JP2023071204A - パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージの放熱特性を十分に確保しつつ、熱膨張差に起因した反りまたは応力を十分に抑制することが、低コストで可能なパッケージを提供する。【解決手段】パッケージ５１は、蓋体８０によって封止されることになるキャビティＣＶを有している。セラミック枠体６１は、平面視においてキャビティＣＶを囲んでいる。第１ヒートシンク層３０は、キャビティＣＶに面する内側領域ＲＩとセラミック枠体６１を支持する外側領域ＲＯとを有する第１面Ｓ１と、第１面Ｓ１と反対の第２面Ｓ２とを有している。第１ヒートシンク層３０は、第１セラミック層３１と、複数の第１金属ビア３２とを含む。第１セラミック層３１は、第１面Ｓ１および第２面Ｓ２をなしており、第１面と第２面との間に複数の第１ビアホールＶＨ１が設けられている。複数の第１金属ビア３２は第１セラミック層３１の複数の第１ビアホールＶＨ１内に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、パッケージに関し、特に、蓋体によって封止されることになるキャビティを有するパッケージに関するものである。

電力用半導体素子などの電子部品を収納するために、キャビティを有するパッケージがしばしば用いられる。パッケージのキャビティ中へ電子部品が搭載された後、パッケージに蓋体が接合されることによって、キャビティが気密に封止される。これにより、外部環境から保護された電子部品を有する電子装置が得られる。ヒートシンクの底面（電子部品が搭載された面と反対の面）は、通常、それを支持する支持部材へ取り付けられることになる。支持部材は、例えば、実装ボードまたは放熱部材である。支持部材は、ヒートシンクの底面へ熱的に接触させられる。ヒートシンクを介することによって電子部品からの熱が効率的にパッケージの外部へ（典型的には支持部材へ）と排出される。これにより、電子部品の温度上昇が、例えば１５０℃程度までに抑えられる。一方で、電子装置が置かれた外部環境によっては、パッケージの温度は氷点下温度にまで低下する。よって電子装置は、これら温度差に起因したヒートサイクルにさらされる。

特開２００３－２８２７５１号公報（特許文献１）に開示された技術によれば、ヒートシンク板としてＣｕ（銅）またはＣｕ系金属板が用いられる。Ｃｕは、安価でありながら、３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率を有している。よって、ヒートシンク板の材料コストを抑えつつ、ヒートシンク板の放熱性を高めることができる。この技術によれば、まず、ヒートシンク板上に半導体素子が、ろう付けによって実装される。次に、予め外部接続端子が接合されている枠体がヒートシンク板上に、半導体素子を囲むように接合される。この接合に低融点接合材を用いることによって、半導体素子のろう付け温度未満の温度で枠体が接合される。次に、枠体の上面側に蓋体が接合されることによって、キャビティが封止される。これにより電子装置が得られる。

特開２０１５－２０４４２６号公報（特許文献２）によれば、パッケージは、ヒートシンク板と、セラミック枠体とを有している。ヒートシンク板は、長方形状の金属板であり、その上面に搭載された電子部品から発生する熱を放散させるためのものである。セラミック枠体は、電子部品が載置される部位を囲繞するようにヒートシンク板に接合されている。当該接合は、ろう付けによって行われる。ろう付け温度は７８０℃程度である。セラミック枠体は、例えば、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる。ヒートシンク板は金属板である。この金属板は、熱伝導率が高く、かつ、セラミック枠体とのろう付け時の熱膨張係数差によるパッケージの反りを緩和できるものである。

特開２００５－２４３８１９号公報（特許文献３）によれば、ヒートシンクにＣＰＣ（登録商標）が広く用いられていることが開示されている。ＣＰＣは、Ｃｕ－Ｍｏ（モリブデン）合金層と、その上下に設けられたＣｕ層と、を有する複合金属板（複合材料）である。ＣＰＣの線膨張係数はＣｕの線膨張係数に比して低い。よって、ヒートシンク材料として、Ｃｕに代わってＣＰＣを用いることによって、ヒートシンクの線膨張係数をセラミックの熱膨張係数に近づけることができる。

特開２００３－２８２７５１号公報 特開２０１５－２０４４２６号公報 特開２００５－２４３８１９号公報

上記特開２０１５－２０４４２６号公報の技術においては、ヒートシンクとしての金属板は、熱伝導率が高く、かつ、ろう付け処理時においてセラミック枠体との熱膨張差が小さいものが選択される。そのような条件を満たすことが意図された典型的材料が、上記特開２００５－２４３８１９号公報に記載されているＣＰＣである。ヒートシンク材料としてＣＰＣが用いられる場合は、Ｃｕが用いられる場合に比して、ヒートシンクとセラミック枠体との間の熱膨張差に起因してのパッケージの反りまたは応力を小さくすることができる。しかしながら、ＣＰＣまたはこれに類した材料は、Ｃｕに比してかなり高価である。よって、より安価な材料を用いつつ、パッケージの反りまたは応力を小さくすることが望まれる。ヒートシンク材料として金属材料に代わってセラミック材料を用いると、上記熱膨張差を抑制することができるものの、通常、セラミック材料は金属材料に比して低い熱伝導率を有しているので、ヒートシンクの放熱特性が不十分となりやすい。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パッケージの放熱特性を十分に確保しつつ、熱膨張差に起因した反りまたは応力を十分に抑制することができるパッケージを提供することである。

パッケージは、蓋体によって封止されることになるキャビティを有している。パッケージは、平面視においてキャビティを囲むセラミック枠体と、第１ヒートシンク層とを含む。第１ヒートシンク層は、キャビティに面する内側領域とセラミック枠体を支持する外側領域とを有する第１面と、第１面と反対の第２面とを有している。第１ヒートシンク層は、第１セラミック層と、複数の第１金属ビアとを含む。第１セラミック層は、第１面および第２面をなしており、第１面と第２面との間に複数の第１ビアホールが設けられている。複数の第１金属ビアは第１セラミック層の複数の第１ビアホール内に配置されている。

上記のパッケージによれば、第１に、第１ヒートシンク層が複数の第１金属ビアを含むことによって、パッケージの放熱特性を十分に確保することができる。第２に、第１ヒートシンク層が第１セラミック層を含むことによって、第１ヒートシンク層とセラミック枠体との熱膨張差に起因したパッケージの反りまたは応力を十分に抑制することができる。第３に、第１ヒートシンク層としての、セラミック層に金属ビアが設けられた構成は、比較的低コストで形成することが容易である。以上から、パッケージの放熱特性を十分に確保しつつ、第１ヒートシンク層とセラミック枠体との熱膨張差に起因したパッケージの反りまたは応力を十分に抑制することが、低コストで可能である。

複数の第１金属ビアは、第１面の外側領域から外れて配置されていてよい。この場合、複数の第１金属ビアを、第１面のうち特に熱を受けやすい内側領域へ、集中的に配置することができる。これにより、第１ヒートシンク層において複数の第１金属ビアが占める割合を不必要に増加させることなく、放熱経路を効果的に配置することができる。

パッケージは、第１ヒートシンク層の第１面上に設けられ複数の第１金属ビアをつなぐ第１金属層をさらに含んでよい。この場合、熱が第１面上で分散される。これにより、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。

第１金属層は、第１面の外側領域から外れて第１面の内側領域上に配置されていてよい。この場合、第１金属層を、第１面のうち特に熱を受けやすい内側領域へ集中的に配置することができる。これにより、第１金属層の熱膨張がパッケージの反りまたは応力へ及ぼす悪影響を抑えつつ、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。

第１金属ビアが、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するビア材料からなる場合、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。ビア材料が銅を含む場合、ビア材料の熱伝導率を容易に高くすることができる。ビア材料がさらにタングステンを含む場合、第１ヒートシンク層の形成を、第１セラミック層と第１金属ビアとの同時焼成によって行いやすくなる。これにより、第１ヒートシンク層を、より低コストで形成することができる。

第１セラミック層がアルミナを含む材料からなる場合、第１セラミック層を、パッケージ用の典型的なセラミック材料によって形成することができる。金属に比して熱伝導率が劣る材料であるアルミナが用いられることによって第１ヒートシンク層の平均熱伝導率が低下するものの、当該低下は、複数の第１金属ビアによって少なくとも部分的に補われる。これにより、パッケージの放熱特性が過小となることを避けることができる。

セラミック枠体および第１セラミック層が同一の材料からなる場合、セラミック枠体と第１セラミック層との間での熱膨張差を避けることができる。

第１ヒートシンク層に占める複数の第１金属ビアの体積割合が２０％以上である場合、パッケージの放熱特性を、より十分に確保することができる。第１ヒートシンク層に占める複数の第１金属ビアの体積割合が６０％以下である場合、第１ヒートシンク層とセラミック枠体との熱膨張差に起因したパッケージの反りまたは応力を、より十分に抑制することができる。また、第１ヒートシンク層に占める第１セラミック層の体積割合が大きいことによって、第１ヒートシンク層の製造工程において、焼成によって第１セラミック層となるグリーンシートが破損しにくくなる。

複数の第１金属ビアは、第１ヒートシンク層の第１面から第２面に向かって先細りにされている金属ビアを含んでよい。この先細り形状によって、第１金属ビアによる第１面から第２面への熱伝導効率が高められる。これにより、第１ヒートシンク層において複数の第１金属ビアが占める割合を増加させることなく、パッケージの放熱特性を、より十分に確保することができる。

パッケージは第２金属層をさらに含んでよい。第２金属層は、第１ヒートシンク層の第２面上に設けられており、複数の第１金属ビアをつないでいる。これにより、熱が第２面上で分散される。よって、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。

第２金属層は、平面視において、第１面の内側領域および外側領域にまたがっていてよい。この場合、熱が第２面上で、より広く分散される。これにより、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。

パッケージは第２ヒートシンク層をさらに含んでよい。第２ヒートシンク層は、第２金属層に面する第３面と、第３面と反対の第４面とを有している。第２ヒートシンク層は、第２セラミック層と、複数の第２金属ビアとを含む。第２セラミック層は、第３面および第４面をなしており、第３面と第４面との間に複数の第２ビアホールが設けられている。複数の第２金属ビアは、第２セラミック層の複数の第２ビアホール内に配置されている。この構造によれば、複数の第１金属ビアにより厚み方向において伝達された熱が、第２金属層によって面内方向において拡散された後、複数の第２金属ビアにより厚み方向においてさらに伝達される。これにより、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。

第２ヒートシンク層の複数の第２金属ビアは、平面視において、第１ヒートシンク層の第１面の内側領域に含まれる金属ビアだけでなく、第１ヒートシンク層の第１面の外側領域に少なくとも部分的に含まれる金属ビアも含んでよい。この場合、熱の伝導経路が第２ヒートシンク層において、より広く分散される。よって、パッケージの放熱特性を、より高めることができる。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る電子装置の構成を、キャビティ内部が見えるようにその一部の図示を省略して示す概略斜視図である。 図１の電子装置の線ＩＩ－ＩＩに沿う概略断面図である。 図２の電子装置の部品としてのパッケージの構成を示す概略断面図である。 比較例のパッケージの構成を示す概略断面図である。 図４のパッケージを用いた電子装置の構成を示す概略断面図である。 銅（Ｃｕ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と複合材料（ＣＰＣ）との各々の線膨張係数（ＣＴＥ）の温度依存性を例示するグラフ図である。 第１ヒートシンク層に占める第１金属ビアの体積割合Ｓ_Ｂと第１ヒートシンク層の熱抵抗Θ_ｊｃとの関係のシミュレーション結果（実線）を、ヒートシンク板にＣＰＣが用いられた場合の熱抵抗Θ_ｊｃのシミュレーション結果（破線）と共に示すグラフ図である。 実施の形態２に係るパッケージの構成を示す概略断面図である。 実施の形態３に係るパッケージの構成を示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお本明細書において、金属は、特段の記載がない限り、純金属および合金のいずれをも意味し得る。また線膨張係数（ＣＴＥ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の値は、温度２５℃（室温）における長さがＬ_２５でありかつ温度Ｔにおける長さがＬ_Ｔであるとき、
｛（Ｌ_Ｔ－Ｌ_２５）／（Ｔ－２５）｝／Ｌ_２５
によって定義される。線膨張係数に異方性がある場合は、面内方向のものが採用される。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る電子装置９０の構成を示す概略斜視図である。図２は、図１の電子装置９０の線ＩＩ－ＩＩに沿う概略断面図である。電子装置９０は、パッケージ５１と、蓋体８０と、電子部品８とを有している。また電子装置９０は接着層７０を有していてよい。また電子装置９０は、ワイヤ９（配線部材）を有していてよい。なお図１においては、パッケージ５１が有するキャビティＣＶの内部が部分的に見えるように、蓋体８０および接着層７０の図示が部分的に省略されている。電子部品８はパワー半導体素子であってよく、この場合、電子装置９０はパワーモジュールである。パワー半導体素子は高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用であってよく、この場合、電子装置９０はＲＦパワーモジュールである。なお、図１および図２においては１つの電子部品８が図示されているが、パッケージ５１へは複数の電子部品８が搭載されていてよい。

図３は、電子装置９０（図２）の部品としてのパッケージ５１の構成を示す概略断面図である。電子装置９０の製造のためにパッケージ５１が準備された時点では、図３に示されているように、電子部品８は未だ実装されていない。パッケージ５１は、蓋体８０によって封止されることになるキャビティＣＶを有している。パッケージ５１は、セラミック枠体６１と、第１ヒートシンク層３０と、リードフレーム６５（金属端子）と、第１金属層１０と、第２金属層２０とを含む。

セラミック枠体６１は平面視（厚み方向に垂直な平面への射影）においてキャビティＣＶを囲んでいる。セラミック枠体６１の外縁は、図１に示されているように矩形形状を有していてよく、その各辺の大きさは、例えば、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。セラミック枠体６１の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。厚みが０．１ｍｍ以上の場合、焼成によってセラミック枠体６１となるグリーンシートの形成が容易である。厚みが１ｍｍ以下の場合、厚み方向（図２における縦方向）におけるワイヤ９（図２）の寸法が過大となることが避けられ、よってワイヤ９のインダクタンスが過大となることが避けられる。

第１ヒートシンク層３０は、第１面Ｓ１と、第１面Ｓ１と反対の第２面Ｓ２とを有している。第１面Ｓ１および第２面Ｓ２の各々は、厚み方向に垂直な平坦面であってよい。第１面Ｓ１は、第１金属層１０を介してキャビティＣＶに面する内側領域ＲＩと、セラミック枠体６１を支持する外側領域ＲＯとを有している。第１ヒートシンク層３０は、第１セラミック層３１と、複数の第１金属ビア３２とを含む。

第１セラミック層３１は、第１面Ｓ１および第２面Ｓ２をなしており、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２との間に複数の第１ビアホールＶＨ１が設けられている。第１セラミック層３１の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である。厚みが０．１ｍｍ以上の場合、焼成によって第１セラミック層３１となるグリーンシートの形成が容易である。厚みが３．０ｍｍ以下の場合、第１ヒートシンク層３０の放熱性を確保しやすい。第１セラミック層３１は、アルミナを含む材料からなっていてよく、例えば、実質的にアルミナからなる。セラミック枠体６１および第１セラミック層３１は同一の材料からなっていてよく、この場合、セラミック枠体６１と第１セラミック層３１との境界面は仮想的なものであってよい。この仮想的境界面は、例えば、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１の内側領域ＲＩの外挿面として定義されてよい。セラミック枠体６１および第１セラミック層３１は、セラミック部材として一体に形成されている。この形成は、典型的には、セラミック枠体６１となるグリーンシートと、第１セラミック層３１となるグリーンシートと、の積層体が焼成されることによって行われる。

複数の第１金属ビア３２は第１セラミック層３１の複数の第１ビアホールＶＨ１内に配置されている。複数の第１金属ビア３２は、第１面Ｓ１の外側領域ＲＯから外れて配置されている。第１ヒートシンク層３０に占める複数の第１金属ビア３２の体積割合は、２０％以上６０％以下であることが好ましい。第１金属ビア３２は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するビア材料からなる。高い熱伝導率を得るためには、ビア材料はＣｕを含むことが好ましい。なお、ビア材料の熱伝導率は、高熱伝導材料が適用されたとしても、通常、４５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度が上限である。ビア材料はさらにＷ（タングステン）を含んでよい。言い換えれば、ビア材料は、Ｃｕ－Ｗ合金、またはＣｕとＷとの混合組織であってよい。ＣｕだけでなくＷを含むことによって、第１セラミック層３１と第１金属ビア３２との両方を、同時焼成によって形成することが容易となる。同時焼成が行われる場合、Ｗの割合は、３０体積％以上８０体積％以下であることが好ましい。第１金属ビア３２は、金属粉末の焼結によって形成されてよい。金属粉末は、ペースト中に分散された状態でビアホール中に充填された後に、焼結されてよい。なお、金属ビアの形成方法についての上記記載は、第１金属ビア３２ついてだけでなく、後述する他の金属ビアについても、同様であってよい。

第１面Ｓ１における各第１金属ビア３２の面積は、例えば、０．００１ｍｍ^２以上０．２ｍｍ^２以下である。第１面Ｓ１における各第１金属ビア３２の形状は、楕円であってよく、実質的に円であってよい。当該形状が円の場合、その直径は、例えば、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。これら好適条件は、第２面Ｓ２上においても同様である。

第１金属層１０は、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１上に設けられており、複数の第１金属ビア３２をつないでいる。第１金属層１０は、第１面Ｓ１の外側領域ＲＯから外れて第１面Ｓ１の内側領域ＲＩ上に配置されている。第１金属層１０は、キャビティＣＶの底面ＭＴを構成している。第１金属層１０は、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１上に直接設けられた第１メタライズ層１１と、第１ヒートシンク層の第１面Ｓ１上に第１メタライズ層１１を介して設けられた第１めっき層１２とを含む。

第１メタライズ層１１は、金属粉末の焼結によって形成されていてよい。金属粉末は、ペースト中に分散された状態でセラミック層上に塗布された後に焼結されてよい。第１メタライズ層１１の材料は、前述したビア材料と同様であってよい。第１メタライズ層１１の厚みは、例えば、０．００５ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下である。厚みがこの範囲の場合、上記ペーストのスクリーン印刷を利用した製法を適用しやすい。なお、形成方法、材料、および厚み範囲についての上記記載は、第１メタライズ層１１についてだけでなく、後述する他のメタライズ層についても、同様であってよい。

第１めっき層１２の厚みは、例えば、０．００１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下である。厚みが０．０５ｍｍ以下の場合、めっき工程を、工業的に許容される時間内に実施しやすい。第１めっき層１２はＣｕめっき層を含んでいてよい。第１めっき層１２は、Ｃｕめっき層と、その上にめっきされたＡｇ（銀）層との積層構造を有していてよい。なお、厚み範囲および材料についての上記記載は、第１めっき層１２についてだけでなく、後述する他のめっき層についても、同様であってよい。

第２金属層２０は、第１ヒートシンク層３０の第２面Ｓ２上に設けられており、複数の第１金属ビア３２をつないでいる。第２金属層２０は、平面視において、第１面Ｓ１の内側領域ＲＩおよび外側領域ＲＯにまたがっている。第２金属層２０は、第１ヒートシンク層の第２面Ｓ２上に直接設けられた第２メタライズ層２１と、第１ヒートシンク層３０の第２面Ｓ２上に第２メタライズ層２１を介して設けられた第２めっき層２２とを含む。

リードフレーム６５は、キャビティＣＶの内部と外部とをつなぐ電気的経路を構成している。リードフレーム６５の材料は、Ｃｕを含んでいてよく、例えば実質的にＣｕからなる。リードフレーム６５はセラミック枠体６１上に設けられている。リードフレーム６５とセラミック枠体６１との間には、両者を互いに接合するための接合材（図示せず）が設けられていてよい。この接合材は、Ａｇシンター接合によって形成されていてよく、その場合、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂）とＡｇ粒子との混合物である。

次に、電子装置９０（図２）の製造方法の例について、以下に説明する。

図３を参照して、まずパッケージ５１（図３）が準備される。図２を参照して、パッケージ５１のキャビティＣＶの底面ＭＴ上に電子部品８が搭載される。この搭載は、はんだ付けによって行われてよい。言い換えれば、電子部品８の搭載のための実装材７として、はんだ材が用いられてよい。次に、電子部品８がリードフレーム６５に、ワイヤ９によって電気的に接続される。ワイヤ９はワイヤボンディングによって形成されてよい。

蓋体８０が準備される。蓋体８０は、セラミック材料からなっていてよく、このセラミック材料は主成分としてアルミナを含んでいてよく、例えば、実質的にアルミナである。あるいは、蓋体８０は樹脂を含んでいてよい。樹脂は、例えば、液晶ポリマーである。なお当該樹脂中に無機フィラーが分散されていてもよく、無機材フィラーは、例えばシリカ粒である。樹脂中に無機フィラーが分散されていることによって、蓋体８０の強度および耐久性を高めることができる。

次に、リードフレーム６５が設けられたセラミック枠体６１上に、蓋体８０が接着層７０を介して載置される。接着層７０は、本例においては熱硬化性樹脂を含み、当該載置の時点では半硬化状態にある。接着層７０は、セラミック枠体６１上にキャビティＣＶを囲むように設けられる。接着層７０は、図２に示されているように、セラミック枠体６１上にリードフレーム６５を介して設けられる部分を有していてよい。接着層７０の、蓋体８０とパッケージ５１との間での厚みは、例えば、１００μｍ以上３６０μｍ以下である。蓋体８０は、キャビティＣＶ（図１）に面する内面８１ｉと、その反対の外面８１ｏとを有していてよく、また典型的には、内面８１ｉ上には、セラミック枠体６１の枠形状におおよそ対応した枠形状を有する突起である枠部８１ｐが設けられている。この場合、接着層７０は枠部８１ｐに接する。

次に、蓋体８０がセラミック枠体６１へ所定の荷重で押し付けられる。適切な荷重は、パッケージ５１の寸法設計に依存するが、例えば５００ｇ以上１ｋｇ以下程度である。荷重での押し付けが行われながら、接着層７０が加熱される。加熱された接着層７０は、まず軟化状態へと変化する。これにより接着層７０の粘度が低下する。その結果、接着層７０が濡れ広がる。その後、加熱による硬化反応の進行にともなって、接着層７０は硬化状態へと変化し、その結果、接着層７０は蓋体８０とセラミック枠体６１とを互いに接着する。

接着層７０は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシリコーン樹脂の少なくともいずれかを主成分として含んでいてよい。特にエポキシ樹脂は、耐熱性、機械的強度および耐薬品性をバランス良く備えている点で好ましい。これら特性を好適に有するためには、主成分としてのエポキシ樹脂の含有量が２０～４０ｗｔ％であることが好ましく、残部は硬化剤などの副成分からなってよい。具体的には、この副成分は、例えば、１～１０ｗｔ％の硬化剤と、５０～７０ｗｔ％の無機フィラーと、０．５～２ｗｔ％のカップリング剤と、０．５～２ｗｔ％の触媒と、０．１～５ｗｔ％の低応力剤とであってよい。硬化剤としてはフェノキシ樹脂化合物が用いられてよい。無機フィラーとしてはシリカが用いられてよい。触媒としては有機リンまたはホウ素塩が用いられてよい。低応力剤としてはシリコーン(silicone)が用いられてよい。接着層７０は、蓋体８０の曲げ弾性率よりも小さな曲げ弾性率を有していてよい。

以上により、図１および図２に示されているように、蓋体８０がキャビティＣＶを封止する構成が得られる。言い換えれば、電子装置９０（図１および図２）が得られる。電子装置９０の底面ＢＴ（言い換えれば、パッケージ５１の底面ＢＴ）は、支持部材１００（図２）に取り付けられることになる。支持部材１００は、例えば、実装ボードまたは放熱部材である。第１ヒートシンク層３０は、支持部材１００への取り付けのための固定具（例えば、ねじ）が通る貫通部（図示せず）を有していてもよい。

次に、パッケージ５１（図３）の製造方法の第１の例について、以下に説明する。

第１セラミック層３１となるグリーンシートが形成される。当該グリーンシートに第１ビアホールＶＨ１が、例えば、レーザ加工または打ち抜き加工によって形成される。第１ビアホールＶＨ１内に、第１金属ビア３２となるＣｕＷペースト（すなわち、ＣｕおよびＷの混合粉末を含むペースト）が充填される。また、当該グリーンシートの第１面Ｓ１上に、第１メタライズ層１１となるＣｕＷペースト層が塗布される。また、当該グリーンシートの第２面Ｓ２上に、第２メタライズ層２１となるＣｕＷペースト層が塗布される。第１セラミック層３１に、セラミック枠体６１となるグリーンシートが積層されることによって、グリーン積層体が形成される。

次に、上記グリーン積層体が、例えば１５００℃程度で焼成される。これによりセラミック積層体が得られる。次に、第１メタライズ層１１および第２メタライズ層２１のそれぞれの上に、第１めっき層１２および第２めっき層２２が形成される。次に、リードフレーム６５がセラミック枠体６１上に、例えば、前述したＡｇシンター接合によって接合される。

以上により、パッケージ５１が得られる。

次に、パッケージ５１（図３）の製造方法の第２の例について、以下に説明する。

第１セラミック層３１となるグリーンシートが形成される。当該グリーンシートに第１ビアホールＶＨ１が、例えば、レーザ加工または打ち抜き加工によって形成される。第１セラミック層３１に、セラミック枠体６１となるグリーンシートが積層されることによって、グリーン積層体が形成される。次に、上記グリーン積層体が、例えば１５００℃程度の焼成温度で焼成される。これによりセラミック積層体が形成される。

次に、第１セラミック層３１の第１ビアホールＶＨ１内に、第１金属ビア３２となるＣｕペースト（すなわち、Ｃｕ粉末を含むペースト）が充填される。また、第１セラミック層３１の第１面Ｓ１上に、第１メタライズ層１１となるＣｕペースト層が塗布される。また、第１セラミック層３１の第２面Ｓ２上に、第２メタライズ層２１となるＣｕペースト層が塗布される。次に、上記Ｃｕペーストが、セラミック積層体の焼成温度よりも低い焼成温度（例えば、６００℃～８００℃）で焼成される。これにより、第１金属ビア３２、第１メタライズ層１１および第２メタライズ層２１が形成される。

次に、第１メタライズ層１１および第２メタライズ層２１のそれぞれの上に、第１めっき層１２および第２めっき層２２が形成される。次に、リードフレーム６５がセラミック枠体６１上に、例えば、前述したＡｇシンター接合によって接合される。

以上により、パッケージ５１が得られる。

パッケージ５１の製造方法の、上述した第１および第２の例のいずれも、典型的な積層セラミックプロセス技術を用いて低コストで実施可能である。特に第１の例は、第１セラミック層３１と第１金属ビア３２との同時焼成が行われるので、製造コストを、より低減することができる。一方、第２の例は、第１金属ビア３２の組成として高Ｃｕ比率（例えば、実質的に１００％）の組成を適用することによって、高い熱伝導性を得ることができる。

図４は、比較例のパッケージ５９の構成を示す概略断面図である。図５は、図４のパッケージ５９を用いた電子装置９９の構成を示す概略断面図である。パッケージ５９は、セラミック枠体６１（図３：実施の形態１）に代わって、接合材２６によってヒートシンク板３９上に接合されたセラミック枠体２９を有している。セラミック枠体２９は、典型的にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる。接合材２６は、その形成時には流動性を有しており、図４に示されているように、セラミック枠体２９の内周面（キャビティＣＶに面する面）よりも内側へと流れ込む。流れ込む距離は、プロセス条件に依存して、例えば、０．０２５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下である。その結果、キャビティＣＶ内に電子部品８が搭載される際、電子部品８は面内方向においてセラミック枠体２９の内周面から当該距離以上離される必要がある。よって、当該距離が大きいほどワイヤ９の長さも大きくなり、その結果、ワイヤ９のインダクタンスも大きくなる。ワイヤ９のインダクタンスの増大は、通常、望まれないことである。前述した本実施の形態によれば、このような問題を避けることができる。

図６は、銅（Ｃｕ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と複合材料（ＣＰＣ）との各々の線膨張係数（ＣＴＥ）の温度依存性を例示するグラフ図である。典型的なセラミック材料であるＡｌ_２Ｏ_３の線膨張係数に対して、Ｃｕは顕著に大きな線膨張係数を有している。よって、比較例のパッケージ５９においてヒートシンク板３９がＣｕからなっていると、ヒートシンク板３９の線膨張係数と、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミック枠体２９の線膨張係数との差異が大きい。この差異に起因して、ヒートシンク板３９とセラミック枠体２９との熱膨張差に起因したパッケージ５９の反りまたは応力も大きくなる。一方、Ｃｕに代わってＣＰＣを用いれば、この差異は大幅に抑制される。よって、熱膨張差に起因したパッケージ５９の反りまたは応力も、比較的小さくなる。しかしながら、ＣＰＣ（またはこれに類した材料）は、Ｃｕに比してかなり高価である。

図７は、第１ヒートシンク層３０（図３）に占める第１金属ビア３２の体積割合Ｓ_Ｂと第１ヒートシンク層３０の熱抵抗Θ_ｊｃとの関係のシミュレーション結果（実線）を、ヒートシンク板３９（図４）にＣＰＣが用いられた場合の熱抵抗Θ_ｊｃのシミュレーション結果（破線）と共に示すグラフ図である。この結果から、体積割合Ｓ_Ｂを２０％以上とすることによって、第１ヒートシンク層３０の熱抵抗Θ_ｊｃを、ＣＰＣの場合の熱抵抗Θ_ｊｃのおおよそ２倍以下に抑えられることがわかる。さらに、体積割合Ｓ_Ｂを３０％以上とすることによって、第１ヒートシンク層３０の熱抵抗Θ_ｊｃを、ＣＰＣの場合の熱抵抗Θ_ｊｃのおおよそ１．５倍以下に抑えられることがわかる。さらに、体積割合Ｓ_Ｂを４０％以上とすることによって、第１ヒートシンク層３０の熱抵抗Θ_ｊｃを、ＣＰＣの場合の熱抵抗Θ_ｊｃとおおよそ同じにできることがわかる。

なお、上記シミュレーションは、次に記載の条件で行われている。熱抵抗Θ_ｊｃは、電子部品８（図２）としての半導体チップの上面と、パッケージ５１の底面ＢＴと、の間の温度差（単位：Ｋ）を、電子部品の出力（単位：Ｗ）で除したものである。電子部品８としてのチップは、実質的にＳｉからなることを想定して、熱伝導率２００Ｗ・ｍ／Ｋを有している。実装材７は、Ａｇからなることを想定して、熱伝導率４２０Ｗ・ｍ／Ｋを有している。セラミック枠体６１（図３）は、Ａｌ_２Ｏ_３からなることを想定して、熱伝導率１７．８Ｗ・ｍ／Ｋを有している。第１めっき層１２および第２めっき層２２は、Ｃｕからなることを想定して、熱伝導率３９１Ｗ・ｍ／Ｋを有している。第１メタライズ層１１および第２メタライズ層２１は、ＣｕＷ合金（組成比は５０：５０）からなることを想定して、熱伝導率２８０．５Ｗ・ｍ／Ｋを有している。支持部材１００（図２）は、Ａｌからなることを想定して、熱伝導率２３６Ｗ・ｍ／Ｋを有している。第１ヒートシンク層３０と、第１金属層１０と、第２金属層２０との総厚みは、１ｍｍである。第１めっき層１２および第２めっき層２２の各々の厚みは、５０μｍである。第１メタライズ層１１および第２メタライズ層２１の各々の厚みは、１０μｍである。比較例におけるヒートシンク板３９としてのＣＰＣは、厚み１ｍｍと、熱伝導率２００Ｗ・ｍ／Ｋとを有している。なお、図２および図５を参照して、リードフレーム６５およびそれよりも上部の構成については、シミュレーションにおいて考慮していないが、このことは、熱抵抗Θ_ｊｃの比較検討の目的においては無視できるものと考えられる。

本実施の形態によれば、第１に、第１ヒートシンク層３０が複数の第１金属ビア３２を含むことによって、パッケージ５１の放熱特性を十分に確保することができる。第２に、第１ヒートシンク層３０が第１セラミック層３１を含むことによって、第１ヒートシンク層３０とセラミック枠体６１との熱膨張差に起因したパッケージ５１の反りまたは応力を十分に抑制することができる。第３に、第１ヒートシンク層としての、セラミック層に金属ビアが設けられた構成は、比較的低コストで形成することが容易である。以上から、パッケージ５１の放熱特性を十分に確保しつつ、第１ヒートシンク層３０とセラミック枠体６１との熱膨張差に起因したパッケージ５１の反りまたは応力を十分に抑制することが、低コストで可能である。

複数の第１金属ビア３２は、第１面Ｓ１の外側領域ＲＯから離れて配置されている。これにより、複数の第１金属ビア３２を、第１面Ｓ１のうち特に熱を受けやすい内側領域ＲＩへ、集中的に配置することができる。よって、第１ヒートシンク層３０において複数の第１金属ビア３２が占める割合を不必要に増加させることなく、放熱経路を効果的に配置することができる。

パッケージ５１は、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１上に設けられ、複数の第１金属ビア３２をつなぐ第１金属層１０をさらに含む。これにより、熱が第１面Ｓ１上で分散される。よって、パッケージ５１の放熱特性を、より高めることができる。

第１金属層１０は、第１面Ｓ１の外側領域ＲＯから外れて第１面Ｓ１の内側領域ＲＩ上に配置されている。これにより、第１金属層１０を、第１面Ｓ１のうち特に熱を受けやすい内側領域ＲＩへ集中的に配置することができる。よって、第１金属層１０の熱膨張がパッケージの反りまたは応力へ及ぼす悪影響を抑えつつ、パッケージ５１の放熱特性を、より高めることができる。

第１金属ビア３２は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するビア材料からなる。これにより、パッケージ５１の放熱特性を、より高めることができる。

ビア材料は銅を含む。これにより、ビア材料の熱伝導率を容易に高くすることができる。

ビア材料はさらにタングステンを含む。これにより、第１ヒートシンク層３０の形成を、第１セラミック層３１と第１金属ビア３２との同時焼成によって行いやすくなる。よって、第１ヒートシンク層３０を、より低コストで形成することができる。

第１セラミック層３１は、アルミナを含む材料からなる。これにより、第１セラミック層３１を、高周波パッケージ用の典型的なセラミック材料によって形成することができる。金属に比して熱伝導率が劣る材料であるアルミナが用いられることによって第１ヒートシンク層３０の平均熱伝導率が低下するものの、当該低下は、複数の第１金属ビア３２によって少なくとも部分的に補われる。これにより、パッケージ５１の放熱特性が過小となることを避けることができる。

セラミック枠体６１および第１セラミック層３１は同一の材料からなる。これにより、セラミック枠体６１と第１セラミック層３１との間での熱膨張差を避けることができる。

第１ヒートシンク層３０に占める複数の第１金属ビア３２の体積割合は２０％以上６０％以下である。体積割合が２０％以上であることによって、パッケージ５１の放熱特性を、より十分に確保することができる。体積割合が６０％以下であることによって、第１ヒートシンク層３０とセラミック枠体６１との熱膨張差に起因したパッケージ５１の反りまたは応力を、より十分に抑制することができる。また、第１ヒートシンク層３０に占める第１セラミック層３１の体積割合が大きいことによって、第１ヒートシンク層３０の製造工程において、焼成によって第１セラミック層３１となるグリーンシートが破損しにくくなる。

パッケージ５１は第２金属層２０をさらに含む。第２金属層２０は、第１ヒートシンク層３０の第２面Ｓ２上に設けられており、複数の第１金属ビア３２をつないでいる。これにより、熱が第２面Ｓ２上で分散される。よって、パッケージ５１の放熱特性を、より高めることができる。

第２金属層２０は、平面視において、第１面Ｓ１の内側領域ＲＩおよび外側領域ＲＯにまたがっている。これにより、熱が第２面Ｓ２上で、より広く分散される。よって、パッケージ５１の放熱特性を、より高めることができる。

＜実施の形態２＞
図８は、実施の形態２に係るパッケージ５２の構成を示す概略断面図である。パッケージ５２においては、パッケージ５１（図３：実施の形態１）における第１ビアホールＶＨ１中の第１金属ビア３２に代わって、第１ビアホールＶＨＴ１中の第１金属ビア３２Ｔが設けられている。第１ビアホールＶＨＴ１中の第１金属ビア３２Ｔは、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１から第２面Ｓ２に向かって先細りにされている。なお変形例として、第１金属ビア３２（図３）と第１金属ビア３２Ｔ（図８）との両方が用いられてもよい。

本実施の形態によれば、第１金属ビア３２Ｔは、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１から第２面Ｓ２に向かって先細りにされている。この形状によって、第１金属ビア３２Ｔによる第１面Ｓ１から第２面Ｓ２への熱伝導効率が高められる。よって、第１ヒートシンク層３０において複数の第１金属ビア３２Ｔが占める割合を増加させることなく、パッケージ５２の放熱特性を、より十分に確保することができる。

＜実施の形態３＞
図９は、実施の形態３に係るパッケージ５３の構成を示す概略断面図である。

パッケージ５３は、パッケージ５１（図３：実施の形態１）における第２金属層２０に代わって、第２金属層２３を有している。第２金属層２３は、第２金属層２０と同様、第１ヒートシンク層３０の第２面Ｓ２上において複数の第１金属ビア３２をつないでいる。第２金属層２３は、めっき層を含むことなくメタライズ層のみによって形成されていてよい。言い換えれば、第２金属層２３は、金属粉末の焼結体のみからなっていてよい。第２金属層２３は、平面視において、第１面Ｓ１の内側領域ＲＩおよび外側領域ＲＯにまたがっている。

パッケージ５３はさらに、第２ヒートシンク層４０を含む。第２ヒートシンク層４０は、第２金属層２３に面する第３面Ｓ３と、第３面Ｓ３と反対の第４面Ｓ４とを有している。第３面Ｓ３は第２金属層に直接接していてよい。第２ヒートシンク層４０は、第２セラミック層４１と、複数の第２金属ビア４２とを含む。第２セラミック層４１は、第３面Ｓ３および第４面Ｓ４をなしており、第３面Ｓ３と第４面Ｓ４との間に複数の第２ビアホールＶＨ２が設けられている。複数の第２金属ビア４２は、第２セラミック層４１の複数の第２ビアホールＶＨ２内に配置されている。複数の第２金属ビア４２は、平面視において、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１の内側領域ＲＩに含まれる金属ビアと、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１の外側領域ＲＯに少なくとも部分的に含まれる金属ビアと、を含む。

パッケージ５３はさらに、第３金属層２０Ａを含む。第３金属層２０Ａは、第２ヒートシンク層４０の第４面Ｓ４上に設けられており、複数の第２金属ビア４２をつないでいる。第３金属層２０Ａは、平面視において、第１面Ｓ１の内側領域ＲＩおよび外側領域ＲＯにまたがっている。第３金属層２０Ａは、第２ヒートシンク層４０の第４面Ｓ４上に直接設けられた第３メタライズ層２１Ａと、第２ヒートシンク層４０の第４面Ｓ４上に第３メタライズ層２１Ａを介して設けられた第３めっき層２２Ａとを含む。

本実施の形態によれば、複数の第１金属ビア３２により厚み方向において伝達された熱が、第２金属層２３によって面内方向において拡散された後、複数の第２金属ビア４２により厚み方向においてさらに伝達される。これにより、パッケージ５３の放熱特性を、より高めることができる。

第２ヒートシンク層４０の複数の第２金属ビア４２は、平面視において、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１の内側領域ＲＩに含まれる金属ビアだけでなく、第１ヒートシンク層３０の第１面Ｓ１の外側領域ＲＯに少なくとも部分的に含まれる金属ビアも含む。これにより、熱の伝導経路が第２ヒートシンク層４０において、より広く分散される。よって、パッケージ５３の放熱特性を、より高めることができる。

７ ：実装材
８ ：電子部品
９ ：ワイヤ（配線部材）
１０ ：第１金属層
１１ ：第１メタライズ層
１２ ：第１めっき層
２０，２３ ：第２金属層
２０Ａ ：第３金属層
２１ ：第２メタライズ層
２１Ａ ：第３メタライズ層
２２ ：第２めっき層
２２Ａ ：第３めっき層
３０ ：第１ヒートシンク層
３１ ：第１セラミック層
３２，３２Ｔ ：第１金属ビア
４０ ：第２ヒートシンク層
４１ ：第２セラミック層
４２ ：第２金属ビア
５１～５３ ：パッケージ
６１ ：セラミック枠体
６５ ：リードフレーム（金属端子）
７０ ：接着層
８０ ：蓋体
９０ ：電子装置
ＣＶ ：キャビティ
ＶＨ１，ＶＨＴ１：第１ビアホール
ＶＨ２ ：第２ビアホール

Claims (15)

1. 蓋体によって封止されることになるキャビティを有するパッケージであって、
   平面視において前記キャビティを囲むセラミック枠体と、
   前記キャビティに面する内側領域と前記セラミック枠体を支持する外側領域とを有する第１面と、前記第１面と反対の第２面と、を有する第１ヒートシンク層と、
   を備え、
   前記第１ヒートシンク層は、
   前記第１面および前記第２面をなし、前記第１面と前記第２面との間に複数の第１ビアホールが設けられた第１セラミック層と、
   前記第１セラミック層の前記複数の第１ビアホール内に配置された複数の第１金属ビアと、
   を含む、パッケージ。
2. 前記複数の第１金属ビアは、前記第１面の前記外側領域から外れて配置されている、
   請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記第１ヒートシンク層の前記第１面上に設けられ、前記複数の第１金属ビアをつなぐ第１金属層をさらに備える、
   請求項１または２に記載のパッケージ。
4. 前記第１金属層は、前記第１面の前記外側領域から外れて前記第１面の前記内側領域上に配置されている、
   請求項３に記載のパッケージ。
5. 前記第１金属ビアは、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するビア材料からなる、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のパッケージ。
6. 前記ビア材料は銅を含む、
   請求項５に記載のパッケージ。
7. 前記ビア材料はさらにタングステンを含む、
   請求項６に記載のパッケージ。
8. 前記第１セラミック層は、アルミナを含む材料からなる、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のパッケージ。
9. 前記セラミック枠体および前記第１セラミック層は同一の材料からなる、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のパッケージ。
10. 前記第１ヒートシンク層に占める前記複数の第１金属ビアの体積割合は２０％以上６０％以下である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載のパッケージ。
11. 前記複数の第１金属ビアは、前記第１ヒートシンク層の前記第１面から前記第２面に向かって先細りにされている金属ビアを含む、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載のパッケージ。
12. 前記第１ヒートシンク層の前記第２面上に設けられ、前記複数の第１金属ビアをつなぐ第２金属層をさらに備える、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のパッケージ。
13. 前記第２金属層は、平面視において、前記第１面の前記内側領域および前記外側領域にまたがっている、
    請求項１２に記載のパッケージ。
14. 前記第２金属層に面する第３面と、前記第３面と反対の第４面と、を有する第２ヒートシンク層をさらに備え、
    前記第２ヒートシンク層は、
    前記第３面および前記第４面をなし、前記第３面と前記第４面との間に複数の第２ビアホールが設けられた第２セラミック層と、
    前記第２セラミック層の前記複数の第２ビアホール内に配置された複数の第２金属ビアと、
    を含む、
    請求項１２または１３に記載のパッケージ。
15. 前記第２ヒートシンク層の前記複数の第２金属ビアは、平面視において、前記第１ヒートシンク層の前記第１面の前記内側領域に含まれる金属ビアと、前記第１ヒートシンク層の前記第１面の前記外側領域に少なくとも部分的に含まれる金属ビアと、を含む、
    請求項１４に記載のパッケージ。

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