JP2002151614A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

半導体素子収納用パッケージ

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JP2002151614A
JP2002151614A JP2000344481A JP2000344481A JP2002151614A JP 2002151614 A JP2002151614 A JP 2002151614A JP 2000344481 A JP2000344481 A JP 2000344481A JP 2000344481 A JP2000344481 A JP 2000344481A JP 2002151614 A JP2002151614 A JP 2002151614A
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metal lid
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insulating base
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洋二 小林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子収納用パッケージにおいて、熱に
起因する歪み応力による接合破壊を有効に防止できな
い。 【解決手段】 上面に半導体素子7の搭載部1aを有す
る絶縁基体1と、絶縁基体1の上面に搭載部1aを取り
囲むように接合された枠体2と、枠体2の上面に封止剤
4を介して接合される略平板状の金属製蓋体3とからな
る半導体素子収納用パッケージであって、金属製蓋体3
は、下面の枠体2の開口に対向する部位に沿って開口周
縁の直上から枠体2の内壁側に位置する、下面の平坦部
に対する傾斜角αが30〜85°で、深さが0.02〜0.3mm
の、開口周縁に対向する傾斜を有する枠状の溝部3aを
形成してあることを特徴とする半導体素子収納用パッケ
ージ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、外部からの機械的
衝撃あるいは水分の浸入から半導体素子を保護するため
の半導体素子収納用パッケージに関するものであり、特
に高周波用半導体素子を搭載した携帯電話に代表される
移動体通信機器に使用される半導体素子収納用パッケー
ジに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、移動体通信機器は軽薄短小化が急
激に進展し、これに伴って搭載される半導体素子を気密
に封止する半導体素子収納用パッケージも軽薄短小化が
進んでいる。
【0003】このような半導体素子収納用パッケージ
は、一般に酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウ
ム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体等の
電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子の搭載部を有
する絶縁基体と、絶縁基体の上面に前記搭載部を取り囲
むように接合された枠体と、枠体の上面に半田やろう材
等により接合される略平板状の蓋体とから構成されてい
る。なお、蓋体の材料としては、半導体素子収納用パッ
ケージの軽薄短小化に併せ、薄型加工が可能な鉄−ニッ
ケル−コバルト合金等の金属が用いられている。
【0004】しかしながら、このような半導体素子収納
用パッケージでは、熱膨張係数の異なる枠体と金属製蓋
体とを、弾性率が高く歪み等の応力を緩和しにくい半田
やろう材等の金属により接合しているために、半導体素
子が作動する際に発生する熱によって枠体と金属製蓋体
との間に大きな応力が発生するとともにこの応力が枠体
に作用して枠体にクラックが入ってしまい、その結果、
容器の気密封止が破れ、内部に収容する半導体素子を長
期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができな
いという欠点を有していた。
【0005】他方、枠体と金属製蓋体との接合を、弾性
率の低い樹脂接着剤により行なう方法が提案されてい
る。この提案によれば、例えば熱硬化性のエポキシ系樹
脂をスクリーン印刷法やディスペンサ法を用いて枠体と
金属製蓋体との接合部分に塗布し、枠体と金属製蓋体と
の接合部分を重ね合わせ加圧・加熱して枠体と金属製蓋
体とを接合することにより、半導体素子が作動する際に
発生する熱によって熱膨張係数の異なる枠体と金属製蓋
体との間に大きな応力が発生したとしても、弾性率の低
い樹脂接着剤が応力を緩和して枠体にクラックが入るの
を有効に防止できるというものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな樹脂接着剤による接合では金属製蓋体と樹脂接着剤
との接合が表面の微細な凹凸による投錨効果のみである
ことから、昨今の半導体装置の小型化に合わせて枠体と
金属製蓋体との接合面積が小面積化する封止設計では十
分な接合強度が得られず、半導体素子が作動する際に発
生する熱により熱膨張係数の異なる枠体と金属製蓋体と
の間に発生する大きな応力、あるいは2次実装時のリフ
ロー加熱等の際にキャビティ内のガスが膨張することに
より発生する、金属製蓋体がキャビティ外側に押出され
る力により、結果として、金属製蓋体と樹脂接着剤の接
合が破壊され、容器の気密信頼性が低下してしまうとい
う問題点を有していた。
【0007】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み
案出されたものであり、その目的は、熱に起因する歪み
応力による接合破壊を有効に防止でき、かつ気密信頼性
の高い半導体素子収納用パッケージを提供することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子収納
用パッケージは、上面に半導体素子の搭載部を有する絶
縁基体と、この絶縁基体の上面に搭載部を取り囲むよう
に接合された枠体と、この枠体の上面に封止剤を介して
接合される略平板状の金属製蓋体とからなる半導体素子
収納用パッケージであって、金属製蓋体は、下面の枠体
の開口に対向する部位に沿って開口周縁の直上から枠体
の内壁側に位置する、下面の平坦部に対する傾斜角が30
〜85°で、深さが0.02〜0.3mmの、開口周縁に対向す
る傾斜を有する枠状の溝部を形成してあることを特徴と
するものである。
【0009】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、金属製蓋体の下面の枠体の開口に対向する部位に
沿って開口周縁の直上から枠体の内壁側に位置する、下
面の平坦部に対する傾斜角が30〜85°で、深さが0.02〜
0.3mmの、開口周縁に対向する傾斜を有する枠状の溝
部を形成したことから、枠体と金属製蓋体とを封止剤を
介して接合した際に、封止剤と金属製蓋体との界面に作
用する力の方向が分散されるとともに平坦な面に働く枠
体と金属製蓋体を引き剥がす方向の力に対する接着力に
溝部の傾斜面に働くずりせん断方向の力に対する接着力
が加わることから、接合が非常に強固なものとなり、そ
の結果、熱応力によって枠体と金属製蓋体との接合破壊
が起こり難く、気密信頼性の良好な半導体素子収納用パ
ッケージとすることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体素子収納用
パッケージを図面に基づき詳細に説明する。
【0011】図1は本発明の半導体素子収納用パッケー
ジの実施の形態の一例を示す断面図であり、図2は図1
の要部断面図である。これらの図において、1は絶縁基
体、2は枠体、3は金属製蓋体、3aは溝部、4は封止
剤であり、主にこれらで本発明の半導体素子収納用パッ
ケージが構成される。
【0012】絶縁基体1は、その上面の略中央部に半導
体素子7を搭載するための搭載部1aが設けてあり、こ
の搭載部1aには半導体素子7がガラス・樹脂・ろう材
等から成る接着剤を介して接着固定される。また、絶縁
基体1の上面には、搭載部1aを取り囲んで枠体2が接
合されている。
【0013】このような絶縁基体1・枠体2は、酸化ア
ルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・窒化アルミニ
ウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体等
の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質
焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化
珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末
に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混
合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクター
ブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採
用しシート状にしてセラミックグリーンシート(セラミ
ック生シート)を得、しかる後、それらセラミックグリ
ーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複
数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製
作される。
【0014】また、絶縁基体1には、搭載部1a周辺か
ら下面にかけて複数の配線導体層5が被着形成されてお
り、この配線導体層5の搭載部1aの周辺部には半導体
素子7の各電極がボンディングワイヤ8を介して電気的
に接続され、また、絶縁基体1の下面に導出された部位
には外部電気回路(図示せず)が半田等の接続部材を介
して電気的に接続される。
【0015】配線導体層5は、半導体素子7の各電極を
外部電気回路に電気的に接続する際の導電路として作用
し、例えばタングステン・モリブデン・マンガン等の高
融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加
混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷
法等の厚膜手法を採用して絶縁基体1となるセラミック
グリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これを
セラミックグリーンシートと同時に焼成することによっ
て絶縁基体1の搭載部1a周辺から下面にかけて所定パ
ターンに被着形成される。
【0016】なお、配線導体層5はその表面にニッケル
・金等の良導電性で耐蝕性およびろう材との濡れ性が良
好な金属をめっき法により1〜20μmの厚みに被着させ
ておくと、配線導体層5の酸化腐蝕を有効に防止するこ
とができるとともに配線導体層5とボンディングワイヤ
8との接続および配線導体層5と外部電気回路の配線導
体との半田付けを強固となすことができる。したがっ
て、配線導体層5の酸化腐蝕を防止し、配線導体層5と
ボンディングワイヤ8との接続および配線導体層5と外
部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすために
は、配線導体層5の表面にニッケル・金等をめっき法に
より1〜20μmの厚みに被着させておくことが好まし
い。
【0017】また、枠体2の上面には、金属製蓋体3が
封止剤4を介して接合されている。
【0018】金属製蓋体3は、半導体素子7をパッケー
ジ内部に気密に封止する作用を成すとともに外部からの
衝撃により半導体素子7が破壊されることを防止する機
能を有し、鉄・アルミニウム・銅・タングステン・鉄−
ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバ
ルト合金等の金属材料により形成されている。
【0019】本発明の半導体素子収納用パッケージにお
いては、金属製蓋体3の下面の枠体2の開口に対向する
部位に沿って開口周縁の直上から枠体2の内壁側に位置
する、下面の平坦部に対する傾斜角αが30〜85°で、深
さが0.02〜0.3mmの、開口周縁に対向する傾斜を有す
る枠状の溝部3aを形成することが重要である。
【0020】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、金属製蓋体3の下面の枠体2の開口に対向する部
位に沿って開口周縁の直上から枠体2の内壁側に位置す
る、下面の平坦部に対する傾斜角αが30〜85°で、深さ
が0.02〜0.3mmの、開口周縁に対向する傾斜を有する
枠状の溝部3aを形成したことから、封止剤4と金属製
蓋体3との界面に作用する力の方向が分散されるととも
に平坦な面に働く枠体と金属製蓋体3を引き剥がす方向
の力に対する接着力に溝部3aの傾斜面に働くずりせん
断方向の力に対する接着力が加わることから、接合が非
常に強固なものとなり、その結果、熱応力によって枠体
2と金属製蓋体3との接合破壊が起こり難く、気密信頼
性の良好な半導体素子収納用パッケージとすることがで
きる。
【0021】なお、溝部3aの傾斜角αが30°未満の場
合、封止剤4と金属製蓋体3との界面に作用する力の方
向の変化が小さいため、溝部3aの傾斜面に働くずりせ
ん断方向の力に対する接着力が小さなものとなり、その
結果、金属製蓋体3と枠体2との接合強度が向上しなく
なる傾向がある。また、溝部3aの傾斜角αが85°を超
えた場合、封止剤4と金属製蓋体3の間の応力が傾斜角
部に集中してしまい、熱ストレスにより発生する金属製
蓋体3の変形の力が効果的に分散されなくなる傾向があ
る。従って、溝部3aの金属製蓋体3の平坦部に対する
傾斜角αは30〜85°の範囲とすることが好ましい。
【0022】また、溝部3aの深さが0.02mm未満の場
合、傾斜面の面積が非常に小さなものとなり、溝部3a
の傾斜面に働くずりせん断方向の力に対する接着力が小
さなものとなり、その結果、金属製蓋体3と枠体2との
接合強度が向上しなくなる傾向があり、0.3mmを超え
ると溝部3aの成形の際に歪みが残る、あるいは反りが
発生し易くなる傾向があり、その結果、2次実装等の加
熱工程にて金属製蓋体3のスプリングバックによる接合
破壊の力が発生し、接合強度が低下する危険性がある。
従って、溝部3aの深さは0.02〜0.3mmの範囲とする
ことが好ましい。
【0023】溝部3aは、金属製蓋体3の下面の枠体2
の開口部に対向する部位に沿って枠体2の内壁側に傾斜
を有する形状に設けられるが、枠体2と溝部3aの間に
封止剤4の液溜り9が形成されるように枠体2の開口周
縁の直上に形成されることが好ましい。
【0024】なお、溝部3aの断面形状は、三角形・台
形等種々の形状が用いられ、さらに図3・図4に金属製
蓋体3の要部断面図で示すように、溝部3aの反対側に
凸部を有する台形状・円弧状であってもよい。また、図
5に金属製蓋体3の断面斜視図で示すように、溝部3a
の反対側に凹部を有する形状であってもよい。
【0025】このような金属製蓋体3は、例えば鉄−ニ
ッケル合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル合金の
インゴット(塊)を圧延し板状にしたものを、所定の溝
形状に対応して製作したプレス金型により圧縮プレス成
形するとともに、従来周知の打抜き加工法により所定の
寸法に形成される。または、ケミカルエッチングにより
溝部3aの形成および所定の外寸への成形も可能であ
る。
【0026】なお、金属製蓋体3が鉄−ニッケル合金・
鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の鉄
合金から成る場合は、金属製蓋体3の腐蝕防止のため
に、その表面をニッケルや金・半田等の各種金属めっき
により被覆することが好ましい。
【0027】また、封止剤4は、枠体2と金属製蓋体3
とを接合する機能を有し、ガラス・樹脂接着剤・ろう材
等からなる。
【0028】封止剤4は、応力緩和の観点からは、低弾
性である樹脂接着剤が好ましく、枠体2あるいは金属製
蓋体3の接合部に従来周知のスクリーン印刷法等を採用
して印刷・塗布した後、加熱・乾燥するとともに両者の
接合部分を重ねあわせて加圧・加熱することにより、枠
体2と金属製蓋体3とを強固に接合することができる。
【0029】封止剤4は、硬化後の厚みが1〜50μmの
範囲であることが好ましく、1μm未満であると応力緩
和が有効に働かなくなる傾向があり、また、50μmを超
えると封止剤4の透湿量が増加し、半導体素子7が水分
により劣化しやすくなる傾向がある。従って、封止剤4
は、硬化後の厚みが1〜50μmの範囲であることが好ま
しい。
【0030】このような封止剤4としては、耐湿性ある
いは接合強度の観点からは緻密な3次元網目構造を有す
る熱硬化性のエポキシ系樹脂接着剤が特に好ましく、ビ
スフェノールA型エポキシ樹脂やビスフェノールA変性
エポキシ樹脂・ビスフェノールF型エポキシ樹脂・フェ
ノールノボラック型エポキシ樹脂・クレゾールノボラッ
ク型エポキシ樹脂・特殊ノボラック型エポキシ樹脂・フ
ェノール誘導体エポキシ樹脂・ビフェノール骨格型エポ
キシ樹脂等のエポキシ樹脂にイミダゾール系・アミン系
・リン系・ヒドラジン系・イミダゾールアダクト系・ア
ミンアダクト系・カチオン重合系・ジシアンジアミド系
等の硬化剤を添加したものが用いられる。 なお、2種
類以上のエポキシ樹脂を混合して用いてもよく、また、
軟質微粒子を添加することにより、エポキシ系樹脂接着
剤の弾性率をさらに低い値とすることが可能となる。
【0031】このような軟質微粒子としては、例えばシ
リコンゴムやシリコンレジン・LDPE・HDPE・P
MMA・架橋PMMA・ポリスチレン・架橋ポリスチレ
ン・エチレン−アクリル共重合・ポリメタクリル酸エチ
ル・ブチルアクリレート・ウレタン等のプラスチック粉
末が用いられる。
【0032】また、封止剤4に導電性の充填剤を含有さ
せるとともに、図6に断面図で示すように枠体2の上面
に、搭載部1aを取り囲み絶縁基体1に被着形成された
配線導体層5と電気的に接続する枠状導体層6を被着形
成することにより、金属製蓋体3と配線導体層5とが電
気的に接続され、外部への電磁波の放射を防ぐシールド
効果や外部からの電磁波の侵入を防止するイミュニティ
効果が良好に得られる半導体素子収納用パッケージとす
ることができる。
【0033】枠状導体層6は、タングステン・モリブデ
ン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶
媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周
知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して枠体2と
なるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布し
ておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成
することによって枠体2の上面に所定パターンに被着形
成される。
【0034】また、封止剤4に含有される導電性の充填
剤としては、例えばアクリル系樹脂やフェノール系樹脂
・ウレタン系樹脂・ベンゾグアナミン樹脂・メラミン系
樹脂・ポリジビニルベンゼン・ポリスチレン樹脂等の各
種有機系樹脂材料を核にもち、表層にニッケル・金・銀
・銅等の導電性材料を被覆した粒子やカーボン粉末ある
いはニッケル・金・銀・銅・半田等の金属粉末等を用い
られる。
【0035】なお、導電性の充填剤としては、平均粒径
が0.1〜30μmの充填剤を0.5〜200重量%含有させるこ
とが好ましく、平均粒径が0.1μm未満では封止剤4の
導通抵抗が高くなり、金属製蓋体3と枠状導体層6との
電気的接続が困難になる傾向があり、また、30μmを超
えると加圧しながら加熱硬化する際の加重で導電性粒子
が大きく変形して金属被膜が破損し、良好な導電性を得
られなくなる傾向がある。したがって、導電性の充填剤
の平均粒径は0.1〜30μmの範囲が好ましい。
【0036】さらに、導電性の充填剤の含有量が0.5重
量%未満では、封止剤4の導電性が低下する傾向があ
り、また、200重量%を超えると封止剤4の濡れ性が低
下する傾向がある。したがって、導電性の充填剤の含有
量は0.5〜200重量%の範囲が好ましい。
【0037】かくして本発明の半導体素子収納用パッケ
ージによれば、枠体2を有する絶縁基体1の搭載部1a
に半導体素子7をガラス・樹脂・ろう材等から成る接着
剤を介して接着固定するとともに半導体素子7の各電極
をボンディングワイヤ8により配線導体層5に接続さ
せ、しかる後、枠体2と金属製蓋体3とを封止剤4を介
して接続して、絶縁基体1と枠体2と金属製蓋体3とか
ら成る容器の内部に半導体素子7を気密に収容すること
によって最終製品としての半導体装置が完成する。
【0038】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であ
れば種々の変更は可能であり、例えば、半導体素子7と
配線導体層5との電気的接続を半田バンプ等の導電性接
続部材で行なってもよい。
【0039】
【発明の効果】本発明の半導体素子収納用パッケージに
よれば、金属製蓋体の下面の枠体の開口に対向する部位
に沿って開口周縁の直上から枠体の内壁側に位置する、
下面の平坦部に対する傾斜角が30〜85°で、深さが0.02
〜0.3mmの、開口周縁に対向する傾斜を有する枠状の
溝部を形成したことから、枠体と金属製蓋体とを封止剤
を介して接合した際に、封止剤と金属製蓋体との界面に
作用する力の方向が分散されるとともに平坦な面に働く
枠体と金属製蓋体を引き剥がす方向の力に対する接着力
に溝部の傾斜面に働くずりせん断方向の力に対する接着
力が加わることから、接合が非常に強固なものとなり、
その結果、熱応力によって枠体と金属製蓋体との接合破
壊が起こり難く、気密信頼性の良好な半導体素子収納用
パッケージとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の
形態の一例を示す断面図である。
【図2】図1に示す半導体素子収納用パッケージの要部
断面図である。
【図3】本発明の半導体素子収納用パッケージにおける
金属製蓋体の他の例における要部断面図である。
【図4】本発明の半導体素子収納用パッケージにおける
金属製蓋体のさらに他の例における要部断面図である。
【図5】本発明の半導体素子収納用パッケージにおける
金属製蓋体のさらに他の例における断面斜視図である。
【図6】本発明の半導体素子収納用パッケージの他の実
施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・絶縁基体 1a・・・・・・搭載部 2・・・・・・枠体 3・・・・・・金属製蓋体 3a・・・・・・溝部 4・・・・・・封止剤 5・・・・・・配線導体層 7・・・・・・半導体素子

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上面に半導体素子の搭載部を有する絶縁
    基体と、該絶縁基体の上面に前記搭載部を取り囲むよう
    に接合された枠体と、該枠体の上面に封止剤を介して接
    合される略平板状の金属製蓋体とからなる半導体素子収
    納用パッケージであって、前記金属製蓋体は、下面の前
    記枠体の開口に対向する部位に沿って前記開口周縁の直
    上から前記枠体の内壁側に位置する、前記下面の平坦部
    に対する傾斜角が30〜85°で、深さが0.02〜
    0.3mmの、前記開口周縁に対向する傾斜を有する枠
    状の溝部を形成してあることを特徴とする半導体素子収
    納用パッケージ。
  2. 【請求項2】 前記封止剤がエポキシ系樹脂接着剤であ
    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。
  3. 【請求項3】 前記エポキシ系樹脂接着剤が導電性の充
    填材を含有することを特徴とする請求項2記載の半導体
    素子収納用パッケージ。
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