Substrat auf eine solche Art und Weise verbunden, dass die Anschlussoberfläche eines hervorstehenden äußeren Randteils 14a mit dem Querschnitt der Form von drei Seiten eines Rechtecks (three sides of a rectangle) die den Halbleiterchip tragende Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 kontaktiert und einen vertieften Teil 14b des Querschnitts den Halbleiterchip 12 umhüllt. Dieser vertiefte Teil 14b erfüllt die Rolle eines Hohlraums des herkömmlichen Halbleitergehäuses. Die Verbindung des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 und des Dichtungselements 14 aus Aluminiumnitrid ist mit einem Bindemittel 14' ausgebildet, das aus einem Metall wie beispielsweise Pb-Sn-Lötmittel oder Au-Sn-Lötmittel ausgebildet ist und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit ist die Verbindung angepasst, ein Stören der Wärmeleitung zwischen dem Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 11 und dem Dichtungselement 14 des Aluminiumnitrids zu vermeiden. Wenn Glas oder eine andere ähnliche Substanz, die eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, statt dessen als das Bindemittel verwendet wird, kann die Verringerung des Wärmewiderstands, die mit der metallischen Schicht erreicht wurde, wie es oben erwähnt ist, auf ähnliche Art und Weise mittels des Glasbindemittels in der Form einer Schicht einer kleinen Dicke erhalten werden, die 100 um nicht überschreitet. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, dass die Dicke der Schicht des Glasbindemittels nicht mehr als 50 um ist.
  • Da das oben erwähnte Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid direkt mit dem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 verbunden ist, wird die als Folge des Betriebs des Halbleiterchips 12 erzeugte Wärme durch das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 übertragen und dann durch das Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid und den wärmeabstrahlenden Rippen 19 in die Umgebungsluft abgegeben. Somit arbeitet das Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid zusätzlich als ein wärmeabstrahlendes Element. Der Teil des Dichtungselements 14 aus Aluminiumnitrid, der zur Verbindung verwendet wird (die Anschlussoberfläche des hervorstehenden äußeren Randteils 14a), beeinflusst direkt den Zustand der Wärmeleitung von dem Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 11 zu dem Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid und wird daher in der größtmöglichen Größe ausgebildet, die in angemessener Berücksichtigung der Genauigkeit der Fertigung der Oberflächenverdrahtungsschicht 14 und der erlaubten Größe des Halbleitergehäuses 10 herauszufinden ist (einschließlich des Raumes für die Ausbildung der Anschlussstifte 13).
  • Das gesinterte Aluminiumnitrid, aus dem das Dichtungselement 14 hergestellt ist, besitzt inhärent eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Diese Wärmeleitfähigkeit ist mit der Qualität des Rohmaterials für das gesinterte Äluminiumnitrid und dessen Herstellungsbedingung veränderbar, wobei gewünscht wird, dass das für das Dichtungselement 14 zu verwendende gesinterte Aluminiumnitrid die höchstmögliche Wärmeleitfähigkeit besitzt. Beispielsweise wird gewünscht, dass das Dichtungselement 14 aus gesintertem Aluminiumnitrid mit einer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet wird, die nicht geringer als 170 W/mK ist. Es wird gewünscht, dass das Material, aus dem das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 hergestellt ist, eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Wenn das Mehrschichtsubstrat durch gleichzeitiges Einbrennen hergestellt wird, ist eine geringfügige Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit unvermeidlich.
  • An der oberen Seite des oben erwähnten Dichtungselements 14 aus Aluminiumnitrid sind die wärmeabstrahlenden Rippen 19, die heute üblicherweise verwendet werden befestigt. Als Material für die wärmeabstrahlenden Rippen 14 kann ein metallisches Material, wie beispielsweise Aluminium oder gesintertes Aluminiumnitrid, das in der Qualität der des Materials für das Dichtungselement gleich ist, verwendet werden. Wenn die wärmeabstrahlenden Rippen 19 aus gesintertem Aluminiumnitrid gebildet sind, können sie einstückig mit dem Dichtungselement 14 ausgebildet werden. Derartige wärmeabstrahlende Rippen können optional an der Seite der unteren Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 bereitgestellt werden. Wenn das Halbleitergehäuse 10 auf einer Platte angebracht ist, sind diese zusätzlichen wärmeabstrahlenden Rippen bestimmt, die Wärmestrahlung auf der Plattenseite zu beeinflussen.
  • Das bis jetzt beschriebene Halbleitergehäuse 10 verwirklicht die Maßnahme, die unternommen wurde, um die Genauigkeit der Bildung der Oberflächenverdrahtungsschicht 17 zu erhöhen und die Kosten deren Bildung zu senken, und ermöglicht zusätzlich dazu eine Verringerung in der Größe des Gehäuses und einen Anstieg in der Anzahl von zugelassenen Stiften, da der Halbleiterchip 12 direkt, d. h. ohne Verwenden irgendeines dazwischenliegenden Hohlraums, auf der Oberfläche 11a gegenüber der Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 zur Verbindung mit den Anschlussstifte 13 angebracht ist. Wegen der Verwendung des Dichtungselements 14 aus Aluminiumnitrid, das in einem Querschnitt der Form von drei Seiten eines Rechtecks gebildet ist, und des Verbindungsmaterials 14' mit niedrigem Wärmewiderstand, kann der direkt an der Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 angebrachte Halbleiterchip 12 sicher luftdicht abgedichtet werden, ohne die Wärmestrahlung zu behindern. Die von dem Halbleiterchip 12 ausstrahlende Wärme kann wirksam durch das Medium des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 gestrahlt werden, da das Dichtungselement 14 aus gesintertem Aluminiumnitrid ausgebildet ist, und da zur gleichen Zeit das Dichtungselement 14 in einem Querschnitt in der Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet ist, um die Fläche der Verbindung (Fläche zur Wärmeleitung) mit dem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 zu vergrößern, und da ferner das Dichtungselement 14 an dem Substrat mit einem Verbindungsmaterial 14' niedrigem thermischen Widerstands verbunden ist. Somit wird logisch gefolgert, dass das oben angeführte Halbleitergehäuse 10 eine zufrieden stellende hohe wärmeabstrahlende Eigenschaft zusätzlich zum Verwirklichen der Größenverringerung und der Erhöhung der zuzulassenden Anzahl von Stifte besitzt. Da das Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid ferner die zusätzliche Funktion als ein wärmeabstrahlendes Element erfüllt, ermöglicht es, dass die wärmeabstrahlenden Rippen in einer kleineren Größe gebildet werden, und trägt zum Verringern der Anzahl von Komponententeilen des Gehäuses bei. Folglich können die Fertigungskosten des Halbleitergehäuses gesenkt werden. Das aus Aluminiumnitrid hergestellte Dichtungselement 14 kann durch ein metallisches Dichtungselement hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise ein aus W-Cu hergestelltes Dichtungselements, das eine poröse Struktur von mit Kupfer imprägniertem Wolfram besitzt, ersetzt werden.
  • Es ist vorstellbar, dass das Dichtungselement 14 mit einem Querschnitt der Form von drei Seiten eines Rechtecks, das gegenwärtig als ein wärmeabstrahlendes Element dient, aus Aluminium gebildet werden kann. In diesem Fall bringt jedoch die Verbindung von zwei Elementen mit stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedene Probleme mit sich. Wenn ein großer Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen zwei zu verbindenden Elementen existiert, erleidet beispielsweise das keramische Element einen Riss während des Prozesses der thermischen Verbindung oder während des Kühlzyklus. Sogar wenn die Auswirkung dieses Unterschieds auf die Wärmeausdehnung nicht so bedeutsam ist, dass er dem keramischen Element einen derartigen Riss zu führen kann, verleiht es dem keramischen Element eine erhebliche Restspannung. Somit verschlechtert der Unterschied der Wärmeausdehnung die Zuverlässigkeit der Leistung des Verbindungsprodukts stark. Bei dieser Erfindung wird vermutet, dass die Auswirkung darin besteht, keinen Riss an dem Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 11 hervorzurufen. Tatsächlich kann bei dem obigen Halbleitergehäuse weder das Auftreten eines Risses noch die Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Leistung, insbesondere auf Grund eines derartigen Unterschieds in der Wärmeausdehnung, wie es oben beschrieben ist, hervorgerufen werden, wenn das Mehrschichtsubstrat 11 und das Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid gleicher Qualität gebildet sind. Diese Tatsache bildet selber einen bedeutsamen Faktor zur Berücksichtigung der Verwendung dieser Bestandteile als ein Halbleitergehäuse.
  • Nun wird das Halbleitergehäuse gemäß dem zweiten Aspekt nachstehend mit Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben.
  • Fig. 2 ist ein Diagramm, das den Querschnittsaufbau eines Halbleitergehäuses 20 dieses Aspekts darstellt, und Fig. 3 veranschaulicht die untere Oberfläche des Halbleitergehäuses, d. h. den Zustand der Verbindung der Verbindungsanschlüsse 13, die in der Art und Weise eines Gitters angeordnet sind. Das in diesem Diagramm dargestellte Halbleitergehäuse 20 ist dem in Fig. 10 dargestellten Halbleitergehäuse im Grundaufbau gleich, mit der Ausnahme, dass die Verbindungsanschlüsse 13 so angeordnet sind, dass der Abstand 1 von der Anschlussoberfläche des äußeren Randes der unteren Oberfläche 21b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 21 zu den Verbindungsanschlüssen 13 an dem äußeren Rand mindestens größer als der Zwischen-Mitten-Abstand p zwischen den benachbarten Verbindungsanschlüssen 13 ist, der dem Abstand zwischen den Verbindungsanschlüssen entspricht. Außerdem ist der zwischenmittige Abstand p zwischen den Verbindungsanschlüssen nicht größer als 1,27 mm.
  • Mit anderen Worten wird dem Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 21 eine Fläche gegeben, die geringfügig größer als die Fläche ist, die als Verbindung der Verbindungsanschlüsse erforderlich ist. Diese Maßnahme ist bestimmt, die Fläche der Verbindung zwischen dem aus Aluminiumnitrid hergestellten abdichtenden (wärmeabstrahlenden) Element 22 und dem Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 21 weiter zu vergrößern und zur gleichen Zeit das Verhältnis der Länge der Verdrahtungen in dem Gehäuse zu der Gesamtlänge aller Verdrahtungen zu verringern. Der Abstand 1 von der Anschlussoberfläche des äußeren Rands der Verbindungsanschlüsse 13 wird unter angemessener Berücksichtigung des Ausgleichs der erlaubten Größe des Gehäuses und der zu erhaltenden gewünschten wärmeabstrahlenden Eigenschaft festgelegt. Die die Erscheinung eines Gitters hervorrufenden Verbindungsanschlüsse werden, wie es oben beschrieben ist, an der unteren Oberfläche 21b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 21 befestigt, wie sie innerhalb eines von einem vorgeschriebenen Bereich A umschlossenen Bereichs angeordnet sind, der aus vier Streifen einer festen Breite aufgebaut ist, die an den äußeren Umfang der unteren Oberfläche 21b angrenzen. Optional können die Positionierungsstifte in den Streifen des vorgeschriebenen Bereichs A fest verbunden angeordnet werden.
  • Die wärmeabstrahlende Eigenschaft des Gehäuses kann ferner durch Beiseitestellen des bestimmten Bereichs A, der frei von Verbindungsanschlüssen 13 (Nichtverbindungsfläche A) verstärkt werden, wie es oben beschrieben ist, und folglich durch Vergrößern der Verbindungsfläche (Bereich der Wärmeleitung) zwischen dem abdichtenden (wärmeabstrahlenden) Element 22, das aus Aluminiumnitrid und dem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 21 hergestellt ist. Das Verhältnis der Länge der Verdrahtungen in dem Gehäuse zu der Gesamtlänge aller beteiligten Verdrahtungen kann verringert werden, und als Ergebnis kann das Gehäuse angepasst werden, um die Maßnahme zu verwirklichen, die unternommen wurde, um die Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem die Nichtverbindungsfläche A in dem äußeren Randteil der unteren Oberfläche 21b des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 21 (der Bereich A frei von Verbindungsanschlüssen, der in dem äußeren Randteil der unteren Oberfläche 21b zu reservieren ist) gebildet wird, unter angemessener Berücksichtigung der Zweckmäßigkeit der Verdrahtung in dem Mehrschichtsubstrat 21 und des die Verbindungsanschlüsse 13 trennenden Abstands, nämlich durch dichtes Anordnen der Verbindungsanschlüsse 13 mit einem Zwischen-Mitten-Abstand von nicht mehr als 1,27 mm. Da die Verdrahtungen auf der Plattenseite im Allgemeinen einen niedrigen Widerstand als die Verdrahtungen des Halbleitergehäuses aufweisen, kann das Phänomen der Signalverzögerung und der Signaldämpfung durch Vergrößern des Verhältnisses der Längen der Drähte an der Plattenseite gezügelt werden. Obwohl Fig. 2 und Fig. 3 keine Verwendung der Verbindungsanschlüsse 13 in den Mittelteil der unteren Oberfläche 21b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 21 zeigen, kann der Mittelteil zur Befestigung derartiger Verbindungsanschlüsse verwendet werden.
  • Fig. 4 bis 6 veranschaulichen Beispiele des Aufbaus anderer Halbleitergehäusen. Die Halbleitergehäuse, die in diesen, Diagrammen veranschaulicht werden, sind prinzipiell mit dem in Fig. 1 dargestellten Halbleitergehäuse im Aufbau ähnlich. Um genau zu sein, wird bei dem Halbleitergehäuse von Fig. 4 das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 21 in dem Hohlraum-nach-oben-Typ ausgebildet, und der Umfangsteil dieses Substrats 21 ist derart ausgebildet, dass er gleichzeitig als eine abgestufte Seitenwand arbeitet, und ein abdichtendes (wärmeabstrahlendes) Element 22, das aus einer derartigen keramischen Substanz hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminiumnitrid hergestellt ist, wird fest an dem Umfangsteil angebracht, der gleichzeitig als eine abgestufte Seitenwand dient, um den Hohlraum des Mehrschichtsubstrats 21 abzudichten. Im Fall dieses Aufbaus können derartige Arbeiten, wie die Positionierung des abdichtenden (wärmeabstrahlenden) Elements 22 mit bemerkenswerter Leichtigkeit durchgeführt werden. Bei dem Halbleitergehäuse von Fig. 5 ist das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 21 im so genannten Hohlraum-nach-oben-Typ ausgebildet, und der darauf angebrachte Halbleiterchip 12 wird mit einem abdichtenden (wärmeabstrahlenden) Element 22' abgedichtet, das aus Kupfer-Wolfram hergestellt und in einem Querschnitt der Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet ist. Im Fall dieses Aufbaus wird das oben erwähnte abdichtende (wärmeabstrahlende) Element 22' erzeugt und vorteilhafterweise bearbeitet und abhängig von der Art und Weise des Gebrauchs der Halbleitermodule in die Lage versetzt, die Funktion einer magnetischen Abschirmung aufzuweisen.
  • Bei dem Halbleitergehäuse von Fig. 6 ist das Dichtungselement 22 aus einer derartigen keramischen Substanz hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminiumnitrid, in einem Querschnitt von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet, und sein Umfangsteil ist ausgebildet, so dass er sich erstreckt, so dass er gleichzeitig als eine abgestufte Seitenwand dient, und die Anschlussoberfläche des äußeren Rands des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 21 wird fest in dem Umfangsteil angebracht, der gleichzeitig als eine abgestufte Seitenwand dient, um den Hohlraum des Halbleitergehäuses abzudichten. Auch in dem Fall dieses Aufbaus können derartige Arbeiten, wie die Positionierung des abdichtenden (wärmeabstrahlenden) Elements 22, mit Leichtigkeit ausgeführt werden. In den Fig. 4 bis 6 werden die gleichen Bauteile, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Als keramische Substanz hoher Wärmeleitfähigkeit kann stattdessen Siliziumcarbid verwendet werden.
  • Nun werden konkrete Beispiele der bis jetzt dargelegten Halbleitergehäuse spezifisch nachstehend beschrieben. Das nachstehend angeführte Beispiel 1 bezieht auf ein konkretes Beispiel des in Fig. 1 veranschaulichten Halbleitergehäuses und Beispiel 3 auf ein konkretes Beispiel des in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Halbleitergehäuses.
    • Beispiel 1:
  • Zuerst werden Aluminum-Greensheets entsprechend den keramischen Komponentenschichten 15 erzeugt, Kontaktlöcher wurden in den Greensheets ausgebildet, Leitpaste wurde bei gewünschten Verdrahtungsmustern auf die Greensheets aufgetragen, und die Leitpaste wird verwendet, um die Kontaktlöcher zu füllen. Dann wurden Aluminumnitrid- Greensheets überlagert und nachfolgend in einer reduzierenden Atmosphäre eingebrannt (gleichzeitiges Einbrennen von Aluminiumnitrid und Leitungsschichten), um ein Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 zu erhalten, das darin interne Verdrahtungsschichten 16 aufnimmt und 22 mm · 22 mm · 2,6 mm(t) misst.
  • Dann wurde eine Oberflächenverdrahtungsschicht 17 durch das Dünnschichtverfahren auf der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 überlagert, und nachfolgend werden Anschlussstifte 13 mit Ag-Cu- Lötmittel an der Seite der unteren Oberfläche des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 verbunden, wie sie mit einem Abstand von 1,27 mm beabstandet sind. Danach wurde ein TEG-Chip zur Messung des Wärmewiderstands fest als ein Halbleiterchip 12 auf der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 angebracht, und ein Bondingdraht 18 wurde längsseits vorgesehen, um die elektrische Verbindung fertig zu stellen.
  • Ein Dichtungselement 14 (der sichtbare Umriss; 22 mm · 22 mm · 3 mm(t), die Breite der Anschlussoberfläche des hervorstehenden äußeren Randteils 14a; 2,5 mm, und die Tiefe des vertieften Teils; 1 mm), das gleichzeitig als ein wärmeabstrahlendes Element dienen, wurde getrennt mit gesintertem Aluminiumnitrid von 170 M/mk erzeugt. Dieses Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid wurde mit einem Au- Sn-Lötmittel 14' an der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 verbunden, das den Halbleiterchip 12 darauf angebracht hat, und wärmeabstrahlende Rippen 19 wurden auf dem Dichtungselement 14 angebracht, um ein vollständiges Halbleitergehäuse zu erhalten.
  • Zum Vergleich mit diesem Gehäuse wurde ein herkömmliches Halbleitergehäuse von Hohlraum-nach-oben-Typ (das dem sichtbaren Umriss des Halbleitergehäuses von Beispiel 1 entspricht), das in Fig. 9 dargestellt wurde, erzeugt. Der Hohlraum 1a dieses Halbleitergehäuses wurde luftdicht mit einer aus Aluminium hergestellten Kappe 6 abgedichtet.
  • Die somit bei dem Arbeitsbeispiel und dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Halbleitergehäuse wurden durch das ΔVBE-Verfahren auf die Fähigkeit getestet, Wärme abzugeben. Es wurde folglich herausgefunden, dass das Halbleitergehäuse des Vergleichsbeispiels einen Wärmewiderstand von 20ºC/W und das des Arbeitsbeispiels einen Wärmewiderstand von 6ºC/W zeigte. Bei dem Aufbau des oben erwähnten Arbeitsbeispiels, wie er in einem Typdiagramm in Fig. 7 dargestellt ist, wird ein relativ breiter hinterer Oberflächenbereich (schraffiertet Bereich) des Halbleitergehäuses 10, der dem Bereich entspricht, der den Bereich ausschließt, der dem Bereich des sekundären von dem Anschlussinselteil b entspricht, und den Bereich a zum darauf Anbringen des Halbleiterchips 12 einschließt, das heißt dem Bereich a, der außerhalb des sekundären Anschlussinselteils b fällt, als der Bereich zur Verbindung der Anschlussstifte verwendet, wobei das Halbleitergehäuse die Größenverringerung und die Erhöhung der Anzahl von Anschlussstiften für Verbindungen ermöglicht. Im Gegensatz dazu litt das Halbleitergehäuse vom Hohlraum-nach-unten- Typ, bei dem Anschlussstifte in der gleichen Anzahl verwendet wurden und mit dem gleichen Abstand wie bei dem vorhergehenden Halbleitergehäuse beabstandet waren, unter einer unverhältnismäßig großen Anstieg in der Größe, da der Bereich, der zur Verbindung der Anschlussstifte nutzbar war, schmal war, wie es in einem Typdiagramm von Fig. 8 veranschaulicht ist, das heißt, dass der Bereich auf Grund des Abzugs des Bereichs des Verdrahtungsteils d, der an den sekundären Anschlussinselteil angrenzt, schmaler war. Somit ermöglichte dieses Halbleitergehäuse eine Größenverringerung nur mit Schwierigkeiten.
    • Beispiel 2:
  • Ein Halbleitergehäuse wurde das Verfahren von Beispiel 1 mit der Ausnahme erzeugt, dass ein Glasbindemittels für die Vereinigung des Dichtungselements 14 und des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 verwendet wurde. Die Schicht des Bindemittels hatte eine Dicke von 40 um. Bei dem Test für die Fähigkeit, eine Wärmeabgabe zu bewirken, der auf die gleiche Art und Weise wie bei dem Beispiel 1 durchgeführt wurde, zeigte dieses Halbleitergehäuse einen Wärmewiderstand von 6ºC/W.
    • Beispiel 3:
  • Ein Halbleitergehäuse 20 wurde durch das Verfahren von Beispiel 1 mit der Ausnahme erzeugt, dass der sichtbare Umriss des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats in 25 mm · 25 mm ohne irgendeine Änderung in der Form der internen Verdrahtungsschicht 16 und die Breite der Anschlussoberfläche des hervorstehenden äußeren Randteils 22a des Dichtungselements 22 von Aluminiumnitrid in 4 mm geändert wurde. Bei dem Test auf die Fähigkeit hin, eine Wärmeabgabe zu veranlassen, der auf die gleiche Art und Weise wie bei Beispiel 1 durchgeführt wurde, zeigte dieses Halbleitergehäuse einen Wärmewiderstand von 3ºC/W.
  • Wie es oben beschrieben ist, ermöglicht dieser Aspekt die gewünschte Größenverringerung der Halbleitergehäuse und stellt zur gleichen Zeit die kostengünstige Bereitstellung derartiger Halbleitergehäuse bereit, die für die Erhöhung der Anzahl von Stiften und die Verbesserung in der Fähigkeit, Wärmeabgabe zu veranlassen, die mit einer weiteren Integration von Halbleiterelementen verbunden ist, praktisch einstellbar sind.
  • Nun wird das Halbleitergehäuse gemäß dem dritten Aspekt nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 10 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines Beispiels des Halbleitergehäuses dieses Aspekts darstellt. Bei einem in diesem Diagramm dargestellten Halbleitergehäuse 10 wird ein Halbleiterchip 12, wie beispielsweise ein LSI oder ein Leistungs-IC, an einer oberen Oberfläche 11a eines Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 angebracht, und Verbindungsanschlüsse 13 werden mit einer unteren Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 verbunden. Die obere Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11, auf der der Halbleiterchip 12 angebracht ist, wird mit einem Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid abgedeckt, das gleichzeitig als ein wärmeabstrahlendes Element dient und in einem Querschnitt von der Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet ist.
  • Das oben erwähnte Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 ist ein Mehrschichtverdrahtungssubstrat, das durch einstückiges Überlagern einer Mehrzahl von Aluminiumnitridschichten gebildet wird. Die Mehrzahl der Schichten ist in zwei Arten unterteilt, d. h. Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15, die mit einer internen Verdrahtungsschicht 16 ausgestattet sind, die ein vorgeschriebenes Verdrahtungsmuster aufweisen, und Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15', die ausschließlich aus einer Aluminiumnitridschicht, ohne interne Verdrahtung, ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 aus einer Mehrzahl von Aluminiumnitrid- Verdrahtungsschichten 15 aufgebaut, die mit einer internen Verdrahtungsschicht 16 und einer Mehrzahl von Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15' ausgestattet sind, die prinzipiell als ein Wärmeabgabeweg dienen. Die Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 arbeiten ebenfalls als Teil des Wegs für die Wärmeabgabe.
  • Hier wird der Zustand der Wärmeleitung von dem Halbleiterchip 12 durch ein Typ-Diagramm von Fig. 11 dargestellt. Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, wird die in Folge des Betriebs des Halbleiterchips 12 erzeugte Wärme (durch einen Pfeil A in dem Diagramm angegeben) sofort durch das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 12 geleitet, von dort an das Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid übertragen, das gleichzeitig als ein wärmeabstrahlendes Teil dient, und danach in der Umgebungsluft verteilt (durch einen Pfeil C in dem Diagramm angegeben). Die Dicke t des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 beeinflusst direkt die Fläche des Wärmeabgabewegs. Durch Erhöhen der Dicke t des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 mit der Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschicht 15' kann dadurch die wärmeabstrahlende Eigenschaft des Halbleitergehäuses 10 in einem großen Ausmaß verbessert werden. Vom Standpunkt der internen Verdrahtung aus kann, da das Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 11 ausschließlich aus den Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 gebildet werden kann, die Dicke der Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten ausschließlich basierend auf dem elektrischen Schaltungsaufbau festgelegt werden. Somit kann die herkömmliche elektrische Schaltungsausgestaltung in ihrer ungeänderten Form angenommen und zur gleichen Zeit die Verringerung der Größe des sichtbaren Umrisses verwirklicht werden, ohne von Dimensionsänderungen beeinflusst zu werden, die von der Verbesserung in der wärmeabstrahlenden Eigenschaft abhängig sind, d. h. durch das Wachstum in der Dicke der Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15'. Das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird durch gleichzeitiges Einbrennen der leitenden Substanzen erzeugt, die bestimmt sind, die Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 und die interne Verdrahtungsschicht 16 in Verbindung mit den Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15' zu bilden.
  • Die internen Verdrahtungsschichten 16 enthalten Kontaktlöcher 16a, die mit einer leitenden Substanz gefüllt sind und die elektrisch mittels der Kontaktlöcher 16a mit einer Oberflächenverdrahtungsschicht 17 verbunden sind, die auf der Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 ausgebildet ist, die den Halbleiterchip trägt. Da die Oberflächenverdrahtungsschicht 17 eine Verdrahtung hoher Dichte ermöglicht, ist erwünscht, dass sie eine Dünnschichtverdrahtung ist, die durch die Technologie zur Bildung einer Dünnschicht, wie beispielsweise das Sputterverfahren oder das Vakuumaufdampfungsverfahren, erhalten wird. Der auf dem Substrat angebrachte Halbleiterchip 12 ist elektrisch mit der Oberflächenverdrahtungsschicht mittels eines Bindedrahts 18 verbunden. Die Verbindungsanschlüsse 13 werden mit der unteren Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 verbunden, so dass sie elektrisch mit der internen Verdrahtungsschicht 16 verbunden sind.
  • Die Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11, auf dem der Halbleiterchip angebracht ist, wird mit einem Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid abgedeckt, und der auf der Oberfläche 11a angebrachte Halbleiterchip 12 wird luftdicht durch dieses Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid abgedichtet. Mit anderen Worten ist das Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid mit dem Aluminium-Mehrschichtsubstrat 11 auf eine solche Art und Weise verbunden, dass die Anschlussoberfläche des herausragenden äußeren Randteils 14a eines Querschnitts von der Form von drei Seiten eines Rechtecks in Kontakt mit der Oberfläche 11a des Aluminium-Mehrschichtsubstrats 11 gehalten wird, das den Halbleiterchip trägt, und der den vertieften Teil 14b den Halbleiterchip 12 umschließt, und dieser vertiefte Teil 14b entspricht den Teil des Hohlraum des herkömmlichen Halbleitergehäuses. Die Vereinigung des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 mit dem Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid wird beispielsweise durch ein Pb-Sn-Lötmittel, ein Au-Sn-Lötmittel oder ein Dichtungsglas bewirkt. Wenn ein derartiges Lötmittel für die Vereinigung verwendet wird, werden die zu verbindenden entgegengesetzten Oberflächen im voraus metallisiert.
  • Das oben erwähnte Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid dient gleichzeitig als ein wärmeabstrahlendes Element und trägt zu der Verringerung in der Anzahl von Bauteilen des Gehäuses bei. Da der Bereich des Dichtungselements 14 aus Aluminiumnitrid, der für die Verbindung verwendet wird (der Bereich der Anschlussoberfläche des herausstehenden äußeren Randteils 14a), direkt den Zustand der Wärmeleitung von dem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 zudem Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid beeinflusst, ist es erwünscht, dass sie zu dem größtmöglichen Ausmaß unter angemessener Berücksichtigung der Genauigkeit der Bildung der Oberflächenverdrahtungsschicht 14 und der erlaubten Größe des Halbleitergehäuses 10 (einschließlich des für die Bildung von Verbindungsanschlüssen benutzten Raums) erhöht wird. Das gesinterte Aluminiumnitrid, das selbst das Material für die Bildung des Dichtungselements 14 bildet, besitzt inhärent eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Da die durch das gesinterte Aluminiumnitrid erlangte Wärmeleitfähigkeit mit der Qualität des Materials und den Bedingungen der Fertigung veränderbar ist, wird erwünscht, dass das für das Dichtungselement 14 zu verwendende gesinterte Aluminiumnitrid eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
  • An dem oben beschriebenen Dichtungselement 14 aus Aluminiumnitrid können wärmeabstrahlende Rippen, die bis jetzt allgemeinen in Gebrauch sind, befestigt werden. Das Material, aus dem die wärmeabstrahlenden Rippen hergestellt sind, kann ein metallisches Material, wie Aluminium oder gesintertes Aluminiumnitrid, sein, das in der Qualität dem Material des Dichtungselements gleich ist. Wenn die wärmeabstrahlenden Rippen aus gesintertem Aluminiumnitrid gebildet sind, können diese Rippen einstückig mit dem Dichtungselement ausgebildet werden.
  • Das Halbleitergehäuse 10 des oben angeführten Arbeitsbeispiels erlaubt prinzipiell die Verringerung der Gehäusegröße und die Erhöhung der Anzahl von Stiften, die an dem Halbleiterchip 12 angebracht werden können, wenn er fest an der Oberfläche 11a verbunden ist, die der Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 für Verbindungsanschlüsse gegenüberliegt. Vom Standpunkt der elektrischen Schaltungsausgestaltung kann die herkömmliche elektrische Schaltungsausgestaltung in ihrer unveränderten Form angenommen werden, da es ausreicht, nur die Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschicht 15 zu berücksichtigen. Die Größenverringerung des Gehäuses kann ebenfalls durch Erhöhen der Verdrahtungsdichte sichergestellt werden, und unter der Bedingung, dass die Größenverringerung erfolgreich erreicht ist, kann die hervorstehende wärmeabstrahlende Eigenschaft erlangt werden, da die Aluminiumnitrid- Wärmeleitungsschicht 15' einen Wärmeabgabeweg genügend sichert. Hinsichtlich der wärmeabstrahlende Eigenschaft des Halbleitergehäuses 10 kann die Wärme von dem Halbleiterchip 12 wirksamer verteilt werden, da das Dichtungselement 14 aus gesintertem Aluminiumnitrid geformt ist, und da ferner das Dichtungselement 14 in einem Querschnitt in der Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet ist, um die Fläche der Verbindung (die Fläche der Wärmeleitung) des Dichtungselements 14 mit dem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 zu vergrößern. Somit wird logisch gefolgert, dass das Halbleitergehäuse 10 des oben angeführten Arbeitsbeispiels die Größenverringerung und die Addition zu der Anzahl von Stiften ermöglicht und eine zufrieden stellende wärmeabstrahlende Eigenschaft aufweist.
  • Fig. 12 und Fig. 13 veranschaulichen eine Modifikation des Halbleitergehäuses 10 des oben angeführten Arbeitsbeispiels. Das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 kann durch Überlagern einer Mehrzahl von Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15' aufgebaut sein, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, um einen erforderlichen Bereich für den Wärmeabgabeweg sicherzustellen, nämlich eine erforderliche Dicke t des Mehrschichtsubstrats 11. Andernfalls kann das Mehrschichtsubstrat 11 mit einer Dicke t, die zwecks der wärmeabstrahlenden Eigenschaft notwendig ist, mit nur einer Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschicht 15' erzeugt werden, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. Alternativ kann nur der untersten Aluminiumnitridschicht 15 in allen der Mehrzahl von Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten eine erhöhte Dicke haben. In diesem Fall bildet die unterste Schicht aus Aluminiumnitrid 15 selbst eine Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschicht, die gleichzeitig als eine Verdrahtungsschicht dient.
  • Nun wird ein Arbeitsbeispiel des Halbleitergehäuses 10 des soweit dargestellten Aspekts nachstehend angeführt.
    • Beispiel 4:
  • Zuerst wurden Aluminium-Greensheets mit einer Dicke von 0,5 mm erzeugt und Kontaktlöcher in den Greensheets in Übereinstimmung mit einer elektrischen Schaltungsausgestaltung ausgebildet. Auf die Greensheets, die bestimmt waren, Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 zu bilden, wurde Leitpaste in einem gewünschten Verdrahtungsmuster aufgetragen, und die Leitpaste wurde verwendet, um die Kontaktlöcher zu füllen. Im Fall von den Greensheets, die bestimmt waren, Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15' zu bilden, wurde die Leitpaste nur verwendet, um die Kontaktlöcher zu füllen. Dann wurden diese Aluminiumnitrid- Greensheets überlagert und nachfolgend in einer verringerten Atmosphäre eingebrannt (gleichzeitiges Einbrennen von Aluminiumnitrid in Verbindung mit leitenden Schichten), um ein Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 zu erzeugen, das interne Verdrahtungsschichten 16 enthält und 25 mm · 25 mm · 2,6 mm(t) misst. Nebenbei bemerkt betrug bei dem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 die Gesamtdicke aller Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 1,5 mm, und die Gesamtdicke aller Aluminiumnitrid- Wärmeleitungsschichten 15' betrug 1,5 mm. Dann wurde eine Verdrahtungsschicht 17 durch das Dünnschichtverfahren auf der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 gebildet, und Anschlussstifte 13 wurden an der Seite der unteren Oberfläche 11b des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 mit Ag-Lötmittel verbunden, wobei sie mit einem Abstand von 1,27 mm beabstandet waren. Danach wurde ein TEG-Chip zur Messung des Wärmewiderstands an der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 als ein Halbleiterchip 12 verbunden, und ein Bondingdraht 18 wurde zusätzlich darauf angeordnet, um die elektrische Verbindung zu vervollständigen.
  • Ein Dichtungselement 14 (sichtbarer Umriss 25 mm · 25 mm · 3 mm(6)), das gleichzeitig als eine wärmeabstrahlende Eigenschaft bestimmt war, wurde mit gesintertem Aluminiumnitrid von 170 W/mk getrennt erzeugt. Dann wurde dieses Aluminiumnitrid-Dichtungselement 14 durch das Lötverfahren mit der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 verbunden, welches den darauf angebrachten Halbleiterchip 12 aufweist, um das beabsichtigte Halbleitergehäuse zu erzeugen.
  • Für den Zweck des Vergleichs mit diesem Aspekt wurde ein Halbleitergehäuse (Dicke des Mehrschichtsubstrats 1,5 mm) durch das Verfahren von Beispiel 4 erzeugt, mit der Ausnahme, dass das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat ausschließlich aus Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 gebildet wurde und die Verwendung der Aluminiumnitrid- Wärmeleitungsschichten 15 weggelassen wurde.
  • Die bei dem oben beschriebenen Arbeitsbeispiel und dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Halbleitergehäuse wurden, nachdem sie mit einem Halbleiterchip ausgestattet wurden, durch das ΔVBE-Verfahren auf die Fähigkeit hin getestet, Wärmeabgabe zu bewirken. Es wurde herausgefunden, dass der Wärmewiderstand des Halbleitergehäuses des Arbeitsbeispiels 0,62 war, wenn das Halbleitergehäuse des Vergleichsbeispiels als 1 genommen wurde. Es ist aus den Testergebnissen offensichtlich, dass das Halbleitergehäuse dieser Erfindung eine ausgezeichnete wärmeabstrahlende Eigenschaft aufwies.
  • Das Halbleitergehäuse ist nicht auf die Art begrenzt, die den Halbleiterchip 12 direkt an der oberen Oberfläche des Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrats 11 aufweist, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Diese Erfindung ist auch effektive bei dem herkömmlichen Halbleitergehäuse vom Hohlraum-nach-oben-Typ 20, das aufgebaut ist, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Das in Fig. 14 dargestellte Halbleitergehäuse 20 verwendet ein Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 21, das mit einem Hohlraum 21a versehen ist. Dieser Hohlraum 21a umschließt den Halbleiterchip 12.
  • Der Hohlraum 21a ist luftdicht mit einem plattenähnlichen Dichtungselement 22 aus Aluminiumnitrid abgedichtet, das gleichzeitig als ein wärmeabstrahlende Eigenschaft dient. Das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 21 ist aus einer Mehrzahl von Aluminiumnitrid-Verdrahtungsschichten 15 und einer Mehrzahl von Aluminiumnitrid-Wärmeleitungsschichten 15' zusätzlich zu einer Hohlraumbildungsschicht 23 aufgebaut. Das Halbleitergehäuse vom Hohlraum-nach-oben-Typ 20 erzeugt die gleiche Wirkung, wie das oben erwähnte Halbleitergehäuse 10.
  • Das Halbleitergehäuse gemäß dem dritten Aspekt, wie es oben beschrieben ist, verwirklicht die Erhöhung der Anzahl von Stiften und die Größenverringerung des Gehäuses und ermöglicht die Bereitstellung eines Halbleitergehäuses, das eine bemerkenswerte Verbesserung in der Fähigkeit erreicht, eine Wärmeabgabe zu bewirken, ohne irgendeine Änderung der elektrischen Schaltungsausgestaltung nach sich zu ziehen. Somit kann dieser Aspekt ein Halbleitergehäuse bereitstellen, das praktisch auf die Verbesserung der Halbleiterchips zu dem Ausmaß der Integration und der Arbeitsgeschwindigkeit angepasst werden kann.
  • Nachstehend wird nun das Halbleitergehäuse dieser Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 15 ist ein Querschnitt, der den Aufbau eines keramischen Qualitäts- Halbleitermehrschichtgehäuses als eine Ausführungsform dieser Erfindung darstellt. Ein in Fig. 15 dargestelltes keramisches Mehrschichtgehäuse 30 ist prinzipiell mit einem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 aufgebaut, das eine Mehrzahl von Aluminiumnitridschichten 15 aufweist, die einstückig überlagert sind. An jeder Aluminiumnitridschicht 15 des Mehrschichtsubstrats 11 werden eine interne Signalverdrahtungsschicht 16 mit einem vorgeschriebenen Verdrahtungsmuster und eine Erdungsschicht und eine Leistungsquellenschicht an Ort und Stelle eingerichtet.
  • Das Material, aus dem das Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat 11 hergestellt ist, ist nicht besonders eingeschränkt. Da das Gehäuse dieser Erfindung bestimmt ist, hochintegrierte Elemente und Hochgeschwindigkeitsrechenelemente als seine Hauptbauteile aufzuweisen, ist es wünschenswert, als Material für das Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrat 11 Aluminiumnitrid zu verwenden, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist. Da die hochintegrierten Elemente und die Hochgeschwindigkeitsrechenelemente große Mengen von Wärme emittieren, kann die Zuverlässigkeit des Mehrschichtsubstrats durch Verwenden eines derartigen keramischen Materials von hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminiumnitrid, verstärkt werden.
  • Eine Hauptoberfläche 11a des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 ist bestimmt, um als eine Oberfläche zum darauf Anbringen eines Halbleiterchips zu dienen. Auf dieser Oberfläche 11a zum Tragen des Halbleiterchips ist eine Oberflächenverdrahtungsschicht 17 durch die Dünnfilm-Bildung-Technologie, wie beispielsweise das Sputterverfahren oder das Vakuumaufdampfverfahren, ausgebildet. Die Dünnschicht-Oberflächenverdrahtungsschicht 17 ist aus einem Anschlusspad oder-Insel (MLB-Insel) 26 aufgebaut, die bestimmt ist, einen Teil für die elektrische Verbindung mit dem darauf anzubringenden Halbleiterchip und eine Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtung 27 zu bilden. Die MLB-Insel 26 ist in einem Anschlussteil der Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtung 27 ausgebildet. Der andere Anschlussteil der Dünnschichtsignalverdrahtung 27 und die interne Signalverdrahtungsschicht 16 werden elektrisch mittels Kontaktlöchern 16a verbunden. Diese Kontaktlöcher 16a sind in einer Mehrzahl von Reihen angeordnet. In dem Diagramm steht die Bezugsziffer 29 für einen Teil zum Anbringen des Halbleiterchips darauf. An dem anderen Anschlussteil der internen Signalverdrahtungsschicht 16 sind Kontaktlöcher 16a' an der Seite des Verbindungsanschlusses verbunden. Durch diese Kontaktlöcher 16a' an der Seite des Verbindungsanschlusses wird der andere Anschlussteil der internen Signalverdrahtung dazu gebracht, die Hauptoberfläche 11b des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 zu erreichen.
  • Die MLB-Insel 26 und die oben erwähnten Kontaktlöcher 16a sind mit der Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtung 27 verbunden, die beispielsweise das in Fig. 16 dargestellte Verdrahtungsmuster aufweist. Ein Beispiel der Verbindung der MLB-Insel 26 und der Kontaktlöcher 16a wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 16 beschrieben. Eine Reihe von MLB-Inseln 31 ist aus einer Dünnschichtverdrahtung mit den einzelnen Inseln ausgebildet, die durch einen engen Bildungsabstand (durch t&sub1; in dem Diagramm angegeben) von 100 um beabstandet sind. Reihen von Kontaktlöchern 32 sind entlang der entgegengesetzten Seiten der Reihen der MLB- Inseln 31 angeordnet. Bei dem vorliegenden Beispiel werden zwei Reihen von Kontaktlöchern (32a und 32b an einer Seite und 32c und 32d an der anderen Seite) entlang der entgegengesetzten Seiten der MLB-Inselreihe 31 angeordnet. Von den Kontaktlöcherreihen 32b und 32c, die näher an der MLB-Inselreihe 31 sind, erstrecken sich Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungen 27 abwechselnd zu der MLB- Insel 26. Dann erstrecken sich zwischen diesen Kontaktlöcherreihen Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungen 27 abwechselnd zu der MLB-Insel 26 von den Kontaktlöcherreihen 32a und 32b.
  • Auf Grund der Verteilung der Dünnschichtsignalverdrahtungen 27 in dem oben beschriebenen Verdrahtungsmuster wird es den Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungen 27 ermöglicht, weiterhin Längen von nicht mehr als 0,5 mm aufzuweisen, und insbesondere wird es den Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtungen 27, die sich von den Kontaktlöcherreihen 32a, 32d zu der MLB-Insel 26 - weiter von der MLB-Inselreihe 31 - erstrecken, ermöglicht, eine sehr kleine Länge von 0,48 mm (durch t&sub3; in dem Diagramm angegeben) unter der Bedingung aufzuweisen, dass die Kontaktlöcher mit einem Abstand von 400 um (durch t&sub2; in dem Diagramm angegeben) beabstandet sind.
  • Bei dieser Ausführungsform wird ermöglicht, dass die Länge der Oberflächen-Signalverdrahtung unterhalb einem Viertel der Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen fällt, da das keramische Mehrschichtsubstrat 11 in Abmessungen von 25 mm · 25 mm · 2 mm(t) ausgebildet ist, und die Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen auf 6 mm eingestellt ist. Wenn dieses keramische Mehrschichtgehäuse 30 mit Gold plattiert wird, wird ein perfektes Gehäuse erhalten, das kein erkennbares Zeichen eines Kurzschlusses zeigt und einen Verdrahtungswiderstand von nicht mehr als 1 (Q) aufweist. Die Aufgabe, dem Gehäuse einen niedrigeren Widerstand zu verleihen, wird durch Festlegen des Verhältnisses der Länge der Oberflächen-Signalverdrahtung zu dem Gesamten aller Signalverdrahtungen unter 1/2, vorzugsweise unter 1/4, erreicht. Insbesondere ist es wünschenswert, dass die Länge der Oberflächen-Signalverdrahtung 27 nicht mehr als 3 mm, vorzugsweise nicht mehr als 1 mm, und idealerweise nicht mehr als 0,5 mm beträgt.
  • Das oben beschriebene keramische Mehrschichtgehäuse 30 wird beispielsweise wie folgt erzeugt:
    • Beispiel 5:
  • Zuerst werden Aluminiumnitrid-Greensheets, die der Mehrzahl von Aluminiumnitridschichten 15 entsprechen, erzeugt, und Kontaktlöcher werden in diesen Greensheets ausgebildet. Dann wird Lötpaste, die beispielsweise W und Mo enthält, auf die Greensheets in gewünschten Verdrahtungsmustern aufgetragen, und zur gleichen Zeit wird die Leitpaste verwendet, um die Kontaktlöcher zu füllen.
  • Nachfolgend werden diese keramischen Schichten und Greensheets überlagert, und die Greensheets und die Leitpaste werden gleichzeitig eingebrannt, um ein keramisches Mehrschichtsubstrat 11 zu vervollständigen, das aus internen Signalverdrahtungsschichten 16, Kontaktlöchern 16a, 16a' und einer Erdungsschicht und einer Leistungsquellenschicht aufgebaut ist.
  • An der oberen Oberfläche 11a des Aluminiumnitrid- Mehrschichtsubstrats 11 ist eine Dünnschicht-Oberflächenverdrahtungsschicht 17 aus Al und Au (einschließlich beispielsweise einer MLB-Insel 27 und einer Dünnschichtoberflächen-Signalverdrahtung 27) in einem gewünschten Verdrahtungsmuster durch das Sputterverfahren oder das Vakuumaufdampfungsverfahren ausgebildet. Optional wird die Dünnschicht-Oberflächenverdrahtungsschicht 27 - beispielsweise mit Au - plattiert. Als Folge dieser Schritte wird das keramische Mehrschichtgehäuse 30 erhalten.
  • In dem keramischen Mehrschichtgehäuse 30 dieser Ausführungsform wird auf Grund der Verwendung einer Mehrzahl von Kontaktlöcherreihen 32 und der Anbringung dieser Kontaktlöcherreihen 32 entlang der entgegengesetzten Seiten der MLB-Inselreihe 31, die Dünnschicht-Oberflächenverdrahtung 27, die einen höheren Widerstand pro Einheitslänge als die interne Signalverdrahtungsschicht 26 hat, eine verringerte Länge aufzuweisen, das heißt, es wird der Länge der Oberflächen-Signalverdrahtung ermöglicht, nicht mehr als 1/2 der Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen zu sein. Als Ergebnis wird es dem Gehäuse als Ganzes ermöglicht, den Widerstand abzusenken, und sogar wenn ein Halbleiterchip vom Hochgeschwindigkeitsbetriebstyp angebracht wird, wird es ermöglicht, ideal zu arbeiten. Da außerdem die Fläche für die Ausbildung der Dünnschicht- Oberflächenverdrahtungsschicht 17 verringert werden kann, wird die Aufgabe des Verringerns der Größe des Gehäuses selber erreicht, und das Auftreten eines Kurzschlusses während des nachfolgenden Schrittes des Plattierens oder des Transportierens wird gedrosselt, und die Ausbeute der Fertigung wird verbessert.
  • Bei dem keramischen Mehrschichtgehäuse dieser Erfindung ist das Verdrahtungsmuster der Dünnschicht- Oberflächenverdrahtungsschicht 17 nicht auf das in Fig. 16 gezeigte Muster begrenzt. Ein anderes Verdrahtungsmuster kann angenommen werden, solange wie die Länge der Oberflächen-Signalverdrahtung nicht mehr als 1/2 der Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen betragen darf.
  • Von dem Standpunkt des Sicherstellens der Verwendung einer Mehrzahl von Kontaktlöcherreihen kann beispielsweise ein Verdrahtungsmuster, wie es in Fig. 17 dargestellt ist, für die Dünnschicht-Oberflächenverdrahtungsschicht 17 angenommen werden. Bei diesem Verdrahtungsmuster ist es jedoch erforderlich, dass die Länge der Oberflächen- Signalverdrahtung ansteigt, und als Ergebnis wird nicht zugelassen, dass die Länge der Oberflächen- Signalverdrahtung nicht mehr als 1/2 der Gesamtlänge aller Signalverdrahtungen ist. Dieser Anstieg in der Länge der Oberflächen-Signalverdrahtung zwingt das Gehäuse dazu, unter einem unangemessen hohen Widerstand und starken Auftreten von Fehlern zu leiden. Wenn die Verdrahtung gemäß den in Fig. 17 gezeigten Mustern in Übereinstimmung mit der gleichen Ausgestaltungsregel erzeugt wird, wie sie bei der oben angeführten Ausführungsform verwendet wurde, überschreitet die Länge der erzeugten Verdrahtung 5 mm (durch t&sub4; in dem Diagramm angegeben), und die Verdrahtung, wenn die mit Gold plattiert ist, erzeugt Kurzschlüsse bei 10%. Der Verdrahtungswiderstand überschreitet 1 Ω und ist kaum im Sinne des Gehäuses annehmbar.
  • Die Bildung des Halbleitergehäuses durch die Verwendung des oben beschriebenen keramischen Mehrschichtgehäuses 30 wird durch Bilden eines Teils 29 zum Anbringen des Halbleiterchips an der Seite der oberen Oberfläche 11a des keramischen Mehrschichtsubstrats 11, Verbinden des Halbleiterchips 12 mit dem Anbringungsteil des Halbleiterchips 29 und elektrisches Verbinden dieses Halbleiterchips 12 und der MLB-Insel 26 mittels des Bondingdrahts 18 erreicht, wie es in Fig. 18 dargestellt ist. Dieser Halbleiterchip 12 wird beispielsweise luftdicht abgedichtet, indem an dem keramischen Mehrschichtsubstrat 11 das aus Aluminiumnitrid hergestellte Dichtungselement 14 verbunden und in einem Querschnitt in Form von drei Seiten eines Rechtecks ausgebildet wird. Dann wird das Halbleitergehäuse durch Verbinden der Verbindungsanschlüsse mit der Seite der unteren Oberfläche 11b des keramischen Mehrschichtsubstrats 11 auf eine solche Art und Weise abgeschlossen, um elektrisch mit den Kontaktlöchern 16a' der Verbindungsanschlussseite verbunden zu sein.
  • Das Halbleitergehäuse dieser Erfindung ist nicht auf das PGA-Gehäuse vom Hohlraum-nach-oben-Typ begrenzt. Diese Erfindung kann bei verschiedenen Halbleitergehäusen verkörpert sein.
  • Wie es oben beschrieben ist, erreicht das Halbleitergehäuse dieser Erfindung ohne weiteres die Aufgabe des Absenkens des Widerstands der Signalverdrahtung in dem Gehäuse und des Verringerns der Größe des Gehäuses und des Drosselns des Auftretens derartiger Fehler, wie Kurzschlüsse. Diese Erfindung ermöglicht daher eine sichere Bereitstellung eines keramischen Mehrschichtgehäuses, das eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist und gleichzeitig für Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen anpassbar ist.

Claims (5)

1. Halbleiter-Package (30) mit
einem Aluminiumnitrid-Mehrschichtsubstrat (11) mit einer ersten Oberfläche (11a) und einer zweiten Oberfläche (11b), die der ersten Oberfläche (11a) gegenüberliegt und mit einer Mehrzahl Aluminiumnitridschichten (15), die eine interne Signalverdrahtungsschicht (16), ein Paar erster Durchgangslöcher (16a'), die sich zu der ersten Oberfläche erstrecken, und ein zweites Durchgangsloch (16a), das sich zur zweiten Oberfläche erstreckt, aufweisen,
einem Halbleiterelement (12), das an der ersten Oberfläche (11a) des Substrats (11) angebracht ist,
einer Dünnfilm-Oberflächenverdrahtungsschicht (17), die auf der ersten Oberfläche (11a) gebildet ist, wobei die Oberflächenverdrahtungsschicht (17) ein Verbindungs-Pad (26) zur elektrischen Verbindung mit dem Halbleiterelement (12) und einer Oberflächensignalverdrahtung (27) aufweist, wobei die Oberflächensignalverdrahtung (27) mit dem Verbindungs-Pad (26) an einem Ende verbunden ist und wobei sie an einem der ersten Durchgangslöcher (16a) an ihrem anderen Ende gebildet ist,
wobei die interne Signalverdrahtungsschicht (16), die in dem Mehrschichtsubstrat (11) vorgesehen ist, mit der Oberflächensignalverdrahtung (27) über eines der ersten Durchgangslöcher (16a) verbunden ist,
einer Mehrzahl Verbindungsanschlüsse (13), die auf der zweiten Oberfläche (11b) des Substrats (11) gebildet sind, wobei einer der Verbindungsanschlüsse (13) mit der internen Signalverdrahtung (16) über das zweite Durchgangsloch (16a') verbunden ist, und
einem keramischen Element (14), das mit der ersten Oberfläche (11a) des Substrats (11) in einer solchen Art verbunden ist, dass es das Halbleiterelement (12) abdichtet,
wobei der Widerstand pro Einheitslänge der Oberflächensignalverdrahtung (27) größer als jener der internen Signalverdrahtungsschicht (16) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindungsanschlüsse (13) als ein Array angeordnet auf der zweiten Oberfläche (11b) des Substrats (11) angebracht sind,
das keramische Dichtelement (14) mit der ersten Oberfläche (11a) des Substrats (11) an einer anderen Fläche als dem Bereich verbunden ist, der die Dünnfilm- Oberflächenverdrahtungsschicht (17) bildet und
die Länge der Oberflächensignalverdrahtung (27) eingestellt ist, dass sie nicht mehr als 1/2 der Gesamtlänge der Signalverdrahtung ist, die aus der Oberflächensignalverdrahtung (27), dem Verbindungs-Pad (26), der internen Signalverdrahtungsschicht (16), dem Paar erster Durchgangslöcher (16a) und dem zweiten Durchgangsloch (16a') gebildet ist, um den Gesamtwiderstand der Signalverdrahtung zu verringern.
2. Halbleiter-Package nach Anspruch 1, mit einer Mehrzahl von Einheiten, die jeweils aus einer Oberflächen- Verdrahtungsschicht (17), einem Verbindungs-Pad (26), einer Oberflächensignalverdrahtung (27), einer internen Signalverdrahtungsschicht (16) und ersten und zweiten Durchgangslöchern (16a, 16a) entsprechend Anspruch 1 bestehen, wobei die Verbindungs-Pads (26) angeordnet sind, um eine Reihe (31) zu bilden, und wobei die ersten Durchgangslöcher (16a) die internen Signalverdrahtungsschichten (16) mit den Oberflächensignal- Verdrahtungsschichten (27) verbinden, die zur Ausbildung von Reihen (32a, 32b, 32c, 32d) angebracht sind, die entlang entgegengesetzter Seiten der Reihe (31) der Verbindungs-Pads (26) angeordnet sind.
3. Halbleiter-Package nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Länge jede Oberflächensignalverdrahtung (27) nicht mehr als 1/4 der Gesamtlänge der Signalverdrahtung ist, die aus der jeweiligen Oberflächensignalverdrahtung (27), dem Verbindungs-Pad (26), der internen Signalverdrahtung (16) und dem Paar erster Durchgangslöcher (16a) und dem zweiten Durchgangsloch (16a') gebildet ist.
4. Halbleiter-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Oberflächensignalverdrahtung (27) eine hochdichte Verdrahtung ist, die durch eine Dünnfilmausbildungstechnik erhalten werden kann, die aus Gruppe ausgewählt ist, welche besteht aus: einem Sputter-Verfahren und einem Vakuum- Abscheidungsverfahren.
5. Halbleiter-Package nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die internen Signalverdrahtungsschichten (16) W und/oder Mo enthaltende leitfähige Schichten sind, die erhalten werden können durch die Schritte:
Beschichten einer leitfähigen Paste mit zumindest einem leitfähigen Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus W und Mo, auf einem vorgegebenen Bereich aller Aluminiumnitrid-Green-Sheets, Überlagern des Aluminium-Green- Sheets und dann Brennen der überlagerten Aluminium-Green- Sheets zur Bildung der internen Signalverdrahtung (16).
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