JPH06140527A - 半導体用封止装置部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＡｌＮ回路基板とメタルフレームの熱膨張係
数差による熱応力を緩和して接合部におけるクラックを
なくし、同時にメタルリードの封止部においても熱応力
や抵抗発熱によるクラックを防止して、半導体素子を直
接搭載できる気密封止性に優れた半導体用封止装置部品
を提供する。 【構成】 ＡｌＮ回路基板１とメタルフレーム２とが間
に軟質金属枠体３を介在してロウ付け接合され、ＡｌＮ
回路基板１にＷ又はＭｏからなるメタルリード５を挿通
してロウ付け封止するか、若しくはメタルフレーム２に
挿通部分がメタルフレーム２と同系の熱膨張係数が近似
した金属で且つ他の部分が銅又は銅合金からなる複合メ
タルリードを挿通してガラス封止した半導体用封止装置
部品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム回路
基板に搭載された半導体素子を気密封止するための半導
体用封止装置の部品であり、特に優れた接合強度と気密
封止性を確保できる半導体用封止装置部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板に搭載された集積回路等の半導体素
子は、外的雰囲気や機械的衝撃から保護するためキャッ
プ等の封止装置部品により気密封止されるが、最近の半
導体素子の高集積化及び大型化に伴って、熱放散性に優
れた封止装置の開発が急務となっている。

【０００３】そこで、基板やキャップ等の材質として高
熱伝導率の材料を用いることが注目され、金属材料では
Ｃｕ−Ｗ合金やＣｕ−Ｍｏ合金等が使用され、セラミッ
クス材料ではベリリア（ＢｅＯ）や窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）等が検討されているが、ベリリアは毒性や供
給不安定等の点で問題があるため、最近ではＡｌＮが最
も有力視されている。

【０００４】Ａｌ₂Ｏ₃やＡｌＮ等のセラミック基板を用
いた封止装置の代表的な例として、特公平３−８１３０
４号公報に、枠状のメタルフレームに設けた貫通孔にメ
タルリードを挿通し、両者の間をガラス封止した後、こ
のメタルフレームをハイブリッドＩＣ等が搭載されたセ
ラミック回路基板に直接ハンダ付けする構造が開示され
ている。

【０００５】しかしながら、メタルフレームをＡｌＮ基
板にハンダ付けする場合、ハンダ層にブローホールが発
生し、その部分で熱抵抗が増大しやすいうえ、従来から
メタルフレームとして主に使われているコバールや４２
アロイ等と基板のＡｌＮとの熱膨張係数のミスマッチに
より、熱ストレスが生じてハンダ又はＡｌＮ回路基板に
クラックが発生しやすく、そのため気密封止性が損なわ
れる欠点があった。

【０００６】一方、Ｃｕ−Ｗ合金やＣｕ−Ｍｏ合金の基
板を用いた封止装置の代表的な例として、特開昭６４−
４７０５６号公報に、メタルリードをガラス封止したメ
タルフレームをＣｕ−Ｗ合金等の金属基板に銀ロウ付け
するか、又はＣｕ−Ｗ合金等の金属基板の貫通孔にメタ
ルリードをガラス封止し、これにメタルフレームを銀ロ
ウ付けした装置が開示されている。

【０００７】しかし、Ｃｕ−Ｗ合金やＣｕ−Ｍｏ合金等
の基板を用いると、これらの合金の比重が大きいために
基板自体の重量が大きくなり、半導体装置が重くなって
しまう問題があった。更に、Ｃｕ−Ｗ合金やＣｕ−Ｍｏ
合金は絶縁性ではないから、半導体素子を搭載するため
に絶縁回路基板をＣｕ−Ｗ合金やＣｕ−Ｍｏ合金等とハ
ンダ等で張り合わせる必要があり、このためコスト増を
招くばかりか、接合界面が増えるため信頼性の低下及び
熱抵抗の増大が懸念される。

【０００８】又、Ｃｕ−Ｗ合金等の基板を用いた封止装
置においても、使用されるメタルリードは特別のもので
はなく通常のコバールや４２アロイが一般的である。し
かし、コバールや４２アロイは電気抵抗が比較的高いた
め、大出力トランジスター等を搭載した場合にはメタル
リードが抵抗発熱によって赤熱するほど温度上昇する結
果、メタルリードのガラス封止にクラックが生じて気密
封止性が失われるという欠点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、ＡｌＮ回路基板とメタルフレームの熱膨
張係数差による熱応力を緩和して接合部におけるクラッ
クをなくし、同時にメタルリードの封止部においても熱
応力や抵抗発熱によるクラックを防止して、気密封止性
に優れ、且つ半導体素子を直接搭載することができ、コ
スト並びに信頼性に優れた半導体用封止装置部品を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する半導体用封止装置部品では、窒化
アルミニウム回路基板と低熱膨張金属からなるメタルフ
レームとが間に軟質金属枠体を介在させてロウ付け接合
され；同時に(１)この窒化アルミニウム回路基板の貫通
孔にタングステン又はモリブデンからなるメタルリード
を挿通してロウ付け封止するか、若しくは(２)前記メタ
ルフレームの貫通孔に挿通部分がメタルフレームと同系
の熱膨張係数が近似した金属からなり且つ他の部分が銅
又は銅合金からなる複合メタルリードを挿通してガラス
封止したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明が気密封止性に優れた半導体用封止装置
部品を提供するための改良点の一つは、ＡｌＮ回路基板
又はメタルフレームに挿通させるメタルリードを、少な
くともその挿通部分においてＡｌＮ又はメタルフレーム
の材質と熱膨張係数の近似した材質とすることにより、
熱応力を低減させて封止部におけるクラックの発生を防
止する点にある。

【００１２】具体的には、ＡｌＮ回路基板にメタルリー
ドを挿通する場合には、ＡｌＮの熱膨張係数４.５×１
０^-6／℃に近い熱膨張係数を有するタングステン（同
４.５×１０^-6／℃）又はモリブデン（同３.７〜５.３
×１０^-6／℃）からなるメタルリードを使用する。上記
のごとくＷ及びＭｏはＡｌＮと熱膨張係数が近似してい
るため、ロウ付け時における熱応力の発生が緩和され、
ロウ付け部分やＡｌＮ回路基板にクラックが発生するこ
とがない。

【００１３】又、メタルリードとなるＷ及びＭｏは電気
抵抗が小さいため、大出力のトランジスター等を搭載し
て大電流を流しても発熱すことがなく、従ってＡｌＮ回
路基板へのＷ又はＭｏのメタルリードのロウ付け部分に
おける剥離等を防止できる。しかし、メタルリードのＡ
ｌＮ回路基板への直接的なロウ付けは難しいので、その
貫通孔の内側面にＷ等のメタライズ処理を施し、更にそ
の上にニッケル等のメッキを施すことが好ましい。

【００１４】一方、メタルフレームにメタルリードを挿
通してガラス封止する場合には、メタルフレームの貫通
孔への挿通部分がメタルフレームと同系の熱膨張係数が
近似した金属からなり、且つ他の部分が銅又は銅合金か
らなる複合メタルリードを用いる。例えばメタルフレー
ムがコバールの場合には、その貫通孔への挿通部分がコ
バールであり、他の部分が銅又は銅合金の複合メタルリ
ードとする。かかる複合メタルリードは、各部分をシー
ム溶接や電気抵抗溶接等の溶接により接合して作製す
る。

【００１５】複合メタルリードによれば、メタルフレー
ムへの挿通部分がコバールや４２アロイ等のメタルフレ
ームと同じか又は近似した熱膨張係数を有するので、メ
タルリードとメタルフレームとのガラス封止時及びメタ
ルリードをガラス封止したメタルフレームとＡｌＮ回路
基板とのロウ付け時における熱応力の発生が緩和され、
封止ガラスにクラックが発生することがない。又、挿通
部分以外のメタルリードの大部分は銅又は銅合金からな
るので、メタルリードの抵抗発熱を少なくすることがで
き、大出力トランジスター等を搭載した場合でもメタル
リードのガラス封止部分でのクラック発生を防止でき
る。

【００１６】本発明の他の改良点は、メタルフレームと
ＡｌＮ回路基板との間に軟質金属枠体を介在させること
により、熱膨張係数差による熱応力を緩和する点にあ
る。ＡｌＮ蓋体とコバール製の金属枠体（メタルフレー
ム）の間に、Ｃｕ等からなる軟質金属枠を介在させるこ
とにより熱応力を緩和する方法は、実開平１−１７６９
３９号公報や特開平１−２５３９４４号公報に提案され
ているが、本発明ではかかる軟質金属枠体による熱応力
緩和をＡｌＮ回路基板とメタルフレームのロウ付け接合
に適用した。

【００１７】即ち、ＡｌＮ回路基板とメタルフレームの
間に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等の軟質金属枠体を介在させて
ロウ付け接合すれば、ＡｌＮ回路基板とコバールや４２
アロイ等からなるメタルフレームとの熱膨張係数のミス
マッチによる熱応力が緩和され、ロウ付け部分へのクラ
ックの発生を防止することができるので、優れた気密封
止性を達成できる。又、使用するロウ材も少量ですむほ
か、ロウ付け接合によればハンダ付けの場合のようなブ
ローホールの発生がないので、信頼性が高く、放熱性の
低下を招く恐れもない。

【００１８】軟質金属枠体の厚さは０.０５〜３.０ｍｍ
の範囲が好ましい。軟質金属枠体の厚さが０.０５ｍｍ
未満では熱応力を緩和することができず、３.０ｍｍを
越えると熱応力の緩和能は有するものの軟質金属枠体自
体の強度が増大し、ＡｌＮ回路基板に悪影響を及ぼすた
めである。更に具体的には、メタルフレームの外形寸法
が縦横２０ｍｍ以下の場合には軟質金属枠体の厚さを
０.０５〜１.０ｍｍの範囲とすることが好ましく、外形
寸法が縦横２０ｍｍを越える場合には１.０〜３.０ｍｍ
の範囲とすることが好ましい。

【００１９】尚、本発明の封止装置部品において、メタ
ルフレームを構成する材料については、従来から使用さ
れている公知の低熱膨張性の金属材料、例えば４２アロ
イやコバール等のＦｅ−Ｎｉ系合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ系合金、Ｃｕ−Ｗ系合金若しくはＣｕ−Ｍｏ系合金等
を使用できる。又、使用するロウ材としては銀ロウが好
ましい。

【００２０】

【実施例】実施例１ ＡｌＮのグリーンシートにＷペーストをスクリーン印刷
することにより、所定の配線パターン及びメタルフレー
ム接合部のパターン等を形成し、これらを５層積層し
た。積層グリーンシートにパンチによりメタルリード挿
通用の貫通孔を所定数設け、その内側面にＷペーストを
塗布した後、乾燥及び脱バインダー工程を経て、窒素ガ
ス中１８５０℃で６０分間焼成した。その後、Ｗのメタ
ライズ層上に無電解Ｎｉメッキを施して、主面及び内部
に配線を有する多層のＡｌＮ回路基板を作製した。この
ＡｌＮ回路基板は熱伝導率が１６０〜１８０Ｗ／ｍＫ
で、縦×横×高さの外形寸法が３０ｍｍ×６０ｍｍ×２
ｍｍである。

【００２１】次に、図１に示すように、このＡｌＮ回路
基板１の主面上の所定位置に、縦×横×高さが２８ｍｍ
×５８ｍｍ×１ｍｍで肉厚１ｍｍのＮｉメッキを施した
無酸素銅からなる軟質金属枠体３と、縦×横×高さが２
８ｍｍ×５８ｍｍ×６ｍｍで肉厚１ｍｍのコバールから
なるメタルフレーム２とを載せ、水素ガス中にて８５０
℃で１０分間の条件でＡｇ−Ｃｕ共晶を用いた銀ロウ８
によりロウ付け接合した。又、内側面にＷのメタライズ
層６とＮｉのメッキ層７を形成したＡｌＮ回路基板１の
各貫通孔（内径１.０ｍｍ）に、Ｎｉメッキ処理したＷ
のメタルリード５（外径０.８ｍｍ×長さ２０ｍｍ）を
それぞれ挿通させ、前記メタルフレーム２の銀ロウ付け
接合と同一条件で銀ロウ付けした。

【００２２】かくして得られたパッケージについて気密
封止性をテストした。即ち、−５５℃（１０分）から＋
１５０℃（１０分）の熱衝撃を液冷方式で３００サイク
ル加えた後、このパッケージのメタルフレーム２側を平
板に載せてＨｅ雰囲気中に置き、平板側から部品内部を
真空排気するＨｅリーク試験により気密封止性を測定し
た。その結果、Ｈｅリーク速度は１×１０^-9ａｔｍ／ｃ
ｃ・ｓｅｃ以下と非常に気密封止性に優れていた。

【００２３】比較のため、軟質金属枠体を用いずにＡｌ
Ｎ回路基板とメタルフレームとを直接ハンダ付け接合し
た以外は上記と同様に作製したパッケージ、及びメタル
リードとしてコバール又は４２アロイを用いた以外は上
記と同様に作製したパッケージについて、上記同様のＨ
ｅリーク試験を行ったところ、いずれもリーク速度が極
めて大きいため測定不能であった。外観検査の結果、前
者はＡｌＮ回路基板に及び後者はメタルリードを封止し
た銀ロウにクラックが発生していた。

【００２４】尚、上記実施例のパッケージに、ＩＣ等の
半導体素子、抵抗、コンデンサを搭載した後、メタルフ
レーム２の上端開口を蓋体４で封止して半導体装置が得
られる。一例として、上記の軟質金属枠体３を介在させ
てＡｌＮ回路基板１にメタルフレーム２を銀ロウ付けし
たパッケージで、これに半導体素子等を搭載した後、メ
タルフレーム２に通常のコバールからなる蓋体４を溶接
して気密封止したところ、得られた半導体装置は全く問
題なく使用することができた。

【００２５】実施例２ 熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫで、縦×横×高さの外形寸法
が４０ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍのＡｌＮ焼結体の表面
に、Ｗペーストのスクリーン印刷により所定の配線パタ
ーン及びメタルフレーム接合部のパターン等を形成し、
窒素−水素混合ガス中において１６００℃で３０分間の
条件でメタライズ焼成を行った。その後、Ｗのメタライ
ズ層上に無電解Ｎｉメッキを施して、図２に示す主面に
配線を有し且つＷのメタライズ層６とＮｉのメッキ層７
からなるメタルフレーム接合部を設けたＡｌＮ回路基板
１を作製した。

【００２６】一方、図２に示すように、縦×横×高さの
外径寸法が３８ｍｍ×７８ｍｍ×５ｍｍで肉厚１ｍｍの
コバールからなるメタルフレーム２の各貫通孔（内径
１.２ｍｍ）に、コバールからなる挿通部分９ａと銅か
らなる他の部分９ｂをシーム溶接した複合メタルリード
９（外径１ｍｍ×長さ２０ｍｍ）をそれぞれ挿通させ、
コバールの挿通部分９ａをホウケイ酸ガラスにより窒素
ガス中にて９２０℃で１０分間の条件でガラス封止し
た。

【００２７】次に、前記ＡｌＮ回路基板１の主面上の所
定位置に設けたメタルフレーム接合部上に、縦×横×高
さが３８ｍｍ×７８ｍｍ×１.５ｍｍで肉厚１ｍｍのＮ
ｉからなる軟質金属枠体３と、前記のごとく複合メタル
リード９をガラス封止１０により固着したコバールから
なるメタルフレーム２とを順に載せ、水素ガス中にて８
００℃で１０分間の条件でＡｇ−Ｃｕ共晶を用いた銀ロ
ウ８によりロウ付け接合した。

【００２８】得られたパッケージについて実施例１と同
様のリーク試験を行ったところ、Ｈｅリーク速度は１×
１０^-9ａｔｍ／ｃｃ・ｓｅｃ以下と非常に気密封止性に
優れていた。又、このパッケージに高出力トランジスタ
を搭載した後、メタルフレーム２の上端開口を通常のコ
バールからなる蓋体４で封止し、得られた半導体装置に
ついて実装評価試験を行ったところ、複合メタルリード
９の１ピン当たり３５Ｖ×２０Ａに十分耐えられるもの
であった。

【００２９】比較例として、複合メタルリード９の代わ
りにコバールのみ又は銅のみからなるメタルリードを用
いた以外は上記実施例と同様のパッケージをそれぞれ作
製した。これらのパッケージに上記実施例と同じ高出力
トランジスタを搭載し、上記と同様に蓋体で封止した半
導体装置について実装評価試験を行った。

【００３０】コバールのメタルリードを用いた半導体装
置では、メタルリードの電気抵抗が高いため、３５Ｖ×
２０Ａの条件まで電流を流すとメタルリードが赤熱し、
ガラス封止部分にクラックが発生した。又、銅のメタル
リードを用いた半導体装置では、銅と封止用ガラスの熱
膨張係数差が大きいため、ガラス封止時にガラス封止部
分にクラックが生じていた。従って、比較例のパッケー
ジではいずれも満足すべき気密封止性を得ることができ
なかった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、高熱伝導率を有し熱放
散性に優れたＡｌＮ回路基板を枠状のメタルフレームに
接合し、且つＡｌＮ回路基板又はメタルフレームに挿通
して封止したメタルリードを備えており、ＡｌＮ回路基
板とメタルフレームの熱膨張係数差による熱応力を緩和
して接合部におけるクラック発生がなく、同時にメタル
リードの封止部においても熱応力や抵抗発熱によるクラ
ック発生を防止することにより、基板に半導体素子を直
接搭載でき、気密封止性に優れ且つ高い信頼性を備え、
高発熱量の半導体素子の実装に特に有用な半導体用封止
装置部品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体用封止装置部品の一具体例
の要部を切り欠いて示した概略の説明図である。

【図２】本発明による半導体用封止装置部品の他の具体
例の要部を切り欠いて示した概略の説明図である。

【符号の説明】

１ ＡｌＮ回路基板 ２ メタルフレーム ３ 軟質金属枠体 ４ 蓋体 ５ メタルリード ６ メタライズ層 ７ メッキ層 ８ 銀ロウ ９ 複合メタルリード １０ ガラス封止

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム回路基板と低熱膨張金
   属からなるメタルフレームとが間に軟質金属枠体を介在
   させてロウ付け接合され、この窒化アルミニウム回路基
   板の貫通孔にタングステン又はモリブデンからなるメタ
   ルリードを挿通してロウ付け封止したことを特徴とする
   半導体用封止装置部品。
2. 【請求項２】 窒化アルミニウム回路基板の貫通孔の内
   側面に、メタライズ処理を施し、更にその上にニッケル
   メッキを施すことを特徴とする、請求項１に記載の半導
   体用封止装置部品。
3. 【請求項３】 窒化アルミニウム回路基板と低熱膨張金
   属からなるメタルフレームとが間に軟質金属枠体を介在
   させてロウ付け接合され、このメタルフレームの貫通孔
   に挿通部分が当該メタルフレームと同系の熱膨張係数の
   近似した金属からなり且つ他の部分が銅又は銅合金から
   なる複合メタルリードを挿通してガラス封止したことを
   特徴とする半導体用封止装置部品。
4. 【請求項４】 軟質金属枠体が銅、鉄、又はニッケル、
   若しくはこれらの合金からなり、その厚さが０.０５〜
   ３.０ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項１な
   いし３のいずれかに記載の半導体用封止装置部品。