JP3659336B2

JP3659336B2 - 半導体素子収納用パッケージ

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

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。