JP6927829B2 - Bonded structure and semiconductor package - Google Patents
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本発明は、金属端子と線路導体との間に介在する接合材を含む接合構造および半導体パッケージに関する。 The present invention relates to a bonding structure and a semiconductor package including a bonding material interposed between a metal terminal and a line conductor.
光半導体素子等の半導体素子が実装される半導体パッケージとして、半導体素子が実装される基板と、基板に固定された金属端子とを備えるものが知られている。基板に対する半導体素子の実装および金属端子の固定は、例えば、誘電体基板等の絶縁性部材を介して行なわれる。 As a semiconductor package on which a semiconductor element such as an optical semiconductor element is mounted, a package including a substrate on which the semiconductor element is mounted and a metal terminal fixed to the substrate is known. The mounting of the semiconductor element on the substrate and the fixing of the metal terminal are performed, for example, via an insulating member such as a dielectric substrate.
この場合、半導体パッケージにおいて、誘電体基板に、金−スズまたはスズ−銀等のろう材を介して信号端子が接合されて、固定されている。信号端子は金属製のリードピン端子等である。誘電体基板の表面のうちろう材が接合される部分には金属層があらかじめ設けられる(例えば特許文献1を参照)。 In this case, in the semiconductor package, the signal terminals are joined and fixed to the dielectric substrate via a brazing material such as gold-tin or tin-silver. The signal terminal is a metal lead pin terminal or the like. A metal layer is provided in advance on the surface of the dielectric substrate to which the brazing material is bonded (see, for example, Patent Document 1).
半導体パッケージにおいて、信号端子と誘電体基板等の基板との電気的および機械的な接続の信頼性向上が求められている。また、そのような接続信頼の向上に有効な接合構造が求められている。 In a semiconductor package, it is required to improve the reliability of electrical and mechanical connection between a signal terminal and a substrate such as a dielectric substrate. Further, a joining structure effective for improving such connection reliability is required.
本発明の一つの態様の接合構造は、端部を有する金属端子と、該金属端子の前記端部が位置している線路導体と、前記金属端子の前記端部と前記線路導体とを接合している接合部とを備えている。また、前記接合部は、金属粒子を含んでおり、前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に位置している部分を含む第1接合材と、金属粒子および該金属粒子間に位置する空隙を含んでおり、前記第1接合材と前記線路導体との間に介在している第2接合材とを有し、前記第1接合材は、前記金属粒子間に位置する空隙をさらに含んでおり、前記第2接合材における前記空隙の割合は、前記第1接合材における前記空隙の割合よりも大きい。
The joining structure of one aspect of the present invention joins a metal terminal having an end portion, a line conductor in which the end portion of the metal terminal is located, and the end portion of the metal terminal and the line conductor. It has a joint that is Further, the joint portion contains metal particles, and is between the metal particles and the metal particles with the first joint material including a portion located between the end portion of the metal terminal and the line conductor. It contains a gap located, and has a second joint material interposed between the first joint material and the line conductor, and the first joint material has a gap located between the metal particles. Further included, the proportion of the voids in the second bonding material is larger than the proportion of the voids in the first bonding material .
本発明の一つの態様の半導体パッケージは、第1面および該第1面と反対側の第2面を有する基板と、前記基板の前記第1面側に位置する線路導体と、前記基板の前記第2面から前記第1面にかけて貫通しており、前記第1面側に端部を有する金属端子とを備えており、金属粒子を含んでおり、前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に介在している接合材とを備えている。また、前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に上記構成の接合構造を有している。 The semiconductor package according to one aspect of the present invention includes a substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a line conductor located on the first surface side of the substrate, and the substrate. It penetrates from the second surface to the first surface, has a metal terminal having an end on the first surface side, contains metal particles, and has the end of the metal terminal and the line conductor. It is equipped with a bonding material that is interposed between the and. Further, it has a bonding structure having the above configuration between the end portion of the metal terminal and the line conductor.
本発明の一つの態様の接合構造によれば、例えば接合材のクラック等の、熱応力による接合構造の機械的な破壊の可能性を低減することができる。 According to the bonding structure of one aspect of the present invention, the possibility of mechanical destruction of the bonding structure due to thermal stress, such as cracks in the bonding material, can be reduced.
本発明の一つの態様の半導体パッケージによれば、上記構成の接合構造を有することから、金属端子と信号線路との機械的および電気的な接続信頼性が高い半導体パッケージを
提供することができる。
According to the semiconductor package of one aspect of the present invention, since it has the bonding structure having the above configuration, it is possible to provide a semiconductor package having high mechanical and electrical connection reliability between the metal terminal and the signal line.
本発明の実施形態の接合構造および半導体パッケージについて、添付の図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態の接合構造を示す断面図であり、図2は、図1のA部分を拡大して示す断面図であり、図3は、図2の変形例を示す断面図である。また、図4(a)は本発明の実施形態の半導体パッケージの斜視図であり、図4(b)は図4(a)の反対側から見た斜視図である。また、図5(a)は本発明の実施形態の半導体パッケージの平面図であり、図5(b)は図5(a)のX−X線における断面図である。 The bonded structure and the semiconductor package of the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a joint structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing an enlarged portion A of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modified example of FIG. It is a figure. Further, FIG. 4A is a perspective view of the semiconductor package according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a perspective view seen from the opposite side of FIG. 4A. 5 (a) is a plan view of the semiconductor package according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 (b) is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 5 (a).
本発明の実施形態の接合構造Cは、端部1aを有する金属端子1と、線路導体2と、金属端子1の端部1aと線路導体2とを接合している接合部3とを有している。接合部3は、よって金属端子1の端部1aと線路導体2とが互いに接合されている。接合部3は、金属粒子を含んでおり、金属端子1の端部1aと線路導体2との間に位置している部分を含む第1接合材3aと、金属粒子および金属粒子に位置する空隙4aを含んでおり、第1接合材3aと線路導体2との間に介在している第2接合材3bとを有している。接合部3は導電性を有するものであるときに、接合部3を介して金属端子1と線路導体2とが互いに機械的および電気的に接続されている。なお、金属端子1の端部1aは、金属端子1の先端および先端に近い部分であり、例えば、後述する半導体パッケージにおける基板5の第1面5a側に位置する部分である。
The joining structure C of the embodiment of the present invention has a
この接合構造Cは、例えば外部接続用の金属端子1と、半導体素子と電気的に接続される線路導体2と、金属端子1および線路導体2が所定の位置関係で配置される基板5を含む半導体パッケージにおける、金属端子1と線路導体2との接合部3を介した接合に用いられる。本発明の実施形態の半導体パッケージ10は、金属端子1と、線路導体2と、金属端子1と線路導体2との間に介在している接合部3と、金属端子1および線路導体2が配置されている基板5とを有し、さらに、金属端子1と線路導体2との間に上記実施形態の接合構造Cを有している。
The bonding structure C includes, for example, a
また、図4および図5に示す例において、半導体パッケージ10は、さらに、線路導体2が実際に配置されて基板5に固定されている絶縁板6と、絶縁板6に接合されているサブマウント7とを有している。基板5は、第1面5aおよび第1面と反対側の第2面5bを有し第1面5aと第2面5bとの間で基板5を厚み方向に貫通している貫通孔5cとを有している。金属端子1は、第2面5bから第1面5aにかけて、貫通孔5c内を通って基板5を貫通している。金属端子1の端部1aは第1面5a側に位置している。基板5の第1面5a側に絶縁板6が位置し、これにより基板5の第1面5a側に線路導体2が配置さ
れている。この、基板5の第1面5a側で、上記構成の接合構造Cを介して金属端子1の端部1aと線路導体2とが互いに接合されている。
Further, in the examples shown in FIGS. 4 and 5, the
この半導体パッケージ10は、例えば、光半導体素子等の半導体素子(図示せず)を気密封止するものである。半導体素子は、絶縁板6に搭載されるとともに線路導体2と電気的に接続される。基板5の、半導体素子が搭載された第1面5a側が金属製ケース(CAN)(図示せず)で封止されれば、いわゆるTO(Transistor Outline)−CAN型の半導体パッケージが形成される。半導体素子が光半導体素子であるときには、光信号の入出力用の開口を有する金属ケースが用いられる。
The
実施形態の接合構造Cにおいて、金属端子1は、例えば上記のような半導体パッケージ10における外部接続用の導電路としての機能を有する。この場合、金属端子1は、細長い帯状または棒状等のリード(ピン)端子である。金属端子1は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金または銅を含む合金材料等の金属材料からなる。金属端子1は、例えば鉄−ニッケル−コバルト合金からなる場合は、鉄−ニッケル−コバルト合金のインゴット(塊)に圧延加工、打ち抜き加工、切削加工およびエッチング加工等から適宜選択した金属加工を施すことによって製作することができる。
In the bonding structure C of the embodiment, the
金属端子1は、例えば図4および図5に示す例のように、複数の金属端子1が並んで基板5に固定されるものでもよい。図4および図5に示す例では、信号伝送用の一対の金属端子1が基板5を貫通して配置されている。それぞれの金属端子1は、基板5の第1面5a側に位置する端部1aを有している。
The
なお、図4および図5に示す例では、一対の金属端子1と並んで、接地端子8が配置されている。接地端子8は、金属端子1と同様の金属材料を用い、同様の方法で製作することができる。半導体パッケージ10における金属端子1および接地端子8の構成および機能の詳細については後述する。
In the examples shown in FIGS. 4 and 5, the
金属端子1は、例えば、長さが1.5〜22mmで直径が0.1〜1mmの線状である。信号伝送用の場合、一対の金属端子1の機械的強度、特性インピーダンス(以下、単にインピーダンスという)のマッチングおよび半導体パッケージ10としての小型化等を考慮すれば、それぞれの金属端子1の直径は0.15〜0.25mmとする。金属端子1の直径が0.15mm以上であれば、例えば半導体パッケージ10の取り扱い時における金属端子1の曲がり等を抑制することが容易であり、作業性の向上等において有利である。また、金属端子1の直径が0.25mm以下であれば、金属端子1が貫通する貫通孔5cの径を小さく抑えることができるため、基板5の小型化、つまりは半導体パッケージ10の小型化に対して有効である。
The
線路導体2は、例えば、半導体パッケージ10における半導体素子接続用の導体として機能を有している。半導体素子と線路導体2との電気的な接続は、ボンディングワイヤまたははんだ等の低融点ろう材を介して行なわれる。ボンディングワイヤの場合であれば、ボールボンド法等のボンディング法によって半導体素子(電極)と線路導体2とに順次、金ワイヤまたはアルミニウムワイヤ等のボンディングワイヤを接合することにより、半導体素子を線路導体2に電気的に接続させることができる。この線路導体2と金属端子1とが接合部3を介して互いに接合されて、半導体素子と外部電気回路とを電気的に接続する導電路が構成される。
The
前述したように、線路導体2は、例えば絶縁板6の表面に形成されている。この絶縁板6が基板5の第1面5a側に固定されて、線路導体2が基板5の第1面5a側に位置している。この第1面5a側において、線路導体2に金属端子1の端部1aが位置し、後述する接合部3を介して両者が互いに接合されている。
As described above, the
線路導体2は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウ
ム、白金、ロジウム、ニッケルおよびコバルト等の金属材料から適宜選択された金属材料またはこれらの金属材料を含む合金の金属材料により形成されている。線路導体2は、メタライズ層、めっき層および薄膜層等の形態で形成することができる。線路導体2は、前述したように絶縁板6に形成されたものであり、金、銅、ニッケル、銀等の薄膜層を含むものであるときには、チタン、クロム、タンタル、ニオブ、ニッケル−クロム合金、窒化タンタル等の密着金属層をさらに含むものでもよい。密着金属層は、絶縁板6と薄膜層との間に位置し、線路導体2の絶縁板6に対する密着性を向上させる機能を有する。
The
線路導体2の厚みは、例えば電気抵抗の低減および内部応力の抑制等を考慮して、0.1
〜5μm程度に設定される。また、密着金属層の厚みは、絶縁板6に対する密着性の向上および内部応力の抑制等を考慮して、0.01〜0.2μm程度に設定される。なお、線路導体
2は、密着金属層と薄膜層との間に、両者の相互拡散を抑制する拡散抑制層をさらに含んでいてもよい。拡散抑制層は、例えば、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、チタン−タングステン合金等の金属材料により形成することができる。拡散抑制層の厚みは、例えば上記の相互拡散の抑制および線路導体2における電気抵抗の抑制等を考慮して、約0.05〜1μmに設定される。
The thickness of the
It is set to about 5 μm. The thickness of the adhesive metal layer is set to about 0.01 to 0.2 μm in consideration of improving the adhesiveness to the insulating
また、線路導体2は、メタライズ法によって絶縁板6の表面に配置されたものであるときには、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、白金およびパラジウム等の金属材料から適宜選択された金属材料を含んでいて構わない。この場合には、例えば、タングステンの粉末を有機溶剤およびバインダ等とともに混練して作製した金属ペーストを、絶縁板6と焼成することによって線路導体2を形成することができる。
Further, when the
絶縁板6は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化ケイ素質焼結体またはガラスセラミック焼結体等のセラミックス絶縁材料によって形成されている。絶縁板6は、例えば酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、次のようにして製作することができる。まず、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合してスラリーを作製する。次に、スラリーをドクターブレード法またはカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシート(以下、グリーンシートともいう)を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに必要に応じて複数枚積層し、これを約1300〜1600℃の所定温度で焼成する。以上の工程によって絶縁板6を製作することができる。
The insulating
線路導体2がタングステン等のメタライズ層からなる場合には、メタライズ層(線路導体2)用の金属ペーストを絶縁板6となるグリーンシートの表面に所定パターンに印刷し、同時焼成する製造方法を用いてもよい。この場合には、絶縁板6と線路導体2とを一体的に製作することができる。そのため、線路導体2と絶縁板6との接合の強度および生産性等の向上に関しては有効である。
When the
金属端子1の端部1aと線路導体2との間に介在している接合部3は、例えば、銀、銅、金およびパラジウム等の金属材料またはこれらの金属材料を含む合金等の金属材料からなる金属粒子を含有している。金属粒子同士が互いに金属結合によって結合し合い、接合部3としてまとまった形状になっている。また、この金属粒子が金属端子1および線路導体2それぞれに含有されている金属成分と結合し合っている。これにより、金属端子1と線路導体2との接合部3を介した接合が行なわれている。なお、図2および図3では、多数の金属粒子がまとまった部分を柱状の部分(柱状部4b)として示している。また、第1接合材3aおよび第2接合材3bは、互いに同じ組成の上記金属材料によって形成されているものでも構わない。この場合には、空隙4aの存在が、第2接合材3bの構成を特徴づけるものになる。
The
接合部3のうち第1接合材3aは、金属端子1と線路導体2とを機械的および電気的に接続する接合部3としての機械的な強度および接合性ならびに導電性を確保する機能を有している。すなわち、第1接合材3aは、接合部3のバルク部分または本体部分とみなすことができる。空隙4aは、柱状部4bの間に、複数の柱状の空間として存在している。それぞれの空隙4aは、線路導体2から第1接合材3aにかけて伸びるように位置している。
Of the
また、第2接合材3bは、第1接合材3aを線路導体2に強固に接合させるとともに、熱応力等の応力を緩和する機能を有している。すなわち、第2接合材3bが有する空隙4aにより、例えば金属端子1と接合部3との間に生じる熱応力が吸収され、緩和される。金属端子1の端部1aと接合部3との接合界面に沿って空隙4aが位置しているため、この空隙4aにおいて接合部3の表面部分の変形が容易である。この変形により、例えば線路導体2または線路導体2が位置している基体である絶縁板6と金属端子1との間に生じる熱応力を、吸収して緩和することができる。したがって、例えば接合部3のクラック等の、熱応力による接合構造Cの機械的な破壊の可能性を低減することができる。すなわち、金属端子1と線路導体2との電気的および機械的な接続の信頼性が高い接合構造Cを提供することができる。
Further, the second joining
空隙4aは、上記の熱応力の緩和を考慮すれば、線路導体2と接合部3の第2接合材3bとが接し合う接合界面のうち30〜70%程度の面積比で存在している。言い換えれば、接合部3の第2接合材3bは、線路導体2に面している表面のうち30〜70%程度の面積の領域では、線路導体2と実際に接合されていなくて構わない。さらに言い換えれば、第2接合材3bは、線路導体2に面している表面のうち30〜70%程度の範囲で実際に接合されていればよい。上記の空隙4a部分の面積比が30%程度以上であれば、熱応力を効果的に吸収し、緩和することができる。また、その面積比が70%以下であれば、接合部3(第2接合材3b)の線路導体2に対する実際の接合面積を大きくして、両者間の接合強度を効果的に向上させることができる。
The void 4a exists in an area ratio of about 30 to 70% of the joining interface where the
また、上記のような空隙4aを含む第2接合材3bは、体積の割合として、空隙4aを20〜60%程度含有しているものであればよい。これにより、線路導体2と接合部3の第2接合材3bとが接し合う接合界面のうち30〜70%程度の面積比で空隙4aを位置させることが容易になる。第2接合材3bの厚さは、例えば、1〜50μm程度であればよい。また、接合部3全体の厚さ(互いに対向し合う線路導体2と金属端子1の端部1aとの間に位置する接合部3の寸法)に占める第2接合材3bの厚さは、例えば5〜20%程度であればよい。
Further, the
なお、第2接合材3b等の接合部3における空隙4aの割合は、例えば、接合部3の断面を観察して、一定の面積に存在する空隙4aの割合として測定することができる。また、接合部3の空隙4aの割合は、気孔率または空隙率測定で知ることもできる。具体的には、画像処理および解析ソフトを用いたC1スキャン法または空隙4aを液体で飽和させて空隙4aに入った液体の体積で測定する液浸法等が挙げられる。なお、後述するように第1接合材3aが空隙4aを含む場合にも、上記のような種々の方法で空隙4aの割合を測定することができる。
The ratio of the
なお、図3および図4の例では、多数の金属粒子が互いに結合してなる柱状部4bの間に柱状等の空隙4aが位置しているが、空隙4aは、この形態には限定されない。例えば、断面視における面積がより小さい楕円形状または不定形状の空隙4aであっても構わない。この場合、空隙4aは、線路導体2または第1接合材3aに接するように位置しているものと、第2接合材3bの内部に閉じた空間として存在するものとをともに含むものであってもよく、いずれか一方のみを含むものでもよい。
In the examples of FIGS. 3 and 4, the
また、空隙4aの寸法(空隙4aを挟んで対向し合う柱状部4bの表面間の距離等)は、空隙4aへの水分等の腐食成分の入り込み抑制等を考慮すれば、1μm程度の小さいものにすればよい。
Further, the dimension of the void 4a (distance between the surfaces of the
空隙4aの寸法は、金属粒子の粒径、接合時の加熱温度等の接合条件、金属粒子の材料および接合時に接合部3に作用する重力等の外力の大きさおよび向き等の条件を適宜調整すればよい。例えば、絶縁板6に対する熱応力の緩和を大きくしたい場合は、空隙4aの寸法を大きくし、線路導体2と金属端子1との間の接合部3を介した伝熱性を向上させればよい。
For the dimensions of the void 4a, conditions such as the particle size of the metal particles, the joining conditions such as the heating temperature at the time of joining, the material of the metal particles, and the magnitude and direction of the external force such as gravity acting on the joining
なお、接合部3を介した金属端子1と線路導体2との接合は、例えば次のようにして行なわれる。まず、銀等の上記金属材料の粒子(実際には多数の粒子の集合物)を有機溶剤およびバインダとともに混練してペーストを作製する。次に、このペーストを間に挟んで金属端子1の端部1aを線路導体2の所定部位に位置合せし、ジグ等で仮固定する。その後、これらを電気炉等で加熱してペースト中の金属粒子同士を焼結させる。このときに、バインダ成分間の重合等が生じるようにしてもよい。すなわち、接合部3は、金属粒子間の金属結合に加えて、有機成分の重合体による接合の作用を含んでいてもよい。上記バインダ成分を含有するペーストによる接合の温度は、例えば約200〜300℃に設定される。
The
また、接合部3における金属粒子は、金属粒子間の接合の容易さおよび接合の強度等を考慮したときに、1μm程度またはそれ未満の粒径である微小粒子(いわゆるサブミクロン粒子、サブナノ粒子、ナノ粒子)であってもよいし、微小粒子とミクロン単位の金属粒子との混合物であってもよい。接合部3となるペーストは、このような微小粒子を金属粒子として用いるときに、互いに重合し合う有機樹脂成分を含有していてもよい。このような有機樹脂成分としては、例えば重合性のカルボン酸誘導体等を挙げることができる。
Further, the metal particles in the
また、接合部3は、微小粒子である金属粒子を含有するものである必要はなく、銀または銅等の結晶粒子を金属粒子として含有する多結晶体であってもよい。この場合も、ペーストにおける有機成分の含有量を比較的多くすること等の方法で、空隙4aを生じさせことができる。
Further, the
実施形態の接合構造Cにおいて、例えば図3に示すように、接合部3が第3接合材3cをさらに有していてもよい。第3接合材3cは、前述した金属粒子と同じ金属材料を主成分としているとともに線路導体2の表面に沿って位置している薄層(薄層としては符号なし)からなる。第3接合材3cにおいて、主成分の金属材料は、例えば約80質量%以上含有されている。
In the joint structure C of the embodiment, for example, as shown in FIG. 3, the
この薄層(第3接合材3c)は、第2接合材3bと線路導体2との間に介在している部分を含んでいる。図3では、線路導体2と第2接合材3bとの接合界面の全面に沿って第3接合材3cが位置している例を示している。なお、第3接合材3cは、主成分である金属粒子と同じ金属材料に加えて、例えば線路導体2に含有されているのと同じ金属材料(例えばパラジウム、タングステン、白金、チタン等)を含有していてもよいし、第2接合材3bと同様の組成であってもよい。
This thin layer (third
第3接合材3cを形成する薄層は、例えば厚みが0.1〜10μm程度の金属層である。こ
のような薄層が接合部3に存在することにより、水分の付着による線路導体2の腐食等の可能性を効果的に低減することができる。
The thin layer forming the
薄層は、例えば、接合部3(上記のペースト)を介した金属端子1と線路導体2との接合時の加熱の温度および時間等を調整することで生成させることができる。例えば、上記の接合温度を接合部3となるペーストの接合温度の上限(300℃等)程度に設定して、金
属端子1と線路導体2との接合を行なうようにすればよい。このときの熱で接合部3中の銀等の成分が金属端子1の端部1a表面に沿って濡れ拡がり、薄層を形成する。
The thin layer can be formed, for example, by adjusting the heating temperature and time at the time of joining the
また、図3に示す例では、第3接合材3cと線路導体2との界面部分に拡散層9が位置している。拡散層9は、第3接合材3cおよび線路導体2それぞれの成分をともに含有している。すなわち、拡散層9は、線路導体2を形成しているタングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム、白金、ロジウム、ニッケルおよびコバルト等の金属材料の1種または複数種と、第3接合材3c(金属粒子等)を形成している銀、銅、金およびパラジウム等の金属材料の1種または複数種とを含んでいる。
Further, in the example shown in FIG. 3, the
拡散層9は、例えば、接合材3を介した線路導体2と金属端子1との接合時に加えられる熱により、互いに接し合っている線路導体2の金属材料と第3接合材3cの金属材料とが相互拡散して生成したものである。また、拡散層9は、例えば銀または銅等の融点が比較的低い金属材料が、タングステン、パラジウムまたは白金等の融点が比較的高い金属材料中に拡散して生成したものであっても構わない。
The
線路導体2と接合部3の第3接合材3cとの間に、両者の成分をあわせて含有している拡散層9が存在していることにより、線路導体2と第3接合材3cとの接合強度が効果的に向上する。これにより、線路導体2と接合部3および金属端子1との接合強度を向上させることができる。したがって、金属端子1を介した半導体素子と外部電気回路との電気的な接続信頼性等の向上に有利な半導体パッケージ10の製作に適した接合構造Cとすることができる。
The presence of the
また、図3に示す例では、第1接合材3aが、金属粒子の間に介在する空隙4aをさらに含んでいる。また、この場合において、第1接合材3aにおける空隙4aの割合よりも、第2接合材3bにおける空隙4aの割合の方が大きい。この場合には、空隙4aの存在の割合が比較的大きいことが、第1接合材3aに対して第2接合材3bの構成を特徴づけるものになる。この場合において、第1接合材3aにおける空隙4aの体積の割合は、例えば1〜30%程度であって、第2接合材3bにおける空隙4aの体積の割合(前述した20〜60%程度等)よりも小さい数値に設定される。
Further, in the example shown in FIG. 3, the
上記の各例において、第2接合材3bが、線路導体2のうち接合部3を介して金属端子1と対向している領域(以下、対向領域ともいう)に位置している。つまり、第2接合材3bに含まれる空隙4aが、線路導体2と金属端子1との接合部3を介した接合部分に位置している。対向領域に第2接合材3b(つまり空隙4a)が位置している場合には、線路導体2および接合部3において熱応力が集中しやすい対向領域において、熱応力を効果的に緩和することができる。したがって、特に熱応力の緩和について有利であり、信頼性の向上に有効な接合構造Cとすることができる。
In each of the above examples, the second joining
空隙4aを含む第2接合材3bを対向領域に位置させるには、例えば、接合部3となるペーストの粘度および有機バインダ等の成分の種類および含有量、接合温度、接合時の加熱時間、および線路導体2に含有されている金属材料の種類等を調整して、金属粒子を、線路導体2から離れた位置で柱状部4b等の形状に結合させるようにすればよい。例えば、有機バインダとして重合開始温度が比較的低いものを用いれば、接合時の初期段階でペーストが固化しやすいため、ペーストのバルク中で金属粒子間の結合が生じやすく、ペーストと線路導体2との界面近くでは金属粒子間の結合が生じにくい。そのため、金属粒子間の結合が生じやすい部分が第1接合材3aになり、生じにくい部分が第2接合材3bとなる。これにより、例えば図3に示すような形態の接合部3が形成され、この接合部3を含む接合構造が形成される。
In order to position the
また、上記の各例において、金属粒子が銀粒子であるときには、次のような点で有利である。すなわち、接合部3における熱伝導性(つまり、接合構造Cおよびこれを含む半導体パッケージ10の放熱性等)、線路導体2および金属端子1を含む信号の伝送路における電気抵抗の低減等に有利である。また、半導体素子の実装または金属ケースの接合等のための熱負荷工程においても再溶融しづらい、アウトガスが少ないという利点が挙げられる。
Further, in each of the above examples, when the metal particles are silver particles, it is advantageous in the following points. That is, it is advantageous for thermal conductivity at the junction 3 (that is, heat dissipation of the junction structure C and the
この場合の銀粒子は、銀を99.9質量%以上含有する、いわゆる純銀であってもよく、微量の銅または金等の他の成分を含有するものでもよい。また、金属粒子の全部が銀粒子でなくてもよく、例えば銀粒子と銅粒子の両方が金属粒子に含まれていてもかまわない。 The silver particles in this case may be so-called sterling silver containing 99.9% by mass or more of silver, or may contain a trace amount of other components such as copper or gold. Further, not all of the metal particles need to be silver particles, and for example, both silver particles and copper particles may be contained in the metal particles.
なお、金属粒子が銅粒子であるとき、または銅粒子を含むときには、金属粒子の全部が銀粒子であるときに比べて、イオンマイグレーションの可能性を低減すること、経済性を向上させること等においては有利である。 When the metal particles are copper particles or contain copper particles, the possibility of ion migration is reduced, the economic efficiency is improved, etc., as compared with the case where all the metal particles are silver particles. Is advantageous.
上記実施形態の各例において、接合構造Cは、第1接合材3aと金属端子1(特に端部1a)との間に介在している補助接合部3Aをさらに備えていてもよい。補助接合部3Aは、第2接合材3bおよび第3接合材3cのいずれかと同じ組成である。図6に示す例では、接合部3の第1接合材3aと金属端子1との間に、第2接合材3bと同様の組成の補助第2接合材3bbと、第3接合材3cと同様の組成の補助第3接合材3ccとの両方が位置している。すなわち、この例における補助接合部3Aは、補助第2接合材3bbと補助第3接合材3ccとを有している。図6は、本発明の他の実施形態の接合構造における接合構造Cおよび半導体パッケージ10の要部を拡大して示す断面図である。図6において図1〜図5と同様の部位には同様の符号を付している。
In each example of the above embodiment, the joining structure C may further include an
なお、この場合の「同じ組成」とは、金属材料の種類および含有率が同様である構成に限定されず、空隙4aおよび柱状部4bを含む構成が第2接合材3bと補助第2接合材3bbとが互いに同様である場合も含まれる。このときに、第2接合材3bと補助第2接合材3bbとの間で両者の金属成分が多少異なっていても構ない。すなわち、構造として、補助第2接合材3bbが第2接合材3bと同じであればよい。ただし、空隙4aの体積の割合等の数値は、第2接合材3bと補助第2接合材3bbとで多少異なっていても構わない。
The "same composition" in this case is not limited to a configuration in which the types and contents of the metal materials are the same, and the configuration including the
前述したように、本発明の実施形態の半導体パッケージは次の構成を有している。すなわち、本実施形態の半導体パッケージ10は第1面5aおよび第1面5aと反対側の第2面5bを有する基板5と、基板5の第1面5a側に位置する線路導体2と、基板5の第2面5bから第1面5aにかけて貫通しており、第1面5a側に端部1aを有する金属端子1と、金属粒子を含んでおり、金属端子1の端部1aと線路導体2との間に介在している接合部3とを有している。また、本実施形態の半導体パッケージ10は、金属端子1の端部1aと線路導体2との間に、上記いずれかの構成の接合構造Cを有している。
As described above, the semiconductor package of the embodiment of the present invention has the following configuration. That is, the
上記形態の半導体パッケージ10によれば、上記いずれかの構成の接合構造Cを有することから、金属端子1と線路導体2との機械的および電気的な接続信頼性が高い半導体パッケージ10を提供することができる。
According to the
基板5の第1面5a側は、前述した金属ケースで封止される側である。基板5と金属ケースとの間に形成される空間内に、半導体素子および金属端子1の端部1aが封止される。また、図4および図5等に示す例では、基板5の貫通孔5c内に封止材(符号なし)が位置している。封止材は、金属端子1と貫通孔5cとの間の隙間を塞ぐ機能を有している。封止材は、ガラス材料またはセラミック材料等の絶縁材料からなる。このような絶縁材料の例としては、ホウケイ酸ガラス、ソーダガラス等のガラス、およびこれらのガラスに熱膨張係数や比誘電率を調整するためのセラミックフィラーを加えたものが挙げられる。この絶縁材料は、金属端子1におけるインピーダンスマッチング(比誘電率)および封止の信頼性等を考慮して、適宜選択することができる。
The
サブマウント7は、基板5の第1面5a上に設けられ、第1面5aに平行な基板搭載面を有する。半導体パッケージ10において、サブマウント7は、絶縁板6に搭載される電子部品が発生する熱を基板5へ伝導する機能等を有している。すなわち、サブマウント7は、半導体パッケージ10の外部に放熱する放熱材としての機能を有する。
The
サブマウント7は、基板5と一体に形成されていてもよく、冷却部材(例えば、ペルチェ素子など)を含んでいてもよい。サブマウント7が基板5と一体に形成されている場合、サブマウント7は、基板5と同様の金属材料からなる。これにより、半導体パッケージ10における放熱性が効果的に確保される。
The
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。 The present invention is not limited to the examples of the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
例えば、図7に示すように、接合部3は、ピン端子1の先端(図7では右端)から線路導体2に対向している端部1aの広い範囲においてピン端子1に接合されていないものでもよい。この場合には、ピン端子1の先端部の中央から端部1aに対向する線路導体2にかけて、接合部3が滑らかにフィレットFを作っている。なお、図7は、本発明の他の実施形態の接合構造を示す断面図である。図7において図1〜図5と同様の部位には同様の符号を付している。
For example, as shown in FIG. 7, the
図7に示すような例では、上記フィレットFの存在によって、接合部3の線路導体2に対する接合強度も向上させることができる。したがって、接合部3を介した線路導体2と金属端子1との接合強度および接続信頼性の向上に有効な接合構造Cおよび半導体パッケージ10とすることができる。
In the example shown in FIG. 7, the presence of the fillet F can also improve the joint strength of the
1・・金属端子
1a・・端部
2・・線路導体
3・・接合部
3A・・補助接合部
3a・・第1接合材
3b・・第2接合材
3bb・・補助第2接合材
3c・・第3接合材
3cc・・補助第3接合材
4a・・空隙
4b・・柱状部
5・・基板
5a・・第1面
5b・・第2面
5c・・貫通孔
6・・絶縁板
7・・サブマウント
8・・接地端子
9・・拡散層
10・・半導体パッケージ
C・・接合構造
F・・フィレット
1 ・ ・
10 ... Semiconductor package C ... Bonding structure F ... Fillet
Claims (8)
該金属端子の前記端部が位置している線路導体と、
前記金属端子の前記端部と前記線路導体とを接合している接合部とを備えており、
該接合部は、金属粒子を含んでおり、前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に位置している部分を含む第1接合材と、金属粒子および該金属粒子間に位置する空隙を含んでおり、前記第1接合材と前記線路導体との間に介在している第2接合材とを有し、
前記第1接合材は、前記金属粒子間に位置する空隙をさらに含んでおり、
前記第2接合材における前記空隙の割合は、前記第1接合材における前記空隙の割合よりも大きい接合構造。 With metal terminals with ends,
With the line conductor where the end of the metal terminal is located,
It is provided with a joint portion for joining the end portion of the metal terminal and the line conductor.
The joint contains metal particles and is located between the metal particles and the metal particles with a first bonding material including a portion located between the end of the metal terminal and the line conductor. It contains a gap and has a second bonding material interposed between the first bonding material and the line conductor .
The first bonding material further contains voids located between the metal particles.
A bonding structure in which the proportion of the voids in the second bonding material is larger than the proportion of the voids in the first bonding material.
該金属端子の前記端部が位置している線路導体と、
前記金属端子の前記端部と前記線路導体とを接合している接合部とを備えており、
該接合部は、金属粒子を含んでおり、前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に位置している部分を含む第1接合材と、金属粒子および該金属粒子間に位置する空隙を含んでおり、前記第1接合材と前記線路導体との間に介在している第2接合材とを有し、
前記接合部が、前記金属粒子と同じ金属材料を主成分としているとともに前記線路導体の表面に沿って位置している薄層からなり、前記第2接合材と前記線路導体との間に介在している部分を含む第3接合材をさらに有している接合構造。 With metal terminals with ends,
With the line conductor where the end of the metal terminal is located,
It is provided with a joint portion for joining the end portion of the metal terminal and the line conductor.
The joint contains metal particles and is located between the metal particles and the metal particles with a first bonding material including a portion located between the end of the metal terminal and the line conductor. It contains a gap and has a second bonding material interposed between the first bonding material and the line conductor.
The joint portion is mainly composed of the same metal material as the metal particles and is composed of a thin layer located along the surface of the line conductor, and is interposed between the second joint material and the line conductor. junction structure that further have a third bonding material containing portion are.
接合材のいずれかと同じ組成である補助接合部をさらに備えている請求項2又は3記載の接合構造。 It is interposed between the first joining material and the metal terminal, and the second joining material and the third joining material.
The joining structure according to claim 2 or 3 , further comprising an auxiliary joining portion having the same composition as any of the joining materials.
前記基板の前記第1面側に位置する線路導体と、
前記基板の前記第2面から前記第1面にかけて貫通しており、前記第1面側に端部を有する金属端子とを備えており、
金属粒子を含んでおり、前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に介在している接合部とを備えており、
前記金属端子の前記端部と前記線路導体との間に、請求項1〜請求項7のいずれか1項記載の接合構造を有している半導体パッケージ。 A substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface,
A line conductor located on the first surface side of the substrate and
It penetrates from the second surface to the first surface of the substrate, and is provided with a metal terminal having an end portion on the first surface side.
It contains metal particles and includes a joint that is interposed between the end of the metal terminal and the line conductor.
A semiconductor package having the bonding structure according to any one of claims 1 to 7, between the end of the metal terminal and the line conductor.
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