JP3659336B2

JP3659336B2 - Package for storing semiconductor elements

Info

Publication number: JP3659336B2
Application number: JP2001155495A
Authority: JP
Inventors: 清吾松園; 利良中島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: JP2002353356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子、電界効果型トランジスター（ＦＥＴ）等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージに関する。
【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，部分拡大断面図である。尚、同図において、光ファイバーおよび光ファイバー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とネジ止め部１０６を有する基体１０２と、載置部１０４を囲繞するようにして取着されるとともに側部に貫通孔または切欠き部からなる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）合金層もしくはＦｅ−Ｎｉ合金層の３層構造を有する金属層Ｂ１が被着された放熱板１０１が、枠状の基体１０２の内側に嵌着されて光半導体素子１０５の載置部１０４を構成する。そして、放熱板１０１と枠状の基体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号公報参照）。
【０００５】
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、炭素繊維が上面側から下面側に向かう方向に配列している。また、放熱板１０１は、金属層Ｂ１の被着が無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ほぼ７ｐｐｍ／℃（×１０^-6／℃）であるが、その方向の弾性率が約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、よってその熱膨張係数は１０〜１３ｐｐｍ／℃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、即ち炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料１０９における炭素繊維の方向に直交する方向の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのに対して、炭素繊維の方向では３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとしている。
【０００６】
そして、放熱板１０１は、熱膨張係数が１０〜１３ｐｐｍ／℃（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Ａｇロウ等のロウ材で挿着されて光半導体素子の載置部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を介して外部に放散する機能を有するものとなる。
【０００７】
放熱板１０１は、上述したように、放熱材料として一般的に用いられている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の上面側から下面側に向かう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対して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。
【０００８】
よって、光半導体素子１０５が作動時に発する熱は、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るとともに下面側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を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【０００９】
また、光半導体素子１０５が作動時に発する熱が基体１０２と枠体１０７に加わった場合、基体１０２と枠体１０７の材質が同一であり、よって熱膨張係数がいずれも約１０〜１３ｐｐｍ／℃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を長期間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】
この光半導体パッケージの放熱構造は、大量の熱を発するＬＳＩ，ＦＥＴ等を収容する半導体パッケージにも適用できる。
【００１２】
【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の発する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に蓄熱されて放熱板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、あるいは光半導体素子１０５が熱破壊されるという問題が発生していた。
【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させるために剛性の高いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等からなる枠状の基体１０２を用いており、放熱板１０１はこの基体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別体の外部装置にネジ止め部１０６で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が発する熱を外部装置を介して外部に放散する。
【００１４】
ところが、放熱板１０１を枠状の基体１０２の貫通孔に挿着するに際して、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、ロウ材で放熱板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、その結果、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。
【００１５】
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基体としての放熱板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が発する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号参照）。
【００１６】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、半導体素子が発生する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間に亘り正常かつ安定に作動させるとともに、半導体パッケージを外部装置に密着固定させるためのネジ締め時において厚さ方向に潰れることのないものを提供することにある。
【００１７】
【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成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、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が分散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鉄またはステンレススチールから成る接着層と銅層とを順次積層した金属層が形成され、さらに前記基材の側面および前記金属層の表面に銅メッキ層が被着されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体パッケージによれば、半導体パッケージの基体を構成する基材が、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とから成り、半導体素子から基材に伝わった熱は基材の内部においてランダムな経路を辿りながら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可能になる。このとき、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、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、半導体素子を常に適温として、半導体素子を長期間に亘り正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【００１９】
また、本発明の基体は、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、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が分散された金属炭素複合体を基材としていることから、弾性率は極めて小さく、また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１０〜１３ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）に調整される。このことから、半導体素子が発する熱によって、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たとしても、これらの熱応力は小さいものとなり、またこの熱応力は基体が適度に変形することにより緩和される。
【００２０】
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、基体の圧縮強度が実質的に大きくなり、基体を外部装置にネジ止めする際に発生する押圧力や圧縮応力が基体の表面に加わった場合に、基体が押圧力や圧縮応力に対してつぶれ難くなる。従って、例えばマザーボード等の外部装置に基体をネジで締め付けて密着固定するに際して、基体が厚さ方向に潰れることにより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損なわれるといった不具合が解消される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージを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Ａ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Ａの断面図、図２は本発明の半導体パッケージＡの基体の部分拡大断面図である。
【００２２】
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。主に基体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るとともに、入出力端子４が取付部３ａに嵌着されている。
【００２３】
また、図２において、１ｂは炭素質母材、１ｃは一方向性の炭素繊維の集合体、１ｄは銅、Ａは、Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｗのうちの少なくとも一種を０．２〜１０重量部、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１ｂ内に炭素繊維が分散された金属炭素複合体から成る基材である。６は基材Ａの上下面に形成された鉄またはステンレススチールからなる接着層、７は接着層６上に形成されたＣｕ層、Ｂは接着層６とＣｕ層７とが積層されて成る金属層、８は基材Ａの側面および金属層Ｂの表面に被着されたＣｕメッキ層、１２はネジ止め部である。
【００２４】
図２に示すように、基材Ａは金属成分が含浸された炭素質母材１ｂ内に炭素繊維が分散された金属炭素複合体から成り、この基材Ａは例えば以下の工程［１］〜［７］のようにして作製される。
【００２５】
［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。
【００２６】
［２］次に、これ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塊を得る。
【００２７】
［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。
【００２８】
［４］炭素質母材１ｂ内にＣｕを不活性雰囲気下において高温、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。この含浸された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を除いたものは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、含浸時に見かけ上液体となって炭素質母材１ｂに含浸される。
【００２９】
［５］次に、炭素質母材１ｂ内に炭素繊維およびＣｕ等の金属成分１ｄを分散させた塊を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０．５〜２ｍｍ程度、縦横の寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍ程度である。
【００３０】
［６］さらに、この板を所望の形状に加工して基材Ａを作製し、基材Ａの上下面に、基材Ａ側から鉄またはステンレススチールから成る接着層６、Ｃｕ層７を積層させた金属層Ｂを形成する。
【００３１】
［７］次いで、基材Ａの全面にＣｕメッキ層８を被着する。
【００３２】
基材Ａ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と炭素質母材との密着性が良好なものとなる。また、基材Ａ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８〜１０ｐｐｍ／℃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、高圧下で良好であることは実験的に確認できている。また、Ａｇ以外の金属をＣｕに含有させた場合には、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、この炭化物を介してＣｕと炭素質母材１ｂとが密着する。このことから、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が発する熱が載置面に平行な方向にも良好に伝達され、基材Ａによる熱伝達が極めて良好なものとなる。
【００３３】
また、Ｃｕ等の金属成分１ｄが基材Ａ内に分散されていることによって基材Ａのネジ止め部１２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。
【００３４】
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Ｆｅまたはステンレススチールから成る接着層６と、Ｃｕ層７との２層構造の金属層Ｂが形成されている。Ｃｕ層７は、半導体素子２が発する熱を横方向（面方向）に伝達する伝熱媒体ともなる。そして、枠体３の下面に、基体１の上側主面の金属層Ｂを半田や銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けすることにより、基体１が枠体３の下面に取着される。
【００３５】
また、基材Ａの上下面にＦｅまたはステンレススチールからなる接着層６とＣｕ層７とから成る金属層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するものとなる。また、基材Ａ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、半導体パッケージの内部に半導体素子２を収容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。
【００３６】
本発明において、接着層６を予め基材Ａに形成するのは、炭素と結合しにくいＣｕ層７を接着層６を介して炭素質母材１ｂに被着させるためであり、このとき鉄原子と炭素原子とが高温のもとで相互拡散し大きな接合強度が得られる。また基材Ａの表面に一部表れているＣｕ等の金属成分１ｄに対してもアンカー効果による物理的な接合強度が得られる。
【００３７】
また、基体１の最外表面はＣｕメッキ層８で被覆されており、側面のＣｕメッキ層８が側面に伝達した熱を下面へと導く伝熱媒体となるとともに、枠体３の取付部３ａに入出力端子４を嵌入しロウ材で接合する際に、ロウ材の濡れ性が向上するという機能も有している。Ｃｕメッキ層８の厚さは、０．５μｍ未満であるとロウ材の濡れ性が低下し易く、また伝熱経路としても有効に機能しなくなる。Ｃｕメッキ層８の厚さが５μｍを超えると、Ｃｕメッキ層８を形成する際に炭素質母材１ｂとＣｕメッキ層８との間に大きな応力が発生し内在することとなる。この内在した応力によって、Ｃｕメッキ層８が剥離し易くなることから、Ｃｕメッキ層８の厚さは０．５〜５μｍが好ましい。
【００３８】
また、本発明において、金属層Ｂを接着層６とＣｕ層７の２つの層で形成するのは、接着層６を介してＣｕ層７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１０〜１３ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）に近づけるためである。
【００３９】
そして、接着層６の厚さは５〜３０μｍ、Ｃｕ層７の厚さは５〜３０μｍとすることが好ましい。接着層６の厚さが５μｍ未満では、Ｃｕ層７を形成する際の接着層としての機能を果たさなくなる。また、接着層６の厚さが３０μｍを超えると、接着層６と基材Ａとの熱膨張係数の差によって発生する熱応力によって、基材Ａの表面から接着層６が剥れることがあり、基材Ａとの密着性が劣化する。
【００４０】
また、Ｃｕ層７の厚さを５μｍ未満にすると、基体１の熱膨張係数を大きく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をロウ材で接合した場合にロウ材にクラックが発生し易くなる。また、Ｃｕ層７の厚さが３０μｍを超えると、基材Ａの熱膨張係数が大きくなり過ぎ、枠体３を基体１の上面にロウ材で接合する際にロウ材にクラックが発生し易くなる。
【００４１】
以上のことから、基材Ａの上下面に上記範囲内の厚さを有する、Ｆｅまたはステンレススチールからなる接着層６とＣｕ層７とを積層させた金属層Ｂが形成された基体１は、鉄の熱膨張係数が約１４ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）、ステンレススチールの熱膨張係数が１１〜１５ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）、銅の熱膨張係数が約１９ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）であることから、基材Ａの熱膨張係数が８〜１０ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）であることと併せて基体１の熱膨張係数は１０〜１３ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）となる。
【００４２】
これにより、基体１を枠体３の下面に取着させた後、両者に半導体素子２が動作時に発生する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の差に起因する熱応力がほとんど発生することはなくなる。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に強固に接合し、かつ半導体素子２の作動時に発生する熱を大気中に良好に発散させ得る。また、半導体素子２と基体１との間に発生する熱応力は、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との間では熱応力が大きく発生することが無い。従って、容器内部に収容する半導体素子２を長期間に亘り正常かつ安定に作動させることができる。
【００４３】
なお、金属層Ｂは基材Ａの上下面に拡散接合させることによって被着されており、具体的には、基材Ａの上下面に厚さが例えば約５μｍの鉄箔またはステンレススチール箔と、厚さが例えば約２０μｍのＣｕ箔とを順次載置し、次に真空ホットプレスで５ＭＰａ（メガパスカル）の圧力をかけつつ１２００℃の温度を１時間加えることによって被着される。
【００４４】
基材Ａの上下面に金属層Ｂを形成し、さらにＣｕメッキ層８を被着した基体１は、上面側から下面側にかけて３５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が得られ、また半導体素子２の載置部１ａの載置面に平行な方向については基材Ａの内部に分散された炭素繊維およびＣｕ等の金属成分１ｄにより２５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が得られる。その結果、基体１は、その上に載置された半導体素子２が発する熱をランダムな方向に効率よく伝達させることができる。従って、基体１の下面の全面から熱が効率よく放散されるとともに、基体１の側面に伝達した熱もＣｕメッキ層８を伝わり基体１の下面から外部に効率よく放散されることとなる。
【００４５】
半導体素子２の載置面（接合面）に平行な方向の熱伝導率を測定すると、上記のように２５０〜３００Ｗ／ｍ・Ｋであり、図３に示すような炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料１０９を用いたものと比較して８〜１０倍と大きくなっていることが明らかになった。即ち、半導体素子２が発する熱は、熱電冷却素子（図１には図示せず）を介して、基体１に伝達され、次いでこの基体１の上面側から下面側にかけて基体１内の様々な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。
【００４６】
また、炭素質母材１ｂにＣｕ等の金属成分１ｄを含浸させると、基材Ａの密度は３〜４ｇ／ｃｍ³となり、Ｃｕ等の金属成分１ｄを含浸させていない基材Ａの密度（約２ｇ／ｃｍ³）に比べると大きいが、従来から一般的に用いられている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なものとなる。
【００４７】
更に、炭素質母材１ｂを用いた基体１はその弾性率がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属に比べて小さいことから、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の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が適度に変形することによって吸収される。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が発する熱を常に大気中に効率よく放散させることができるとともに、半導体素子２を長期間に亘って正常かつ安定に作動させることができる。
【００４８】
また、炭素質母材１ｂの上下面に金属層Ｂを被着させた基体１には、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することはなく、常に平坦となる。これにより、枠体３の下面に基体１を強固に接合させることが可能になるとともに、半導体素子２が作動時に発する熱を基体１を介して大気中に効率よく放散させることが可能になる。
【００４９】
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を囲繞するようにしてロウ材、ガラスまたは樹脂等の接着剤を介して取着されており、基体１と枠体３とで半導体素子２を収容する為の空所が内部に形成される。この枠体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。
【００５０】
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金からなる枠体３は、その熱膨張係数が約１０〜１３ｐｐｍ／℃（室温〜８００℃）であり、基体１の熱膨張係数１０〜１３ｐｐｍ／℃とほとんど同じである。よって、基体１と枠体３との間に発生する熱応力は小さく、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、熱応力が発生したとしてもその熱応力は基体１の適度の変形によって吸収される。従って、枠体３と基体１とを接合するロウ材にクラックなどの不具合が発生することや、基体１に反りが発生すること等が解消できる。
【００５１】
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９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９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（Ａｌ₂Ｏ₃）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の内周面に銀ロウなどのロウ材を介して接合することによって、枠体３の取付部３ａに入出力端子４が嵌着される。
【００５２】
また、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して作製される。まず、例えばＡｌ₂Ｏ₃，酸化珪素（ＳｉＯ₂），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を採用すること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すとともにメタライズ配線層９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。
【００５３】
さらに入出力端子４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９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。また、メタライズ配線層９の枠体３の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１０を介して電気的に接続され、またメタライズ配線層９の枠体３の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。
【００５４】
メタライズ配線層９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として作用し、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）などの高融点金属粉末により形成されている。そして、メタライズ配線層９は、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎなどの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入出力端子４に形成される。
【００５５】
なお、メタライズ配線層９は、その露出する表面に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９の酸化腐食を有効に防止することができる。また、メタライズ配線層９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。
【００５６】
また、メタライズ配線層９には外部リード端子１１が銀ロウなどのロウ材を介してロウ付け取着されており、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作用をなす。外部リード端子１１を外部装置に接続することによって容器の内部に収容される半導体素子２はメタライズ配線層９および外部リード端子１１を介して外部装置に接続されることになる。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。
【００５７】
かくして、本発明の半導体パッケージによれば、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するとともに、半導体素子２の各電極をボンディングワイヤ１０を介して所定のメタライズ配線層９に接続させ、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させ、基体１、枠体３および蓋体５と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。
【００５８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体が、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、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が分散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鉄またはステンレススチールから成る接着層と銅層とを順次積層した金属層が形成され、さらに基材の側面および金属層の表面に銅メッキ層が被着されていることから、半導体素子が作動時に発した熱は基体の上側主面側から下側主面側へとランダムな経路で極めて効率よく伝達し、また基体の側面に伝達した熱をＣｕメッキ層により下側主面側へと伝達することにより、大量の熱を効率よく基体の下側主面側から放散することが可能となる。その結果、半導体素子は常に適温となって、半導体素子を長期間に亘り正常かつ安定に作動させることが可能になる。
【００６０】
また、基体が上記構成であることにより、基体の弾性率を小さくすることができる。その結果、基体の熱膨張係数と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金などの金属材料からなる枠体の熱膨張係数との間に差があり、基体および枠体に熱が加わって熱応力が発生しても、基体が適度に変形することによりこの熱応力を吸収し得る。
【００６１】
さらに、基材にはＣｕ等の金属成分が炭素質母材に分散されているので、この金属成分が外部応力に対して基材の形状を保持することのできる圧縮強度を付与する。例えば、基体の端部のネジ止め部を外部装置等にネジ止めする際に、押圧力や圧縮応力が基体の表面に加わった場合、基体が圧縮応力に対して潰れ難くなる。例えば、マザーボードなどの外部装置にネジ止めする際に、基体が厚さ方向に潰れるといった不具合が解消するという効果を奏する。
【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】図１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：Ｃｕ等の金属成分
２：半導体素子
３：枠体
３ａ：取付部
４：入出力端子
６：接着層
７：Ｃｕ層
８：Ｃｕメッキ層
１２：ネジ止め部
Ａ：基材
Ｂ：金属層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a package for housing a semiconductor element for housing a semiconductor integrated circuit element such as an IC or LSI, or a semiconductor element such as a field effect transistor (FET).
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows an optical semiconductor package which is a kind of a conventional package for housing semiconductor elements (hereinafter referred to as a semiconductor package). (A), (b), (c) of the same figure is the top view, sectional drawing, and partial expanded sectional view of an optical semiconductor package, respectively. In the figure, an optical fiber and a cylindrical fixing member for attaching the optical fiber are provided on the side of the optical semiconductor package, but these are omitted.
[0003]
This optical semiconductor package surrounds the mounting portion 104 and a base 102 having a mounting portion 104 and a screwing portion 106 on which the semiconductor element 105 is mounted via a thermoelectric cooling element C such as a Peltier element on the upper main surface. In this manner, the frame 107 having a mounting portion including a through-hole or a notch on the side portion and the input / output terminal 108 fitted to the mounting portion are provided.
[0004]
In this optical semiconductor package, for example, a chromium (Cr) -iron (Fe) alloy layer as a first layer and a copper ( A heat sink 101 on which a metal layer B1 having a three-layer structure of an Fe-nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy layer or an Fe-Ni alloy layer is applied as a third layer is a frame-shaped substrate. The mounting portion 104 of the optical semiconductor element 105 is configured by being fitted inside the 102. Then, an optical semiconductor device is obtained by hermetically sealing the optical semiconductor element 105 inside a container including the heat sink 101, the frame-like base body 102, the frame body 107, and the lid body 103 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-150745). reference).
[0005]
In the conventional example, the heat sink 101 forms the mounting portion 104 of the optical semiconductor element 105, and the carbon fibers are arranged in the direction from the upper surface side to the lower surface side. Further, the heat radiating plate 101 has a thermal expansion coefficient of about 7 ppm / ° C. (× 10) in a direction parallel to the mounting surface of the optical semiconductor element 105 if the metal layer B1 is not deposited. ^-6 However, since the elastic modulus in that direction is as small as about 7 GPa (gigapascal), the thermal expansion coefficient of the heat radiating plate 101 can be increased by depositing the metal layer B1, and thus the thermal expansion coefficient. Is adjusted to 10 to 13 ppm / ° C. The thermal conductivity is 30 W / in the direction parallel to the mounting surface of the optical semiconductor element 105, that is, the direction perpendicular to the direction of the carbon fiber in the unidirectional composite material 109 in which the carbon fiber is bonded with carbon. While it is m · K or less, it is assumed that it is 300 W / m · K or more in the direction of carbon fiber.
[0006]
The heat radiating plate 101 has, for example, Ag brazing in a through-hole of a frame-like base body 102 made of Fe—Ni—Co alloy or Fe—Ni alloy having a thermal expansion coefficient of 10 to 13 ppm / ° C. (room temperature to 800 ° C.). The mounting portion 104 of the optical semiconductor element is formed by being inserted with a brazing material such as. Thus, the optical semiconductor package has a function of radiating heat generated by the optical semiconductor element 105 to the outside through the thermoelectric cooling element C.
[0007]
As described above, the heat radiating plate 101 has carbon fibers from the upper surface side of the heat radiating plate 101 as compared with a Cu-tungsten (W) alloy or a Cu-molybdenum (Mo) alloy that is generally used as a heat radiating material. By arranging in the direction toward the lower surface side, it has a large thermal conductivity in this direction. The heat generated when the optical semiconductor element 105 housed in the optical semiconductor package using the heat sink 101 is in operation has a thermal conductivity of 30 W / m · K or less in a direction perpendicular to the direction of the carbon fiber of the heat sink 101. For this reason, the heat radiating plate 101 hardly transmits in the direction of the main surface (surface direction).
[0008]
Therefore, the heat generated when the optical semiconductor element 105 is operated is selectively transmitted from the arrangement direction of the carbon fibers, that is, from the upper surface side to the lower surface side of the heat radiating plate 101 and is dissipated into the atmosphere from the lower surface side. As a result, the optical semiconductor element 105 is always at an appropriate temperature, and the optical semiconductor element 105 can be operated normally and stably over a long period of time.
[0009]
Further, when the heat generated when the optical semiconductor element 105 is activated is applied to the base body 102 and the frame body 107, the base body 102 and the frame body 107 are made of the same material, and hence the thermal expansion coefficient is about 10 to 13 ppm / ° C. For this reason, no large thermal stress is generated between the two. Further, even if a small thermal stress is generated, the thermal stress generated between the heat sink 101 and the frame body 107 is moderated by appropriately deforming the heat radiating plate 101. Therefore, it is possible to attach the frame body 107 to the base 102 very firmly.
[0010]
Therefore, the optical semiconductor package composed of the base body 102, the heat radiating plate 101, the frame body 107, and the lid body 103 is completely hermetically sealed, and the optical semiconductor element 105 accommodated therein is operated normally and stably over a long period of time. Is possible.
[0011]
This heat dissipation structure of an optical semiconductor package can also be applied to a semiconductor package that accommodates LSI, FET, etc. that generate a large amount of heat.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, the amount of heat generated by the optical semiconductor element 105 has increased. When the heat transfer limit of the heat sink 101 is exceeded, heat is stored in the heat sink 101 and the temperature of the heat sink 101 may increase. is there. In this case, the heat of the heat sink 101 is applied to the optical semiconductor element 105 through the thermoelectric cooling element C, the temperature of the optical semiconductor element 105 rises, and the optical semiconductor element 105 malfunctions, or the optical semiconductor element 105 is thermally destroyed. Problem occurred.
[0013]
In addition, a frame-like substrate 102 made of a highly rigid Fe—Ni—Co alloy, Fe—Ni alloy, or the like is used to tightly fix the optical semiconductor package to an external device by screwing. It fits in the through hole 102 through a brazing material such as Ag brazing. Then, the optical semiconductor package is tightly fixed to the external device by screwing it with a screwing portion 106, and the heat generated by the optical semiconductor element 105 is dissipated to the outside through the external device.
[0014]
However, when the heat radiating plate 101 is inserted into the through hole of the frame-shaped base 102, the gap between the outer peripheral surface of the heat radiating plate 101 and the inner surface of the through hole may vary in size. In this case, if the heat radiation plate 101 is brazed to the through hole with a brazing material, the brazing material accumulation state becomes non-uniform, and as a result, the hermetic sealing of the optical semiconductor package may be impaired.
[0015]
Therefore, a configuration in which the heat sink 101 itself is used as a base is conceivable. When the optical semiconductor package is screwed to an external device, the unidirectional composite material 109 constituting the heat sink 101 has a thickness of the unidirectional carbon fiber. Since they are aligned in the direction and bonded with carbon, the compressive strength in the thickness direction is essentially smaller than that of metal. For this reason, there is a case where the screwing portion 106 of the heat radiating plate 101 as a base is crushed in the thickness direction when tightening with screws. Therefore, there is a problem that the optical semiconductor package cannot be fixed to the external device with a strong clamping force, and the heat generated by the optical semiconductor element 105 is not sufficiently dissipated (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-150746).
[0016]
Accordingly, the present invention has been completed in view of the above problems, and its object is to dissipate the heat generated by the semiconductor element to the outside efficiently and to normalize the semiconductor element accommodated in the semiconductor package for a long time. An object of the present invention is to provide a device that can be stably operated and that is not crushed in the thickness direction at the time of screw tightening for tightly fixing the semiconductor package to an external device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor package of the present invention includes a base having a mounting portion on which the semiconductor element is mounted on the upper main surface and having screwing portions on both ends, and surrounding the mounting portion on the upper main surface of the base. In a package for housing a semiconductor element, comprising: a frame body having an input / output terminal mounting portion comprising a through hole or a notch portion; and the input / output terminal fitted to the mounting portion. The substrate is carbon in a carbonaceous base material impregnated with a metal component containing 0.2 to 10 parts by weight of at least one of silver, titanium, chromium, zirconium and tungsten and 90 to 99.8 parts by weight of copper. A metal carbon composite in which fibers are dispersed is used as a base material, and a metal layer in which an adhesive layer made of iron or stainless steel and a copper layer are sequentially laminated on the upper and lower surfaces of the base material is formed. Substrate side And copper plating layer on the surface of the metal layer, characterized in that it is deposited.
[0018]
According to the semiconductor package of the present invention, the base material constituting the base of the semiconductor package includes a collection of unidirectional carbon fibers dispersed and arranged in a random direction in a carbonaceous base material, and an impregnated metal component. The heat transferred from the semiconductor element to the base material is transferred to the lower main surface and the side surface of the base body along a random path inside the base material. Then, the heat transmitted to the side surface of the substrate is transferred to the lower main surface through the Cu plating layer on the surface, and thus the temperature of the semiconductor element is set to an appropriate temperature by heat dissipation from the lower main surface of the substrate. Is possible. At this time, the metal component impregnated in the base contains 0.2 to 10 parts by weight of at least one of Ag, Ti, Cr, Zr, and W, and 90 to 99.8 parts by weight of Cu. Adhesiveness between Cu and the surrounding carbonaceous base material is improved, and the heat conductivity is greatly improved as compared with the case where only Cu is impregnated. As a result, it is possible to operate the semiconductor element normally and stably over a long period of time by keeping the semiconductor element at an appropriate temperature.
[0019]
The substrate of the present invention is a carbonaceous material impregnated with a metal component containing 0.2 to 10 parts by weight of at least one of silver, titanium, chromium, zirconium and tungsten and 90 to 99.8 parts by weight of copper. Since the base material is a metal-carbon composite in which carbon fibers are dispersed in the base material, the elastic modulus is extremely low, and the thermal expansion coefficient in the direction parallel to the mounting surface of the semiconductor element by the deposited metal layer Is adjusted to 10 to 13 ppm / ° C. (room temperature to 800 ° C.). Therefore, even if thermal stress is generated between the base and the semiconductor element due to the heat generated by the semiconductor element, and between the base and the frame, these thermal stresses are small, and this thermal stress Is alleviated by moderate deformation of the substrate.
[0020]
Further, since the base body is impregnated with copper, which is a metal as a main component, in the carbonaceous base material, the compressive strength of the base body is substantially increased, and the pressing force generated when the base body is screwed to an external device. When the compressive stress is applied to the surface of the base, the base is not easily crushed against the pressing force or the compressive stress. Therefore, for example, when the base is tightened and fixed to an external device such as a mother board with screws, the base is crushed in the thickness direction, so that the tightening becomes loose and the close fixing becomes insufficient, and the heat dissipation to the outside is impaired. Such a problem is solved.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor package of the present invention will be described in detail below. 1 and 2 show an example of an embodiment of a semiconductor package A of the present invention. FIG. 1 is a sectional view of the semiconductor package A, and FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of a base of the semiconductor package A of the present invention. It is.
[0022]
In FIG. 1, 1 is a base, 1 a is a mounting portion for a semiconductor element 2, 2 is a semiconductor element such as an IC, LSI, FET, 3 is a frame body, and 3 a is an input / output terminal mounting portion provided on the frame body 3. It is. Mainly the base body 1, the frame body 3, and the lid body 5 basically constitute a container for housing the semiconductor element 2, and the input / output terminal 4 is fitted to the mounting portion 3a.
[0023]
In FIG. 2, 1b is a carbonaceous base material, 1c is an aggregate of unidirectional carbon fibers, 1d is copper, and A is at least one of Ag, Ti, Cr, Zr, and W is 0.2. It is a base material made of a metal-carbon composite in which carbon fibers are dispersed in a carbonaceous base material 1b impregnated with 10 to 10 parts by weight and a metal component containing 90 to 99.8 parts by weight of Cu. 6 is an adhesive layer made of iron or stainless steel formed on the upper and lower surfaces of the substrate A, 7 is a Cu layer formed on the adhesive layer 6, and B is a metal formed by laminating the adhesive layer 6 and the Cu layer 7. Reference numeral 8 denotes a Cu plating layer deposited on the side surface of the substrate A and the surface of the metal layer B, and 12 denotes a screwing portion.
[0024]
As shown in FIG. 2, the base material A is composed of a metal-carbon composite in which carbon fibers are dispersed in a carbonaceous base material 1b impregnated with a metal component, and the base material A includes, for example, the following steps [1] to [1]- It is produced as described in [7].
[0025]
[1] A plate-like lump in which a bundle of unidirectional carbon fibers is bonded with carbon is crushed into small aggregates made of unidirectional carbon fibers, and the crushed aggregates are collected to form a solid pitch or coke. Are immersed in a solution of a thermosetting resin such as a phenol resin in which the fine powder is dispersed. In addition, the magnitude | size of the aggregate | assembly obtained by crushing a plate-shaped lump is about 0.1-1 mm on one side, when the shape is seen as a substantially cube, for example.
[0026]
[2] Next, this is dried and a predetermined pressure is applied and heated to cure the thermosetting resin portion to obtain a plate-like lump.
[0027]
[3] This is baked at a high temperature in an inert atmosphere to carbonize the phenol resin and pitch or coke fine powder to obtain a carbonaceous base material 1b. The carbonaceous base material 1b itself has a large thermal conductivity of 200 to 300 W / m · K, and also functions as a heat transfer path for heat generated by the semiconductor element 2.
[0028]
[4] The carbonaceous base material 1b is impregnated with Cu in an inert atmosphere at a high temperature and a high pressure, that is, a molten forging method. At this time, the impregnated Cu becomes a Cu lump and is dispersed in the carbonaceous base material 1b. The impregnated Cu contains 0.2 to 10 parts by weight of at least one of Ag, Ti, Cr, Zr and W in advance. Among these metals, those excluding Ag have a melting point higher than the melting point of Cu (about 1083 ° C.). However, when mixed with molten Cu, a solid solution is formed with Cu, and apparently liquid at the time of impregnation. The carbonaceous base material 1b is impregnated.
[0029]
[5] Next, a lump in which carbon fiber and metal component 1d such as Cu are dispersed in the carbonaceous base material 1b is cut into a plate shape, and a plate to be the base material A is produced. As for the dimensions of the plate, for example, the thickness is about 0.5 to 2 mm, and the vertical and horizontal dimensions are about 100 mm × 100 mm.
[0030]
[6] Further, this plate is processed into a desired shape to produce a base material A, and an adhesive layer 6 and a Cu layer 7 made of iron or stainless steel are laminated on the upper and lower surfaces of the base material A from the base material A side. The formed metal layer B is formed.
[0031]
[7] Next, the Cu plating layer 8 is deposited on the entire surface of the substrate A.
[0032]
The base material A is formed by dispersing a metal component 1d such as Cu inside, and the adhesion between Cu and the carbonaceous base material is improved by the contained metal. Moreover, the thermal expansion coefficient of the base material A is 8 to 10 ppm / ° C. due to the dispersion of the metal component 1d such as Cu. At this time, when Ag is contained in Cu, it has been experimentally confirmed that the wettability between Cu and the carbonaceous base material 1b is good under high temperature and high pressure. Further, when a metal other than Ag is contained in Cu, titanium carbide (TiC), chromium carbide (CrC), zirconium carbide (ZrC), tungsten carbide (WC), etc. are formed between the carbonaceous base material 1b. A carbide is generated, and Cu and the carbonaceous base material 1b are in close contact with each other through the carbide. From this, the heat transfer between Cu and the carbonaceous base material 1b is further improved, and the heat generated by the semiconductor element 2 is also transferred well in the direction parallel to the mounting surface. Heat transfer is very good.
[0033]
Further, since the metal component 1d such as Cu is dispersed in the base material A, the crushing of the screwing portion 12 of the base material A is greatly reduced. Therefore, when the semiconductor package is tightly fixed to the external device with screws, the semiconductor package can be firmly tightened.
[0034]
As shown in FIG. 2, the substrate 1 has a two-layer structure of an adhesive layer 6 made of Fe or stainless steel for adjusting the thermal expansion coefficient of the substrate A and a Cu layer 7 on the upper and lower surfaces of the substrate A. The metal layer B is formed. The Cu layer 7 also serves as a heat transfer medium that transfers heat generated by the semiconductor element 2 in the lateral direction (plane direction). Then, the base body 1 is attached to the lower surface of the frame body 3 by brazing the metal layer B on the upper main surface of the base body 1 via a brazing material such as solder or silver brazing to the lower surface of the frame body 3. .
[0035]
In addition, since the metal layer B composed of the adhesive layer 6 made of Fe or stainless steel and the Cu layer 7 is formed on the upper and lower surfaces of the base material A, the metal layer B gives the thermal expansion coefficient of the substrate 1 to the frame 3. It has a function of approximating the thermal expansion coefficient. Further, even if the porous material has a large number of pores on the surface of the substrate A, the pores are completely blocked by the metal layer B. As a result, the reliability of hermetic sealing inside the semiconductor package becomes high. In addition, after the semiconductor element 2 is accommodated in the semiconductor package to form a semiconductor device, when helium is used for airtight inspection of the semiconductor device, a part of helium is trapped in the pores of the base material A. Can be effectively prevented, and the semiconductor device can be accurately inspected for hermetic sealing.
[0036]
In the present invention, the adhesive layer 6 is formed on the substrate A in advance in order to adhere the Cu layer 7 that is difficult to bond with carbon to the carbonaceous base material 1b through the adhesive layer 6, and at this time And carbon atoms diffuse together under high temperature to obtain a large bonding strength. In addition, physical bonding strength due to the anchor effect can be obtained for a metal component 1d such as Cu partially appearing on the surface of the substrate A.
[0037]
The outermost surface of the substrate 1 is covered with a Cu plating layer 8, which serves as a heat transfer medium that guides the heat transferred to the side surface by the Cu plating layer 8 on the side surface, and the attachment portion 3 a of the frame 3. When the input / output terminal 4 is inserted into and joined with the brazing material, it also has a function of improving the wettability of the brazing material. If the thickness of the Cu plating layer 8 is less than 0.5 μm, the wettability of the brazing material tends to be reduced, and the Cu plating layer 8 does not function effectively as a heat transfer path. If the thickness of the Cu plating layer 8 exceeds 5 μm, a large stress is generated between the carbonaceous base material 1 b and the Cu plating layer 8 when the Cu plating layer 8 is formed, and is inherent. Since the Cu plating layer 8 is easily peeled by the inherent stress, the thickness of the Cu plating layer 8 is preferably 0.5 to 5 μm.
[0038]
In the present invention, the metal layer B is formed of two layers of the adhesive layer 6 and the Cu layer 7 by forming the Cu layer 7 via the adhesive layer 6 so that the thermal expansion coefficient of the substrate A is increased. This is because the thermal expansion coefficient of the frame 3 made of Fe—Ni—Co alloy or Fe—Ni alloy approaches 10 to 13 ppm / ° C. (room temperature to 800 ° C.).
[0039]
And it is preferable that the thickness of the contact bonding layer 6 is 5-30 micrometers, and the thickness of the Cu layer 7 is 5-30 micrometers. When the thickness of the adhesive layer 6 is less than 5 μm, the function as the adhesive layer when forming the Cu layer 7 is not achieved. Further, when the thickness of the adhesive layer 6 exceeds 30 μm, the adhesive layer 6 may be peeled off from the surface of the base material A due to thermal stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the adhesive layer 6 and the base material A. Adhesiveness with the base material A deteriorates.
[0040]
Further, when the thickness of the Cu layer 7 is less than 5 μm, the effect of increasing the thermal expansion coefficient of the substrate 1 is reduced, and the frame 3 made of Fe—Ni—Co alloy or Fe—Ni alloy is brazed to the substrate 1. When it joins by, it becomes easy to generate | occur | produce a crack in a brazing material. If the thickness of the Cu layer 7 exceeds 30 μm, the thermal expansion coefficient of the base material A becomes too large, and cracks are likely to occur in the brazing material when the frame 3 is joined to the upper surface of the substrate 1 with the brazing material. Become.
[0041]
From the above, the base 1 on which the metal layer B in which the adhesive layer 6 made of Fe or stainless steel and the Cu layer 7 are laminated on the upper and lower surfaces of the base A is formed. The thermal expansion coefficient of iron is about 14 ppm / ° C (room temperature to 800 ° C), the thermal expansion coefficient of stainless steel is 11 to 15 ppm / ° C (room temperature to 800 ° C), and the thermal expansion coefficient of copper is about 19 ppm / ° C (room temperature to 800 ° C). Therefore, the thermal expansion coefficient of the substrate 1 is 10 to 13 ppm / ° C. (room temperature to 800 ° C.) together with the thermal expansion coefficient of the substrate A being 8 to 10 ppm / ° C. (room temperature to 800 ° C.). It becomes.
[0042]
Thereby, after the base body 1 is attached to the lower surface of the frame body 3, even if heat generated during operation of the semiconductor element 2 is applied to both of the base body 1 and the frame body 3, thermal expansion of both of them is performed. The thermal stress due to the difference in coefficients hardly occurs. Even if thermal stress occurs, the base 1 absorbs the thermal stress because the elastic modulus of the base 1 is small. As a result, the base 1 is firmly bonded to the frame 3 and the semiconductor element 2 Heat generated during operation can be dissipated well into the atmosphere. Further, the thermal stress generated between the semiconductor element 2 and the base 1 is deformed so that the base 1 absorbs the thermal stress, and a large thermal stress is generated between the semiconductor element 2 and the base 1. No. Therefore, the semiconductor element 2 accommodated in the container can be operated normally and stably over a long period of time.
[0043]
The metal layer B is applied by diffusion bonding to the upper and lower surfaces of the substrate A. Specifically, for example, an iron foil or stainless steel foil having a thickness of about 5 μm is formed on the upper and lower surfaces of the substrate A. Then, Cu foil having a thickness of, for example, about 20 μm is successively placed, and then applied by applying a temperature of 1200 ° C. for 1 hour while applying a pressure of 5 MPa (megapascal) with a vacuum hot press.
[0044]
The substrate 1 having the metal layer B formed on the upper and lower surfaces of the substrate A and further coated with the Cu plating layer 8 has a thermal conductivity of 350 to 400 W / m · K from the upper surface side to the lower surface side, and is a semiconductor. About the direction parallel to the mounting surface of the mounting part 1a of the element 2, the heat conductivity of 250-300 W / m * K is obtained with metal components 1d, such as carbon fiber and Cu which were disperse | distributed inside the base material A. . As a result, the base body 1 can efficiently transfer heat generated by the semiconductor element 2 placed thereon in a random direction. Therefore, heat is efficiently dissipated from the entire lower surface of the substrate 1, and heat transmitted to the side surface of the substrate 1 is also transmitted through the Cu plating layer 8 and efficiently dissipated from the lower surface of the substrate 1 to the outside.
[0045]
When the thermal conductivity in the direction parallel to the mounting surface (bonding surface) of the semiconductor element 2 is measured, it is 250 to 300 W / m · K as described above, and carbon fibers as shown in FIG. 3 are bonded with carbon. It became clear that it was 8 to 10 times larger than that using the unidirectional composite material 109. That is, the heat generated by the semiconductor element 2 is transmitted to the base body 1 through a thermoelectric cooling element (not shown in FIG. 1), and then in various directions within the base body 1 from the upper surface side to the lower surface side. It is efficiently transmitted through the heat transfer path and is dissipated into the air via an external device.
[0046]
Further, when the carbonaceous base material 1b is impregnated with a metal component 1d such as Cu, the density of the base material A is 3 to 4 g / cm. ^Three The density of the base material A not impregnated with the metal component 1d such as Cu (about 2 g / cm ^Three However, it is about 1/3 to 1/5 that of a Cu-W alloy that has been generally used so far, and is extremely lightweight. Therefore, it is advantageous when mounted on an electronic device that has recently been reduced in size and weight.
[0047]
Further, since the base 1 using the carbonaceous base material 1b has a smaller elastic modulus than that of a metal such as an Fe—Ni—Co alloy, the base 1 and the semiconductor element are also interposed between the base 1 and the frame 3. Even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the two, the thermal stress generated between them is absorbed when the substrate 1 is appropriately deformed. As a result, the base body 1 and the frame body 3 and the base body 1 and the semiconductor element 2 can be firmly joined, and the heat generated by the semiconductor element 2 can always be efficiently dissipated into the atmosphere, and the semiconductor element 2 can be used for a long time. Can be operated normally and stably.
[0048]
Further, the base 1 having the metal layer B deposited on the upper and lower surfaces of the carbonaceous base material 1b is provided between the base A and the upper metal layer B, and between the base A and the lower metal layer B. In addition, even if thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the base material A and the metal layer B occurs, the respective thermal stresses are in the same direction on the upper and lower surfaces, and are substantially equivalent, The substrate 1 is not deformed by the thermal stress generated between the substrate A and the metal layer B, and is always flat. As a result, the base body 1 can be firmly bonded to the lower surface of the frame 3, and heat generated when the semiconductor element 2 operates can be efficiently dissipated into the atmosphere via the base body 1.
[0049]
The frame body 3 of the present invention is attached to the outer peripheral portion of the upper main surface of the base body 1 with an adhesive such as brazing material, glass or resin so as to surround the mounting portion 1a. A space for accommodating the semiconductor element 2 is formed inside the frame 3. The frame 3 is made of an Fe—Ni—Co alloy or an Fe—Ni alloy. For example, an ingot of the Fe—Ni—Co alloy is formed by a metal processing method such as a conventionally known press molding method or extrusion method. It is produced by molding into a frame shape.
[0050]
The frame 3 made of Fe—Ni—Co alloy or Fe—Ni alloy has a thermal expansion coefficient of about 10 to 13 ppm / ° C. (room temperature to 800 ° C.), and the thermal expansion coefficient of the substrate 1 is 10 to 13 ppm / ° C. It is almost the same. Therefore, the thermal stress generated between the base body 1 and the frame 3 is small, and the elastic modulus of the base body 1 is smaller than that of a metal such as an Fe—Ni—Co alloy. Thermal stress is absorbed by moderate deformation of the substrate 1. Accordingly, it is possible to eliminate the occurrence of defects such as cracks in the brazing material that joins the frame 3 and the base body 1 and the warpage of the base body 1.
[0051]
Further, the frame body 3 is formed with a mounting portion 3a formed of a through-hole or a notch on a side portion thereof, and a plurality of metallized wiring layers 9 that conduct from the inner side to the outer side of the frame body 3 are formed on the mounting portion 3a. The formed input / output terminal 4 is fitted. The input / output terminal 4 has an effect of disposing the metallized wiring layer 9 from the inner side to the outer side of the frame body 3 with electrical insulation with respect to the frame body 3. ₂ O _Three ) Made of an electrically insulating material such as a sintered material. A metallized layer is previously deposited on the side surface of the input / output terminal 4 facing the inner surface of the mounting part 3a, and this metallized layer is joined to the inner peripheral surface of the mounting part 3a via a brazing material such as silver solder. As a result, the input / output terminal 4 is fitted to the attachment portion 3 a of the frame 3.
[0052]
Further, the main body portion made of an electrically insulating material of the input / output terminal 4 is manufactured as follows. First, for example, Al ₂ O _Three , Silicon oxide (SiO ₂ ), Magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), and other raw material powders are added and mixed with a suitable binder, solvent, etc. to form a slurry. The slurry is made into a ceramic green sheet by adopting a doctor blade method or a calender roll method, and then a suitable punching process is performed on the ceramic green sheet and a metal layer to be the metallized wiring layer 9 is formed. A plurality of ceramic green sheets are laminated and fired at a temperature of about 1600 ° C., whereby the main body portion of the input / output terminal 4 is manufactured.
[0053]
Further, the input / output terminal 4 is formed such that a plurality of metallized wiring layers 9 that are conductive from the inside to the outside of the frame body 3 are embedded in a main body portion that is a ceramic laminate. In addition, each electrode of the semiconductor element 2 is electrically connected to the portion of the metallized wiring layer 9 located inside the frame 3 through the bonding wires 10, and on the outside of the frame 3 of the metallized wiring layer 9. The external lead terminal 11 connected to the external device is attached to the located portion via a brazing material such as silver brazing.
[0054]
The metallized wiring layer 9 acts as a conductive path for connecting each electrode of the semiconductor element 2 to an external device, and is formed of a refractory metal powder such as tungsten (W), molybdenum (Mo), manganese (Mn). . The metallized wiring layer 9 is conventionally well known in advance in a ceramic green sheet serving as the input / output terminal 4 using a paste obtained by adding and mixing an appropriate organic binder, solvent, etc. to a refractory metal powder such as W, Mo, or Mn. The input / output terminals 4 are formed by printing, applying and baking in a predetermined pattern by the screen printing method.
[0055]
The metallized wiring layer 9 is formed by depositing a metal having excellent corrosion resistance such as Ni, gold (Au), etc. and excellent wettability with a brazing material to a thickness of 1 to 20 μm on the exposed surface by a plating method. It is preferable to prevent the oxidative corrosion of the metallized wiring layer 9 effectively. Further, the brazing of the external lead terminal 11 to the metallized wiring layer 9 can be strengthened.
[0056]
Also, external lead terminals 11 are brazed and attached to the metallized wiring layer 9 via a brazing material such as silver brazing, and the external lead terminals 11 use each electrode of the semiconductor element 2 accommodated inside the container as an external device. Acts as an electrical connection. By connecting the external lead terminal 11 to the external device, the semiconductor element 2 accommodated in the container is connected to the external device via the metallized wiring layer 9 and the external lead terminal 11. The external lead terminal 11 is made of a metal material such as an Fe—Ni—Co alloy or an Fe—Ni alloy. For example, an ingot (lumb) of an Fe—Ni—Co alloy is conventionally known such as a rolling method or a punching method. It is formed into a predetermined shape by applying a metal processing method.
[0057]
Thus, according to the semiconductor package of the present invention, the semiconductor element 2 is bonded and fixed onto the mounting portion 1a of the base body 1 through an adhesive such as glass, resin, or brazing material, and each electrode of the semiconductor element 2 is bonded. After connecting to a predetermined metallized wiring layer 9 via a wire 10, the lid 5 is bonded to the upper surface of the frame 3 via a sealing material made of glass, resin, brazing material, etc. A semiconductor device as a product is obtained by airtightly housing the semiconductor element 2 in a container including the body 3 and the lid 5.
[0058]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0059]
【The invention's effect】
In the present invention, the base having the mounting portion on which the semiconductor element is mounted is 0.2 to 10 parts by weight of at least one of silver, titanium, chromium, zirconium and tungsten, and 90 to 99.99% of copper. An adhesive layer made of iron or stainless steel on the upper and lower surfaces of the base material from the base material side, using a metal-carbon composite in which carbon fibers are dispersed in a carbonaceous base material impregnated with 8 parts by weight of a metal component Since a metal layer is formed by sequentially laminating a copper layer and a copper layer, and a copper plating layer is deposited on the side of the substrate and the surface of the metal layer, the heat generated during operation of the semiconductor element A large amount of heat is efficiently transmitted by transferring the heat from the surface side to the lower main surface side by a random path and transferring the heat transferred to the side surface of the base to the lower main surface side by the Cu plating layer. Well dissipates from the bottom main surface side of the substrate Rukoto is possible. As a result, the semiconductor element always has an appropriate temperature, and the semiconductor element can be operated normally and stably over a long period of time.
[0060]
Moreover, the elastic modulus of a base | substrate can be made small because a base | substrate is the said structure. As a result, there is a difference between the thermal expansion coefficient of the base and the thermal expansion coefficient of the frame made of a metal material such as an Fe-Ni-Co alloy or Fe-Ni alloy, and heat is applied to the base and the frame. Even if thermal stress occurs, the thermal stress can be absorbed by appropriate deformation of the substrate.
[0061]
Furthermore, since a metal component such as Cu is dispersed in the carbonaceous base material, the metal component imparts a compressive strength that can maintain the shape of the substrate against external stress. For example, when a screwing portion at the end of the base is screwed to an external device or the like, if the pressing force or compressive stress is applied to the surface of the base, the base is not easily crushed by the compressive stress. For example, when screwing to an external device such as a mother board, there is an effect of eliminating the problem that the base body is crushed in the thickness direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor package of the present invention.
2 is a partial enlarged cross-sectional view of a base in the semiconductor package of FIG. 1;
3A is a plan view of a conventional semiconductor package, FIG. 3B is a cross-sectional view of the conventional semiconductor package, and FIG. 3C is a partial enlarged cross-sectional view of a base in the conventional semiconductor package.
[Explanation of symbols]
1: Substrate
1a: Placement part
1b: Carbonaceous base material
1c: aggregate of carbon fibers
1d: Metal component such as Cu
2: Semiconductor element
3: Frame
3a: Mounting part
4: Input / output terminal
6: Adhesive layer
7: Cu layer
8: Cu plating layer
12: Screw fixing part
A: Base material
B: Metal layer

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成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、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が分散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鉄またはステンレススチールから成る接着層と銅層とを順次積層した金属層が形成され、さらに前記基材の側面および前記金属層の表面に銅メッキ層が被着されていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。A base body having a mounting portion on which the semiconductor element is mounted on the upper main surface and having screwing portions on both ends, and the upper main surface of the base body is attached so as to surround the mounting portion and penetrates In a package for housing a semiconductor element comprising a frame having an input / output terminal mounting portion comprising a hole or a notch, and the input / output terminal fitted to the mounting portion, the base is made of silver, titanium, Metal carbon in which carbon fibers are dispersed in a carbonaceous base material impregnated with a metal component containing 0.2 to 10 parts by weight of chromium, zirconium and tungsten and 90 to 99.8 parts by weight of copper A composite layer is used as a base material, and a metal layer is formed on the top and bottom surfaces of the base material by sequentially laminating an adhesive layer made of iron or stainless steel and a copper layer from the base material side. Copper on the surface of the layer Semiconductor device package for housing Tsu key layer is characterized in that it is deposited.