JP2003100924A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2003100924A
JP2003100924A JP2001289879A JP2001289879A JP2003100924A JP 2003100924 A JP2003100924 A JP 2003100924A JP 2001289879 A JP2001289879 A JP 2001289879A JP 2001289879 A JP2001289879 A JP 2001289879A JP 2003100924 A JP2003100924 A JP 2003100924A
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Yasuyoshi Kunimatsu
廉可 國松
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い周波数で作動する半導体素子を収容した
半導体装置を、外部電気回路装置に長期に亘って信頼性
良く実装できるようにするとともに、高周波信号の伝送
損失の小さい半導体装置を提供すること。 【解決手段】 上面に半導体素子Cが載置固定され、下
面に電極パッド1cが形成され、かつ端面1dにメタラ
イズ層1eが形成された絶縁基板1と、半導体素子Cお
よび絶縁基板1の上方ならびに絶縁基板1の端面を覆う
とともに内側面がメタライズ層1eを介して絶縁基板1
の端面にロウ付けされた蓋体5とを具備した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波帯域で作動
する半導体素子を収容する半導体装置に関し、特に金属
ボール等の導体バンプを介して外部電気回路装置に実装
されるBGA(Ball Grid Array)タイプの半導体装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、マイクロ波やミリ波の電気信号を
処理する半導体素子を収容した半導体装置は、外部電気
回路装置との電気的接続をリード線で行うタイプが主流
であったが、伝送信号の更なる高周波化に対して接続部
における伝送損失を少なくするために、接続部の長さを
より短くすることが必要になってきた。その結果、下面
に電極パッドを設けた絶縁基板上に半導体素子を半田バ
ンプを介して直接接合(フリップチップ接合)し、絶縁
基板下面の電極パッドをロウ材と金属ボールおよび半田
を用いて外部電気回路装置に接続する表面実装型のチッ
プスケールパッケージ(CSP)やボールグリッドアレ
イ(BGA)タイプの半導体装置の採用が進められてい
る。
【0003】この半導体装置は、上面に半導体素子を載
置固定した絶縁基板と、半導体素子および絶縁基板を覆
う蓋体とから主に構成される。
【0004】これら表面実装型の半導体装置の一種であ
るBGAタイプの半導体装置について、外部電気回路装
置に実装するときの実装構造を図3の断面図に示す(特
開2000−332473公報参照)。この半導体装置
Bは、FET(Field EffectTransistor)用として用い
られたり、またMMIC(Monolithic Microwave I
C)用などとして用いられる。
【0005】そして、半導体装置Bは、酸化アルミニウ
ム(Al23)質焼結体やガラスセラミックス質焼結体
から成るとともに内部にタングステン(W)や銅(C
u)などの金属材料からなる内層接地導体層102aや
配線導体102bが形成された絶縁基板101を有して
いる。この絶縁基板101上面の載置部101aに半導
体素子Cをフリップチップ実装法やワイヤボンディング
実装法などを用いて搭載し、半導体素子Cと絶縁基板1
01の内層接地導体層102aや配線導体102bとを
電気的に接続する。
【0006】図3の例はフリップチップ実装を示してお
り、絶縁基板101の上面に形成された電極パッド10
1bに半導体素子Cの電極が接続された状態を示してい
る。さらに絶縁基板101の下面に設けた電極パッド1
01cが、金属ボール104等を介して外部電気回路装
置Dに電気的に接続される。この絶縁基板101の内部
には内層接地導体層102aや配線導体102bが形成
されており、配線導体102bは絶縁基板101上面の
電極パッド101bと絶縁基板101下面の電極パッド
101cとを電気的に導通させている。
【0007】そして、絶縁基板101下面の電極パッド
101cが、金属ボール104,ロウ材および半田など
からなる導体バンプを介して外部電気回路装置Dと物理
的および電気的に接続されている。また、半導体素子C
の下面は回路形成面であるが、その上面は蓋体105の
内面の底面(天井面)にグリス108等を介して接合さ
れている。この蓋体105は、コーナー部または4辺か
ら下方に突出するように形成された側壁部105aを有
し、側壁部105aの下端の鍔部105bが外部電気回
路装置D上にネジ107止めにより固着されている。
【0008】そして、図3の半導体装置Bでは、絶縁基
板101下面の電極パッド101cを外部電気回路装置
D上の電極に金属ボール104等を介して接合させる際
に、絶縁基板101下面の4隅に支持部材106を設置
して金属ボール104の略直径に相当する隙間を形成し
ている。この支持部材106により、金属ボール10
4,半田およびロウ材から成る接続部に加わる負荷を軽
減でき、接続部に亀裂が発生するのを防いで断線が生じ
るのを防止することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近時の
半導体装置においては、より高い周波数の高周波信号を
伝送させる必要が生じてきたことから、絶縁基板101
上面の電極パッド101bや絶縁基板101下面の電極
パッド101cと、内層接地導体層102aや配線導体
102bとの間で発生し、高周波信号の伝送に障害とな
る電気的な容量成分を小さくするために、電極パッド1
01b,101cの面積をより小さくすることが求めら
れている。
【0010】この容量成分を電極パッド101b,10
1cの面積を変えることなく小さくするためには、例え
ば絶縁基板101を構成する絶縁層を厚くすることが考
えられるが、この場合低背化という市場の要求に反する
ことになる。よって、高い周波数の高周波信号を伝送さ
せるためには、上記従来例において電極パッド101
b,101cの面積を小さくするのが最良の構成である
が、電極パッド101b,101cの面積を小さくした
場合、電極パッド101cと外部電気回路装置Dとの接
続強度が不足することがあった。
【0011】また、外部電気回路装置Dは一般的に熱膨
張係数が12×10-6〜15×10 -6/℃と大きいガラ
スエポキシ樹脂から成り、また半導体素子Cの熱膨張係
数が上記のように3×10-6〜4×10-6/℃であるこ
とから、蓋体104が半導体素子Cから発する熱により
加熱されると、その熱が外部電気回路装置Dに伝達さ
れ、外部電気回路装置Dが半導体素子Cよりも大きく熱
膨張することになる。その結果、外部電気回路装置Dに
は下に凸の反りが発生し、半導体装置Bと外部電気回路
装置Dとの接続部に亀裂が発生することがあった。接続
部に亀裂が発生すると、半導体装置Bと外部電気回路装
置Dとの間で高周波信号の伝送損失が発生する場合があ
った。
【0012】従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成
されたものであり、その目的は、高い周波数で作動する
半導体素子を収容した半導体装置を、外部電気回路装置
に長期に亘って信頼性良く実装できるようにするととも
に、高周波信号の伝送損失の小さい半導体装置を提供す
ることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
上面に半導体素子が載置固定され、下面に電極パッドが
形成され、かつ端面にメタライズ層が形成された絶縁基
板と、前記半導体素子および前記絶縁基板の上方ならび
に前記絶縁基板の端面を覆うとともに内側面が前記メタ
ライズ層を介して前記絶縁基板の端面にロウ付けされた
蓋体とを具備したことを特徴とする。
【0014】本発明は、上記の構成により、蓋体の内側
面がメタライズ層を介して絶縁基板の端面にロウ付けさ
れたことから、半導体装置全体の強度が大幅に増して半
導体装置が実装された外部電気回路装置の部位が変形し
にくくなり、外部電気回路装置の反りを抑えることがで
き、よって絶縁基板と外部電気回路装置との接続部に亀
裂や剥離が生じなくなる。その結果、半導体装置と外部
電気回路装置との間で高周波信号が良好に伝送されるこ
ととなる。
【0015】本発明において、好ましくは、前記蓋体
は、その天井面が前記半導体素子の上面に接合され、下
端に外部電気回路装置にロウ付けされる鍔部が形成され
ていることを特徴とする。
【0016】本発明は、上記の構成により、半導体装置
と外部電気回路装置との接合がさらに強化され、絶縁基
板と外部電気回路装置との接続部に亀裂や剥離が生じる
のがさらに防止される。そのため、半導体装置と外部電
気回路装置との間での高周波信号の伝送特性がさらに向
上し安定化する。
【0017】また、絶縁基板の端面に接合された蓋体の
側壁部により、半導体素子の上面から蓋体に直接伝達さ
れる経路を辿った熱と半導体素子から絶縁基板を介して
蓋体の側壁部に伝達される経路を辿った熱とを効率よく
外部電気回路装置に伝達することができ、これらの経路
を通った熱は外部電気回路装置に取着されている放熱板
(図示せず)等を介して外部に放散される。さらに、絶
縁基板の端面と蓋体の内側面とのロウ付けによる接合部
に、絶縁基板の接地配線導体を接続することにより、半
導体装置の接地状態を強化することができ、高周波信号
の伝送損失を効果的に低減することができる。
【0018】また本発明において、好ましくは、前記絶
縁基板は略四角形であり、前記蓋体は平面視形状が前記
絶縁基板と相似した略四角形であり、前記絶縁基板の端
面の中央部に前記メタライズ層が形成されていることを
特徴とする。
【0019】本発明は、上記の構成により、絶縁基板の
コーナー部をロウ付け接合する場合と比較して、小さな
接合面積で大きな接合強度が得られ、外部電気回路装置
に反りが発生しにくくなる。また、絶縁基板のコーナー
部がロウ付けされていないことから、応力が集中し易い
絶縁基板のコーナー部でロウ付け部にクラック等が発生
するということがなく、安定したロウ付け構造が得られ
る。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の半導体装置Bを以下に詳
細に説明する。図1(a),(b)は本発明の半導体装
置Bについて実施の形態の一例を示す断面図,平面図で
あり、また図2は図1の要部拡大断面図である。なお、
これらの図においては、半導体装置Bを外部電気回路装
置Dに実装した状態を示している。
【0021】これらの図において、1は略四角形の絶縁
基板、1aは半導体素子Cの載置部、1bは絶縁基板1
上面の電極パッド、1cは絶縁基板1下面の電極パッ
ド、1dは絶縁基板1の端面、1eは絶縁基板の端面に
形成されたメタライズ層である。また、2aは絶縁基板
1の内部に形成された内層接地導体層、2bは絶縁基板
1の上面から下面にかけて形成された配線導体、3aは
ロウ材、3bは半田、4は金属ボール、5は蓋体、5a
は蓋体5の側壁部、5bは側壁部5aの下端に形成され
た鍔部である。
【0022】本発明の半導体装置Bは、上面に半導体素
子Cが載置固定され、上面に電極パッド1b、下面に電
極パッド1cが形成され、かつ端面1dにメタライズ層
1eが形成された絶縁基板1と、半導体素子Cおよび絶
縁基板1の上方ならびに絶縁基板1の端面を覆うととも
に内側面がメタライズ層1eを介して絶縁基板1の端面
1dにロウ付けされた蓋体5とを具備している。
【0023】そして、絶縁基板1下面の電極パッド1c
は、ロウ材3aと金属ボール4および半田3bから成る
導体バンプを介して半導体装置Bが外部電気回路装置D
上に電気的に接続される。
【0024】本発明の絶縁基板1は、酸化アルミニウム
(Al23)質焼結体、窒化アルミニウム(AlN)質
焼結体、ムライト(3Al23・2SiO2)質焼結
体、炭化珪素(SiC)質焼結体、ガラスセラミックス
質焼結体などの絶縁材料からなり、その形状は例えば略
四角形である。そして、その内部に内層接地導体層2
a、配線導体2bを有しており、上面中央部には半導体
素子Cを載置するための載置部1aを有している。
【0025】この絶縁基板1は、例えば酸化アルミニウ
ム(Al23)質焼結体からなる場合、Al23,酸化
珪素(SiO2),酸化マグネシウム(MgO),酸化
カルシウム(CaO)等の原料粉末に適当な有機バイン
ダー、有機溶剤、可塑剤、分散剤等を添加混合してスラ
リー状し、これを従来周知のドクターブレード法によっ
てシート状となすことにより、複数枚のセラミックグリ
ーンシートを得る。
【0026】しかる後、この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、タングステン
(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn),銅
(Cu),銀(Ag),ニッケル(Ni),パラジウム
(Pd),金(Au)等の金属材料粉末に適当なバイン
ダー、溶剤を混合してなる導体ペーストを、セラミック
グリーンシートに予めスクリーン印刷法等により所定パ
ターンに印刷塗布することによって、電極パッド1b,
1cとなる印刷層、内層接地導体層2a、配線導体2b
となる印刷層をそれぞれ形成する。この後、セラミック
グリーンシートを所定の順序で積層した後、所定の寸法
に切断し、次いで絶縁基板1の端面1dとなる切断面に
導体ペーストをスクリーン印刷法や転写印刷法などの印
刷法により印刷してメタライズ層1eとなる印刷層を形
成し、最後に約1600℃の温度で焼成することによっ
て絶縁基板1が作製される。
【0027】絶縁基板1下面の電極パッド1cと外部電
気回路装置Dの電極とを接続する、ロウ材3a,金属ボ
ール4および半田3bから成る導体バンプは、半導体装
置Bを外部電気回路装置Dに物理的に接続するだけでな
く、高周波信号を伝送し半導体装置Bと外部電気回路装
置Dとを電気的に接続する機能を有する。また、電極パ
ッド1b,1cの表面に、良導電性で耐食性および低融
点ろう材との濡れ性が良好な金属、例えばNi,Auを
メッキ法により0.5〜9μmの厚さで順次被着させて
おくのがよく、電極パッド1b,1cの酸化腐食を有効
に防止し得るとともに半導体素子Cと絶縁基板1との半
田3bによる接続、および半導体装置Bと外部電気回路
装置Dとの半田3bによる接続を強固とすることができ
る。
【0028】蓋体5は、好ましくは平面視形状が絶縁基
板1より若干大きく絶縁基板1に相似した略四角形であ
り、例えばCu板を用いて、金型により4辺に側壁部5
aを形成した形状となすことができる。また、蓋体4が
Cu−W合金,Cu−モリブデン(Mo)合金である場
合、これらの粉末を混合して加熱したものをロール圧延
法にて所定の厚さの板材に圧延し、得られたシート状部
材を金型プレス法により所望の形状の蓋体5となすこと
ができる。
【0029】本発明において、蓋体5は、その天井面が
半導体素子Cの上面に接合され、側壁部5aの下端に外
部電気回路装置Dにロウ付けされる鍔部5bが形成され
ていることが好ましい。この蓋体5は、その天井面が半
導体素子Cの上面と接合されることによって放熱用部材
としても機能する。
【0030】蓋体5の材料としてはCuが好ましい。こ
れは、Cuの熱伝導率が350W/m・Kと極めて大き
いからである。Cuの熱膨張係数は19×10-6/℃で
あり、半導体素子Cの熱膨張係数(3×10-6〜4×1
-6/℃)との差が大きいが、半導体素子C上面との接
合に際して例えばAu−Sn半田などの高温時の伸びが
40〜50%と大きい低融点半田によって接合される
と、熱膨張係数差に起因する熱応力が緩和されて半導体
素子Cが剥離するなどの不具合はほとんど発生しない。
このときの接合温度は約240℃程度であり、その際予
め半田接合された接続部の半田3b等が再溶融すること
がない。
【0031】そして、蓋体5と半導体素子Cとの接合と
同時に、蓋体5の鍔部5bが同じ半田を介して外部電気
回路装置D上に接合されるとともに絶縁基板1の端面1
dのメタライズ層1eと側壁部5aの内側面とが同様に
して半田等でロウ付け接合される。これらの接合に際し
ては、予め粉末状の半田材料をペースト状にした半田ペ
ーストを所定の接合部位に塗布し乾燥させておくとよ
い。蓋体5と絶縁基板1の端面1dとの接合に際して
は、半田ペーストを端面1dにスクリーン印刷法などの
印刷法で印刷し、これを乾燥させた後、絶縁基板1を覆
うとともに外部電気回路装置Dに鍔部5bが接するよう
に蓋体5を被せ、所定の温度で加熱することにより絶縁
基板1が外部電気回路装置D上に固定されるとともに蓋
体5の内側面にも固定される。
【0032】本発明の半導体装置は、絶縁基板1と外部
電気回路装置Dとを金属ボール4等を介して接続する接
続構造に加えて、絶縁基板1の端面1dと側壁部5aと
を接合することにより絶縁基板1の外部電気回路装置D
への接合が補強されて接合強度が向上する。また、絶縁
基板1の端面1dと蓋体5の側壁部5aとの接合によっ
て半導体装置Bが全体的に強固に接合されているため、
外部電気回路装置Dの半導体装置Bが実装されている部
位は変形しにくくなっており、反りの発生が抑えられ
る。従って、半導体装置Bと外部電気回路装置Dとの接
続部にクラックが発生することは皆無となる。さらに、
蓋体5の天井面が半導体素子Cの上面に接合され、側壁
部5aの下端の鍔部5bが外部電気回路装置Dにロウ付
けされることにより、外部電気回路装置Dの反り抑制効
果、および半導体装置Bと外部電気回路装置Dとの接続
部におけるクラック発生の防止効果がさらに向上すると
ともに、半導体素子Cの熱を効率的に放散できる。
【0033】また、本発明においては、絶縁基板1は略
四角形であり、蓋体5は平面視形状が絶縁基板1と相似
した略四角形であり、絶縁基板1の端面1dの中央部に
メタライズ層1eが形成されていることが好ましい。こ
の構成によって以下のような利点がある。即ち、絶縁基
板1の端面1dと蓋体5の側壁部5aの内側面とを接合
する際に、端面1dのコーナー部をロウ付けした場合、
端面1dの中央部をロウ付けする場合に比較して2倍以
上の接合面積を必要とする。これは、例えば絶縁基板1
が正方形である場合、対向するコーナー部間の距離(略
対角線長さ)が対向する端面1d間の距離の約1.4倍
以上に大きくなり、そのため、端面1dの中央部をロウ
付けする場合と同程度の接合強度を得るには接合面積を
大きくしなければならないからである。また、応力が集
中し易い絶縁基板1のコーナー部でロウ付け部にクラッ
ク等が発生するということがなく、安定したロウ付け構
造が得られる。
【0034】なお、絶縁基板1の端面1dの中央部と
は、図1(b)に示すように、平面視における端面1d
の中央部である。この中央部に形成されるメタライズ層
1eの平面視における辺方向の長さは、辺の1/5〜1
/2であることが好ましい。1/5未満では、絶縁基板
1の端面1dから蓋体5への熱伝達性が劣化し、1/2
を超えると、絶縁基板1の端面1dと蓋体5との接合面
積が大きくなり、絶縁基板1と蓋体5との熱膨張係数差
によって絶縁基板1にクラックが発生し易くなる。
【0035】また、半導体素子Cと蓋体5とを接合する
前に、半導体素子Cを予め絶縁基板1上面の電極パッド
1bに高融点のPb−Sn系半田によって接合しておく
のがよく、この場合半導体素子Cと蓋体5とを接合する
半田3bが再溶融することがなくなり、接合の信頼性の
高い半導体装置Bを実現できる。
【0036】本発明の半導体装置に収納される半導体素
子は数GHz〜100GHzの高周波帯域で作動するも
のであり、本発明の半導体装置はこのような高周波帯域
用の半導体素子を収納するものとして好適である。
【0037】尚、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変
更を行うことは何等支障は無い。例えば、蓋体5の側壁
部5aの内側面で絶縁基板1の端面1dが当接する部位
に、端面1dが嵌合する溝を設けることもできる。この
場合、半田を溝内にとどめることができて接合に十分な
量の半田を確保することができる。
【0038】また、半導体素子と蓋体の下面との間には
銀エポキシやグリスなどの伝熱部材を配置してもよく、
この場合半導体素子の接合後において半導体素子に作用
する応力を軽減することができる。
【0039】
【発明の効果】本発明の半導体装置は、上面に半導体素
子が載置固定され、下面に電極パッドが形成され、かつ
端面にメタライズ層が形成された絶縁基板と、半導体素
子および絶縁基板の上方ならびに絶縁基板の端面を覆う
とともに内側面がメタライズ層を介して絶縁基板の端面
にロウ付けされた蓋体とを具備したことにより、蓋体の
内側面がメタライズ層を介して絶縁基板の端面にロウ付
けされたことから、半導体装置全体の強度が大幅に増す
とともに半導体装置が実装された外部電気回路装置の部
位が変形しにくくなり、外部電気回路装置の反りを抑え
ることができ、よって絶縁基板と外部電気回路装置との
接続部に亀裂や剥離が生じなくなる。その結果、半導体
装置と外部電気回路装置との間で高周波信号が良好に伝
送されることとなる。
【0040】本発明は、好ましくは蓋体は、その天井面
が半導体素子の上面に接合され、下端に外部電気回路装
置にロウ付けされる鍔部が形成されていることにより、
半導体装置全体の強度がさらに向上し外部電気回路装置
との接合がさらに強化され、絶縁基板と外部電気回路装
置との接続部に亀裂や剥離が生じるのがさらに防止され
る。そのため、半導体装置と外部電気回路装置との間で
の高周波信号の伝送特性がさらに向上し安定化する。
【0041】また、絶縁基板の端面に接合された蓋体の
側壁部により、半導体素子の上面から蓋体に直接伝達さ
れる経路を辿った熱と半導体素子から絶縁基板を介して
蓋体の側壁部に伝達される経路を辿った熱を効率よく外
部電気回路装置に伝達することができ、これらの経路を
通った熱は外部電気回路装置に取着されている放熱板等
を介して外部に放散される。さらに、絶縁基板の端面と
蓋体の内側面とのロウ付けによる接合部に、絶縁基板の
接地配線導体を接続することにより、半導体装置の接地
状態を強化することができ、高周波信号の伝送損失を効
果的に低減することができる。
【0042】また本発明は、好ましくは絶縁基板は略四
角形であり、蓋体は平面視形状が絶縁基板と相似した略
四角形であり、絶縁基板の端面の中央部にメタライズ層
が形成されていることにより、絶縁基板のコーナー部を
ロウ付け接合する場合と比較して、小さな接合面積で大
きな接合強度が得られ、外部電気回路装置に反りが発生
しにくくなる。また、絶縁基板のコーナー部がロウ付け
されていないことから、応力が集中し易い絶縁基板のコ
ーナー部でロウ付け部にクラック等が発生するというこ
とがなく、安定したロウ付け構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置について実施の形態の例を
示すものであり、(a)は外部電気回路装置上に搭載さ
れた半導体装置の断面図、(b)は(a)の半導体装置
の平面図である。
【図2】図1の半導体装置の要部拡大断面図である。
【図3】従来の外部電気回路装置上に搭載された半導体
装置の断面図である。
【符号の説明】 1:絶縁基板 1b,1b:電極パッド 1d:絶縁基板の端面 1e:メタライズ層 5:蓋体 5b:鍔部 B:半導体装置 C:半導体素子 D:外部電気回路装置
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 23/34 H01L 23/34 A 23/40 23/40 F H01R 33/76 505 H01R 33/76 505Z

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上面に半導体素子が載置固定され、下面
    に電極パッドが形成され、かつ端面にメタライズ層が形
    成された絶縁基板と、前記半導体素子および前記絶縁基
    板の上方ならびに前記絶縁基板の端面を覆うとともに内
    側面が前記メタライズ層を介して前記絶縁基板の端面に
    ロウ付けされた蓋体とを具備したことを特徴とする半導
    体装置。
  2. 【請求項2】 前記蓋体は、その天井面が前記半導体素
    子の上面に接合され、下端に外部電気回路装置にロウ付
    けされる鍔部が形成されていることを特徴とする請求項
    1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記絶縁基板は略四角形であり、前記蓋
    体は平面視形状が前記絶縁基板と相似した略四角形であ
    り、前記絶縁基板の端面の中央部に前記メタライズ層が
    形成されていることを特徴とする請求項1または請求項
    2記載の半導体装置。
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