接合構造体及び半導体素子収納用パッケージ
【課題】金属部材とセラミッ部材との信頼性の高い接合が可能で、かつセラミック部材にクラックが発生することのない接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】金属からなる第１の部材１１と、この第１の部材１１に接合される、表面に金属層１２ａを有するセラミックからなる第２の部材１２と、第１の部材１１上から第２の部材１２の金属層１２ａ上に跨って配置される金属からなる第３の部材１３と、第１の部材１１および第２の部材１２の金属層１２ａと、第３の部材１３との間に配置されるろう材１４と、第３の部材１３の周囲にろう材１４により形成されるフィレット１５，１６とを具備し、第３の部材１３は、第１の部材１２と対向する部分にのみろう材１４の溜まり部となる面取部１７を備える接合構造体、及びこのような接合構造体を有する半導体素子収納用パッケージ。
【解決手段】金属からなる第１の部材１１と、この第１の部材１１に接合される、表面に金属層１２ａを有するセラミックからなる第２の部材１２と、第１の部材１１上から第２の部材１２の金属層１２ａ上に跨って配置される金属からなる第３の部材１３と、第１の部材１１および第２の部材１２の金属層１２ａと、第３の部材１３との間に配置されるろう材１４と、第３の部材１３の周囲にろう材１４により形成されるフィレット１５，１６とを具備し、第３の部材１３は、第１の部材１２と対向する部分にのみろう材１４の溜まり部となる面取部１７を備える接合構造体、及びこのような接合構造体を有する半導体素子収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子収納用パッケージにおいてセラミック部材と金属部材とをろう材で接合する際等に使用される接合構造体、及びそのような接合構造体を用いた半導体素子収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子収納用パッケージ等において、セラミック部材と金属部材とをろう材を用いて接合することが行われている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
図５は、そのような接合技術を用いた接合構造体の一例を示したもので、金属からなるベース部材１上に、上面に凹部２を備えたセラミックからなる部材３が固定され、さらにその凹部２内に金属からなる部材４が配置され、ろう材５により接合されている。図５において、符号６は、セラミック部材３の凹部２の底表面にろう付けのために設けられた金属層(メタライズ層)を示している。
【０００４】
このような接合構造体においては、ろう付け部の接続信頼性を高めるため、一般に、金属部材４の基部外面からセラミック部材３の凹部２底表面にかけてろう材５のフィレット７を形成している。しかしながら、ろう材５のフィレット７の形成は、金属部材４の基部部分の応力集中を緩和するうえでは有効であるものの、金属部材４とセラミック部材３の凹部２側面までの距離ｄが短いと、フィレット７の先端部下に大きな応力の集中が生じ、セラミック部材３にクラック８が発生することがあった。
【０００５】
このような問題に対し、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、図６に示すように、金属部材４の基部に面取部９を設けることにより、金属部材４とセラミック部材３の凹部２側面までの距離ｄが短い場合であっても、接続信頼性（接合強度）を低下させずにクラックの発生を抑制できることを見出し、先に出願した（特願２００８-２３０７５１）。
【０００６】
ところが、例えば図７に示すように、上面に凹部２を備えたセラミック部材３を金属からなるベース部材１上に配置し、さらにこれらの部材１、３に跨って金属部材４を配置し、ろう材５で一括して接合するような場合、面取部９が形成されているとフィレット７先端部下の残留応力が却って大きくなり、クラック８が発生しやすくなる傾向が見られた。この要因としては、金属部材４とセラミック部材３との信頼性の高い接合を実現するため、つまり、金属部材４とセラミック部材３との間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、通常より多いろう材を使用したこと、面取部９を形成したためにろう材が溜まり易くなったこと、金属ベース部材１とセラミック部材３との間にもろう材が配置されるため、このろう材が面取部９に流れたこと、そして、その結果、面取部９のろう材量が増大したことなどが考えられる。
【０００７】
したがって、この対策としては、ろう材の使用量を減らせばよい。しかし、ろう材の使用量を減らすと、十分な接合強度が得られなくなるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−１４４５４号公報
【特許文献２】特開平６−３３４０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来技術の課題に対処してなされたものであり、過多となるろう材量を使用した場合でも、金属部材とセラミック部材との信頼性の高い接合が可能であり、しかもそのためにろう材が過多となってセラミック部材にクラック等の欠陥が発生することのない接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）請求項１の発明（接合構造体）は、金属からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分にのみ前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、金属からなる第３の部材は、金属からなる第１の部材と対向する部分にのみろう材の溜まり部となる面取部を備えている。このような接合構造体においては、接合の信頼性を高めるために多量のろう材を使用しても、過剰となったろう材は、固化収縮する際の応力でクラックが発生するおそれの全くない第１の部材上の面取部に溜まりやすく、セラミックからなる第２の部材上のフィレットを形成する部分のろう材量が多くなることはない。また、金属からなる第１の部材とセラミックからなる第２の部材との間にろう材が配置され、そのろう材が流れて、金属からなる第３の部材と、金属からなる第１の部材およびセラミックからなる第２の部材との間のろう材量が増すことがあっても、このろう材は第１の部材上の面取部に流れるため、セラミックからなる第２の部材上のフィレットを形成する部分のろう材量が多くなることはない。したがって、セラミックからなる第２の部材上のフィレット先端部下に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。
【００１２】
（２）請求項２の発明は、請求項１記載の接合構造体において、前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、第２の部材が、表面に第３の部材に近接する凸部を備えている。このような接合構造体においては、第２の部材におけるフィレットを形成するための金属層の面積が凸部によって制限されるため、ろう材が固化し収縮する際にフィレット先端部下に加わる応力は凸部のないものに比べてより大きくなり、セラミックからなる第２の部材にクラック等の欠陥がより発生しやすくなる。本発明では、ろう材は第１の部材上の面取部に集中して溜まるため、このような構造であっても、セラミックからなる第２の部材上のフィレット先端部下に加わる応力が増大することはなく、該部におけるクラック等の欠陥の発生を防止することができる。
【００１４】
（３）請求項３の発明は、金属からなる第１の部材と、この第１の部材上に接合されるセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上に、前記第２の部材に近接して配置される、前記第２の部材に対向する側面を有する金属からなる第３の部材と、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分であって、前記第２の部材に対向する側面の基部部分を除く部分に前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、金属からなる第３の部材は、金属からなる第１の部材と対向する部分であって、第２の部材に対向する側面の基部部分を除く部分にろう材の溜まり部となる面取部を備えている。このような接合構造体においては、接合の信頼性を高めるために多量のろう材を使用しても、過剰となったろう材は、セラミックからなり、したがってクラック等の欠陥が発生しやすい第２の部材側ではなく、その反対側の面取部に溜まる。このため、ろう材が固化収縮する際にセラミックからなる第２の部材に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。これにより、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。
【００１６】
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体において、前記第２の部材上または前記第２の部材側のフィレットは、６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明では、第２の部材１２上または第２の部材１２側のフィレットが６０°以下の立ち上がり角度を有している。このような接合構造体においては、ろう材の固化収縮に伴うフィレット先端部下の応力をより確実に低減することができるため、クラック等の欠陥の発生をより確実に防止することができる。
【００１８】
なお、本明細書中、「フィレットの立ち上がり角度」とは、フィレットが接する２つの部材の表面にいずれも垂直である面で切断したときの略三角形状の断面（以下、単に「フィレット断面」ともいう。）において、フィレットの先端とフィレットの頂点を結んだ直線のフィレット底辺に対する傾斜角をいう。
【００１９】
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体において、前記第２の部材１２上または前記第２の部材１２側のフィレットは、４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明では、第２の部材上または第２の部材側のフィレットが４５°以下の立ち上がり角度を有している。このような接合構造体においては、ろう材の固化収縮に伴うフィレット先端部下の応力をより一層確実に低減することができるため、クラック等の欠陥の発生をより一層確実に防止することができる。
【００２１】
（６）請求項６の発明は、表面に金属層を有するセラミックまたは高分子材料からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材の金属層上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材の金属層および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、前記第１の部材の金属層は、その最外端から第３の部材までの距離が少なくとも前記第２の部材の金属層の最外端から第３の部材までの距離より長い延出部を有し、かつ、前記フィレットは６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明では、第１の部材の金属層は、その最外端から第３の部材までの距離が少なくとも前記第２の部材の金属層の最外端から第３の部材までの距離より長い延出部を有している。このような接合構造体においては、接合の信頼性を高めるために多量のろう材を使用した場合、過剰となったろう材は上記延出部に流れ、延出部以外の部分でフィレットを形成するろう材の量が増加することはない。このため、第２の部材等におけるフィレットを形成するための金属層の面積が制限されていて、従来であれば立ち上がり角度が６０°を超えるフィレットが形成され、その先端下にろう材の固化収縮に伴う大きな応力が加わるような場合でも、立ち上がり角度のより小さいフィレットを形成することができ、第２の部材にクラック等の欠陥が発生するのを防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。
【００２３】
（７）請求項７の発明は、請求項６記載の接合構造体において、前記フィレットは４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明では、フィレットが４５°以下の立ち上がり角度を有している。このような接合構造体においては、ろう材の固化収縮に伴うフィレット先端部下の応力をより一層確実に低減することができるため、クラック等の欠陥の発生をより一層確実に防止することができる。
【００２５】
（８）請求項８の発明は、請求項６または７記載の接合構造体であって、前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明では、第２の部材が、表面に第３の部材に近接する凸部を備えている。このような接合構造体においては、第２の部材におけるフィレットを形成するための金属層の面積が凸部によって制限されるため、ろう材が固化し収縮する際にフィレット先端部下に加わる応力は凸部のないものに比べてより大きくなり、セラミックからなる第２の部材にクラック等の欠陥がより発生しやすくなる。本発明では、ろう材は第１の部材の金属層の延出部に集中するため、このような構造であっても、セラミックからなる第２の部材上のフィレット先端部下に加わる応力が増大することはなく、該部におけるクラック等の欠陥の発生を防止することができる。
【００２７】
（９）請求項９の発明（半導体素子収納用パッケージ）は、請求項１乃至８のいずれか１項記載の接合構造体を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明では、クラック等の欠陥がなく、かつ十分な接合強度を有する接合構造体を備えることができるので、高い信頼性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、過多となるろう材量を使用した場合でも、金属部材とセラミック部材との信頼性の高い接合が可能であり、しかもそのためにろう材が過多となってセラミック部材にクラックが発生することのない接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態との比較のための半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図５】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体の一例を示す断面図である。
【図６】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体の他の例を示す断面図である。
【図７】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体のさらに他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なることに留意すべきである。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００３３】
図１において、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなる部材１１（第１の部材）上には、上面に凸部１８を備えたセラミックからなる部材（第２の部材）１２が配置され、さらに、これらの第１および第２の部材に跨って、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる第３の部材１３が配置されている。そして、これらの第１〜第３の部材１１，１２，１３は銀ろう等のろう材１４によって接合されている。
【００３４】
第２の部材１２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第２の部材１２の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第３の部材１３と対向する第２の部材１２の側面および上面と、第１の部材１１と対向する第２の部材１２の下面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１２ａ、１２ｂが設けられている。金属層１２ａ、１２ｂの表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００３５】
第１の部材１１は、上記のように、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなるが、第３の部材１３と同様、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金で形成されていてもよく、また、その他の金属で形成されていてもよい。一方、第３の部材１３も、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００３６】
第１の部材１１および第３の部材のろう材１４が配置される表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００３７】
第３の部材１３は、第２の部材１２の凸部１８側面に近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第３の部材１３と第２の部材１２の凸部１８側面までの距離ｄが１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第３の部材１３は、距離ｄが１００μｍとなる位置に配置されている。
【００３８】
そして、第３の部材１３の第１の部材１１と対向する部分には、Ｃ面取寸法（縦、横の長さ）が例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲のＣ面取部１７が選択的に形成されている。
【００３９】
ろう材１４は、このようなＣ面取部１７が形成された第３の部材１３と第１の部材１１との間、第３の部材１３と第２の部材１２の側面及び上面に形成された金属層１２aとの間、さらに、第１の部材１３の上面と第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間に配置される。ろう材１４は、各部材間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、やや多めの量が配置される。そして、ろう材１４により第３の部材１３の周囲に、フィレット１５，１６が形成されるが、第３の部材１３の第１の部材１１と対向する部分にのみ選択的にＣ面取部１７が形成されているので、過剰なろう材１４は、Ｃ面取部１７側に集中し、Ｃ面取部１７と第１の部材１１間に溜まり、第２の部材１２上には通常のろう材量を使用した場合と変わらない量あるいはそれより少ない量によるフィレット１６が形成される。
【００４０】
このように構成される接合構造体においては、通常より多い量のろう材が使用され、また、第１の部材１３の上面と第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間にろう材が配置されるにもかかわらず、ろう材は、ろう材が固化収縮する際の応力でクラックが発生するおそれの全くない第１の部材１１上のＣ面取部１７に溜まるので、ろう材が固化し収縮する際にセラミックからなる第２の部材１２上のフィレット１６先端部下に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。そして、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００４１】
表１は、シミュレーションにより求めたフィレットを形成するろう材量（フィレット高さ）とその先端部下における残留応力との関係を示したものである。表１から明らかなように、ろう材量（フィレット高さ）が増大するほど残留応力が大きくなっている。本実施形態では、第３の部材１３の第１の部材１２と対向する部分にのみ選択的に、ろう材１４の溜まり部となるＣ面取部１７を形成しているので、第２の部材１２上のフィレット１６を形成するろう材量が増えることはなく、したがって残留応力が増大することもない。なお、表１において、残留応力は、Ｎｏ．２（フィレット長さ５０μｍ、フィレット高さ７０μｍ）の残留応力を１００としたときの相対値である。
【００４２】
【表１】
【００４３】
なお、第２の部材１２上のフィレット１６先端部下におけるクラック等の欠陥の発生を防止するためには、フィレット１６の立ち上がり角度が６０°以下であることが好ましく、４５°以下であることがより好ましい。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００４５】
図２において、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなる部材（第１の部材）１１上には、セラミックからなる部材（第２の部材）１２およびコバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる第３の部材１３が配置されている。そして、これらの第１〜第３の部材１１，１２，１３は銀ろう等のろう材１４によって接合されている。
【００４６】
第２の部材１２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第２の部材１２の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第１の部材１１と対向する第２の部材１２の下面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１２ｂが設けられている。金属層１２ｂの表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００４７】
第１の部材１１は、上記のように、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなるが、第３の部材１３と同様、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金で形成されていてもよく、また、その他の金属で形成されていてもよい。一方、第３の部材１３も、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００４８】
第１の部材１１および第３の部材のろう材１４が配置される表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００４９】
第３の部材１３は、第１の部材１１は第２の部材１２の側面１２ｃに近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第３の部材１３の側面１３ａと第２の部材１２の側面１２ｃまでの距離ｄが１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第３の部材１３は、距離ｄが１００μｍとなる位置に配置されている。
【００５０】
そして、第３の部材１３は、第１の部材１１と対向する部分であって、第２の部材１２に対向する側面１３ａの基部部分を除く部分に、Ｃ面取寸法（縦、横の長さ）が例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲のＣ面取部１７を備えている。
【００５１】
ろう材１４は、このようなＣ面取部１７が形成された第３の部材１３と第１の部材１１との間、第１の部材１１と第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間に配置される。ろう材１４は、各部材間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、やや多めの量が配置される。そして、ろう材１４により第３の部材１３の周囲に、フィレット１５，１６が形成されるが、第３の部材１３の、第１の部材１１と対向する部分であって、第２の部材１２に対向する側面１３ａの基部部分を除く部分に選択的にＣ面取部１７が形成されているので、過剰となったろう材１４は、Ｃ面取部１７と第１の部材１１間に溜まり、第３の部材１３の第２の部材１２と対向する側には、通常のろう材量を使用した場合と変わらない量あるいはそれより少ない量によるフィレット１６が形成される。
【００５２】
すなわち、図３は、Ｃ面取部１７が形成されていない以外は図２に示すものと同様に構成された従来型の接合構造体を示す断面図である。このような従来型の接合構造体においては、ろう材１４の溜まり部となるＣ面取部１７が形成されていないため、過剰となったろう材は第３の部材１３と第２の部材１２の対向する側面１３ａ，１２ｃ間にも流れ、該部のろう材量が増大する。これに対し、図２に示す接合構造体においては、Ｃ面取部１７が形成されているため、ろう材１４はＣ面取部１７側に集中し、第３の部材１３と第２の部材１２の対向する側面１３ａ，１２ｃ間のろう材量が増大することがないばかりか、場合により減少することもある。
【００５３】
本実施形態の接合構造体においては、通常より多い量のろう材が使用されているにもかかわらず、過剰なろう材は、ろう材が固化収縮する際の応力でクラックが発生するおそれの全くない第１の部材１１上のＣ面取部１７に溜まるので、ろう材が固化し収縮する際にセラミックからなる第２の部材１２のフィレット１６近傍に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。そして、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００５４】
なお、フィレット１６の先端部下のセラミックからなる第２の部材１２におけるクラック等の欠陥の発生を防止するためには、フィレット１６の立ち上がり角度が６０°以下であることが好ましく、略４５°以下であることがより好ましい。
【００５５】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００５６】
図４において、セラミックからなる第１の部材１１上には、上面に凸部１８を備えたセラミックからなる部材（第２の部材）１２が配置され、さらに、これらの第１および第２の部材１１，１２に跨って、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる第３の部材１３が配置されている。そして、これらの第１〜第３の部材１１，１２，１３は銀ろう等のろう材１４によって接合されている。
【００５７】
第１の部材１１および第２の部材１２は、それぞれ、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第１および第２の部材１１，１２の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第１の部材１１は、耐熱性の良好な樹脂で形成されていてもよい。第１の部材１１の上面と、この上面に対向する第２の部材１２の下面、さらに、第３の部材１３と対向する第１の部材１１の側面と、第２の部材１２の側面および上面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１１ａ，１１ｂ，１２ａ、１２ｂが設けられている。そのうち、第３の部材１３と対向する第１の部材１１の側面に設けられた金属層１１ａは、第３の部材１３の基部より外方に大きく延出している。図４において、１９は、このように第３の部材１３の基部より外方に大きく延出した延出部を示している。
【００５８】
なお、金属層１１ａ，１１ｂ，１２ａ、１２ｂの表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００５９】
第３の部材１３は、上記のように、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなるが、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００６０】
第３の部材のろう材１４が配置される表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００６１】
第３の部材１３は、第２の部材１２の凸部１８側面に近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第３の部材１３と第２の部材１２の凸部１８側面までの距離ｄが１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第３の部材１３は、距離ｄが１００μｍとなる位置に配置されている。
【００６２】
ろう材１４は、第３の部材１３と第１の部材１１の側面に形成された金属層１１aとの間、第３の部材１３と第２の部材１２の側面及び上面に形成された金属層１２aとの間、さらに、第１の部材１１の上面に形成された金属層１１ｂと第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間に配置される。ろう材１４は、各部材間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、やや多めの量が配置される。そして、ろう材１４により第３の部材１３の周囲に、フィレット１５，１６が形成されるが、第１の部材１１の金属層１１ａが第３の部材１３の基部より外方に大きく延出した延出部１９を備えているので、過剰なろう材１４は、延出部１９側に集中し、第２の部材１２上には通常のろう材量を使用した場合と変わらない量あるいはそれより少ない量によるフィレット１６が形成される。
【００６３】
このように構成される接合構造体においては、通常より多い量のろう材１４が使用され、また、第１の部材１１の上面に形成された金属層１１ｂと第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間にろう材が配置されるにもかかわらず、ろう材は、第１の部材１１の金属層１１ａの延出部１９に集中するので、ろう材が固化し収縮する際にセラミックからなる第２の部材１２上のフィレット１６先端部下に加わる応力が増大することはなく、一方、過剰なろう材が集中しても延出部１９では、クラック等が発生するおそれはない。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。そして、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００６４】
なお、フィレット１６先端部下におけるクラック等の欠陥の発生を防止するためには、フィレット１６の立ち上がり角度は略６０°以下であることが好ましく、略４５°以下であることがより好ましい。
【００６５】
本発明は以上説明した実施の形態に記載内容に何ら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種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。例えば、上記第１および第２の実施形態において、Ｃ面取部１７に代えて、Ｒ面取部、あるいは内側に凹んだ面取部を形成してもよい。また、通常、Ｃ面取部１７のＣ面取寸法は、縦及び横の長さが同じであるが、縦及び横の長さが異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１１…第１の部材、１１ａ，１１ｂ…金属層、１２…第２の部材、１２ａ，１２ｂ…金属層、１３…第３の部材、１４…ろう材、１５，１６…フィレット、１７…Ｃ面取部、１８…凸部、１９…延出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子収納用パッケージにおいてセラミック部材と金属部材とをろう材で接合する際等に使用される接合構造体、及びそのような接合構造体を用いた半導体素子収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子収納用パッケージ等において、セラミック部材と金属部材とをろう材を用いて接合することが行われている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
図５は、そのような接合技術を用いた接合構造体の一例を示したもので、金属からなるベース部材１上に、上面に凹部２を備えたセラミックからなる部材３が固定され、さらにその凹部２内に金属からなる部材４が配置され、ろう材５により接合されている。図５において、符号６は、セラミック部材３の凹部２の底表面にろう付けのために設けられた金属層(メタライズ層)を示している。
【０００４】
このような接合構造体においては、ろう付け部の接続信頼性を高めるため、一般に、金属部材４の基部外面からセラミック部材３の凹部２底表面にかけてろう材５のフィレット７を形成している。しかしながら、ろう材５のフィレット７の形成は、金属部材４の基部部分の応力集中を緩和するうえでは有効であるものの、金属部材４とセラミック部材３の凹部２側面までの距離ｄが短いと、フィレット７の先端部下に大きな応力の集中が生じ、セラミック部材３にクラック８が発生することがあった。
【０００５】
このような問題に対し、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、図６に示すように、金属部材４の基部に面取部９を設けることにより、金属部材４とセラミック部材３の凹部２側面までの距離ｄが短い場合であっても、接続信頼性（接合強度）を低下させずにクラックの発生を抑制できることを見出し、先に出願した（特願２００８-２３０７５１）。
【０００６】
ところが、例えば図７に示すように、上面に凹部２を備えたセラミック部材３を金属からなるベース部材１上に配置し、さらにこれらの部材１、３に跨って金属部材４を配置し、ろう材５で一括して接合するような場合、面取部９が形成されているとフィレット７先端部下の残留応力が却って大きくなり、クラック８が発生しやすくなる傾向が見られた。この要因としては、金属部材４とセラミック部材３との信頼性の高い接合を実現するため、つまり、金属部材４とセラミック部材３との間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、通常より多いろう材を使用したこと、面取部９を形成したためにろう材が溜まり易くなったこと、金属ベース部材１とセラミック部材３との間にもろう材が配置されるため、このろう材が面取部９に流れたこと、そして、その結果、面取部９のろう材量が増大したことなどが考えられる。
【０００７】
したがって、この対策としては、ろう材の使用量を減らせばよい。しかし、ろう材の使用量を減らすと、十分な接合強度が得られなくなるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−１４４５４号公報
【特許文献２】特開平６−３３４０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来技術の課題に対処してなされたものであり、過多となるろう材量を使用した場合でも、金属部材とセラミック部材との信頼性の高い接合が可能であり、しかもそのためにろう材が過多となってセラミック部材にクラック等の欠陥が発生することのない接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）請求項１の発明（接合構造体）は、金属からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分にのみ前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、金属からなる第３の部材は、金属からなる第１の部材と対向する部分にのみろう材の溜まり部となる面取部を備えている。このような接合構造体においては、接合の信頼性を高めるために多量のろう材を使用しても、過剰となったろう材は、固化収縮する際の応力でクラックが発生するおそれの全くない第１の部材上の面取部に溜まりやすく、セラミックからなる第２の部材上のフィレットを形成する部分のろう材量が多くなることはない。また、金属からなる第１の部材とセラミックからなる第２の部材との間にろう材が配置され、そのろう材が流れて、金属からなる第３の部材と、金属からなる第１の部材およびセラミックからなる第２の部材との間のろう材量が増すことがあっても、このろう材は第１の部材上の面取部に流れるため、セラミックからなる第２の部材上のフィレットを形成する部分のろう材量が多くなることはない。したがって、セラミックからなる第２の部材上のフィレット先端部下に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。
【００１２】
（２）請求項２の発明は、請求項１記載の接合構造体において、前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、第２の部材が、表面に第３の部材に近接する凸部を備えている。このような接合構造体においては、第２の部材におけるフィレットを形成するための金属層の面積が凸部によって制限されるため、ろう材が固化し収縮する際にフィレット先端部下に加わる応力は凸部のないものに比べてより大きくなり、セラミックからなる第２の部材にクラック等の欠陥がより発生しやすくなる。本発明では、ろう材は第１の部材上の面取部に集中して溜まるため、このような構造であっても、セラミックからなる第２の部材上のフィレット先端部下に加わる応力が増大することはなく、該部におけるクラック等の欠陥の発生を防止することができる。
【００１４】
（３）請求項３の発明は、金属からなる第１の部材と、この第１の部材上に接合されるセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上に、前記第２の部材に近接して配置される、前記第２の部材に対向する側面を有する金属からなる第３の部材と、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分であって、前記第２の部材に対向する側面の基部部分を除く部分に前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、金属からなる第３の部材は、金属からなる第１の部材と対向する部分であって、第２の部材に対向する側面の基部部分を除く部分にろう材の溜まり部となる面取部を備えている。このような接合構造体においては、接合の信頼性を高めるために多量のろう材を使用しても、過剰となったろう材は、セラミックからなり、したがってクラック等の欠陥が発生しやすい第２の部材側ではなく、その反対側の面取部に溜まる。このため、ろう材が固化収縮する際にセラミックからなる第２の部材に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。これにより、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。
【００１６】
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体において、前記第２の部材上または前記第２の部材側のフィレットは、６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明では、第２の部材１２上または第２の部材１２側のフィレットが６０°以下の立ち上がり角度を有している。このような接合構造体においては、ろう材の固化収縮に伴うフィレット先端部下の応力をより確実に低減することができるため、クラック等の欠陥の発生をより確実に防止することができる。
【００１８】
なお、本明細書中、「フィレットの立ち上がり角度」とは、フィレットが接する２つの部材の表面にいずれも垂直である面で切断したときの略三角形状の断面（以下、単に「フィレット断面」ともいう。）において、フィレットの先端とフィレットの頂点を結んだ直線のフィレット底辺に対する傾斜角をいう。
【００１９】
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体において、前記第２の部材１２上または前記第２の部材１２側のフィレットは、４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明では、第２の部材上または第２の部材側のフィレットが４５°以下の立ち上がり角度を有している。このような接合構造体においては、ろう材の固化収縮に伴うフィレット先端部下の応力をより一層確実に低減することができるため、クラック等の欠陥の発生をより一層確実に防止することができる。
【００２１】
（６）請求項６の発明は、表面に金属層を有するセラミックまたは高分子材料からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材の金属層上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材の金属層および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、前記第１の部材の金属層は、その最外端から第３の部材までの距離が少なくとも前記第２の部材の金属層の最外端から第３の部材までの距離より長い延出部を有し、かつ、前記フィレットは６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明では、第１の部材の金属層は、その最外端から第３の部材までの距離が少なくとも前記第２の部材の金属層の最外端から第３の部材までの距離より長い延出部を有している。このような接合構造体においては、接合の信頼性を高めるために多量のろう材を使用した場合、過剰となったろう材は上記延出部に流れ、延出部以外の部分でフィレットを形成するろう材の量が増加することはない。このため、第２の部材等におけるフィレットを形成するための金属層の面積が制限されていて、従来であれば立ち上がり角度が６０°を超えるフィレットが形成され、その先端下にろう材の固化収縮に伴う大きな応力が加わるような場合でも、立ち上がり角度のより小さいフィレットを形成することができ、第２の部材にクラック等の欠陥が発生するのを防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。
【００２３】
（７）請求項７の発明は、請求項６記載の接合構造体において、前記フィレットは４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明では、フィレットが４５°以下の立ち上がり角度を有している。このような接合構造体においては、ろう材の固化収縮に伴うフィレット先端部下の応力をより一層確実に低減することができるため、クラック等の欠陥の発生をより一層確実に防止することができる。
【００２５】
（８）請求項８の発明は、請求項６または７記載の接合構造体であって、前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明では、第２の部材が、表面に第３の部材に近接する凸部を備えている。このような接合構造体においては、第２の部材におけるフィレットを形成するための金属層の面積が凸部によって制限されるため、ろう材が固化し収縮する際にフィレット先端部下に加わる応力は凸部のないものに比べてより大きくなり、セラミックからなる第２の部材にクラック等の欠陥がより発生しやすくなる。本発明では、ろう材は第１の部材の金属層の延出部に集中するため、このような構造であっても、セラミックからなる第２の部材上のフィレット先端部下に加わる応力が増大することはなく、該部におけるクラック等の欠陥の発生を防止することができる。
【００２７】
（９）請求項９の発明（半導体素子収納用パッケージ）は、請求項１乃至８のいずれか１項記載の接合構造体を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明では、クラック等の欠陥がなく、かつ十分な接合強度を有する接合構造体を備えることができるので、高い信頼性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、過多となるろう材量を使用した場合でも、金属部材とセラミック部材との信頼性の高い接合が可能であり、しかもそのためにろう材が過多となってセラミック部材にクラックが発生することのない接合構造体、及びそのような接合構造体を備えた高信頼性の半導体素子収納用パッケージを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態との比較のための半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【図５】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体の一例を示す断面図である。
【図６】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体の他の例を示す断面図である。
【図７】従来の半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体のさらに他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なることに留意すべきである。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００３３】
図１において、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなる部材１１（第１の部材）上には、上面に凸部１８を備えたセラミックからなる部材（第２の部材）１２が配置され、さらに、これらの第１および第２の部材に跨って、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる第３の部材１３が配置されている。そして、これらの第１〜第３の部材１１，１２，１３は銀ろう等のろう材１４によって接合されている。
【００３４】
第２の部材１２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第２の部材１２の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第３の部材１３と対向する第２の部材１２の側面および上面と、第１の部材１１と対向する第２の部材１２の下面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１２ａ、１２ｂが設けられている。金属層１２ａ、１２ｂの表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００３５】
第１の部材１１は、上記のように、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなるが、第３の部材１３と同様、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金で形成されていてもよく、また、その他の金属で形成されていてもよい。一方、第３の部材１３も、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００３６】
第１の部材１１および第３の部材のろう材１４が配置される表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００３７】
第３の部材１３は、第２の部材１２の凸部１８側面に近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第３の部材１３と第２の部材１２の凸部１８側面までの距離ｄが１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第３の部材１３は、距離ｄが１００μｍとなる位置に配置されている。
【００３８】
そして、第３の部材１３の第１の部材１１と対向する部分には、Ｃ面取寸法（縦、横の長さ）が例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲のＣ面取部１７が選択的に形成されている。
【００３９】
ろう材１４は、このようなＣ面取部１７が形成された第３の部材１３と第１の部材１１との間、第３の部材１３と第２の部材１２の側面及び上面に形成された金属層１２aとの間、さらに、第１の部材１３の上面と第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間に配置される。ろう材１４は、各部材間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、やや多めの量が配置される。そして、ろう材１４により第３の部材１３の周囲に、フィレット１５，１６が形成されるが、第３の部材１３の第１の部材１１と対向する部分にのみ選択的にＣ面取部１７が形成されているので、過剰なろう材１４は、Ｃ面取部１７側に集中し、Ｃ面取部１７と第１の部材１１間に溜まり、第２の部材１２上には通常のろう材量を使用した場合と変わらない量あるいはそれより少ない量によるフィレット１６が形成される。
【００４０】
このように構成される接合構造体においては、通常より多い量のろう材が使用され、また、第１の部材１３の上面と第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間にろう材が配置されるにもかかわらず、ろう材は、ろう材が固化収縮する際の応力でクラックが発生するおそれの全くない第１の部材１１上のＣ面取部１７に溜まるので、ろう材が固化し収縮する際にセラミックからなる第２の部材１２上のフィレット１６先端部下に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。そして、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００４１】
表１は、シミュレーションにより求めたフィレットを形成するろう材量（フィレット高さ）とその先端部下における残留応力との関係を示したものである。表１から明らかなように、ろう材量（フィレット高さ）が増大するほど残留応力が大きくなっている。本実施形態では、第３の部材１３の第１の部材１２と対向する部分にのみ選択的に、ろう材１４の溜まり部となるＣ面取部１７を形成しているので、第２の部材１２上のフィレット１６を形成するろう材量が増えることはなく、したがって残留応力が増大することもない。なお、表１において、残留応力は、Ｎｏ．２（フィレット長さ５０μｍ、フィレット高さ７０μｍ）の残留応力を１００としたときの相対値である。
【００４２】
【表１】
【００４３】
なお、第２の部材１２上のフィレット１６先端部下におけるクラック等の欠陥の発生を防止するためには、フィレット１６の立ち上がり角度が６０°以下であることが好ましく、４５°以下であることがより好ましい。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００４５】
図２において、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなる部材（第１の部材）１１上には、セラミックからなる部材（第２の部材）１２およびコバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる第３の部材１３が配置されている。そして、これらの第１〜第３の部材１１，１２，１３は銀ろう等のろう材１４によって接合されている。
【００４６】
第２の部材１２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第２の部材１２の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第１の部材１１と対向する第２の部材１２の下面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１２ｂが設けられている。金属層１２ｂの表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００４７】
第１の部材１１は、上記のように、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金からなるが、第３の部材１３と同様、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金で形成されていてもよく、また、その他の金属で形成されていてもよい。一方、第３の部材１３も、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００４８】
第１の部材１１および第３の部材のろう材１４が配置される表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００４９】
第３の部材１３は、第１の部材１１は第２の部材１２の側面１２ｃに近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第３の部材１３の側面１３ａと第２の部材１２の側面１２ｃまでの距離ｄが１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第３の部材１３は、距離ｄが１００μｍとなる位置に配置されている。
【００５０】
そして、第３の部材１３は、第１の部材１１と対向する部分であって、第２の部材１２に対向する側面１３ａの基部部分を除く部分に、Ｃ面取寸法（縦、横の長さ）が例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲のＣ面取部１７を備えている。
【００５１】
ろう材１４は、このようなＣ面取部１７が形成された第３の部材１３と第１の部材１１との間、第１の部材１１と第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間に配置される。ろう材１４は、各部材間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、やや多めの量が配置される。そして、ろう材１４により第３の部材１３の周囲に、フィレット１５，１６が形成されるが、第３の部材１３の、第１の部材１１と対向する部分であって、第２の部材１２に対向する側面１３ａの基部部分を除く部分に選択的にＣ面取部１７が形成されているので、過剰となったろう材１４は、Ｃ面取部１７と第１の部材１１間に溜まり、第３の部材１３の第２の部材１２と対向する側には、通常のろう材量を使用した場合と変わらない量あるいはそれより少ない量によるフィレット１６が形成される。
【００５２】
すなわち、図３は、Ｃ面取部１７が形成されていない以外は図２に示すものと同様に構成された従来型の接合構造体を示す断面図である。このような従来型の接合構造体においては、ろう材１４の溜まり部となるＣ面取部１７が形成されていないため、過剰となったろう材は第３の部材１３と第２の部材１２の対向する側面１３ａ，１２ｃ間にも流れ、該部のろう材量が増大する。これに対し、図２に示す接合構造体においては、Ｃ面取部１７が形成されているため、ろう材１４はＣ面取部１７側に集中し、第３の部材１３と第２の部材１２の対向する側面１３ａ，１２ｃ間のろう材量が増大することがないばかりか、場合により減少することもある。
【００５３】
本実施形態の接合構造体においては、通常より多い量のろう材が使用されているにもかかわらず、過剰なろう材は、ろう材が固化収縮する際の応力でクラックが発生するおそれの全くない第１の部材１１上のＣ面取部１７に溜まるので、ろう材が固化し収縮する際にセラミックからなる第２の部材１２のフィレット１６近傍に加わる応力が増大することはなく、かかる応力の増大に起因するクラック等の欠陥の発生を防止することができる。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。そして、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００５４】
なお、フィレット１６の先端部下のセラミックからなる第２の部材１２におけるクラック等の欠陥の発生を防止するためには、フィレット１６の立ち上がり角度が６０°以下であることが好ましく、略４５°以下であることがより好ましい。
【００５５】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体素子収納用パッケージにおける接合構造体を示す断面図である。
【００５６】
図４において、セラミックからなる第１の部材１１上には、上面に凸部１８を備えたセラミックからなる部材（第２の部材）１２が配置され、さらに、これらの第１および第２の部材１１，１２に跨って、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなる第３の部材１３が配置されている。そして、これらの第１〜第３の部材１１，１２，１３は銀ろう等のろう材１４によって接合されている。
【００５７】
第１の部材１１および第２の部材１２は、それぞれ、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックグリーンシートを複数枚積層し焼成して形成される。第１および第２の部材１１，１２の材料としては、アルミナの他、ムライト、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ベリリヤ等が挙げられる。第１の部材１１は、耐熱性の良好な樹脂で形成されていてもよい。第１の部材１１の上面と、この上面に対向する第２の部材１２の下面、さらに、第３の部材１３と対向する第１の部材１１の側面と、第２の部材１２の側面および上面には、タングステン（Ｗ）等のメタライズからならなる金属層１１ａ，１１ｂ，１２ａ、１２ｂが設けられている。そのうち、第３の部材１３と対向する第１の部材１１の側面に設けられた金属層１１ａは、第３の部材１３の基部より外方に大きく延出している。図４において、１９は、このように第３の部材１３の基部より外方に大きく延出した延出部を示している。
【００５８】
なお、金属層１１ａ，１１ｂ，１２ａ、１２ｂの表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００５９】
第３の部材１３は、上記のように、コバール（Ｋｏｖａｒ）と称する鉄−ニッケル−コバルト（ＦｅＮｉＣｏ）合金からなるが、銅−タングステン（ＣｕＷ）合金や、その他の金属で形成されていてもよい。その他の金属としては、銅−モリブデン（ＣｕＭｏ）合金、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）合金等が挙げられる。
【００６０】
第３の部材のろう材１４が配置される表面には、必要に応じて、ろう材１４との濡れ性に優れる金属、例えば厚さ１．０〜２．５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層がめっき法により形成される。ニッケル（Ｎｉ）層上にさらに厚さ２〜３μｍ程度の金（Ａｕ）層をめっき法により形成してもよい。
【００６１】
第３の部材１３は、第２の部材１２の凸部１８側面に近接して配置されている。ここで「近接して配置される」とは、第３の部材１３と第２の部材１２の凸部１８側面までの距離ｄが１ｍｍ以下となるように配置されることを意味する。本実施形態では、第３の部材１３は、距離ｄが１００μｍとなる位置に配置されている。
【００６２】
ろう材１４は、第３の部材１３と第１の部材１１の側面に形成された金属層１１aとの間、第３の部材１３と第２の部材１２の側面及び上面に形成された金属層１２aとの間、さらに、第１の部材１１の上面に形成された金属層１１ｂと第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間に配置される。ろう材１４は、各部材間にボイドのない均質なろう材層を形成するため、やや多めの量が配置される。そして、ろう材１４により第３の部材１３の周囲に、フィレット１５，１６が形成されるが、第１の部材１１の金属層１１ａが第３の部材１３の基部より外方に大きく延出した延出部１９を備えているので、過剰なろう材１４は、延出部１９側に集中し、第２の部材１２上には通常のろう材量を使用した場合と変わらない量あるいはそれより少ない量によるフィレット１６が形成される。
【００６３】
このように構成される接合構造体においては、通常より多い量のろう材１４が使用され、また、第１の部材１１の上面に形成された金属層１１ｂと第２の部材１２の下面に形成された金属層１２ｂとの間にろう材が配置されるにもかかわらず、ろう材は、第１の部材１１の金属層１１ａの延出部１９に集中するので、ろう材が固化し収縮する際にセラミックからなる第２の部材１２上のフィレット１６先端部下に加わる応力が増大することはなく、一方、過剰なろう材が集中しても延出部１９では、クラック等が発生するおそれはない。このため、接合信頼性が高く、かつクラック等の欠陥のない高品質の接合構造体が得られる。そして、このような接合構造体を備えた本実施形態の半導体素子収納用パッケージは、高い信頼性を有することができる。
【００６４】
なお、フィレット１６先端部下におけるクラック等の欠陥の発生を防止するためには、フィレット１６の立ち上がり角度は略６０°以下であることが好ましく、略４５°以下であることがより好ましい。
【００６５】
本発明は以上説明した実施の形態に記載内容に何ら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種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。例えば、上記第１および第２の実施形態において、Ｃ面取部１７に代えて、Ｒ面取部、あるいは内側に凹んだ面取部を形成してもよい。また、通常、Ｃ面取部１７のＣ面取寸法は、縦及び横の長さが同じであるが、縦及び横の長さが異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１１…第１の部材、１１ａ，１１ｂ…金属層、１２…第２の部材、１２ａ，１２ｂ…金属層、１３…第３の部材、１４…ろう材、１５，１６…フィレット、１７…Ｃ面取部、１８…凸部、１９…延出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、
前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分にのみ前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
【請求項３】
金属からなる第１の部材と、この第１の部材上に接合されるセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上に、前記第２の部材に近接して配置される、前記第２の部材に対向する側面を有する金属からなる第３の部材と、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、
前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分であって、前記第２の部材に対向する側面の基部部分を除く部分に、前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする接合構造体。
【請求項４】
前記第２の部材上または前記第２の部材側のフィレットは、６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体。
【請求項５】
前記第２の部材上または前記第２の部材側の前記フィレットは、４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体。
【請求項６】
表面に金属層を有するセラミックまたは高分子材料からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材の金属層上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材の金属層および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、
前記第１の部材の金属層は、その最外端から第３の部材までの距離が少なくとも前記第２の部材の金属層の最外端から第３の部材までの距離より長い延出部を有し、かつ、前記フィレットは６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする接合構造体。
【請求項７】
前記フィレット１５は４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする請求項６記載の接合構造体。
【請求項８】
前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする請求項６または７記載の接合構造体。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の接合構造体を有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項１】
金属からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、
前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分にのみ前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
【請求項３】
金属からなる第１の部材と、この第１の部材上に接合されるセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材上に、前記第２の部材に近接して配置される、前記第２の部材に対向する側面を有する金属からなる第３の部材と、前記第１の部材と前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、
前記第３の部材は、前記第１の部材と対向する部分であって、前記第２の部材に対向する側面の基部部分を除く部分に、前記ろう材の溜まり部となる面取部を備えることを特徴とする接合構造体。
【請求項４】
前記第２の部材上または前記第２の部材側のフィレットは、６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体。
【請求項５】
前記第２の部材上または前記第２の部材側の前記フィレットは、４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の接合構造体。
【請求項６】
表面に金属層を有するセラミックまたは高分子材料からなる第１の部材と、この第１の部材に接合される、表面に金属層を有するセラミックからなる第２の部材と、前記第１の部材の金属層上から前記第２の部材の金属層上に跨って配置される金属からなる第３の部材と、前記第１の部材の金属層および前記第２の部材の金属層と、前記第３の部材との間に配置されるろう材と、前記第３の部材の周囲に前記ろう材により形成されるフィレットとを具備する接合構造体であって、
前記第１の部材の金属層は、その最外端から第３の部材までの距離が少なくとも前記第２の部材の金属層の最外端から第３の部材までの距離より長い延出部を有し、かつ、前記フィレットは６０°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする接合構造体。
【請求項７】
前記フィレット１５は４５°以下の立ち上がり角度を有することを特徴とする請求項６記載の接合構造体。
【請求項８】
前記第２の部材は、表面に前記第３の部材に近接する凸部を備えることを特徴とする請求項６または７記載の接合構造体。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の接合構造体を有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２４５１４１（Ｐ２０１０−２４５１４１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８９７６２（Ｐ２００９−８９７６２）
【出願日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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