JP2012222331A - Semiconductor package - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高出力半導体素子用パッケージ、特にBGA(Ball Grid Array)実装するセラミックパッケージに関する。 The present invention relates to a package for a high-power semiconductor device, and more particularly to a ceramic package for mounting on a BGA (Ball Grid Array).
近年の半導体素子の高集積化、高機能化に伴い半導体パッケージは接続端子数が増加する傾向にある。一方で、電子機器の小型化により1つの半導体パッケージの占有できる面積は減少の一途である。これら相反する2つの要求を満たす実装方法の一つとして、BGA(Ball Grid Array)を用いた表面実装が用いられる。BGAは半導体パッケージと回路基板との接点にはんだボールを用いたものであり、接点の狭ピッチ化、多ピン化が容易であり、パッケージの小型化、接続距離の短縮による電気的特性の向上、接続距離のばらつき低減による電気的特性の向上という利点を持っている。 With the recent increase in integration and functionality of semiconductor devices, the number of connection terminals of semiconductor packages tends to increase. On the other hand, the area that can be occupied by one semiconductor package is steadily decreasing due to downsizing of electronic devices. As one of mounting methods that satisfy these two conflicting requirements, surface mounting using BGA (Ball Grid Array) is used. BGA uses solder balls for the contact between the semiconductor package and the circuit board, and it is easy to narrow the contact pitch and increase the number of pins. The package is downsized and the electrical characteristics are improved by shortening the connection distance. It has the advantage of improving electrical characteristics by reducing variation in connection distance.
通信信号の増幅に用いられるFET(電界効果トランジスタ)、さらにはFETを含むMMIC(モノリシックマイクロ波集積回路)には、GaAs(ガリウムヒ素)やGaN(ガリウムナイトライド)の化合物半導体が使用され、これら化合物半導体を実装する半導体パッケージには気密性が要求され、半導体素子搭載面には低い線膨張率が要求される。そのため通信分野の半導体パッケージは、ベース材料にKV(コバール)、CuW(銅タングステン)やCuMo(銅モリブデン)のような低線膨張材料を用いて、金属リングをロウ付けしたメタルパッケージ、さらにはベース材料にHTCCやLTCCのような多層セラミック基板を用いて金属リングをロウ付けしたセラミックパッケージが使用されることが多い。 FETs (Field Effect Transistors) used to amplify communication signals, and MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits) including FETs, use compound semiconductors such as GaAs (gallium arsenide) and GaN (gallium nitride). A semiconductor package on which a compound semiconductor is mounted requires airtightness, and a semiconductor element mounting surface requires a low coefficient of linear expansion. Therefore, the semiconductor package in the communication field is a metal package in which a metal ring is brazed using a low linear expansion material such as KV (Kovar), CuW (copper tungsten) or CuMo (copper molybdenum) as a base material, and further a base. A ceramic package in which a metal ring is brazed using a multilayer ceramic substrate such as HTCC or LTCC as a material is often used.
N2雰囲気化において、金属リング上に金属またはセラミックの蓋(リッド)をAuSnはんだ付けにより密着させる、或いは、金属の蓋(リッド)をシーム溶接により金属リングと溶接するなどの手法により気密性を確保し、パッケージ内部を水分や反応性ガスから保護することができる。BGAを用いる実装方式では、パッケージ下面にパッケージの端子が存在する必要があるため、多層セラミック基板をベース材に使用する。 In an N 2 atmosphere, the metal or ceramic lid (lid) is adhered to the metal ring by AuSn soldering, or the metal lid (lid) is welded to the metal ring by seam welding. It can be secured and the inside of the package can be protected from moisture and reactive gas. In the mounting method using BGA, since the package terminals need to be present on the lower surface of the package, a multilayer ceramic substrate is used as the base material.
また、半導体素子の高集積化、高出力化に伴い増幅素子等の高発熱素子は発熱量の増大、発熱密度の増大が顕著であり、温度上昇による半導体素子の破壊、素子出力の低下、寿命の低下を招く可能性があり、半導体パッケージの放熱特性の改善が要求されている。 In addition, with high integration and high output of semiconductor elements, high heat generation elements such as amplifier elements have a remarkable increase in heat generation and increase in heat generation density. There is a need to improve the heat dissipation characteristics of the semiconductor package.
従来、セラミックパッケージの熱抵抗を低減する方法として、多層セラミック基板を枠状にくり貫き、貫通部分に金属ブロックを配置してその上に半導体素子を搭載する構造が考えられている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a method for reducing the thermal resistance of a ceramic package, a structure in which a multilayer ceramic substrate is cut into a frame shape, a metal block is disposed in a penetrating portion, and a semiconductor element is mounted thereon (for example, a patent) Reference 1).
しかしながら、上記従来の技術によれば、伝熱経路にセラミックが介在することは避けられないため、放熱特性には限界があり、増幅器等出力の大きい素子への適用は難しかった。また、セラミック基板と金属ブロックの間に隙間がありセラミックパッケージを気密に保持することも困難であった。 However, according to the above-described conventional technique, it is inevitable that ceramic is interposed in the heat transfer path, so that there is a limit to the heat dissipation characteristics, and it has been difficult to apply to an element having a large output such as an amplifier. Further, there is a gap between the ceramic substrate and the metal block, and it is difficult to keep the ceramic package airtight.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気密構造の半導体パッケージにおいて素子から電子機器の冷却装置取付け面までの熱抵抗を低減させることが可能となり、結果として半導体素子のジャンクション温度を下げ、半導体素子出力低下、半導体素子の寿命低下を防ぐことができる半導体パッケージを得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a semiconductor package having an airtight structure, it is possible to reduce the thermal resistance from the element to the cooling device mounting surface of the electronic device. As a result, the junction temperature of the semiconductor element can be reduced. An object of the present invention is to obtain a semiconductor package that can reduce the output of the semiconductor element and the life of the semiconductor element.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体素子を直接上に搭載するヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの周囲側面と接触して前記半導体素子の気密性を保持する多層セラミック基板と、前記ヒートスプレッダを下から支え、前記多層セラミック基板の周囲側面と接触し前記多層セラミック基板とほぼ同等の線膨張係数を持つ金属ブロックと、前記多層セラミック基板および前記金属ブロックの下面に接合された複数のはんだボールとを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present invention provides a heat spreader on which a semiconductor element is directly mounted, and a multilayer ceramic substrate that keeps the airtightness of the semiconductor element in contact with the peripheral side surface of the heat spreader. And a metal block that supports the heat spreader from below, contacts a peripheral side surface of the multilayer ceramic substrate and has a linear expansion coefficient substantially equal to the multilayer ceramic substrate, and is bonded to the lower surface of the multilayer ceramic substrate and the metal block. And a plurality of solder balls.
本発明によれば、セラミック基板を用いたBGA実装構造を有する気密半導体パッケージであって、半導体素子の放熱特性を向上させた半導体パッケージを得るという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect of obtaining an airtight semiconductor package having a BGA mounting structure using a ceramic substrate and having improved heat dissipation characteristics of a semiconductor element.
以下に、本発明にかかる半導体パッケージの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a semiconductor package according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる半導体パッケージ100を示す断面図である。本実施の形態にかかる半導体パッケージ100は、多層セラミック基板1、ブロック15、ヒートスプレッダ4、枠状のリング2、リッド(金属蓋/セラミック蓋)3、はんだボール9を備える。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
半導体パッケージ100の気密性はヒートスプレッダ4の下部で保持されている。半導体素子5はヒートスプレッダ4の上に実装され、ヒートスプレッダ4とブロック15、ブロック15とはんだボール9(サーマルボール9a)はそれぞれ接続され、はんだボール9(サーマルボール9a)を介してプリント基板10へ接続される。半導体素子5はボンディングワイヤ6により多層セラミック基板1に接続されている。
The airtightness of the
ここで半導体パッケージ100に使用される多層セラミック基板1は、アルミナセラミックスを主成分とするHTCC(High Temperature Co−fired Ceramic)やガラスセラミックスを主成分とするLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramic)のような立体配線ができる積層セラミック基板であり、半導体素子5の配置位置は枠状に繰りぬかれて貫通している。また、枠状に貫通している周囲にキャビティと呼ばれる凹状形状部を備えており、その凹状形状部底面には全面に基板導体7が配置されているものとする。
Here, the multilayer ceramic substrate 1 used for the
ブロック15は多層セラミック基板1と線膨張係数がほぼ同等で熱伝導率が高い銅タングステン合金やアルミダイヤモンドコンポジット材を使用する。BGAの接続部寿命は多層セラミック基板1とプリント基板10との線膨張差が大きく関与することになるが、ブロック15と多層セラミック基板1の線膨張率を合わせることで、BGA接続部へ不均等に応力が発生することを抑えることができる。ブロック15の大きさについては、多層セラミック基板1の枠状に貫通している部分に収まる寸法とする。
The
ヒートスプレッダ4は半導体素子5の搭載に適するように、半導体素子5を構成する半導体材料と線膨張係数が近接しておりかつ熱伝導率の高い金属とする。多層セラミック基板1とヒートスプレッダ4の接合面にて、気密を確保するため、ヒートスプレッダ4の大きさについては多層セラミック基板1の凹状形状部と同等の寸法とする。
The
多層セラミック基板1とヒートスプレッダ4の間やブロック15とヒートスプレッダ4の間、リング2と多層セラミック基板1の間は接合材16(高温はんだやろう材)にて接合される。接合材16にて接合する際に半導体パッケージ100のはんだボール9の搭載面を基準面として昇温して組立てることで、ブロック15とヒートスプレッダ4の間はヒートスプレッダ/ブロック間接合部16aにより厚み方向の製造公差を吸収することができる。
The multilayer ceramic substrate 1 and the
また、多層セラミック基板1とヒートスプレッダ4の間に、接合材16からなるセラミック/ヒートスプレッダ間接合部16bの層を設けることで半導体パッケージの気密を確保することが可能となる。接合材16の供給は、印刷、塗布、ヒートスプレッダ4へのプリコートなど種類は問わない。しかし、段差があるため印刷は難しく、量産性を考えるとプリコートが望ましい。
Further, by providing a layer of the ceramic /
はんだボール9の取り付けに関しては、上記で平面が保たれた(はんだボール9の)搭載面に対してフラックスを印刷後、はんだボール9を搭載し、再び昇温する。この2度目の昇温温度は1度目の昇温温度より低いため、接合材16は溶けずにはんだボール9が溶ける。これにより、はんだボール9の搭載面のブロック15および多層セラミック基板1の基板導体7にはんだボール9が接合される。特にブロック15に接合されるはんだボール9は信号の接続には用いられず、専ら熱伝導に使用されるためサーマルボール9aと呼ぶ。
Regarding the mounting of the
その後、ヒートスプレッダ4の上に半導体素子5を接着/接合する。さらに、枠状のリング2に薄い金属でできたリッド(蓋)3をAuSn封止やシーム溶接といった手段を用いて、真空下で封止もしくは窒素雰囲気で封止し気密パッケージとする。
Thereafter, the
プリント基板10には、サーマルボール9aが接続するパッドに基板表面上で放熱面積を拡大させるサーマルパッド11を配置し、サーマルパッド11にはプリント基板10の厚み方向の熱伝導をよくするため、可能な限りのサーマルビア12が配置される。そのプリント基板10上にはんだを印刷により供給し上述した封止済の半導体パッケージ100を搭載し再び温度を上げることで、半導体パッケージ100がプリント基板10の上に実装される。
The printed
特許文献1に記載の発明の実施の形態1をBGA実装構造に適用すれば、図3に示したようになり、セラミック上に半導体素子5を搭載する場合に比べて、半導体素子5から冷却装置13までの熱抵抗を削減することができる。しかし、伝熱経路にセラミックが介在することは避けられないため、放熱特性には限界があり、増幅器等出力の大きい素子への適用は難しい。
When the first embodiment of the invention described in Patent Document 1 is applied to a BGA mounting structure, it becomes as shown in FIG. 3, and the cooling device from the
また、特許文献1に記載の発明の実施の形態2または実施の形態3によれば、セラミック基板と金属ブロックがともに金属製のキャリア上に配置されるため、BGA実装をするセラミックパッケージに適用することができない。また、この方法ではセラミック基板と金属ブロックの間に隙間がありセラミックパッケージを気密に保持することも困難である。 Further, according to the second or third embodiment of the invention described in Patent Document 1, since both the ceramic substrate and the metal block are arranged on the metal carrier, the invention is applied to a ceramic package for BGA mounting. I can't. In this method, there is a gap between the ceramic substrate and the metal block, and it is difficult to keep the ceramic package airtight.
本実施の形態にかかる半導体パッケージ100においては、半導体素子5が動作する際に発生した熱は半導体素子5の下のヒートスプレッダ4に伝熱し、そこで伝熱面積が拡大する。ヒートスプレッダ4の熱は一部多層セラミック基板1に伝わるが、大半はブロック15を伝熱してはんだボール9(サーマルボール9a)からプリント基板10へと伝熱される。即ち、熱伝導の悪い多層セラミック基板1を除いてプリント基板10へ伝熱することが可能となる。プリント基板10では、サーマルパッド11やサーマルビア12を介して冷却装置13へ伝熱することにより、半導体パッケージ100の半導体素子5から冷却装置13までの熱抵抗を低減して放熱性を確保することが可能となる。
In the
実施の形態2.
図2は、実施の形態2にかかる高放熱な半導体パッケージ200を示す断面図である。本実施の形態にかかる半導体パッケージ200は、多層セラミック基板1、ブロック15、ヒートスプレッダ4、枠状のリング2、リッド(金属蓋/セラミック蓋)3、はんだボール9を備える。
FIG. 2 is a sectional view showing a
半導体パッケージ200の気密性は半導体パッケージ200下部のヒートスプレッダ4の上面で保持されている。半導体素子5は、ヒートスプレッダ4の上に実装されているブロック15の上に実装される。ヒートスプレッダ4の下部には直接はんだボール9(サーマルボール9a)が接続され、はんだボール9(サーマルボール9a)を介してプリント基板10へ接続される。半導体素子5はボンディングワイヤ6により多層セラミック基板1に接続されている。
The airtightness of the
先に説明した実施の形態1においては半導体素子5より大きい面積のヒートスプレッダ4と多層セラミック基板1の貫通部分より小さい面積のブロック15の組み合わせにより熱抵抗をさげている。この場合、大きい面積のヒートスプレッダ4を採用するため、半導体素子5と多層セラミック基板1の接続距離が長くなり、場合によってはアルミナセラミックの中継基板を用いることが必要となる。そのため、電気的には好ましくない場合がある。また、小さい面積のブロック15では、サーマルボール9aの数が十分ではなく、熱抵抗の低減が限定的となってしまう。
In the first embodiment described above, the thermal resistance is reduced by the combination of the
そこで、実施の形態2においては、半導体素子5をブロック15に接合し、多層セラミック基板1の裏面にヒートスプレッダ4を配置した半導体パッケージ200のようにすることで、上記した問題を克服することができる。ただし、サーマルボール9aが増加する分相対的に半導体パッケージ200の裏面のセラミック部分面積が減少するため、接続できる配線数は減少してしまう。
Therefore, in the second embodiment, the
ここで半導体パッケージ200に使用される多層セラミック基板1は、実施の形態1で示したものと同様な材料を使用しているが、枠状に貫通している周囲にキャビティと呼ばれる凹状形状部を基板裏側に備えており、その凹状形状部底面には全面に基板導体7が配置されているものとする。
Here, the multilayer ceramic substrate 1 used for the
ブロック15およびヒートスプレッダ4については、実施の形態1で説明した材料および適合をとる対象の組合せが逆となり、ブロック15は半導体素子5の搭載に適するように、半導体素子5を構成すると線膨張係数が近接しており、かつ熱伝導率の高い金属とする。大きさについては、多層セラミック基板1の枠状に貫通している部分と同等の寸法とする。
For the
ヒートスプレッダ4は多層セラミック基板1と線膨張係数がほぼ同等で熱伝導率が高い銅タングステン合金やアルミダイヤモンドコンポジット材を使用し、BGAの接続部寿命を考慮するとともに、ヒートスプレッダ4と多層セラミック基板1の線膨張率を合わせることでパッケージの気密保持部分についての信頼性も確保するものとする。大きさは上記したブロック15より一回り大きく、多層セラミック基板1の凹状形状部と同等の寸法とし、気密保持部分を設けるとともに、接続配線数を確保できる大きさに留める必要がある。
The
多層セラミック基板1とヒートスプレッダ4の間やブロック15とヒートスプレッダ4の間、リング2と多層セラミック基板1の間は接合材16(高温はんだやろう材)にて接合される。ヒートスプレッダ4にはあらかじめ接合材16をプリコートしておき、セラミック基板1とブロック15を乗せる。半導体パッケージ200のはんだボール9の搭載面を基準面として昇温して組立てることで、ブロック15とヒートスプレッダ4の間はヒートスプレッダ/ブロック間接合部16aにより厚み方向の製造公差を吸収することができる。
The multilayer ceramic substrate 1 and the
また、多層セラミック基板1とヒートスプレッダ4の間に、接合材16からなるセラミック/ヒートスプレッダ間接合部16bの層を設けることで半導体パッケージ200の気密を確保することが可能となる。接合材16の供給は、印刷、塗布、ヒートスプレッダ4へのプリコートなど種類は問わない。しかし、段差があるため印刷は難しく、量産性を考えるとプリコートが望ましい。
Further, by providing a layer of the ceramic / heat spreader
はんだボール9の取り付けに関しては、上記で平面が保たれた(はんだボール9の)搭載面に対してフラックスを印刷後、はんだボール9を搭載し、再び昇温する。この2度目の昇温温度は1度目の昇温温度より低いため、接合材16は溶けずにはんだボール9が溶ける。これにより、はんだボール9の搭載面のヒートスプレッダ4および多層セラミック基板1の基板導体7にはんだボール9が接合される。特にヒートスプレッダ4に接合されるはんだボール9は信号の接続には用いられず、専ら熱伝導に使用されるためサーマルボール9aと呼ぶ。その後のプリント基板10への実装工程などは実施の形態1で説明したのと同様である。
Regarding the mounting of the
本実施の形態にかかる半導体パッケージ200においては、半導体素子5が動作する際に発生した熱は半導体素子5の下のブロック15を介して、ヒートスプレッダ4に伝熱する。ヒートスプレッダ4で伝熱面積が拡大され、実施の形態1より数の多いはんだボール9(サーマルボール9a)からプリント基板10へと伝熱される。即ち、熱伝導の悪い多層セラミック基板1を除いてより放熱性を高めてプリント基板10へ伝熱することが可能となる。プリント基板10では、サーマルパッド11やサーマルビア12により冷却装置13へ伝熱することにより、半導体パッケージ200の半導体素子5から冷却装置13までの熱抵抗を低減して放熱性を確保することが可能となる。
In the
更に、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent requirements.
例えば、上記実施の形態1または2それぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態1または2にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。 For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the first or second embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the column of the effect of the invention. When the effects described in (1) are obtained, a configuration in which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention. Furthermore, the structural requirements over the first or second embodiment may be combined as appropriate.
以上のように、本発明にかかる半導体パッケージは、気密構造を有する半導体パッケージのBGA実装に有用であり、特に、半導体素子からの放熱性を確保できる半導体パッケージに適している。 As described above, the semiconductor package according to the present invention is useful for BGA mounting of a semiconductor package having an airtight structure, and is particularly suitable for a semiconductor package that can ensure heat dissipation from a semiconductor element.
1 多層セラミック基板
2 リング
3 リッド(金属蓋/セラミック蓋)
4 ヒートスプレッダ
5 半導体素子
6 ボンディングワイヤ
7 基板導体
8 サーマルビア
9 はんだボール
9a サーマルボール
10 プリント基板
11 サーマルパッド
12 サーマルビア
13 冷却装置
15 ブロック
16 接合材
16a ヒートスプレッダ/ブロック間接合部
16b セラミック/ヒートスプレッダ間接合部
100、200 半導体パッケージ
1 multilayer
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ヒートスプレッダの周囲側面と接触して前記半導体素子の気密性を保持する多層セラミック基板と、
前記ヒートスプレッダを下から支え、前記多層セラミック基板の周囲側面と接触し前記多層セラミック基板とほぼ同等の線膨張係数を持つ金属ブロックと、
前記多層セラミック基板および前記金属ブロックの下面に接合された複数のはんだボールと、
を備えたことを特徴とする半導体パッケージ。 A heat spreader that directly mounts a semiconductor element;
A multilayer ceramic substrate that is in contact with a peripheral side surface of the heat spreader and maintains the airtightness of the semiconductor element;
A metal block that supports the heat spreader from below, contacts a peripheral side surface of the multilayer ceramic substrate, and has a linear expansion coefficient substantially equal to the multilayer ceramic substrate;
A plurality of solder balls joined to the lower surface of the multilayer ceramic substrate and the metal block;
A semiconductor package comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージ。 The semiconductor package according to claim 1, wherein a linear expansion coefficient of the heat spreader is substantially equal to a linear expansion coefficient of a semiconductor material constituting the semiconductor element.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体パッケージ。 The semiconductor package according to claim 1, wherein the metal block is a copper tungsten alloy or an aluminum diamond composite material.
前記金属ブロックの周囲側面を囲む多層セラミック基板と、
前記金属ブロックを下から支え、前記多層セラミック基板の周囲側面と接触して前記半導体素子の気密性を保持し、前記多層セラミック基板とほぼ同等の線膨張係数を持つヒートスプレッダと、
前記多層セラミック基板および前記ヒートスプレッダの下面に接合された複数のはんだボールと、
を備えたことを特徴とする半導体パッケージ。 A metal block on which a semiconductor element is directly mounted;
A multilayer ceramic substrate surrounding a peripheral side surface of the metal block;
A heat spreader that supports the metal block from below, maintains the airtightness of the semiconductor element in contact with the peripheral side surface of the multilayer ceramic substrate, and has a linear expansion coefficient substantially equal to the multilayer ceramic substrate;
A plurality of solder balls bonded to the lower surface of the multilayer ceramic substrate and the heat spreader;
A semiconductor package comprising:
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体パッケージ。 The semiconductor package according to claim 4, wherein a linear expansion coefficient of the metal block is substantially equal to a linear expansion coefficient of a semiconductor material constituting the semiconductor element.
ことを特徴とする請求項4または5に記載の半導体パッケージ。 The semiconductor package according to claim 4, wherein the heat spreader is a copper tungsten alloy or an aluminum diamond composite material.
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