JP4272329B2 - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波通信分野およびミリ波通信分野等で用いられ、高周波帯域で作動するガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の化合物半導体等から成る各種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】
従来のマイクロ波通信分野またはミリ波通信分野等で用いられ高周波帯域で作動する各種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（以下、半導体パッケージという）を図５に示す。
【０００３】
この図５において、２１，２４はそれぞれ金属材料から成り容器本体を構成する基体と側壁用の枠体、２５はセラミックスから成り基体２１上に接合され高周波信号を入出力する入出力端子、２６は蓋体、２８は半導体素子を示す。これら基体２１、枠体２４、入出力端子２５、蓋体２６とで、半導体素子２８を半導体パッケージ内部に収容する。
【０００４】
また、このような半導体パッケージは、一般に半導体素子２８が載置される載置部２１ａを有する基体２１と、基体２１上面の外周部に載置部２１ａを囲繞するように接合される枠体２４および接合面に金属層が設けられた入出力端子２５とが、銀ロウ等のロウ材で接合される。さらに、蓋体２６と枠体２４上面とが、蓋体２６と枠体２４上面にそれぞれ設けられた金属層を介して金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材で接合される。
【０００５】
基体２１は、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の比較的高い熱伝導性を有する金属材料から成り半導体素子２８作動時に発する熱を吸収し放散するための放熱板として機能するとともに、半導体素子２８を支持する支持部材として機能する。
【０００６】
また、枠体２４は、基体２１に熱膨張係数が近似する鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料から成るとともに、入出力端子２５を嵌着するための貫通孔または切欠部から成る取付部２４ａが形成されており、入出力端子２５の上面，下面にそれぞれ設けられた金属層を介して銀ロウ等のロウ材で接合される。
【０００７】
また、この入出力端子２５は、基体２１，枠体２４に熱膨張係数が近似するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックス等のセラミックスから成るとともに、半導体パッケージの内外を電気的に導通するためにモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ層２５ａが被着されている。
【０００８】
また、このメタライズ層２５ａには、外部電気回路との高周波信号の入出力を行なうために導電性を有する鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料から成るリード端子２７が銀ロウ等のロウ材で接合されるとともに、半導体素子２８と電気的に接続するためのボンディングワイヤ２９が接合される。
【０００９】
なお、この半導体素子２８は、載置部２１ａに錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点半田を介して接合され、作動時にはこの低融点半田を介して基体２１に伝熱される。
【００１０】
しかる後、枠体２４の上面を、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料またはＡｌ2Ｏ3セラミックス等のセラミックスから成る蓋体２６により、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材で接合することによって、半導体パッケージ内部に半導体素子２８を気密に収容しその作動性を良好なものとする。
【００１１】
このように、基体２１、枠体２４、入出力端子２５、蓋体２６とで、半導体素子２８を半導体パッケージ内部に収容するとともに、ボンディングワイヤ２９とリード端子２７と外部電気回路とを電気的に接続することによって、半導体素子２８が高周波信号によって作動する半導体装置となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、半導体素子２８は高密度化、高集積化が急激に進み、これによって半導体素子２８の作動時に発する熱量が従来に比し極めて大きなものとなっている。そのため、この半導体素子２８を従来の半導体パッケージに収容し、半導体装置となした場合、半導体素子２８の作動時に発する熱を放散するＣｕ−Ｗ合金等から成る基体２１の熱伝導率が、およそ２００Ｗ／ｍＫ程度と比較的高くても、近年の半導体素子２８が発する多量の熱を十分に伝達することができない。その結果、半導体素子２８は発する熱によって高温となり熱破壊を起こしたり、熱による特性劣化を引き起こし誤作動が生じる等の問題点を有していた。
【００１３】
上記問題点を解決するために、本出願人は、図３，図４に示すように、放熱板１２として、この上面から下面にかけて熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料１２ａの上下両面に、各５０μｍ以下の厚みを有するＣｒ−Ｆｅ合金層１２ｂ−１，Ｃｕ層１２ｂ−２，Ｆｅ−Ｎｉ層またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ層１２ｂ−３の３層構造を有する金属層１２ｂを拡散接合したものを使用し、さらに、この放熱板１２側部の気孔を塞ぎ耐外圧性を強化するため、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る枠状金属基体１１の穴部１１ｂに放熱板１２を銀ロウ等のロウ材で挿着するといったものを提案した（特願平１０−３２７２１６号）。
【００１４】
しかしながら、図３，図４の構成では、厚み方向の熱伝導は非常に優れているが、幅方向（横方向）の熱伝導即ち金属層１２ｂの横方向への熱伝導は、金属層１２ｂの組成とその厚みが１５０μm以下である点とから非常に低い。そのため、穴部１１ｂに熱伝導性に優れる銀ロウを介して挿着しても、発する熱は銀ロウまで十分に伝熱しない。そのため、半導体素子１８は、その作動時に発する熱が非常に高く、厚み方向のみの熱伝導では十分でない場合、高温となり熱破壊を起こしたり熱による特性劣化を引き起こし誤作動が生じる等の問題点があった。
【００１５】
また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る枠状金属基体１１は強磁性体であるため、その上面に接合されている入出力端子１５に高周波信号が伝送される際、インダクタンス成分が発生する。そのため、高周波信号の伝送特性が損なわれてしまうという問題点があった。
【００１６】
また、枠状金属基体１１の穴部１１ｂに、放熱板１２側部に被着したＮｉメッキを介して銀ロウ等のロウ材で挿着した際においても、Ｎｉメッキは強磁性体であるため高周波信号が伝送されると、インダクタンス成分が発生する。そのため、高周波信号の伝送特性が損なわれてしまうという問題点を有していた。
【００１７】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率良く放散させて半導体素子を常に適温とし、さらに半導体素子を入出力する高周波特性を良好なものとすることにより、半導体素子を長期間にわたり正常、且つ安定に作動させることができる半導体パッケージを提供することにある。
【００１８】
【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、上面に半導体素子を載置する載置部を有する放熱板と、Ｃｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成り、かつ前記放熱板上面に前記載置部を囲繞するように取着され側部に貫通孔または切欠部から成る取付部を有する枠体と、前記取付部に取着された入出力端子とを具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、前記放熱板は、Ｆｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る枠状部と、該枠状部の開口に嵌着され、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る主放熱部とから構成され、かつ前記放熱板の上下面には前記放熱板側からＦｅ−Ｃｒ合金層，Ｃｕ層，Ｍｏ層およびＣｕ層から成る金属層が積層され、前記放熱板の露出表面および前記金属層の表面にＣｕメッキ層が被着されて成ることを特徴とする。
【００１９】
また本発明において、好ましくは、前記放熱板と前記金属層との界面および前記金属層内の各層は、拡散接合により接合されて成ることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、上面に半導体素子が載置される放熱板は、上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素（Ｃ）で結合した一方向性複合材料から成る主放熱部と、主放熱部の側部が貫通孔にＣとＦｅとの相互拡散による接合によって嵌着され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する金属材料から成る枠状部とから成る。
【００２１】
そして、Ｃを有する主放熱部の上下面とＦｅ−Ｃｒ合金層中のＦｅとを相互拡散接合させるとともに、Ｆｅを含有する枠状部中のＦｅとＦｅ−Ｃｒ合金層中の微量成分であるＣとを相互に拡散させることによって、枠状部と主放熱部とを接合させ、これにより主放熱部が露出している上下面の気孔を塞ぎ半導体素子の気密性を保持する機能を有し、且つ幅方向の熱伝導性を向上させる機能を有する金属層と、幅方向のさらなる熱伝導性の向上を行うとともに強磁性体であり、Ｆｅを含有する枠状部の側部を非磁性体、即ち磁化率の小さい常磁性体または反磁性体に替えることによって高周波信号の伝送特性を向上させ、枠状部および金属層の表面に被着されるＣｕメッキ層と、から構成される。
【００２２】
上記構成により、高周波信号の入出力によって半導体素子が作動時に発した熱は、厚さ方向（半導体素子が放熱板に低融点半田を介して接合されている面からそのまま垂直下方に伝熱する経路）と幅方向（金属層やＣｕメッキ層の表面方向から放熱板の側面を伝って伝熱する経路）の２経路で、下面側に伝熱され大気中に効率良く放散される。また、強磁性体であるＮｉメッキ層を介さずに、枠状部と主放熱部とを接合するとともに、非磁性体であるＣｕメッキ層が放熱板の表面に被着されているため、高周波信号の入出力によるインダクタンス成分の発生を十分に抑止できる。その結果、半導体素子は作動時に発する熱を外部に効率良く放散させ常に適温となるとともに、半導体素子を入出力する高周波特性が良好となるため、半導体素子を長期間にわたり正常且つ安定に作動させ得る。
【００２３】
また、本発明は、枠状部および主放熱部の上下面に拡散接合された金属層（Ｆｅ−Ｃｒ合金層，Ｃｕ層，Ｍｏ層，Ｃｕ層の４層構造）のそれぞれの厚さを調整することによって、その熱膨張係数を枠状部の熱膨張係数に近似させることができる。即ち、枠状部と金属層との間の残留熱応力を非常に小さくでき接合を強固なものとできる。一方、主放熱部の幅方向の弾性率が１０ＧＰａ以下と非常に軟質であるため、それと金属層が接合された際に発生する熱応力を十分に吸収緩和できる。従って、枠状部，主放熱部の上下面に厚みを調整して拡散接合された金属層は、それらの接合を強固なものとでき、その結果、半導体素子を載置する載置部は常に平坦となり、半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率良く放散させることができる。
【００２４】
さらに、本発明の放熱板は、主に、比重がアルミニウム（Ａｌ）とほぼ同じ程度に極めて小さい主放熱部と、Ｃｕ−Ｗ合金等に比し比重が小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る枠状部とから構成されるため、その重量は極めて小さいものであり、そのため、半導体パッケージ内部に半導体素子を収容して半導体装置となした場合、半導体装置の重量も極めて小さいものとなって、近年の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００２５】
【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は本発明の半導体パッケージの一実施形態を示す断面図であり、図２は図１の放熱板の部分拡大断面図である。これらの図において、１は放熱板、２は入出力端子、３は枠体、５は蓋体、６は半導体素子である。これらの放熱板１、入出力端子２、枠体３および蓋体５とで、半導体素子６を収容するための容器が構成される。
【００２６】
放熱板１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する枠状部１ａと、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した主放熱部１ｂと、これら枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上下面両面に接合した金属層１ｃと、この金属層１ｃの表面および枠状部１ａの露出表面に被着されるＣｕメッキ層１ｄとから構成されている。さらに、その上面に半導体素子６を載置する載置部１’を有しており、半導体素子６の作動時に発する熱を外部に効率良く放散させるとともに、高周波信号の入出力時におけるインダクタンス成分の発生を有効に抑止する機能を有する。
【００２７】
この放熱板１の枠状部１ａは、略中央部に貫通孔（開口）１ａ−１が形成されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金から成る金属材料の表面が、金属層１ｃとＣｕメッキ層１ｄとで被覆されており、半導体パッケージ内外に高周波信号を入出力させた際に放熱板１にインダクタンス成分が発生するのを有効に抑止する機能を有するとともに、半導体パッケージをアルミニウム（Ａｌ）等から成るヒートシンク，実装基板等にネジ止めする場合、放熱板１の外側周縁部に設けられたネジ穴（図示せず）にトルクをかけてネジを締めても、この枠状部１ａが弾性を有することから、クラック等の発生による破損を有効に防止でき、所謂破損防止板としても機能する。
【００２８】
この枠状部１ａは、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、主放熱部１ｂが嵌着される貫通孔１ｂを有する形状、所謂枠状に製作される。
【００２９】
また、枠状部１ａの貫通孔１ａ−１に嵌着される主放熱部１ｂは、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合して成り、その側部が貫通孔１ａ−１の内周面に接触するように高温で圧入し嵌め合わせる。これにより、主放熱部１ｂ中の炭素（Ｃ）と枠状部１ａ中のＦｅとが拡散反応を起こし、強固に接合されることとなる。
【００３０】
なお、この主放熱部１ｂは、例えば一方向に配向した炭素繊維の束を、固体のピッチあるいはコークス等の微粉末に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含浸させ、次にこれを乾燥させて一方向に炭素繊維が配向している複数枚のシートを形成するとともに、各々のシートを炭素繊維の方向が同一となるようにして複数枚積層する。次に、積層された複数枚のシートに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、最後にこれを不活性雰囲気中高温で焼成し、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（炭素を形成する）、この炭素で各々の炭素繊維を結合させることによって製作される。
【００３１】
また、枠状部１ａと貫通孔１ａ−１に嵌着された主放熱部１ｂとの上下面には、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１，Ｃｕ層１ｃ−２，Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４の４層構造を有する金属層１ｃが拡散接合によって積層され、被着されており、それぞれの厚さを調整することによって、枠状部１ａの熱膨張係数（およそ１０×１０-6〜１３×１０-6／℃）に近似させる。即ち、枠状部１ａは、主放熱部１ｂの弾性率よりも大きく、かつ主放熱部１ｂの幅方向の弾性率は１０ＧＰａ以下と非常に軟質であり残留熱応力を十分に吸収緩和できるため、金属層１ｃの熱膨張係数を枠状部１ａの熱膨張係数に近似させておくと、枠状部１ａ，主放熱部１ｂと金属層１ｃとの間で発生する残留熱応力を非常に小さくでき、それらの接合を強固なものとできる点で好適である。
【００３２】
さらに、主放熱部１ｂの上下面に被着される金属層１ｃは、主放熱部１ｂが軟質といえども、それらの熱膨張係数の相違によって、上下面にわずかに残留熱応力が発生するが、その各々の残留熱応力は、金属層１ｃの主放熱部１ｂへの被着位置が相対していることから互いに相殺される。そのため、主放熱部１ｂと金属層１ｃとの接合は強固なものとなる。
【００３３】
従って、Ｃｕメッキ層１ｄを除く放熱板１の部位、即ち、枠状部１ａとその貫通孔１ａ−１に嵌着される主放熱部１ｂとそれらの上下面に被着される金属層１ｃとから成る部位の幅方向の熱膨張係数は、枠状部１ａの熱膨張係数に近似することとなるため、例えその部位の表面にＣｕメッキ層１ｄを被着しても、入出力端子２を銀ロウ等のロウ材で接合した際、その接合は強固なものとなる。
【００３４】
また、金属層１ｃの熱膨張係数の調整は、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１，Ｃｕ層１ｃ−２，Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４のそれぞれの厚さ、特に主放熱部１ｂの熱膨張係数、弾性率のような特性の影響を直接的に受けにくい表層側（Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４）の厚さを調整するのが良い。
【００３５】
例えば、その熱膨張係数が約１０×１０-6〜１３×１０-6／℃であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金から成る枠状部１ａに近似させるためには、最表層でかつ熱膨張係数の大きなＣｕ層１ｃ−４の厚さを最も厚くし、Ｍｏ層１ｃ−３の厚さをＣｕ層１ｃ−４の厚さよりも比較的薄くする。さらにＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＣｕ層１ｃ−２との厚さは、Ｍｏ層１ｃ−３の厚さよりもさらに薄くする。具体的には、Ｃｕ層１ｃ−４の厚さを２０〜５０μm程度、Ｍｏ層１ｃ−３の厚さを１０〜２０μm程度、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＣｕ層１ｃ−２との厚さをそれぞれ５〜１０μm程度とするのが好ましい。各層について、上記厚さの範囲を外れると、各層形成用の各箔の熱膨張差による熱歪が大きくなり、密着性が損なわれる傾向にある。
【００３６】
また、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＣｕ層１ｃ−２について、厚さが５μｍ未満では、箔の厚さのばらつきが大きくなり拡散接合する際に接合性が劣化し易くなる。
【００３７】
なお、金属層１ｃは、枠状部１ａとその貫通孔１ａ−１に嵌着された主放熱部１ｂ、即ち放熱板１の上下両面に拡散接合させることにより被着される。つまり、放熱板１の上下両面と金属層１ｃとの界面および金属層１ｃ内の各層は、拡散接合により接合される。具体的には、枠状部１ａと主放熱部１ｂとの上下両面に、それぞれの厚さが５０μm以下でかつ枠状部１ａの熱膨張係数に近似させるように厚さ調整された、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１用のＦｅ−Ｃｒ合金箔，Ｃｕ層１ｃ−２用のＣｕ箔，Ｍｏ層１ｃ−３用のＭｏ箔，Ｃｕ層１ｃ−３用のＣｕ箔を、順次載置して積層させる。次に、これを真空ホットプレスで５ＭＰａの圧力をかけつつ１２００℃の温度で１時間加熱することによって行なわれる。
【００３８】
また、金属層１ｃが拡散接合される主放熱部１ｂの厚さは０．２〜５ｍｍ程度が良く、０．２ｍｍ未満の場合、金属層１ｃの厚みに比し薄すぎることによって、その熱膨張係数は金属層１ｃの熱膨張係数の影響を大きく受ける。即ち、主放熱部１ｂの熱膨張係数は、その幅方向、厚さ方向ともに金属層１ｃの影響を受けて大きくなる。これを適度なものとするためには、金属層１ｃの各々の厚さを５μm未満と非常に薄くする必要があり、現状ではそのように薄い箔はボイド等の欠陥が発生して生産するのが非常に困難である。一方、５ｍｍを超える場合、厚すぎるために小型化、軽量化が要求される半導体パッケージの市場要求から大きくはずれ、実用性が失われてしまう。従って、主放熱部１ｂの厚さは０．２〜５ｍｍ程度が良い。
【００３９】
また、枠状部１ａとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１との拡散接合は、枠状部１ａ中のＦｅとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中の微量成分であるＣとが相互に拡散することによって強固に接合される。一方、主放熱部１ｂとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１との拡散接合は、主放熱部１ｂ中のＣとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中のＦｅとが相互に拡散することによって強固に接合される。
【００４０】
また、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１は、金属層１ｃを枠状部１ａ，主放熱部１ｃに強固に接合させる密着層であり、Ｃｕ層１ｃ−２は、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＭｏ層１ｃ−３とを強固に接合させるとともに両者の相互拡散を有効に防止する拡散防止層であり、Ｍｏ層１ｃ−３とＣｕ層１ｃ−４は、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１およびＣｕ層１ｃ−２と相まって、その厚さを調整することによって、枠状部１ａの熱膨張率に近似させる熱膨張率調整層である。
【００４１】
なお、最表層のＣｕ層１ｃ−４は、その一部が半導体素子６を載置する載置部１’であり、また熱伝導性に優れた特性であることから、半導体素子６が発する熱を効率良く、金属層１ｃが被着された枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上面を伝熱させる機能を有するとともに、その表面にＣｕメッキ層１ｄを非常に容易に被着させることができる。
【００４２】
また、このＣｕメッキ層１ｄを被着された放熱板１は、Ｃｕメッキ層１ｄの熱伝導性の高さから、半導体素子６が発する熱をさらに効率良く外部に放散でき、また、Ｃｕメッキ層１ｄは反磁性体であることから、半導体パッケージ内外を伝送する高周波信号によって、枠状部１ａにインダクタンス成分が発生することを有効に防止できる。即ち、Ｃｕメッキ層１ｄは、伝熱効果を高めるとともに、インダクタンス成分の発生を有効に防止する機能を有しており、その結果、半導体素子６の熱による破損，特性劣化を有効に防止でき、さらには半導体素子６の高周波信号による作動性を良好なものとできる。
【００４３】
また、このような放熱板１は主に、比重がＡｌとほぼ同じ程度に極めて小さい主放熱部１ｂと、Ｃｕ−Ｗ合金等に比し比重が小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する枠状部１ａとから成るため、それらの重量が極めて小さい。そのため、半導体パッケージとなした場合、その重量を極めて小さくできる。
【００４４】
この放熱板１の上面には、放熱板１に熱膨張係数が近似するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックス等から成るセラミックスから成り、高周波信号を入出力する入出力端子２が、枠体３の貫通孔または切欠部からなる取付部３ａに、Ｍｏ−Ｍｎ等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ層とその表面に被着したＮｉメッキ層とを介して銀ロウ等のロウ材で接合される。
【００４５】
また、この入出力端子２には、半導体パッケージ内外を導出するように、Ｍｏ−Ｍｎ等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ層２ａが被着されているとともに、この入出力端子２上面にも枠体３との接合用のメタライズ層とその表面に被着されたＮｉメッキ層とが形成されている。
【００４６】
このメタライズ層２ａの表面には、耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には、厚さ０．５〜９μmのＮｉ層をメッキ法により被着させておくと、リード端子４との銀ロウ等のロウ材による接合を可能とし、また、このＮｉ層の表面にさらに厚さ０．５〜９μmのＡｕ層をメッキ法により被着させることによって、半導体素子６と電気的に接続させるためのボンディングワイヤ７を接合できる。
【００４７】
このリード端子４は、外部電気回路との高周波信号の入出力を行なうために導電性を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成り、その金属材料のインゴットに圧延加工法や打ち抜き加工法等、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。
【００４８】
枠体３は、Ｃｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金の金属材料から成り、入出力端子２にその熱膨張係数が近似したものを用いることによって、ロウ付け後の残留熱応力を小さいものとし、その結果、それらの接合を強固なものとできる。また、この枠体３は、半導体パッケージ内外に高周波信号を入出力させた際に発生する電磁場を遮蔽する所謂電磁遮蔽板（シールド板）としても機能する。
【００４９】
上記の金属材料から成る枠体３は、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって所定の形状に製作される。また、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には、厚さ０．５〜９μmのＮｉ層をメッキ法により被着させておくと、入出力端子２の上面との銀ロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００５０】
なお、枠体３の上面即ち蓋体５に接合される面は、Ａｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材で接合されるため、その低融点ロウ材との濡れに優れる接合面としておく必要があることから、上述のＮｉ層の表面にさらに厚さ０．５〜９μmのＡｕ層を被着させておくと良い。
【００５１】
このような枠体３の上面には、熱膨張係数の整合の点で好ましいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料、またはアルミナセラミックス等のセラミックスから成る蓋体５が、Ａｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合される。
【００５２】
かくして、半導体素子６は、半導体パッケージ内部に気密に封止され、また半導体装置となされた後に作動時に発する熱が効率良く大気中に放散されるとともにインダクタンス成分の発生を有効に防止できるため、誤作動等の問題を全く発生させない。
【００５３】
このように、本発明の半導体パッケージは、上面に半導体素子６が載置される載置部１’を有する放熱板１は、上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した主放熱部１ｂと、その側部を貫通孔１ａ−１にＣとＦｅとの相互拡散による拡散接合によって嵌着させるためのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する金属から成る枠状部１ａとから構成される。
【００５４】
さらに、Ｃを有する主放熱部１ｂ上下面とＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中のＦｅとを相互拡散接合させ、枠状部１ａ中のＦｅとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中の微量成分であるＣとを相互に拡散接合させることにより、主放熱部１ｂが露出している上下面の気孔を塞ぎ半導体素子６の気密性を保持する機能を有し、且つ幅方向の熱伝導性を向上させる金属層１ｃと、幅方向のさらなる熱伝導性の向上を行うとともに強磁性体でありＦｅを含有する枠状部１ａの側部を非磁性体（磁化率の小さい常磁性体や反磁性体）に替えることにより高周波信号の伝送特性を向上させ、枠状部１ａ，金属層１ｃの表面に被着されるＣｕメッキ層１ｄと、から構成される。
【００５５】
この構成により、高周波信号の入出力によって半導体素子６が作動時に発した熱は、厚さ方向、即ち半導体素子６が放熱板１に低融点半田を介して接合されている面からそのまま垂直下方に伝熱する経路と、幅方向、即ち金属層１ｃやＣｕメッキ層１ｄの表面方向から放熱板１の側面を伝熱する経路との２経路で、下面側に伝熱され大気中に効率良く放散される。
【００５６】
また、強磁性体であるＮｉメッキ層を介さずに、枠状部１ａと主放熱部１ｂとを接合するとともに、反磁性体であるＣｕメッキ層１ｄが放熱板１の表層に被着されているため、高周波信号の入出力によるインダクタンス成分の発生を十分に抑止できる。その結果、半導体素子６は作動時に発する熱を外部に効率良く放散させ常に適温となるとともに、半導体素子６を入出力する高周波特性が良好なものとなるため、半導体素子６を長期間にわたり正常且つ安定に作動させることができる。
【００５７】
また、本発明によれば、枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上下面に拡散接合された金属層１ｃ、即ちＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１，Ｃｕ層１ｃ−２，Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４の４層のそれぞれの厚さを調整することにより、枠状部１ａの熱膨張係数に近似させることができる。即ち、枠状部１ａと金属層１ｃとの間の残留熱応力を非常に小さくでき接合を強固なものとできる。一方、主放熱部１ｂの幅方向の弾性率が１０ＧＰａ以下と非常に軟質であるため、それと金属層１ｃが接合された際に発生する熱応力を十分に吸収緩和できる。従って、枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上下面に厚みを調整して拡散接合された金属層１ｃは、それらの接合を強固なものとでき、その結果、半導体素子６を載置する載置部１’は常に平坦となり、半導体素子６が作動時に発する熱を外部に効率良く放散させることができる。
【００５８】
さらに本発明によれば、放熱板１は主に、比重がアルミニウムとほぼ同じ程度に極めて小さい主放熱部１ｂと、Ｃｕ−Ｗ合金等に比し比重が小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のＦｅを含有する枠状部１ａから成るため、その重量が極めて小さいものであり、そのため、半導体パッケージ内部に半導体素子６を収容して半導体装置となした場合、半導体装置の重量も極めて小さいものとなって、近年の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００５９】
かくして、本発明の半導体パッケージは、放熱板１の載置部１’上に半導体素子６をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点半田を介して載置固定するとともに、半導体素子６の各電極をボンディングワイヤ７を介してメタライズ層２ａに接続させ、しかる後、枠体３の上面に蓋体５をＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合させ、放熱板１、入出力端子２、枠体３および蓋体５とから成る容器内部に半導体素子６を収納することによって、製品としての半導体装置となる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行なうことは何等支障ない。
【００６１】
例えば、半導体素子６が発する熱をそのまま垂直下方に伝熱するための主放熱部１ｂは、その上面の面積が半導体素子６の下面の面積に比し５０％以上、金属層１ｃやＣｕメッキ層１ｄを介して接触していれば良く、放熱効果が損なわれることはない。一方、それが５０％未満の場合、放熱効果は、従来のＣｕ−Ｗ合金並みか、またはそれ以下となる。従って、主放熱部１ｂの上面の面積が、半導体素子６の下面の面積に比し５０％以上、金属層１ｃやＣｕメッキ層１ｄを介して接触していれば、本発明の効果を発現し得る。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、上面に半導体素子が載置される放熱板が、上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した主放熱部と、主放熱部の側部を貫通孔に相互拡散による接合によって嵌着させた枠状部と、枠状部の熱膨張係数に近似するように、枠状部，主放熱部の上下面に積層被着された金属層と、これら枠状部の露出表面および金属層の表面に被着したＣｕメッキ層とから構成されていることにより、半導体素子の気密性を保持でき、半導体素子の高周波信号による作動時に発生する熱を、厚さ方向と幅方向との２経路で効率良く放散できる。また、インダクタンス成分の発生を有効に防止できる。さらには、非常に軽量であるため、近年の小型軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の放熱板の部分拡大断面図である。
【図３】従来の半導体パッケージの断面図である。
【図４】図３の放熱板の部分拡大断面図である。
【図５】従来の半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：放熱板
１’：載置部
１ａ：枠状部
１ａ−１：貫通孔
１ｂ：主放熱部
１ｃ：金属層
１ｃ−１：鉄−クロム合金層
１ｃ−２：銅層
１ｃ−３：モリブデン層
１ｃ−４：銅層
１ｄ：銅メッキ層
２：入出力端子
３：枠体
３ａ：取付部
６：半導体素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波通信分野およびミリ波通信分野等で用いられ、高周波帯域で作動するガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の化合物半導体等から成る各種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】
従来のマイクロ波通信分野またはミリ波通信分野等で用いられ高周波帯域で作動する各種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（以下、半導体パッケージという）を図５に示す。
【０００３】
この図５において、２１，２４はそれぞれ金属材料から成り容器本体を構成する基体と側壁用の枠体、２５はセラミックスから成り基体２１上に接合され高周波信号を入出力する入出力端子、２６は蓋体、２８は半導体素子を示す。これら基体２１、枠体２４、入出力端子２５、蓋体２６とで、半導体素子２８を半導体パッケージ内部に収容する。
【０００４】
また、このような半導体パッケージは、一般に半導体素子２８が載置される載置部２１ａを有する基体２１と、基体２１上面の外周部に載置部２１ａを囲繞するように接合される枠体２４および接合面に金属層が設けられた入出力端子２５とが、銀ロウ等のロウ材で接合される。さらに、蓋体２６と枠体２４上面とが、蓋体２６と枠体２４上面にそれぞれ設けられた金属層を介して金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材で接合される。
【０００５】
基体２１は、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の比較的高い熱伝導性を有する金属材料から成り半導体素子２８作動時に発する熱を吸収し放散するための放熱板として機能するとともに、半導体素子２８を支持する支持部材として機能する。
【０００６】
また、枠体２４は、基体２１に熱膨張係数が近似する鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料から成るとともに、入出力端子２５を嵌着するための貫通孔または切欠部から成る取付部２４ａが形成されており、入出力端子２５の上面，下面にそれぞれ設けられた金属層を介して銀ロウ等のロウ材で接合される。
【０００７】
また、この入出力端子２５は、基体２１，枠体２４に熱膨張係数が近似するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックス等のセラミックスから成るとともに、半導体パッケージの内外を電気的に導通するためにモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ層２５ａが被着されている。
【０００８】
また、このメタライズ層２５ａには、外部電気回路との高周波信号の入出力を行なうために導電性を有する鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料から成るリード端子２７が銀ロウ等のロウ材で接合されるとともに、半導体素子２８と電気的に接続するためのボンディングワイヤ２９が接合される。
【０００９】
なお、この半導体素子２８は、載置部２１ａに錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点半田を介して接合され、作動時にはこの低融点半田を介して基体２１に伝熱される。
【００１０】
しかる後、枠体２４の上面を、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料またはＡｌ2Ｏ3セラミックス等のセラミックスから成る蓋体２６により、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材で接合することによって、半導体パッケージ内部に半導体素子２８を気密に収容しその作動性を良好なものとする。
【００１１】
このように、基体２１、枠体２４、入出力端子２５、蓋体２６とで、半導体素子２８を半導体パッケージ内部に収容するとともに、ボンディングワイヤ２９とリード端子２７と外部電気回路とを電気的に接続することによって、半導体素子２８が高周波信号によって作動する半導体装置となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、半導体素子２８は高密度化、高集積化が急激に進み、これによって半導体素子２８の作動時に発する熱量が従来に比し極めて大きなものとなっている。そのため、この半導体素子２８を従来の半導体パッケージに収容し、半導体装置となした場合、半導体素子２８の作動時に発する熱を放散するＣｕ−Ｗ合金等から成る基体２１の熱伝導率が、およそ２００Ｗ／ｍＫ程度と比較的高くても、近年の半導体素子２８が発する多量の熱を十分に伝達することができない。その結果、半導体素子２８は発する熱によって高温となり熱破壊を起こしたり、熱による特性劣化を引き起こし誤作動が生じる等の問題点を有していた。
【００１３】
上記問題点を解決するために、本出願人は、図３，図４に示すように、放熱板１２として、この上面から下面にかけて熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料１２ａの上下両面に、各５０μｍ以下の厚みを有するＣｒ−Ｆｅ合金層１２ｂ−１，Ｃｕ層１２ｂ−２，Ｆｅ−Ｎｉ層またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ層１２ｂ−３の３層構造を有する金属層１２ｂを拡散接合したものを使用し、さらに、この放熱板１２側部の気孔を塞ぎ耐外圧性を強化するため、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る枠状金属基体１１の穴部１１ｂに放熱板１２を銀ロウ等のロウ材で挿着するといったものを提案した（特願平１０−３２７２１６号）。
【００１４】
しかしながら、図３，図４の構成では、厚み方向の熱伝導は非常に優れているが、幅方向（横方向）の熱伝導即ち金属層１２ｂの横方向への熱伝導は、金属層１２ｂの組成とその厚みが１５０μm以下である点とから非常に低い。そのため、穴部１１ｂに熱伝導性に優れる銀ロウを介して挿着しても、発する熱は銀ロウまで十分に伝熱しない。そのため、半導体素子１８は、その作動時に発する熱が非常に高く、厚み方向のみの熱伝導では十分でない場合、高温となり熱破壊を起こしたり熱による特性劣化を引き起こし誤作動が生じる等の問題点があった。
【００１５】
また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金から成る枠状金属基体１１は強磁性体であるため、その上面に接合されている入出力端子１５に高周波信号が伝送される際、インダクタンス成分が発生する。そのため、高周波信号の伝送特性が損なわれてしまうという問題点があった。
【００１６】
また、枠状金属基体１１の穴部１１ｂに、放熱板１２側部に被着したＮｉメッキを介して銀ロウ等のロウ材で挿着した際においても、Ｎｉメッキは強磁性体であるため高周波信号が伝送されると、インダクタンス成分が発生する。そのため、高周波信号の伝送特性が損なわれてしまうという問題点を有していた。
【００１７】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率良く放散させて半導体素子を常に適温とし、さらに半導体素子を入出力する高周波特性を良好なものとすることにより、半導体素子を長期間にわたり正常、且つ安定に作動させることができる半導体パッケージを提供することにある。
【００１８】
【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、上面に半導体素子を載置する載置部を有する放熱板と、Ｃｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成り、かつ前記放熱板上面に前記載置部を囲繞するように取着され側部に貫通孔または切欠部から成る取付部を有する枠体と、前記取付部に取着された入出力端子とを具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、前記放熱板は、Ｆｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る枠状部と、該枠状部の開口に嵌着され、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る主放熱部とから構成され、かつ前記放熱板の上下面には前記放熱板側からＦｅ−Ｃｒ合金層，Ｃｕ層，Ｍｏ層およびＣｕ層から成る金属層が積層され、前記放熱板の露出表面および前記金属層の表面にＣｕメッキ層が被着されて成ることを特徴とする。
【００１９】
また本発明において、好ましくは、前記放熱板と前記金属層との界面および前記金属層内の各層は、拡散接合により接合されて成ることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、上面に半導体素子が載置される放熱板は、上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素（Ｃ）で結合した一方向性複合材料から成る主放熱部と、主放熱部の側部が貫通孔にＣとＦｅとの相互拡散による接合によって嵌着され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する金属材料から成る枠状部とから成る。
【００２１】
そして、Ｃを有する主放熱部の上下面とＦｅ−Ｃｒ合金層中のＦｅとを相互拡散接合させるとともに、Ｆｅを含有する枠状部中のＦｅとＦｅ−Ｃｒ合金層中の微量成分であるＣとを相互に拡散させることによって、枠状部と主放熱部とを接合させ、これにより主放熱部が露出している上下面の気孔を塞ぎ半導体素子の気密性を保持する機能を有し、且つ幅方向の熱伝導性を向上させる機能を有する金属層と、幅方向のさらなる熱伝導性の向上を行うとともに強磁性体であり、Ｆｅを含有する枠状部の側部を非磁性体、即ち磁化率の小さい常磁性体または反磁性体に替えることによって高周波信号の伝送特性を向上させ、枠状部および金属層の表面に被着されるＣｕメッキ層と、から構成される。
【００２２】
上記構成により、高周波信号の入出力によって半導体素子が作動時に発した熱は、厚さ方向（半導体素子が放熱板に低融点半田を介して接合されている面からそのまま垂直下方に伝熱する経路）と幅方向（金属層やＣｕメッキ層の表面方向から放熱板の側面を伝って伝熱する経路）の２経路で、下面側に伝熱され大気中に効率良く放散される。また、強磁性体であるＮｉメッキ層を介さずに、枠状部と主放熱部とを接合するとともに、非磁性体であるＣｕメッキ層が放熱板の表面に被着されているため、高周波信号の入出力によるインダクタンス成分の発生を十分に抑止できる。その結果、半導体素子は作動時に発する熱を外部に効率良く放散させ常に適温となるとともに、半導体素子を入出力する高周波特性が良好となるため、半導体素子を長期間にわたり正常且つ安定に作動させ得る。
【００２３】
また、本発明は、枠状部および主放熱部の上下面に拡散接合された金属層（Ｆｅ−Ｃｒ合金層，Ｃｕ層，Ｍｏ層，Ｃｕ層の４層構造）のそれぞれの厚さを調整することによって、その熱膨張係数を枠状部の熱膨張係数に近似させることができる。即ち、枠状部と金属層との間の残留熱応力を非常に小さくでき接合を強固なものとできる。一方、主放熱部の幅方向の弾性率が１０ＧＰａ以下と非常に軟質であるため、それと金属層が接合された際に発生する熱応力を十分に吸収緩和できる。従って、枠状部，主放熱部の上下面に厚みを調整して拡散接合された金属層は、それらの接合を強固なものとでき、その結果、半導体素子を載置する載置部は常に平坦となり、半導体素子が作動時に発する熱を外部に効率良く放散させることができる。
【００２４】
さらに、本発明の放熱板は、主に、比重がアルミニウム（Ａｌ）とほぼ同じ程度に極めて小さい主放熱部と、Ｃｕ−Ｗ合金等に比し比重が小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る枠状部とから構成されるため、その重量は極めて小さいものであり、そのため、半導体パッケージ内部に半導体素子を収容して半導体装置となした場合、半導体装置の重量も極めて小さいものとなって、近年の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００２５】
【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は本発明の半導体パッケージの一実施形態を示す断面図であり、図２は図１の放熱板の部分拡大断面図である。これらの図において、１は放熱板、２は入出力端子、３は枠体、５は蓋体、６は半導体素子である。これらの放熱板１、入出力端子２、枠体３および蓋体５とで、半導体素子６を収容するための容器が構成される。
【００２６】
放熱板１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する枠状部１ａと、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した主放熱部１ｂと、これら枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上下面両面に接合した金属層１ｃと、この金属層１ｃの表面および枠状部１ａの露出表面に被着されるＣｕメッキ層１ｄとから構成されている。さらに、その上面に半導体素子６を載置する載置部１’を有しており、半導体素子６の作動時に発する熱を外部に効率良く放散させるとともに、高周波信号の入出力時におけるインダクタンス成分の発生を有効に抑止する機能を有する。
【００２７】
この放熱板１の枠状部１ａは、略中央部に貫通孔（開口）１ａ−１が形成されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金から成る金属材料の表面が、金属層１ｃとＣｕメッキ層１ｄとで被覆されており、半導体パッケージ内外に高周波信号を入出力させた際に放熱板１にインダクタンス成分が発生するのを有効に抑止する機能を有するとともに、半導体パッケージをアルミニウム（Ａｌ）等から成るヒートシンク，実装基板等にネジ止めする場合、放熱板１の外側周縁部に設けられたネジ穴（図示せず）にトルクをかけてネジを締めても、この枠状部１ａが弾性を有することから、クラック等の発生による破損を有効に防止でき、所謂破損防止板としても機能する。
【００２８】
この枠状部１ａは、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、主放熱部１ｂが嵌着される貫通孔１ｂを有する形状、所謂枠状に製作される。
【００２９】
また、枠状部１ａの貫通孔１ａ−１に嵌着される主放熱部１ｂは、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合して成り、その側部が貫通孔１ａ−１の内周面に接触するように高温で圧入し嵌め合わせる。これにより、主放熱部１ｂ中の炭素（Ｃ）と枠状部１ａ中のＦｅとが拡散反応を起こし、強固に接合されることとなる。
【００３０】
なお、この主放熱部１ｂは、例えば一方向に配向した炭素繊維の束を、固体のピッチあるいはコークス等の微粉末に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含浸させ、次にこれを乾燥させて一方向に炭素繊維が配向している複数枚のシートを形成するとともに、各々のシートを炭素繊維の方向が同一となるようにして複数枚積層する。次に、積層された複数枚のシートに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、最後にこれを不活性雰囲気中高温で焼成し、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（炭素を形成する）、この炭素で各々の炭素繊維を結合させることによって製作される。
【００３１】
また、枠状部１ａと貫通孔１ａ−１に嵌着された主放熱部１ｂとの上下面には、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１，Ｃｕ層１ｃ−２，Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４の４層構造を有する金属層１ｃが拡散接合によって積層され、被着されており、それぞれの厚さを調整することによって、枠状部１ａの熱膨張係数（およそ１０×１０-6〜１３×１０-6／℃）に近似させる。即ち、枠状部１ａは、主放熱部１ｂの弾性率よりも大きく、かつ主放熱部１ｂの幅方向の弾性率は１０ＧＰａ以下と非常に軟質であり残留熱応力を十分に吸収緩和できるため、金属層１ｃの熱膨張係数を枠状部１ａの熱膨張係数に近似させておくと、枠状部１ａ，主放熱部１ｂと金属層１ｃとの間で発生する残留熱応力を非常に小さくでき、それらの接合を強固なものとできる点で好適である。
【００３２】
さらに、主放熱部１ｂの上下面に被着される金属層１ｃは、主放熱部１ｂが軟質といえども、それらの熱膨張係数の相違によって、上下面にわずかに残留熱応力が発生するが、その各々の残留熱応力は、金属層１ｃの主放熱部１ｂへの被着位置が相対していることから互いに相殺される。そのため、主放熱部１ｂと金属層１ｃとの接合は強固なものとなる。
【００３３】
従って、Ｃｕメッキ層１ｄを除く放熱板１の部位、即ち、枠状部１ａとその貫通孔１ａ−１に嵌着される主放熱部１ｂとそれらの上下面に被着される金属層１ｃとから成る部位の幅方向の熱膨張係数は、枠状部１ａの熱膨張係数に近似することとなるため、例えその部位の表面にＣｕメッキ層１ｄを被着しても、入出力端子２を銀ロウ等のロウ材で接合した際、その接合は強固なものとなる。
【００３４】
また、金属層１ｃの熱膨張係数の調整は、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１，Ｃｕ層１ｃ−２，Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４のそれぞれの厚さ、特に主放熱部１ｂの熱膨張係数、弾性率のような特性の影響を直接的に受けにくい表層側（Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４）の厚さを調整するのが良い。
【００３５】
例えば、その熱膨張係数が約１０×１０-6〜１３×１０-6／℃であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金から成る枠状部１ａに近似させるためには、最表層でかつ熱膨張係数の大きなＣｕ層１ｃ−４の厚さを最も厚くし、Ｍｏ層１ｃ−３の厚さをＣｕ層１ｃ−４の厚さよりも比較的薄くする。さらにＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＣｕ層１ｃ−２との厚さは、Ｍｏ層１ｃ−３の厚さよりもさらに薄くする。具体的には、Ｃｕ層１ｃ−４の厚さを２０〜５０μm程度、Ｍｏ層１ｃ−３の厚さを１０〜２０μm程度、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＣｕ層１ｃ−２との厚さをそれぞれ５〜１０μm程度とするのが好ましい。各層について、上記厚さの範囲を外れると、各層形成用の各箔の熱膨張差による熱歪が大きくなり、密着性が損なわれる傾向にある。
【００３６】
また、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＣｕ層１ｃ−２について、厚さが５μｍ未満では、箔の厚さのばらつきが大きくなり拡散接合する際に接合性が劣化し易くなる。
【００３７】
なお、金属層１ｃは、枠状部１ａとその貫通孔１ａ−１に嵌着された主放熱部１ｂ、即ち放熱板１の上下両面に拡散接合させることにより被着される。つまり、放熱板１の上下両面と金属層１ｃとの界面および金属層１ｃ内の各層は、拡散接合により接合される。具体的には、枠状部１ａと主放熱部１ｂとの上下両面に、それぞれの厚さが５０μm以下でかつ枠状部１ａの熱膨張係数に近似させるように厚さ調整された、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１用のＦｅ−Ｃｒ合金箔，Ｃｕ層１ｃ−２用のＣｕ箔，Ｍｏ層１ｃ−３用のＭｏ箔，Ｃｕ層１ｃ−３用のＣｕ箔を、順次載置して積層させる。次に、これを真空ホットプレスで５ＭＰａの圧力をかけつつ１２００℃の温度で１時間加熱することによって行なわれる。
【００３８】
また、金属層１ｃが拡散接合される主放熱部１ｂの厚さは０．２〜５ｍｍ程度が良く、０．２ｍｍ未満の場合、金属層１ｃの厚みに比し薄すぎることによって、その熱膨張係数は金属層１ｃの熱膨張係数の影響を大きく受ける。即ち、主放熱部１ｂの熱膨張係数は、その幅方向、厚さ方向ともに金属層１ｃの影響を受けて大きくなる。これを適度なものとするためには、金属層１ｃの各々の厚さを５μm未満と非常に薄くする必要があり、現状ではそのように薄い箔はボイド等の欠陥が発生して生産するのが非常に困難である。一方、５ｍｍを超える場合、厚すぎるために小型化、軽量化が要求される半導体パッケージの市場要求から大きくはずれ、実用性が失われてしまう。従って、主放熱部１ｂの厚さは０．２〜５ｍｍ程度が良い。
【００３９】
また、枠状部１ａとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１との拡散接合は、枠状部１ａ中のＦｅとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中の微量成分であるＣとが相互に拡散することによって強固に接合される。一方、主放熱部１ｂとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１との拡散接合は、主放熱部１ｂ中のＣとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中のＦｅとが相互に拡散することによって強固に接合される。
【００４０】
また、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１は、金属層１ｃを枠状部１ａ，主放熱部１ｃに強固に接合させる密着層であり、Ｃｕ層１ｃ−２は、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１とＭｏ層１ｃ−３とを強固に接合させるとともに両者の相互拡散を有効に防止する拡散防止層であり、Ｍｏ層１ｃ−３とＣｕ層１ｃ−４は、Ｆｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１およびＣｕ層１ｃ−２と相まって、その厚さを調整することによって、枠状部１ａの熱膨張率に近似させる熱膨張率調整層である。
【００４１】
なお、最表層のＣｕ層１ｃ−４は、その一部が半導体素子６を載置する載置部１’であり、また熱伝導性に優れた特性であることから、半導体素子６が発する熱を効率良く、金属層１ｃが被着された枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上面を伝熱させる機能を有するとともに、その表面にＣｕメッキ層１ｄを非常に容易に被着させることができる。
【００４２】
また、このＣｕメッキ層１ｄを被着された放熱板１は、Ｃｕメッキ層１ｄの熱伝導性の高さから、半導体素子６が発する熱をさらに効率良く外部に放散でき、また、Ｃｕメッキ層１ｄは反磁性体であることから、半導体パッケージ内外を伝送する高周波信号によって、枠状部１ａにインダクタンス成分が発生することを有効に防止できる。即ち、Ｃｕメッキ層１ｄは、伝熱効果を高めるとともに、インダクタンス成分の発生を有効に防止する機能を有しており、その結果、半導体素子６の熱による破損，特性劣化を有効に防止でき、さらには半導体素子６の高周波信号による作動性を良好なものとできる。
【００４３】
また、このような放熱板１は主に、比重がＡｌとほぼ同じ程度に極めて小さい主放熱部１ｂと、Ｃｕ−Ｗ合金等に比し比重が小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する枠状部１ａとから成るため、それらの重量が極めて小さい。そのため、半導体パッケージとなした場合、その重量を極めて小さくできる。
【００４４】
この放熱板１の上面には、放熱板１に熱膨張係数が近似するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックス等から成るセラミックスから成り、高周波信号を入出力する入出力端子２が、枠体３の貫通孔または切欠部からなる取付部３ａに、Ｍｏ−Ｍｎ等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ層とその表面に被着したＮｉメッキ層とを介して銀ロウ等のロウ材で接合される。
【００４５】
また、この入出力端子２には、半導体パッケージ内外を導出するように、Ｍｏ−Ｍｎ等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ層２ａが被着されているとともに、この入出力端子２上面にも枠体３との接合用のメタライズ層とその表面に被着されたＮｉメッキ層とが形成されている。
【００４６】
このメタライズ層２ａの表面には、耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には、厚さ０．５〜９μmのＮｉ層をメッキ法により被着させておくと、リード端子４との銀ロウ等のロウ材による接合を可能とし、また、このＮｉ層の表面にさらに厚さ０．５〜９μmのＡｕ層をメッキ法により被着させることによって、半導体素子６と電気的に接続させるためのボンディングワイヤ７を接合できる。
【００４７】
このリード端子４は、外部電気回路との高周波信号の入出力を行なうために導電性を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成り、その金属材料のインゴットに圧延加工法や打ち抜き加工法等、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。
【００４８】
枠体３は、Ｃｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金の金属材料から成り、入出力端子２にその熱膨張係数が近似したものを用いることによって、ロウ付け後の残留熱応力を小さいものとし、その結果、それらの接合を強固なものとできる。また、この枠体３は、半導体パッケージ内外に高周波信号を入出力させた際に発生する電磁場を遮蔽する所謂電磁遮蔽板（シールド板）としても機能する。
【００４９】
上記の金属材料から成る枠体３は、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって所定の形状に製作される。また、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には、厚さ０．５〜９μmのＮｉ層をメッキ法により被着させておくと、入出力端子２の上面との銀ロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００５０】
なお、枠体３の上面即ち蓋体５に接合される面は、Ａｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材で接合されるため、その低融点ロウ材との濡れに優れる接合面としておく必要があることから、上述のＮｉ層の表面にさらに厚さ０．５〜９μmのＡｕ層を被着させておくと良い。
【００５１】
このような枠体３の上面には、熱膨張係数の整合の点で好ましいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料、またはアルミナセラミックス等のセラミックスから成る蓋体５が、Ａｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合される。
【００５２】
かくして、半導体素子６は、半導体パッケージ内部に気密に封止され、また半導体装置となされた後に作動時に発する熱が効率良く大気中に放散されるとともにインダクタンス成分の発生を有効に防止できるため、誤作動等の問題を全く発生させない。
【００５３】
このように、本発明の半導体パッケージは、上面に半導体素子６が載置される載置部１’を有する放熱板１は、上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した主放熱部１ｂと、その側部を貫通孔１ａ−１にＣとＦｅとの相互拡散による拡散接合によって嵌着させるためのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金のＦｅを含有する金属から成る枠状部１ａとから構成される。
【００５４】
さらに、Ｃを有する主放熱部１ｂ上下面とＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中のＦｅとを相互拡散接合させ、枠状部１ａ中のＦｅとＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１中の微量成分であるＣとを相互に拡散接合させることにより、主放熱部１ｂが露出している上下面の気孔を塞ぎ半導体素子６の気密性を保持する機能を有し、且つ幅方向の熱伝導性を向上させる金属層１ｃと、幅方向のさらなる熱伝導性の向上を行うとともに強磁性体でありＦｅを含有する枠状部１ａの側部を非磁性体（磁化率の小さい常磁性体や反磁性体）に替えることにより高周波信号の伝送特性を向上させ、枠状部１ａ，金属層１ｃの表面に被着されるＣｕメッキ層１ｄと、から構成される。
【００５５】
この構成により、高周波信号の入出力によって半導体素子６が作動時に発した熱は、厚さ方向、即ち半導体素子６が放熱板１に低融点半田を介して接合されている面からそのまま垂直下方に伝熱する経路と、幅方向、即ち金属層１ｃやＣｕメッキ層１ｄの表面方向から放熱板１の側面を伝熱する経路との２経路で、下面側に伝熱され大気中に効率良く放散される。
【００５６】
また、強磁性体であるＮｉメッキ層を介さずに、枠状部１ａと主放熱部１ｂとを接合するとともに、反磁性体であるＣｕメッキ層１ｄが放熱板１の表層に被着されているため、高周波信号の入出力によるインダクタンス成分の発生を十分に抑止できる。その結果、半導体素子６は作動時に発する熱を外部に効率良く放散させ常に適温となるとともに、半導体素子６を入出力する高周波特性が良好なものとなるため、半導体素子６を長期間にわたり正常且つ安定に作動させることができる。
【００５７】
また、本発明によれば、枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上下面に拡散接合された金属層１ｃ、即ちＦｅ−Ｃｒ合金層１ｃ−１，Ｃｕ層１ｃ−２，Ｍｏ層１ｃ−３，Ｃｕ層１ｃ−４の４層のそれぞれの厚さを調整することにより、枠状部１ａの熱膨張係数に近似させることができる。即ち、枠状部１ａと金属層１ｃとの間の残留熱応力を非常に小さくでき接合を強固なものとできる。一方、主放熱部１ｂの幅方向の弾性率が１０ＧＰａ以下と非常に軟質であるため、それと金属層１ｃが接合された際に発生する熱応力を十分に吸収緩和できる。従って、枠状部１ａ，主放熱部１ｂの上下面に厚みを調整して拡散接合された金属層１ｃは、それらの接合を強固なものとでき、その結果、半導体素子６を載置する載置部１’は常に平坦となり、半導体素子６が作動時に発する熱を外部に効率良く放散させることができる。
【００５８】
さらに本発明によれば、放熱板１は主に、比重がアルミニウムとほぼ同じ程度に極めて小さい主放熱部１ｂと、Ｃｕ−Ｗ合金等に比し比重が小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のＦｅを含有する枠状部１ａから成るため、その重量が極めて小さいものであり、そのため、半導体パッケージ内部に半導体素子６を収容して半導体装置となした場合、半導体装置の重量も極めて小さいものとなって、近年の小型化、軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【００５９】
かくして、本発明の半導体パッケージは、放熱板１の載置部１’上に半導体素子６をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点半田を介して載置固定するとともに、半導体素子６の各電極をボンディングワイヤ７を介してメタライズ層２ａに接続させ、しかる後、枠体３の上面に蓋体５をＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合させ、放熱板１、入出力端子２、枠体３および蓋体５とから成る容器内部に半導体素子６を収納することによって、製品としての半導体装置となる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行なうことは何等支障ない。
【００６１】
例えば、半導体素子６が発する熱をそのまま垂直下方に伝熱するための主放熱部１ｂは、その上面の面積が半導体素子６の下面の面積に比し５０％以上、金属層１ｃやＣｕメッキ層１ｄを介して接触していれば良く、放熱効果が損なわれることはない。一方、それが５０％未満の場合、放熱効果は、従来のＣｕ−Ｗ合金並みか、またはそれ以下となる。従って、主放熱部１ｂの上面の面積が、半導体素子６の下面の面積に比し５０％以上、金属層１ｃやＣｕメッキ層１ｄを介して接触していれば、本発明の効果を発現し得る。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、上面に半導体素子が載置される放熱板が、上面側から下面側にかけての熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上である部材、即ち厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した主放熱部と、主放熱部の側部を貫通孔に相互拡散による接合によって嵌着させた枠状部と、枠状部の熱膨張係数に近似するように、枠状部，主放熱部の上下面に積層被着された金属層と、これら枠状部の露出表面および金属層の表面に被着したＣｕメッキ層とから構成されていることにより、半導体素子の気密性を保持でき、半導体素子の高周波信号による作動時に発生する熱を、厚さ方向と幅方向との２経路で効率良く放散できる。また、インダクタンス成分の発生を有効に防止できる。さらには、非常に軽量であるため、近年の小型軽量化が進む電子装置への実装も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の放熱板の部分拡大断面図である。
【図３】従来の半導体パッケージの断面図である。
【図４】図３の放熱板の部分拡大断面図である。
【図５】従来の半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：放熱板
１’：載置部
１ａ：枠状部
１ａ−１：貫通孔
１ｂ：主放熱部
１ｃ：金属層
１ｃ−１：鉄−クロム合金層
１ｃ−２：銅層
１ｃ−３：モリブデン層
１ｃ−４：銅層
１ｄ：銅メッキ層
２：入出力端子
３：枠体
３ａ：取付部
６：半導体素子
Claims (2)
- 上面に半導体素子を載置する載置部を有する放熱板と、Ｃｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成り、かつ前記放熱板上面に前記載置部を囲繞するように取着され側部に貫通孔または切欠部から成る取付部を有する枠体と、前記取付部に取着された入出力端子とを具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、前記放熱板は、Ｆｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る枠状部と、該枠状部の開口に嵌着され、厚さ方向に配向した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る主放熱部とから構成され、かつ前記放熱板の上下面には前記放熱板側からＦｅ−Ｃｒ合金層，Ｃｕ層，Ｍｏ層およびＣｕ層から成る金属層が積層され、前記放熱板の露出表面および前記金属層の表面にＣｕメッキ層が被着されて成ることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
- 前記放熱板と前記金属層との界面および前記金属層内の各層は、拡散接合により接合されて成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。
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