JP2001244392A

JP2001244392A - 半導体素子収納用パッケージおよびその実装構造

Info

Publication number: JP2001244392A
Application number: JP2000054001A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Azuma; 昌彦東; Yoshiteru Tokumitsu; 良照徳満; Kenichi Nagae; 謙一永江
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板に接着剤によって固定された放熱板を
具備するパッケージにおいて、半導体素子の作動／停止
による熱サイクルの印加に対しても、強固にかつ長期に
わたり安定した接続状態を維持する。【構成】絶縁基板１の表面あるいは内部に配線回路層２
が配設され、絶縁基板１には放熱板５が接着剤６によっ
て接着固定され、その放熱板５に半導体素子７が接着固
定されてなる、特に絶縁基板１を平面的にみた一辺が３
０ｍｍ以上の半導体素子収納用パッケージＡにおいて、
放熱板５と絶縁基板１とを−４０℃〜５０℃の温度範囲
でのヤング率が０．０１ＧＰａ〜１０ＧＰａの例えば、
熱硬化性樹脂とフィラー粉末との複合体からなる接着剤
６によって接着固定することによって、絶縁基板１と放
熱板５との熱膨張差によって発生する応力を接着剤６に
よって吸収緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱板を具備し半
導体素子を収納搭載するためのパッケージとそのパッケ
ージの実装構造に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、セラミックや有機などのパッケージ
は絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズなどの配線
回路層が配設された構造からなる。また、このパッケー
ジの代表的な例として、半導体素子、特にＬＳＩ（大規
模集積回路素子）などの半導体集積回路素子を載置する
ための半導体素子収納用パッケージは、一般にアルミナ
セラミックスからなる絶縁基板の表面および内部に、タ
ングステン、モリブデンなどの高融点金属粉末からなる
複数個の配線回路層が配設される。

【０００３】また、前記半導体素子は、その作動中に発
熱するために絶縁基板上の上部に放熱板を接着剤にて取
り付け、その放熱板に半導体素子を接着固定させてい
る。また、半導体素子と配線回路層とはアルミニウム線
等の金属線を介して電気的に接続され、この半導体素子
は金属線とともに熱硬化性樹脂からなる封止樹脂で気密
に封止され、保護される。

【０００４】さらに、前記半導体素子が収納されたパッ
ケージは、その底面に形成された接続端子と、マザーボ
ードなどの外部回路基板表面に形成された配線導体とを
ロウ材などの導電性接着剤によって電気的に接続して実
装される。一般に、この外部回路基板は、プリント基板
などの熱硬化性樹脂を含有する有機質材料、あるいは有
機質材料と無機質材料との複合材で構成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記パッケージにお
いては、これまで１つのパッケージに１つの半導体素子
を搭載していたため、前記パッケージの大きさは３０ｍ
ｍ角以下であったが、この形態では半導体素子と半導体
素子との接続に伴い電気的抵抗が高まるため、複数の半
導体素子を機能的に１つにまとめた半導体素子（システ
ムＬＳＩ）が開発されている。

【０００６】これに伴い、この半導体素子自体が大型化
し、また、発熱量も多くなるため、放熱板およびパッケ
ージ自体の大きさも大きくなる傾向にある。そして、上
記の放熱板を上記絶縁基板に接着剤によって接着固定し
た場合、上記放熱板と絶縁基板との熱膨張係数差によ
り、半導体素子の駆動時、あるいは駆動、停止に伴う加
熱、冷却の繰り返し時において、高応力が発生し、これ
により、放熱板とパッケージとの間の接着剤にクラック
が発生し、放熱板が絶縁基板から剥離し、放熱板による
放熱性が損なわれたり、絶縁基板側にクラックが発生
し、パッケージ内の配線を切断するなどの不具合を生じ
させていた。また、この応力によりパッケージが反るこ
とにより、パッケージと外部回路基板との間の接続端子
に負荷がかかり、接続端子が破壊し、パッケージと外部
回路基板との長期的な接続信頼性が損なわれるという問
題があった。

【０００７】従って、本発明は、絶縁基板に接着剤によ
って固定された放熱板を具備するパッケージにおいて、
半導体素子の作動／停止による熱サイクルの印加に対し
ても、強固にかつ長期にわたり安定した接続状態を維持
できる半導体素子収納用パッケージとその実装構造を提
供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
に対して検討を重ねた結果、放熱板をパッケージの絶縁
基板に接着する接着剤として、−４０℃〜５０℃の温度
範囲におけるヤング率が０．０１ＧＰａ〜１０ＧＰａの
接着剤を用いることによって、前記放熱板と前記パッケ
ージとの熱膨張係数差によって発生する応力を接着剤が
吸収されることによって、前記目的が達成されることを
見出した。

【０００９】すなわち、本発明の半導体素子収納用パッ
ケージは、絶縁基板と、該絶縁基板の表面あるいは内部
に配設された配線回路層と、前記絶縁基板と接着され且
つその表面に半導体素子が接着固定される放熱板と、外
部回路と接続するための接続端子とを具備してなるもの
であって、前記放熱板と前記絶縁基板とを、−４０℃〜
５０℃の温度範囲でのヤング率が０．０１ＧＰａ〜１０
ＧＰａの接着剤によって固着したものであり、特に、前
記パッケージの大きさが３０ｍｍ角以上であるとき、本
発明の効果が最もよく表われる。

【００１０】また、前記放熱板表面に接着固定される前
記半導体素子と、前記配線回路層とは金属線によって電
気的に接続されており、該半導体素子および該金属線に
よる接続部は熱硬化性樹脂により封止されていることが
望ましい。また、上記接着剤が、熱硬化性樹脂とフィラ
ー粉末との複合体からなることが望ましい。

【００１１】通常、パッケージに取り付けられる放熱板
は、放熱性が優れ、且つ安価であることから一般にＣｕ
を主体とする金属材料が用いられている。このＣｕの熱
膨張係数は１７ｐｐｍ／℃と高い。一方、パッケージの
絶縁基板は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムを
主体とする焼結体、あるいはガラスまたはガラスと無機
フィラーとの混合物を焼成したガラスセラミック焼結体
からなり、これらの熱膨張係数は４〜１５ｐｐｍ／℃で
あり、Ｃｕよりも低い。

【００１２】本発明によれば、このＣｕ系放熱板と上記
絶縁基板とを接着する接着剤として、ヤング率の低い接
着剤を使用すると、接着剤自体が変形するため、この変
形によって応力が吸収されて発生する応力が低減される
結果、接着部でのクラックの発生、接続端子の破壊が無
く、確実に強固な電気的接続が保持され、長期使用に対
しても高い信頼性が確保される。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の半導体素子収納
用パッケージＡと、これの外部回路基板Ｂへの実装構造
の概略断面図である。

【００１４】図１の半導体素子収納用パッケージ（以
下、パッケージと略す。）Ａは、中心部に貫通孔が形成
されたセラミックス、ガラスセラミックスまたは有機樹
脂を含有する絶縁材料からなる絶縁基板１を具備し、そ
の絶縁基板１の表面あるいは内部には配線回路層（以
下、配線層と略す。）２が配設されされている。

【００１５】また、絶縁基板１の裏面には複数の接続パ
ッド３が配設され、さらには接続パッド３表面には、そ
れぞれ半田からなる接続端子４が取着されている。

【００１６】また、絶縁基板１には、貫通孔を塞ぐよう
に放熱板５が接着剤６によって接着固定されている。放
熱板５は、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ複合材料、Ａｌ−ＳｉＣ複合
材料、およびＡｌＮの群から選ばれる少なくとも１種か
ら形成されることが望ましく、特にＣｕが好適である。

【００１７】そして、この放熱板５の絶縁基板１の貫通
孔側の表面には、Ｓｉ、ＧａＡａなどからなる半導体素
子７がエポキシ樹脂などからなるダイ付剤８により直
接、接着固定されている。さらに、放熱板５に接着固定
された半導体素子６と絶縁基板１表面の配線層２とは、
Ａｕ、Ａｌなどの金属からなる金属線９によって電気的
に接続されている。そして、この半導体素子７、金属線
９を含む周辺は、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂か
らなる封止剤１０により封止されている。

【００１８】また、上記のパッケージＡは、外部回路基
板Ｂの表面に載置され、基板Ｂ表面に形成された接続パ
ッド１１と、パッケージＡの接続端子４とを半田などの
導電性接着剤によって電気的に接続することによって、
パッケージＡは外部回路基板Ｂの表面に実装される。

【００１９】本発明によれば、絶縁基板１と放熱板５を
接着する接着剤６が、−４０℃〜５０℃におけるヤング
率が０．０１ＧＰａ〜１０ＧＰａ、さらには０．０２Ｇ
Ｐａ〜５ＧＰａ、特に０．０３ＧＰａ〜１ＧＰａである
ことが必要である。このヤング率が１０ＧＰａを超える
と、接着剤が硬く、放熱板５と絶縁基板１との熱膨張差
で発生する高応力を低減できずに、接着剤６にクラック
が発生し、放熱板５を固定できない。または、この高応
力により絶縁基板１自体にクラックが発生し内部の配線
層２の断線を引き起こす。もしくはこの高応力により、
絶縁基板１の変形を発生させ、それによりパッケージＡ
と外部回路基板Ｂとの間の接続端子４に負荷がかかり、
接続端子４の破壊に至る。

【００２０】また、この接着剤６のヤング率が０．０１
ＧＰａ未満では、接着剤６による放熱板５の拘束がなく
なるため、放熱板５表面に接着固定された半導体素子７
との熱膨張係数差で発生する高応力が低減されず、半導
体素子７を接着固定するダイ付剤８、もしくは半導体素
子７の周りの封止剤１０にクラックが発生し、金属線９
の断線等を引き起こす。

【００２１】上記のようなヤング率を有する接着剤６
は、少なくとも熱硬化性樹脂とフィラー成分との複合材
料からなることが望ましい。含有される熱硬化性樹脂と
しては、上記の特性を満足するものであれば特に限定す
るものではないが、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹
脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル
樹脂、フタル酸ジアリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコ
ーン樹脂、ポリウレタン樹脂の群から選ばれる少なくと
も１種が挙げられ、特にエポキシ系樹脂、フェノール系
樹脂の群から選ばれる少なくとも１種が好適である。

【００２２】一方、接着剤中のフィラー成分は、補強剤
およびヤング率の調整剤として機能し、アルミナ、シリ
カ、シリカガラス、マイカ、ジルコニウムシリケート、
リチウムシリケート等の無機物、銀、銅、アルミニウ
ム、鉛などの金属、ゴム粒子、プラスチック粒子等の有
機物の群から選ばれる少なくとも１種などが挙げられ、
特にシリカ、アルミナ、ゴム粒子の群から選ばれる少な
くとも１種が好適である。また、フィラー形状として
は、粉末体のみならず、ウイスカー、ファイバーなどの
繊維体、または織布、不織布であってもよい。

【００２３】接着剤中の熱硬化性樹脂中のフィラーの含
有量は、３０〜９０体積％が適当であって、用いる樹脂
のヤング率に応じて上記の範囲でフィラー量を調整して
接着剤の硬化後のヤング率を上記の範囲に制御すればよ
い。

【００２４】放熱板５を絶縁基板１に接着するには、絶
縁基板１の表面にフィルム状もしくは液状の熱硬化性接
着剤を塗布した後、放熱板５を載置し、０．１〜５ＭＰ
ａの荷重をかけながら約１００〜２００℃の温度に加熱
することにより前記接着剤中の熱硬化性樹脂を完全に硬
化することによって接着固定される。

【００２５】この接着剤６がフィルム状のものである場
合、フィラー成分として補強材として用いるガラス繊維
層の含有率やシリカガラスなどのフィラー量を変化させ
るのが効果的である。また、液状の接着剤でも同様に、
シリカガラスなどのフィラー量を変化させるのが効果的
である。

【００２６】本発明の上記の構成による作用効果は、放
熱板と絶縁配線との間の応力が高くなる絶縁基板のサイ
ズが平面的にみて一辺が３０ｍｍ以上の大型のパッケー
ジからなる場合に特に有効である。

【００２７】本発明における半導体素子収納用パッケー
ジＡにおける絶縁基板１は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃
Ｎ₄を主体とするセラミックス、ガラスセラミックスな
どのセラミックス、ＢＴレジン、エポキシ樹脂、ポリイ
ミド樹脂などの熱硬化性樹脂、あるいは前記熱硬化性樹
脂とＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの無機質フィラーやガラ
ス、アラミドなどの繊維体との複合体の群から選ばれる
少なくとも１種が用いられ、特にＢＴレジンが安価であ
る点で好適に用いられ、さらに、高密度配線および高信
頼性を確保する上ではアルミナ、ガラスセラミックスが
好適である。

【００２８】なお、この絶縁基板１は、特性上では有機
樹脂を含有する外部回路基板に実装する場合の実装信頼
性を高める上で、４０〜４００℃の熱膨張係数が７×１
０^-6／℃以上であることが望ましい。またヤング率が２
００ＭＰａ以下であることが使用時に発生する応力を低
減することができる。

【００２９】また、配線回路層２は、絶縁基板１の材質
によって、タングステン、モリブデン、銅、銀、Ａｌの
群から選ばれる少なくとも１種を選択して用いることが
できる。

【００３０】

【実施例】エポキシ樹脂（ノボラック型エポキシ樹脂）
と、平均粒径が５μｍのゴム粒子と、平均粒径が５μｍ
のＳｉＯ₂粉末を準備し、これらを表１に示す組成物に
て混合した液状接着剤を５×４×４０ｍｍの容器に入
れ、１５０℃のオーブンにて、２時間加熱することで完
全に硬化させた。その後、この硬化体に対して、超音波
パルス法によって−４０℃〜５０℃のヤング率を測定
し、結果を表１に示す。

【００３１】また、パッケージの絶縁基板材料として、
ＢＴレジン（ビスマレイミドトリアジン）からなり、４
０〜１２５℃における熱膨張係数が１４．１×１０^-6／
℃の有機系絶縁材料からなる有機樹脂基板に、周知のプ
リント基板技術によって、有機樹脂基板の表面および内
部に、銅箔からなる半導体素子と接続される接続パッ
ド、配線回路層、接続端子用パッドを有し、またスルー
ホールに銅ペーストを充填して形成したスルーホール導
体を具備するパッケージ基板Ｘを作製した。

【００３２】また、ＢａＯ系ガラス５０体積％とクオー
ツ５０体積％からなる組成物を成形し、９５０℃で焼成
して作製したガラスセラミック焼結体を絶縁基板とし、
その表面および内部に、ガラスセラミック焼結体と同時
焼成によって銅メタライズからなる半導体素子と接続さ
れる接続パッド、接続端子用パッド、スルーホール導
体、配線回路層を有するパッケージ基板Ｙを作製した。

【００３３】なお、パッケージ基板Ｘ、Ｙは、一辺のサ
イズが２５ｍｍ、３５ｍｍ、４５ｍｍの正方形状の３種
類のパッケージ基板を作製した。

【００３４】また、パッケージ基板の接続パッドには、
Ｓｎ６３重量％−Ｐｂ３７重量％の半田からなるボール
状の接続端子を半田によって取着した。

【００３５】また、上記のパッケージ基板Ｘ、Ｙの表面
に表１に示した種々の接着剤を塗布した後、Ｃｕ（４０
〜５０℃熱膨張係数１７×１０^-6／℃）からなる厚さ
０．５ｍｍのの放熱板を載置し、１５０℃、２時間の条
件で接着剤を硬化接着させた。放熱板は絶縁基板のサイ
ズにあわせて３種類用意した。

【００３６】一方、Ｓｉからなる一辺が１３ｍｍ、１８
ｍｍ、２３ｍｍの正方形状の３種類の半導体素子を準備
し、前記放熱板上にエポキシ樹脂からなる熱硬化性のダ
イ付剤にて１５０℃、１時間の条件のもとで接着固定さ
せた。

【００３７】その後、半導体素子の接続パッドと絶縁基
板表面の接続パッドとを金によるワイヤボンディングに
よって電気的に接続し、さらにこの半導体素子とワイヤ
ボンディング部をエポキシ樹脂からなる封止剤を注入し
て１５０℃、３時間にて加熱硬化させて封止した。

【００３８】上記のようにして半導体素子を収納したパ
ッケージをガラスエポキシ基板（４０〜１２５℃熱膨張
係数１５×１０^-6／℃）からなり表面に銅箔からなる配
線導体が形成されたプリント基板上に接続端子が接続さ
れるように位置合わせして低融点半田を用いて窒素雰囲
気中で２２０℃、３分間熱処理して実装した。（熱サイクル試験）このようにしてパッケージをプリン
ト基板に実装したものを大気雰囲気にて−４０℃と１２
５℃の各温度に制御した恒温槽に試験サンプルを３０分
／３０分の保持を１サイクルとして最高１０００サイク
ル繰り返した。

【００３９】そして、１００サイクル毎にパッケージと
外部回路基板の配線導体との電気抵抗の測定、および外
観観察による絶縁基板や接着剤へのクラックの発生の確
認、超音波探傷装置によるダイ付剤等の剥離（放熱板の
接着剤ではないの？？）の確認を行うとともに、抵抗変
化が表われるまでのサイクル数をカウントした。結果を
表２に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】表２より明らかなように、本発明である接
着剤のヤング率が０．０１ＧＰａ〜１０ＧＰａである試
料Ｎｏ．２、６〜１０、１５〜１９、２３、２７〜３
１、３６〜４０では接続端子の破壊による電気抵抗の変
化、絶縁基板や接着剤のクラックの発生、ダイ付剤の剥
離などの不具合は熱サイクル１０００回まで発生せず、
極めて安定で良好な電気的接続状態を維持できた。

【００４３】これに対して、ヤング率が上記の範囲より
も低い試料Ｎｏ．１、４、５、１３、１４、２２、２
５、２６、３４、３５では、放熱板の熱膨張が抑制され
ないために半導体素子との熱膨張差による応力によって
半導体素子のダイ付剤が剥離を来した。逆にヤング率が
上記範囲よりも高い試料Ｎｏ．３、１１、１２、２０、
２１、２４、３２、３３、４１、４２では接続端子の破
壊が生じ、特に基板サイズが大きくなると、セラミック
基板では試料Ｎｏ．４１、４２のように絶縁基板にクラ
ックが発生し、実装後の信頼性にかけることがわかっ
た。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
放熱板を絶縁基板に接着固定するために用いる接着剤の
ヤング率を０．０１ＧＰａ〜１０ＧＰａにすることで、
放熱板と絶縁基板の熱膨張係数差で発生する応力を低減
し、長期にわたり正確かつ強固に電気的接続させること
が可能となり、その結果、パッケージおよびパッケージ
を外部回路基板に実装した場合においても安定した信頼
性の高い接続状態を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における半導体素子収納用パッケージ
と、その外部回路基板への実装構造を説明するための概
略断面図である。

【符号の説明】

１・・・絶縁基板２・・・配線回路層３・・・接続パッド４・・・接続端子５・・・放熱板６・・・接着剤７・・・半導体素子８・・・ダイ付剤９・・・金属線１０・・封止樹脂１１・・接続パッドＡ・・・半導体素子収納用パッケージＢ・・・外部回路基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板と、該絶縁基板の表面あるいは内
部に配設された配線回路層と、前記絶縁基板と接着され
且つその表面に半導体素子が接着固定される放熱板と、
外部回路と接続するための接続端子とを具備してなる半
導体素子収納用パッケージにおいて、前記放熱板と前記
絶縁基板とが、−４０℃〜５０℃の温度範囲でのヤング
率が０．０１ＧＰａ〜１０ＧＰａの接着剤によって固着
されてい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２】前記放熱板表面に接着固定される前記半導
体素子と、前記配線回路層とが金属線によって電気的に
接続され、且つ該半導体素子および該金属線による接続
部が熱硬化性樹脂からなる封止剤により封止されること
を特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケー
ジ。
【請求項３】前記接着剤が、熱硬化性樹脂とフィラー粉
末との複合体からなることを特徴とする請求項１記載の
半導体素子収納用パッケージ。
【請求項４】前記絶縁基板を平面的にみた一辺が３０ｍ
ｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体素
子収納用パッケージ。
【請求項５】絶縁基板と、該絶縁基板の表面あるいは内
部に配設された配線回路層と、前記絶縁基板と接着され
且つその表面に半導体素子が接着固定された放熱板と、
外部回路と接続するための接続端子とを具備してなる半
導体素子収納用パッケージを、少なくとも有機樹脂を含
む有機基板の表面に配線導体が被着形成された外部回路
基板上に載置し、前記パッケージの接続端子と前記外部
回路基板の配線導体とをロウ付けして実装してなる半導
体素子収納用パッケージの実装構造において、前記パッ
ケージにおける放熱板と前記絶縁基板とが、−４０℃〜
５０℃の温度範囲でのヤング率が０．０１ＧＰａ〜１０
ＧＰａの接着剤によって固着されていることを特徴とす
る半導体素子収納用パッケージの実装構造。
【請求項６】前記パッケージにおいて、前記放熱板表面
に接着固定される前記半導体素子と前記配線回路層とが
金属線によって電気的に接続され、且つ該半導体素子お
よび該金属線による接続部が熱硬化性樹脂からなる封止
剤により封止されていることを特徴とする請求項５記載
の半導体素子収納用パッケージの実装構造。
【請求項７】前記接着剤が、熱硬化性樹脂とフィラー粉
末との複合体からなることを特徴とする請求項５記載の
半導体素子収納用パッケージの実装構造。
【請求項８】前記絶縁基板を平面的にみた一辺が３０ｍ
ｍ以上であることを特徴とする請求項５記載の半導体素
子収納用パッケージの実装構造。