JP2006128183A - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基体への金属製蓋体の接合・封止において、その金属製蓋体を絶縁基体の凹部側に変形させることなく、凹部内のボンディングワイヤに金属製蓋体を接触することのない信頼性の高い半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供することである。
【解決手段】半導体装置９は、上面に半導体素子３を収容するための凹部１ａを有する絶縁基体１と、絶縁基体１の凹部１ａの内側から外側に導出された配線導体２と、絶縁基体１の上面に凹部１ａを塞ぐようにして取着される形状記憶合金から成る蓋体５とを具備し、蓋体５は、その下面の外周部が絶縁基体１の上面の凹部１ａの周囲に取着されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージ、および半導体素子を半導体素子収納用パッケージに気密封止して成る半導体装置に関する。

ＣＰＵやメモリ等に使用される半導体集積回路素子等の半導体素子を気密に収納するための半導体素子収納用パッケージは、半導体素子を収容するための凹部が上面に形成された絶縁基体と、絶縁基体の凹部の内側から外側に導出された配線導体とを具備した構造である。

半導体素子は、例えば、半導体基板の上面の外周部以外の部分に半導体回路を有し、外周部等に電極が設けられている。

絶縁基体の凹部内に半導体素子が収容されるとともに、凹部の底面に樹脂接着剤やＡｕＳｉ材、ＡｕＳｎ材の金属共晶接合材等の接合材により接合され、半導体素子の電極と配線導体のうち凹部の内側に露出した部位とが、Ａｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤにより電気的に接続される。

また、平板状の蓋体が絶縁基体の上面に凹部を塞ぐようにして取着され、絶縁基体の凹部と蓋体とで構成される密閉空間内に半導体素子が気密に収納される。

そして、半導体素子の半導体回路で生じた電気信号は、配線導体を介して半導体装置の外部に配置された各種の機器や素子などに送られる。

なお、従来蓋体は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金等の金属材料により形成されている。

蓋体の下面の外周部を半導体素子収納用パッケージの凹部を取り囲む上面外周部に、間に半田等の接合材を介して位置決め載置し、加熱することにより、接合材を介して絶縁基体と蓋体とが接合し、半導体素子が気密封止され、半導体装置が形成される。

なお、接合のための加熱は、通常、温度等の加熱条件を所定の条件に設定した電気炉を用いて行なわれる。
特開平７−４５７３５号公報

しかしながら、従来の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置においては、高温で膨張し、密度が低くなった気体（炉中の雰囲気ガス等）が蓋体と絶縁基体の凹部との間に入り込んだ後、電気炉より出炉した際の温度低下により、絶縁基体と蓋体とで囲まれた凹部内が減圧状態となり、大気圧と凹部内との圧力差に応じた圧力が蓋体に下向き（凹部方向）に作用し、この圧力で蓋体の中央部が下側（絶縁基体の凹部側）へ突出した形に変形することがあった。このような蓋体の変形は、蓋体が大きい程、蓋体の板厚が薄い程、大きく現れる。

かかる変形が生じた場合、ボンディングワイヤ間で蓋体を介した電気的短絡を生じたり、ボンディングワイヤが変形して直接接して電気的に短絡したり、ボンディングワイヤと半導体素子の電極や配線導体との間の接続信頼性が劣化すること等の不具合を生じ、半導体装置としての電気信号の授受において不良を生じ、正確に電気信号を伝えたり、受けたりすることが不可となる欠点を有していた。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、絶縁基体への蓋体の接合・封止に際して蓋体の変形を有効に防止することにより、信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供することにある。

本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部の内側から外側に導出された配線導体と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして取着される形状記憶合金から成る蓋体とを具備することを特徴とするものである。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは好ましくは、前記蓋体は、室温において中央部が上側に凸のドーム状であることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体装置は、前記半導体素子収納用パッケージと、前記凹部に収容されて前記配線導体に電気的に接続された半導体素子とを具備しており、前記蓋体は、その下面の外周部が前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に取着されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上面に半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基体と、絶縁基体の凹部の内側から外側に導出された配線導体と、絶縁基体の上面に凹部を塞ぐようにして取着される形状記憶合金から成る蓋体とを具備するようにしたものであり、これによって、蓋体と絶縁基体とを接合して凹部を密閉し、半導体素子を封止するときに、密閉空間の凹部が減圧され、大気圧との圧力差に応じた圧力が蓋体に作用したとしても、形状記憶合金が元の形状（平板状等）に復元する力により蓋体が凹部側に変形するのを有効に防止することができる。

この結果、蓋体が凹部内に入り込むことはなく、蓋体とボンディングワイヤとの接触に起因するボンディングワイヤ間の電気的短絡の発生を有効に防止して、信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージが得られるようになる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、蓋体の全体構造を、室温において中央部が上側に凸のドーム状をなすように形成することにより、下向きに作用する力に対してより変形し難い形状となる。これにより、封止後、蓋体に下向きの圧力が作用した際の変形を確実に防止することができるようになり、より信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージが得られるようになる。

更に、本発明の半導体装置によれば、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、凹部に収容されて配線導体に電気的に接続された半導体素子とを具備しており、蓋体は、その下面の外周部が絶縁基体の上面の凹部の周囲に取着されていることから、蓋体が絶縁基体の凹部側へ変形するのを有効に防止することができ、半導体素子の電気的な接続信頼性に優れた半導体装置を得ることが可能となる。

本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置について実施の形態の例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、２は配線導体、３は半導体素子、４は半導体素子３の電極、５は蓋体、６は半導体素子３を絶縁基体１に接合し搭載するための接合材、７は蓋体５と絶縁基体１とを接合するための接合材、８はボンディングワイヤである。絶縁基体１の上面には凹部１ａが形成され、この凹部１ａに半導体素子３を収容し、蓋体５で凹部１ａを封止することにより半導体装置９が構成される。

絶縁基体１は、上面に凹部１ａが形成されている。この凹部１ａに半導体素子３が収容されて凹部１ａの底面に接合剤６により接合されて搭載される。半導体素子３は、半導体集積回路素子（ＩＣ）等であり、例えば上面に半導体回路が設けられており、また外周部には電源用や信号用等の電極４が設けられている。

このような絶縁基体１は、例えば、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウムセラミックス，炭化珪素セラミックス，窒化珪素セラミックス，ガラスセラミックス等のセラミックス、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂等の樹脂、樹脂とセラミックスとの複合材料等から成る。絶縁基体１は、平板状の底板部の上面の外周部に別体の枠状の側壁部が設けられて、上面の中央部に凹部が形成されている。または、絶縁基体１の底板部と側壁部とは一体的に形成されていてもよい。

なお、絶縁基体１は、例えば、アルミナ質焼結体から成り、底板部と側壁部とが一体焼成して形成されている場合、アルミナ，シリカ等の原料粉末を有機溶剤，樹脂バインダーとともにシート状に成形して複数のセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートという。）を作製するとともに、一部のものを枠状に打ち抜いて枠状のグリーンシートを作製し、その後、枠状のグリーンシートが上層に位置するようにしてグリーンシートを積層し、原料粉末の組成に応じて約１３００〜１６００℃の温度で焼成することにより形成される。底板部および側壁部は、１層のグリーンシートで形成されても、複数のグリーンシートが積層されて形成されてもよい。

また、凹部１ａの内側から外側には配線導体２が導出されており、凹部１ａの内側に露出した配線導体２と半導体素子３の電極４とがＡｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤ８で電気的に接続される。

凹部１ａの内側に露出した配線導体２に接続された半導体素子３の電極４は、配線導体２を介して凹部１ａの外側に導出され、この導出された部位が外部電気回路（図示せず）に半田等の接続材（図示せず）を介して接続されることにより、半導体素子３は、電極４、ボンディングワイヤ８および配線導体２を介して外部電気回路に電気的に接続される。

前記配線導体２は、タングステン，モリブデン，銅，銀等のメタライズ導体等により形成されており、例えば、絶縁基体１となるグリーンシートに必要に応じて予め所定のスルーホールを形成し、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属ペーストをグリーンシートの表面やスルーホールの内面に印刷塗布したり充填しておくことにより形成される。

一方、半導体素子３は絶縁基体１の凹部１ａの底面に載置され、樹脂接着剤，ろう材，低融点ガラス等から成る接合材６によって接着されており、上面の電極４と、配線導体２の凹部１ａの内側に露出している部分とは、Ａｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤ８により電気的に接続される。

なお、ボンディングワイヤ８は、その長さが０．３〜３ｍｍであることが好ましい。ここで、ボンディングワイヤ８の長さが０．３ｍｍ未満の場合、ボンディングワイヤ８が短すぎて十分なループを形成することが難しくなるため、半導体素子３の電極４と配線導体２とを確実に接続することが難しくなり、接続不良が生じやすくなる。また、３ｍｍを超える場合、ボンディングワイヤ８が長くなりすぎてループが不要に高くなる傾向があり、ボンディングワイヤ８に不要なインダクタンスが発生して高周波信号の伝送性が劣化しやすくなるとともにコスト高となる。

また、半導体素子３の電極４と配線導体２との接続は、ボンディングワイヤ８を介して行うものに限らず、いわゆるリボン等の帯状の接続線等を介して行なってもよい。

また、半導体素子３を凹部１ａ内に収容した絶縁基体１の上面には、蓋体５が凹部１ａの開口部を塞ぐようにして取着されており、これによって絶縁基体１の凹部１ａと蓋体５とから成る容器の内部に半導体素子３を気密封止した半導体装置を構成している。

ここで、蓋体５は形状記憶合金により形成されているため、蓋体５が凹部１ａ側へ突出した形に変形して凹部１ａ内に入り込むのを有効に防止することができる。

すなわち、蓋体５と絶縁基体１とを接合して凹部１ａを密閉し、半導体素子３を封止するときに、密閉空間の凹部１ａが減圧され、大気圧との圧力差に応じた圧力が蓋体５に作用したとしても、形状記憶合金が元の形状（平板状等）に復元する力により蓋体５が凹部側に変形するのを有効に防止することができる。

その結果、蓋体５が凹部１ａに入り込むことはなく、蓋体５とボンディングワイヤ８との接触に起因するボンディングワイヤ８間の電気的短絡を有効に防止されるため、信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージが得られる。

このような蓋体５を形成する形状記憶合金としては、Ｔｉ−Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系、Ａｇ−Ｃｄ系、Ａｕ−Ｃｄ系、Ｃｕ−Ａｕ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｔｌ系、Ｉｎ−Ｃｄ系、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ系の各種の形状記憶合金が用いられる。例えばＴｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金の場合、Ｎｉ含有率が５６ｗｔ％で４２０℃で熱処理すると形状回復温度が５０〜６０℃、４８０℃で熱処理すると形状回復温度が３０〜４０℃で設計できる。

また、蓋体５の表面には、ＮｉおよびＡｕのメッキ層を形成させてもよい。

蓋体５は、凹部１ａを塞いで気密封止することができるような形状、寸法を有し、例えば、凹部１ａが平面視で四角形状であれば、外形形状が凹部１ａよりも少し大きな四角板状に形成され、かかる蓋体５を絶縁基体１に対して取着させるには、例えば、蓋体５の片面の外周部に、絶縁基体の上面の凹部１ａを取り囲む部位（封止エリア）に接合材７を形成しておき、この接合材を介して蓋体５の下面と絶縁基体１の上面とを接合することにより行なわれる。

前記接合材７は、主にＡｕＳｎ等の半田材をシールエリアに応じた枠状に成形したもの（いわゆるプリフォーム）が蓋体５の下面の外周に形成されている。

また、上述した蓋体５は、室温において中央部が上側に凸のドーム状であることが好ましい。

この場合、蓋体５が下向きに作用する力に対してより変形し難い形状となり、封止後,
蓋体５に下向きの圧力が作用したとしても、変形はより確実に防止され、半導体素子の電極と絶縁基体の配線導体とを電気的に接続しているボンディングワイヤと接触してボンディングワイヤへダメージを与えることがない。これにより、半導体素子と外部回路装置への電気信号の送受信に不具合を発生させることはなく、より信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージが得られるようになる。

なお、凸状の具体的寸法としては、蓋体５が２０ｍｍ角の場合、断面におけるドーム状の部分の突き出し寸法を０．５〜２ｍｍ、蓋体５が３０ｍｍ角の場合、断面におけるドーム状の部分の突き出し寸法を２〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。

また、蓋体５の中央部が上側に凸のドーム状に形成する場合、その全体にわたり厚みを等しくしておくことが好ましい。

上述した半導体装置９は、電子機器関連の部品として使用され、例えば、外部電気回路基板の所定位置に実装され、外部より受信した信号を半導体装置内で処理し、その電気信号を光学機器や電子機器を構成する外部電気回路基板の電気回路に供給する。

このように、本形態の半導体装置９によれば、絶縁基体１と蓋体５とから成る密閉空間の気密性が良好に確保されるとともに、蓋体５の形状が、室温において中央部が上側に凸のドーム状であることから、半導体素子３の電極４と配線導体２との接続するボンディングワイヤ８が、蓋体５と接触および変形することなく、半導体素子３に電気的信号を長期にわたって正常に送信・受信させることができ、正常な電気信号を外部の機器や素子などに送ることが可能な、信頼性に優れた半導体装置９を得ることができる。

なお、本発明は上記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内であれば種々の変更は可能である。

本発明の一実施形態に係る半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
２・・・配線導体
３・・・半導体素子
４・・・電極
５・・・蓋体
６・・・接合材
７・・・接合材
８・・・ボンディングワイヤ
９・・・半導体装置

Claims (3)

1. 上面に半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部の内側から外側に導出された配線導体と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして取着される形状記憶合金から成る蓋体とを具備することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
2. 前記蓋体は、室温において中央部が上側に凸のドーム状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１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージと、前記凹部に収容されて前記配線導体に電気的に接続された半導体素子とを具備しており、前記蓋体は、その下面の外周部が前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に取着されていることを特徴とする半導体装置。

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