JPS62263660A - パツケ−ジとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ｒｃ、半導体素子等のチップ実装用のパッ
ケージとその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ＩＣ１半導体素子等のチップの大規模化、高集積化等の
進展により、チップからの熱の放熱等が問題となってき
ており、従来のアルミナ（Ａ１２０３）製のパッケージ
に変わるものとして、■Ｂｅ０１ＡＩＮ、ＳｉＣ等の熱
伝導性の良好なセラミックスバ・７ケージ、■鉄板にほ
うろうがけをしたほうろうパンケージ、■金属基体に絶
８ｉ物を接着剤で接着したパンケージ、■金属基体にセ
ラミックス粉末を溶射したパフケージ、■金属基体にＰ
ＶＤ法、ＣＶＤ法等でセラミックス薄膜を成膜したパン
ケージ、■金属基体の表面に有機高分子の絶縁層を形成
したパッケージ、等が提案検討されている。

〔従来の技術の問題点〕 しかしながら、上記のようなパッケージにはそれぞれ次
のような問題があり、いずれも満足すべきものとは言い
難い。

■　Ｂｅ０５ＡＩＮ、ＳｉＣ等のセラミックスパッケー
ジは、アルミナパッケージに比較して熱伝導性は５〜２
０倍高いが、原料粉末の精製、粉末の粒度制御、成形、
焼結等の工程を経て製作されるため、工程が複雑である
。更に高温下（１５００〜２０００℃）での焼結を行わ
ねばならず、大形パッケージの製作が困難、熱歪みの発
生、コスト高等の欠点がある。特にＢｅＯは熱伝導性が
高いが、有毒物質であり、高価であるため、非常に限定
された分野にしか利用できない。

■　はうろうパンケージは、６５０〜８００°Ｃの高温
でほうろうフリットを溶融するため、絶縁層としてのほ
うろう層が０．５ｍｍ以上と厚く、熱伝導性が劣る。は
うろう層を薄くする（０．１＋＋＋ｍ以下）と、ピンホ
ールの存在により絶縁耐圧が低下して実用化できない欠
点がある。

■　金属基体にアルミナ等の絶縁物を接着したパッケー
ジでは、接着層での熱抵抗が増大すること、接着強度の
ばらつき等の欠点があり実用化はされていない。

■　金属基体にセラミックス粉末を溶射したパッケージ
は、溶射絶縁層にピンホールが多く、絶縁耐圧および絶
縁層表面の平滑性に欠ける等の欠点がある。

■　金属基体にＰＶＤ法、ＣＶＤ法等でセラミックス薄
膜を成膜したパンケージは、セラミックス薄膜の形成に
５００℃以上の高温処理が必要であり、金属基体の選択
余地、基体のなまりによる強度低下等に問題がある。更
に、薄膜と金属基体との密着性が弱く、膜質のばらつき
も大きい等の欠点がある。

■　有機高分子薄膜層を持つパッケージは、高分子の耐
熱性が悪く、熱伝導性が小さく高熱放散性ではあり得な
い等の欠点がある。

一方、上記のような各種パッケージの絶縁物（層）上に
は、通常、チップとの接合や配線回路に用いるための金
属層が形成されているけれども、従来はこれを接着剤、
厚膜法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の技術を用いて形成して
おり、これらに共通する問題として、金属層の絶縁物層
に対する密着性が悪く、例えばリードの半田付は時の熱
応力等で剥離し易いという問題がある。また金属層の密
着性を高めるためには、プロセスの精密制御が必要であ
るためコスト高になるという問題もある。

〔発明の目的〕

そこでこの発明は、電気絶縁性、熱伝導性、信頼性等に
優れていると共に、金属層の密着性が高くて剥離しにく
く、しかも経済性の高いパッケージとその製造方法を提
供することを目的とする。

〔実施例〕

第１図は、この発明に係るパッケージの一例を示す断面
図である。このパッケージはＣｅｒＤＴＰタイプのもの
であって、ＩＣ１半導体素子等のチップ４０搭載用のベ
ースエ０と、当該ベース１０上に被せて内部を封止する
ためのキャップ２０を備えており、そしてリードフレー
ム６０が当言亥パッケージの両側に配列されている。

詳述すると、ベース１０は、チップ４０搭載用の窪みを
有する金属基体１１と、金属基体１１上に形成された電
気絶縁性を有するセラミック層１３と、セラミック層１
３上の周辺部から外周部にかけて所定の回路にパターン
化されて形成された金属層１５と、金属基体１１、セラ
ミック層１３および金属層１５の各界面付近にそれぞれ
形成されていてその１両側の構成物質を含んで成る混合
層１２．１４とを備えている。

そしてこの例では、ベース１０の窪みの部分にチップ４
０が接合材３０で接合、例えばロウ付けされており、チ
ップ４０の電極とパターン化された金属層１５とがＡ　
ｌｌ　％　Ａ　１等のワイヤ５０でそれぞれボンディン
グされており、更にパッケージの両側に導出された金属
層１５にリードフレーム６０がそれぞれ導電接合、例え
ばロウ付けされている。

一方キャップ２０は、箱状をした金属基体２１と、金属
基体２１の前記ベース１０と対向する側の周辺部に形成
された電気絶縁性を有するセラミック層２３と、金属基
体２１とセラミック層２３の界面付近に形成されていて
両者の構成物質を含んで成る混合層２２とを備えている
。

そしてこの例では、当該キャップ２０を、上述のような
チップ４０を搭載して配線したベース１０上に被せて、
両者の間を例えば低融点ガラス等の封止材７０で気密封
止している。

上記金属基体１１．２１の材質としては、熱伝導率が高
くかつ熱膨張率がチップ４０のそれに近いものを選択す
るのが好ましく、例えばＡＩ　、　Ａ１合金、Ｃｕ　Ｓ
Ｃｕ合金、ステンレス、Ｆｅ−４２Ｎｉ、コバール等か
ら選ばれる。この場合、金５基体１１および２１の両者
の材質は、互いに同質でも異質でも良い。また金属基体
１１．２１の形状は、用途等に応じて、図示側以外の種
々のものが採り得る。

セラミック層１３．２３の種類としては、熱伝導性、電
気絶縁性に優れ誘電率が小さくかつ熱膨張率が搭載する
チップ４０のそれに近いものを選択するのが好ましく、
例えば立方晶窒化ホウ素（Ｃ−ＢＮ）、立方晶ＢＮを含
む窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム＜ＡＩＮ）　
、リン化ホウ素（ＢＰ）、ダイヤモンド、ダイヤモンド
類似の炭素、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等から選ばれ
る。

この場合、セラミック層１３および２３の両者の種類は
、互いに同質でも異質でも良い。またこの例では、キャ
ップ２０側においては、その金属基体２１の周辺部にの
みセラミック層２３および混合層２２を形成しているけ
れども、必要に応じて金属基体２１のベース１０と対向
する側の全面にそれらを形成しておいても良い。

金属層１５０種類としては、４電性等に優れたものを選
択するのが好ましく、例えばＷ、Ｍｏ、ＮｉＸＣｕ、、
ＡＩ、Ａｕ、Ａｇ、各種合金等から選ばれる。また当該
金属層１５は、この例ではセラミック層１３上のチップ
４０の接合部付近には形成されていないけれども、必要
に応じてそこにも金属層１５を形成しておいても良い。

尚、この例ではリードフレーム６０は、金属層１５の端
部をベース１０の外周部まで延設しておいてそこで接合
するようにしているけれども、そのようにせずにリード
フレーム６０の端部を折り曲げてベース１０の上面部に
おいて金属層１５と接合するようにしても良い。また上
記では、ＣｅｒＤＩＰ形パンケージを例示したけれども
、この発明はそれに限定されるものではなく、他のタイ
プ、例えばＳＩＰ形、フラット（ＦＰ）形、チンプキャ
リャ形、プラグイン形等のパッケージにも適用すること
ができるのは勿論である。

上記のようなパッケージの特徴を列挙すれば次のとおり
である。

■　ベース１０は、熱伝道性の便れた金属基体１１上に
熱伝導性および電気絶縁性の優れたセラミック層１３を
密着形成したものであるから、電気絶縁性および熱伝導
性に優れている。キャップ２０も同様である。従って、
チップ４０の熱による劣化や誤動作が少なく、高集積化
、高速化が可能である。

■　しかもベース１０においては、金属基体１１とセラ
ミック層１３問およびセラミック層１３と金属層１５間
には接着剤を用いておらず、また混合層１２．１４の存
在によって金属基体１１とセラミック層１３間の界面お
よびセラミック層１３と金属層１５間の界面の組成がそ
れぞれ連続的に変化したものとなるため、金属基体１１
とセラミック１１３間、更にはセラミック層１３と金属
層１５間の熱伝導が非常に良い。キャップ２０において
も同様である。

■　更に、ベース１０においては、混合層１２．１４が
言わば喫のような作用をするので、金属基体１１とセラ
ミック層１３問およびセラミック層１３と金属層１５間
の密着性が高く従ってセラミ・ツク層１３、金属層１５
が剥離しにくい。また金属基体１１とセラミック層１３
問およびセラミック層１３と金属層１５間の熱膨張率の
違いを組成が連続的に変化している混合層１２．１４で
それぞれ吸収できるためクラックの発生も起こらない。

従って信顛性が高い。キャンプ２０においても同様であ
る。

■　ベース１０における金属基体１１上のセラミンク層
１３は十分に薄くすることが可能であり、そのようにす
ればベース１０上に載せられるチップ４０と金属基体１
１との熱伝導を一層良くすることができる。

■　ベース１０、キャップ２０共に、セラミックス基板
単独の場合に比べて、大面積のものを容易にかつ安価に
得ることができる。

次に上記のようなパッケージの製造方法の一例を第２図
を参照して説明する。第２図は、この発明に係る製造方
法を実施する装置の一例を示す概略図である。

まずベース１０側の製造方法について説明すると、前述
したような金属基体１１がホルダ８０に取り付けられて
真空容器（図示省略）内に収納されており、当該金属基
体１１に向けて蒸発源８１およびイオン源８４が配置さ
れている。金属基体１１は、予め表面を研磨および洗浄
しておくのが好ましい。蒸発源８１は例えば電子ビーム
蒸発源であり、蒸発材料８２を加熱蒸気化して蒸着物質
８３を金属基体１１上に蒸着させることができる。

イオン＃８４は例えばバケット型イオン源が好ましく、
それによれば供給されたガスＧをイオン化して均一で大
面積のイオン８５を加速して金属基体１１に向けて照射
することができるので、一度に大面積の処理が可能にな
る。尚、８６は金属基体１１上に形成される薄膜の膜厚
モニタである。

上記蒸着物質８３およびイオン８５の種類は、金属基体
１１上にセラミック層１３　（あるいは後述するように
金属基体２１上にセラミック層２３）を形成する場合は
その種類に応じて例えば次のような組み合わせとする。

■　セラミック層が立方晶ＢＮまたは立方晶ＢＮを含む
ＢＨの場合 蒸着物質８３としてホウ素（Ｂ）。イオン８５として窒
素（Ｎ）イオン。

■　セラミック層がＡＩＮの場合 蒸着物質８３としてアルミニウム（Ａ１）。イオン８５
として窒素イオン。もっともこの場合、金属基体１１が
ＡＩの場合は初期段階では当該金属基体１１上にＮイオ
ンを照射・注入するだけでも良い。その際の注入量は、
例えば１×１０１６〜ｌＸｌ０Ｉ１１イオン／ｃｍ２程
度にするのが好ましい。

そのようにすれば、スパッタを抑え、かつ抵抗率の高い
ＡＩＮを形成することができる。

■　セラミック層がＢＰの場合 蒸着物質８３としてホウ素。イオン８５としてリン（Ｐ
）イオン。またはその逆。

■　セラミック層がダイヤモンドまたはダイヤモンド類
似の炭素の場合 蒸着物質８３として炭素（Ｃ）。イオン８５として炭素
イオン、水素イオン、アルゴン等の不活性ガスイオンの
１種以上、あるいはそれにダイヤモンド形成促進用にケ
イ素イオンを若干加えたもの。

■　セラミック層が５ｉ３Ｎｎの場合 蒸着物質８３としてケイ素。イオン８５として窒素イオ
ン。

処理に際しては、真空容器内を例えば１０−５〜］、ｏ
−７Ｔｏ　ｒ　ｒ程度にまで排気した後、まずセラミッ
ク層１３を形成するために、蒸発源８１からの上述のよ
うな蒸着物質８３を金属基体１１上に蒸着させるのと同
時に、またはそれと交互に、イオン源８４からの上述の
ようなイオン８５を金属基体１１に向けて照射する。こ
れによって金属基体ｌｌ上に、イオン８５の押し込み（
ノックオン）作用により、成膜の初期段階で前述したよ
うな混合層１２が形成され、更に引き続いて前述したよ
うなセラミック層１３が形成され、その結果例えば第１
図に示したようなベース１０のセラミック７ｉ！１３１
Ｎ下の部分が得られる。

上記の場合、蒸着物質／照射イオンの粒子比（組成比）
は、セラミック層１３の種類に応じて適切な値をそれぞ
れ選ぶものとする。

また、イオン８５の加速エネルギーは、５０ＫｅＶ程度
以下にするのが好ましい。これは、エネルギーがそれ以
上になると、イオン８５のスパッタ作用により平滑な膜
面が得られなくなる恐れがあると共に、セラミック層１
３の内部に欠陥等の損傷部が多くなって良質のセラミッ
ク層１３が得られなくなる恐れがあるからである。

更に、金属基体１１の表面を加熱手段（図示省略）によ
って例えば数百〜５００°Ｃ程度にまで加熱しながら膜
形成をしても良く、そのようにすれば上記損傷部や注入
イオンによるボリュームを軽減させることができると共
に、膜形成の反応を促進することができる場合もある。

そして上記のようにしてセラミックＩ’ｉ１３を形成し
た後、例えば上記のような蒸発源８１およびイオン［８
４を用いて、セラミック層１３に対して金属蒸気の蒸着
を行い、かつその後交互にまたはそれと同時に、加速さ
れた不活性ガスイオンの照射を行う。この場合、蒸着物
質８３としては例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＡＩ、
Ａｕ、Ａｇ、各種合金等を用いる。またイオン８５とし
ては、例えばアルゴン、キセノン、窒素等の不活性ガス
イオンを用いる。以上によって、セラミック層１３上に
金属層１５が、かつその界面付近に混合層１４が形成さ
れる。

上記金属層１５を所定回路にパターン化する方法として
は、所定のパターンをしたマスクを介して上記蒸着とイ
オン照射とを行っても良く、そのようにすれば別工程を
要することなく簡単に、セラミック層１３上の一部分に
電気回路としてパターン化された金属層１５を形成する
ことができる。

もっとも、所定の電気回路パターンを得る方法としては
、上記のようにして金属層１５を形成した後、従来技術
であるエツチング法等によってそれをパターン化しても
良い。以上の結果例えば第１図に示したようなベース１
０が得られる。

上記の場合、金属層１５の蒸着膜厚は、照射するイオン
８５の飛程（平均射影飛程）程度とするのが好ましい。

そのようにすれば、金属層１５とセラミック層１３のち
ょうど界面付近に効果的に混合層１４を形成することが
できるからである。

尚、混合層１４を形成した後に更に金属層１５の厚みを
成長させる蒸着を行っても良い。

またイオン８５の加速エネルギーは、５０Ｋｅ■程度以
下にするのが好ましい。これは、エネルギーがそれ以上
になると、イオン８５のスパッタ作用により平滑な膜面
が得られなくなる恐れがあるからである。

更に上記処理は、セラミック層１３の表面を加熱手段（
図示省略）によって数百〜４００　’Ｃ程度にまで加熱
しながら行っても良く、そのようにすれば金属層１５と
セラミック層１３とのなじみを良くして混合層１４を効
率良く形成することができる。

次にキャップ２０の製造方法について説明すると、例え
ば第２図のホルダ８０に前述したような金属基体２１を
取り付け、上述したベース１０の製造の場合と同様に、
金属基体２１に対して前述したような蒸着物質８３の蒸
着と加速されたイオン８５の照射とを行うことによって
、当該金属基体２１上にセラミック層２３を、かつ両者
の界面付近に混合層２２を形成する。これによってキャ
ップ２０が製造される。この場合、金属基体２１の周辺
部のみにセラミック層２３等を形成する場合は、マスク
等を使用しても良い。その池詳細は、前述したベース１
０のセラミック層１３および混合層１２形成の場合と同
様であるので、ここではその説明を省略する。

尚、上記金属基体２１上へのセラミック層２３等の形成
は、前述した金属基体１１上へのセラミック層１３等の
形成と同時に行うこともできるし、別工程で行っても良
い。

そして上記のようにしてベース１０およびキャップ２０
を形成した後は、それらを使用して、前述したような公
知の手段で、ベース１０の金属層１５とリードフレーム
６０とを接合し、ベース１０にチップ４０を搭載し、チ
ップ４０と金属層１５とをワイヤボンドし、キャップ２
０を被せて封止材７０で封止することにより、第１図に
示したようなデバイスを得ることができる。

上記のような製造方法の特徴を列挙すれば次のとおりで
ある。

■　比較的低温（例えば数百℃以下）で処理できるため
、熱による歪み、クランクの発生が無く、良質のパッケ
ージが得られる。

■　不純物が少なく、膜質、膜厚の均一なセラミック層
１３．２３が得られるため、電気絶縁性および熱伝導性
に優れたパッケージが得られる。

■　セラミック層１３．２３として薄いものを形成可能
であり、従ってこの点からも熱伝導性の高いパッケージ
が得られる。

■　混合層重２．１４．２２によって密着性の高いセラ
ミック層１３．２３および金属層１５が得られるので、
各層が剥離しに＜＜、信頼性の高いパッケージが得られ
る。

■　表面の平滑性の良いセラミック層１３が得られるた
め、チップ４０との密着性や熱伝導性の良いパッケージ
が得られる。

■　一度に大面積の処理が可能であり、また工程も簡単
であるため、パッケージの低コスト化が可能である。

■　マクスを用いて金属層１５のパターン化を行えば、
微細パターン化が可能であり、その結果多ピン化が容易
となってより集積度の高いＩＣチップ等を実装すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、電気絶縁性、熱伝導性
、信頼性等に優れていると共に、金属層の密着性が高く
て剥離しにくく、しかも経済性の高いパッケージが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係るパッケージの一例を示す断面
図である。第２図は、この発明に係る製造方法を実施す
る装置の一例を示す概略図である。 １０・・・ベース、２０・・・キャップ、１１．２１・
・・金属基体、１２．１４．２２・・・混合層、１３．
２３・・・セラミック層、１５・・・金属層、４０・・
・チップ、８３・・・蒸着物質、８５．・・イオン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）チップ搭載用のベースと当該ベース上に被せるキ
   ャップを備えるパッケージにおいて、前記ベースが、金
   属基体と、金属基体上に形成された電気絶縁性を有する
   セラミック層と、セラミック層上の所定領域にパターン
   化されて形成された金属層と、金属基体、セラミック層
   および金属層の各界面付近にそれぞれ形成されていてそ
   の両側の構成物質を含んで成る混合層とを備えており、 前記キャップが、金属基体と、金属基体上の前記ベース
   と対向する側の少なくとも周辺部に形成された電気絶縁
   性を有するセラミック層と、金属基体とセラミック層の
   界面付近に形成されていて両者の構成物質を含んで成る
   混合層とを備えることを特徴とするパッケージ。
2. （２）チップ搭載用のベースと当該ベースに被せるキャ
   ップを備えるパッケージの製造方法において、 前記ベースを製造する工程として、真空中において、金
   属基体に対して蒸気化された物質の蒸着と加速されたイ
   オンの照射とを行うことによって、当該金属基体上に電
   気絶縁性を有するセラミック層を、かつ両者の界面付近
   に両者の構成物質を含んで成る混合層を形成する工程と
   、当該工程によって形成されたセラミック層に対して金
   属蒸気の蒸着と加速された不活性ガスイオンの照射とを
   行うことによって、セラミック層上に金属層を、かつ両
   者の界面付近に両者の構成物質を含んで成る混合層を形
   成する工程と、当該金属層をパターン化する工程とを備
   えており、 前記キャップを製造する工程として、真空中で金属基体
   の少なくとも周辺部に対して、蒸気化された物質の蒸着
   と加速されたイオンの照射とを行うことによって、当該
   金属基体上の少なくとも周辺部に電気絶縁性を有するセ
   ラミック層を、かつ両者の界面付近に両者の構成物質を
   含んで成る混合層を形成する工程を備えていることを特
   徴とするパッケージの製造方法。