JPS58197866A - 熱伝導性の高い複合基体 - 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】 本発明は、半導体材料のウェーファーに形成された電気
成分又は回路のケースの製造に特に適した熱伝導性の高
い複合基体に関する。

この型式の電気成分又は回路は通常ケース内に収容され
、このケースは、ベース又は基体およびベースに密封式
に連結されたカバーとを有し、このベース又はカバー−
ベース接合部はここを貫通する回路の出力接続部を有し
ている。

知られているとおりこれらの収容された回路内での熱の
消失は困難をもたらし、特に消失が特に高いスケールの
大きな集積回路および電力成分の　　　　　　　ｉ場合
特に困難をもたらす。このようなケースが従わなければ
ならない主な条件は以下のとおりである。基体の熱膨張
係数は使用される半導体のそれに可能な限り接近しなけ
ればならない、ケースの成分要素および特にケースの基
体は、熱を排出させるために可能な限り高い熱伝導性を
有しなければならない。基体は回路の出力接続部の間の
短絡を避けるために電気的に絶縁性でなければならない
。いくつかの通用例において基体を完全に絶縁すること
が必要である。

これとの関連においてこのような基体をヘリリウム酸化
物から形成することが知られている。事実この材料は電
気的に絶縁性であり、シリコンの膨張係数に近い膨張係
数を有し、熱伝導性も良好である。しかしながらそれは
極めて毒性の強い材料であり、その工業生産および取扱
いは多くの安全性の問題をもたらし、その結果高価なも
のとなる。

本発明は、少なくとも電気的に絶縁性で所望の熱特性を
有し、ヘリリウム酸化物の欠点を有さない基体を提供す
る。

本発明に従うと、実質的にハチの巣形状のウェーファー
の形式の電気的絶縁材料と、前記ハチの巣状セル内に配
置された熱伝導材料とから成る、熱伝導性の高い複合基
体が提供される。

本発明の他の目的、特徴および効果は以下の説明から明
らかとなるであろう、添付の図面において同一の参照番
号は同一の要素を示している。

第１図は本発明の第１の実施例による基体を示している
。この基体は、例えば円筒状で断面が円形の貫通孔の形
式のセル２０を有するウェーファー１０の形式である。

ウェーファーＩＯは電気的絶縁材料例えばアルミナから
形成され、このアルミナは安価な材料であり、シリコン
の膨張係数に接近した膨張係数を有するという利点を有
する。シリコンは現在電気部品産業において半導体材料
として最も一般に使用されている。純粋アルミナ、或い
は９４％又は９６％のアルミナを含み残部がチタニウム
、マグネシウム又はシリコン酸化物から成るガラスによ
って形成された標準材料を使用しても良い。

孔２０は熱伝導性の良好な材料で充填され、この材料は
それが配置される孔と同一の参照番号によって都合良く
示されている。この材料は銅、アル°　　ミニラム、タ
ングステン、モリブデンとマンガン又はモリブデンとタ
ングステンとの合金、或いは銀のような耐火材料であっ
ても良く、材料２０の作用は、ウェーファー１０単独の
熱伝導性に関して得られた複合基体の熱伝導性を増加さ
せることにある。材料がアルミニウムである場合には、
これは複合絶縁基体を得ることを可能にする電気的絶縁
物を形成するように酸化物とされる。

孔２０は線状又は５点形に配置され、その密度は、最大
熱伝導性即ち最大孔密度とお互いに関して且つ半導体材
料に関した材料ｌＯおよび２０の熱特性の両立性との妥
協によって、ウェーファーのために選択された材料およ
び孔を充填する材料に依存して決定される。事実浸透原
理として知られているように、材料２０の存在は材料１
０単独の場合よりわずかに大きい複合基体の全般的な膨
張係数を意味する。この現象はまず第“′１に基体１０
中の材料２０の割合に従ってゆっくりとそれから惣速に
限界まで増加する。この限界の後では温度が万一上昇ず
れば複合基体は破壊し、限界を越えてはならない。

更に上述されたとおり基体は、収容するように意図され
た半導体成分の膨張係数に近い膨張係数を全体として有
さねばならない。最後に基体は、特に比較的大きい回路
又は数個の回路を収容するようになっているとき、十分
な機械的強度を提供するように十分な厚さを有するのが
望ましい。一般にウェーファーおよびセルの形状および
寸法は、形成されたネットワークの各メソシュにおける
熱流動を計算することによって決定される。

例として本発明による基体は、９６％アルミナからつく
られ、標準厚さが０．６３５１１ｍであるウェーファー
ｌＯから形成され、孔２０の直径は０．８乃至２ｆｉで
あり、孔は１乃至４■■のピッチで整列し、銅で充填さ
れている。

本発明による基体は以下の方法で得られるのが良い。

任意の既知の方法□でアルミナシートを鋳造する；　　
　　　　！（ 孔２０を有する小さな片を得るためにこの比較的可撓性
のシートをスタンプする； 例えば伝導材料が上述の耐火金属のうちの１つによって
形成されているとき、セリグラフィー法（シルクスクリ
ーン捺染法）によって孔２０内に伝導材料を配置する； アルミナを１４５０乃至１６５０℃で燃やす。

選択された伝導材料２０が耐火金属ではないとき、アル
ミナの燃焼はまず第１におこなわれ、それから材料２０
を配置する。

他の方法は粉末を押圧することによってアルミナシート
を形成することから成り、孔は最初の２つの先行する工
程にとって代わる同一の工程の際得ることができる。

第１ａ図は絶縁性ウェーファー１０内のセルの他の実施
例の詳細を示す。このセル２３は同じく形状が円筒状で
あり、ウェーファー１０の２つの面へ開口し、断面が六
角形である。この形状の利点は、構造がわずかに複雑で
はあるが組立体の機械的強度を改良することにある。

第２図は本発明の第２の実施例による基体をボす。この
変形例において基体は第１図のウェーファー１０に＠伯
のウェーファー１１から形成され、ウェーファー１１は
熱伝導性の良好な材料で充填された孔２０によって貫通
され、ウェーファー１１の面の一方には絶縁層１２が配
置され、この絶縁層１２はウェーファー１１の厚さに比
べて厚さくｅｌ）が小さく、孔を全く有していない。層
１２は例えば、前述の酸化物から成るガラス層をシルク
スクリーン捺染することによって形成されるのが良い。

同じく層１２は基体と同一の材料例えばアルミナがら形
成されても良く、２つのウェーファーは例えばアルミナ
を燃やす際互いに焼成される。層１２にアルミナを使用
する利点は、アルミナの熱伝導度がガラスのそれより良
好であるということである。

この実施例およｉ以下の実施例において、セルを充填す
るための材料がどんなものであろうとも、結果として得
られる基体は電気的に絶縁性であり、このことは電力半
導体又はハイブリッド回路のようないくつかの通用例に
おいて要求され、これは第１図に関して熱抵抗の増加を
かけて、熱抵抗が小さくなればなるほど層１２の厚さく
ｅｌ）は小さくなる。例としてウェーファー１１がアル
ミナからつくられ、層１２がガラスからつくられる場合
の厚さの比は１５乃至２５であり、２つがアルミナウェ
ーファーからつくられる場合にはウェーファー１１の同
一の厚さのとき比は１２となる。

例として第２図の実施例には、ウェーファー１１の上面
に形成された金属被Ｗ（層３０）に接着或いは好ましく
はろう付け（層３１）された半導体装置３２の取付けが
示されている。層１２の下面は、金属被覆３３によって
固着された熱排出改良用熱流し３４を支持する。金属被
１ｉ！３０および３３は好ましくはセル２０を充填する
金属と同一の金属から形成される。

第３図は第２図の変形例を示す。

ここで基体は単一のウェーファー１３の形式であり、ウ
ェーファー１３には盲孔２５の形のセルが設けられ、盲
孔２５は孔２０に対し上述された形状のうちの１つを有
する。孔２５は、第２図の厚さｅ、と類（以で且つ同一
の作用を有するウェーファー厚さｅ。

を残している。

この実施例において盲孔２５はパンチングにょって末燃
焼アルミナ中に形成され、それから燃焼前又は後に良好
な熱伝導材料で充填される。

第４図は本発明の第３の実施例による基体を示す。ここ
で基体は３つの分離した層の形式である。

最初の２つは、孔２０を形成されたウェーファー１１お
よび層１２（両方とも第２図に示す）であり、第３番目
はウェーファー１１（又は第１図のウェーファー１０）
に類似のウェーファー１４であり、ウェーファー１４の
孔２１は、第４図に示されたのと同じ線に沿って或いは
孔′２０に関して５点形にウェーファー１１の孔２０に
関して互い違いにされる。

この実施例においてウェーファー１１および１４はアル
ミナからつくられ、層１２は第２図に対し説明したよう
にガラス又はアルミナからつくられる。

この後者の場合、組立体は機械的強度を提供するために
同一の作業によって燃される。

層１２は第３図に示されているようにウェーファー１３
の残余の厚さｅ＋４こよって形成されるのが良　　　　
　　　　ｉい。

第５図は第４図の変形例を示す。同しく３つの層を有す
るこの変形例においても再びウェーファー１１および層
１２が設けられ、ウェーファー１５は層１２に固定され
、孔２２を有し、これらの孔２２は孔２０と類（以して
いるがこん度は孔２０と整列して配置されている。

第６図は本発明の第４の実施例による基体を示す。この
基体は、第１図のウェーファーｌＯと同一の厚さを有し
同一の材料でつくられたウェーファー１７の形式をなし
、ウェーファー１７には各面に盲孔２３の形式で接触し
ないように配置されたセルが形成されている。以前と同
様これらのセル２３は伝導材料で充填される。

第７図は第６図の変形例を示し、セル２３が（図中軸線
Ｘ−Ｘに沿って）底部が整列するように絶縁ウェーファ
ーに形成される。

この変形例の利点は特に製造の容易な点にある。

事実、基体はウェーファー１０のような２つのウェーフ
ァー１８および１９を互いに組立てることによって製造
され、ウェーファー１８および１９の各々には両側の面
へ開口する孔が形成され、２つのウェーファーは例えば
相互の燃焼によって互いに組立てられる。

第８図は、セルの形状に関した第６図及び第７図の変形
例を示す。この変形例においてセル２４は、ベースが円
形、長方形又は六角形の切頭円錐形であり、ベースは基
体の外側に向かって位置している。前と同じく基体は、
単一の層によって或いは図示されているとおり２つの層
１８および１９によって形成され、孔２４は各層を通っ
て別個に形成される。

この第４の実施例の基体は０．６鶴の厚さを有し、セル
（２３又は２４）の直径は０．６乃至ｌ鶴であり、その
ピッ千Ｐはｌ乃至１．４ｆｉである。

本発明の基体は、ハイブリッド電力回路用基体又は半導
体電力成分或いはスケールの大きな集積回路用ケースの
組立てに適用されるが良い。

第９図は、出力接続部がピンによってではなく簡単な金
属被覆によって形成されることを特徴とする、半導体装
置用チップ搬送型ケースの構成に本発明の基体を通用し
た場合を示す。

知られているとおりこれらのケースは密封され、半導体
によって浪費された熱を最大限排出できるようにする。

この図面には第８図の実施例による基体が番号ｌで示さ
れ、ケースのベースを形成する。この基体は、半導体装
置３２のレベルにおいてのみ５点形に隔置され、伝導材
料で充填されたセルを有しでいる。変形例（図示せず）
において基体ｌの全体に亘ってセル２４を形成すること
が可能である。

ケースは慣用的な形式の３層ベースのものであり、すな
わち半導体３２は基体１の金属被覆底３０に（ろう付は
又は接着によって）固定され、この基体の縁は２つのレ
ベル４１および４２において周囲が突出している。第１
のレベル４２にはカバー４３が配置され、このカバー４
３は一般に金属からつくられ、基体１のレベル４２上に
ろう付け４４によって密封式％式％ 基体１の周囲は半孔４７番゛有し、この半孔４７は、レ
ベル４１上に付着した金属被覆４５がこれらの半孔を介
して基体ｌの下部で突出し、そこで装置３２用の出力接
続部を形成するように配置される。図面の断面はこれら
の接続部４５のレベルで形成される。

最後に接続ワイヤ４６は、半導体装置３２の出力点を金
属被１４５に接続する。

知られているとおり３つのレベルの基体ｌは、一般に３
つのアルミナウェーファーを相互に燃やすことによって
得られる。それ故前述の耐火材料のうちの一つのような
燃焼条件と両立できる材料をセル２４内に予め付着させ
ることが好ましい。

第１０図は、同しくチップ搬送型の半導体装置用ケース
を形成するために本発明の基体を通用した場合を示す。

この実施例において基体２は単一のレベルを有し、第８
図に示されているようなセルを有し、セルは長さの全体
に亘っている。前と同しく半導体装置３２は、基体２の
金属被覆底３０にろう付は又は接着することによって取
り付けられる。

基体２の縁には第９図のような半孔４７が形成され、出
力接続部４５が基体２を包囲するのを可能にする。

前と同様ワイヤ４６は、装置３２の出力と接続部４５と
の電気的接続を形成する。装置はカバー４８で終わり、
このカバー４８は通常セラミックから形成され、接続部
４５のレベルにおいて基体２の全周囲に亘って延びるシ
ルクスクリーン捺染されたガラス付着部４９によって溶
接される。

この実施例においては先行する実施例と反対に、アルミ
ナウェーファーを燃焼させる前又は後に、良好な熱伝導
材料をセル２５内に付着させるのが良い。

望むならばセル２４を形成するべく意図された孔と同時
に、半孔４７を形成するのが良い。

本発明は上述の例に限定されない。かくて１つ又は３つ
のレベルを有するチップキャリア型ケースの構造に関連
して本発明の基体の通用を説明したけれども、１つ、２
つ又は３つのレベルを有する任意の既知の”型式（ＣＥ
ＲＤＩＰ又はＤＩＬ型）の金属又はセラミックケースに
適用しても良い。すべてのケースにおいてケースからの
すくれた熱排出を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による基体の斜視図であ
り、第１ａ図は第１図の詳細の変形例、第２図は本発明
の第２の実施例の基体の断面図、第３図は第２図の変形
例、 第４図は本発明の第３の実施例による基体の断面図、 第５図は先行する図面の変形例、 第６図は本発明の第４の実施例による基体の断面図、 第７図は先行する図面の変形例、 第８図は第６図の他の変形例、 第９図は半導体回路ケースを製造するための本発明の基
体の第１Ｉ：Ｄ通用例の断面図、第１０図は半導体回路
ケースを製造するための本発明の基体の第２の通用例の
断面図である。 （主な参照番号） ｌＯｌＩＬ　１３．１４．１５．、、、ウェーファー２
０．２３．、、、セル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１ハチの巣形ウェーファーの形状の電気絶縁材料と
   、 前記ハチの巣セル内に配筐された熱伝導材料とを有する
   、熱伝導性の高い複合基体。 （２）前記セルは円筒形状で、断面が円形又は六角形で
   ある、特許請求の範囲第１項記載の基体。 （３）前記セルはウェーファーの全厚を通って形成され
   る、特許請求の範囲第１項記載の基体。 （４）厚さがウェーファーの厚さより小さく、ウェーフ
   ァーの面のうちの一つに固着される電気絶縁層を特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載の基体。 （５）更に第２のハチの巣形ウェーファーを有し、セル
   はウェーファーの全厚を通して形成され、熱伝導材料で
   充填され、第２のウェーファーは絶縁層に固着される、
   特許請求の範囲第４項記載の基体。 （６）前記セルは、ウェーファーの面のうちの一つに形
   成された盲孔の形式である、特許請求の範囲第２項記載
   の基体。 （７）前記セルは盲孔の形式であり、セルがお互いに接
   触しないようにウェーファーの両面に形成される、特許
   請求の範囲第１項記載の基体。 （８）前記盲孔は円筒形状であり、断面が円形又は六角
   形である、特許請求の範囲第６項又は第７項記載の基体
   。 （９）前記盲孔は、ベースが円形、長方形、又は六角形
   である切頭円錐形状であり、前記ベースはウェーファー
   の外側へ向かって位置する、特許請求の範囲第７項記載
   の基体。 Ｑ１０つのウェーファーから形成され、前記２つのウェ
   ーファーの各々が全厚を貫通する孔を形成され、２つの
   ウェーファーは、孔が互いに接触しないように互いに組
   立てられる、特許請求の範囲第７項記載の基体。 （１１）前記電気絶縁材料は主にアルミナから構成され
   る、特許請求の範囲第１項記載の基体。 （１２）前記熱伝導材料は、銅、アルミニウム、タング
   ステン、モリブデン、マンガン、銀のうちの少なくとも
   １つから構成される、特許請求の範囲第１項記載の基体
   。 （１３）半導体装置を支持するベース、ベースに密封式
   に固着されたカバー、装置に電気的に接続され、前記ベ
   ース又は取付は部を貫通する出力接続部とを有し、前記
   ベースが特許請求の範囲第１項に記載された基体から形
   成されることを特徴とする、半導体装置ケース。 （１４）前記電気絶縁材料は、半導体の熱膨張係数に近
   い熱膨張係数を有する、特許請求の範囲第１３項記載の
   ケース。