JPH11297909A - 放熱用金属板およびそれを用いた電子部品用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 適度な熱膨張率と高い熱伝導率を有する放熱
用金属板を提供する。 【解決手段】 放熱用金属板１０は、モリブデン板１１
の両面に銅のめっき膜１２が形成されている。銅のめっ
き膜１２の厚みｔ２とモリブデン板１１の厚みｔ１との
比ｔ２／ｔ１は２．５以下に限定されている。このた
め、放熱用金属板１０は、半導体素子３０が発生する熱
を吸収するとともに、吸収した熱を外部に良好に放散さ
せることができる。したがって、半導体素子３０を長期
間正常に安定して作動させることができる。さらに、放
熱用金属板１０とパッケージ本体２０との間に両者の熱
膨張率の相違に起因した熱応力が発生するのを防止する
ことができるとともに、放熱用金属板１０の反りを比較
的小さく抑えているので、放熱用金属板１０とパッケー
ジ本体２０とを強固に接合することができ、半導体素子
搭載部３１に半導体素子３０を強固に固定することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱用金属板およ
びそれを用いた電子部品用パッケージに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置において、ＳｉチップやＧａ
Ａｓチップ等の半導体素子やチップコンデンサ等の電子
部品が電子部品用パッケージに設けられた電子部品搭載
部に搭載されて実用に供されている。アルミナ等のセラ
ミックスは耐熱性、耐久性、熱伝導性等に優れるため、
この電子部品用パッケージの本体の材料として適してお
り、セラミック製の電子部品用パッケージは現在盛んに
使用されている。

【０００３】このセラミック製の電子部品用パッケージ
は、パッケージサイズを縮小し、搭載ボードへの搭載密
度を向上させ、また電気特性を向上させるため、一般に
複数枚のグリーンシートを積層および焼成してセラミッ
クスパッケージ本体が製造される。さらに、パワーモジ
ュールに代表されるような半導体素子からの発熱量が大
きなものでは、半導体素子を通常の方法で搭載したのみ
では、発熱により半導体装置が正常に作動しなくなる恐
れがある。そこで、半導体素子の作動時に発生する熱を
大気中に良好に放散させるようにした電子部品用パッケ
ージとして、例えば熱伝導性に優れた金属から成る放熱
用金属板を備えたセラミックスパッケージが知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の技術によ
るセラミックスパッケージに用いられる放熱用金属板と
しては、例えば熱膨張率がセラミックスパッケージ本体
に近似し、かつ熱伝導率が約２００Ｗ／ｍＫ程度のタン
グステンあるいはモリブデンの多孔質焼結体に溶融銅を
含浸して成る複合材料が公知である。

【０００５】しかしながら、近年、半導体素子の高密度
化および高集積化やパワーエレクトニクス分野に使用さ
れる半導体デバイス高度化が急激に進み、半導体素子の
作動時に発生する単位面積あるいは単位体積当たりの発
熱量が急激に増大する傾向にある。このため、上記の従
来のセラミックスパッケージでは、放熱用金属板の熱伝
導率が約２００Ｗ／ｍＫ程度であるので、半導体素子の
作動時に発生する熱を放熱用金属板を介して外部に完全
に放散させるのが困難である。したがって、半導体素子
は半導体素子の作動時に発生する熱で高温となり、半導
体素子が物理的に破壊されたり、半導体素子の特性に熱
変化が起こり、半導体素子に誤動作が生じたりするとい
う問題があった。

【０００６】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、適度な熱膨張率と高い熱伝導率
とを有する放熱用金属板を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、電子部品の作動時に発生する熱を
外部に良好に放散させることが可能な電子部品用パッケ
ージを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
放熱用金属板によると、モリブデン、銅−モリブデン、
銅−タングステンから選ばれるいずれかの金属板の片面
あるいは両面に銅のめっき膜を形成している。このた
め、適度な熱膨張率を有するモリブデン、銅−モリブデ
ンあるいは銅−タングステンの金属板を用いて、この金
属板に銅めっきを施すことにより、適度な熱膨張率と高
い熱伝導率とを有する放熱用金属板を得ることができ
る。

【０００８】金属板に銅のめっき膜を形成することで、
圧延加工により金属板に銅板を一体的に接合させたもの
に比べて金属板や銅のめっき膜に厚みのばらつきが発生
せず、放熱用金属板は所定の均一厚みとなる。したがっ
て、放熱用金属板の熱膨張率が部分的に異なることがな
いので、例えば放熱用金属板とセラミックス等の絶縁体
とを銀ろう等のろう材を用いてろう付けし、放熱用金属
板上に半導体素子を搭載した場合、放熱用金属板が変形
することはなく、放熱用金属板と絶縁体とを強固に接合
することができ、放熱用金属板上に半導体素子を強固に
固定することができる。

【０００９】金属板の両面に銅のめっき膜を形成して成
る放熱用金属板は、金属板と銅のめっき膜との間に発生
する両者の熱膨張差に起因した熱応力が金属板の両面で
相殺されるので、放熱用金属板を常に平坦とすることが
できる。このため、放熱用金属板上に半導体素子を搭載
した場合、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定す
ることができる。

【００１０】また、放熱用金属板上に半導体素子を搭載
した場合、放熱用金属板の熱伝導率は、放熱用金属板全
体の値よりも半導体素子直下の放熱用金属板の上層部の
値が重要であるので、半導体素子直下の部分に相当する
金属板の片面にのみ銅のめっき膜を形成してもよい。銅
のめっき方法としては、電解めっき法と無電解めっき法
とがあり、いずれのめっき方法も行うことが可能である
が、電解めっき法は、無電解めっき法に比べてめっき処
理の時間が短く、めっき膜の品質が安定しており、製造
歩留りが高く、製造コストを低減することができるので
好ましい。上記の電解めっき法あるいは無電解めっき法
は、公知の方法により行うことが可能であり、特に限定
されることはない。

【００１１】本発明の請求項２記載の放熱用金属板によ
ると、銅のめっき膜と金属板との厚みの比は、２．５以
下であるので、放熱用金属板の熱膨張率が適度なものと
なり、銅のめっき膜と金属板との間に両者の熱膨張率の
相違に起因した熱応力が発生するのを防止することがで
きる。したがって、放熱用金属板を常に平坦とすること
ができ、放熱用金属板上に半導体素子を搭載した場合、
放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定することがで
きる。

【００１２】銅のめっき膜と金属板との厚みの比が２．
５を越えると、放熱用金属板の熱膨張率が大きいものと
なり、放熱用金属板と絶縁体とを銀ろう等のろう材を用
いてろう付けし、放熱用金属板上に半導体素子を搭載し
た場合、放熱用金属板と絶縁体とのろう付け接合強度が
低下したり、放熱用金属板に反りが発生し、放熱用金属
板上に半導体素子を強固に固定することができなくなる
恐れがある。

【００１３】また、銅のめっき膜と金属板との厚みの比
は、０．１以上であることが好ましい。銅のめっき膜と
金属板との厚みの比が０．１未満であると、放熱用金属
板の熱伝導率が低いものとなり、放熱用金属板上に半導
体素子を搭載した場合、半導体素子の作動時に発生する
熱を充分に除去することができなくなる恐れがある。本
発明の請求項３記載の電子部品用パッケージによると、
請求項１または２記載の放熱用金属板上に電子部品を搭
載するので、半導体素子の作動時に発生する熱を外部に
良好に放散させることができ、半導体素子を長期間正常
に安定して作動させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の複数の実施例を図
面に基づいて説明する。 （第１実施例）本発明を例えば表面実装型のセラミック
ス製半導体用パッケージに適用した第１実施例につい
て、図１〜図４を用いて説明する。

【００１５】図１に示すように、セラミックス製半導体
用パッケージ１００は、放熱用金属板１０、アルミナ製
のパッケージ本体２０およびリードフレーム５０等から
構成される。放熱用金属板１０は、その上面に半導体素
子３０が搭載されて固定される半導体素子搭載部３１を
有しており、半導体素子３０は、半導体素子搭載部３１
上にガラス、樹脂、ろう材等の接着剤を用いて搭載され
て固定される。

【００１６】放熱用金属板１０は、金属板としてのモリ
ブデン板１１の上下両面に銅のめっき膜１２を形成した
構成である。放熱用金属板１０において、銅のめっき膜
１２の厚みｔ２とモリブデン１１の厚みｔ１との比ｔ２
／ｔ１は２．５以下に限定されている。また、放熱用金
属板１０の上面には、枠状に形成されたアルミナ製のパ
ッケージ本体２０が半導体素子搭載部３１の全周を囲む
ように銀ろう等のろう材１５を用いて接合されている。
放熱用金属板１０とパッケージ本体２０とで半導体素子
３０を搭載するための空間が形成される。この空間は、
パッケージ本体２０の上面２１にはんだ、低融点ガラ
ス、樹脂、ろう材等の封止材により図示しないリッド等
を接合させて気密に封止されている。

【００１７】パッケージ本体２０は、下面２２にろう材
１５を介して放熱用金属板１０に接合されるタングステ
ン、モリブデン等の接合パターン２３を有しており、内
周部から外周部にかけてタングステン、モリブデン等の
配線パターン２４を複数個有している。接合パターン２
３および配線パターン２４の表面にはニッケル、金等の
めっきが施されている。配線パターン２４の一端は、半
導体素子３０の電極部がボンディングワイヤ４０を介し
て電気的に接続され、導体配線層２４の他端は、プリン
ト基板等の外部電気回路に接続されるリードフレーム５
０が電気的に接続されている。

【００１８】次に、放熱用金属板１０の作製方法につい
て述べる。 (1) 図２および図３に示すように、例えば硫酸銅、硝酸
銅等を主成分とするめっき液を用いて電解めっき法によ
り、モリブデン板１１の上下両面に銅のめっき膜１２を
形成して放熱用金属板１０が得られる。図３に示す放熱
用金属板１０の厚みは約１ｍｍであり、銅のめっき膜１
２の厚みｔ２とモリブデン板１１の厚みｔ１との比ｔ２
／ｔ１は２．５以下である。

【００１９】次に、パッケージ本体２０の作製方法につ
いて述べる。 (2) アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、焼成タルク、
炭酸カルシウム等の焼結助剤と、酸化チタン、酸化クロ
ム、酸化モリブデン等の着色剤とを少量加えた粉体に、
ジオキシルフタレート等の可塑剤、アクリル樹脂やブチ
ラール樹脂等のバインダおよびトルエン、キシレン、ア
ルコール類等の溶剤を加え、十分に混練して粘度２００
０〜４００００ｃｐｓのスラリを作製し、ドクターブレ
ード法によって例えば０．３ｍｍ厚の複数枚のアルミナ
のグリーンシートを形成する。

【００２０】(3) 各グリーンシートに打ち抜き型やパン
チングマシーン等を用いて所望の形状に加工し、さら
に、複数のビアホールを打ち抜き加工して各ビアホール
にタングステン粉末、モリブデン粉末等を用いた導体ぺ
ーストを充填し、ビアを形成する。パッケージ本体の内
層に相当するグリーンシートにビアと同じ導体ペースト
で内層パターンを形成する。パッケージ本体の表面およ
び裏面層に相当するグリーンシートにビアと同じ導体ペ
ーストを使用して導体パターンをスクリーン印刷する。

【００２１】(4) ビアおよび内層パターンを形成した内
層に相当するグリーンシートと導体パターンをスクリー
ン印刷した表面層に相当するグリーンシートを積層し、
このグリーンシート積層体を例えば８０〜１５０℃、５
０〜２５０ｋｇ／ｃｍ² の条件で熱圧着して一体化す
る。 (5) 一体化されたグリーンシート積層体を窒素−水素混
合ガス雰囲気中で１５００〜１６００℃で焼成する。こ
れにより、導体ペースト中の樹脂分を分解および消失さ
せ、アルミナ製のパッケージ本体の表面に配線パターン
を形成し、裏面に接合パターンを形成する。

【００２２】(6) 形成された配線パターンの電極部およ
び接合パターンにニッケル、金等のめっきを施して、図
４に示すパッケージ本体２０が得られる。次に、上記の
(1) の工程で作製した放熱用金属板１０と、上記の(2)
〜(6) の工程で作製したパッケージ本体２０とを銀ろう
等のろう材を用いて接合し、配線パターンの電極部にリ
ードフレームを電気的に接続し、半導体パッケージの半
導体素子搭載部に半導体素子を搭載し、この半導体素子
の電極部と配線パターンの電極部とをワイヤボンディン
グにより電気的に接続する。その後、リッド等で半導体
素子搭載部を気密に封止した後、プリント基板等の外部
電気回路に実装する。

【００２３】次に、図３に示す放熱用金属板１０につい
て、熱伝導率、熱膨張率および反りを測定した結果を表
１に示す。また、モリブデン板１１に銅のめっき膜を形
成しない構成の比較例１について、熱伝導率、熱膨張率
および反りを測定した結果を表１に示す。比較例１は、
図２に示す第１実施例のモリブデン板１１と同一構成で
あり、実質的に同一部分に同一符号を付す。さらに、図
６に示すように、モリブデン板１１に銅板１３および１
４を圧延加工により一体的に接合させた比較例２につい
て、熱伝導率、熱膨張率および反りを測定した結果を表
１に示す。なお、表１に示す反りの値は、すべて長さ×
幅×厚み＝３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍの寸法のものに
ついて測定した結果である。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１に示すように、比較例１においては、
熱伝導率が１５０Ｗ／ｍｋであり、熱膨張率が６×１０
^-6／℃であり、反りが５μｍである。このため、モリブ
デン板１１上に半導体素子を搭載した場合、半導体素子
の作動時に発生する熱を放熱用金属板を介して外部に完
全に放散させるのが困難である。したがって、半導体素
子は半導体素子の作動時に発生する熱で高温となり、半
導体素子が物理的に破壊されたり、半導体素子の特性に
熱変化が起こり、半導体素子に誤動作が生じたりする恐
れがある。また、比較例２においては、熱伝導率が２７
０Ｗ／ｍｋであり、熱膨張率が９．５×１０^-6／℃であ
り、反りが７０μｍである。このため、モリブデン板１
１に銅板１３および１４を圧延加工により一体的に接合
させた放熱用金属板とセラミックス等の絶縁体とを銀ろ
う等のろう材を用いてろう付けし、放熱用金属板上に半
導体素子を搭載した場合、放熱用金属板の反りが大きい
ため、放熱用金属板と絶縁体とを強固に接合することが
できず、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固定する
ことができない。

【００２６】一方、第１実施例においては、表１に示す
ように、熱伝導率が２８０Ｗ／ｍｋであり、熱膨張率が
８．５×１０^-6／℃であり、反りが８μｍである。この
ため、図１に示すように、半導体素子搭載部３１に半導
体素子３０を載置固定しても、放熱用金属板１０は半導
体素子３０が発生する熱を吸収するとともに、吸収した
熱を外部に良好に放散させることができる。したがっ
て、半導体素子３０を長期間正常に安定して作動させる
ことができる。

【００２７】さらに、第１実施例においては、図４に示
すアルミナ製のパッケージ本体２０の熱膨張率は８〜９
×１０^-6／℃であり、放熱用金属板１０の熱膨張率はパ
ッケージ本体２０の熱膨張率に近似している。このた
め、図１に示すように、放熱用金属板１０とパッケージ
本体２０とをろう材１５により接合し、半導体素子搭載
部３１に半導体素子３０を載置固定しても、放熱用金属
板１０とパッケージ本体２０との間に両者の熱膨張率の
相違に起因した熱応力が発生するのを防止することがで
き、放熱用金属板１０とパッケージ本体２０とを強固に
接合することができるとともに、半導体素子搭載部３１
に半導体素子３０を強固に固定することができる。

【００２８】さらにまた、第１実施例においては、放熱
用金属板１０の反りが比較例２に比べて小さいので、放
熱用金属板１０とパッケージ本体２０とをさらに強固に
接合することができ、半導体素子搭載部３１に半導体素
子３０をさらに強固に固定することができる。第１実施
例では、表面実装型の半導体用パッケージに適用した
が、本発明では、例えばＰＧＡ(Pin Grid Array)等の挿
入型や他の型のパッケージに適用してもよい。

【００２９】また本発明では、アルミナ製の電子部品用
パッケージに限らず、窒化アルミニウム製、ムライト
製、低温焼成のガラスセラミックス製等どのようなセラ
ミックス製の電子部品用パッケージに適用してもよい。 （第２実施例）本発明の第２実施例による放熱用金属板
について、図５を用いて説明する。

【００３０】図５に示すように、第２実施例の放熱用金
属板１１０は、図３に示す第１実施例のモリブデン板１
１をタングステンの多孔質焼結体に溶融銅を含浸して成
る銅−タングステン板１１１に替えたものであり、その
他、第１実施例と実質的に同一部分に同一符号を付す。
金属板としての銅−タングステン板１１１の上下両面に
は、銅のめっき膜１２が形成されている。図５に示す銅
のめっき膜１２の厚みｔ２と銅−タングステン板１１１
の厚みｔ１１との比ｔ２／ｔ１１は２．５以下に限定さ
れている。

【００３１】次に、図５に示す放熱用金属板１１０につ
いて、熱伝導率、熱膨張率および反りを測定した結果を
表１に示す。第２実施例においては、表１に示すよう
に、熱伝導率が２７０Ｗ／ｍｋであり、熱膨張率が９．
５×１０^-6／℃であり、反りが１３μｍである。このた
め、放熱用金属板１１０上に半導体素子を載置固定した
場合、放熱用金属板１１０は半導体素子が発生する熱を
吸収するとともに、吸収した熱を外部に良好に放散させ
ることができる。したがって、半導体素子を長期間正常
に安定して作動させることができる。

【００３２】さらに、第２実施例においては、放熱用金
属板１１０の熱膨張率はアルミナ等の絶縁体の熱膨張率
に近似しているので、放熱用金属板１１０と絶縁体とを
ろう付けにより接合し、放熱用金属板１１０上に半導体
素子を載置固定した場合、放熱用金属板１１０と絶縁体
との間に両者の熱膨張率の相違に起因した熱応力が発生
するのを防止することができ、放熱用金属板１１０と絶
縁体とを強固に接合することができるとともに、放熱用
金属板１１０上に半導体素子を強固に固定することがで
きる。

【００３３】さらにまた、第２実施例においては、放熱
用金属板１１０の反りを比較的小さく抑えているので、
放熱用金属板１１０とアルミナ等の絶縁体とをろう材に
より接合した場合、放熱用金属板１１０と絶縁体とをさ
らに強固に接合することができ、放熱用金属板１１０上
に半導体素子をさらに強固に固定することができる。 （第３実施例）本発明の第３実施例による放熱用金属板
は、図５に示す第２実施例の銅−タングステン板１１１
をモリブデンの多孔質焼結体に溶融銅を含浸して成る銅
−モリブデン板に替えたものであり、金属板としての銅
−モリブデン板の上下両面には銅のめっき膜が形成され
ている。銅のめっき膜の厚みと銅−モリブデン板の厚み
との比は２．５以下に限定されている。

【００３４】次に、第３実施例による放熱用金属板につ
いて、熱伝導率、熱膨張率および反りを測定した結果を
表１に示す。第３実施例においては、表１に示すよう
に、熱伝導率が３１０Ｗ／ｍｋであり、熱膨張率が９．
８×１０^-6／℃であり、反りが１２μｍである。このた
め、放熱用金属板上に半導体素子を載置固定した場合、
放熱用金属板は半導体素子が発生する熱を吸収するとと
もに、吸収した熱を外部に良好に放散させることができ
る。したがって、半導体素子を長期間正常に安定して作
動させることができる。

【００３５】さらに、第３実施例においては、放熱用金
属板の熱膨張率はアルミナ等の絶縁体の熱膨張率に近似
しているので、放熱用金属板と絶縁体とをろう付けによ
り接合し、放熱用金属板上に半導体素子を載置固定した
場合、放熱用金属板と絶縁体との間に両者の熱膨張率の
相違に起因した熱応力が発生するのを防止することがで
き、放熱用金属板と絶縁体とを強固に接合することがで
きるとともに、放熱用金属板上に半導体素子を強固に固
定することができる。

【００３６】さらにまた、第３実施例においては、放熱
用金属板の反りを比較的小さく抑えているので、放熱用
金属板とアルミナ等の絶縁体とをろう材により接合した
場合、放熱用金属板と絶縁体とをさらに強固に接合する
ことができ、放熱用金属板上に半導体素子をさらに強固
に固定することができる。以上説明した本発明の複数の
実施例においては、モリブデン、銅−モリブデン、銅−
タングステンから選ばれるいずれかの金属板の片面ある
いは両面に銅のめっき膜を形成している。このため、銅
のめっき膜と金属板との厚みの比を２．５以下とするこ
とにより、適度な熱膨張率と高い熱伝導率とを有する放
熱用金属板を得ることができる。したがって、放熱用金
属板上に半導体素子を載置固定することにより、半導体
素子を長期間正常に安定して作動させることができる。

【００３７】本発明の複数の実施例では、放熱用金属板
は、金属板の両面に銅のめっき膜を形成する構成とした
が、本発明では、放熱用金属板上に半導体素子を載置固
定した場合、半導体素子直下の部分に相当する金属板の
片面にのみ銅のめっき膜を形成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による半導体用パッケージ
を示す断面図である。

【図２】本発明の第１実施例による放熱用金属板の製造
方法を説明するためのものであって、モリブデン板を示
す断面図である。

【図３】本発明の第１実施例による放熱用金属板を示す
断面図である。

【図４】本発明の第１実施例によるパッケージ本体を示
す断面図である。

【図５】本発明の第２実施例による放熱用金属板を示す
断面図である。

【図６】本発明の比較例２による放熱用金属板を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０ 放熱用金属板 １１ モリブデン板（金属板） １２ 銅のめっき膜 １５ ろう材 ２０ パッケージ本体 ３０ 半導体素子 ３１ 半導体素子搭載部 ５０ リードフレーム １００ 半導体パッケージ １１０ 放熱用金属板 １１１ 銅−タングステン板（金属板）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モリブデン、銅−モリブデン、銅−タン
   グステンから選ばれるいずれかの金属板と、 前記金属板の片面あるいは両面に形成される銅のめっき
   膜と、 を備えることを特徴とする放熱用金属板。
2. 【請求項２】 前記めっき膜と前記金属板との厚みの比
   は、２．５以下であることを特徴とする請求項１記載の
   放熱用金属板。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の放熱用金属板上
   に電子部品を搭載するようにしたことを特徴とする電子
   部品用パッケージ。