JPH0363824B2 - - Google Patents

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JPH0363824B2
JPH0363824B2 JP58175958A JP17595883A JPH0363824B2 JP H0363824 B2 JPH0363824 B2 JP H0363824B2 JP 58175958 A JP58175958 A JP 58175958A JP 17595883 A JP17595883 A JP 17595883A JP H0363824 B2 JPH0363824 B2 JP H0363824B2
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Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕 本発明は集積回路パツケージに係り、特にセラ
ミツクスパツケージに放熱フインなどの放熱体が
接合された放熱性のよい集積回路用パツケージに
関する。 〔発明の背景〕 セラミツクス系の絶縁基板、封止部材、封止用
ガラスおよび放熱フインからなるパツケージによ
つて気密に囲われた小室内に、半導体素子並びに
外部から導入されたリード端部と両者を電気的に
接続した接合部とを収容した構造になる集積回路
パツケージ（パツケージされた集積回路製品を指
す）は今日広く使われている。 そのようなセラミツクスのパツケージを用いた
際の難点として、半導体素子に生じた熱の放熱特
性が極めて悪いという問題が指摘されている。こ
のことは半導体素子の大容量化、高集積化および
小型化を図るうえで大きな障害となつている。従
つて、集積回路パツケージにおいて、半導体素子
をとりつける絶縁基板に使われるセラミツクスに
は電気絶縁性とともに優れた熱伝導性を有するこ
とが要求される。また、基板用材料としては、熱
膨脹係数がケイ素半導体のそれに近似すること、
大きな機械的強度を有することなどの条件を満す
ことも望まれる。 現在、これらの条件にある程度かなう絶縁基板
材料として、アルミナ焼結体が使用されている。
しかし、その熱伝導率は低く0.05cal／cm・ｓ・
℃程度である。従つて、アルミナ焼結体は半導体
素子の熱放散特性の観点からは好ましい材料では
ない。他方、セラミツクス、パツケージを用いな
がら半導体素子の熱放散特性を構造面から改善す
る提案として、第１図に示すように、絶縁基板４
を貫通してパツケージの外部に延びる銅スタツド
３１の上に、半導体素子１を取り付ける方法が知
れている（IEEE Vol CHT）−４、No.２、166
（1981）。基板４、キヤツプ５よりなる封止部材お
よび封止用ガラス６からなるパツケージ内におい
て、半導体素子１は銅スタツド３１に両者間の熱
膨脹の差に起因する応力を緩和するためにモリブ
デン製支持板３２を介して接着され、該素子１
は、基板４上に接着されたリード片３の端部にボ
ンデイングワイヤ２によつて電気的に接続されて
いる。半導体素子１に発生した熱は支持板３２、
銅スタツド３１を経てパツケージ外伝わり、さら
に、冷却フイン９によつて放散される。このよう
な構造にあつては、半導体素子１から冷却フイン
９に至る伝熱路が全て、熱伝導性の優れた金属か
らなるので、高い熱放散特性をもつ集積回路パツ
ケージが得られる。 しかし反面、この方式には(1)部品点数が増加
し、構造が複雑であるために組立て工数が多くな
ること、(2)銅、モリブデンなどの比重の大きい部
品を使用するために製品が重くなり、プリント配
線板等への取付けが面側になるなどの欠点があ
る。 このような状況を打開すべく、本発明者らは種
種研究を進め、既述の条件にそつて従来に勝る高
い熱伝導率とケイ素に近似した熱膨脹係数を有す
る炭化ケイ素質セラミツクスを開発し、それを絶
縁基板に適用して、熱放散特性の良好な集積回路
パツケージの製作を可能にした。（特開昭58−
7306）＝特開昭59−134852号公報 しかし、該炭化ケイ素質基板の適用に関する検
討の進行に伴い、炭化ケイ素質基板に放熱用の冷
却用のAl材質のフインをエポキシ系接着剤で取
り付け冷熱サイクルをかけるとガラスで封止した
パツケージのガラス層に亀裂を生ずるという問題
が起つた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、炭化ケイ素質基板などの熱放
散特性に優れた絶縁基板と冷却フインなどの放熱
体との接合部の信頼性を高めた集積回路パツケー
ジを提供することにある。 〔発明の概要〕 上記した封止用ガラスに生ずる亀裂は、炭化ケ
イ素質基板とAl製フインとの熱膨脹の差に起因
する熱応力によるものと考えられる。 そこで炭化ケイ素質基板なでの絶縁基板とAl
製フインなどの放熱体との接合強度を維持しつ
つ、両者の熱膨張の差に起因する熱応力を緩和す
るために、弾力性の高い所定の接着剤を用いるこ
とによつて上記した目的が達成しうることを見い
出した。 本発明は、このような知見から到達されたもの
であつて、絶縁基板、封止部材および封止用ガラ
スによつて気密に囲まれたケース内に、前記絶縁
基板に搭載された半導体素子と前記ケース外から
導入された電気的リードの端部と前記半導体素子
および前記電気的リードの端部を接続する接続部
とが、収納され、前記絶縁基板のケース外側に相
当する面に放熱体が接合されてなる集積回路パツ
ケージにおいて、前記絶縁基板と前記放熱体とを
膜が形成された状態で弾力性を有する弾性接着剤
を介して接合したことを特徴とする集積回路パツ
ケージである。 本発明において、半導体素子が搭載される絶縁
基板には、熱伝導率が大きく、半導体素子の熱膨
脹係数に近い熱膨脹係数を有する絶縁基板が用い
られる。このような絶縁基板としては、炭化ケイ
素質セラミツクス基板、ベリリア系セラミツクス
基板がよい。特にベリリウムおよびベリリウム化
合物のうちから選ばれた少なくとも１種をベリリ
ウム量にして0.05〜５重量％を含み炭化ケイ素を
主成分とする絶縁性の炭化ケイ素質セラミツクス
であつて、かつ、理論密度の90％以上の相対密度
を有する焼結体が有効である。この焼結体の熱膨
脹係数は35〜40×10-7／℃であつてケイ素の熱膨
脹係数値に近く、また、その熱伝導率は0.2〜
0.7cal／cm・ｓ℃である。この値は従来のアルミ
ナセラミツクス基板の熱伝導率の４倍から12倍の
値である。また、該炭化ケイ素セラミツクスの熱
膨脹係数がケイ素のそれに近いので半導体素子が
絶縁基板に接着層を介してとりつけられた場合
に、両者の熱膨脹の差によつて生ずる熱応力は小
さい。従つて、第１図のような応力緩衝材を基
板・素子間に挿入することも必要としない。また
前記の炭化ケイ素質セラミツクスを絶縁基板に用
いると、半導体素子の熱放散性を高める上で好適
である。したがつて、このような炭化ケイ素質セ
ラミツクス基板上に直接半導体素子を搭載し、更
に炭化ケイ素質セラミツクス基板に放熱体を接着
剤を介して接合することにより半導体素子に発生
する熱を効率よく放熱することが可能となる。 本発明において、放熱体には従来用いられてい
る材料をいずれも用いることができる。例えば軽
量で熱伝導性がよい点からアルミ材料が好適であ
るが、銅材料や他の金属、及び合金も使用でき
る。また放熱体は、板状でもよいが、熱放散性の
点からフイン構造を有するものが好適である。 このような放熱体と炭化ケイ素質セラミツクス
などからなる絶縁基板とを接合するための接着剤
には、接着剤層としての膜を形成した状態で弾力
性を有する弾性接着剤を用いる。この弾性接着剤
の層によつてパツケージと放熱体との熱膨脹差に
伴う熱応力を緩和することができる。弾性接着剤
として具体的に何を用いるかは、前記熱応力の緩
和作用を発揮し得るものを用いることになる。従
つて例えばエポキシ系接着剤のように膜の状態で
硬いものは除かれる。その判断の一つの目安とし
てヤング率を用いることができる。ヤング率が
500Kg／cm2以下の弾力性を有する接着剤を用いれ
ば前記熱応力の緩和作用を発揮し得ることを発明
者は確認した。 すなわち、例えば炭化ケイ素基板とキヤツプ材
とからなるパツケージの熱膨脹係数は、炭化ケイ
素基板の熱膨脹係数に影響され、35〜40×10-7／
℃である。一方、アルミニウム材料からなる放熱
体の熱膨脹係数は237×10-7／℃、銅材料からな
る放熱体の熱膨脹係数は170×10-7／℃である。
このようにパツケージと放熱体との間の熱膨脹係
数の差は大きいため、使用時の温度変化により熱
応力が発生する。この熱応力は弾力性を有する接
着剤により緩和される結果、パツケージの封止用
ガラスのクラツク、放熱体接合部の接着剤の剥離
などの発生を防止できる。 ヤング率が500Kg／cm2以下の接着剤としては、
シリコーン系、ニトリルゴム・フエノール系、ネ
オプレン・フエノール系が挙げられ、特にシリコ
ーン系接着剤が接着強度、耐熱性の面から好適で
ある。これらの接着剤には熱伝導性を向上させる
点から、アルミナ（Al2O3）、ベリリア（BeO）、
炭化ケイ素（SiC）、シリカ（SiO2）、ボロンナイ
トライド（BN）などのフイラを充填することが
できる。本発明において、接着剤のヤング率は、
上記のようなフイラが充填された場合、フイラを
含む接着剤で膜を形成したときのヤング率を示
す。 フイラの充填によつて接着剤層の熱伝導性は向
上するが、フイラの充填量が多すぎると、接着強
度を損うので熱伝導性および接着強度などを考慮
し、適正な充填量を選定すべきである。 〔発明の実施例〕 第２図は本発明の集積回路パツケージの一例を
示す。第２図において、炭化ケイ素質セラミツク
スからなる基板４の一方の面の中央部に半導体素
子１が金属ソルダ層７によつて接着され、同面上
に封止ガラス層６によつて接着された複数個のリ
ード片３の一端と半導体素子１との間は、ボンデ
イングワイヤ２によつて電気的に接続されてい
る。リード片３の他の端は基板４の周縁から外方
に延びている。素子１、ボンデイングワイヤ２お
よびリード片３の端部は絶縁基板４とキヤツプ５
より成る封止部材によつて囲われ、該キヤツプ５
と基板４およびリード片３との間隙はソルダガラ
ス層６を介して気密に封着されている。また、冷
却フイン９は基板４の他の裏面に接着剤で接着さ
れる。 この中で使用される材料の中で基板に用いる炭
化ケイ素質セラミツクスはベリリウム量にして
0.05〜５重量％の酸化ベリリウムを含むほかは実
質的に炭化ケイ素からなり、理論密度の90％以上
の密度をもつ焼結体である。それは抵抗率（室温
103Ω−cm以上の電気絶縁性と、熱伝導率0.2〜
0.7cal／cm・ｓ・℃、曲け強さ30Kgｆ／mm2以上、
熱膨脹係数35×10-7／℃という特性をもつてい
る。 キヤツプ材は炭化ケイ素質セラミツクスに近い
熱膨脹係数をもつムライト系セラミツクス（熱膨
脹係数40〜55×10-7／℃）、炭化ケイ素質セラミ
ツクス（33〜40×10-7／℃）、コージエライト質
セラミツクス（25×35×10-7／℃）などが用いら
れる。封止ガラスはパツケージに入れられるシリ
コン半導体チツプは高密度になり接合幅が狭くな
つてきているため、その耐熱性が455℃以下に限
定されている。このため封止用ガラスは少なくと
も455℃以下で封止できることが要求される。ま
た、熱膨脹係数は基板の炭化ケイ素及びキヤツプ
材料の熱膨脹係数に近い40〜55×10-7／℃をもつ
ガラスが要求される。このようにに封止温度が低
く、且つ熱膨脹係数が低いガラスは単独では得ら
れず、低熱膨脹を示すβ−ユークリプタイト、チ
タン酸鉛またはその両者を含むホウ酸鉛系のガラ
スが使用される。 冷却用のフイン材には熱伝導性、価格などの点
からアルミニウムが使用される。 第１表はパツケージの構成を同一にして、ヤン
グ率の異なる接着剤を用いて作製したパツケージ
の−55℃〜＋150℃の冷熱サイクル100回かけた後
のパツケージの破損及びHeリークの有無をみた
ものである。
【表】 ヤング率2000Kg／cm2以上のエポキシ樹脂系、フ
エノール樹脂系、メラミン樹脂系及びブタジエ
ン・スチレン系接着剤を用いたパツケージは封止
後のリーク及び亀裂はないが温度サイクル後、ガ
ラスによつて封止した部分６に亀裂が入りはがれ
を生ずるか、またはHeリークがみられるものが
ある。接着剤のヤング率が500Kg／cm2以下のシリ
コーン系、ニトリルゴム、フエノール系及びネオ
ブレン・フエノール系接着剤はアルミニウム製冷
却フインを接続した後、−55℃〜＋150℃の冷熱サ
イクルを100回かけた後もガラス部に亀裂または
Heリークがみられず信頼性のあるパツケージが
得られる。 第２表は、シリコーン系接着剤にフイラを充填
した際、接着剤膜のヤング率を示したものであ
る。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、絶縁基板と放熱
体は弾力性を有する接着剤によつて接合されてい
るので両部材の熱膨脹の差による熱応力を緩和で
きるので接合部の信頼性が高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の集積回路パツケージの断面図、
第２，３，４図はそれぞれ本発明の集積回路パツ
ケージの断面図である。 １……半導体素子、２……ボンデイングワイ
ヤ、３……リード片、４……絶縁基板、５……キ
ヤツプ、６……封止ガラス、７……金属ソルダ
層、８……メタライズ層、９……冷却フイン、１
０……接着剤層、１１……リードフレーム、３２
……モリブデン板、３１……銅スタツド。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁基板、封止部材および封止用ガラスによ
    つて気密に囲まれたケース内に、前記絶縁基板に
    搭載された半導体素子と前記ケース外から導入さ
    れた電気的リードの端部と前記半導体素子および
    前記電気的リードの端部を接続する接続部とが収
    納され、前記絶縁基板のケース外側に相当する面
    に放熱体が接合されてなる集積回路パツケージに
    おいて、前記絶縁基板と前記放熱体とを膜が形成
    された状態で弾力性を有する弾性接着剤を介して
    接合したことを特徴とする集積回路パツケージ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記接着剤
    はフイラ入り接着剤であることを特徴とする集積
    回路パツケージ。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記絶縁基
    板が、炭化ケイ素質基板であることを特徴とする
    集積回路パツケージ。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記接着剤
    が、シリコーンゴム系接着剤であることを特徴と
    する集積回路パツケージ。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記放熱体
    が、フイン構造を有することを特徴とする集積回
    路パツケージ。 ６ 特許請求の範囲第３項において、前記炭化ケ
    イ素質基板が、ベリリウムおよびベリリウム化合
    物のうちから選ばれた少なくとも１種をベリリウ
    ムとして0.05〜５重量％を含み、残余が実質的に
    炭化ケイ素からなり、かつ理論密度の90％以上の
    密度を有する焼結体であることを特徴とする集積
    回路パツケージ。 ７ 特許請求の範囲第４項において、前記シリコ
    ーンゴム系接着剤が、シリコーンゴムに熱伝導性
    フイラを含有させてなることを特徴とする集積回
    路パツケージ。
JP58175958A 1983-09-22 1983-09-22 集積回路パツケ−ジ Granted JPS6066843A (ja)

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DE8484111297T DE3469646D1 (en) 1983-09-22 1984-09-21 Integrated circuit package (1111111)
EP84111297A EP0137385B1 (en) 1983-09-22 1984-09-21 Integrated circuit package (1111111)
US07/364,537 US4965660A (en) 1983-09-22 1989-06-12 Integrated circuit package having heat sink bonded with resinous adhesive

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EP (1) EP0137385B1 (ja)
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