JP6680589B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、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ものである。

近年、半導体素子は高集積化、高密度化が急激に進み、半導体素子の作動時に発する単位体積、単位面積当たりの熱量が急激に多くなっている。特に、パワーデバイス等の大電力、大電流を制御する半導体素子は、高い放熱性が求められることから、放熱性能に特化するための放熱基板によって構成された金属基体上に載置固定される。この場合、半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージは、基体と、基体の外周部に半導体素子載置部を囲繞するように取着接合されて立設される、絶縁体を含む枠体と、半導体素子と外部の回路基板とを電気的に導通するための接続端子と、によって基本的に構成される。このとき、基体と枠体との接合、および接続端子と枠体との接合は、金属層を介して、ろう材等の接合材を用いて行われる。そして、基体上の載置部に半導体素子を載置固定して、半導体素子収納用パッケージに半導体素子を収納し、ボンディングワイヤ等で半導体素子の電極と接続端子とを電気的に接続することによって製品としての半導体装置となる（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−６４７１４号公報

しかしながら、従来、基体と枠体とを、および接続端子と枠体とをろう材を介して接合する際に、接合部からはみ出したろう材が枠体本体の内周部に流れ込むことがあった。その場合、金属から成る基体と接続端子との間で電気的な短絡が発生し、半導体装置を正常に作動させることができないという問題点を有していた。また、十分な絶縁がはかれない場合、パッケージに収納する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ないという欠点を有していた。したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、基体と接続端子との絶縁性を向上させて電気的な短絡の発生または絶縁性能の劣化を防止し、パッケージに収納する半導体素子を正常、且つ安定に作動させることができる信頼性の高い半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供することにある。

本発明の一つの態様の半導体素子収納用パッケージは、第１面に半導体素子が載置される載置部を有する金属製の基体と、
前記載置部に載置される半導体素子と外部の回路基板とを電気的に導通するための複数の接続端子と、
前記基体の前記第１面の外周部に前記載置部を囲繞するように取着されるとともに、前記基体と前記接続端子との間に位置して前記基体と前記接続端子とを絶縁する枠体であって、
該枠体は、
絶縁体から成る枠体本体と、
前記枠体本体の、前記基体に対向する枠体本体第１面に設けられた第１金属層と、
前記枠体本体の、前記枠体本体第１面とは反対側の枠体本体第２面に設けられ、前記接続端子と接合された第２金属層と、を具備し、
前記第１金属層は、前記枠体本体の内周側の端面が、前記枠体本体の端面よりも前記枠体本体の外周側に位置しており、前記枠体本体第１面には内周部に沿って延在する第１金属層非形成領域が設けられ、
前記第２金属層は、前記枠体本体の内周側の端面が、前記枠体本体の端面よりも前記枠体本体の外周側に位置しており、前記枠体本体第２面には内周部に沿って延在する第２金属層非形成領域が設けられており、
前記第２金属層は、前記複数の接続端子のそれぞれに対応し、互いに離間する複数の領域に分割され、
前記複数の接続端子のそれぞれは、前記第２金属層における前記複数の領域に位置し、
前記枠体本体第２面は、前記第２金属層の前記複数の領域以外の領域に、絶縁体層が設けられていることを特徴とする。

本発明の一つの態様の半導体装置は、上記の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置されるとともに前記接続端子に電気的に接続された半導体素子とを具備していることを特徴とする。

本発明の一つの態様の半導体素子収納用パッケージによれば、枠体本体第１面には内周部に沿って延在する第１金属層非形成領域が設けられ、枠体本体第２面に内周部に沿って延在する第２金属層非形成領域が設けられる。このような非形成領域が設けられることにより、ろう材等の接合材を用いて、基体の第１面と枠体本体第１面とを接合する際、および接続端子と枠体本体第２面とを接合する際に、接合部からはみ出した接合材を第１金属層非形成領域に収容することによって、接合材が枠体本体の内周部に流れ込み難くすることが可能となる。また、枠体本体の内周部に流れ込んだ接合材によって、接続端子が短絡したり、絶縁性能が劣化したりすることを防止することが可能となる。

この結果、半導体素子収納用パッケージの信頼性を向上させることが可能となる。これにより、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。

また本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置されるとともに接続端子に電気的に接続された半導体素子とを具備していることにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた信頼性の高いものとなる。

本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す外観斜視図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す分解斜視図であり、第２金属層１４と絶縁体層２０が同層の場合の分解斜視図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す分解斜視図であり、第２金属層１４と絶縁体層２０が別層の場合の分解斜視図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１が具備する枠体９の、枠体本体第１面１１側の構成の一例を示す外観斜視図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す平面図および断面図を含む図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す断面図であり、図５のＡ部を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す断面図であり、図５のＢ部を拡大した断面図である。 本発明の他の実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す断面図であり、図５のＢ部に相当する部分を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１を備える半導体装置５０の構成の一例を示す外観斜視図である。

以下、本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１について、図面に基づき詳
細に説明する。なお、以降の図において同一の構成については同一の参照符を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す外観斜視図である。図２および図３は本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す分解斜視図である。図２は第２金属層１４と絶縁体層２０が同層の場合を、図３は第２金属層１４と絶縁体層２０が別層の場合を示す。図４は本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１が具備する枠体９の、枠体本体第１面１１側の構成の一例を示す外観斜視図である。図５は本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す平面図および断面図を含む図である。図６は図５のＡ部を拡大した断面図であり、図７は図５のＢ部を拡大した断面図である。

半導体素子収納用パッケージ１は、半導体素子５１を収納するための基本構成として、基体２と枠体９と接続端子７とを有する。半導体素子５１としては、例えば、ＳｉＣ系やＧａＮ系のパワーデバイス等の大電力、大電流を用いる素子があげられる。

基体２は、放熱性能に特化するための放熱基板である金属基板によって構成される。すなわち、基体２は、高い放熱性が求められることから金属製で、基体第１面３に半導体素子５１が載置される載置部５を有している。基体２は、たとえば矩形板状に形成される。載置部５は、半導体素子収納用パッケージ１に収納される半導体素子５１をガラス、樹脂、ろう材等の接着剤を介して基体２の表面に接着固定するための領域である。また、半導体素子５１の熱を効率よく外部へ放熱させるために、半導体素子５１がペルチェ素子等の熱電冷却素子（図示せず）に搭載された状態で載置部５に載置固定されていてもよい。

金属基板の材料としては、具体的には、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンまたはタングステンのような金属、あるいはこれらの金属の合金または複合材、たとえば銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、鉄−ニッケル−コバルト合金などを用いることができる。このような金属材料のインゴット（塊）に切削加工法、金型加工法、圧延加工法、打ち抜き加工法のような従来周知の金属加工法を施すことによって基体２を構成する金属基板を作製することができる。

接続端子７は、載置部５に載置される半導体素子５１と、図示されない外部の回路基板と、を電気的に導通する。接続端子７は、例えば、銅、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、タングステン、モリブデンおよびマンガンなどの金属材料、あるいはこれらの金属の合金または複合材からなり、金属材料の板材が所定の形状に加工されて作製される。接続端子７は、枠体本体第２面１２において、枠体本体１０を構成する絶縁体の表層に設けられた第２金属層１４にろう材等の接合材を介して接合される。接続端子７の一方端には半導体素子５１の電極が電気的に接続され、接続端子７の他方端には図示されない外部の回路基板の配線導体が半田等の導電性接着剤を介して電気的に接続される。半導体素子５１と接続端子７との接続は、電気信号が伝送できればどのような接続でもよく、複数のボンディングワイヤによる接続、フリップチップ接続、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）による接続などであってもよい。

枠体９が有する枠体本体１０は、電気絶縁材料である絶縁体から成る。枠体９は基体第１面３の外周部６に載置部５を囲繞するように取着接合されて立設される。枠体９は、載置部５を取り囲んでいればよい。載置部５は、枠体９の内側の中央部分にあってもよく、その他の部分にあってもよい。また、基体２は枠体９とほぼ同じ外形状を有していてもよいし、本実施形態のように基体第１面３が枠体９よりも大きく、基体２が枠体９より延出する部分があってもよいし、その逆に、基体２より枠体９が延出する部分を有していても良い。枠体本体１０としてセラミック材料を用いてもよい。また、枠体本体１０は、一種の材料からなっていてもよいが、複数種の材料が積層された構造であってもよい。また、一つの絶縁性基板により枠体本体１０が構成されていてもよいし、複数の絶縁性基板を積
層することにより枠体本体１０が構成されていてもよい。絶縁性基板としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体または窒化珪素質焼結体のようなセラミック材料、またはガラスセラミック材料や樹脂材料を用いることができる。

枠体本体１０の作製方法の一例を説明する。上記材料のガラス粉末およびセラミック粉末を含有する原料粉末、有機溶剤並びにバインダを混ぜることにより混合部材を作製する。例えば原料粉末に適切な有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿物である混合部材を作製する。この混合部材を例えば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シート状に成形し、複数のセラミックグリーンシート（生シート）を作製する。作製された複数のセラミックグリーンシートを積層することにより積層体を作製し、積層体を約１６００度の温度で焼成することにより枠体本体１０が作製される。

枠体９が有する第１金属層１３は、基体２に対向する枠体本体第１面１１に設けられる。第１金属層１３は、基体２の外周部６において、基体２の基体第１面３と枠体本体第１面１１とを接合するために設けられる。このため、第１金属層１３は枠体本体第１面を周回させて設けられる。また枠体９が有する第２金属層１４は、枠体本体第１面１１の反対側の枠体本体第２面１２に設けられる。第２金属層１４は、接続端子７と枠体本体第２面１２とを接合するために設けられる。

第１金属層１３および第２金属層１４はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成る。第１金属層１３および第２金属層１４は次のようにして形成される。例えばタングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを枠体本体１０となるグリーンシートの枠体本体第１面１１および枠体本体第２面１２となる面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ておく。そして、セラミックグリーンシートとともに約１６００度の温度で同時に焼成することにより、第１金属層１３および第２金属層１４が、枠体本体１０の枠体本体第１面１１および枠体本体第２面１２に所定パターンに設けられる。なお、第１金属層１３および第２金属層１４の表面にはＮｉメッキ層を被着形成しておくのがよい。

第１金属層１３は、枠体本体第１面１１を基体第１面３に接合させる際の下地金属層として機能する。また、第２金属層１４は、枠体本体第２面１２に接続端子７を接合させる際の下地金属層として機能する。基体２または接続端子７を接合する際には、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ろう等のろう材を介してろう付けされる。また半田等を介して接合してもよい。

第１金属層１３の第１金属層端面１８は、枠体本体１０の内周側の枠体本体端面１７よりも枠体本体１０の外周側に位置している。このため、枠体本体第１面１１には枠体本体１０の内周部に沿って延在する第１金属層非形成領域１５が設けられる。なお、枠体本体１０の内周部において、第１金属層端面１８が枠体本体端面１７よりも枠体本体１０の外周側に後退している距離は、例えば枠体本体１０の内周と外周との間の幅寸法の２％以上２０％以下に設定される。

また第２金属層１４の第２金属層端面１９は、枠体本体１０の内周側の枠体本体端面１７よりも枠体本体１０の外周側に位置している。このため、枠体本体第２面１２には枠体本体１０の内周部に沿って延在する第２金属層非形成領域１６が設けられる。なお、枠体本体１０の内周部において、第２金属層端面１９が枠体本体端面１７よりも枠体本体１０の外周側に後退している距離は、例えば枠体本体１０の内周と外周との間の幅寸法の２％以上２０％以下に設定される。

このような非形成領域が設けられることにより、ろう材等の接合材を用いて、基体第１面３と枠体本体第１面１１とを接合する際、および接続端子７と枠体本体第２面１２とを接合する際に、接合部からはみ出した接合材を非形成領域に収容することができる。これによって、接合材が枠体本体１０の内周部から外側に流れ出すことを防止することが可能となる。この結果、接続端子７の絶縁性が向上し、接合材による接続端子７と基体２との間の電気的な短絡、または絶縁性能の劣化を防止することができ、信頼性を向上させることが可能となる。

また本実施形態においては、枠体本体１０の内周部において、第１金属層端面１８および第２金属層端面１９が枠体本体端面１７よりも枠体本体１０の外周側に後退している距離は略同一であり、平面透視において、前記第１金属層端面１８と第２金属層端面１９とは重なるように同一位置にある。第１金属層端面１８および第２金属層端面１９と枠体本体１０との間には枠体本体１０と第１金属層１３および第２金属層１４等との熱膨張係数の違いによって応力が生じる。しかし、この応力によって枠体本体１０に生じる反りが少なくなり、枠体本体１０の内周部付近に生じるクラックや割れを抑制することができる。

図１〜図５に示されるとおり、本実施形態においては、半導体素子収納用パッケージ１は、４つの接続端子７を具備している。このため、枠体本体第２面１２において、第２金属層１４は、４つの接続端子７のそれぞれに対応する位置に、互いに離間させた４つの領域に分割して形成されている。そして、４つの接続端子７のそれぞれが、第２金属層１４の４つの領域のそれぞれに接合される。なお、半導体素子収納用パッケージ１が具備する接続端子７の数は、１〜３でもよく、５以上でもよい。

また、第２金属層１４は、第１金属層１３と同じ金属材料から成り、少なくとも枠体本体第２面１２の各辺に設けられるとともに、第１金属層１３の厚さと同じであるのがよい。熱膨張係数が異なる枠体本体１０が、熱膨張係数と厚さが同じ第１金属層１３および枠体本体第２面１２の各辺に設けられた第２金属層１４によって挟まれることになる結果、枠体９に生じる反りや歪みを抑制することができる。

さらに、枠体本体第２面１２を平面視したときに、外周部６の領域の中で、第２金属層１４の４つの領域以外の領域には、絶縁体層２０が設けられている。これにより、第２金属層１４が設けられていない部分の枠体９の厚みが、第２金属層１４が設けられている部分の枠体９の厚みよりも薄くならないようにすることができる。この結果、枠体本体第２面１２において、互いに離間する４つの領域に分割されて設けられる第２金属層１４の熱膨張や熱収縮によって枠体９が反ったり、歪んだりすることを抑止することができる。その結果、第１金属層１３を介して枠体９をろう材等の接合材で基体２に接合する際に、基体２によって枠体９の反りが矯正されたりすることによって、枠体９にクラックが生じることを防ぐことができる。なお、絶縁体層２０の厚みｔ２は、第２金属層１４の厚みｔ１よりも大きくしてもよく、これにより、枠体９の機械的強度をさらに向上させ、枠体９の反りを抑制して、枠体９に生じるクラックを防ぐことができる。

また、枠体本体１０の外周形状は平面視したときに略長方形状であり、少なくとも長方形の枠体本体第２面１２の角部、かつ枠体９の長辺から隣接する短辺にわたって絶縁体層２０が設けられている。これにより、角部の枠体９の厚みを大きくし、外力や応力が集中しやすい角部においてもクラックが生じることを防ぐことが可能となる。また、角部を起点とした枠体９の変形や歪みを抑制することができる。なお、角部以外の部分の絶縁体層２０の厚みと比較して、角部分の絶縁体層２０の厚みだけを特に大きくしてもよい。さらに、図７において示されるとおり、絶縁体層２０は、第２金属層１４の４つの領域のそれぞれから離間して設けられていてもよい。換言すると、絶縁体層端面２３と第２金属層１４との間に空隙が設けられていてもよい。これにより、第２金属層１４が高温で熱膨張し
た際にも、第２金属層１４と絶縁体層２０との間に隙間があることにより、第２金属層１４と絶縁体層２０との間に生じる応力を緩和することが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態の半導体素子収納用パッケージ１について、図８に基づき説明する。図８は本発明の他の実施形態の半導体素子収納用パッケージ１の構成の一例を示す断面図であり、図５のＢ部に相当する部分を拡大した断面図である。図８において示されるとおり、絶縁体層２０には、枠体本体１０に対向する絶縁体層第１面２１の反対側の絶縁体層第２面２２と、第２金属層１４に近接する絶縁体層端面２３との稜角部２４に、湾曲部２５が設けられている。湾曲部２５は、傾斜面であってもよい。これにより、特に応力が集中しやすい稜角部２４において生じる応力集中を緩和することが可能となる。

図９は、一例として本発明の一実施形態の半導体素子収納用パッケージ１を備える半導体装置５０の構成の一例を示す斜視図である。半導体装置５０を組み立てる場合、基体２の載置部５に半導体素子５１を載置して基体２に接着剤等を介して接着固定し、半導体素子５１と接続端子７とをボンディングワイヤ等を介して電気的に接続する。このようにして、基体２、枠体９および接続端子７から成る半導体素子収納用パッケージ１を用いた半導体素子５１を収納する製品としての半導体装置５０が完成する。なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例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内で種々の変更を施すことは何等支障ない。

１ 半導体素子収納用パッケージ
２ 基体
３ 基体第１面
５ 載置部
６ 外周部
７ 接続端子
９ 枠体
１０ 枠体本体
１１ 枠体本体第１面
１２ 枠体本体第２面
１３ 第１金属層
１４ 第２金属層
１５ 第１金属層非形成領域
１６ 第２金属層非形成領域
１７ 枠体本体の端面
１８ 第１金属層端面
１９ 第２金属層端面
２０ 絶縁体層
２１ 絶縁体層第１面
２２ 絶縁体層第２面
２３ 絶縁体層端面
２４ 稜角部
２５ 湾曲部
５０ 半導体装置
５１ 半導体素子
ｔ１ 第２金属層厚み
ｔ２ 絶縁体層厚み

Claims (8)

1. 第１面に半導体素子が載置される載置部を有する金属製の基体と、
   前記載置部に載置される半導体素子と外部の回路基板とを電気的に導通するための複数の接続端子と、
   前記基体の前記第１面の外周部に前記載置部を囲繞するように取着されるとともに、前記基体と前記接続端子との間に位置して前記基体と前記接続端子とを絶縁する枠体であって、
   該枠体は、
   絶縁体から成る枠体本体と、
   前記枠体本体の、前記基体に対向する枠体本体第１面に設けられた第１金属層と、
   前記枠体本体の、前記枠体本体第１面とは反対側の枠体本体第２面に設けられ、前記接続端子と接合された第２金属層と、を具備し、
   前記第１金属層は、前記枠体本体の内周側の端面が、前記枠体本体の端面よりも前記枠体本体の外周側に位置しており、前記枠体本体第１面には内周部に沿って延在する第１金属層非形成領域が設けられ、
   前記第２金属層は、前記枠体本体の内周側の端面が、前記枠体本体の端面よりも前記枠体本体の外周側に位置しており、前記枠体本体第２面には内周部に沿って延在する第２金属層非形成領域が設けられており、
   前記第２金属層は、前記複数の接続端子のそれぞれに対応し、互いに離間する複数の領域に分割され、
   前記複数の接続端子のそれぞれは、前記第２金属層における前記複数の領域に位置し、
   前記枠体本体第２面は、前記第２金属層の前記複数の領域以外の領域に、絶縁体層が設けら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。
2. 前記枠体本体の前記内周部において、前記第２金属層の端面と、前記第１金属層の端面とが平面透視において同一位置にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子収納用パッケージ。
3. 前記枠体本体の外周形状は平面視したときに長方形状であり、該長方形状の角部に前記絶縁体層が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子収納用パッケージ。
4. 前記絶縁体層は、前記第２金属層の前記複数の領域のそれぞれから離間して設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ
   。
5. 前記絶縁体層は、前記枠体本体に対向する面の反対側の面と、前記第２金属層に近接する面との稜角部に、傾斜部または湾曲部が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ。
6. 前記絶縁体層の厚みは、前記第２金属層の厚みと同じであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ。
7. 前記絶縁体層の厚みは、前記第２金属層の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置されるとともに前記接続端子に電気的に接続された半導体素子とを具備していることを特徴とする半導体装置。

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