JP3554304B2

JP3554304B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置

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Publication number: JP3554304B2
Application number: JP2001325871A
Authority: JP
Inventors: 清孝横井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2001-10-24
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: JP2003133492A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ（大規模集積回路素子）やＦＥＴ（電界効果型トランジスター）などの半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージという）の一種である光半導体パッケージを図３に示す。同図の（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ光半導体パッケージの平面図、断面図及び部分拡大断面図である。尚、同図において、光ファイバおよび光ファイバを取り付けるための筒状の固定部材が光半導体パッケージの側部に設けられるが、これらは省略している。
【０００３】
この光半導体パッケージは、上側主面に半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子１０５がペルチェ素子等の熱電冷却素子Ｃを介して載置される載置部１０４およびネジ止め部１０６を有する略四角形の枠状の基体１０２と、載置部１０４を囲繞するようにして取着され、側部に貫通孔または切欠き部から成る入出力端子１０８の取付部を有する枠体１０７と、取付部に嵌着された入出力端子１０８とを具備したものである。
【０００４】
また、この光半導体パッケージでは、炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料１０９の上下面に、例えば第１層としてクロム（Ｃｒ）−鉄（Ｆｅ）合金層、第２層として銅（Ｃｕ）層、第３層としてＦｅ−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金層またはＦｅ−Ｎｉ合金層の３層構造を有する金属層Ｂ１が、高温高圧下で実施される所謂拡散接合法により被着された放熱板１０１が、枠状の基体１０２の貫通孔に嵌着されて載置部１０４を構成する。このとき、第１層にＦｅ−Ｃｒ合金層を被着するのは、Ｆｅと炭素繊維の炭素（Ｃ）とが高温高圧下での接合に際して互いに拡散することにより炭素繊維とＣｒ−Ｆｅ合金層とを強固に接合するからである。また、Ｃｕ層をＦｅ−Ｃｒ合金層に対し、主にＦｅとＣｕとの相互拡散により接合させることができ、さらに、熱膨張係数の調整層としてのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ層を主にＮｉとＣｕとの相互拡散によりＣｕ層の表面に接合させることができる。
【０００５】
そして、放熱板１０１と基体１０２と枠体１０７と蓋体１０３とからなる容器内部に、光半導体素子１０５を気密に封止することにより、光半導体装置となる（特開２０００−１５０７４５公報参照）。
【０００６】
上記従来例では、放熱板１０１は光半導体素子１０５の載置部１０４を形成し、炭素繊維が上面から下面に向かう方向に配列されている。また、放熱板１０１は、金属層Ｂ１の被着がなければ、光半導体素子１０５の載置面に平行な方向の熱膨張係数は約７×１０^−６／℃であるが、同じ方向の弾性率が約７ＧＰａ（ギガパスカル）と小さいことから、金属層Ｂ１の被着により放熱板１０１の熱膨張係数を大きくすることができ、その熱膨張係数は１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃に調整されている。また、熱伝導率は、光半導体素子１０５の載置面に平行な方向、即ち一方向性複合材料１０９の炭素繊維の方向（上下方向）に直交する方向での熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのに対して、炭素繊維の方向では３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
【０００７】
そして、放熱板１０１は、熱膨張係数が１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃（室温〜８００℃）のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等から成る枠状の基体１０２の貫通孔に、例えば銀（Ａｇ）ロウなどのロウ材で挿着されて載置部１０４となる。これにより、光半導体パッケージは光半導体素子１０５が発する熱を熱電冷却素子Ｃを介して外部に効率的に放散する機能を有するものとなる。
【０００８】
放熱板１０１は、放熱材料として一般的なＣｕ−タングステン（Ｗ）合金やＣｕ−モリブデン（Ｍｏ）合金に比して、炭素繊維が放熱板１０１の上下方向に配列していることにより、この方向に大きな熱伝導率を有している。放熱板１０１を用いた光半導体パッケージに収容された光半導体素子１０５が作動時に発する熱は、放熱板１０１の炭素繊維の方向に直交する方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることから、放熱板１０１の主面の方向（面方向）にほとんど伝わらないこととなる。
【０００９】
よって、光半導体素子１０５の熱は、選択的に炭素繊維の配列方向、即ち放熱板１０１の上面側から下面側にかけて伝達されて下面から大気中に放散される。その結果、光半導体素子１０５は常に適温となり、光半導体素子１０５を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。また、光半導体素子１０５の熱が基体１０２と枠体１０７に加わった場合、基体１０２と枠体１０７の材質が同じであり、それらの熱膨張係数がいずれも１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃であることから、両者間に大きな熱応力が発生することはない。また、たとえ小さな熱応力が発生したとしても、放熱板１０１が適度に変形することで基体１０２と枠体１０７との間に発生する熱応力が緩和される。従って、基体１０２上に枠体１０７を極めて強固に取着しておくことが可能になる。
【００１０】
よって、基体１０２と放熱板１０１と枠体１０７と蓋体１０３とから成る光半導体パッケージの気密封止を完全として、内部に収容される光半導体素子１０５を長期にわたり正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、光半導体素子１０５の発熱量が大きくなってきており、放熱板１０１の熱伝達の限界を超えた場合、熱は放熱板１０１に畜熱されて放熱板１０１の温度が上昇する場合がある。この場合、放熱板１０１の熱が熱電冷却素子Ｃを介して光半導体素子１０５に加わり、光半導体素子１０５の温度が上昇して光半導体素子１０５が誤動作する、または光半導体素子１０５が熱破壊されるという問題が発生していた。
【００１２】
放熱板１０１の熱伝達の大きさは、放熱板１０１の上下面に取着された金属層Ｂ１の一部がＦｅ−Ｃｒ合金層やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金層などの熱伝導率が小さい鉄系の合金からなることで小さくなり、また、これらの合金層を拡散接合により被着させる際にＦｅ原子がＣｕ層に拡散する場合が有り、この場合にも放熱板１０１の熱伝達の大きさが小さくなっていた。その結果、光半導体素子１０５の熱は、基体１０２を介して外部に速やかに放散されにくくなり、基体１０２の温度が上昇して光半導体素子１０５が誤作動したり熱破壊するといった不具合を招来していた。
【００１３】
また、光半導体パッケージを外部装置にネジ止めにより密着固定するために、剛性の高いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等からなる基体１０２を用いており、放熱板１０１は基体１０２の貫通孔にＡｇロウなどのロウ材を介して嵌着されている。そして、光半導体パッケージを外部装置にネジ止め部１０６の貫通孔にネジを通して締め付けることにより密着固定し、光半導体素子１０５の熱を外部装置を介して外部に放散する。しかし、放熱板１０１を基体１０２の貫通孔に嵌着するに際して、放熱板１０１の外周面と貫通孔の内面との隙間は、その大きさにバラツキがある場合がある。この場合、放熱板１０１を貫通孔にロウ付けすると、ロウ材の溜り状態が不均一となり、光半導体パッケージの気密封止が損なわれることがあった。
【００１４】
そこで、放熱板１０１自体を基体として用いる構成が考えられるが、光半導体パッケージを外部装置にネジ止めする際に、放熱板１０１を構成する一方向性複合材料１０９が一方向性炭素繊維を厚さ方向に揃えてこれを炭素で結合したものであることから、本質的に厚さ方向の圧縮強度が金属に比べて桁違いに小さい。そのため、ネジによる締め付け時に放熱板１０１のネジ止め部１０６が厚さ方向に潰れる場合があった。従って、光半導体パッケージを外部装置に強い締め付け力で固定できなくなり、光半導体素子１０５の熱が十分に放散されなくなるという問題点があった（特開２０００−１５０７４６公報参照）。
【００１５】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光半導体素子，ＬＳＩ，ＦＥＴ，ＭＭＩＣ等の半導体素子の熱を効率よく外部に放散して、半導体パッケージ内部に収容する半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させるとともに、半導体パッケージの基体を外部装置にネジ止めして密着固定する際に基体が厚さ方向に潰れることのないものとすることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体パッケージは、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有するとともに両端部にネジ止め部を有する略四角形の基体と、該基体の上側主面に前記載置部を囲繞するようにして取着され、貫通孔または切欠き部からなる入出力端子の取付部を有する枠体と、前記取付部に嵌着された前記入出力端子とを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記基体は、銀，チタン，クロム，ジルコニウムおよびタングステンのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびに銅を９０〜９９．８重量部含有する金属成分が含浸された炭素質母材内に炭素繊維の集合体が分散されているとともに表面にニッケルメッキ層または銅メッキ層が被着された金属炭素複合体を基材とし、該基材の上下面に前記基材側からロウ材層、モリブデン層、ロウ材層および銅層が順次積層されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、金属炭素複合体が炭素繊維と高温高圧下で含浸された金属とからなるため、その表面が緻密になり、金属炭素複合体の表面にＮｉメッキ層またはＣｕメッキ層が形成できるようになった。そして、基材の上下面にＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を介してロウ材層、Ｍｏ層、ロウ材層およびＣｕ層がこの順で強固に接合できるようになった。即ち、Ｎｉメッキ層，Ｃｕメッキ層の炭素繊維への被着部における被着力の弱さを、含浸された金属が表面に露出している部位における被着力で補強することができるとともに、金属炭素複合体の表面が緻密なため炭素繊維に被着されるＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層の表面欠陥が極めて少なくなっており、その結果、金属炭素複合体の表面にＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を強固かつ信頼性よく被着することができる。
【００１８】
このように、基材表面にＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を信頼性良くかつ強固に形成できることによって、ロウ材層を介して熱膨張係数を調整するためのＭｏ層を形成し、またＭｏ層上にロウ材層を介して熱伝導性の極めて良好なＣｕ層を形成することができる。その結果、従来のＦｅ系の金属層を形成した構成では得られない効率のよい熱伝達が可能になる。
【００１９】
また本発明は、基材が炭素質母材内にランダムな方向に分散配置された一方向性の炭素繊維の集合体および含浸された金属成分からなる構成であり、半導体素子から基体に伝わった熱は基材の内部でランダムな経路を辿って基体の下側主面および側面に伝わることになる。そして、基体の側面に伝わった熱はその表面のＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を介して下側主面へと伝わり、よって基体の下側主面からの熱放散により半導体素子の温度を適正な温度にすることができる。かくして、半導体素子を常に適温として、半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【００２０】
このとき、基体内に含浸された金属成分はＡｇ，チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），ジルコニウム（Ｚｒ），Ｗのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣｕを９０〜９９．８重量部含有することから、Ｃｕとその周囲の炭素質母材との密着性が良好となり、Ｃｕのみを含浸させた場合に比べて伝熱性が大きく向上する。その結果、半導体素子が発する熱は基体内をランダムな方向に伝わり、大きな熱量を基体の広範囲で放散させることが可能になるため、半導体素子を常に適温として、長期に亘り正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【００２１】
また、本発明の半導体パッケージの基材は、含浸された金属、および基材の上下面に形成され、ロウ材層、モリブデン層、ロウ材層および銅層が順次積層されて成る金属層によって剛性が高くなっているが、その弾性率は極めて小さく、被着された金属層によって半導体素子の載置面に平行な方向の熱膨張係数が１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃（室温〜８００℃）に調整される。これにより、半導体素子の熱によって基体と半導体素子との接合部および基体と枠体との間で熱応力が発生しても、これらの熱応力は基体が適度に変形することで緩和される。
【００２２】
本発明において、好ましくは、前記モリブデン層の厚さが５〜１００μｍであり、前記銅層の厚さが１００〜１０００μｍであることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、上記の構成により、近時の高密度配線のＬＳＩやＦＥＴなどの半導体素子から大量の熱が発せられても、この熱が最外層のＣｕ層により効率よく横方向に伝達され、次いでＭｏ層を介して基材に伝えられ、基材の内部を通じて良好に基材の下側主面および側面を介して下側主面へと伝えられ、基体の下側主面から効率よく外部に放散されることになる。よって、半導体素子が作動する際の温度を常に適正な温度にすることが可能になる。
【００２４】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００２５】
本発明は、上記の構成により、基体が炭素質母材に金属が含浸されていることから、Ｎｉメッキ層，Ｃｕメッキ層およびロウ材層を介して熱伝導性に優れる金属層を接合することができ、よって半導体素子の熱を基体を介して極めて効率良く外部に放散させることができる。従って、半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させることができる。また、基体は主成分として金属である銅が炭素質母材内に含浸されているのでその圧縮強度が大きくなり、基体を外部装置にネジ止めする際に生じる押圧力や圧縮応力が基体表面に加わった場合に、基体の上下主面にＭｏ層やＣｕ層が形成されていることと併せて、基体が押圧力や圧縮応力に対して潰れ難くなる。従って、例えばマザーボード等の外部装置にネジ止めした際に、基体が厚さ方向に潰れて締め付けが緩くなって密着固定が不十分となり、外部への熱放散性が劣化するといった不具合が解消される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージについて以下に詳細に説明する。図１，図２は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示すものであり、図１は半導体パッケージの断面図、図２は本発明の半導体パッケージの基体の部分拡大断面図である。図１において、１は基体、１ａは半導体素子２の載置部、２はＩＣ，ＬＳＩ，ＦＥＴ等の半導体素子、３は枠体、３ａは枠体３に設けられた入出力端子の取付部である。基体１と枠体３と蓋体５とで、半導体素子２を収容する容器が基本的に構成されており、また入出力端子４が取付部３ａに嵌着されている。なお、１３はネジ止め部である。
【００２７】
また、図２において、ＡはＮｉメッキ層６が金属炭素複合体Ａ１の表面に形成された基材、１ｂは炭素質母材、１ｃは一方向性の炭素繊維の集合体、１ｄはＡｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣｕを９０〜９９．８重量部含有する金属成分である。また、７は基材Ａ上にロウ材層８を介して形成されたＭｏ層、９はＭｏ層７上にロウ材層８を介して形成されたＣｕ層、Ｂは基材１の上下面に形成された、ロウ材層８、Ｍｏ層７、ロウ材層８およびＣｕ層９とを順次積層して成る金属層である。
【００２８】
図２に示すように、基体１は、金属成分１ｄが含浸された炭素質母材１ｂ内に一方向性の炭素繊維の集合体１ｃが分散された金属炭素複合体Ａ１およびＮｉメッキ層６から成る基材Ａと、金属層Ｂとから成り、金属炭素複合体Ａ１は例えば以下の工程［１］〜［５］によって作製される。
【００２９】
［１］一方向性の炭素繊維の束を炭素で結合した板状の塊を一方向性の炭素繊維からなる小さな集合体に破砕し、破砕された集合体を集めて固体のピッチあるいはコークス等の微粉末を分散させたフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂の溶液中に浸す。なお、板状の塊を破砕して得られる集合体の大きさは、その形状を例えば略立方体としてみた場合一辺が０．１〜１ｍｍ程度である。
【００３０】
［２］この集合体を乾燥させて所定の圧力を加えるとともに加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させ板状のブロックを得る。
【００３１】
［３］これを不活性雰囲気中、高温で焼成することでフェノール樹脂とピッチあるいはコークスの微粉末を炭化させてブロック状の炭素質母材１ｂとする。炭素質母材１ｂは、それ自体２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの大きな熱伝導率を有し、半導体素子２が発する熱の伝熱経路としても機能する。
【００３２】
［４］次いでブロック状の炭素質母材１ｂ内にＣｕを主体とする金属成分を不活性雰囲気下で高温高圧で含浸させる方法、即ち熔湯鍛造法によって含浸させる。このとき、含浸されたＣｕはＣｕ塊となって炭素質母材１ｂに分散される。含浸されたＣｕには予めＡｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，ＺｒおよびＷのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部含有させている。これらの金属のうちＡｇ以外のものはＣｕの融点（約１０８３℃）よりも高い融点を有しているが、溶融したＣｕと混在することによってＣｕと固溶体を作り、含浸時に液体となって炭素質母材１ｂに含浸される。
【００３３】
［５］次に、ブロック状の炭素質母材１ｂ内に炭素繊維およびＣｕ等の金属成分１ｄを分散させ、次いでブロック状の炭素質母材１ｂ板状に切り出して基材Ａとなる板を作製する。板の寸法は、例えば厚さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度、縦横の寸法が１００ｍｍ程度である。
【００３４】
さらに、この板を所望の形状に加工して個々の金属炭素複合体Ａ１を作製し、金属炭素複合体Ａ１の表面にＮｉメッキ層６を形成して基材Ａを得る。ついで基材Ａの上下面にロウ材層８、Ｍｏ層７、ロウ材層８、Ｃｕ層９を順次形成して金属層Ｂを有する基体１を得る。
【００３５】
金属炭素複合体Ａ１は、内部にＣｕ等の金属成分１ｄが分散されて成り、含有する金属によりＣｕと炭素質母材１ｂとの密着性が良好なものとなる。また、金属炭素複合体Ａ１の熱膨張係数は、Ｃｕ等の金属成分１ｄが分散されていることにより８×１０^−６〜１０×１０^−６／℃となっている。このとき、ＣｕにＡｇが含有されていると、Ｃｕと炭素質母材１ｂとの濡れ性が高温高圧下で良好となることは実験的に確認されている。また、Ａｇ以外の金属をＣｕに含有させた場合、炭素質母材１ｂとの間で炭化チタン（ＴｉＣ），炭化クロム（ＣｒＣ），炭化ジルコニウム（ＺｒＣ），炭化タングステン（ＷＣ）などの炭化物が生成され、これらの炭化物を介してＣｕと炭素質母材１ｂとが密着する。その結果、Ｃｕと炭素質母材１ｂとの間での熱伝達がさらに良好なものとなり、半導体素子２の熱が半導体素子２の載置部１ａの面に平行な方向（面方向）にも良好に伝達され、金属炭素複合体Ａ１による熱伝達が極めて良好になる。
【００３６】
このとき、金属炭素複合体Ａ１に対する金属成分１ｄの含有量は１０〜２０重量％がよい。１０重量％未満になると、水平方向で所望の熱伝導率が得られず、２０重量％を超えると、基体１と半導体素子２との熱膨張係数差が大きくなり、半導体素子２と基体１との接合部にクラックが発生し易くなる。基体１と半導体素子２との熱膨張係数差を考慮すると、より好ましくは１５〜２０重量％がよい。また、金属成分１ｄの含有量を１０〜２０重量％と好適な範囲とすることにより、金属炭素複合体Ａ１の表面に現われる金属成分１ｄの表面積の割合は、金属炭素複合体Ａ１の表面積に対して約６〜１０％となり、これによりＮｉメッキ層６，Ｃｕメッキ層６の被着強度が向上する。
【００３７】
また、Ｃｕ等の金属成分１ｄが金属炭素複合体Ａ１内に分散されていることによって基体１のネジ止め部１３の潰れが大きく軽減される。よって、半導体パッケージを外部装置にネジで締め付けて密着固定する場合に強固に締め付けることができる。この基体１は、図２に示すように、基材Ａの上下面に、基材Ａの熱膨張係数を調整するためのＭｏ層７と、熱伝達を良好にするためのＣｕ層９と、これらの層を順次接合するための２つのロウ材層８との４層構造の金属層Ｂが形成されている。Ｃｕ層９は、半導体素子２の熱を伝達する伝熱媒体となって熱を横方向（面方向）に効率よく伝達する。
【００３８】
そして、基体１の上側主面に枠体３を半田や銀ロウ等のロウ材でロウ付けすることにより、枠体３が基体１上に取着される。
【００３９】
また、基材Ａの上下面に基材Ａ側からロウ材層８、Ｍｏ層７、ロウ材層８およびＣｕ層９から成る金属層Ｂが形成されていることから、金属層Ｂが基体１の熱膨張係数を枠体３の熱膨張係数に近似させる機能を有している。また、金属炭素複合体Ａ１がその表面に多数の気孔が存在する多孔質であるとしても、その気孔は金属層Ｂによって完全に塞がれる。その結果、半導体パッケージ内部の気密封止の信頼性が高いものとなる。また、半導体パッケージ内部に半導体素子２を収納し半導体装置と成した後、ヘリウムを使用して半導体装置の気密検査をする場合、ヘリウムの一部が基材Ａの気孔内にトラップされることが有効に防止され、半導体装置の気密封止の検査が正確に行える。
【００４０】
本発明者は、本発明を完成させるに際して金属層の組み合わせを種々検討して本発明を完成するに至ったのであるが、本出願人は、基材Ａ側からＦｅ−Ｃｒ合金層、Ｃｕ層およびＭｏ層から成る金属層を形成した構成を既に提案している（従来例Ａ：特開２０００−１３３７５６公報参照）。この従来例Ａでは、Ｆｅ−Ｃｒ合金層はＣｕ層の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有しかつカーボンとの拡散接合が可能ということで用いたが、上述したように、Ｆｅ−Ｃｒ合金層、Ｃｕ層、Ｍｏ層をこの順序で基材Ａ側から拡散接合させる際に拡散接合の条件が適正でないと、Ｆｅ−Ｃｒ合金層中のＦｅがＭｏ層やＣｕ層に拡散してＭｏ層やＣｕ層の熱伝導率が劣化し、また、Ｆｅ−Ｃｒ合金層中のＣｒがＭｏ層に拡散してＭｏ層が脆化し、さらに、Ｆｅ−Ｃｒ合金層中のＣｒが拡散してＦｅ−Ｃｒ合金層に空隙が発生し熱伝導率が劣化することが明らかになった。なお、Ｃｕ層はＣｒの拡散を抑えるために形成するが、Ｆｅ，Ｃｒの拡散を抑えるのに十分ではないことが判った。
【００４１】
従って、本発明者は、拡散接合によらない接合が上記の不具合を発生させないために必要であると考え、基材ＡにＭｏ層７とＣｕ層９をロウ材層８で順次接合した構成を発明したものである。しかしながら、上記従来例Ａでは、光半導体素子を載置する放熱板が厚さ方向に炭素繊維を配列するとともに炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成るため、一方向性複合材料の表面に多数の気孔が存在しており、その結果一方向性複合材料の表面にロウ接合を可能にするＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を形成するのがきわめて困難であった。そこで、本発明者は、本発明の金属成分１ｄが含浸された炭素質母材１ｂ内に炭素繊維の集合体１ｃが分散された金属炭素複合体Ａ１を用いることによって、ロウ接合を可能にするＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を金属炭素複合体Ａ１の表面に強固かつ緻密に形成できることを見出し、本発明の完成に至ったのである。
【００４２】
そして、本発明のＭｏ層７は熱膨張係数が約５×１０^−６／℃であるため、大きな熱膨張係数（約１７×１０^−６／℃）を有するＣｕ層９の熱膨張を調整する機能を有し、またＭｏ層７はＦｅ−Ｃｒ合金層に比べて熱伝導率が約４倍と高いことから、大きな熱放散性を得ることができる。また、本発明では、ロウ材層８によりＭｏ層７とＣｕ層９とを基材Ａに強固に接合させることができ、また拡散接合を不要としたことで従来用いられていたＦｅ−Ｃｒ合金層を無くすことができ、よって拡散接合時のＦｅやＣｒの拡散を解消することができる。さらに、Ｃｒ拡散のバリア層として用いられていたＣｕ層９をＭｏ層７上に形成することができ、半導体素子２の熱を効率よく外部に放散させることができるようになった。
【００４３】
また、本発明において、金属層ＢをＭｏ層７とＣｕ層９と２つのロウ材層８との４層で形成するのは、ロウ材層８を介してＣｕ層９を形成することにより、基材Ａの熱膨張係数をＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなる枠体３の熱膨張係数１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃（室温〜８００℃）に近づけるためである。
【００４４】
そして、好ましくは３００〜３０００μｍ程度の厚さで主に使用される金属炭素複合体Ａ１に対して、ロウ材層８の厚さは５〜３０μｍ、Ｍｏ層７の厚さは５〜１００μｍ、Ｃｕ層８の厚さは１００〜１０００μｍとすることが好ましい。
【００４５】
金属炭素複合体Ａ１の厚さが３００μｍ未満では、ブロック状の炭素質母材１ｂをスライス加工する際に金属成分１ｄが飛び散る場合が有るため量産が困難となり、３０００μｍを超えると、金属成分１ｄの含浸が不均一となり熱伝導性に偏りが発生し易い。
【００４６】
ロウ材層８の厚さが５μｍ未満の場合、Ｍｏ層７の接合層として機能しなくなる場合がある。即ち、ロウ材層８に発生する応力によってロウ材層８が剥れ易くなる。また、ロウ材層８の厚さが３０μｍを超えると、ロウ材層８と基材Ａとの熱膨張係数差により発生する応力によって、基材Ａの表面からロウ材層８が剥れることがあり、基材Ａとの密着性が劣化し易くなる。このロウ材層８はＮｉメッキ層６またはＣｕメッキ層６とＭｏ層７、およびＭｏ層７とＣｕ層９との接合媒体として機能するとともに、Ｃｕ層９から伝わる熱を基材Ａに効率よく伝える熱伝達媒体としても機能する。また、ロウ材層８は比較的軟質であることから、基材ＡとＣｕ層９との熱膨張差による応力を緩和する所謂応力緩和層としても機能する。なお、ロウ材層８は主にＡｇとＣｕから成るＡｇロウなどの熱伝導率に比較的優れるロウ材からなる。
【００４７】
Ｍｏ層７の厚さが５μｍ未満の場合、基体１の熱膨張係数を調整する効果が小さくなり、基体１にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなる枠体３をロウ付けした場合にロウ材にクラックが発生し易くなる。Ｍｏ層７の厚さが１００μｍを超えると、基材Ａの熱膨張係数が小さくなり過ぎ、枠体３を基体１の上面にロウ付けする際にロウ材にクラックが発生し易くなる。
【００４８】
Ｃｕ層９の厚さが１００μｍ未満の場合、金属層Ｂの熱膨張係数が９×１０^−６／℃以下となり、枠体３を基体１に取着すると枠体３と基体１との熱膨張差により枠体３と基体１との接合部にクラックが発生し易くなり、また横方向への熱放散性が小さくなり、半導体素子２の熱を効率よく放散できなくなり易い。Ｃｕ層８の厚さが１０００μｍを超えると、金属層Ｂの熱膨張係数が１５×１０^−６／℃以上になり、枠体３と基体１との接合部にクラックが発生し易くなる。より好ましくは２５０〜８５０μｍが良い。
【００４９】
以上のことから、本発明の基体１は、その上側主面に枠体３を取着した後両者に半導体素子２の熱が加わったとしても、基体１と枠体３との間には両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が殆ど発生しなくなる。また、熱応力が発生しても、基体１の弾性率が小さいことから、基体１がその熱応力を吸収し、その結果基体１は枠体３に強固に接合され、かつ半導体素子２の熱を大気中に良好に発散させ得る。さらに、半導体素子２と基体１との間に生じる熱応力は、基体１がその熱応力を吸収するように変形し、半導体素子２と基体１との間で大きな熱応力が発生することはない。従って、容器内部に収容した半導体素子２を長期に亘り正常かつ安定に作動させることができる。
【００５０】
本発明の金属層Ｂは、具体的には、厚さが約１ｍｍの基材Ａの上下面に、例えば、厚さ約１０μｍのＡｇロウ箔、厚さ約５０μｍのＭｏ箔、厚さ約１０μｍのＡｇロウ箔、厚さ約５００μｍのＣｕ板を順次載置し、次に還元雰囲気下で例えば８５０℃で１時間加熱することにより形成される。この金属層Ｂを上下面に形成した基体１は、上側主面から下側主面にかけて４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率が得られ、また載置部１ａの面の面方向においては基材Ａ内部に分散された炭素繊維および金属成分１ｄにより３００〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が得られる。その結果、基体１は、載置部１ａに載置された半導体素子２の熱を極めて効率よく下側主面に伝達させることができ、基体１の下側主面全面から熱が効率よく放散されることとなる。
【００５１】
載置部１ａの面方向の熱伝導率を測定してみると、上記の如く３００〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっており、図３のような一方向性複合材料１０９を用いたものと比較して１０〜１２倍と大きいことが明らかになった。従って、半導体素子２の熱は、熱電冷却素子Ｃを介して基体１に伝達され、次いで基体１の上側主面から下側主面にかけて基体１内のランダム方向の伝熱経路によって効率よく伝わり、さらに外部装置を介して空気中に放散される。
【００５２】
また、炭素質母材１ｂに金属成分１ｄを含浸させると、金属炭素複合体Ａ１の密度は３〜４ｇ／ｃｍ^３となり、金属成分１ｄを含浸させていないもの（約２ｇ／ｃｍ^３）に比べると大きいが、従来のＣｕ−Ｗ合金に比べて１／３〜１／５程度であり、極めて軽量である。従って、近時の小型軽量化が進む電子装置へ実装する際に有利である。
【００５３】
さらに、炭素質母材１ｂを用いた基体１はその弾性率が枠体３を構成するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属に比べて小さいことから、基体１と枠体３との間に、また基体１と半導体素子２との間に熱膨張係数差があったとしても、これらの間に発生する熱応力は基体１が適度に変形して吸収される。その結果、基体１と枠体３、および基体１と半導体素子２とは強固に接合し、半導体素子２の熱を常に大気中に効率よく放散させ得るとともに半導体素子２を長期に亘って正常かつ安定に作動させることができる。
【００５４】
また、基材Ａの上下面に金属層Ｂを被着した基体１において、基材Ａと上面の金属層Ｂとの間、および基材Ａと下面の金属層Ｂとの間に、基材Ａと金属層Ｂとの熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生しても、それぞれの熱応力はそれらの方向が上下面で同方向かつほぼ同等となることから、基体１は基材Ａと金属層Ｂとの間に発生する熱応力によって変形せず常に平坦となる。従って、枠体３の下面に基体１を強固に接合できるとともに、半導体素子２の熱を基体１を介して大気中に効率よく放散させることができる。
【００５５】
本発明の枠体３は、基体１の上側主面の外周部に載置部１ａを囲繞するようにロウ材、ガラスまたは樹脂等の接合材を介して接合されている。枠体３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなり、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴット（塊）を従来周知のプレス成型法、押出し法などの金属加工法により所定の枠状に成型することによって作製される。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金からなる枠体３は、その熱膨張係数が約１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃（室温〜８００℃）であり、基体１の熱膨張係数１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃と実質的に同じである。よって、基体１と枠体３との間に発生する熱応力は殆どなく、また基体１の弾性率がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属に比べて小さいことから、熱応力が発生してもそれは基体１の適度な変形によって吸収される。従って、枠体３と基体１とを接合する接合材にクラックなどが発生したり、基体１に反りが発生することが解消できる。
【００５６】
また枠体３は、その側部に貫通孔または切欠き部からなる取付部３ａが形成されており、取付部３ａには、枠体３の内側から外側にかけて導通する複数のメタライズ配線層１０が形成された入出力端子４が嵌着されている。入出力端子４は、メタライズ配線層１０を枠体３に対し電気的絶縁をもって枠体３の内側から外側にかけて配設する作用をなし、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体などの電気絶縁材料からなる。そして、取付部３ａの内面に対向する入出力端子４の側面に予めメタライズ層を被着させておき、このメタライズ層を取付部３ａの内面に銀ロウなどのロウ材でロウ付けすることによって、取付部３ａに入出力端子４が嵌着される。
【００５７】
この入出力端子４の電気絶縁材料から成る本体部分は以下のように作製される。まず、例えばＡｌ_２Ｏ_３，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化カルシウム（ＣａＯ）などの原料粉末に適当なバインダー、溶剤等を添加混合してスラリーとなす。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートとし、次いでセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、メタライズ配線層１０となる金属層を形成する。このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって入出力端子４の本体部分が作製される。
【００５８】
さらに入出力端子４は、複数のメタライズ配線層１０がセラミック積層体である本体部分に埋設されるように形成されている。このメタライズ配線層１０の枠体３内側に位置する部位には、半導体素子２の各電極がボンディングワイヤ１２を介して電気的に接続され、メタライズ配線層１０の枠体３外側に位置する部位には、外部装置と接続される外部リード端子１１が銀ロウなどのロウ材を介し取着されている。このメタライズ配線層１０は半導体素子２の各電極を外部装置に接続するための導電路であり、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎなどの高融点金属粉末により形成されている。例えばメタライズ配線層１０は、上記高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤などを添加混合して得たペーストを、入出力端子４となるセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布し焼成することによって形成される。
【００５９】
なお、メタライズ配線層１０は、その露出表面にＮｉ，金（Ａｕ）などの耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属を１〜２０μｍの厚さでメッキ法により被着させておくのがよく、メタライズ配線層１０の酸化腐食を有効に防止することができ、またメタライズ配線層１０への外部リード端子１１のロウ付けを強固にすることができる。
【００６０】
また、メタライズ配線層１０に銀ロウなどのロウ材でロウ付けされる外部リード端子１１は、容器内部に収容する半導体素子２の各電極を外部装置に電気的に接続するものである。外部リード端子１１を外部装置に接続することにより、半導体素子２はメタライズ配線層１０，外部リード端子１１を介して外部装置に電気的に接続される。この外部リード端子１１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金などの金属材料からなり、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法などの従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００６１】
かくして、本発明の半導体パッケージは、基体１の載置部１ａ上に半導体素子２をガラス，樹脂，ロウ材などの接着剤を介して接着固定し、半導体素子２の各電極をボンディングワイヤ１１を介して所定のメタライズ配線層１０に接続し、しかる後、枠体３の上面に蓋体５をガラス，樹脂，ロウ材などからなる封止材を介して接合し、基体１、枠体３および蓋体５からなる容器内部に半導体素子２を気密に収容することにより、製品としての半導体装置となる。
【００６２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更は可能である。例えば、枠体３の側部に筒状の光ファイバ固定部材を設けて光信号を入出力できるようにし、半導体素子として光半導体素子を収容した光半導体パッケージに本発明構成を適用しても良い。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有するとともに両端部にネジ止め部を有する略四角形の基体は、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，ＺｒおよびＷのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣｕを９０〜９９．８重量部含有する金属成分が含浸された炭素質母材内に炭素繊維の集合体が分散されているとともに表面にＮｉメッキ層またはＣｕメッキ層が被着された金属炭素複合体を基材とし、基材の上下面に基材側からロウ材層、Ｍｏ層、ロウ材層およびＣｕ層が順次積層されていることにより、金属炭素複合体が炭素繊維と高温高圧下で含浸された金属とからなるため、その表面が緻密になり、金属炭素複合体の表面にＮｉメッキ層またはＣｕメッキ層が形成できるようになった。そして、基材の上下面にＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を介してロウ材層、Ｍｏ層、ロウ材層およびＣｕ層がこの順で強固に接合できるようになった。即ち、Ｎｉメッキ層，Ｃｕメッキ層の炭素繊維への被着部における被着力の弱さを、含浸された金属が表面に露出している部位における被着力で補強することができ、また金属炭素複合体の表面が緻密なため炭素繊維に被着されるＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層の表面欠陥が極めて少なくなり、その結果金属炭素複合体の表面にＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を強固かつ信頼性よく被着することができる。
【００６４】
このように、基材表面にＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を信頼性良くかつ強固に形成できることによって、ロウ材層を介して熱膨張係数を調整するためのＭｏ層を形成し、またＭｏ層上にロウ材層を介して熱伝導性の極めて良好なＣｕ層を形成することができる。その結果、従来のＦｅ系の金属層を形成した構成では得られない効率のよい熱伝達が可能になる。
【００６５】
また、半導体素子から基体に伝わった熱は基材の内部でランダムな経路を辿って基体の下側主面および側面に伝わり、基体の側面に伝わった熱はその表面のＮｉメッキ層，Ｃｕメッキ層を介して下側主面へと伝わり、よって基体の下側主面からの熱放散により半導体素子の温度を適正な温度にすることができる。そのため、半導体素子を常に適温として半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させることが可能になる。また、基体内に含浸された金属成分はＡｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびにＣｕを９０〜９９．８重量部含有することから、Ｃｕとその周囲の炭素質母材との密着性が良好となり、Ｃｕのみを含浸させた場合に比べて伝熱性が大きく向上する。その結果、半導体素子の熱は基体内をランダムな方向に伝わり、大きな熱量を基体の広範囲で放散させることが可能になるため、半導体素子を常に適温として長期に亘り正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【００６６】
さらに、基材は、含浸された金属、および基材の上下面に形成され、ロウ材層、Ｍｏ層、ロウ材層およびＣｕ層が順次積層されて成る金属層によって剛性が高くなっているが、その弾性率は極めて小さく、金属層によって半導体素子の載置部の面方向の熱膨張係数が１０×１０^−６〜１３×１０^−６／℃（室温〜８００℃）に調整される。これにより、半導体素子の熱によって基体と半導体素子との接合部および基体と枠体との間で熱応力が発生しても、これらの熱応力は基体が適度に変形することで緩和される。
【００６７】
本発明は、好ましくは、モリブデン層の厚さが５〜１００μｍであり、銅層の厚さが１００〜１０００μｍであることにより、近時の高密度配線のＬＳＩやＦＥＴなどの半導体素子から大量の熱が発せられても、この熱が最外層のＣｕ層により効率よく横方向に伝達され、次いでＭｏ層を介して基材に伝えられ、基材の内部を通じて良好に基材の下側主面および側面を介して下側主面へと伝えられ、基体の下側主面から効率よく外部に放散されることになる。よって、半導体素子が作動する際の温度を常に適正な温度にすることが可能になる。
【００６８】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定されるとともに入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体とを具備したことにより、基体が炭素質母材に金属が含浸されていることから、Ｎｉメッキ層，Ｃｕメッキ層およびロウ材層を介して熱伝導性に優れる金属層を接合することができ、よって半導体素子の熱を基体を介して極めて効率良く外部に放散させ得る。従って、半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させることができる。また、基体は主成分として金属である銅が炭素質母材内に含浸されているので圧縮強度が大きくなり、基体を外部装置にネジ止めする際に生じる押圧力や圧縮応力が基体表面に加わった場合に、基体の上下主面にＭｏ層やＣｕ層が形成されていることと併せて、基体が押圧力や圧縮応力に対して潰れ難くなる。従って、例えばマザーボード等の外部装置にネジ止めした際に、基体が厚さ方向に潰れて締め付けが緩くなって密着固定が不十分となり、外部への熱放散性が劣化するといった不具合が解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージについて実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体パッケージにおける基体の部分拡大断面図である。
【図３】（ａ）は従来の半導体パッケージの平面図、（ｂ）は従来の半導体パッケージの断面図、（ｃ）は従来の半導体パッケージにおける基体の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｂ：炭素質母材
１ｃ：炭素繊維の集合体
１ｄ：金属成分
２：半導体素子
３：枠体
３ａ：取付部
４：入出力端子
６：Ｎｉメッキ層またはＣｕメッキ層
７：Ｍｏ層
８：ロウ材層
９：Ｃｕ層
１３：ネジ止め部
Ａ：基材
Ｂ：金属層

Claims

上側主面に半導体素子が載置される載置部を有するとともに両端部にネジ止め部を有する略四角形の基体と、該基体の上側主面に前記載置部を囲繞するようにして取着され、貫通孔または切欠き部からなる入出力端子の取付部を有する枠体と、前記取付部に嵌着された前記入出力端子とを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記基体は、銀，チタン，クロム，ジルコニウムおよびタングステンのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部ならびに銅を９０〜９９．８重量部含有する金属成分が含浸された炭素質母材内に炭素繊維の集合体が分散されているとともに表面にニッケルメッキ層または銅メッキ層が被着された金属炭素複合体を基材とし、該基材の上下面に前記基材側からロウ材層、モリブデン層、ロウ材層および銅層が順次積層されていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
前記モリブデン層の厚さが５〜１００μｍであり、前記銅層の厚さが１００〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備したことを特徴とする半導体装置。