特許 7361000 半導体パッケージ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-04

(45)【発行日】2023-10-13

(54)【発明の名称】半導体パッケージ

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/12 20060101AFI20231005BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 J

H01L23/36 C

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020140634

(22)【出願日】2020-08-24

(65)【公開番号】P2022036428

(43)【公開日】2022-03-08

【審査請求日】2022-06-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100157277

【弁理士】

【氏名又は名称】板倉 幸恵

(74)【代理人】

【識別番号】100182718

【弁理士】

【氏名又は名称】木崎 誠司

(72)【発明者】

【氏名】西田 智弘

(72)【発明者】

【氏名】加地 豊

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健司

(72)【発明者】

【氏名】服部 充

【審査官】高橋 優斗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２６６１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３３５４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７６１１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２３／１２－２３／１５

Ｈ０１Ｌ２３／２９

Ｈ０１Ｌ２３／３４－２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属で形成され、本体部と、前記本体部の主面から突出した凸部と、を有する放熱体と、
セラミックから成り、前記本体部の前記主面にロウ材を介して接合された基体であって、前記本体部および前記凸部を、前記主面の広がる方向において、間隙を介して囲っている枠状の基体と、
を備える半導体パッケージであって、
前記本体部において、前記主面の反対側に位置する底面には、前記本体部と前記凸部との接続面の外形線を前記底面に投影した場合に、前記底面に投影された前記外形線の少なくとも一部と重複する溝が形成され、
前記溝は、前記底面に投影された前記外形線の全てを含むように形成されていることを特徴とする、半導体パッケージ。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体パッケージであって、
前記溝は、前記底面に投影された前記外形線に沿った直線状であることを特徴とする、半導体パッケージ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体パッケージに関する。

【背景技術】

【0002】

集積回路チップ等の電子部品の封止に用いられる電子部品用パッケージが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された電子部品用パッケージでは、セラミック製の本体に貫通している貫通孔に、放熱部材が挿入されて、本体と放熱部材とが接合されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－３２１７５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された電子部品用パッケージでは、本体と放熱部材とは、本体から内周側に突出した部分の上面と、放熱部材が外周側に突出した部分の下面とが接合されている。接合されていない本体の内周面と、放熱部材の外周面との間には、隙間が設けられている。このように、本体と放熱部材との間に隙間が形成されているため、材質の異なる本体と放熱部材との大きさが熱膨張によって変化しても、本体と放熱部材とが干渉せずに済む。しかしながら、本体と放熱部材とが干渉しない場合であっても、特許文献１に記載の構成では、接合部を介した引張力の発生により、熱膨張によりセラミック製の本体にクラックが発生するおそれがある。そのため、半導体パッケージの本体に発生するクラックを抑制したい要望があった。この要望は半導体パッケージを含む電子部品用パッケージ全般における要望であった。なお、セラミック製の本体は、基体とも呼ばれる。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、半導体パッケージにおけるクラックの発生を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。金属で形成され、本体部と、前記本体部の主面から突出した凸部と、を有する放熱体と、セラミックから成り、前記本体部の前記主面にロウ材を介して接合された基体であって、前記本体部および前記凸部を、前記主面の広がる方向において、間隙を介して囲っている枠状の基体と、を備える半導体パッケージであって、前記本体部において、前記主面の反対側に位置する底面には、前記本体部と前記凸部との接続面の外形線を前記底面に投影した場合に、前記底面に投影された前記外形線の少なくとも一部と重複する溝が形成され、前記溝は、前記底面に投影された前記外形線の全てを含むように形成されていることを特徴とする、半導体パッケージ。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、金属で形成され、本体部と、前記本体部の主面から突出した凸部と、を有する放熱体と、セラミックから成り、前記本体部の前記主面にロウ材を介して接合された基体であって、前記本体部および前記凸部を、前記主面の広がる方向において、間隙を介して囲っている枠状の基体と、を備える半導体パッケージが提供される。この半導体パッケージは、前記本体部において、前記主面の反対側に位置する底面には、前記本体部と前記凸部との接続面の外形線を前記底面に投影した場合に、前記底面に投影された前記外形線の少なくとも一部と重複する溝が形成されている。

【0008】

一般に、放熱体と基体とをロウ材により接合した場合、ロウ材が接触する基体の枠の内側（開口部）の角に応力集中が生じる。また、放熱体と基体との間にロウ材溜りが形成された場合、当該ロウ材溜りの形状に依存した残留応力が生じ、基体にクラックが生じる。この点、本構成の半導体パッケージによれば、本体部の底面には、投影された外形線（すなわち、基体の枠内に挿入される凸部と、基体と接合される本体部との接続面の外形線）の一部に重複する位置に、溝が形成されている。この溝によって、ロウ付けの際に、放熱体と基体との間で作用する引張力が弱くなる。この結果、基体の枠の内側（開口部）の角に生じる応力集中を抑制することができ、基体に生じるクラックを抑制できる。また、本体部の底面の溝は、投影された外形線の一部に重複する位置に設けられているため、放熱体の肉厚（投影方向に沿った厚さ）を薄肉化し、ロウ付けの際に、基体に生じるクラックをより効果的に抑制できる。この結果、半導体パッケージにおけるクラックの発生を抑制できる。

【0009】

（２）上記形態の半導体パッケージにおいて、前記溝は、前記底面に投影された前記外形線に沿った直線状であってもよい。
本構成の半導体パッケージによれば、溝が底面に投影された外形線に沿っていない場合や、溝が直線状でない場合と比較して、本体部から溝として除去する肉厚部の体積を抑制した上で、放熱体の剛性をより効率的に小さくできる。

【0010】

（３）上記形態の半導体パッケージにおいて、前記溝は、前記底面に投影された前記外形線の全てを含むように形成されていてもよい。
本構成の半導体パッケージによれば、溝が底面に投影された外形線の全てと重複していない場合と比較して、本体部から溝として除去する肉厚部の体積を抑制した上で、放熱体の剛性をより効率的に小さくできる。

【0011】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、半導体パッケージ、配線基板、半導体装置、半導体パッケージの製造方法、配線基板の製造方法、およびこれらを備えるシステム等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態の半導体パッケージの概略斜視図である。

【図2】半導体パッケージの説明図である。

【図3】半導体パッケージの説明図である。

【図4】半導体パッケージの概略下面図である。

【図5】第２実施形態の半導体パッケージの概略下面図である。

【図6】第３実施形態の半導体パッケージの概略下面図である。

【図7】第１実施形態ないし第３実施形態と、比較例との半導体パッケージの評価についての説明図である。

【図8】第４実施形態の半導体パッケージの概略下面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の半導体パッケージ１００の概略斜視図である。図１に示される半導体パッケージ１００は、半導体装置に用いられる基板である。半導体パッケージ１００には、発光ダイオードなどの半導体が載置される。載置された半導体は、図示されない電気配線によって半導体パッケージ１００の外部の制御装置と電気的に接続されており、発光が制御される。なお、半導体は、発光ダイオードに限定されず、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやダイオードなどから構成されるパワーデバイスであってもよいし、他の機能を有する半導体を含んでもよい。

【0014】

図１に示されるように、半導体パッケージ１００は、略直方体の形状を有する。半導体パッケージ１００の長手方向に平行な軸をＸ軸、短手方向に平行かつＸ軸に直交する軸をＹ軸と定義して、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸（半導体パッケージ１００の厚さ方向に平行な軸）で構成される直交座標系は、図２以降に示される直交座標系と対応している。本実施形態の半導体パッケージ１００は、半導体パッケージ１００の重心を通り、かつ、Ｚ軸に平行な中心軸ＯＬを定義した場合に、中心軸ＯＬを通るＹＺ平面およびＺＸ平面を基準として対称的な形状を有する。

【0015】

図２および図３は、半導体パッケージ１００の説明図である。図２に示される半導体パッケージ１００は、図１に示される半導体パッケージ１００の下面から見た斜視図である。図３には、図１におけるＡ－Ａ断面の半導体パッケージ１００についての概略図が示されている。図３に示されるように、半導体パッケージ１００は、中心軸ＯＬ側に配置された放熱体３０と、接合部４０を介して放熱体３０に接合される基体２０と、を備えている。放熱体３０は、金属であるＣｕを主成分として形成されている。基体２０は、セラミックとしてのアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分として形成されている。接合部４０は、Ａｇで形成された銀ろうの接合材である。

【0016】

図３に示されるように、放熱体３０は、Ｚ軸負方向側に位置する略直方体状の本体部３１と、本体部３１の上面（主面）３１Ｐから突出した略直方体状の凸部３２と、を備えている。基体２０は、放熱体３０の本体部３１および凸部３２を、間隙ＧＰを介して囲っている枠状の形状を有している。間隙ＧＰは、本体部３１から、本体部３１の主面３１Ｐが広がるＸＹ平面に沿った方向において形成されている。本実施形態では、放熱体３０と基体２０とにおける間隙ＧＰの間隔は、１００μｍ～１４０μｍである。

【0017】

基体２０は、半導体パッケージ１００の外形を形成している外周部２１と、外周部２１から中心軸ＯＬ側に突出している平板部２２と、を備えている。すなわち、図３に示されるように、外周部２１は、略直方体に対して、中心軸ＯＬに沿って、本体部が挿入される空洞が形成された形状である。平板部２２は、外周部２１の内側に形成されたフランジ状の形状を有する。平板部２２の下面２２Ｓと、本体部３１の主面３１Ｐとが、接合部４０により接合されている。

【0018】

図４は、半導体パッケージ１００の概略下面図である。図２および図４に示されるように、本体部３１におけるＺ軸負方向側の底面３１Ｂは、Ｚ軸方向において外周部２１の底面２１Ｂと同じ位置にある接地面３１Ｃと、接地面３１ＣよりもＺ軸正方向側に凹んだ溝部（溝）３１Ｇと、を含んでいる。溝部３１Ｇは、底面３１Ｂにおいて、Ｘ軸に沿った直線状に形成されている。なお、図４では、溝部３１Ｇを明確にするために、溝部３１Ｇがハッチングで示されている。

【0019】

図４には、底面３１Ｂに投影された、本体部３１と凸部３２との接続面の外形線３２Ｌが破線で示されている。外形線３２Ｌは、Ｘ軸に平行な第１外形線３２Ｌｘと、Ｙ軸に平行な第２外形線３２Ｌｙと、を含んでいる。図４に示されるように、溝部３１Ｇは、本体部３１における主面３１Ｐの反対側に位置する底面３１Ｂにおいて、第１外形線３２Ｌｘの全てと、第２外形線３２Ｌｙの一部とに重複している。溝部３１Ｇは、底面３１Ｂに投影された第１外形線３２Ｌｘに沿った直線状の形状を有している。

【0020】

以上説明したように、本実施形態の半導体パッケージ１００は、放熱体３０と、間隙ＧＰを介して放熱体３０を囲っている基体２０とを備えている。本体部３１の底面３１Ｂに、本体部３１と凸部３２との接続面の外形線３２Ｌが投影された場合に、溝部３１Ｇは、投影された外形線３２Ｌの少なくとも一部と重複している。ここで、放熱体３０と基体２０とが接合部４０により接合された場合、接合部４０が接触する基体２０の枠の内側の角に応力が集中する。また、接合部４０としてロウ材溜りが形成されると、接合部４０の形状に依存した残留応力が基体２０に生じ、基体２０にクラックが生じるおそれがある。これに対し、本実施形態の半導体パッケージ１００によれば、本体部３１の底面３１Ｂには、投影された外形線３２Ｌの一部に重複する位置に、溝部３１Ｇが形成されている。この溝部３１Ｇによって、放熱体３０と基体２０との接合時に、放熱体３０と基体２０との間で作用する引張力が弱くなる。この結果、基体２０の枠の内側の角（外周部２１から平板部２２が突出する根元）に生じる応力集中を抑制でき、基体２０に生じるクラックを抑制できる。また、本体部３１の底面３１Ｂに形成された溝部３１Ｇは、外形線３２Ｌの一部に重複する位置に設けられている。そのため、本体部３１から除去する肉厚部の体積の割合に対して、放熱体３０の剛性を効率的に減少させる薄肉化を実現でき、接合時に基体２０に生じるクラックをより一層抑制できる。この結果、半導体パッケージ１００におけるクラックの発生を抑制できる。

【0021】

また、本実施形態の半導体パッケージ１００では、溝部３１Ｇは、底面３１Ｂに投影された外形線３２Ｌの一部である第１外形線３２Ｌｘに沿う直線状に形成されている。そのため、本実施形態の半導体パッケージ１００では、溝部３１Ｇが外形線３２Ｌに沿っていない又は直線状に形成されていない場合と比較して、本体部３１から溝部３１Ｇとして除去する肉厚部の体積を抑制した上で、放熱体３０の剛性をより効率的に小さくできる。

【0022】

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の半導体パッケージ１００ａの概略下面図である。第２実施形態の半導体パッケージ１００ａでは、第１実施形態の半導体パッケージ１００と比較して、本体部３１ａの底面３１Ｂに形成された接地面３１Ｃａおよび溝部３１Ｇａの形状が異なり、他の形状等については第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態では、第１実施形態と異なる形状について説明し、第１実施形態と同じ形状等についての説明を省略する。

【0023】

図５のハッチングで示されるように、第２実施形態の溝部３１Ｇａは、本体部３１の底面３１Ｂの外周に形成された外周部分３１Ｇａ１と、第１外形線３２Ｌｘに重複してＸ軸に沿って延びる２本の直線部分３１Ｇａ２とにより構成されている。このように、本体部３１の底面３１Ｂに形成される溝部３１Ｇａの形状については、底面３１Ｂに投影された外形線３２Ｌの少なくとも一部に重複する範囲で変形可能である。

【0024】

＜第３実施形態＞
図６は、第３実施形態の半導体パッケージ１００ｂの概略下面図である。第３実施形態の半導体パッケージ１００ｂでは、第１実施形態の半導体パッケージ１００と比較して、本体部３１ｂの底面３１Ｂに形成された接地面３１Ｃｂおよび溝部３１Ｇｂの形状が異なり、他の形状等については第１実施形態と同じである。そのため、第３実施形態では、第１実施形態と異なる形状について説明し、第１実施形態と同じ形状等についての説明を省略する。

【0025】

図６のハッチングで示されるように、第３実施形態の溝部３１Ｇｂは、本体部３１の底面３１Ｂの外周に形成された外周部分３１Ｇｂ１と、第１外形線３２Ｌｘに重複してＸ軸に沿って延びる２つの直線部分３１Ｇｂ２と、底面３１Ｂの中央部分に形成された矩形部分３１Ｇｂ３と、によって構成されている。直線部分３１Ｇｂ２は、第１外形線３２Ｌｘに沿って延びる部分と、当該部分とを外周部分３１Ｇｂ１に接続する部分とによって構成されている。矩形部分３１Ｇｂ３のうち、Ｙ軸に平行に延びる短辺部分は、底面３１Ｂに投影された第２外形線３２Ｌｙの一部と重複している。

【0026】

図７は、第１実施形態ないし第３実施形態の半導体パッケージ１００，１００ａ，１００ｂと比較例の半導体パッケージ１００ｚとの評価についての説明図である。比較例の半導体パッケージ１００ｚは、第１実施形態の半導体パッケージ１００に対して溝部３１Ｇが形成されていない半導体パッケージである。

【0027】

図７に示される評価結果は、４種類の各半導体パッケージ１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｚにおける各１０個のサンプルに対して、加熱冷却サイクル試験を５回行った後のクラックの有無と、当該試験を１０回行った後のクラックの有無との評価結果である。加熱冷却サイクル試験は、温度が室温（約２５℃）であるサンプルを、３００℃に設定された加熱器によって２分間加熱する工程と、その後加熱器から取り出して室温まで自然空冷させる工程とを１サイクルとして繰り返すものである。クラックの発生は、浸透探傷検査により評価されている。

【0028】

図７に示されるように、４種類の第１実施形態ないし第３実施形態と比較例との半導体パッケージの内、第１実施形態ないし第３実施形態の半導体パッケージ１００，１００ａ，１００ｂでは、いずれの評価でもクラックが発生していない。一方で、比較例の半導体パッケージ１００ｚでは、加熱・冷却の工程が５回行われた後の評価で、１０個のサンプルの内の２個にクラックが発生している。また、加熱・冷却の工程が１０回行われた後の評価で、１０個のサンプルの内の４個にクラックが発生している。以上の評価結果から、本体部３１の底面３１Ｂに形成された溝部３１Ｇ，３１Ｇａ，３１Ｇｂ，３１Ｇｃが、クラックの発生を抑制することが確認された。

【0029】

＜第４実施形態＞
図８は、第４実施形態の半導体パッケージ１００ｃの概略下面図である。第４実施形態の半導体パッケージ１００ｃでは、第１実施形態の半導体パッケージ１００と比較して、本体部３１ｃの底面３１Ｂに形成された接地面３１Ｃｃおよび溝部３１Ｇｃの形状が異なり、他の形状等については第１実施形態と同じである。そのため、第４実施形態では、第１実施形態と異なる形状について説明し、第１実施形態と同じ形状等についての説明を省略する。

【0030】

図８のハッチングで示されるように、第４実施形態の溝部３１Ｇｃは、第１外形線３２Ｌｘに重複してＸ軸に沿って延びる２本の直線部分３１Ｇｃ２と、第２外形線３２Ｌｙに重複してＹ軸に沿って延びる２つの直線部分３１Ｇｃ１と、によって構成されている。直線部分３１Ｇｃ１の一部と、直線部分３１Ｇｃ２の一部とは、重複している。第４実施形態の溝部３１Ｇｃは、底面３１Ｂに投影された外形線３２Ｌの全てを含むように形成されている。

【0031】

以上説明したように、第４実施形態の溝部３１Ｇｃは、底面３１Ｂに投影された外形線３２Ｌの全てと重複している。そのため、溝部３１Ｇｃが外形線３２Ｌの全てとは重複していない場合と比較して、本体部３１ｃから溝部３１Ｇｃとして除去する肉厚部の体積を抑制した上で、放熱体３０ｃの剛性をより効率的に小さくできる。

【0032】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0033】

上記実施形態の半導体パッケージ１００は、一例であって、半導体パッケージ１００の構成および形状などについては種々変形可能である。例えば、上記実施形態の放熱体３０は、無酸素銅であるＣｕで形成されていたが、その他の金属によって形成されていてもよい。放熱体３０は、８０ｗｔ％以上のＣｕを含んでいると好ましい。上記実施形態の基体２０は、セラミックのアルミナで形成されていたが、アルミナ以外のセラミックで形成されていてもよい。例えば、基体２０は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ガラス－セラミック、ムライト、およびＢＮなどを主成分として含むセラミックで形成されていてもよい。上記実施形態の接合部４０は、銀ろう材であったが、その他の接合材により形成されていてもよい。接合部４０は、７０ｗｔ％以上のＡｇを含む金属で形成されていると好ましい。

【0034】

半導体パッケージ１００は、底面３１Ｂに本体部３１と凸部３２との接続面の外形線３２Ｌが投影された場合に、投影された外形線３２Ｌの少なくとも一部と重複するように形成された溝部３１Ｇを備えている範囲で変形可能である。例えば、半導体パッケージ１００は、中心軸ＯＬを通るＹＺ平面およびＺＸ平面を中心として対称的な略直方体の形状を有していたが、異なる形状を有していてもよい。上記実施形態における間隙ＧＰの間隔は、一例であり、１００μｍ未満であってもよいし、１４０μｍ以上よりも大きくてもよい。溝部３１Ｇは、Ｘ軸およびＹ軸に平行ではなく、底面３１Ｂに投影された外形線３２Ｌの少なくとも一部と交差するように形成されていてもよい。なお、本実施形態における「溝部」とは、本体部３１の底面３１Ｂを基準としたときに、底面３１Ｂよりも凸部３２側（Ｚ軸正方向側）に凹んだ部分をいう。そのため、溝部は、必ずしも長細い形状である必要はなく、Ｚ軸方向に直交する断面が円状の凹み部であってもよい。

【0035】

上記実施形態における本体部３１の底面３１Ｂ等の呼び方は、図１などに示される直交座標系を基準とした定義の一例に基づく呼び方であるため、設定する座標系に応じて各面などの呼び方は変形可能である。例えば、設定する座標系に応じて、上記実施形態における「底面３１Ｂ」は、放熱体３０の凸部３２を下側と設定した場合には「上面」とも表現できる。すなわち、上記実施形態において設定した直交座標系に合わせた呼び方は、一例であり、種々変形可能である。

【0036】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0037】

２０…基体
２１…外周部
２１Ｂ…外周面の底面
２２…平板部
２２Ｓ…平板部の下面
３０，３０ｃ…放熱体
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…本体部
３１Ｂ…本体部の底面
３１Ｃ，３１Ｃａ，３１Ｃｂ，３１Ｃｃ…本体部の接地面
３１Ｇ，３１Ｇａ，３１Ｇｂ，３１Ｇｃ…溝部（溝）
３１Ｇａ１，３１Ｇｂ１…溝部の外周部分
３１Ｇａ２，３１Ｇｂ２，３１Ｇｃ１，３１Ｇｃ２…溝部の直線部分
３１Ｇｂ３…矩形部分
３１Ｐ…放熱体の主面
３２…凸部
３２Ｌ…外形線
３２Ｌｘ…第１外形線
３２Ｌｙ…第２外形線
４０…接合部
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｚ…半導体パッケージ
ＧＰ…間隙
ＯＬ…中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】