JPH09181220A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来より、熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／℃程
度の有機樹脂を主成分とする複合材料やガラス−セラミ
ックス複合材料は、熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ程度と低
く、従来の放熱体では熱膨張差が大きくクラックや反り
が発生した。 【解決手段】配線層を有する、室温から４００℃におけ
る熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／℃の絶縁基板と、絶縁
基板の表面に搭載された半導体素子と、絶縁基板に接合
された放熱体とを具備し、放熱体が、銅を３０〜８０重
量％含み、室温から４００℃における熱膨張係数が６ｐ
ｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との焼結
体からなるとともに、前記絶縁基板との熱膨張差が±
０．５ｐｐｍ／℃であることを特徴とする。
度の有機樹脂を主成分とする複合材料やガラス−セラミ
ックス複合材料は、熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ程度と低
く、従来の放熱体では熱膨張差が大きくクラックや反り
が発生した。 【解決手段】配線層を有する、室温から４００℃におけ
る熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／℃の絶縁基板と、絶縁
基板の表面に搭載された半導体素子と、絶縁基板に接合
された放熱体とを具備し、放熱体が、銅を３０〜８０重
量％含み、室温から４００℃における熱膨張係数が６ｐ
ｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との焼結
体からなるとともに、前記絶縁基板との熱膨張差が±
０．５ｐｐｍ／℃であることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が搭載
されるとともに、熱放散のための放熱体を具備した半導
体装置に関する。
されるとともに、熱放散のための放熱体を具備した半導
体装置に関する。
【０００２】
【従来技術】半導体素子、とりわけＬＳＩは高集積化、
高速化のために発熱が増加する傾向にある。これら発生
した熱が半導体素子内に蓄積されると、半導体素子内の
回路の誤動作を発生させたり、さらには半導体回路自身
を破壊したりするという問題がある。そこで、従来よ
り、半導体素子から発生する熱を外部に放散するための
放熱体が設けられている。
高速化のために発熱が増加する傾向にある。これら発生
した熱が半導体素子内に蓄積されると、半導体素子内の
回路の誤動作を発生させたり、さらには半導体回路自身
を破壊したりするという問題がある。そこで、従来よ
り、半導体素子から発生する熱を外部に放散するための
放熱体が設けられている。
【０００３】一方、半導体素子を搭載する半導体装置
は、絶縁基板の内部またはその表面に配線層が形成さ
れ、さらに絶縁基板の表面に半導体素子が搭載されてい
る。高集積半導体素子を搭載する半導体装置において
は、その回路の信頼性の点から絶縁基板として、熱伝導
率が約２０Ｗ／ｍＫのアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）などのセ
ラミックスが最も多用されている。熱放散が必要な場合
には、上記の半導体装置にさらに、放熱体が取り付けら
れる。
は、絶縁基板の内部またはその表面に配線層が形成さ
れ、さらに絶縁基板の表面に半導体素子が搭載されてい
る。高集積半導体素子を搭載する半導体装置において
は、その回路の信頼性の点から絶縁基板として、熱伝導
率が約２０Ｗ／ｍＫのアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）などのセ
ラミックスが最も多用されている。熱放散が必要な場合
には、上記の半導体装置にさらに、放熱体が取り付けら
れる。
【０００４】このような放熱体材料としては、高熱伝導
性を有することが求められるが、熱伝導率の高い材料と
しては、銅（熱伝導率３９３Ｗ／ｍ・Ｋ）等が知られて
いるが、放熱体を取り付ける絶縁基板との熱膨張差が大
きいと基板にクラックが発生したり、半導体素子の封止
構造における気密性が損なわれるため、放熱体として、
約１０重量％の銅を含む、銅−タングステン焼結体（熱
伝導率 約１８０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率 約７ｐｐｍ／
℃）が最も広く用いられている。
性を有することが求められるが、熱伝導率の高い材料と
しては、銅（熱伝導率３９３Ｗ／ｍ・Ｋ）等が知られて
いるが、放熱体を取り付ける絶縁基板との熱膨張差が大
きいと基板にクラックが発生したり、半導体素子の封止
構造における気密性が損なわれるため、放熱体として、
約１０重量％の銅を含む、銅−タングステン焼結体（熱
伝導率 約１８０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率 約７ｐｐｍ／
℃）が最も広く用いられている。
【０００５】一方、半導体のさらなる高速化、高周波数
化にともない、半導体素子と外部回路の間で高速に信号
をやりとりする必要性が増している。そのためには半導
体装置内を信号が伝送される際の損失をより小さくする
必要があるが、従来より、アルミナ質セラミックスとの
同時焼成により基板を作製する場合には、配線層を高融
点金属のタングステンあるいはモリブデン等により形成
されるが、このタングステンやモリブデンは、導体抵抗
が高く、特に高周波においては導体抵抗による損失が大
きいという問題がある。
化にともない、半導体素子と外部回路の間で高速に信号
をやりとりする必要性が増している。そのためには半導
体装置内を信号が伝送される際の損失をより小さくする
必要があるが、従来より、アルミナ質セラミックスとの
同時焼成により基板を作製する場合には、配線層を高融
点金属のタングステンあるいはモリブデン等により形成
されるが、このタングステンやモリブデンは、導体抵抗
が高く、特に高周波においては導体抵抗による損失が大
きいという問題がある。
【０００６】そこで、最近では、導体として良電気伝導
性を有する銅、金などの低抵抗金属を使用する半導体装
置が増加している。これにともない、絶縁基板材料とし
て、アルミナ質セラミックスに代わり、有機樹脂を主成
分とする材料や、これらの低抵抗金属と同時焼成が可能
な材料として、有機樹脂を主成分とする複合材料や焼成
温度が１０００℃以下のガラス−セラミックス複合材料
が多く用いられつつある。
性を有する銅、金などの低抵抗金属を使用する半導体装
置が増加している。これにともない、絶縁基板材料とし
て、アルミナ質セラミックスに代わり、有機樹脂を主成
分とする材料や、これらの低抵抗金属と同時焼成が可能
な材料として、有機樹脂を主成分とする複合材料や焼成
温度が１０００℃以下のガラス−セラミックス複合材料
が多く用いられつつある。
【０００７】加えて、半導体装置を有機樹脂を主成分と
する外部電気回路基板に実装した場合、特に半導体装置
が大集積化により大型化した場合、半導体装置における
絶縁基板と、外部電気回路基板との熱膨張差に起因して
半導体装置の実装時あるいが実装後の過酷な使用条件下
で、熱サイクルが付加された時に、半導体装置と外部電
気回路基板との電気的接続不良が発生するという問題が
提起されている。
する外部電気回路基板に実装した場合、特に半導体装置
が大集積化により大型化した場合、半導体装置における
絶縁基板と、外部電気回路基板との熱膨張差に起因して
半導体装置の実装時あるいが実装後の過酷な使用条件下
で、熱サイクルが付加された時に、半導体装置と外部電
気回路基板との電気的接続不良が発生するという問題が
提起されている。
【０００８】このような問題に対しては、半導体装置に
おける絶縁基板の熱膨張特性を、有機樹脂を主成分とす
る外部電気回路基板の熱膨張係数に近似させることが提
案さている。通常、外部電気回路基板の熱膨張係数は９
〜１４ｐｐｍ／℃程度であるため、絶縁基板としても同
様に９〜１４ｐｐｍ／℃程度が要求される。
おける絶縁基板の熱膨張特性を、有機樹脂を主成分とす
る外部電気回路基板の熱膨張係数に近似させることが提
案さている。通常、外部電気回路基板の熱膨張係数は９
〜１４ｐｐｍ／℃程度であるため、絶縁基板としても同
様に９〜１４ｐｐｍ／℃程度が要求される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】熱膨張係数が９〜１４
ｐｐｍ／℃程度の絶縁材料としては、アルミナ質セラミ
ックスでは得ることが難しいため、ガラスセラミックス
や有機樹脂を主成分とする複合材料により形成すること
が望ましいが、このような有機樹脂を主成分とする複合
材料やガラス−セラミックス複合材料は、アルミナ質セ
ラミックスに比較して熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ程度と低
いために、半導体装置の絶縁基板として用いた場合に
は、搭載する半導体素子からの発熱を充分に放散するこ
とができないために、高集積化、高速化された半導体素
子を搭載する半導体装置の絶縁基板として適用できない
ものであった。
ｐｐｍ／℃程度の絶縁材料としては、アルミナ質セラミ
ックスでは得ることが難しいため、ガラスセラミックス
や有機樹脂を主成分とする複合材料により形成すること
が望ましいが、このような有機樹脂を主成分とする複合
材料やガラス−セラミックス複合材料は、アルミナ質セ
ラミックスに比較して熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ程度と低
いために、半導体装置の絶縁基板として用いた場合に
は、搭載する半導体素子からの発熱を充分に放散するこ
とができないために、高集積化、高速化された半導体素
子を搭載する半導体装置の絶縁基板として適用できない
ものであった。
【００１０】また、熱放散性を改善する方法としては、
高熱伝導性を有する放熱体を取り付けることが望まれる
が、従来から最も多用されている約１０重量％銅を含む
銅−タングステン焼結体では、有機樹脂を主成分とする
複合材料やガラス−セラミックス複合材料からなる絶縁
基板とは熱膨張係数が大きく異なるために、熱膨張差に
起因する応力によって基板にクラックや反りが発生する
等の問題があった。
高熱伝導性を有する放熱体を取り付けることが望まれる
が、従来から最も多用されている約１０重量％銅を含む
銅−タングステン焼結体では、有機樹脂を主成分とする
複合材料やガラス−セラミックス複合材料からなる絶縁
基板とは熱膨張係数が大きく異なるために、熱膨張差に
起因する応力によって基板にクラックや反りが発生する
等の問題があった。
【００１１】しかも、ガラスセラミックス複合材料を配
線基板とする場合は、アルミナセラミックスの場合と同
様に靭性が低いので、熱膨張率が一致しないとクラック
が生じる可能性が高い。また有機樹脂を主成分とする複
合材料においては、材料の靭性は高いものの、逆に剛性
が低いために、熱膨張差に起因する応力によってパッケ
ージの反りが生じるなどの不具合が発生する。
線基板とする場合は、アルミナセラミックスの場合と同
様に靭性が低いので、熱膨張率が一致しないとクラック
が生じる可能性が高い。また有機樹脂を主成分とする複
合材料においては、材料の靭性は高いものの、逆に剛性
が低いために、熱膨張差に起因する応力によってパッケ
ージの反りが生じるなどの不具合が発生する。
【００１２】このような熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／
℃の高い熱膨張特性を有する絶縁基板を具備する半導体
装置における熱放散性の改善については、具体的に検討
されておらず、まして、熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／
℃の高い熱膨張特性を有する絶縁基板に取り付ける放熱
体についても具体的に何ら検討されていない。
℃の高い熱膨張特性を有する絶縁基板を具備する半導体
装置における熱放散性の改善については、具体的に検討
されておらず、まして、熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／
℃の高い熱膨張特性を有する絶縁基板に取り付ける放熱
体についても具体的に何ら検討されていない。
【００１３】従って、本発明は、熱膨張係数が９〜１４
ｐｐｍ／℃の高い熱膨張特性を有する絶縁基板を具備す
る半導体装置における熱放散性を改善した半導体装置を
提供することを目的とするものである。
ｐｐｍ／℃の高い熱膨張特性を有する絶縁基板を具備す
る半導体装置における熱放散性を改善した半導体装置を
提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題点に対して、検討を重ねた結果、有機樹脂を主成分と
する複合材料やガラス−セラミックス複合材料の強度が
これまでのアルミナ質セラミックスに比較して小さいこ
とに起因し、この絶縁基板に放熱体を取り付ける場合、
放熱体と絶縁基板との熱膨張差を小さく制御することが
必要であること、また、絶縁基板の熱膨張特性との差が
小さく、しかも高熱伝導性を有する材料としては、銅を
比較的多量に含み、これと室温から熱膨張係数が小さい
材料および焼結助剤と組み合わせた材料が最もよいこと
を知見した。
題点に対して、検討を重ねた結果、有機樹脂を主成分と
する複合材料やガラス−セラミックス複合材料の強度が
これまでのアルミナ質セラミックスに比較して小さいこ
とに起因し、この絶縁基板に放熱体を取り付ける場合、
放熱体と絶縁基板との熱膨張差を小さく制御することが
必要であること、また、絶縁基板の熱膨張特性との差が
小さく、しかも高熱伝導性を有する材料としては、銅を
比較的多量に含み、これと室温から熱膨張係数が小さい
材料および焼結助剤と組み合わせた材料が最もよいこと
を知見した。
【００１５】即ち、本発明は、配線層を有し、且つ室温
から４００℃における熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／℃
の絶縁基板と、該絶縁基板の表面に搭載された半導体素
子と、前記絶縁基板に接合された放熱体とを具備してな
る半導体装置において、前記放熱体が、銅を３０〜８０
重量％と、残部が室温から４００℃における熱膨張係数
が６ｐｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属と
の焼結体からなるとともに、前記絶縁基板との熱膨張差
が±０．５ｐｐｍ／℃であることを特徴とするものであ
り、特に、前記絶縁基板が、有機樹脂を主成分とする複
合材料やガラス−セラミックス複合材料からなり、前記
配線層が銅からなること特徴とするものである。
から４００℃における熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／℃
の絶縁基板と、該絶縁基板の表面に搭載された半導体素
子と、前記絶縁基板に接合された放熱体とを具備してな
る半導体装置において、前記放熱体が、銅を３０〜８０
重量％と、残部が室温から４００℃における熱膨張係数
が６ｐｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属と
の焼結体からなるとともに、前記絶縁基板との熱膨張差
が±０．５ｐｐｍ／℃であることを特徴とするものであ
り、特に、前記絶縁基板が、有機樹脂を主成分とする複
合材料やガラス−セラミックス複合材料からなり、前記
配線層が銅からなること特徴とするものである。
【００１６】
【作用】本発明によれば、半導体素子を搭載した半導体
装置において、絶縁基板の室温から４００℃における熱
膨張係数を９〜１４ｐｐｍ／℃に制御することにより、
有機樹脂を主成分とする外部電気回路基板との熱膨張差
を小さくできるために、半導体装置をこの外部電気回路
基板に実装する時、あるいは実装後に熱サイクルが付与
された場合においても、熱膨張差に起因する接続不良を
生じることがなく、高信頼性の実装が可能となる。特
に、半導体装置の外部電気回路基板への接続端子がリー
ドピンでなく、半導体装置の裏面に形成された半田等や
金具からなり、半田等により表面実装するような半導体
装置の場合、特に熱膨張差による応力の発生が顕著であ
るため、特に上記のような高熱膨張係数の絶縁基板を用
いることが有効である。
装置において、絶縁基板の室温から４００℃における熱
膨張係数を９〜１４ｐｐｍ／℃に制御することにより、
有機樹脂を主成分とする外部電気回路基板との熱膨張差
を小さくできるために、半導体装置をこの外部電気回路
基板に実装する時、あるいは実装後に熱サイクルが付与
された場合においても、熱膨張差に起因する接続不良を
生じることがなく、高信頼性の実装が可能となる。特
に、半導体装置の外部電気回路基板への接続端子がリー
ドピンでなく、半導体装置の裏面に形成された半田等や
金具からなり、半田等により表面実装するような半導体
装置の場合、特に熱膨張差による応力の発生が顕著であ
るため、特に上記のような高熱膨張係数の絶縁基板を用
いることが有効である。
【００１７】また、本発明によれば、上記のような高熱
膨張係数の絶縁基板が有機樹脂を主成分とする複合材料
やガラス−セラミックス複合材料から構成した場合、熱
伝導率が低いために放熱体を取り付けることが必須とな
るが、このような放熱体として、銅を３０〜８０重量％
と、残部が室温から４００℃における熱膨張係数が６ｐ
ｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との焼結
体により構成する。このように銅の含有量を高めること
により放熱体の熱伝導率を高めることができ、半導体素
子の熱の放熱を高めることができる。
膨張係数の絶縁基板が有機樹脂を主成分とする複合材料
やガラス−セラミックス複合材料から構成した場合、熱
伝導率が低いために放熱体を取り付けることが必須とな
るが、このような放熱体として、銅を３０〜８０重量％
と、残部が室温から４００℃における熱膨張係数が６ｐ
ｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との焼結
体により構成する。このように銅の含有量を高めること
により放熱体の熱伝導率を高めることができ、半導体素
子の熱の放熱を高めることができる。
【００１８】また、絶縁基板が有機樹脂を主成分とする
複合材料やガラス−セラミックス複合材料は、それ自体
と強度が大きくないために熱膨張差に起因する応力によ
って、容易にクラックが発生したり、封止構造の気密性
が損なわれる可能性が高い。
複合材料やガラス−セラミックス複合材料は、それ自体
と強度が大きくないために熱膨張差に起因する応力によ
って、容易にクラックが発生したり、封止構造の気密性
が損なわれる可能性が高い。
【００１９】そこで、放熱体と前記絶縁基板との熱膨張
差を±０．５ｐｐｍ／℃以下に制御することにより、応
力の発生を抑制し、半導体装置の信頼性を高めることが
できるのである。
差を±０．５ｐｐｍ／℃以下に制御することにより、応
力の発生を抑制し、半導体装置の信頼性を高めることが
できるのである。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明の半導体装置と、外部電気
回路基板への実装構造の概略図を図１に示した。図１に
よれば、半導体装置１の絶縁基板２の内部には配線層３
が形成され、配線層３の一部はスルーホール４として形
成される。また、絶縁基板２の一部には、キャビティ５
が形成され、キャビティ５の内部には半導体素子が収納
される。キャビティ５は、蓋体６により気密に封止され
ている。
回路基板への実装構造の概略図を図１に示した。図１に
よれば、半導体装置１の絶縁基板２の内部には配線層３
が形成され、配線層３の一部はスルーホール４として形
成される。また、絶縁基板２の一部には、キャビティ５
が形成され、キャビティ５の内部には半導体素子が収納
される。キャビティ５は、蓋体６により気密に封止され
ている。
【００２１】また、この半導体装置１には放熱体７が取
り付けられている。この放熱体７は、絶縁基板２に接着
剤８により接合され、放熱体７の表面には半導体素子９
が直接取り付けられており、半導体素子９から発生する
熱を放熱する。
り付けられている。この放熱体７は、絶縁基板２に接着
剤８により接合され、放熱体７の表面には半導体素子９
が直接取り付けられており、半導体素子９から発生する
熱を放熱する。
【００２２】なお、半導体装置１の下面には、外部電気
回路基板と接続するための端子電極１０が形成されてい
る。なお、この端子電極１０は、半導体素子９と配線層
３を通じて電気的に接続されている。この端子電極１０
は、図１によれば、半田からなるボール状電極である。
回路基板と接続するための端子電極１０が形成されてい
る。なお、この端子電極１０は、半導体素子９と配線層
３を通じて電気的に接続されている。この端子電極１０
は、図１によれば、半田からなるボール状電極である。
【００２３】この半導体装置１を外部電気回路基板１１
に実装するには、外部電気回路基板１１の表面に形成さ
れた外部配線層１２と半田１３により実装される。ま
た、この外部電気回路基板１１は、有機樹脂を主体とす
る複合材料から構成され、具体的には、ガラスエポキシ
銅張基板等からなり、その熱膨張係数は、室温から４０
０℃において９〜１４ｐｐｍ／℃程度である。
に実装するには、外部電気回路基板１１の表面に形成さ
れた外部配線層１２と半田１３により実装される。ま
た、この外部電気回路基板１１は、有機樹脂を主体とす
る複合材料から構成され、具体的には、ガラスエポキシ
銅張基板等からなり、その熱膨張係数は、室温から４０
０℃において９〜１４ｐｐｍ／℃程度である。
【００２４】本発明によれば、上記の半導体装置におい
て、絶縁基板２は、室温から４００℃における熱膨張係
数が９〜１４ｐｐｍ／℃の絶縁体から構成される。この
絶縁基板２の熱膨張係数を上記の範囲に限定したのは、
この範囲から逸脱すると、外部電気回路基板１１との熱
膨張差により半導体装置の実装時、または実装後の熱サ
イクル付加時に電気的接続不良が生じる場合があり、信
頼性を損ねるためである。
て、絶縁基板２は、室温から４００℃における熱膨張係
数が９〜１４ｐｐｍ／℃の絶縁体から構成される。この
絶縁基板２の熱膨張係数を上記の範囲に限定したのは、
この範囲から逸脱すると、外部電気回路基板１１との熱
膨張差により半導体装置の実装時、または実装後の熱サ
イクル付加時に電気的接続不良が生じる場合があり、信
頼性を損ねるためである。
【００２５】このような熱膨張特性を有する材料として
は、熱膨張係数が上記の範囲を満足するものであれば、
有機樹脂を主成分とする複合材料、セラミックス、ガラ
ス−セラミックス複合材料のいずれであってもよいが、
半導体装置の配線層を銅配線により構成する場合には、
とりわけ、有機樹脂を主成分とする複合材料やガラスセ
ラミックス複合材料が好適である。
は、熱膨張係数が上記の範囲を満足するものであれば、
有機樹脂を主成分とする複合材料、セラミックス、ガラ
ス−セラミックス複合材料のいずれであってもよいが、
半導体装置の配線層を銅配線により構成する場合には、
とりわけ、有機樹脂を主成分とする複合材料やガラスセ
ラミックス複合材料が好適である。
【００２６】このような特性を有する有機樹脂を主成分
とする複合材料としては、ガラス−エポキシ系複合材料
等が挙げられる。なお、この有機樹脂を主成分とする複
合材料は、それ自体の靱性が低いことから、内部に配設
される銅配線層の配線密度によって、熱膨張係数が変化
する。
とする複合材料としては、ガラス−エポキシ系複合材料
等が挙げられる。なお、この有機樹脂を主成分とする複
合材料は、それ自体の靱性が低いことから、内部に配設
される銅配線層の配線密度によって、熱膨張係数が変化
する。
【００２７】一方、上記のような特性を有するガラスセ
ラミックス複合材料としては、特願平７−１９５２０６
号、特願平７−２８３８３２号にて提案したように、Ｌ
ｉ2Ｏを５〜３０重量％の割合で含有するリチウム珪酸
ガラスやＮａ2 Ｏ、Ａｌ2 Ｏ3 を含有するソーダアルミ
ニウム珪酸ガラス、室温から４００℃までの熱膨張係数
が６ｐｐｍ／℃以上のセラミックフィラーとから構成さ
れるものが挙げられる。室温から４００℃までの熱膨張
係数が６ｐｐｍ／℃以上のセラミックフィラーとして
は、フォルステライト、クリストバライト、クウォー
ツ、スピネル、ネフェリン、アルミナ、ペタライト、エ
ンスタタイト等が挙げられる。
ラミックス複合材料としては、特願平７−１９５２０６
号、特願平７−２８３８３２号にて提案したように、Ｌ
ｉ2Ｏを５〜３０重量％の割合で含有するリチウム珪酸
ガラスやＮａ2 Ｏ、Ａｌ2 Ｏ3 を含有するソーダアルミ
ニウム珪酸ガラス、室温から４００℃までの熱膨張係数
が６ｐｐｍ／℃以上のセラミックフィラーとから構成さ
れるものが挙げられる。室温から４００℃までの熱膨張
係数が６ｐｐｍ／℃以上のセラミックフィラーとして
は、フォルステライト、クリストバライト、クウォー
ツ、スピネル、ネフェリン、アルミナ、ペタライト、エ
ンスタタイト等が挙げられる。
【００２８】また、配線層としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｏ−
Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等が挙げられるが、配線層とし
ての信頼性の点、および高周波用としてはＣｕが最も望
ましく、配線層は、絶縁基板と同時焼成によって形成さ
れることが多層化の上で望ましい。
Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等が挙げられるが、配線層とし
ての信頼性の点、および高周波用としてはＣｕが最も望
ましく、配線層は、絶縁基板と同時焼成によって形成さ
れることが多層化の上で望ましい。
【００２９】一方、放熱体としては、銅を３０〜８０重
量％と、残部が室温から４００℃における熱膨張係数が
６ｐｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との
合金からなる。また、前記絶縁基板が、有機樹脂を主体
する複合材料や、ガラスセラミックス複合材料からなる
場合、それ自体の熱伝導率は低いために半導体装置とし
ての放熱体の熱伝導性はより高いものが要求される。従
って、望ましくは、放熱体の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・
ｋ以上、特に２００Ｗ／ｍ・ｋ以上であることが望まし
い。
量％と、残部が室温から４００℃における熱膨張係数が
６ｐｐｍ／℃以下の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との
合金からなる。また、前記絶縁基板が、有機樹脂を主体
する複合材料や、ガラスセラミックス複合材料からなる
場合、それ自体の熱伝導率は低いために半導体装置とし
ての放熱体の熱伝導性はより高いものが要求される。従
って、望ましくは、放熱体の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・
ｋ以上、特に２００Ｗ／ｍ・ｋ以上であることが望まし
い。
【００３０】なお、銅の含有量を上記の範囲に限定した
のは、３０重量％より少ないと、１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上
の熱伝導率が得られずに本発明の半導体装置に対する放
熱体としての機能が不十分となり、８０重量％を越える
と熱膨張係数を上記の範囲に制御することが困難となる
ためである。
のは、３０重量％より少ないと、１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上
の熱伝導率が得られずに本発明の半導体装置に対する放
熱体としての機能が不十分となり、８０重量％を越える
と熱膨張係数を上記の範囲に制御することが困難となる
ためである。
【００３１】また、熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以下の金
属は、銅の熱膨張係数が非常に大きいために、放熱体の
熱膨張係数を上記のように調整するための必須の成分で
あり、６ｐｐｍ／℃より大きい金属を選択すると、熱膨
張係数を上記の範囲に制御するためには、銅の量を減ら
さねばならないために、放熱体としての熱伝導率を高め
ることができないためである。なお、焼結助剤は主成分
に応じて適切に選択すれば良い。
属は、銅の熱膨張係数が非常に大きいために、放熱体の
熱膨張係数を上記のように調整するための必須の成分で
あり、６ｐｐｍ／℃より大きい金属を選択すると、熱膨
張係数を上記の範囲に制御するためには、銅の量を減ら
さねばならないために、放熱体としての熱伝導率を高め
ることができないためである。なお、焼結助剤は主成分
に応じて適切に選択すれば良い。
【００３２】例えば、銅に対して、熱膨張係数が６ｐｐ
ｍ／℃以下の金属としてタングステンを選択した場合、
焼結助剤金属としては、鉄、ニッケル、コバルトなどの
鉄族元素が最適である。その他、熱膨張係数が６ｐｐｍ
／℃以下の金属としては、モリブデン等が挙げられ、焼
結助剤金属としては、Ｎｉ等の鉄族金属等が最適であ
る。
ｍ／℃以下の金属としてタングステンを選択した場合、
焼結助剤金属としては、鉄、ニッケル、コバルトなどの
鉄族元素が最適である。その他、熱膨張係数が６ｐｐｍ
／℃以下の金属としては、モリブデン等が挙げられ、焼
結助剤金属としては、Ｎｉ等の鉄族金属等が最適であ
る。
【００３３】本発明における放熱体は、上記金属成分の
組成によって、放熱体焼結体の室温から４００℃までの
熱膨張係数の前記絶縁基板との熱膨張差が±０．５ｐｐ
ｍ／℃、特に±０．３ｐｐｍ／℃以下となるように調整
される。本発明の放熱体は、粉末冶金により作製される
ものであり、各金属成分がそれぞれ粒子分散した組織か
ら構成されるために、これらの複合材料の熱膨張係数α
は、一般に次の数１で容易に計算することができる。
組成によって、放熱体焼結体の室温から４００℃までの
熱膨張係数の前記絶縁基板との熱膨張差が±０．５ｐｐ
ｍ／℃、特に±０．３ｐｐｍ／℃以下となるように調整
される。本発明の放熱体は、粉末冶金により作製される
ものであり、各金属成分がそれぞれ粒子分散した組織か
ら構成されるために、これらの複合材料の熱膨張係数α
は、一般に次の数１で容易に計算することができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】また、個々の材料の体積弾性率、剛性率が
著しく異なることのない場合には、次の数２で近似する
ことができる。
著しく異なることのない場合には、次の数２で近似する
ことができる。
【００３６】
【数２】
【００３７】この数１あるいは数２あるいはこの式に準
じた実験式を作製することにより、熱膨張係数を絶縁基
板に正確に一致させることのできる放熱体材料を容易に
決定することができる。
じた実験式を作製することにより、熱膨張係数を絶縁基
板に正確に一致させることのできる放熱体材料を容易に
決定することができる。
【００３８】なお、放熱体を半導体装置に絶縁基板に取
り付ける方法としては、エポキシ系の有機樹脂による接
着や、半田による接合等でも可能である。また、放熱体
に半導体素子を取り付ける場合には、放熱体の熱膨張係
数が大きくても、半導体素子自体が小さいために熱膨張
差による応力も大きくなく、問題となることはないが、
信頼性の点からは、エポキシ系。ポリイミド系の有機系
の樹脂の接着剤あるいはこれにＡｇなどの金属を配合し
たものにより接着することにより、応力が発生した場合
においても接着層により応力が緩和される。
り付ける方法としては、エポキシ系の有機樹脂による接
着や、半田による接合等でも可能である。また、放熱体
に半導体素子を取り付ける場合には、放熱体の熱膨張係
数が大きくても、半導体素子自体が小さいために熱膨張
差による応力も大きくなく、問題となることはないが、
信頼性の点からは、エポキシ系。ポリイミド系の有機系
の樹脂の接着剤あるいはこれにＡｇなどの金属を配合し
たものにより接着することにより、応力が発生した場合
においても接着層により応力が緩和される。
【００３９】上記の実施の形態では、接続端子がボール
状の半田により形成される場合について述べたが、上記
以外にリードレスチップキャリア、クワッドフラットパ
ッケージのように、外部電気回路基板に対して表面実装
されるタイプの接続端子であってもよく、また、ピング
リッドアレイの様にリードタイプの接続端子であっても
よい。
状の半田により形成される場合について述べたが、上記
以外にリードレスチップキャリア、クワッドフラットパ
ッケージのように、外部電気回路基板に対して表面実装
されるタイプの接続端子であってもよく、また、ピング
リッドアレイの様にリードタイプの接続端子であっても
よい。
【００４０】
【実施例】本発明による図１に示す半導体装置を具体的
に製造した。なお、基板の外辺寸法は５ｃｍ×５ｃｍ、
キャビティ内寸法 ２ｃｍ×２ｃｍ、基板厚み３ｍｍの
寸法とし、放熱体は３ｃｍ×３ｃｍ×５ｍｍの寸法とし
た。
に製造した。なお、基板の外辺寸法は５ｃｍ×５ｃｍ、
キャビティ内寸法 ２ｃｍ×２ｃｍ、基板厚み３ｍｍの
寸法とし、放熱体は３ｃｍ×３ｃｍ×５ｍｍの寸法とし
た。
【００４１】（絶縁基板）絶縁基板としては、ガラス−
エポキシ複合材料を絶縁基板として、Ｃｕを内部配線と
して、絶縁基板内への配線密度の異なる複数の基板を作
製し、室温から４００℃までの熱膨張係数が１２．７ｐ
ｐｍ／℃、１３．１ｐｐｍ／℃、１３．７ｐｐｍ／℃の
３種類の配線基板を作製した。
エポキシ複合材料を絶縁基板として、Ｃｕを内部配線と
して、絶縁基板内への配線密度の異なる複数の基板を作
製し、室温から４００℃までの熱膨張係数が１２．７ｐ
ｐｍ／℃、１３．１ｐｐｍ／℃、１３．７ｐｐｍ／℃の
３種類の配線基板を作製した。
【００４２】また、ガラスセラミック複合材料として、
表１に示すような種々の材料を用いた。そして、これら
の組成物を用いてドクターブレード法によりグリーンシ
ートを作製した後、シートの表面に銅ペーストを塗布し
て複数層積層した後、９００〜１０００℃で同時焼成し
た。また、基板の底面には、内部配線層との接続され
た、高温半田からなるボール状の端子電極を取付けた。
表１に示すような種々の材料を用いた。そして、これら
の組成物を用いてドクターブレード法によりグリーンシ
ートを作製した後、シートの表面に銅ペーストを塗布し
て複数層積層した後、９００〜１０００℃で同時焼成し
た。また、基板の底面には、内部配線層との接続され
た、高温半田からなるボール状の端子電極を取付けた。
【００４３】
【表１】
【００４４】（放熱体の作製）放熱体として、銅、低熱
膨張率の金属としてタングステン、焼結助剤金属として
ニッケルを選択した。銅粉末とタングステン粉末とニッ
ケル粉末を所定量だけ調合し、粉末１００重量部に対し
てナイロンボールを１２０重量部加え、乾式にてボール
ミル中で８時間混合を行った。混合を行った粉末を所定
の金型に充填し、１平方ｃｍあたり３ｔの荷重に調整し
た１軸プレスにて加圧を行い成形体を得た。その後、成
形体を水素１２．５体積％、窒素８７．５体積％のフォ
ーミングガス気流中で、組成に応じて１２００〜１３５
０℃の炉中に２時間保持し、材料を焼結させた。この焼
結体を所定寸法に切りだした後、上下面を研磨し、放熱
体とした。そして、これらの放熱体を上記のガラス−エ
ポキシ複合材料製の基板に対してはエポキシ樹脂系接着
剤により、ガラスセラミック複合材料製の配線基板に対
しては高温の半田付けにて接合した。また、半導体素子
の放熱体への取付は、エポキシ系樹脂接着剤により行っ
た。
膨張率の金属としてタングステン、焼結助剤金属として
ニッケルを選択した。銅粉末とタングステン粉末とニッ
ケル粉末を所定量だけ調合し、粉末１００重量部に対し
てナイロンボールを１２０重量部加え、乾式にてボール
ミル中で８時間混合を行った。混合を行った粉末を所定
の金型に充填し、１平方ｃｍあたり３ｔの荷重に調整し
た１軸プレスにて加圧を行い成形体を得た。その後、成
形体を水素１２．５体積％、窒素８７．５体積％のフォ
ーミングガス気流中で、組成に応じて１２００〜１３５
０℃の炉中に２時間保持し、材料を焼結させた。この焼
結体を所定寸法に切りだした後、上下面を研磨し、放熱
体とした。そして、これらの放熱体を上記のガラス−エ
ポキシ複合材料製の基板に対してはエポキシ樹脂系接着
剤により、ガラスセラミック複合材料製の配線基板に対
しては高温の半田付けにて接合した。また、半導体素子
の放熱体への取付は、エポキシ系樹脂接着剤により行っ
た。
【００４５】（試験）上記のようにして作製された半導
体装置に対して、基板自体の反りなどを含む寸法変化
量、および放熱体と絶縁基板との接合部周辺でのクラッ
クの有無について調べた。
体装置に対して、基板自体の反りなどを含む寸法変化
量、および放熱体と絶縁基板との接合部周辺でのクラッ
クの有無について調べた。
【００４６】また、この半導体装置をガラスエポキシ樹
脂の表面に銅箔の配線導体が形成された複合基板からな
る外部電気回路基板（０〜４００℃熱膨張係数１３ｐｐ
ｍ／℃）に半田により実装した後、これを−４０℃と１
２５℃の恒温槽に１５分／１５分の１サイクルとして、
熱サイクル試験を行い電気抵抗に変化が現れるまでのサ
イクル数を表２に示した。
脂の表面に銅箔の配線導体が形成された複合基板からな
る外部電気回路基板（０〜４００℃熱膨張係数１３ｐｐ
ｍ／℃）に半田により実装した後、これを−４０℃と１
２５℃の恒温槽に１５分／１５分の１サイクルとして、
熱サイクル試験を行い電気抵抗に変化が現れるまでのサ
イクル数を表２に示した。
【００４７】
【表２】
【００４８】表２からも明らかなように、絶縁基板と放
熱体との熱膨張差の絶対値が０．５ｐｐｍ／℃よりも大
きい試料Ｎo.２、３、６、８では、いずれも、反りが大
きくなったり、絶縁基板にクラックが発生する等を弊害
が生じた。また、絶縁基板としての熱膨張係数が７．５
ｐｐｍ／℃の試料Ｎo.１０では、外部電気回路基板との
熱膨張差が起因する応力により、熱サイクル試験で電気
抵抗の変化が認められ、十分な信頼性の高いものではな
かった。
熱体との熱膨張差の絶対値が０．５ｐｐｍ／℃よりも大
きい試料Ｎo.２、３、６、８では、いずれも、反りが大
きくなったり、絶縁基板にクラックが発生する等を弊害
が生じた。また、絶縁基板としての熱膨張係数が７．５
ｐｐｍ／℃の試料Ｎo.１０では、外部電気回路基板との
熱膨張差が起因する応力により、熱サイクル試験で電気
抵抗の変化が認められ、十分な信頼性の高いものではな
かった。
【００４９】また、放熱体の組成において、Ｃｕの含有
量が３０重量％より少ない試料Ｎo.３、１３では、熱膨
張係数が９ｐｐｍ／℃より小さくなるか、または熱伝導
率が２００Ｗ／ｍ・Ｋより低くなり、８０重量％を越え
る試料Ｎo.９では、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃を越え
るものとなった。
量が３０重量％より少ない試料Ｎo.３、１３では、熱膨
張係数が９ｐｐｍ／℃より小さくなるか、または熱伝導
率が２００Ｗ／ｍ・Ｋより低くなり、８０重量％を越え
る試料Ｎo.９では、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃を越え
るものとなった。
【００５０】これに対して、絶縁基板の熱膨張係数が９
〜１４ｐｐｍ／℃の範囲で、放熱体との熱膨張差を絶対
値で０．５ｐｐｍ／℃以下とすることにより、反りやク
ラックの発生が解消されると同時に、外部電気回路基板
への実装においても熱サイクルに対して高い信頼性を有
するものであった。しかも、放熱体として３０〜８０重
量％のＣｕを含有するものは、いずれも２００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上の高い熱伝導率−示した。
〜１４ｐｐｍ／℃の範囲で、放熱体との熱膨張差を絶対
値で０．５ｐｐｍ／℃以下とすることにより、反りやク
ラックの発生が解消されると同時に、外部電気回路基板
への実装においても熱サイクルに対して高い信頼性を有
するものであった。しかも、放熱体として３０〜８０重
量％のＣｕを含有するものは、いずれも２００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上の高い熱伝導率−示した。
【００５１】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高熱膨張係数の絶縁基板を有するために、有機樹脂を主
成分とする外部電気回路基板への実装においても高い信
頼性を有すると同時に、さらに絶縁基板との熱膨張差の
小さい放熱体を具備するために、基板と放熱体との熱膨
張差に起因する応力の発生を抑制し、反りやクラックの
発生がなく、且つ高い放熱特性を有する半導体装置を提
供できる。
高熱膨張係数の絶縁基板を有するために、有機樹脂を主
成分とする外部電気回路基板への実装においても高い信
頼性を有すると同時に、さらに絶縁基板との熱膨張差の
小さい放熱体を具備するために、基板と放熱体との熱膨
張差に起因する応力の発生を抑制し、反りやクラックの
発生がなく、且つ高い放熱特性を有する半導体装置を提
供できる。
【図１】本発明の半導体装置と、外部電気回路基板への
実装構造を説明するための概略図である。
実装構造を説明するための概略図である。
１ 半導体装置 ２ 絶縁基板 ３ 配線層 ４ スルーホール ５ キャビティ ６ 蓋体 ７ 放熱体 ８ 接着剤 ９ 半導体素子 １０ 端子電極 １１ 外部電気回路基板 １２ 外部配線層 １３ 半田
Claims (3)
- 【請求項１】配線層を有し、室温から４００℃における
熱膨張係数が９〜１４ｐｐｍ／℃の絶縁基板と、該絶縁
基板の表面に搭載された半導体素子と、前記絶縁基板に
接合された放熱体とを具備してなる半導体装置におい
て、前記放熱体が、銅を３０〜８０重量％と、残部が室
温から４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以下
の低熱膨張金属と、焼結助剤金属との焼結体からなると
ともに、前記絶縁基板との熱膨張差が±０．５ｐｐｍ／
℃であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】前記絶縁基板が、有機樹脂を主成分とする
複合材料またはガラス−セラミックス複合材料からなる
請求項１記載の半導体装置。 - 【請求項３】前記配線層が銅からなる請求項１または請
求項２記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33749995A JP3426827B2 (ja) | 1995-12-25 | 1995-12-25 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33749995A JP3426827B2 (ja) | 1995-12-25 | 1995-12-25 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09181220A true JPH09181220A (ja) | 1997-07-11 |
| JP3426827B2 JP3426827B2 (ja) | 2003-07-14 |
Family
ID=18309234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33749995A Expired - Fee Related JP3426827B2 (ja) | 1995-12-25 | 1995-12-25 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3426827B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003007940A (ja) * | 2001-06-25 | 2003-01-10 | Kyocera Corp | 放熱部材および半導体素子収納用パッケージ |
| US6611056B2 (en) | 1999-03-16 | 2003-08-26 | Hitachi, Ltd. | Composite material, and manufacturing method and uses of same |
| US6909185B1 (en) | 1998-12-07 | 2005-06-21 | Hitachi, Ltd. | Composite material including copper and cuprous oxide and application thereof |
| JP2016216795A (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-22 | 住友金属鉱山株式会社 | スパッタリング用合金ターゲット、及びスパッタリング用合金ターゲットの製造方法 |
-
1995
- 1995-12-25 JP JP33749995A patent/JP3426827B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6909185B1 (en) | 1998-12-07 | 2005-06-21 | Hitachi, Ltd. | Composite material including copper and cuprous oxide and application thereof |
| US6611056B2 (en) | 1999-03-16 | 2003-08-26 | Hitachi, Ltd. | Composite material, and manufacturing method and uses of same |
| US6630734B2 (en) | 1999-03-16 | 2003-10-07 | Hitachi, Ltd. | Composite material, and manufacturing method and uses of same |
| JP2003007940A (ja) * | 2001-06-25 | 2003-01-10 | Kyocera Corp | 放熱部材および半導体素子収納用パッケージ |
| JP4574071B2 (ja) * | 2001-06-25 | 2010-11-04 | 京セラ株式会社 | 放熱部材および半導体素子収納用パッケージ |
| JP2016216795A (ja) * | 2015-05-25 | 2016-12-22 | 住友金属鉱山株式会社 | スパッタリング用合金ターゲット、及びスパッタリング用合金ターゲットの製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3426827B2 (ja) | 2003-07-14 |
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