JPH07115147A - Semiconductor ceramic package equipped with heat sink - Google Patents
Semiconductor ceramic package equipped with heat sinkInfo
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- JPH07115147A JPH07115147A JP28204593A JP28204593A JPH07115147A JP H07115147 A JPH07115147 A JP H07115147A JP 28204593 A JP28204593 A JP 28204593A JP 28204593 A JP28204593 A JP 28204593A JP H07115147 A JPH07115147 A JP H07115147A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子を収容する
半導体セラミックパッケージに関し、更に詳細には、セ
ラミック材料製のパッケージ本体に半導体素子の駆動に
より発生する熱をパッケージ本体外に放熱するヒートシ
ンクを備えるヒートシンク付き半導体セラミックパッケ
ージに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor ceramic package containing a semiconductor element, and more particularly, a heat sink for radiating the heat generated by driving the semiconductor element to the outside of the package body in a package body made of a ceramic material. The present invention relates to a semiconductor ceramic package with a heat sink.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、半導体セラミックパッケージ
内に収容された半導体素子が作動する際に抵抗熱が発生
することは良く知られているが、この発生した抵抗熱
は、半導体セラミックパッケージ内に蓄積されると半導
体素子の作動効率を悪化させるにとどまらず、半導体素
子の内部に形成される電気回路を破壊する虞がある。そ
のため、この種の半導体セラミックパッケージには、パ
ッケージ本体の一側に半導体素子の作動により発生する
抵抗熱の放出を促進させるためのヒートシンクが接合さ
れてきた。2. Description of the Related Art Conventionally, it is well known that resistance heat is generated when a semiconductor element housed in a semiconductor ceramic package is operated, but the generated resistance heat is accumulated in the semiconductor ceramic package. This not only deteriorates the operation efficiency of the semiconductor element, but also may damage the electric circuit formed inside the semiconductor element. Therefore, in this type of semiconductor ceramic package, a heat sink has been joined to one side of the package body for promoting the release of resistance heat generated by the operation of the semiconductor element.
【０００３】かかるヒートシンクには、高い熱伝導率が
要求されることから、その材料には例えば、熱伝導率の
高いことで知られている銀（４１５Ｗ／ｍＫ）、銅（３
８６Ｗ／ｍＫ）等の単体金属が最適であるとも考えられ
る。しかしながら、このヒートシンクは、セラミック材
料によるパッケージ本体に接合されて用いられるもので
あるから、一般に熱膨張係数が小さく熱膨張量、熱収縮
量が少ないセラミック材料に熱膨張係数が大きく熱膨張
量、熱収縮量が多い銀、銅等の金属をそのままヒートシ
ンク材料としたヒートシンクを接合して用いるとその接
合部が剥離等するためそのまま用いることはできない。Since such a heat sink is required to have high thermal conductivity, its material is, for example, silver (415 W / mK) and copper (3) which are known to have high thermal conductivity.
It is considered that a simple metal such as 86 W / mK) is optimal. However, since this heat sink is used by being bonded to the package body made of a ceramic material, generally, a ceramic material having a small coefficient of thermal expansion and a small amount of thermal expansion and contraction has a large coefficient of thermal expansion and a large amount of thermal expansion and thermal expansion. If a heat sink made of metal such as silver or copper having a large amount of contraction is used as it is as a heat sink material, it cannot be used as it is because the bonded portion peels off.
【０００４】このようなことから、ヒートシンクが良好
に機能するためには、高い熱伝導率を有し、かつパッケ
ージ本体を形成するセラミック材料と同等の熱膨張係数
を有する材料をヒートシンクの製造に当り用いることが
必要である。この条件を満足するヒートシンク材として
従来より極めて広く用いられている材料に銅−タングス
テン材（Ｃｕ−Ｗ材）がある。Therefore, in order for the heat sink to function well, a material having a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion equivalent to that of the ceramic material forming the package body is used for manufacturing the heat sink. It is necessary to use. A copper-tungsten material (Cu-W material) has been widely used as a heat sink material satisfying these conditions.
【０００５】このＣｕ−Ｗ材には、（１０：９０）、
（２０：８０）、（３０：７０）等の組成比を持つもの
が存在するが、この中で組成比（１０：９０）のＣｕ−
Ｗ材は、パッケージ本体の材料であるアルミナセラミッ
クのもつ熱膨張係数（６．７×１０-6／℃）とほぼ同等
の熱膨張係数（６．５×１０-6／℃）を有し、更に、熱
伝導率も２３０Ｗ／ｍＫという高い値を有していること
が知られている。従って、現在では半導体アルミナセラ
ミックパッケージのヒートシンクの材料には、ほとんど
例外なくＣｕ−Ｗ材が用いられることとなった。In this Cu-W material, (10:90),
There are those having a composition ratio such as (20:80) and (30:70). Among them, Cu- having a composition ratio (10:90) is present.
W material has substantially the same thermal expansion coefficient (6.5 × 10 -6 / ℃) and thermal expansion coefficient with the alumina ceramic (6.7 × 10 -6 / ℃) which is the material of the package body, Furthermore, it is known that the thermal conductivity also has a high value of 230 W / mK. Therefore, at present, Cu-W material is almost always used as the material for the heat sink of the semiconductor alumina ceramic package.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒート
シンク材料としてのＣｕ−Ｗ材には以下のような問題が
あった。まず第１にＣｕ−Ｗ材のコストが極めて高いと
いう問題がある。すなわち、Ｃｕ−Ｗ材の製造方法には
製造コストの安い焼結法、ばい焼法も存在するが、焼結
品の均質性および品質安定性に欠け、また量産に向かな
い。従って、電子部品等には均一な材質が得られる溶浸
法が広く用いられている。However, the Cu-W material as the heat sink material has the following problems. First, there is a problem that the cost of the Cu-W material is extremely high. That is, although there are also a sintering method and a roasting method, which are inexpensive in manufacturing cost, as the method for manufacturing the Cu-W material, the homogeneity and quality stability of the sintered product are lacking and they are not suitable for mass production. Therefore, the infiltration method that can obtain a uniform material is widely used for electronic parts and the like.
【０００７】この溶浸法は、タングステン粉末をプレス
して焼結しその内部に多数の空隙を包含する軽石状の塊
とした後、その空隙に溶融した銅を含浸させることによ
りＣｕ−Ｗ材を製造するものであり、後加工として表面
に析出した銅層を切削加工により取り除く必要があるた
め、製造に手間が掛かり非常に高価になってしまうとい
う問題があった。In this infiltration method, a Cu-W material is obtained by pressing tungsten powder to sinter it into a pumiceous mass containing a large number of voids therein, and then impregnating the voids with molten copper. However, since it is necessary to remove the copper layer deposited on the surface by cutting as a post-process, there is a problem in that manufacturing takes time and becomes very expensive.
【０００８】第２にＣｕ−Ｗ材の加工が煩雑であるとい
う問題がある。すなわち、溶浸法により製造される場
合、当初からＣｕ−Ｗ材を所望のヒートシンク形状に形
成したとしても必ず後加工として表面に析出した銅層を
取り除く必要があり、後加工の後に得られるヒートシン
クの形状は所期のものとは異なってくる。従って、所望
のヒートシンク形状を得るためには塊材を研削加工によ
り一つ一つ削り出す他に手段がなく、非常に手間と時間
がかかり、量産性に劣るという問題があった。Secondly, there is a problem that processing of the Cu-W material is complicated. That is, in the case of manufacturing by the infiltration method, even if the Cu-W material is formed into a desired heat sink shape from the beginning, it is necessary to remove the copper layer deposited on the surface as a post-process, and a heat sink obtained after the post-process. The shape of is different from the expected one. Therefore, in order to obtain a desired heat sink shape, there is no means other than shaving the lump material one by one by grinding, which is very laborious and time consuming, and there is a problem that mass productivity is poor.
【０００９】その一方で当業界では、ヒートシンク材に
は２００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率が必要であるという認
識が支配していたこともあるが、ヒートシンク材に２０
０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率が必要であるか否かは、上
記理由から今日に至るまで議論や調査はされず、まして
熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ前後の材料をＣｕ−Ｗ材に代
えてヒートシンク材として用いることの可能性について
は検討されることすらなかった。On the other hand, in the industry, it was sometimes recognized that the heat sink material needs to have a thermal conductivity of about 200 W / mK.
Whether or not a thermal conductivity of more than 0 W / mK is necessary has not been discussed or investigated up to the present day for the above reasons, let alone a material having a thermal conductivity of about 100 W / mK in place of a Cu-W material. The possibility of using it as a heat sink material was not even considered.
【００１０】従って、パッケージ本体としてのアルミナ
セラミック材料の持つ熱膨張係数（６．７×１０-6／
℃）と近似する熱膨張係数を有し、熱伝導率が１００Ｗ
／ｍＫ前後の安価で、加工容易な材料がＣｕ−Ｗ材と同
様の放熱能力を発揮するとすれば、今日まで問題とされ
ながら解決されるにいたらなかった、Ｃｕ−Ｗ材をヒー
トシンク材に用いることによるヒートシンクのコスト
高、加工非容易性といった問題が解決されることにな
る。Therefore, the coefficient of thermal expansion of the alumina ceramic material as the package body (6.7 × 10 -6 /
C) and thermal conductivity of 100W
If a material that is cheap and easy to process around / mK exhibits the same heat-dissipating ability as Cu-W material, Cu-W material is used as a heat sink material, which has not been solved until now. As a result, problems such as high cost of the heat sink and non-processability are solved.
【００１１】そこで、本発明者達は、パッケージ本体と
してのセラミック材料特にアルミナセラミック材料の持
つ熱膨張係数（６．７×１０-6／℃）と近似する値を有
し、熱伝導率の異なる複数の材料を用いてヒートシンク
を備えた半導体セラミックパッケージの放熱能力試験を
行ったところ、熱伝導率８０Ｗ／ｍＫ以上の材料におけ
る熱の放出は、ヒートシンク表面から空気中への放熱、
すなわちヒートシンク表面と空気との境界層における熱
伝達係数のみに依存し、ヒートシンク材の熱伝導率の違
いによっては、放熱能力に差がみられないことが知見と
して得られた。Therefore, the present inventors have a value close to the thermal expansion coefficient (6.7 × 10 −6 / ° C.) of the ceramic material as the package body, especially the alumina ceramic material, and the thermal conductivity is different. When a heat dissipation capability test of a semiconductor ceramic package equipped with a heat sink is performed using a plurality of materials, heat release from a material having a thermal conductivity of 80 W / mK or more results in heat dissipation from the heat sink surface to the air,
That is, it was found that there is no difference in the heat dissipation ability depending on the heat transfer coefficient in the boundary layer between the heat sink surface and the air, and the difference in the thermal conductivity of the heat sink material.
【００１２】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、これまでヒートシンク材として
極めて広く用いられてきた高価なＣｕ−Ｗ材の代わりに
Ｃｕ−Ｗ材と同等の放熱能力を有しつつ安価なヒートシ
ンク材を備えた半導体セラミックパッケージを提供する
ことを目的とする。また、本発明の別の目的は、ヒート
シンクの形状を成形するに当り加工が容易で迅速に生産
可能なヒートシンク材を備えた半導体セラミックパッケ
ージを提供し、更に、金属性材料に限らず非金属性材料
からなるヒートシンクを備えた半導体セラミックパッケ
ージを提供することにもある。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and instead of the expensive Cu-W material which has been widely used as a heat sink material up to now, heat radiation equivalent to that of a Cu-W material has been achieved. It is an object of the present invention to provide a semiconductor ceramic package having a heat sink material which has an ability and is inexpensive. Another object of the present invention is to provide a semiconductor ceramic package provided with a heat sink material that is easy to process and can be rapidly produced when molding the shape of the heat sink, and is not limited to a metallic material, and is also non-metallic. Another object is to provide a semiconductor ceramic package with a heat sink made of material.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の半導体セラミックパッケージは、半導体素
子が収容されるセラミック材料製のパッケージ本体に該
セラミックパッケージ本体の熱膨張係数に近似する熱膨
張係数を有すると共に、４０Ｗ／ｍＫ以上かつ２００Ｗ
／ｍＫ以下の熱伝導率を有するヒートシンク材料を接合
してなることを要旨とするものである。In order to achieve this object, the semiconductor ceramic package of the present invention has a package body made of a ceramic material in which a semiconductor element is housed, and has a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic package body. Has a coefficient of expansion of 40 W / mK or more and 200 W
The gist is to bond heat sink materials having a thermal conductivity of / mK or less.
【００１４】また、前記ヒートシンク材料の熱伝導率
は、つきつめれば８０Ｗ／ｍＫ以上かつ１５０Ｗ／ｍＫ
以下であってもセラミックパッケージ本体の熱膨張係数
に近似した熱膨張係数を有する材料であれば十分に適用
可能である。更に、前記ヒートシンク材料は、銅、タン
グステン及びニッケルからなる焼結金属材料とすれば従
来の高価なＣｕ−Ｗ材に代わるものとして安価に提供で
きることとなる。Further, the heat conductivity of the heat sink material is 80 W / mK or more and 150 W / mK or more.
Even if it is below, any material having a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic package body can be sufficiently applied. Further, if the heat sink material is a sintered metal material composed of copper, tungsten and nickel, it can be provided at a low cost as an alternative to the conventional expensive Cu-W material.
【００１５】[0015]
【実施例】以下、本発明を具体化したヒートシンク付き
半導体セラミックパッケージを図１、図２及び図３を参
照して説明する。ここで、図１は平板型ヒートシンクの
接合されたヒートスプレッダ型半導体セラミックパッケ
ージを示す断面図、図２は平板型ヒートシンクの接合さ
れたヒートスラグ型半導体セラミックパッケージを示す
断面図、図３は段付型ヒートシンクの接合されたヒート
スラグ型半導体セラミックパッケージを示す断面図であ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A semiconductor ceramic package with a heat sink embodying the present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 2 and 3. Here, FIG. 1 is a sectional view showing a heat spreader type semiconductor ceramic package in which a flat plate heat sink is joined, FIG. 2 is a sectional view showing a heat slug type semiconductor ceramic package in which a flat plate heat sink is joined, and FIG. 3 is a stepped type. It is sectional drawing which shows the heat slug type semiconductor ceramic package to which the heat sink was joined.
【００１６】例えば、図１に示すヒートスプレッダ型半
導体セラミックパッケージＰは、アルミナ９２％を含有
するアルミナセラミック材から成るパッケージ本体１の
中央に半導体素子４が収容されるダイアタッチ部２を有
し、パッケージ本体１にはダイアタッチ部２に収容され
る半導体素子４と外部電気回路とを電気的に接続するた
め多本数のリードピン３が設けられてなる。For example, the heat spreader type semiconductor ceramic package P shown in FIG. 1 has a die attach portion 2 for accommodating a semiconductor element 4 in the center of a package body 1 made of an alumina ceramic material containing 92% of alumina. The main body 1 is provided with a large number of lead pins 3 for electrically connecting the semiconductor element 4 housed in the die attach portion 2 and an external electric circuit.
【００１７】そして、パッケージ本体１の外底面６に
は、ダイアタッチ部２に収容される半導体素子（ＩＣチ
ップ）４の真下に位置してヒートシンク５がＡｇ−Ｃｕ
ロー材等により接合されており、ヒートシンクの形状
は、この図においては、平板型のものが用いられてい
る。尚、図示していないがこのパッケージ本体１の上面
には、ダイアタッチ部２に半導体素子４が収容された
後、パッケージ蓋が被着されるようになっている。On the outer bottom surface 6 of the package body 1, the heat sink 5 is located directly below the semiconductor element (IC chip) 4 housed in the die attach portion 2 and is Ag-Cu.
The heat sink is joined by a brazing material or the like, and the shape of the heat sink is a flat plate type in this figure. Although not shown, the package lid is attached to the upper surface of the package body 1 after the semiconductor element 4 is housed in the die attach portion 2.
【００１８】この図１に示すヒートスプレッダ型半導体
セラミックパッケージＰでは、パッケージ本体１内のダ
イアタッチ部２に収容される半導体素子４が発する抵抗
熱はパッケージ本体１のダイアタッチ部２底壁面を通し
て平板型ヒートシンク５に伝導されヒートシンク５の外
表面より放熱されることとなる。In the heat spreader type semiconductor ceramic package P shown in FIG. 1, the resistance heat generated by the semiconductor element 4 housed in the die attach portion 2 in the package body 1 passes through the bottom wall surface of the die attach portion 2 of the package body 1 and is flat plate type. The heat is conducted to the heat sink 5 and is radiated from the outer surface of the heat sink 5.
【００１９】図２に示すヒートスラグ型半導体セラミッ
クパッケージＰ1 は、パッケージ本体２１のダイアタッ
チ部２に位置する底壁面２６が開口しており、その開口
面にパッケージ本体２１の外底壁面側より平板型ヒート
シンク２５をＡｇ−Ｃｕロー材等により接合し、この平
板型ヒートシンク２５面に半導体素子４が直接接合され
るように構成されている。また、この図２に示すヒート
スラグ型半導体セラミックパッケージＰ1 では、ダイア
タッチ部２２に収容される半導体素子４が発する抵抗熱
はこの半導体素子４が接する平板型ヒートシンク２５に
直接伝導されヒートシンク２５の外表面より放熱され
る。In the heat slug type semiconductor ceramic package P 1 shown in FIG. 2, the bottom wall surface 26 located at the die attach portion 2 of the package body 21 is open, and the opening surface is from the outer bottom wall surface side of the package body 21. The flat plate heat sink 25 is joined by an Ag-Cu brazing material or the like, and the semiconductor element 4 is directly joined to the surface of the flat plate heat sink 25. In the heat slug type semiconductor ceramic package P 1 shown in FIG. 2, the resistance heat generated by the semiconductor element 4 housed in the die attach portion 22 is directly conducted to the flat plate type heat sink 25 in contact with the semiconductor element 4 and Heat is radiated from the outer surface.
【００２０】図３に示すヒートスラグ型半導体セラミッ
クパッケージＰ2 もパッケージ本体３１のダイアタッチ
部２２に位置する底壁面３６が開口しているが、その開
口面にはパッケージ本体３１の外底壁側より、段付型ヒ
ートシンク３５が嵌着され、やはりＡｇ−Ｃｕロー材等
により接合され、この段付型ヒートシンク３５面に半導
体素子４が直接接合されてなるものである。この図３に
示すパッケージ本体Ｐ2 においても、ダイアタッチ部２
２に収容される半導体素子４が発する抵抗熱は段付型ヒ
ートシンク３５に直接伝導され、その外表面より放熱さ
れる。The heat slag type semiconductor ceramic package P 2 shown in FIG. 3 also has an opening on the bottom wall surface 36 located at the die attach portion 22 of the package body 31, and the opening surface has the outer bottom wall side of the package body 31. As a result, the stepped heat sink 35 is fitted and is also joined by Ag-Cu brazing material or the like, and the semiconductor element 4 is directly joined to the surface of the stepped heat sink 35. Also in the package body P 2 shown in FIG. 3, the die attach portion 2
The resistance heat generated by the semiconductor element 4 housed in 2 is directly conducted to the stepped heat sink 35 and radiated from the outer surface thereof.
【００２１】図４は、図１に示したヒートスプレッダ型
半導体セラミックパッケージＰを例にして、そのヒート
スプレッダ型半導体セラミックパッケージＰに収容され
た半導体素子４の作動により発生する抵抗熱Ｈがヒート
シンク４５を介して放熱移動される状態を概略的に示し
たものである。FIG. 4 shows the heat spreader type semiconductor ceramic package P shown in FIG. 1 as an example, and resistance heat H generated by the operation of the semiconductor element 4 housed in the heat spreader type semiconductor ceramic package P passes through the heat sink 45. 2 schematically shows a state in which heat is transferred by heat radiation.
【００２２】この半導体セラミックパッケージＰが装着
されるコンピュータの演算処理が開始される等に伴い、
半導体素子４が通電されると半導体素子内部に形成され
た電気回路が抵抗熱Ｈを発する。そして、この抵抗熱Ｈ
は先ず半導体素子４が接合されている半導体セラミック
パッケージ本体１のダイアタッチ部２の底壁部に伝導
し、続いて半導体セラミックパッケージ本体１に密着接
合されているヒートシンク４５に伝導する。With the start of the arithmetic processing of the computer in which the semiconductor ceramic package P is mounted,
When the semiconductor element 4 is energized, the electric circuit formed inside the semiconductor element generates resistance heat H. And this resistance heat H
First conducts to the bottom wall of the die attach portion 2 of the semiconductor ceramic package body 1 to which the semiconductor element 4 is joined, and then to the heat sink 45 tightly joined to the semiconductor ceramic package body 1.
【００２３】半導体セラミックパッケージ本体１からヒ
ートシンク４５への熱伝導において伝熱速度を左右する
のは、半導体素子４とヒートシンク４５との接合面積並
びにヒートシンク材の持つ熱伝導率であり、接合面積が
大きければ大きいほど、またヒートシンク材が有する熱
伝導率が高ければ高いほど、ヒートシンク４５により速
やかに半導体セラミックパッケージ本体１から熱が奪い
去られることになる。In the heat conduction from the semiconductor ceramic package body 1 to the heat sink 45, the heat transfer rate is influenced by the joint area between the semiconductor element 4 and the heat sink 45 and the heat conductivity of the heat sink material. The larger the heat conductivity and the higher the thermal conductivity of the heat sink material, the more quickly the heat sink 45 takes away heat from the semiconductor ceramic package body 1.
【００２４】そして、ヒートシンク４５に伝導された抵
抗熱Ｈは、ヒートシンク４５の外表面４８から空気中Ａ
に放出され、半導体素子４が作動される間その半導体素
子４の発した抵抗熱Ｈの熱移動は続けられる。ここで、
ヒートシンク表面４８から空気中Ａへの熱伝導において
伝熱速度を左右するのは、空気とヒートシンク表面４８
との境界層４９の持つ熱伝達係数であるが、境界層４９
の持つ熱伝達係数は主として空気温度に対する関数であ
り、空気中Ａにおいて熱を放出する限り一定値をとると
考えて差し支えなく、また、ヒートシンク４５は凹凸の
ない平面４８を空気と接しているので、表面形状に起因
する伝熱速度は一定である。The resistance heat H conducted to the heat sink 45 is transferred from the outer surface 48 of the heat sink 45 to the air A in the air.
And the resistance heat H generated by the semiconductor element 4 is continuously transferred while the semiconductor element 4 is activated. here,
In the heat conduction from the heat sink surface 48 to the air A, the heat transfer rate depends on the air and the heat sink surface 48.
And the heat transfer coefficient of the boundary layer 49
The heat transfer coefficient of has a function mainly with respect to the air temperature, and it may be considered that the heat transfer coefficient has a constant value as long as heat is released in the air A. Further, since the heat sink 45 contacts the flat surface 48 having no unevenness with the air. The heat transfer rate due to the surface shape is constant.
【００２５】このような伝熱状態において熱移動を律す
るのは、半導体セラミックパッケージ本体１からヒート
シンク４５への熱移動、またはヒートシンク表面４８か
ら空気中Ａへの熱移動のいずれかであり、これまでは半
導体セラミックパッケージ本体１からヒートシンク４５
への熱移動が律速であると考えられ、熱伝導率２３０Ｗ
／ｍＫを有するＣｕ−Ｗ材がヒートシンク４５として適
合すると考えられてきた。It is either the heat transfer from the semiconductor ceramic package body 1 to the heat sink 45 or the heat transfer from the heat sink surface 48 to the air A that determines the heat transfer in such heat transfer state. From the semiconductor ceramic package body 1 to the heat sink 45
Is considered to be rate-determining, and thermal conductivity is 230 W
A Cu-W material with / mK has been considered suitable for the heat sink 45.
【００２６】しかし、各種材料についてヒートシンク４
５として、その放熱効率を測定した結果、それほど熱伝
導率が高くなくても十分に放熱効果を奏することが分か
った。この測定は、熱抵抗測定装置により行い、半導体
セラミックパッケージ本体に接合された模擬半導体素子
に、発熱体として機能するヒータと温度測定器として機
能するサーマルチップダイオードとを組み込み、ヒータ
の発熱量を一定に保持してサーマルチップダイオードを
流れる電流値を計測することにより半導体セラミックパ
ッケージ本体の熱抵抗値（半導体セラミックパッケージ
におけるジャンクション温度）を測定し、ヒートシンク
の放熱能力を調査したものである。However, regarding various materials, the heat sink 4
As a result of measuring the heat dissipation efficiency as No. 5, it was found that the heat dissipation effect was sufficiently exerted even if the heat conductivity was not so high. This measurement is performed with a thermal resistance measuring device, and a heater functioning as a heating element and a thermal chip diode functioning as a temperature measuring device are incorporated into a simulated semiconductor element bonded to the semiconductor ceramic package body, and the amount of heat generated by the heater is kept constant. The heat resistance value of the semiconductor ceramic package body (junction temperature in the semiconductor ceramic package) was measured by measuring the current value flowing through the thermal chip diode while being held at, and the heat dissipation capability of the heat sink was investigated.
【００２７】まず本発明の第１の実施例に係る平板型の
ヒートシンクが接合されたヒートスプレッダ型の半導体
セラミックパッケージＰ（図１参照）を測定サンプルと
して用いた測定結果を図６に示す。図６は平板型のヒー
トシンクが接合されたヒートスプレッダ型の半導体セラ
ミックパッケージについての半導体セラミックパッケー
ジの熱抵抗とヒートシンク材の熱伝導率の関係を示した
グラフであり、横軸にヒートシンク材の熱伝導率を示
し、縦軸に半導体セラミックパッケージの熱抵抗値を示
す。First, FIG. 6 shows the measurement results using the heat spreader type semiconductor ceramic package P (see FIG. 1) to which the flat plate type heat sink according to the first embodiment of the present invention is joined as a measurement sample. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thermal resistance of the semiconductor ceramic package and the thermal conductivity of the heat sink material for the heat spreader type semiconductor ceramic package to which the flat plate heat sink is joined, and the horizontal axis indicates the thermal conductivity of the heat sink material. And the vertical axis represents the thermal resistance value of the semiconductor ceramic package.
【００２８】また、測定サンプルである半導体セラミッ
クパッケージ本体の外径寸法は、５５ｍｍ×５５ｍｍで
あり、その周縁部の厚さは２．８ｍｍである。また、ヒ
ートシンクの外径寸法は、３８ｍｍ×３８ｍｍであり、
その厚さは全域にわたって１ｍｍである。The outer diameter of the semiconductor ceramic package body, which is a measurement sample, is 55 mm × 55 mm, and the thickness of its peripheral portion is 2.8 mm. The outer diameter of the heat sink is 38 mm x 38 mm,
Its thickness is 1 mm over the entire area.
【００２９】グラフ中、曲線１は風速０ｍ／ｓのとき
の、曲線２は風速２ｍ／ｓのときの熱抵抗−熱伝導率の
関係を各々示している。「ヒートシンク無し」はヒート
シンクが接合されていない半導体セラミックパッケージ
の測定値を示し、供試材としては、本発明品の場合、Ｃ
ｕ−Ｗ−Ｎｉ材、Ｋｏｖ−Ｃｕ−Ｋｏｖ複合材等の各種
材料を試しており、また、比較材として従来のＣｕ−Ｗ
材をヒートシンクとして接合した半導体セラミックパッ
ケージの他、ヒートシンクが接合されていない半導体セ
ラミックパッケージの測定値をも各々示している。In the graph, curve 1 shows the relationship between thermal resistance and thermal conductivity when the wind speed is 0 m / s, and curve 2 shows the relationship between thermal resistance and thermal conductivity. “No heat sink” indicates the measured value of the semiconductor ceramic package to which the heat sink is not joined. As the test material, in the case of the product of the present invention, C
Various materials such as u-W-Ni material and Kov-Cu-Kov composite material have been tried, and conventional Cu-W material has been used as a comparison material.
In addition to the semiconductor ceramic package in which the material is bonded as a heat sink, the measured values of the semiconductor ceramic package in which the heat sink is not bonded are also shown.
【００３０】このグラフから明らかなように、熱伝導率
が８０Ｗ／ｍＫ以上のヒートシンク材においては、風速
０ｍ／ｓおよび風速２ｍ／ｓのいずれの場合も熱抵抗測
定値が低い値に落ち着いており、それ以上の熱伝導率を
有する材料ではいずれもほとんど変わらない熱抵抗値を
示すことが分かった。As can be seen from this graph, in the heat sink material having a thermal conductivity of 80 W / mK or more, the measured thermal resistance values have settled down to low values at both wind speeds of 0 m / s and 2 m / s. It was found that the materials having the thermal conductivity higher than that exhibited almost the same thermal resistance value.
【００３１】ちなみに表１には、本発明の代表的なもの
としてＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材を挙げ、この材料と従来のＣｕ
−Ｗ材との熱抵抗値の測定データを示している。このＣ
ｕ−Ｗ−Ｎｉ材は、銅、タングステン及びニッケルの粉
末を混合して成型プレスした後、焼結してなる銅、タン
グステン及びニッケルからなる焼結金属である。表１か
らも分かるように本発明品に係るＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材は、
風速０ｍ／ｓの場合も風速２ｍ／ｓの場合も従来のＣｕ
−Ｗ材と遜色のない熱抵抗値を示している。By the way, Table 1 lists Cu-W-Ni materials as a representative example of the present invention.
The measurement data of the thermal resistance value with -W material are shown. This C
The u-W-Ni material is a sintered metal composed of copper, tungsten, and nickel obtained by mixing powders of copper, tungsten, and nickel, molding, pressing, and then sintering. As can be seen from Table 1, the Cu-W-Ni material according to the present invention,
Conventional Cu at both wind speeds of 0 m / s and 2 m / s
-It shows a thermal resistance value comparable to that of W material.
【００３２】[0032]
【表１】 [Table 1]
【００３３】このＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材は、銅とタングステ
ンとの組成比を変化させることにより熱膨張係数が変化
し、組成比（８：８５：７）のときアルミナセラミック
の熱膨張係数６．７×１０-6／℃とほぼ同等の熱膨張係
数７．０×１０-6／℃及び熱伝導率８０Ｗ／ｍＫが得ら
れる。このＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材をヒートシンクとして接合
する半導体セラミックパッケージは、表に示すように風
速０ｍ／ｓの時に１３．３℃／Ｗ、風速２ｍ／ｓの時に
５．８℃／Ｗの熱抵抗値をとる。これは、Ｃｕ−Ｗ材を
ヒートシンク材として接合する半導体セラミックパッケ
ージの熱抵抗値１３．２℃／Ｗ（風速０ｍ／ｓ）、５．
７℃／Ｗ（同２ｍ／ｓ）と比較してほとんど同一とみな
してもよい値である。The coefficient of thermal expansion of this Cu-W-Ni material changes by changing the composition ratio of copper and tungsten. When the composition ratio (8: 85: 7), the coefficient of thermal expansion of the alumina ceramic is 6. A thermal expansion coefficient of 7.0 × 10 −6 / ° C. and a thermal conductivity of 80 W / mK, which are almost the same as 7 × 10 −6 / ° C., are obtained. As shown in the table, the semiconductor ceramic package in which this Cu-W-Ni material is bonded as a heat sink has a thermal resistance of 13.3 ° C / W at a wind speed of 0 m / s and 5.8 ° C / W at a wind speed of 2 m / s. Takes a value. This is because the thermal resistance value of the semiconductor ceramic package in which the Cu-W material is bonded as the heat sink material is 13.2 ° C / W (wind speed 0 m / s).
It is a value that can be regarded as almost the same as compared with 7 ° C./W (same 2 m / s).
【００３４】この測定結果から、ヒートシンク材の熱伝
導率が８０Ｗ／ｍＫ以上である場合においては、ヒート
シンクの材料を変えても放熱効率は変化せず、ほぼ一定
値をとることが分かった。これは、ヒートシンク表面か
ら空気中への伝熱速度は、ヒートシンク材の熱伝導率が
８０Ｗ／ｍＫを超える辺りから半導体セラミックパッケ
ージ本体からヒートシンクへの伝熱速度に追い越され、
ヒートシンク表面から空気中への伝熱速度が熱移動の律
速となるためと考察される。From the measurement results, it was found that when the heat conductivity of the heat sink material is 80 W / mK or more, the heat radiation efficiency does not change even if the material of the heat sink is changed, and takes a substantially constant value. This is because the heat transfer rate from the heat sink surface to the air exceeds the heat transfer rate from the semiconductor ceramic package body to the heat sink when the heat conductivity of the heat sink material exceeds 80 W / mK.
It is considered that the rate of heat transfer from the surface of the heat sink to the air is the rate-determining factor for heat transfer.
【００３５】更に、材料の熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以下
の場合においても、ヒートシンクとして使用できない訳
ではない。すなわち、Ｃｕ−Ｗ製ヒートシンクを接合し
た場合の熱抵抗値が１３．２℃／Ｗであるのに対し、ヒ
ートシンクが接合されていない場合の熱抵抗値が１５．
８℃／Ｗであるので、この差２．６℃／Ｗがヒートシン
クを接合したことによる熱抵抗値の低下分と考えられ
る。Further, even when the thermal conductivity of the material is 80 W / mK or less, it cannot be used as a heat sink. That is, the thermal resistance value when the heat sink made of Cu-W was joined was 13.2 ° C./W, whereas the thermal resistance value when the heat sink was not joined was 15.
Since it is 8 ° C./W, this difference of 2.6 ° C./W is considered to be the decrease in the thermal resistance value due to the joining of the heat sinks.
【００３６】さすれば、この低下分の１／２である１．
３℃／Ｗがヒートシンクを接合した効果の有無を判断す
る目安と考えると、熱抵抗値が１４．５（＝１３．２＋
１．３）℃／Ｗ以下であればヒートシンクを接合した効
果はあるものと考えることができる。従って、この熱抵
抗値１４．５℃／Ｗに対応する熱伝導率４０Ｗ／ｍを超
える熱伝導率を有する材料であれば、ヒートシンク材料
として使用可能であるといえる。Then, 1/2 of this decrease is 1.
Considering that 3 ° C / W is a criterion for judging the effect of joining a heat sink, the thermal resistance value is 14.5 (= 13.2 +
If the temperature is 1.3) ° C./W or less, it can be considered that there is an effect of joining the heat sink. Therefore, it can be said that any material having a thermal conductivity of more than 40 W / m corresponding to the thermal resistance value of 14.5 ° C./W can be used as a heat sink material.
【００３７】次に、本発明の第２の実施例に係る平板型
のヒートシンクが接合されたヒートスラグ型の半導体セ
ラミックパッケージＰ1 （図２参照）を測定サンプルに
用いた測定結果を図７に示す。図７は平板型のヒートシ
ンクが接合されたヒートスラグ型の半導体セラミックパ
ッケージについての半導体セラミックパッケージの熱抵
抗とヒートシンク材の熱伝導率の関係を示したグラフで
あり、横軸にヒートシンク材の熱伝導率を示し、縦軸に
半導体セラミックパッケージの熱抵抗値を示す。Next, FIG. 7 shows the measurement results using the heat slug type semiconductor ceramic package P 1 (see FIG. 2) to which the flat plate type heat sink according to the second embodiment of the present invention is joined as the measurement sample. Show. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thermal resistance of the semiconductor ceramic package and the heat conductivity of the heat sink material for the heat slag type semiconductor ceramic package to which the flat plate heat sink is joined, and the heat conductivity of the heat sink material is plotted along the horizontal axis. The thermal resistance value of the semiconductor ceramic package is shown on the vertical axis.
【００３８】このグラフにおいてもＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材か
らなるヒートシンクを有する半導体セラミックパッケー
ジとＣｕ−Ｗ材からなるヒートシンクを有する半導体セ
ラミックパッケージとは、ほとんど差のない熱抵抗値が
得られており、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫを超える材料か
らなるヒートシンクであれば放熱能力に差異が生じない
ことが分かると共に、グラフ上の曲線そのものも図６に
示した曲線とほとんど一致している。Also in this graph, there is almost no difference in thermal resistance value between the semiconductor ceramic package having the heat sink made of Cu-W-Ni material and the semiconductor ceramic package having the heat sink made of Cu-W material. It can be seen that a heat sink made of a material having a thermal conductivity of more than 80 W / mK does not cause any difference in the heat radiation ability, and the curve itself on the graph almost coincides with the curve shown in FIG.
【００３９】また、本測定に用いた半導体セラミックパ
ッケージでは、半導体素子は直接ヒートシンクに接合さ
れているにもかかわらず、半導体素子が半導体セラミッ
クパッケージ本体に接合された場合と同様の熱抵抗値が
得られていることからも伝熱時間を律するのは、ヒート
シンク表面から空気中への放熱段階にあることが分か
る。Further, in the semiconductor ceramic package used for this measurement, although the semiconductor element is directly bonded to the heat sink, the same thermal resistance value as when the semiconductor element is bonded to the semiconductor ceramic package body is obtained. From this, it can be seen that it is the heat dissipation step from the heat sink surface to the air that determines the heat transfer time.
【００４０】図３に示すような、本発明の第３の実施例
に係る段付型のヒートシンク３５が接合されたヒートス
ラグ型の半導体セラミックパッケージＰ2 については今
回測定を行わなかったが、ヒートシンク材の厚さ効果に
よる若干の伝熱速度低下は考えられるものの、半導体素
子４がヒートシンク３５に直接接合されている点におい
て平板型のヒートシンク２５が接合されたヒートスラグ
型の半導体セラミックパッケージＰ1 と同一であるこ
と、またヒートシンク表面形状も平板型ヒートシンクと
同一形状であり熱伝達係数に影響はないと考えられるこ
とから、結果として測定を行った２種類の半導体セラミ
ックパッケージと同様の測定結果が得られるものと推察
される。As shown in FIG. 3, the heat slug type semiconductor ceramic package P 2 to which the stepped type heat sink 35 according to the third embodiment of the present invention is joined was not measured this time. Although the heat transfer rate may be slightly reduced due to the effect of the material thickness, the heat slug type semiconductor ceramic package P 1 has the flat type heat sink 25 joined at the point where the semiconductor element 4 is directly joined to the heat sink 35. Since the heat sink surface shape is the same as that of the flat plate heat sink and it is considered that there is no influence on the heat transfer coefficient, the same measurement results as the two types of semiconductor ceramic packages that were measured were obtained. It is supposed that
【００４１】次に、表２に本発明が適用される各種材料
に関する熱伝導率および材料コストの値を示す。Next, Table 2 shows the values of thermal conductivity and material cost for various materials to which the present invention is applied.
【００４２】[0042]
【表２】 [Table 2]
【００４３】初めに比較品であるＣｕ−Ｗ溶浸材につい
て見てみると、その熱伝導率は、２３０Ｗ／ｍＫであり
熱伝導性に優れていることが分かる。また、熱膨張係数
は６．５×１０-6／℃であり、この値は半導体セラミッ
クパッケージの材料となるアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の熱膨
張係数６．７×１０-6／℃にきわめて近似しておりヒー
トシンクの材料として現在広く用いられいる理由が分か
る。尚、材料コストはＣｕ−Ｗ材を比較基準とするため
１００とした。Looking first at the Cu-W infiltrant, which is a comparative product, it can be seen that its thermal conductivity is 230 W / mK, which is excellent in thermal conductivity. The coefficient of thermal expansion is 6.5 × 10 -6 / ° C. This value is extremely close to the thermal expansion coefficient of 6.7 × 10 -6 / ° C of alumina (Al 2 O 3 ) which is the material of the semiconductor ceramic package. It is possible to understand the reason why they are close to each other and are currently widely used as a material for heat sinks. The material cost was set to 100 because the Cu-W material was used as a comparison standard.
【００４４】Ｃｕ−Ｗ−Ｎｉ焼結材は、熱伝導率が８０
〜１２０Ｗ／ｍＫ程度で、熱膨張係数が７．０×１０-6
／℃という材料特性を有し、熱伝導率はＣｕ−Ｗ材の半
分ほどの値であるが熱抵抗値においては遜色無いことは
上記測定の通りであり、また熱膨張係数もアルミナセラ
ミック材の熱膨張係数と近似しておりヒートシンクの材
料として有用である。更に、Ｃｕ−Ｗ−Ｎｉ焼結材は、
銅、タングステン及びニッケルの粉末を混合して成型プ
レスした後、焼結してなる焼結金属であるから、当初か
らヒートシンクの形状に合わせて成型することが可能と
なり、成形を容易かつ迅速に行い得る材料なので材料コ
ストも６０〜７０と低く抑えられる。The Cu-W-Ni sintered material has a thermal conductivity of 80.
~ 120W / mK, thermal expansion coefficient is 7.0 × 10 -6
It has the material property of / ° C, and the thermal conductivity is about half that of the Cu-W material, but the thermal resistance value is comparable to that of the above-mentioned measurement, and the coefficient of thermal expansion is also that of the alumina ceramic material. It is similar to the coefficient of thermal expansion and is useful as a material for heat sinks. Further, the Cu-W-Ni sintered material is
Since it is a sintered metal obtained by mixing and pressing copper, tungsten, and nickel powders, and then sintering it, it is possible to mold according to the shape of the heat sink from the beginning, and molding can be done easily and quickly. Since it is a material to be obtained, the material cost can be kept low at 60 to 70.
【００４５】Ｋｏｖ（コバール材）−Ｃｕ−Ｋｏｖ複合
材は、熱伝導率１３０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数９．５×１
０-6／℃という材料特性を有する。これは、本複合材を
構成するコバール材が、ニッケル（Ｎｉ）２９ｗｔ％、
コバルト（Ｃｏ）１６ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）５５ｗｔ％か
らなる合金でありアルミナセラミック材の持つ熱膨張係
数に近い熱膨張係数を持ち、また同じく複合材を構成す
る銅（Ｃｕ）がきわめて高い熱伝導率３８６Ｗ／ｍＫを
有するからと考えられる。また、このＫｏｖ−Ｃｕ−Ｋ
ｏｖ材は複合材であるから、プレス加工等によりヒート
シンク形状の形成が容易かつ迅速に行い得る材料であ
り、材料コストも４０と極めて低く抑えられるので安価
なヒートシンクの材料として適当である。The Kov (Kovar material) -Cu-Kov composite material has a thermal conductivity of 130 W / mK and a thermal expansion coefficient of 9.5 × 1.
It has material properties of 0 -6 / ° C. This is because the Kovar material that constitutes this composite material is nickel (Ni) 29 wt%,
It is an alloy consisting of 16 wt% cobalt (Co) and 55 wt% iron (Fe), has a coefficient of thermal expansion close to that of alumina ceramic material, and copper (Cu) which also constitutes the composite material has extremely high thermal conductivity. It is thought to be because it has a rate of 386 W / mK. Also, this Kov-Cu-K
Since the ov material is a composite material, it can be easily and quickly formed into a heat sink shape by pressing or the like, and the material cost can be kept extremely low at 40, so that it is suitable as an inexpensive heat sink material.
【００４６】Ｃｕ−Ｉｎｖ（インバー材）−Ｃｕクラッ
ド材は、熱伝導率１３４Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数８．０×
１０-6／℃という材料特性を有する。この材料は、銅材
と銅材の間にインバー材を厚さ１：１：１の比率でクラ
ッドしてなるものであり、ニッケル３６．５ｗｔ％、鉄
６３．５ｗｔ％からなるインバー材がアルミナセラミッ
ク材の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有し、これをクラ
ッドする銅材の熱伝達率が高いのでこのような材料特性
を備えるものと考えられる。また、このＣｕ−Ｉｎｖ−
Ｃｕ材も金属のクラッド材であるから加工が容易であり
材料コストも４０と極めて低く抑えられる。The Cu-Inv (Invar material) -Cu clad material has a thermal conductivity of 134 W / mK and a thermal expansion coefficient of 8.0 ×.
It has material properties of 10 −6 / ° C. This material is made by clad invar material between copper materials at a thickness ratio of 1: 1: 1. The invar material composed of nickel 36.5 wt% and iron 63.5 wt% is alumina. It has a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic material, and the copper material clad with the ceramic material has a high heat transfer coefficient, and thus is considered to have such material characteristics. In addition, this Cu-Inv-
Since the Cu material is also a metal clad material, it is easy to process and the material cost is 40, which is extremely low.
【００４７】Ｃｕ−Ｍｏ合金材は、熱伝導率１５０Ｗ／
ｍＫ、熱膨張係数７．０×１０-6／℃の材料特性を有す
る。この材料は、銅１５ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）８
５ｗｔ％の比率で構成され、モリブデン材がアルミナセ
ラミック材の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有し、銅
材が高い熱伝導率に寄与していると考えられる。また、
合金であることからヒートシンク形状の形成が容易かつ
迅速に行い得る材料である。The Cu-Mo alloy material has a thermal conductivity of 150 W /
It has material characteristics of mK and thermal expansion coefficient of 7.0 × 10 −6 / ° C. This material is copper 15 wt%, molybdenum (Mo) 8
It is considered that the molybdenum material has a coefficient of thermal expansion equivalent to that of the alumina ceramic material, and the copper material contributes to high thermal conductivity. Also,
Since it is an alloy, it is a material that can be easily and quickly formed into a heat sink shape.
【００４８】以上述べた各種材料がいずれもヒートシン
クとして優秀な性能を発揮する材料であることは、測定
結果から容易に推察できる。ところで、本発明はヒート
シンク表面から空気中への放熱、すなわちヒートシンク
表面と空気との境界層における熱伝達係数が熱移動の律
速になっていることに着目したものであるから、ヒート
シンクに放熱用フィンを接合する等により表面形状（表
面積）が変化すれば熱伝達係数も変化し、本発明におけ
る理論が通用しないことも考えられる。It can be easily inferred from the measurement results that all of the above-mentioned various materials exhibit excellent performance as a heat sink. By the way, the present invention focuses on heat dissipation from the heat sink surface into the air, that is, the heat transfer coefficient in the boundary layer between the heat sink surface and air is the rate of heat transfer. If the surface shape (surface area) changes due to, for example, joining, the heat transfer coefficient also changes, and the theory of the present invention may not work.
【００４９】そこで、図５に示すようなヒートスプレッ
ダ型の半導体セラミックパッケージＰ3 に平板型ヒート
シンク５５を接合し、さらにアルミニウム製の放熱フィ
ン５７を接合することにより表面形状を変えて熱伝達係
数を変化させた場合における熱抵抗値の比較測定を行っ
た。Therefore, a flat plate type heat sink 55 is joined to a heat spreader type semiconductor ceramic package P 3 as shown in FIG. 5, and further an aluminum radiating fin 57 is joined to change the surface shape and change the heat transfer coefficient. Comparative measurement of the thermal resistance value in the case of making it made was performed.
【００５０】本測定に用いたアルミニウム製フィン５７
は、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍの正方形板に高さ１１ｍｍ
の縦９本、横９本の柱状フィン５７ａが形成されてなる
ものであり、ヒートシンク５５に直接接合されている。
本測定により得られた結果を表３に示す。本測定に用い
たサンプルは、Ｃｕ−Ｗ−Ｎｉ材からなる平板型のヒー
トシンクを備えたヒートスプレッダ型の半導体セラミッ
クパッケージにアルミニウム製の放熱フィンを接合した
本発明品と、Ｃｕ−Ｗ材からなる平面型のヒートシンク
を備えたヒートスプレッダ型の半導体セラミックパッケ
ージにアルミニウム製の放熱フィンを接合した従来品で
ある。Aluminum fin 57 used for the main measurement
Is a square plate 50 mm long and 50 mm wide and 11 mm high.
9 columnar fins 57a are formed, and are directly joined to the heat sink 55.
The results obtained by this measurement are shown in Table 3. The sample used for this measurement is a product of the present invention in which a radiation fin made of aluminum is joined to a heat spreader type semiconductor ceramic package equipped with a flat plate type heat sink made of Cu-W-Ni material, and a plane made of Cu-W material. It is a conventional product in which a radiating fin made of aluminum is joined to a heat spreader type semiconductor ceramic package equipped with a heat sink of the type.
【００５１】[0051]
【表３】 [Table 3]
【００５２】この測定結果において、アルミニウム製フ
ィンの接合された半導体セラミックパッケージの測定結
果（熱抵抗値）がアルミニウム製フィンの接合されてい
ない半導体セラミックパッケージの測定結果より優れて
いるのは、放熱面の表面積が増加したことを考慮すれば
当然の結果である。本測定結果において比較検討すべき
は、Ｃｕ−Ｗ材からなるヒートシンクを備えた半導体セ
ラミックパッケージ（以下「従来品」という）とＣｕ−
Ｗ−Ｎｉ材からなるヒートシンクを備えた半導体セラミ
ックパッケージ（以下「本発明品」という）が同程度の
測定結果であるか否かという点にある。In this measurement result, the measurement result (thermal resistance value) of the semiconductor ceramic package to which the aluminum fins are joined is superior to the measurement result of the semiconductor ceramic package to which the aluminum fins are not joined. This is a natural result considering the increase in the surface area of. In this measurement result, comparison should be made with a semiconductor ceramic package (hereinafter referred to as "conventional product") having a heat sink made of Cu-W material and Cu-
The point is whether or not the semiconductor ceramic package provided with a heat sink made of a W-Ni material (hereinafter referred to as "the product of the present invention") has similar measurement results.
【００５３】このことを念頭において測定結果を見てみ
れば、風速０ｍ／ｓの条件下において従来品の測定値が
８．０（℃／Ｗ）であるのに対し本発明品の測定値は
７．９（℃／Ｗ）であり、ほとんど変わらない。同様に
風速２ｍ／ｓの場合にも従来品の測定値が３．４（℃／
Ｗ）であるのに対し本発明品の測定値は３．３（℃／
Ｗ）であり、この場合もほとんど変わらない。従って、
たとえヒートシンクにフィンが接合され熱伝達係数が変
化してもヒートシンクに熱伝導率８０Ｗ／ｍＫ以上の材
料を用いれば従来品であるＣｕ−Ｗ材のヒートシンクと
同様の熱特性が得られることが分かった。With this in mind, when looking at the measurement results, the measured value of the product of the present invention is 8.0 (° C./W) while the measured value of the conventional product is 8.0 (° C./W) under the condition of the wind speed of 0 m / s. 7.9 (° C / W), which is almost unchanged. Similarly, when the wind speed is 2 m / s, the measured value of the conventional product is 3.4 (° C /
The measured value of the product of the present invention is 3.3 (° C /
W), which is almost unchanged in this case as well. Therefore,
Even if the fins are joined to the heat sink and the heat transfer coefficient changes, if the material having the thermal conductivity of 80 W / mK or more is used for the heat sink, it can be seen that the same thermal characteristics as the heat sink of the conventional Cu-W material can be obtained. It was
【００５４】このように本発明に係る半導体セラミック
パッケージにおいては、ヒートシンクに熱伝導率８０Ｗ
／ｍＫ以上の材料を用いることとしたので、従来からヒ
ートシンク材として用いられてきた非常に高価な溶浸法
によるＣｕ−Ｗ材（コスト１００とする）の代替材料と
して低廉なＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材（同６０）、Ｋｏｖ−Ｃｕ
−Ｋｏｖ複合材（同４０）等を用いることが可能とな
り、低廉で高い性能を備えたヒートシンクが接合された
半導体セラミックパッケージを提供することが可能とな
る。As described above, in the semiconductor ceramic package according to the present invention, the heat conductivity is 80 W in the heat sink.
Since it is decided to use a material of / mK or more, an inexpensive Cu-W-Ni as a substitute material for the Cu-W material (cost 100) by the very expensive infiltration method which has been conventionally used as a heat sink material. Material (same as 60), Kov-Cu
-Kov composite material (40) can be used, and it is possible to provide a semiconductor ceramic package to which a heat sink having low cost and high performance is joined.
【００５５】また、従来のＣｕ−Ｗ材では所望のヒート
シンク形状を得るために切削加工を行う必要があり量産
が容易でなく、長い加工時間を要したのに対し、本発明
に係るＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材では所望の形状にプレス加工し
た後、焼結して得ることができるのでヒートシンクの生
産が容易かつ迅速にできる。Further, in the conventional Cu-W material, it is necessary to perform a cutting process to obtain a desired heat sink shape, mass production is not easy, and a long processing time is required, whereas the Cu-W according to the present invention is required. Since the Ni material can be obtained by pressing into a desired shape and then sintering it, the heat sink can be easily and quickly produced.
【００５６】更に、ヒートシンクの材料として熱伝導率
を８０Ｗ／ｍＫ以上、更には４０Ｗ／ｍＫ以上備えてい
ればよいので、従来用いられてきた金属材料の他にも非
金属材料を用いることが可能となり目的に合う材質を備
えたヒートシンクを備えた半導体セラミックパッケージ
を提供することが可能となる。Further, since it is sufficient that the heat sink has a thermal conductivity of 80 W / mK or more, further 40 W / mK or more, a non-metal material can be used in addition to the conventionally used metal material. It becomes possible to provide a semiconductor ceramic package including a heat sink having a material suitable for the purpose.
【００５７】以上、実施例に基づいて本発明を説明した
が、本発明は上記実施例に何ら限定されるものでなく、
本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形改良が可能
であることは容易に推察できるものである。例えば、本
実施例ではヒートシンク材としてＣｕ−Ｗ−Ｎｉ材、Ｋ
ｏｖ−Ｃｕ−Ｋｏｖ複合材を用いているが熱伝導率がお
よそ８０Ｗ／ｍＫ以上であり、熱膨張係数がパッケージ
本体のセラミック材料の熱膨張係数とほぼ同等の値を有
するものであればどのような材料でも良く、また、金属
性材料に限られず非金属材料、例えば窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）でもよい。The present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments.
It can be easily inferred that various modifications and improvements can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in this embodiment, the heat sink material is a Cu-W-Ni material, K
What if the ov-Cu-Kov composite material is used, but the thermal conductivity is about 80 W / mK or more, and the coefficient of thermal expansion is approximately the same as the coefficient of thermal expansion of the ceramic material of the package body? The material may be a non-metal material such as aluminum nitride (AlN).
【００５８】また、パッケージ本体の材料は、アルミナ
製のもので説明したが、その他のセラミック材料でも良
いことは明らかであり、例えばムライト、ガラスセラミ
ック、コージェライト等がある。更に、これらパッケー
ジ本体の材料及びヒートシンク材料の強度やロウ付け等
の接合温度、パッケージ本体やヒートシンクの寸法等に
よって両者の許容される熱膨張係数の近似の程度は異な
ってくる。Although the material of the package body is made of alumina, it is obvious that other ceramic materials may be used, such as mullite, glass ceramic and cordierite. Further, the degree of approximation of the allowable thermal expansion coefficient of the two differs depending on the strength of the material of the package body and the heat sink material, the joining temperature such as brazing, and the dimensions of the package body and the heat sink.
【００５９】[0059]
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明に係るヒートシンク付き半導体セラミックパッケー
ジによれば、セラミック材料製のパッケージ本体にパッ
ケージ本体の熱膨張係数に近似する熱膨張係数を備え８
０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を備えるヒートシンクを接合
したので、ヒートシンク材として極めて広く用いられて
きた高価な溶浸法によるＣｕ−Ｗ材の代わりにほぼ同等
の放熱能力を有し、かつ繰り返しの使用によってもヒー
トシンクとパッケージ本体との剥離も発生せず、恒久的
に高性能を発揮できる。また、ヒートシンク形状の加工
が容易で安価にかつ迅速に量産可能であるとの利点も有
するものである。更には、４０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率
があれば、放熱能力が劣る場合もあるが、ヒートシンク
接合の効果を得ることができる。As is apparent from the above description, according to the semiconductor ceramic package with the heat sink according to the present invention, the package body made of the ceramic material has the thermal expansion coefficient close to the thermal expansion coefficient of the package body.
Since a heat sink having a thermal conductivity of 0 W / mK or more is joined, it has substantially the same heat radiation capacity as the heat sink material, and has substantially the same heat radiating ability instead of the expensive Cu-W material by the infiltration method. Even when used, the heat sink and the package body do not peel off, and high performance can be exhibited permanently. It also has the advantage that the heat sink shape can be easily processed and can be mass-produced inexpensively and quickly. Furthermore, if the heat conductivity is 40 W / mK or more, the heat dissipation capability may be inferior, but the effect of heat sink bonding can be obtained.
【図１】平板型ヒートシンクの接合されたヒートスプレ
ッダ型半導体セラミックパッケージを示す断面図であ
る。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a heat spreader type semiconductor ceramic package in which a flat plate type heat sink is joined.
【図２】平板型ヒートシンクの接合されたヒートスラグ
型半導体セラミックパッケージを示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a heat slug type semiconductor ceramic package in which a flat plate type heat sink is joined.
【図３】段付型ヒートシンクの接合されたヒートスラグ
型半導体セラミックパッケージを示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a heat slug type semiconductor ceramic package in which a stepped heat sink is joined.
【図４】平板型ヒートシンクの接合されたヒートスプレ
ッダ型半導体セラミックパッケージにおける熱の移動を
示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing heat transfer in a heat spreader type semiconductor ceramic package in which a flat plate heat sink is joined.
【図５】平板型ヒートシンクにアルミニウム製のフィン
が接合されたヒートスプレッダ型半導体セラミックパッ
ケージを示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a heat spreader type semiconductor ceramic package in which a fin made of aluminum is joined to a plate type heat sink.
【図６】平板型ヒートシンクが接合されたヒートスプレ
ッダ型半導体セラミックパッケージにおける半導体セラ
ミックパッケージの熱抵抗とヒートシンク材の熱伝導率
の関係を示したグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thermal resistance of the semiconductor ceramic package and the heat conductivity of the heat sink material in the heat spreader type semiconductor ceramic package to which the flat plate heat sink is joined.
【図７】平板型ヒートシンクが接合されたヒートスラグ
型半導体セラミックパッケージにおける半導体セラミッ
クパッケージの熱抵抗とヒートシンク材の熱伝導率の関
係を示したグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thermal resistance of the semiconductor ceramic package and the thermal conductivity of the heat sink material in the heat slug type semiconductor ceramic package to which the flat plate heat sink is joined.
１、５１ ヒートスプレッダ型半導体セラミックパッケ
ージ本体 ２ ダイアタッチ部 ４ 半導体素子 ５、２５ 平板型ヒートシンク ２１、３１ ヒートスラグ型半導体セラミックパッケー
ジ本体 ３５ 段付型ヒートシンク ２７、３７ 底板 ４８ ヒートシンク表面 ４９ 境界層 Ａ 空気中 Ｐ 半導体セラミックパッケージ ５７ アルミニウム製フィン1, 51 Heat spreader type semiconductor ceramic package main body 2 Die attach section 4 Semiconductor element 5, 25 Flat type heat sink 21, 31 Heat slug type semiconductor ceramic package main body 35 Step heat sink 27, 37 Bottom plate 48 Heat sink surface 49 Boundary layer A In the air P Semiconductor Ceramic Package 57 Aluminum Fin
Claims (3)
製のパッケージ本体に該セラミックパッケージ本体の熱
膨張係数に近似する熱膨張係数を有すると共に、４０Ｗ
／ｍＫ以上かつ２００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する
ヒートシンク材料を接合してなることを特徴とするヒー
トシンク付き半導体セラミックパッケージ。1. A package body made of a ceramic material in which a semiconductor element is housed has a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic package body, and 40 W
/ MK or more and 200 W / mK or less, a semiconductor ceramic package with a heat sink, which is formed by joining heat sink materials having a thermal conductivity of 200 W / mK or less.
０Ｗ／ｍＫ以上かつ１５０Ｗ／ｍＫ以下であることを特
徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き半導体セラ
ミックパッケージ。2. The thermal conductivity of the heat sink material is 8
The semiconductor ceramic package with a heat sink according to claim 1, characterized in that it is 0 W / mK or more and 150 W / mK or less.
テン及びニッケルからなる焼結金属であることを特徴と
する請求項１または請求項２に記載のヒートシンク付き
半導体セラミックパッケージ。3. The semiconductor ceramic package with a heat sink according to claim 1, wherein the heat sink material is a sintered metal composed of copper, tungsten and nickel.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28204593A JPH07115147A (en) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | Semiconductor ceramic package equipped with heat sink |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28204593A JPH07115147A (en) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | Semiconductor ceramic package equipped with heat sink |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07115147A true JPH07115147A (en) | 1995-05-02 |
Family
ID=17647453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28204593A Pending JPH07115147A (en) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | Semiconductor ceramic package equipped with heat sink |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07115147A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100480659B1 (en) * | 2001-09-19 | 2005-04-07 | 니뽄 가이시 가부시키가이샤 | Composite material |
| US7059049B2 (en) | 1999-07-02 | 2006-06-13 | International Business Machines Corporation | Electronic package with optimized lamination process |
-
1993
- 1993-10-15 JP JP28204593A patent/JPH07115147A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7059049B2 (en) | 1999-07-02 | 2006-06-13 | International Business Machines Corporation | Electronic package with optimized lamination process |
| KR100480659B1 (en) * | 2001-09-19 | 2005-04-07 | 니뽄 가이시 가부시키가이샤 | Composite material |
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