JP2000174166A - 半導体搭載パッケ―ジ - Google Patents
半導体搭載パッケ―ジInfo
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Abstract
パッケージにおいて、パッケージの放熱特性をさらに向
上させ、かつコストパフォーマンスを改善することので
きる半導体搭載パツケージを提供する。 【解決手段】半導体素子8を搭載するダイヤモンド基板
1と、前記ダイヤモンド基板1の半導体素子8を搭載す
るのと反対の面に接合された高熱伝導性金属部材3とを
有する。
Description
タ、マイクロ波モノリシックIC(MMIC)等の大出
力半導体素子を1個あるいは複数個搭載する半導体搭載
パッケージに関するものである。
上に伴い、半導体素子から発生する熱量が増大してきて
いる。また、電子機器の小型化、軽量化への市場の要求
は大きく、半導体素子の実装密度は増加の一途をたどっ
ている。したがって、半導体素子を搭載するモジュール
に要求される放熱特性は、一層厳しいものとなってい
る。
ルでは、熱伝導性の高い材料をヒートシンクにして基板
を構成し、その上に半導体素子を搭載し、半導体素子か
らの発熱を効率的に拡散させて、半導体素子の加熱を防
いでいる。従来のヒートシンクの材料として、AlN
(窒化アルミニウム)やBeO(酸化ベリリウム)が広
く使用されてきたが、BeOは放熱性が不十分である上
に加工性が悪く毒性も強いという欠点がある。AlNは
毒性がないものの放熱性がさらに低く、BeOの代替材
料としては不適切であった。
わせて放熱性を向上させたセラミックスパッケージが開
示されているが(特開平7−99268号公報)、それ
でも十分な放熱性を確保するのは困難であった。
物質中最も熱伝導率が高く、前記のようなモジュールの
熱抵抗を下げるには理想的な材料である。ところが、こ
の用途に用いるには価格が高過ぎるという問題点があっ
た。近年開発が進んでいる気相合成ダイヤモンドは、天
然ダイヤモンド、高圧合成ダイヤモンドに比べて大面積
の合成ができ、価格が安いという利点がある。ただし、
熱膨張率は、搭載される半導体素子に比べて小さく、ロ
ウ付けをして素子を搭載した後割れてしまうという問題
がある。
C,AlN等の基板の上にダイヤモンドを薄くコーティ
ングしたヒートスプレッダを提案した(「半導体モジュ
ール」特願平10−6238号、平成10年1月16日出
願)。それによれば、半導体素子からの発熱を、ダイヤ
モンドの薄膜を2次元的に拡散させることによって除去
し、薄膜であるのでダイヤモンドの製造コストは安く、
かつ薄膜であるので、ダイヤモンド表面の実効熱膨張率
が増大するため、半導体素子のロウ付けにも有利であ
る。
放熱性パッケージの放熱特性をさらに向上させ、コスト
パフォーマンスを改善し、かつ搭載する半導体素子の出
力増大に対応することのできる半導体搭載パッケージを
提供することを目的とする。
ケージは、図1に示すように、半導体素子8を搭載する
ダイヤモンド基板1と、前記ダイヤモンド基板1の半導
体素子8を搭載するのと反対の面に接合された高熱伝導
性金属部材3を含むものである(請求項1)。ダイヤモ
ンド基板1の数は、1個でも複数個でもよい。また本発
明の半導体搭載パッケージは、図2に示すように、表面
の一部又は全部にダイヤモンドがコーティングされたダ
イヤモンドコーティング基板2と、このダイヤモンドコ
ーティング基板2の半導体素子8を搭載するのと反対の
面に接合された高熱伝導性金属部材3を含むものである
(請求項2)。ダイヤモンドコーティング基板2はS
i,AlN,SiC,CuWの少なくとも一種を含むこ
とが好ましく、さらにCuMo,CuWMoを含んでい
てもよい。ダイヤモンドコーティング基板2の数は、1
個でも複数個でもよい。
ることが好ましい(請求項3)。気相合成法によれば、
高熱伝導性のダイヤモンドを大面積にわたり、かつ安価
に得ることができる。気相合成法としては種々提案され
ているが、十分な面積と熱伝導率(1000W/m・K
以上が好ましい)を有するダイヤモンドを得ることがで
きればどれを用いてもよい。例えば、マイクロ波プラズ
マCVD法、燃焼炎法、熱フィラメントCVD法等をあ
げることができる。
1を用いる場合には100μm以上500μm以下、ダ
イヤモンドがコーティングされたダイヤモンドコーティ
ング基板2を用いる場合には10μm以上200μm以
下であることが好ましい。ダイヤモンドは合成後、その
成長表面を鏡面研磨し、レーザ光等によって必要な大き
さにカットする。このときのサイズは搭載する半導体素
子の形状、半導体素子の発熱部分の分布状況によっても
異なるが、搭載する半導体素子の面積の2〜10倍程度
が好ましい。
は、半導体素子を接合するためにAu,Mo,Ni,P
t,Pd,Ti,Cu,Al等から選ばれた少なくとも
1種を含むメタライズ層を形成する。そして、半導体素
子をこのメタライズ層の上に、AuSn,AuGe,A
uSi等のロウ材によって固定する。これらメタライズ
層及びロウ材層の厚さは合計で0.1μm〜50μm程
度であることが好ましい。
ヒートスプレッド効果を補助する目的で使用されるもの
で、これによりダイヤモンドの使用量を抑えつつ、その
放熱性を維持し又は向上させることができる。したがっ
て、パッケージ全体のコストパフォーマンスの改善を
し、搭載する半導体素子の発熱量の増加を許容すること
ができる。高熱伝導性金属部材3の熱伝導率は、大きい
程よいが、300W/m・K以上(請求項4)、より好
ましくは350W/m・K以上であれば、十分効果を発
揮する。このような材料の例として、Cu若しくはCu
を含む合金若しくはその焼結体、又はAu若しくはAu
を含む合金若しくはその焼結体をあげることができる
(請求項5)。この中で、Cuが最も熱伝導率が高く、
コストも安いので好ましい。
とそのヒートスプレッド効果を十分発揮することができ
ず、逆に厚すぎると厚さ方向の熱抵抗が大きくなり、パ
ッケージ全体の放熱特性を悪化させる。高熱伝導性金属
部材3の厚さは好ましくは20μm〜3mm(請求項
6)がよく、より好ましくは40μm〜1mmがよい。
その面積はダイヤモンド基板1又はダイヤモンドコーテ
ィング基板2の面積と同じかそれ以上であることが好ま
しいが、特に金属基板4を使用する場合はそれ以下であ
っても効果を発揮する。
ンド基板1又はダイヤモンドコーティング基板2の半導
体素子8を搭載する面に配置してはならない。高熱伝導
性金属部材3の熱伝導率はダイヤモンドの熱伝導率(1
000W/m・K)よりも低いため、これが、ダイヤモ
ンド基板1又はダイヤモンドコーティング基板2の半導
体素子8を搭載する面と半導体素子8との間に入ると、
ダイヤモンドの熱拡散効果を阻害することになるからで
ある。
基板等に取り付けてもよいが、機械的強度その他の面で
問題があるときは、金属基板4をさらに配置することが
できる。図3は、ダイヤモンド基板1に半導体素子8を
搭載する場合に、高熱伝導性金属部材3のダイヤモンド
基板1のある面と反対の面に金属基板4を配置した状態
を示す(請求項7)。
に半導体素子8を搭載する場合に、高熱伝導性金属部材
3のダイヤモンドコーティング基板2のある面と反対の
面に金属基板4を配置した状態を示す(請求項8)。金
属基板4には、Cu若しくはCuを含む合金、その焼結
体、又はクラッド材を使用することができる(請求項
9)。例えば、Cu、CuW合金、CuMo合金、Cu
−Mo−Cuクラッド材などの一般的なパッケージベー
ス材を使用することができる。その際、金属基板4の表
面にはAu,Mo,Ti,Ni,Pt,Cu,Al等か
ら選ばれた少なくも1種からなるメタライズ層を形成
し、AuSnやAuSi、あるいはAgを主成分とする
ロウ材を用いて高熱伝導性金属部材3をロウ付けする。
り付ける部分の形状は、高熱伝導性金属部材3の厚さに
応じて、薄くなっていてもよい。また、金属基板4はプ
リント基板などに取り付けるためのネジ穴が設けられて
いてもよい。金属基板4を使用しない場合は、高熱伝導
性金属部材3にプリント基板などに取り付けるためのネ
ジ穴が設けられていてもよい。高熱伝導性金属部材に、
半導体素子に信号を入出力するリードフレームを取り付
ける場合、通常、リードと高熱伝導性金属部材は電気的
に絶縁される必要があり、絶縁性のセラミックス部材を
介してリードフレームを取り付けることになる。ここ
で、高熱伝導性金属部材とセラミックス部材との間に、
セラミックスの熱膨張率に適合した低熱膨張率金属部材
を介在させることによって、セラミックス部材と高熱伝
導性金属部材との間の熱膨張率の差によって生じる反り
やクラックを抑えることが可能となり、半導体素子及び
パッケージ全体の信頼性をさらに向上させることができ
る(請求項10)。
はアルミナ、あるいはアルミナを主成分とするセラミッ
クスを用いるのが好ましい(請求項11)。このセラミ
ックス部材を高熱伝導性金属部材に取り付ける場合、介
在させる低熱膨張率金属部材としては、室温からロウ付
け温度までの平均の熱膨張率が5〜13ppm/°Cである
ものが好ましく(請求項12)、そのようなものとして
CuW焼結体、コバール、Cu−Mo−Cuクラッド材
等が挙げられる(請求項13)。特に、CuW焼結体
は、アルミナセラミックスとの熱膨張係数が近く、非常
に有効である。
属部材、セラミックス部材、リードの表面には、Au,
Mo,Ti,Ni,Pt,Cu,Alなどから選ばれた
少なくとも一種からなるメタライズ層を形成し、AuS
n,AuSi等の金系のロウ材、あるいはAg系のロウ
材でロウ付けすることが可能である。図5及び図6に、
リードフレームを取り付けるため、高熱伝導性金属部材
3及び低熱膨張率金属部材5を用いたパッケージの具体
例を示す。図6に示すように、セラミックス部材6及び
低熱膨張率金属部材5は、枠状に形成する。そして、こ
の枠の内部に高熱伝導性金属部材3を挿入し、その表面
にダイヤモンド基板1あるいはダイヤモンドコーティン
グ基板2を搭載する。この場合、低熱膨張率金属部材5
に、プリント基板などに取り付けるためのネジ穴が設け
られていてもよい。また、底面は、図5に示すように高
熱伝導性金属部材3が低熱膨張率金属部材5の穴から若
干飛び出していることが望ましい(請求項14)。こう
することによって、ダイヤモンドから高熱伝導性金属基
板を介して伝導してきた熱を外部に効率よく排出するこ
とができる。
m)をそれぞれ用意し、ダイヤモンドパウダーを使って傷
つけ処理をした後、熱フィラメントCVD法により、ダ
イヤモンドを成長させた。成長条件は、原料ガス 1.2
%メタン−水素、流量500sccm、圧力70Torr、基板
温度710°C、フィラメント タングステン、フィラ
メント温度 2090°Cである。ダイヤモンドの膜厚
は、研磨後に20μm、50μm、100μmとなるよ
うにした。このダイヤモンドの熱伝導率をレーザフラッ
シュ法で測定したところ、1240W/mKであった。
に切断し、全体の厚さが0.4mmになるように研磨し
た後、側面を含む全表面にメタライズを施した。メタラ
イズ層の組成は表面よりAu3μm/Pt0.05μm
/Ti0.1μmである。 (2)ダイヤモンド基板の作製 Si基板上に、(1)と同一の条件でダイヤモンドを成長
させた。ダイヤモンドの膜厚は、研磨後に200,30
0,400μmとなるようにした。研磨後、Si基板を
除去し、ダイヤモンドの基板を得た。これもレーザで基
板を10mm×5mmに切断し、側面を含む全表面にメ
タライズを施した。
=0.1mm,0.5mm,3mmの3種類用意した。
この銅板の縦横寸法は11mm×8mmである。なお、
銅板のないもの(D=0)も作製した。また、CuWか
らなる金属基板を用意した。金属基板の形状は15mm
×10mm×1.6mmである。この金属基板の上に、
ロウ材(AuGe)/銅板/ロウ材(AuGe)を積み重ね、その上
に(1)で作製したダイヤモンドコーティング基板又は(2)
で作製したダイヤモンド基板を重ねて、加熱して貼り合
わせた。そして、ダイヤモンドの上にシリコンマイクロ
波パワー半導体素子を貼り付けて半導体搭載パッケージ
を作製した。
ィング基板又は(2)で作製したダイヤモンド基板の半導
体素子搭載面の反対面に、ロウ材(AuGe)を使って銅板を
貼り付けただけの金属基板なしの試料も作製した。金属
基板なしの試料は、図5に示した構造のものとした。低
熱膨張率金属部材としてCuW焼結体を使用し、セラミ
ックス部材としてアルミナを使用した。銅板をCuW焼
結体の枠にはめ込むため、銅板には全周にわたって幅
1.5mm,高さ0.2mmの段を形成する。その段に
Agロウを置き、CuW焼結体の枠にはめ込んで、アル
ミナとともにAgロウ付けを行った後、(1)で作製した
ダイヤモンド基板又は(2)で作製したダイヤモンドコー
ティング基板をAuGeロウを用いて貼り付けた。銅板
の底面は、CuW焼結体の底面より0.1mm程度飛び
出ているものと、0.1mm程度引っ込んでいるものを
作製した。
クロ波パワー半導体素子を貼り付けて、所定の入力信号
を与えて半導体素子を動作させた。その際に、パッケー
ジ底面の温度を熱電対で測定し、半導体素子の表面の温
度を放射温度計によって測定し、パッケージ全体の熱抵
抗を次の式によって算出した。 熱抵抗=(素子表面温度−パッケージ底面温度)/(入
力電力−出力電力) 測定結果を表1に示す。
付けた場合(下記(5))の熱抵抗値を1とした相対値で
ある。この数字が低いほど熱抵抗は少なくなる。ここ
で、「金属基板なしa」は、銅板の底面が、CuW焼結
体の底面より0.1mm程度飛び出ているもの、「金属
基板なしb」は、0.1mm程度引っ込んでいるものを
いう。この表1から、ダイヤモンドコーティング基板を
使用すると、使用しない場合(5)に比べて熱抵抗は下が
っていることが分かる。ダイヤモンド単独の場合は熱抵
抗はさらに下がっている。
さDが適度の厚さ(D=0.1mm,0.5mm)であ
ると、銅板のない場合(D=0)よりも、熱抵抗が下が
ることが分かる。しかし、銅板の厚さDが極端に厚いと
(D=3mm)、熱抵抗は増加している。また、金属基
板がないほうが、ある場合より熱抵抗は少し下がってい
るが、ごくわずかの変化である。この理由は、ダイヤモ
ンドと高熱伝導性金属部材により、半導体素子から発せ
られた熱は十分に2次元的に拡散され、金属基板に到達
するときにはその単位面積当たりに流入する熱量がごく
少量となっているからである。
挿入 前記 (2)で作製したダイヤモンド基板に、ロウ材(AuGe)
/15mm×10mm×厚さDの銅板を積み重ね、加熱
して貼り合わせた。その上に半導体素子を貼り付けた。
測定結果を表2に示す。数字は (5)の熱抵抗値を1とし
た相対値である。
の間に銅板が挿入されていれば、銅板が挿入されていな
い表1の場合と比べて、放熱性が劣化することが分か
る。 (5)ダイヤモンドなし 15mm×10mm×1.6mmのCuWからなる金属
基板に、半導体素子を直接貼り付けた。この場合の熱抵
抗の測定値を1としている。 <実施例2>前記のダイヤモンド基板及びダイヤモンド
コーティング基板として、サイズ2.4mm×5mmの
ものを4つ搭載し、それぞれに実施例1と同様の半導体
素子を1個ずつ搭載したものを作製し、熱抵抗を評価し
たところ、表3のようになった。
構造のものは、銅板の底面が飛び出ているものであれ
ば、金属基板のある場合すなわち図3や図4に示した構
造のものと比べて、熱抵抗値はほとんど変わらない。し
かし、銅板の底面が引っ込んでいるものは、熱抵抗値が
1に近くなり、かなり悪くなっている。銅板の底面が引
っ込んでいると、銅板からいったんCuW焼結体へ伝わ
った後そこから放熱されるので放熱効率が悪くなるから
である。
ージによれば、ダイヤモンド及び高熱伝導性金属部材を
使用することにより、パッケージ全体の放熱性を向上さ
せることができる。したがって、同一放熱性を前提とす
ると、ダイヤモンドの使用量が減り、コストダウンが可
能となる。
前記ダイヤモンド基板1の半導体素子を搭載するのと反
対の面に接合された高熱伝導性金属部材3を含む本発明
の半導体搭載パッケージを示す側面図である。
ングされたダイヤモンドコーティング基板2と、このダ
イヤモンドコーティング基板2の半導体素子を搭載する
のと反対の面に接合された高熱伝導性金属部材3を含む
本発明の半導体搭載パッケージを示す側面図である。
ある面と反対の面に金属基板4を配置した状態を示す側
面図である。
ング基板2のある面と反対の面に金属基板4を配置した
状態を示す側面図である。
用いたパッケージの具体例を示す側断面図である。
Claims (14)
- 【請求項1】半導体素子を1個あるいは複数個搭載する
半導体搭載パッケージにおいて、 半導体素子を搭載する1個又は複数個のダイヤモンド基
板と、前記ダイヤモンド基板の半導体素子を搭載するの
と反対の面に接合された高熱伝導性金属部材とを含むこ
とを特徴とする半導体搭載パッケージ。 - 【請求項2】半導体素子を1個あるいは複数個搭載する
半導体搭載パッケージにおいて、 表面の一部又は全部にダイヤモンドがコーティングされ
た1個又は複数個のダイヤモンドコーティング基板と、
このダイヤモンドコーティング基板の半導体素子を搭載
するのと反対の面に接合された高熱伝導性金属部材とを
含むことを特徴とする半導体搭載パッケージ。 - 【請求項3】ダイヤモンドは気相合成法により製造され
ることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体
搭載パッケージ。 - 【請求項4】高熱伝導性金属部材の熱伝導率は、300
W/m・K以上である請求項1又は請求項2記載の半導
体搭載パッケージ。 - 【請求項5】高熱伝導性金属部材は、Cu若しくはCu
を含む合金若しくはその焼結体、又はAu若しくはAu
を含む合金若しくはその焼結体である請求項1又は請求
項2記載の半導体搭載パッケージ。 - 【請求項6】高熱伝導性金属部材の厚さは 20μm〜
3mmである請求項1又は請求項2記載の半導体搭載パ
ッケージ。 - 【請求項7】高熱伝導性金属部材のダイヤモンド基板の
ある面と反対の面に金属基板を配置した請求項1記載の
半導体搭載パッケージ。 - 【請求項8】高熱伝導性金属部材のダイヤモンドコーテ
ィング基板のある面と反対の面に金属基板を配置した請
求項2記載の半導体搭載パッケージ。 - 【請求項9】金属基板が、Cu若しくはCuを含む合
金、その焼結体、又はクラッド材からなる請求項7又は
請求項8記載の半導体搭載パッケージ。 - 【請求項10】リードフレームと、リードを高熱伝導性
金属部材から絶縁するためのセラミックス部材と、低熱
膨張率金属部材とを有し、高熱伝導性金属部材とセラミ
ックス部材との接合部に低熱膨張率金属部材が介在する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体搭
載パッケージ。 - 【請求項11】セラミックス部材がアルミナであるか、
又はアルミナを主成分とするセラミックスである請求項
10記載の半導体搭載パッケージ。 - 【請求項12】低熱膨張率金属部材の熱膨張率の、室温
から800°Cまでの平均値が5〜13ppm/°Cである
請求項10記載の半導体搭載パッケージ。 - 【請求項13】低熱膨張率金属部材がCu,W,Moの
うち少なくとも2種類を含む合金若しくはその焼結体又
はクラッド材である請求項10記載の半導体搭載パッケ
ージ。 - 【請求項14】低熱膨張率金属部材及び及びセラミック
ス部材は枠状であり、その枠中に高熱伝導性金属部材が
埋め込まれ、高熱伝導性金属部材の底面は、低熱膨張率
金属部材の底面より出ている請求項10記載の半導体搭
載パッケージ。
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