JPH09283647A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミック枠体にクラックや割れが発生して容
器の封止が破れる。 【解決手段】上面に半導体素子３が搭載される搭載部１
ａを有する金属基体１と、該金属基体１上面に前記半導
体素子搭載部１ａを囲繞するように接合材４を介して接
合されたセラミック枠体２と、該セラミック枠体２に封
止部材９を介して取着される蓋体８とから成る半導体素
子収納用パッケージであって、前記金属基体１とセラミ
ック枠体２とを接合する接合材４がエポキシ樹脂を５０
重量％以上含有する樹脂接着材から成り、その厚みが５
０μｍ以上で、かつ接合材４と金属基体１及びセラミッ
ク枠体２との濡れ角度が各々、１５０°以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子、特に半
導体集積回路素子を収容するための半導体素子収納用パ
ッケージに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報処理装置の高性能化に伴い、
これを構成する半導体集積回路素子も高密度化、高集積
化が急激に進んでいる。そのため半導体集積回路素子は
作動時に発生する単位面積、単位体積当たりの発熱量が
増大し、半導体集積回路素子を正常、かつ安定に作動さ
せるためにはその熱をいかに効率的に除去するかが課題
となっている。

【０００３】従来、半導体集積回路素子が発生する熱の
除去方法としては一般に上面中央部に半導体集積回路素
子が搭載される搭載部を有する良熱伝導性の銅から成る
金属基体上に、前記半導体集積回路素子搭載部を囲繞す
るようにして酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼
結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アル
ミニウム質焼結体等のセラミックスから成るセラミック
枠体を銀ロウ等のロウ材を介して接合した構造の半導体
素子収納用パッケージを準備し、前記金属基体の半導体
集積回路素子搭載部に半導体集積回路素子を搭載固定し
て半導体集積回路素子から発生される熱を金属基体に吸
収させるとともに該吸収した熱を大気中に放散させる方
法が採られている。

【０００４】なお、前記セラミック枠体には複数個のメ
タライズ配線層が埋設されており、該メタライズ配線層
を介して内部に収容する半導体集積回路素子の各電極を
外部電気回路に電気的に接続し得るようになっている。

【０００５】また前記セラミック枠体は、その下面にメ
タライズ金属層が被着されており、該メタライズ金属層
を金属基体に銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けするこ
とによって金属基体上に所定位置に接合されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の半導体素子収納用パッケージにおいては、金属基体
を構成する銅の熱膨張係数が１７×１０^-6／℃であり、
酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体、窒化ア
ルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等から成るセラ
ミック枠体の熱膨張係数（酸化アルミニウム質焼結体の
熱膨張係数は約７×１０^-6／℃、ムライト質焼結体の熱
膨張係数は約４×１０^-6／℃、窒化アルミニウム質焼結
体の熱膨張係数は約４×１０^-6／℃、炭化珪素質焼結体
の熱膨張係数は約３×１０^-6／℃）と大きく相違するこ
とから、金属基体にセラミック枠体を銀ロウ等のロウ材
を介してロウ付けする際、ロウ材を溶融させる熱が金属
基体とセラミック枠体に印加されると、或いは半導体集
積回路素子が作動時に発した熱が金属基体とセラミック
枠体に印加されると、金属基体とセラミック枠体との間
に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発
生し、これがセラミック枠体に作用してセラミック枠体
に割れやクラックを発生させてしまい、その結果、金属
基体とセラミック枠体と蓋体とから成る容器内部の封止
が破れ、容器内部に収容する半導体集積回路素子を長期
間にわたり正常、かつ安定に作動させることができない
という欠点を有していた。また同時に金属基体とセラミ
ック枠体との間に発生する熱応力によって金属基体の半
導体集積回路素子が搭載される搭載部に大きな変形を招
来し、その結果、金属基体に半導体集積回路素子を強固
に固定することができなくなったり、半導体集積回路素
子の各電極をセラミック枠体に設けたメタライズ配線層
に正確に電気的接続するこができなかったり、金属基体
に固定された半導体集積回路素子を破損させたりすると
いう欠点も有していた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上面に半導体
素子が搭載される搭載部を有する金属基体と、該金属基
体上面に前記半導体素子搭載部を囲繞するように接合材
を介して接合されたセラミック枠体と、該セラミック枠
体に封止部材を介して取着される蓋体とから成る半導体
素子収納用パッケージであって、前記金属基体とセラミ
ック枠体とを接合する接合材がエポキシ樹脂を５０重量
％以上含有する樹脂接着材から成り、その厚みが５０μ
ｍ以上で、かつ接合材と金属基体及びセラミック枠体と
の濡れ角度が各々、１５０°以下であることを特徴とす
るものである。

【０００８】また本発明は前記エポキシ樹脂を５０重量
％以上含有する樹脂接着材から成る接合材に、粒径０．
１μｍ乃至５μｍの軟質粒子、アクリル系ゴムを前記エ
ポキシ樹脂の全量に対し、外添加で１乃至６０重量％含
有させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子
収納用パッケージ。

【０００９】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、金属基体とセラミック枠体とを接合する接合材が
エポキシ樹脂を５０重量％以上含有する樹脂接着材から
成り、その厚みが５０μｍ以上であるため金属基体とセ
ラミック枠体に熱が印加され、金属基体とセラミック枠
体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱
応力が発生したとしても該熱応力は接合材を適度に変形
させることによって効果的に吸収され、その結果、金属
基体とセラミック枠体との間に発生する熱応力によって
セラミック枠体にクラックや割れが発生することは殆ど
なく、金属基体とセラミック枠体と蓋体とから成る容器
内部の封止を完全とし、容器内部に収容する半導体集積
回路素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させる
ことができる。

【００１０】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、接合材と金属基体及びセラミック枠体との濡
れ角度を各々、１５０°以下としたことから接合材と金
属基体及びセラミック枠体との間に金属基体とセラミッ
ク枠体の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が作用した
としてもその熱応力は接合材全体に分散して小さくな
り、その結果、接合材と金属基体及びセラミック枠体と
の間に剥離を発生することはなく強固に接合し、これに
よって金属基体とセラミック枠体と蓋体とから成る容器
内部の封止を完全とし、容器内部に収容する半導体集積
回路素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させる
ことができる。

【００１１】更に本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、前記エポキシ樹脂を５０重量％以上含有する
樹脂接着材から成る接合材に、粒径０．１μｍ乃至５μ
ｍの軟質粒子、具体的にはＪＩＳ Ｋ ６３０１に規定
の測定方法で硬さが１００以下の軟質な粒子、アクリル
系ゴムを前記エポキシ樹脂の全量に対し、外添加で１乃
至６０重量％含有させると接合材の可撓性がより高いも
のとなって金属基体とセラミック枠体との間に発生する
熱応力をより効果的に吸収することができ、これによっ
てセラミック枠体にクラックや割れが発生するのをより
有効に防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１は本発明の半導体素子収納用パッ
ケージの一実施例を示し、１は金属基体、２はセラミッ
ク枠体、８は蓋体である。この金属基体１とセラミック
枠体２と蓋体８とで内部に半導体集積回路素子を収容す
るための容器を構成する。

【００１３】前記金属基体１は、その上面中央部に半導
体集積回路素子３が搭載される搭載部１ａを有してお
り、該搭載部１ａ上には半導体集積回路素子３が金ー錫
合金等から成るロウ材を介して固定され、またその上面
外周部には前記半導体集積回路素子搭載部１ａを囲繞す
るようにしてセラミック枠体２が接合材４を介して接合
されている。

【００１４】前記金属基体１は、例えば、無酸素銅等の
銅から成り、該銅は熱伝導率が約４００Ｗ／ｍＫと高
く、熱を伝導し易いことから金属基体１上に半導体集積
回路素子３を搭載固定した場合、金属基体１は半導体集
積回路素子３が発生する熱を良好に吸収するとともに該
吸収した熱を大気中に効率よく放散させることができ、
その結果、半導体集積回路素子３は常に適温となり、半
導体集積回路素子３を長期間にわたり正常、かつ安定に
作動させることができる。

【００１５】前記金属基体１は例えば、銅等のインゴッ
ト（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の
金属加工法を採用することによって所定の板状に形成さ
れる。

【００１６】また前記金属基体１はその上面外周部に該
金属基体１の上面に設けた半導体集積回路素子搭載部１
ａを囲繞するようにして内壁に段差部を有するセラミッ
ク枠体２が接合材４を介して接合されており、金属基体
１とセラミック枠体２とで内側に半導体集積回路素子３
を収容するための空所が形成される。

【００１７】前記金属基体１に接合されるセラミック枠
体２は酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、
炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等のセラ
ミックスから成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体
から成る場合、主原料としての酸化アルミニウム粉末及
び焼結助剤としての酸化珪素粉末、酸化アグネシウム粉
末、酸化カルシウム粉末等を含む原料粉末に適当な有機
バインダー、溶剤、可塑剤等を添加混合して泥漿状とな
すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレ
ンダーロール法等のシート成形技術を採用して複数枚の
セラミックグリーンシート（セラミック生シート）を
得、次に前記セラミックグリーンシートのそれぞれに適
当な打ち抜き加工を施すとともにこれらを所定の順に上
下に積層してセラミックグリーンシート積層体となし、
最後に前記セラミックグリーンシート積層体を高温（約
１６００℃）で焼成することによって製作される。

【００１８】前記セラミック枠体２はまたその内壁の段
差部から外周縁にかけて複数個のメタライズ配線層５が
被着形成されており、該メタライズ配線層５のセラミッ
ク枠体２の内壁段差部に位置する一端には半導体集積回
路素子３の各電極がボンディングワイヤ７を介して取着
接続され、またセラミック枠体２の外周縁に導出する他
端部には外部電気回路と接続される外部リード端子６が
銀ロウ等のロウ材を介して取着されている。

【００１９】前記メタライズ配線層５は内部に収容する
半導体集積回路素子３の各電極を外部電気回路に接続す
る接続路として作用し、タングステン、モリブデン等の
高融点金属粉末で形成されている。

【００２０】尚、前記メタライズ配線層５はタングステ
ンやモリブデン等の高融点金属粉末に適当な有機バイン
ダー、溶媒を添加混合して得られる金属ペーストをセラ
ミック枠体２と成るセラミックグリーンシートに予めス
クリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておく
ことによってセラミック枠体２の内壁段差部から外周縁
にかけて被着形成される。

【００２１】また前記メタライズ配線層５はその表面に
耐蝕性に優れ、かつロウ材と濡れ性の良いニッケル及び
金を順次、従来周知のメッキ法を採用することによって
所定厚み（ニッケル：１μｍ〜１０μｍ、金：０．１μ
ｍ〜５μｍ）に被着させておくと、メタライズ配線層５
の酸化腐食を有効に防止することができるとともにメタ
ライズ配線層５に対するボンディングワイヤ７の接続及
び外部リード端子６のロウ付けを強固となすことができ
る。従って、前記メタライズ配線層５はその表面に耐蝕
性に優れ、かつロウ材と濡れ性の良いニッケル及び金を
順次、従来周知のメッキ法を採用することによって所定
厚み（ニッケル：１μｍ〜１０μｍ、金：０．１μｍ〜
５μｍ）に被着させておくことが好ましい。

【００２２】更に前記メタライズ配線層５の他端にロウ
付けされている外部リード端子６は半導体集積回路素子
３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用を為
し、例えば、鉄ーニッケルーコバルト合金や鉄ーニッケ
ル合金等の金属材料で形成されている。

【００２３】また更に前記セラミック枠体２の金属基体
１上への接合は接合材４を介して行われており、該接合
材４はビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ノボラック型
エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂等の
エポキ樹脂にアミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤、
酸無水物系硬化剤等の硬化剤を添加したものを５０重量
％以上含有する樹脂接着材で形成されている。

【００２４】前記接合材４を介しての金属基体１とセラ
ミック枠体２の接合は、金属基体１の上面外周部もしく
は、セラミック枠体２の下面に予め上述した組成の樹脂
前駆体をスクリーン印刷法等により枠状に印刷塗布し、
次に金属基体１上にセラミック枠体２を、間に印刷塗布
した樹脂前駆体を挟むようにして載置させ、しかる後、
これを１２０℃〜１５０℃の温度で０．５〜５時間、加
熱処理し、樹脂前駆体を熱硬化させることによって行わ
れる。

【００２５】また前記金属基体１とセラミック枠体２と
を接合させる接合材４はその厚みを５０μｍ以上とする
ことによって可撓性が付与されており、これによって金
属基体１にセラミック枠体２を接合させる際、接合材を
熱硬化させる熱が金属基体１とセラミック枠体２に印加
された、或いは半導体集積回路素子３の作動時に発した
熱が金属基体１とセラミック枠体２に印加され、金属基
体１とセラミック枠体２との間に両者の熱膨張係数の相
違に起因する大きな熱応力が発生したとしても該熱応力
は接合材４を適度に変形させることによって吸収され、
その結果、前記熱応力によってセラミック枠体２に割れ
やクラックが発生することはなく、金属基体１とセラミ
ック枠体２と蓋体８とから成る容器内部の封止を完全と
し、容器内部に収容する半導体集積回路素子３を長期間
にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能とな
る。また同時に金属基体１とセラミック枠体２との間に
発生する熱応力によって金属基体１の半導体集積回路素
子３が搭載される搭載部１ａに大きな変形を招来するこ
ともなく、これによって金属基体１に半導体集積回路素
子３を破損を発生することなく強固に固定すること及び
半導体集積回路素子３の各電極をセラミック枠体２に設
けたメタライズ配線層５に正確に電気的接続することが
可能となる。

【００２６】更に前記接合材４は図２に示す如く、金属
基体１とセラミック枠体２との各々の濡れ角度θ₁ 、θ
₂ 、θ₃ 、θ₄ が各々、１５０°以下となっており、こ
れによって接合材４と金属基体１及びセラミック枠体２
との間に金属基体１とセラミック枠体２の熱膨張係数の
相違に起因する熱応力が作用したとしてもその熱応力は
接合材４全体に分散して小さくなり、その結果、接合材
４と金属基体１及びセラミック枠体２との間に剥離を発
生することはなく強固に接合し、金属基体とセラミック
枠体と蓋体とから成る容器内部の封止を完全として容器
内部に収容する半導体集積回路素子３を長期間にわたり
正常、かつ安定に作動させることができる。

【００２７】尚、前記接合材４はその厚みが５０μｍ未
満であると接合材４の可撓性が小さくなって、金属基体
１とセラミック枠体２との間に発生する熱応力を良好に
吸収することができず、セラミック枠体２にクラックや
割れ等を発生させてしまう。

【００２８】従って、前記接合材４はその厚みを５０μ
ｍ以上とすることに特定される。

【００２９】また前記接合材４は金属基体１とセラミッ
ク枠体２との各々の濡れ角度θ₁ 、θ₂ 、θ₃ 、θ₄ が
各々、１５０°を越えると金属基体１とセラミック枠体
２との間に発生する熱応力を接合材４で良好に分散させ
ることができず、接合材４と金属基体１との間、或いは
接合材４とセラミック枠体２との間に剥離が発生して容
器内部の封止が破れてしまう。従って、前記接合材４は
金属基体１とセラミック枠体２との各々の濡れ角度
θ₁ 、θ₂ 、θ₃ 、θ₄ が各々、１５０°以下に特定さ
れる。

【００３０】更に、前記金属基体１とセラミック枠体２
とを接合させるエポキシ樹脂を５０重量％以上含有する
樹脂接着材から成る接合材４は、その内部に粒径０．１
μｍ乃至５μｍの天然ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴ
ム、ウレタン、ポリスチレン等から成る硬さがＪＩＳ
Ｋ ６３０１に規定の測定方法によって１００以下の軟
質な粒子やブチルアクリレート、架橋ポリメチルメタア
クリレート、エチルアクリレート、ウレタンアクリレー
ト等から成るアクリル系ゴムをエポキシ樹脂の全量に対
し、外添加で１乃至６０重量％含有させておくと、接合
材４の可撓性がより高いものとなって金属基体１とセラ
ミック枠体２との間に発生する熱応力をより効果的に吸
収することができ、これによってセラミック枠体２にク
ラックや割れが発生するのをより有効に防止することが
できる。従って、前記金属基体１とセラミック枠体２と
を接合させるエポキシ樹脂を５０重量％以上含有する樹
脂接着材から成る接合材４は、その内部に粒径０．１μ
ｍ乃至５μｍの天然ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴ
ム、ウレタン、ポリスチレン等から成る軟質粒子やブチ
ルアクリレート、架橋ポリメチルメタアクリレート、エ
チルアクリレート、ウレタンアクリレート等から成るア
クリル系ゴムをエポキシ樹脂の全量に対し、外添加で１
乃至６０重量％含有させておくことが好ましい。

【００３１】また更に、エポキシ樹脂を５０重量％以上
含有する樹脂接着材から成る接合材４に軟質粒子やアク
リル系ゴムを含有させる場合、軟質粒子やアクリル系ゴ
ムの粒径が０．１μｍ未満であると接合材４の可撓性を
所定する高い値に成すのが困難となり、また５μｍを越
えると樹脂接着材中での分散が不均一になるとともに封
止時の流動性が悪くなって封止が困難と成る傾向にあ
る。従って、前記エポキシ樹脂を５０重量％以上含有す
る樹脂接着材から成る接合材４に軟質粒子やアクリル系
ゴムを含有させる場合、軟質粒子やアクリル系ゴムの粒
径は０．１μｍ乃至５μｍの範囲としておくことが好ま
しい。

【００３２】かくして本発明の半導体素子収納用パッケ
ージによれば、金属基体１の半導体集積回路素子搭載部
１ａに半導体集積回路素子３をロウ材等から成る接着剤
を介して接着固定するとともに該半導体集積回路素子３
の各電極をボンディングワイヤ７を介して所定のメタラ
イズ配線層５に電気的に接続し、しかる後、セラミック
枠体２の上面に蓋体８をガラス、樹脂、ロウ材等から成
る封止部材９を介して接合させ、金属基体１とセラミッ
ク枠体２と蓋体８とから成る容器内部に半導体集積回路
素子３を収容することによって製品としての半導体装置
となる。

【００３３】尚、本発明は上述の実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種
々の変更は可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明の半導体素子収納用パッケージに
よれば、金属基体とセラミック枠体とを接合する接合材
がエポキシ樹脂を５０重量％以上含有する樹脂接着材か
ら成り、その厚みが５０μｍ以上であるため金属基体と
セラミック枠体に熱が印加され、金属基体とセラミック
枠体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな
熱応力が発生したとしても該熱応力は接合材を適度に変
形させることによって効果的に吸収され、その結果、金
属基体とセラミック枠体との間に発生する熱応力によっ
てセラミック枠体にクラックや割れが発生することは殆
どなく、金属基体とセラミック枠体と蓋体とから成る容
器内部の封止を完全とし、容器内部に収容する半導体集
積回路素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させ
ることができる。

【００３５】また本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、接合材と金属基体及びセラミック枠体との濡
れ角度を各々、１５０°以下としたことから接合材と金
属基体及びセラミック枠体との間に金属基体とセラミッ
ク枠体の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が作用した
としてもその熱応力は接合材全体に分散して小さくな
り、その結果、接合材と金属基体及びセラミック枠体と
の間に剥離を発生することはなく強固に接合し、これに
よって金属基体とセラミック枠体と蓋体とから成る容器
内部の封止を完全とし、容器内部に収容する半導体集積
回路素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させる
ことができる。

【００３６】更に本発明の半導体素子収納用パッケージ
によれば、前記エポキシ樹脂を５０重量％以上含有する
樹脂接着材から成る接合材に、粒径０．１μｍ乃至５μ
ｍの軟質粒子、アクリル系ゴムを前記エポキシ樹脂の全
量に対し、外添加で１乃至６０重量％含有させると接合
材の可撓性がより高いものとなって金属基体とセラミッ
ク枠体との間に発生する熱応力をより効果的に吸収する
ことができ、これによってセラミック枠体にクラックや
割れが発生するのをより有効に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施
例を示す断面図である。

【図２】金属基体、セラミック枠体に対する接合材の濡
れ角度を説明するための図である。

【符号の説明】

１・・・・・・金属基体 ２・・・・・・セラミック枠体 ３・・・・・・半導体集積回路素子 ４・・・・・・接合材 ５・・・・・・メタライズ配線層 ６・・・・・・外部リード端子 ８・・・・・・蓋体 ９・・・・・・封止部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に半導体素子が搭載される搭載部を有
   する金属基体と、該金属基体上面に前記半導体素子搭載
   部を囲繞するように接合材を介して接合されたセラミッ
   ク枠体と、該セラミック枠体に封止部材を介して取着さ
   れる蓋体とから成る半導体素子収納用パッケージであっ
   て、前記金属基体とセラミック枠体とを接合する接合材
   がエポキシ樹脂を５０重量％以上含有する樹脂接着材か
   ら成り、その厚みが５０μｍ以上で、かつ接合材と金属
   基体及びセラミック枠体との濡れ角度が各々、１５０°
   以下であることを特徴とする半導体素子収納用パッケー
   ジ。
2. 【請求項２】前記エポキシ樹脂を５０重量％以上含有す
   る樹脂接着材から成る接合材に、粒径０．１μｍ乃至５
   μｍの軟質粒子、アクリル系ゴムを前記エポキシ樹脂の
   全量に対し、外添加で１乃至６０重量％含有させたこと
   を特徴とする請求項１に記載の半導体素子収納用パッケ
   ージ。