JPH07335792A

JPH07335792A - 半導体素子搭載用パッケージ

Info

Publication number: JPH07335792A
Application number: JP6126640A
Authority: JP
Inventors: Tokio Ogoshi; 時夫大越; Kenichiro Miyahara; 健一郎宮原
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】ヒートシンクを有する半導体素子搭載用パッケ
ージにおいて、かかるヒートシンクとして銅合金に対し
て熱伝導性が良好な銅を実質的に単独で使用しながら、
該銅を使用する場合、問題とされている、熱応力による
セラミック枠体のクラックや欠け、パッケージ全体の反
り、キャビティー内のダイアタッチにおける反りの発生
などを抑えた半導体素子搭載用パッケージを提供する。【構成】セラミック枠体２の一面に銅板１を接合してキ
ャビティー７を構成したパッケージであって、該セラミ
ック枠体２と銅板１との熱膨張係数の差に起因する応力
を該銅板１の変形によって吸収する応力吸収領域Ｇを該
キャビティー７の底面を構成する銅板１の周縁部に形成
した半導体素子搭載用パッケージである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な半導体素子搭載
用パッケージに関する。より詳しくは、セラミック枠体
の底面を熱の放散性の高い銅板で構成して熱の放散性に
優れたヒートシンクを構成した半導体素子搭載用パッケ
ージである。

【０００２】

【従来の技術】情報処理装置の高性能化、高速度化に伴
いそれを構成する半導体素子も高密度化、高集積化が急
激に進んでいる。マイクロプロセッサ、ゲートアレイ等
の半導体素子は３００〜５００万トランジスタを集積し
単位面積、単位体積あたりの発熱量が年々増大してい
る。

【０００３】従来、半導体素子の発生する熱を放散させ
るため、図２に示すように、セラミックの絶縁材料から
なるセラミック枠体２に、熱伝導性の良い銅等の金属板
６よりなるヒートシンクを接合してキャビティーを構成
したパッケージが主に用いられている。

【０００４】上記パッケージにおいて、半導体素子から
発生する熱はヒートシンクに伝達、吸収されるととも
に、吸収した熱は大気中に放出される。

【０００５】ところが、熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋ
という良熱伝導性材料と知られている銅は、上記半導体
素子搭載用パッケージを構成するヒートシンクとしての
使用において次のような問題がある。

【０００６】即ち、銅の熱膨張係数は、１８．８×１０
^-6／℃でセラミック（４〜７×１０^-6／℃）や半導体素
子（４．８×１０^-6／℃）のそれと比較した場合非常に
大きいことである。

【０００７】そのため、上記金属板を熱放散用部材とし
て使用した場合、セラミック枠体と害金属板との熱膨張
係数の差に起因する応力（以下、熱応力ともいう）によ
り、セラミック枠体のクラックや欠け、パッケージ全体
の反り、さらに半導体素子搭載部分（ダイアタッチ）に
反りが発生し、半導体素子の搭載時における接着やパッ
ケージの信頼性に悪影響を及ぼすという問題が生じる。

【０００８】従って、かかる半導体素子搭載用パッケー
ジにおいては、セラミック枠体、金属板及び半導体素子
を構成する材料間の熱膨張係数の整合を図る技術が検討
され、提案されている。

【０００９】例えば、セラミック枠体とヒートシンクと
しての金属板との熱膨張係数の差を解消するため、銅タ
ングステン合金のように、銅と他の金属を複合化して接
合される該セラミックと熱膨張係数を近似させた熱伝導
性材料によってヒートシンクを構成することが提案され
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来提案され
ている銅タングステン合金のような熱伝導性材料は、熱
伝導率が十分ではなく、熱放散性能において未だ改良の
余地を残していた。即ち、銅タングステン合金は、セラ
ミック枠体と熱膨張係数を合わせるために、ＣｕとＷを
複合体化或いは合金化しなければならないため、銅自身
が本来有している高熱伝導率、低コスト、易加工性とい
う特徴が犠牲となっていることに他ならない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ヒートシ
ンクを有する半導体素子搭載用パッケージにおいて、か
かるヒートシンクとして使用される銅合金に対して熱伝
導性が良好な銅を実質的に単独で使用しながら、該銅を
使用する場合に問題とされている、熱応力によるセラミ
ック枠体のクラックや欠け、パッケージ全体の反り、キ
ャビティー内のダイアタッチにおける反りの発生などを
抑えた半導体素子搭載用パッケージを開発すべく鋭意研
究を重ねた。

【００１２】その結果、セラミック枠体の一面に銅板を
接合してキャビティーを形成したパッケージにおいて、
上記銅板の一部の変形によって該銅板とセラミック枠体
にかかる熱応力の少なくとも一部を吸収する応力吸収領
域を、該キャビティーの底面の周縁部を構成する銅板に
形成することにより、上記目的を達成し得ることを見い
出し、本発明を完成するに至った。

【００１３】以下、本発明をより詳細に説明するため、
添付図面に従って説明するが、本発明はこれらの添付図
面に限定されるものではない。

【００１４】図１は、本発明の半導体素子用パッケージ
の代表的な態様を模式的に示す断面図、平面図及び応力
吸収領域の変形の状態を模式的に示す断面図である。ま
た、図５は、本発明の半導体素子用パッケージの他の態
様を模式的に示す断面図（銅板の各部の寸法を示す断面
図を含む）である。

【００１５】本発明の半導体素子用パッケージは、セラ
ミック枠体２の一面に銅板１を接合してキャビティー７
を構成したパッケージであって、該セラミック枠体２と
銅板１との熱応力を該銅板１の変形によって吸収する応
力吸収領域Ｇを該キャビティー７の底面を構成する銅板
１の周縁部に形成したことを特徴とする。

【００１６】本発明の半導体素子搭載用パッケージにお
いて、セラミック枠体を有するセラミックは公知のセラ
ミック材料が限定なく使用される。そのうち、特に、半
導体素子搭載用パッケージの放熱性をより高めるために
好ましいセラミック成分を例示すると、ガラスセラミッ
ク、ムライト、部分安定化ジルコニア、窒化珪素、アル
ミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ホウ素、ベリ
リア等が掲げられる。このうち、最も好ましいのは、機
械的強度をも十分有しているアルミナ、窒化アルミニウ
ム、ムライトである。

【００１７】また、上記セラミック枠体２の構造は、銅
板１との接合により、キャビティー７を構成するための
切り欠き部を有する構造が特に制限なく採用される。例
えば、構造としては、図１に示すように、セラミックの
一体焼結で成形された、内壁に一段ないし数段の段差を
有し、且つ中央部が貫通した構造のもの、図４に示すよ
うに、下方に向かって内径を順次小さくしたセラミック
の平枠を銅箔（電気回路用）を介して活性金属等の接着
剤で接合した構造のものなどが代表的である。

【００１８】上記セラミック枠体において、中央に存在
する切り欠き部の面積は、目的のチップが搭載可能なス
ペースを確保できる大きさであれば、特に制限されず、
また、セラミック枠体のその他の寸法も、かかる切り欠
き部の面積に応じて、パッケージの機能が満足できる寸
法を適宜決定すれば良い。

【００１９】また、図１のセラミック枠体の態様にあっ
ては、セラミックの単一構造だけでなく、Ｗ、Ｍｏ、Ｃ
ｕ、Ａｇ等のメタライズ金属を同時焼成してセラミック
枠体内部、或いは表面に導電層を形成した構造もなんら
問題なく使用できる。例えばピン・グリッド・アレイ・
パッケージ（ＰＧＡパッケージ）、サーデップパッケー
ジ、セラミックＱＦＰ等の構造も上記セラミック枠体に
適宜応用することが可能である。

【００２０】本発明において、銅板の材質は、銅単独或
いは銅の熱伝導性を著しく低下させない範囲で他の金属
を含有するものが特に制限なく使用される。

【００２１】例えば、伸銅品と称される無酸素銅、タフ
ピッチ銅、リン脱酸銅等、あるいは展伸用銅合金である
Ｃｕ−Ｆｅ−Ｚｎ−Ｐ系合金（Ｃ−１９４）、Ｃｕ−Ｚ
ｒ系合金（Ｃ−１５１等）、Ｃｕ−Ｓｎ系合金（ＥＦＴ
ＥＣ−３Ｓ等）、Ｃｕ−Ｎｉ（白銅）等があげられる。

【００２２】上記銅合金としては、熱伝導率が約３００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上（銅−タングステン合金より高いものを
挙げる）の組成のものが好適である。また、熱膨張係数
が、１０×１０^-6／℃より高い材質について本発明は効
果的である。

【００２３】なお、これらの銅あるいは銅合金の引張強
度は、一般に２００〜４００ＭＰａ程度である。

【００２４】本発明において、セラミック枠体２と銅板
１、或いは後記する応力固定部材と銅板との接合は、公
知の接合材料を使用した接合層３−１、３−２によって
行うのが一般的である。例えば、セラミック枠体と銅板
を接合する場合は、活性金属が含まれたロウ材や高分子
接着剤が一般に使用される。具体的には、ＴｉやＺｒ、
Ｈｆ等の活性金属を０．１〜２０重量％含んだＡｇ−Ｃ
ｕ系のロウ材や、また、ポリイミド系、エポキシ系、フ
ッ素樹脂系等の高分子接着剤が使用できる。

【００２５】また、銅板１と応力固定部材４の接合或い
は銅板とピン・グリッド・アレイ・パッケージ（ＰＧＡ
パッケージ）、サーデップパッケージ、セラミックＱＦ
Ｐ等のセラミック枠体の接合は、前記の活性金属を含ん
だロウ材や有機接着剤一般に知られているロウ材（例え
ば、ＪＩＳＺ３２６１−１９８５に示される銀ロウ
等）が問題なく使用でき、中でもＢＡｇ−８、ＢＡｇ−
１８、ＢＡｇ−２９が最も好適である。この場合、銅板
とセラミック枠体の中間に熱膨張係数が銅板とセラミッ
ク枠体の間にある、Ｃｕ−Ｍｏ（３０〜７０％Ｃｕ−残
りＭｏ：熱膨張係数、８．０〜１３．０×１０^-6／℃）
等の金属、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ等（重量比１：１：１、熱
膨張係数、６．０〜１０．０×１０^-6／℃）等のクラッ
ド材、また、銀等の軟質材料を挟み込んで接合し銅板と
セラミック枠体の熱膨張係数差による熱応力の吸収を図
ることも好ましい態様である。

【００２６】更に、前記銅板１と後記の応力固定部材４
の接合する場合においても、上記ロウ材による接合の他
に銀エポキシ等の熱伝導性有機物等の接着剤や溶接、圧
着等の直接接合が可能である。

【００２７】更にまた、本発明によれば一旦セラミック
と銅箔とを予め前記活性金属ロウ材で接合したセラミッ
ク枠体あるいはＷ、Ｍｏ等の高融点金属またはＡｕ、Ａ
ｇ、Ｃｕ等を主成分とするメタライズが形成されたセラ
ミック枠体に、通常の活性金属を含まないＡｇ−Ｃｕ系
等のロウ材で該銅箔或いは該メタライズ上に銅板を接合
することもできる。

【００２８】本発明において重要な要件は、上記セラミ
ック枠体２と銅板１との熱応力を該銅板１の変形によっ
て吸収する応力吸収領域Ｇを該キャビティーの底面を構
成する銅板１の周縁部に形成したことにある。

【００２９】即ち、キャビティーの底面を構成する銅板
１、即ち、セラミック枠体１の切り欠き部より露出する
銅板１の周縁部に上記熱応力を該銅板の変形によって吸
収する応力吸収領域Ｇを形成することによって、該部分
で応力に応じた塑性変形が他の部分に対して優先的に起
こり、その結果、他部分の熱応力が緩和されセラミック
枠体のクラック、パッケージ全体の反りやダイアタッチ
の反り等の問題が解消されるものと推定される。

【００３０】本発明において、応力吸収領域Ｇを形成す
る手段はかかる機能を有する構造であれば特に制限され
ないが、前記キャビティー底面を構成する銅板の周縁部
を薄くして塑性変形が他の部分に対して優先的に起こり
易くする態様が好適である。

【００３１】但し、キャビティー底面のを構成する銅板
全体を薄くして塑性変形を可能とした場合、パッケージ
にかかる熱応力により図３に示すように、Ｆ部分全体に
おいて銅板の変形が起こり、ダイアタッチ部の平坦性が
保持できなくなる場合がある。

【００３２】従って、かかる態様にあっては、キャビテ
ィーの底面を構成する銅板１の中央部に銅板の変形を抑
制する応力固定部材４を設けることにより、該銅板の変
形が生じないようにし、且つ上記セラミック枠体と該応
力固定部材との間に位置する銅板において応力吸収領域
Ｇを形成した構造が推奨される。

【００３３】かかる応力固定部材４は、図１、図４に示
すように、銅板１とは別の部材で構成しても良いし、図
５に示すように、該部分における銅板の厚みを厚くする
ことにより形成することもできる。

【００３４】応力固定部材４は、接合或いは一体成形等
の手段によってそれが設けられた箇所において、銅板の
変形を抑制する機能を有していることが要求される。

【００３５】従って、上記応力固定部材４を別の部材で
構成する場合は、応力吸収領域Ｇを構成する銅板に対
し、大きい機械的強度、例えば引張強さ或いは曲げ強さ
を有する部材、高い硬度を有する部材を選択して使用す
るか、上記応力固定部材４を銅板の厚みを厚くすること
によって上記機能を満たすことができる。

【００３６】上記別途構成される応力固定部材４の材質
を具体的に例示すれば、Ｍｏ（引張強度：４８０ＭＰ
ａ）、Ｗ（引張強度：６００ＭＰａ）等の金属、Ｃｕ−
Ｗ（引張強度：５００〜６００ＭＰａ）、Ｃｕ−Ｃｒ、
Ｃｕ−Ｍｏ等の銅合金（４５０〜８００ＭＰａ）、Ｃｕ
−Ｍｏ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｉｎｖｅｒ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｋｏｖ
ａｒ−Ｃｕ等のクラッド材、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ2Ｎ
3、ＢｅＯ、アルミナ等（曲げ強さ：２００〜１０００
ＭＰａ）のセラミック焼結体、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導
体が掲げられる。また、応力固定部材４は、それ自身ダ
イアタッチの形成材料となり得る。尚、上記態様にお
いて、応力固定部材４の上に半導体素子との熱膨張の整
合を図ることのできる別の材料を接合し、その上に半導
体素子を搭載しても何等問題はないが、応力固定部材４
自身が半導体素子と熱膨張係数の整合が図れる材料であ
れば更に好適である。さらに、パッケージの熱抵抗を考
慮した場合、例えば、熱伝導率約１００〜３００Ｗ／ｍ
・Ｋの範囲である以下の材料、即ち、Ｍｏ（熱膨張係
数：５．１×１０^-6／℃）、Ｗ（４．５×１０^-6／
℃）、Ｃｕ−Ｗ（例えば１０％Ｃｕ−９０％Ｗや２０％
Ｃｕ−８０％Ｗ、熱膨張係数：６．０〜７．０×１０^-6
／℃）、Ｃｕ−Ｍｏ（３０〜７０％Ｃｕ−残りＭｏ：
８．０〜１３．０×１０^-6／℃）等の金属、合金、Ｃｕ
−Ｍｏ−Ｃｕ等のクラッド材あるいはセラミックではＡ
ｌＮ、ＢｅＯ、ＳｉＣ（熱膨張係数：３．５〜８．０×
１０^-6／℃）及びＳｉが最も好適な応力固定部材４の例
である。

【００３７】上記のように形成される応力吸収領域Ｇに
おける銅板１の厚みは、得られるパッケージにかかる熱
応力によって変形可能な厚みに設定される。一般には、
上記応力吸収領域Ｇにおける銅板１の厚みは、０．０５
〜１．１ｍｍに設定することが好ましい。即ち、この厚
みが１．１ｍｍを超える場合は応力吸収領域Ｇの変形量
は小さくなるがパッケージ全体の反りや、また、セラミ
ック枠体にクラックや欠けが生じやすくなる。また、
０．０５ｍｍより薄い場合は、応力吸収領域Ｇの機能は
十分に発揮され、パッケージの反りや、セラミック枠体
のクラック、欠け等は無くなるが、図１の（Ｃ）に示す
ように、応力吸収領域Ｇに生じる銅板の変形によって生
じる凹凸の高さｈが、３０〜５０μｍと板厚より大きく
なることがあり、該銅板に平坦性を要求される場合問題
となったり、パッケージの封止性や長期信頼性の点で悪
影響を及ぼす。より好ましくは、応力吸収領域Ｇにおけ
る銅板の厚みは０．１ｍｍ〜０．８ｍｍである。

【００３８】また、銅板１に形成する応力吸収領域Ｇの
幅は、該部分の銅板の厚み、キャビティー底面の面積等
に応じて前記パッケージにおける応力が吸収可能な幅を
適宜決定すれば良い。

【００３９】また、前記したように、キャビティーの底
面を構成する銅板１の中央部に、銅板の変形を抑制する
応力固定部材４を設けて応力吸収領域Ｇを形成する態様
において、応力固定部材４の熱膨張係数がセラミック枠
体２の膨張係数と同じか、小さい場合は、該応力固定部
材４とセラミック枠体２とを殆ど接触するまで近接さ
せ、該部材間に応力吸収領域Ｇを形成することも可能で
あるが、該応力固定部材４の熱膨張係数がセラミック枠
体２の熱膨張係数より大きい場合は、少なくとも該応力
固定部材の熱膨張の差に当たる間隔を確保できるように
上記応力吸収領域の幅ｄを決定することが望ましい。

【００４０】しかしながら、応力吸収領域Ｇを最も効果
的に形成させるためには、かかる間隔ｄは、０．０５〜
４ｍｍ、好ましくは０．１〜２．５ｍｍに調整すること
が好ましい。即ち、上記幅ｄが０．０５ｍｍより狭い場
合、銅板の十分な変形が困難となり、逆に、４ｍｍより
広くした場合、熱応力の吸収によって銅板に生じる凹凸
の高さｈが大きくなり、パッケージの精度に影響を及ぼ
すことがある。

【００４１】前記応力固定部材４を設ける態様におい
て、その厚みは、使用する部材の熱的、機械的特性及び
応力吸収領域Ｇの銅板の厚さにより決定すればよい。即
ち接合時に図３のＦに示される様な銅板の凹凸変形を抑
制できる他、応力固定部材として銅板と異なる材料を用
いる場合、熱膨張係数差による反り（ダイアタッチの反
りとなる）も防止できるだけの厚さを有していることが
望ましい。例えば、応力固定部材４を銅板と別部材で形
成する場合、銅板の厚みが０．３〜０．５ｍｍの時、応
力固定部材４にＭｏを用いると、銅板の変形を抑制し、
ダイアタッチの反りを少なくするため、Ｍｏは０．３ｍ
ｍ以上の厚みがよい。上限の厚みは、半導体素子搭載用
パッケージとしての機能を有する範囲、即ち、少なくと
もパッケージの総厚から半導体素子の厚さ、ワイヤーボ
ンドの高さを差し引いた厚み以下で決定すれば良い。

【００４２】また、応力固定部材４を銅板と同じ材質で
形成する場合、図５（Ｃ）に示されるように、応力固定
領域Ｅの厚み（ｔ2−ｔ1）は応力吸収領域Ｇの銅板の厚
さにより決定すればよい。具体的には応力吸収領域Ｇの
銅板の厚み（ｔ1）の２倍以上の厚みとすることが好ま
しい。また、厚みの上限は前記した通りである。

【００４３】また、上記のように、応力固定部材として
同じ銅を用いる場合、ダイアタッチに搭載する半導体素
子は銅と半導体素子との熱膨張係数の差はあっても数ｍ
ｍ角〜１０ｍｍ角程度の大きさのものが問題なく搭載で
きる。また、大面積の半導体素子を搭載する場合、図５
（Ｂ）に示すように半導体素子との熱膨張係数の整合を
図ることのできる別の材料、例えば、Ｍｏ、Ｗ板等を接
合し、その上に半導体素子を搭載することが可能であ
る。

【００４４】また、上記図５に示される応力吸収領域Ｇ
の形成態様においては、セラミック枠体２と銅板とが接
合する部分の銅板の厚みを応力固定部材４と同等の厚さ
にすることもできる。この場合、厚めの銅板の応力吸収
領域Ｇとする箇所にのみ、溝をつけた形状となる。

【００４５】さらに本発明では、必要により、前記の応
力吸収領域Ｇにおいて生じる銅板の凹凸の高さｈ（以
下、銅板の凹凸ｈという）を減少させる目的で、研削や
研磨等によってその凸部の一部または全部を取り除き銅
板の平坦性を高めることも実施することができる。

【００４６】また、パッケージの放熱効果を高めるた
め、図には示していないが、銅板にフィン形状等の放熱
器を銀エポキシ等の接着剤や熱伝導性有機物を介して付
設することも可能である。

【００４７】上記態様において、放熱器は応力吸収領域
Ｇの作用を阻害しないように設けることが望ましい。

【００４８】本発明の半導体素子搭載用パッケージの代
表的な製造方法としては、例えば、枠体構造を有するＰ
ＧＡ等のセラミックパッケージの場合、セラミック枠体
と銅板及び応力固定部材４と銅板との間にそれぞれロウ
材（例えばＪＩＳ規格のＢＡｇ−８やＣｕ２０〜７０重
量％、Ａｇ３０〜７０重量％、Ｔｉ０．５〜２０重量％
を含む活性金属ロウ材）を図１のように配置する。な
お、この時ＰＧＡパッケージのセラミック枠体の接合面
にはロウ材との接合性を高めるために、Ｗ、Ｍｏ、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｃｕを主成分とするメタライズが施されても
よい。ロウ材の形態は特に限定されず、箔状、ペースト
状、粉末状等が問題なく使用できる。また、ロウ材の量
（厚さ、面積等）は銅板とセラミック枠体との接合面
積、応力固定部材４の大きさによって適宜決定すればよ
い。次いでセラミック枠体部分及び応力固定部材４に１
０〜１００ｇ／ｃｍ²の荷重を加え、真空中（１０^-1Ｐ
ａ以下）あるいは窒素ガス、アルゴンガス等の不活性雰
囲気で７５０〜９５０℃、１０〜６０分間加熱する。ロ
ウ材は、高温状態で液相を形成し接合面に濡れ広がる。
そして冷却とともにロウ材は固化しセラミック枠体と銅
板が接合され、この接合と冷却過程でも、キャビティー
底面を構成する銅板の周縁部に形成された応力吸収領域
Ｇの変形により熱応力が吸収される。かかる応力吸収領
域の変形は、その後の熱衝撃においても熱応力を吸収
し、パッケージの反り、セラミック枠体のクラック発生
を効果的に防止する。

【００４９】電気信号入出力用のリードピン等のロウ付
けは銅板、応力固定部材４接合と同時に、また、銅板、
応力固定部材４接合後どちらでも行うことができる。そ
の後、パッケージキャビティー内に半導体素子をダイ付
け等により固定し、半導体素子とパッケージ内外層に形
成されている信号パターンの電極とワイヤーボンディン
グした後、必要に応じてキャップを接合し、半導体素子
搭載用パッケージが製造される。

【００５０】上記キャップは公知の半導体素子用搭載用
パッケージと同様な構造が特に制限なく採用され、Ａｕ
−Ｓｎ系共晶ロウ材のプリフォーム、あるいはエポキシ
樹脂等の有機封止材をキャップの接合面に予め塗布し、
光照射又は加熱により封止剤を硬化させて接合を行う。
キャップの主成分としては、コバール、４２アロイ等の
金属、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化珪
素等のセラミックが例示される。

【００５１】

【発明の効果】本発明の半導体素子搭載用パッケージ
は、セラミック枠体とヒートシンクの熱膨張係数の差に
起因する応力により、セラミック枠体のクラックや欠
け、パッケージ全体の反り、さらにダイアタッチに反り
が発生し、半導体素子の搭載時における接着やパッケー
ジの信頼性に悪影響を及ぼすなどの問題を回避しなが
ら、ヒートシンクとして銅板を使用することができるた
め、かかる銅の有する高い熱伝導性を直接利用でき、そ
の結果、搭載される半導体素子の発生する熱を非常に効
率良くに放散することができる。

【００５２】このことは、現在広く使用されているアル
ミナ等のセラミックパッケージにおいて、搭載する半導
体素子の高集積化等に伴う放熱性の要求を十分満足する
ものであり、かかる分野においての貢献度は著しいもの
であるていえる。

【００５３】また、銅という比較的低コストと高い加工
性を有する材料の使用という点においても、本発明の経
済的効果も非常に大きいといえる。

【００５４】

【実施例】以下、本発明を具体的に説明するために実施
例を示すが、本発明は実施例に何等限定されるものでは
ない。

【００５５】実施例１図１（Ａ）に示す構造の半導体素子搭載用パッケージを
以下のようにして製造した。

【００５６】外形寸法４０．２ｍｍ角、厚さ２．６ｍ
ｍ、２０８ピンＰＧＡタイプのビアホールを有するＷメ
タライズアルミナ製同時焼成多層パッケージで、中央に
２０．５ｍｍ角の穴のあいたセラミック枠体である。こ
のセラミック枠体の一方の面、すなわち銅板を接合する
面にはニッケルメッキしたＷのメタライズが施されてい
る。

【００５７】別に、銅板１（無酸素銅）として、厚さ
０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍの４
種類（大きさはすべて３５．０ｍｍ角）を、また、応力
固定部材４は厚さ１．０ｍｍ、大きさ１９．５ｍｍ角の
ニッケルメッキしたＭｏ板を用意した。これらセラミッ
ク枠体と銅板及びＭｏ板を図１のように配置し、共晶銀
ロウ（ＢＡｇ−８）を用い、窒素中８００℃、１０分間
加熱して各種厚みの銅板とＭｏが接合されたパッケージ
を得た。Ｍｏ製応力固定部材の銅板に接合していない方
の面はダイアタッチとして使用される。間隙ｄは０．５
ｍｍである。また、このパッケージの一方の面には２０
８本のリードピンがロウ付けされた。ピンのロウ付けは
銅板、Ｍｏ板接合と同時に、また、銅板、Ｍｏ板接合後
どちらでも行なうことができる。次に、このパッケージ
のＷメタライズ部分、銅、Ｍｏ及びリードピンにＮｉ
（厚み３μｍ）下地−Ａｕ（１．５μｍ）メッキを施し
半導体素子搭載用パッケージを得た。表１は銅板厚さと
ダイアタッチの反り及び銅板の凹凸ｈの関係である。な
お、表１のダイアタッチの反り及び銅板の凹凸ｈはリー
ドピンをロウ付け前、及びＮｉ−Ａｕメッキを施す前
（セラミック枠体と銅板、Ｍｏ板とのみ接合された）の
パッケージにおける測定値である。

【００５８】

【表１】

【００５９】尚、応力吸収領域における銅板の厚さが余
り薄くなると、銅板の凹凸ｈが大きくなる傾向があり、
また、該銅板の厚さが厚くなると銅板の凹凸ｈは小さく
抑えられるが、ダイアタッチの反りが大きくなる傾向が
確認された。これは銅板が厚くなることで銅板とＭｏ板
との熱膨張係数差による熱応力が大きくなり、Ｍｏ製応
力固定部材４によっては熱応力による変形が防止でき
ず、その結果ダイアタッチに反りが発生したものと推察
できる。

【００６０】さらに、製造直後の目視による観察におい
て、本発明の応力固定領域を形成したパッケージは、セ
ラミック枠体へのクラックの発生は存在しなかったが、
銅板が余りに厚くなるとセラミック枠体に対しクラック
が発生した。

【００６１】表２は、本発明品及び従来から使用されて
いるパッケージの熱抵抗測定結果である。熱抵抗は、応
力固定部材４の上に１８．５ｍｍ角のＡｌＮ製ヒータチ
ップをＡｕ−Ｓｉロウ材で接合し、消費電力を３Ｗとし
て評価した。熱抵抗の数値はヒータチップ上の温度と周
囲大気の温度差を消費電力で除した値（θj-a）で表わ
した。

【００６２】

【表２】

【００６３】従来使用されているＣｕ−Ｗヒートヒンク
付きパッケージに比べ、本発明品は銅板自身を直接使用
しているため放熱特性が優れているのがわかる。なお、
比較に用いたアルミナＰＧＡパッケージ及びＣｕ−Ｗヒ
ートシンク付きアルミナパッケージの大きさは本発明品
と同じく４０．２ｍｍ角、厚さ２．６ｍｍである。

【００６４】さらに、上記の本発明のパッケージ（サン
プル１および６を除く）を−６５℃及び１５０℃での保
持時間１０分間、−６５℃から１５０℃までの移動時間
１０秒の条件で熱衝撃試験を１０００サイクル実施した
後、封止性についてテストした結果、反りによるファイ
ンリークの発生はなかった。また、セラミック枠のクラ
ックの発生も起こらなかった。

【００６５】実施例２実施例１において、銅板の厚さを０．５ｍｍと一定と
し、Ｍｏ製応力固定部材４の厚さのみを０．５〜１．２
ｍｍの範囲で変え、その他の条件は実施例１と同様にし
て半導体素子搭載用パッケージを得た。表３は、銅板の
厚さとダイアッタチの反り及び銅板裏面の凹凸ｈの関係
を実施例１と同様に評価した結果である。

【００６６】なお、表３の測定値は表１と同様、リード
ピンロウ付け前及びＮｉ−Ａｕメッキを施す前のもので
ある。

【００６７】

【表３】

【００６８】応力固定部材４が無い場合、銅板（０．５
ｍｍ）の熱変形を抑えられない状態となり、キャビティ
ーの底面を構成する銅板の周縁に応力吸収領域Ｇが形成
されず、その結果、ダイアタッチの反りが大きくなって
しまうことがわかる。

【００６９】また、ダイアタッチの反り、銅板の凹凸ｈ
は、応力固定部材の厚みが２ｍｍ以上では変わらなくな
る。

【００７０】さらに、上記の本発明のパッケージを−６
５℃及び１５０℃での保持時間１０分間、−６５℃から
１５０℃までの移動時間１０秒の条件で熱衝撃試験を１
０００サイクル実施した後、封止性についてテストした
結果、反りによるファインリークの発生はなかった。ま
た、セラミック枠のクラックの発生も起こらなかった。

【００７１】実施例３実施例１において、応力固定部材４とセラミック枠体と
の間隙ｄの大きさを、応力固定部材４の大きさを変える
ことによって変化させ、その他の条件は実施例１と同様
にして半導体素子搭載用パッケージを得た。表４は、間
隙ｄと銅板裏面の凹凸ｈの関係を評価した結果である。
間隙ｄが余り大きくなると銅板裏面の凹凸ｈが増加し、
応力吸収領域Ｇの機能は十分発揮されているが、凹凸ｈ
が大きくなりヒートシンク裏面の平坦性が低下する傾向
となる。なお、ダイアタッチの反りは本実施例において
１０〜２０μｍであった。

【００７２】

【表４】

【００７３】さらに、上記の本発明のパッケージを−６
５℃及び１５０℃での保持時間１０分間、−６５℃から
１５０℃までの移動時間１０秒の条件で熱衝撃試験を１
０００サイクル実施した後、封止性についてテストした
結果、反りによるファインリークの発生はなかった。ま
た、セラミック枠のクラックの発生も起こらなかった。

【００７４】前述したように、応力固定部材４の材質及
び大きさ、銅板の厚み等は上記実施例に限定されるもの
ではなくパッケージの熱設計等に応じて適宜設定するこ
とができる。

【００７５】実施例４図４に示す構造の半導体素子搭載用用パッケージを以下
のようにして製造した。

【００７６】セラミック枠体を黒色の９０％アルミナ
で、外形３９．２ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの中央に２
２．３ｍｍ角のあなのあいたスルーホールのないアルミ
ナ質セラミック枠体２−１と、同外形寸法と厚み１．５
ｍｍを有し、中央に２０．５ｍｍ角の穴のあいたアルミ
ナ質セラミック枠体２−２を用意した。このセラミック
枠体２−１の両面及び２−２の一方の面にＡｇ４０重量
％、Ｃｕ５５重量％、Ｔｉ５重量％活性金属ロウ材ペー
ストを４０μｍ厚に塗布した。別に、外形３８．８ｍｍ
角、厚さ１５０μｍで中央に穴があき、外周に外部リー
ドを有する銅箔を用意した。その銅箔の中央の穴の大き
さは、一枚が２３．３ｍｍ角、もう一枚が２１．５ｍｍ
角である。外部リードは、幅０．３ｍｍであり、その本
数は４辺合計で各々３２本ずつとした。

【００７７】また別に、実施例１と同じように、銅板
（無酸素銅）の厚さ０．０４ｍｍ、０．１ｍｍ、０．３
ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ及び１．２ｍｍの６種類
（大きさはすべて３８．０ｍｍ角）を、また、応力固定
部材４は厚さ１．０ｍｍ、大きさ１９．５ｍｍのＭｏ板
を用意した。銅板の一方の面は応力固定部材４の接合、
及びアルミナ枠体の接合のため上記と同様の活性金属ロ
ウ材を塗布した。これらアルミナ枠体と銅箔及、銅板及
び応力固定部材４のそれぞれを図４のように重ね、次い
で真空中８６０℃で２０分間加熱し半導体素子搭載用パ
ッケージを得た。

【００７８】その後、実施例１と同様にダイアタッチの
反り、銅板の凹凸ｈ、パッケージの熱抵抗及び封止性等
を評価した。

【００７９】また、実施例１と同様ダイアタッチの反
り、銅板の凹凸が小さく、製造時及び製造後の熱サイク
ルによるセラミック枠へのクラック発生が殆どなく、封
止性も良好であることが確認された。また、熱抵抗も、
実施例１と同様、銅に起因する極めて良好な結果を示し
た。

【００８０】実施例５実施例１において、応力固定部材４をＷ、Ｍｏ、Ｃｕ−
Ｗ（１０％Ｃｕ−９０％Ｗ及び２０％Ｃｕ−８０％
Ｗ）、Ｃｕ−Ｍｏ（３０〜７０％Ｃｕ−残りＭｏ）、Ｃ
ｕ−Ｍｏ−Ｃｕ（重量比１：１：１）のクラッド材、Ａ
ｌＮ、ＢｅＯ、ＳｉＣ及びＳｉに変更した以外は、応力
固定部材４の厚み、大きさ、また、銅板の厚み範囲等を
実施例１と同様にしてそれぞれ異なる応力固定部材を接
合した半導体素子搭載用パッケージを得た。その後実施
例１と同様に銅板の凹凸ｈ、封止性及びパッケージの熱
抵抗等をそれぞれ評価した。

【００８１】また、実施例１と同様ダイアタッチの反
り、銅板の凹凸が小さく、製造時及び製造後の熱サイク
ルによるセラミック枠へのクラック発生が殆どなく、封
止性も良好であることが確認された。また、熱抵抗も、
実施例１と同様、銅に起因する極めて良好な結果を示し
た。

【００８２】実施例６応力固定部材４を厚さ１．５ｍｍ、大きさ１９．５ｍｍ
角のＡｌＮ（熱伝導率１８０Ｗ／Ｋ・ｍ）に変更した以
外は実施例１と同様にしてパッケージを得た。その後実
施例１と同様にダイアタッチの反り、銅板の凹凸ｈ及び
封止性を評価した。実施例１のサンプル４と同様な結果
が得られた。また、表５はパッケージの熱抵抗評価結果
である。高熱伝導の応力固定部材４を使用したことによ
り熱抵抗が低下したのがわかる。

【００８３】

【表５】

【００８４】実施例７実施例１と同様なセラミック枠体に、図５（Ｃ）に示さ
れる様な応力固定部材４として、銅板の厚みを厚くした
無酸素銅製の銅板を共晶銀ロウで接合し、図５（Ａ）で
示されるパッケージを作製した。ここでｔ1＝１．５ｍ
ｍ、ｔ2＝０．４ｍｍ、ａ＝１９．５ｍｍ角、ｂ＝３５
ｍｍ角及び間隙ｄは０．５ｍｍである。ｔ1は応力固定
領域Ｅの厚みであり、ｔ2は応力吸収領域Ｇの厚みであ
る。

【００８５】従って、本例は応力固定領域Ｅにある応力
固定部材は銅より成る。

【００８６】次いで、上記パッケージについて、実施例
１と同様にダイアタッチの反り、銅板の凹凸ｈ及びパッ
ケージの熱抵抗を評価した。表６は評価結果である。

【００８７】

【表６】

【００８８】また、半導体素子との熱膨張の整合をとる
ため上記応力固定領域の銅の上に図５（Ｂ）に示される
様にＮｉメッキした厚さ０．２ｍｍ、大きさ１９．５ｍ
ｍ角のＭｏ板を銀ロウ付けし、その結果も合わせて表６
に示した。

【００８９】この場合、応力固定部材上にＭｏをロウ付
けしてもパッケージの性能に何等不具合は生じなかっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子用パッケージの代表的な態
様を模式的に示す断面図、平面図及び応力吸収領域の変
形の状態を模式的に示す断面図

【図２】Ｃｕ−Ｗをヒートシンクとした従来のセラミッ
クパッケージの一例の断面模式図

【図３】セラミック枠体に銅板のみを接合した比較例を
示す断面模式図

【図４】本発明の半導体素子搭載用パッケージの一例の
断面模式図

【図５】本発明の半導体素子用パッケージの他の態様を
模式的に示す断面図（銅板の各部の寸法を示す断面図を
含む）

【符号の説明】

１銅板２セラミック枠体２−１セラミック枠体（平枠）２−２セラミック枠体（平枠）３−１接着剤３−２接着剤４応力固定部材５半導体素子６金属板（ヒートシンク）７キャビティー８電源用リード９接地用リード１０信号用リード１１リード固着ガラスＧ応力吸収領域ｄセラミック枠体と応力固定部材との間隙ｈ応力吸収領域における銅板の凹凸Ｄ半導体搭載部分（ダイアタッチ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック枠体の一面に銅板を接合してキ
ャビティーを構成したパッケージであって、該セラミッ
ク枠体と銅板との熱膨張係数の差に起因する応力を該銅
板の変形によって吸収する応力吸収領域を該キャビティ
ーの底面を構成する銅板の周縁部に形成したことを特徴
とする半導体素子搭載用パッケージ。
【請求項２】キャビティーの底面を構成する銅板の中央
部に、セラミック枠体内壁と間隙をあけて応力固定部材
を接合することにより、該応力固定部材とセラミック枠
体との間隙に位置する銅板部分で応力吸収領域が形成さ
れた請求項１記載の半導体素子搭載用パッケージ。
【請求項３】応力吸収領域における銅板の厚みが５０〜
１１００μｍである請求項１記載の半導体素子搭載用パ
ッケージ。