JP2014207388A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】反りや歪みが少なく、かつ製造工程を複雑化せずに部材間に安定した接合層が形成された、良好な気密性を有する半導体パッケージを得る。【解決手段】半導体パッケージを構成する部材間の接合に際し、錫等の低融点金属と銅とを含有する接合層を用いることによって、部材の反りや歪みの発生を抑えた温度範囲で接合し、接合後には高融点を得るとともに、各接合層の接合面となる各部材の該当面をいずれも平行な面になるように各部材を構成することによって、各接合層の厚さ方向をすべて同じ方向に揃え、接合層を形成する際の加圧方向を、各部材を積層した方向の一方向としている。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置等を収容する半導体パッケージに関する。

半導体素子や、その周辺回路等を含んだ半導体装置は、実装や放熱等を考慮して、例えば半導体パッケージの内部に収容し、気密封止して使用されることが多い。半導体装置を半導体パッケージの内部に収容するにあたっては、半導体装置を半導体パッケージの基板にボンディング等によって固着する。

このため、この種の半導体パッケージにおいては、半導体装置をボンディングする際の温度や半導体装置の動作時の温度に対しても、構造的に十分に安定であることが必要になることから、半導体パッケージを組み上げる際は、融点の高い（例えば、７８０℃以上）銀ろう等を用いて各部材を接合するなど、半導体装置のボンディング時、あるいは半導体装置の動作時の温度よりも十分に高い温度で部材間を接合する。

しかし、銀ろう等を用いた場合は、高温下で組み立てを行うことになるため、素材の異なる部材間における線膨張係数の違い等に起因する反りや歪みを生じることがあり、半導体パッケージとしての機能が低下していた。

特開２００６−１３２４１号公報（第１０ページ、図１） 特開２００５−３２８３４号公報（第１１ページ、図１）

そこで本願出願人は、特願２０１１−２３５３８５により、この課題に対処するための提案を行った。この特願２０１１−２３５３８５に開示された技術によれば、銀ろう付けよりも低温（例えば、２５０〜３００℃程度）の接合工程により、半導体パッケージの各部材間を接合でき、しかも接合後は、銀ろうに匹敵する（例えば、７５０℃程度）融点を持った接合層が形成されるという、優れた技術である。

ただし、接合工程中は、安定した接合層が形成されるように、接合層を挟んで部材間を加圧する必要がある。しかし、接合部毎に異なる複数の方向から同時に加圧することは、工程的に困難であり、また接合工程をより複雑化する。このため、同一の方向（一方向）への加圧によって、部材間を接合するすべての接合層を形成できることが求められていた。なお、このときに形成される接合層は、いずれもその厚さ方向が同一の方向（加圧の方向）に形成されることになる。このように、半導体パッケージの部材間を接合するにあたって、一方向への加圧によってすべての接合層が形成される形状、及び構造の半導体パッケージが望まれていた。

本実施の形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、反りや歪みが少なく、製造工程を複雑化せずに安定した接合層を形成して良好な気密性を維持する半導体パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の半導体パッケージは、上面に半導体装置が固着される固着領域を有する平板状の基板と、平面状の上下２層のセラミック枠からなり、下層のセラミック枠の上面には端子となる配線パターンが形成され、上層のセラミック枠のうち、前記配線パターンの両端に該当する部分は前記下層のセラミック枠よりもその枠幅を細くすることにより前記配線パターンの両端を側壁に露出させて端子を兼ねた形状の側壁とするとともに、前記固着領域を囲み前記基板上面に積層されて一方の開口面が第１の接合層を介して前記基板上面に接合されたセラミック枠体と、前記セラミック枠体の他方の開口面における枠体の形状に対応した形状を有し、前記セラミック枠体の他方の開口面に積層されて第２の接合層を介してこのセラミック枠体に接合されたメタルリングと、前記配線パターン上に積層されて第３の接合層を介してこの配線パターンに接合されたリードとを備え、前記第１の接合層、前記第２の接合層、及び前記第３の接合層は、その組成として錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１つの金属と、銅（Ｃｕ）とを含み、前記接合層の厚さ方向の両端となる対向する２面の接合面のどちらか一方の面に向けて前記金属の含有量が減少し、同方向に前記銅の含有量が増加することを特徴とする。

本実施形態に係る半導体パッケージの一実施例の外観を示す斜視図。 図１に例示した半導体パッケージの分解斜視図。 図１に例示した半導体パッケージのＩａ−Ｉｂでの断面をモデル化して示す断面図。 図１に例示した半導体パッケージのセラミック枠体の構造の一例を示す分解斜視図。

以下に、本実施形態に係る半導体パッケージを実施するための最良の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体パッケージの一実施例の外観を示す斜視図であり、図２は、その分解斜視図である。また、図３は、図１のＩａ−Ｉｂに沿った断面をモデル化して示す断面図である。この半導体パッケージ１は、これらの図に示したように、基板１１、配線パターン１３が形成されたセラミック枠体１２、メタルリング１４、及び配線パターン１３に接合されるリード１５を備えている。

そして、基板１１とセラミック枠体１２とは接合層１６ａにより接合され、セラミック枠体１２とメタルリング１４とは接合層１６ｂにより接合され、配線パターン１３とリード１５とは接合層１６ｃにより接合されて、半導体パッケージとして一体化されている。また、各接合層１６（１６ａ、１６ｂ、及び１６ｃ）は、その厚さ方向が同一方向に形成されている。本実施例では図３に例示したように、各接合層の厚さ方向は、いずれも紙面上での上下方向、すなわち各部材を積層した方向に形成されている。

基板１１は、例えば銅、あるいは銅合金により平板状に形成されており、その上面に半導体装置等が固着される固着領域１１ａを備えている。セラミック枠体１２は、この固着領域１１ａを囲む四角形の枠体形状を有しており、下側の開口面１２ａと上側の開口面１２ｂとは、互いに平行な平面をなしている。そして、固着領域１１ａを囲むように基板１１上に積層され、下側の開口面１２ａと基板１１との接触面を接合面として、接合層１６ａを介して基板１１と接合されている。

また、セラミック枠体１２の側壁には、枠体内外を貫通して２本の配線パターン１３（１３ａ、及び１３ｂ）が形成されている。これらの配線パターン１３は、ともに平行な開口面である下側の開口面１２ａ及び上側の開口面１２ｂと平行な面上に形成されており、その上側の開口面１２ｂ側の表面が露出するように形成されている。本実施例においては、セラミック枠体１２の対向する側壁をそれぞれ階段状に形成して、その階段面上に配線パターン１３を露出させている。

このような形状のセラミック枠体１２の形成法の一例を図４に示す。この図４に示した事例では、まず、上下に平行な開口面を有する２つの枠体として、セラミック製の下側枠体１２１、及び上側枠体１２２を形成する。これら２つの枠体は重ね合わせたときに下側枠体１２１の上面が階段面として露出するように、下側枠体１２１を幅広な形状にする。そして、下側枠体１２１の上面の内縁と外縁との間に２本の配線パターン１３ａ、及び１３ｂを形成後、上側枠体１２２を重ね合わせ、さらにこれらを焼成して一体化することによって、本実施例のセラミック枠体１２を得ることができる。

メタルリング１４は、セラミック枠体１２の上側の開口面１２ｂ側の枠体形状に対応した形状を有しており、例えば、鉄（Ｆｅ）にニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を配合した合金であるコバール材等が用いられる。そして、セラミック枠体１２の上側の開口面１２ｂ上に積層されて、接合層１６ｂを介してセラミック枠体１２と接合されている。このメタルリング１４は、セラミック枠体１２の上側の開口面１２ｂの表面の凹凸やうねりを吸収するので、例えばこの半導体パッケージ１に半導体装置等を収容後、さらにキャップ等（図示せず）を積層して封止する際に、その間の気密を良好に維持する。

２つのリード１５（１５ａ、及び１５ｂ）は、２本の配線パターン１３ａ、及び１３ｂのセラミック枠体１２から外側に露出した部位の表面に、接合層１６ｃを介して接合されている。これらのリード１５には、例えば銅やコバール材等が用いられ、この半導体パッケージ１に収容される半導体装置等に、配線パターン１３を介して信号を接続するための端子となる。

３つの接合層１６（１６ａ、１６ｂ、及び１６ｃ）は、いずれも銅と低融点金属としての錫とを含み、その組成は、各接合層の厚さ方向の両端となる対向する２面の接合面のうち、どちらか一方に向けて、錫の含有量が減少するとともに銅の含有量が増加して形成されている。本実施形態においては、このような組成の接合層１６を、例えば銅と錫の液相拡散により形成している。

銅と錫の液相拡散は、２５０℃〜３００℃の温度範囲で生じるので、銀ろうで接合する場合の温度（例えば７８０℃以上）よりも低い温度で接合層を形成することができる。このため、パッケージとして一体化した時に、反りや歪みの発生を抑えることができる。しかも、銅と錫の液相拡散により形成される化合物の融点は、例えば７５０℃程度であり、銀ろうによる接合に匹敵するので、半導体装置のボンディング温度や動作温度に対しても構造的に安定している。

各接合層１６を形成するにあたっては、例えば、まず接合対象の両部材等の接合面のどちらか一方にスパッタリング等により銅層を形成し、他方の接合面には同様にスパッタリング等で銅層、錫層の順に形成した上で、接合面同士を積層するように接触させ、加圧しながら必要な温度範囲（例えば２５０℃〜３００℃）に加熱する。そして、この状態を維持すると、低融点金属である錫が、しだいに層の厚さ方向に向かって銅層に拡散してゆく。さらに、この状態を所定時間継続することによって、所望の接合層を形成する。

このようにして形成された接合層１６中では、錫が拡散していった方向に対応する接合層の厚さ方向に、錫の含有量は次第に減少し、その分、逆に銅の含有量が増加する。また、錫層を挟むように両側に銅層を積層して接合層を形成することもでき、この場合には、低融点金属である錫はこれら両側の銅層に拡散してゆくので、その含有量は接合層の厚さ方向に向かって逆Ｖ字形に変化したものとなる。

また、低融点金属である錫が接合層の端面まで拡散していない場合や、接合面の部材自体が銅製で接合層としての銅層を兼ねる場合などは、接合後の接合層の両端面となる接合面は、銅層をなしている。さらに、接合面の酸化防止のために、接合対象の部材の接合面に、例えば保護層として、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）を用いた金属層を形成した上で上記した接合層１６を形成した場合には、接合層１６にはこれらの金属も含有される。なお、低融点金属としては、上記した錫以外に、インジウム（Ｉｎ）、または亜鉛（Ｚｎ）を用いても、同様に液相拡散による接合層を形成することができる。

上述のように構成された半導体パッケージ１は、基板１１、配線パターン１３が形成されたセラミック枠体１２、メタルリング１４、及びリード１５の各部材が、上記した組成の接合層１６によって接合され、半導体パッケージ１として一体化されている。各部材間を接合するにあたっては、対象の部材の接合面となる部位に、スパッタリング等の必要な処理を施した後に順次積層し、接合層を形成するために加圧・加温する。

ここで、従来の半導体パッケージ等においては、例えば、外形が四角形状をした信号接続用のフィードスルー部を基板上に設け、パッケージの内外を貫通させるために、本実施例のセラミック枠体１２に相当する枠体の側壁にフィードスルー部の外形に対応する切り欠きを設けた形状を採用した場合等では、基板上に枠体側壁と四角形状のフィードスルー部とを接合するための接合面が、フィードスルー部の周囲４面(上下及び両側面)に存在することになる。このため、上下面を接合するための接合層と２側面の接合層とでは、その厚さ方向が互いに直交する方向になるので、安定な接合層を形成するには、それぞれの層の厚さ方向となる、異なった方向からの加圧が必要となる。

これに対して、本実施例においては、半導体パッケージとして一体化するために各部材を積層した時に、３つの接合層１６の各接合面となる各部材の該当面が、互いに平行になるように各部材を構成しているので、３つの接合層１６（１６ａ、１６ｂ、及び１６ｃ）の厚さ方向はいずれも同じ方向となり、異なった厚さ方向となる接合層はない。このため、これらの接合層１６を形成するための加圧方向は、各部材を積層した方向、すなわち図３の断面図においては、紙面上で上から下方向に相当する方向の一方向でよい。従って、各部材間を接合する３つの接合層１６は、同一方向（部材の積層方向）の加圧によって形成することができる。

また、各接合層は、例えば２５０℃〜３００℃程度の温度範囲で形成できるので、各部材及び半導体パッケージに反りや歪み等を生じにくく、形成された接合層は、例えば７５０℃程度の融点を有するので、内部に半導体装置等を固着する際の温度や、半導体装置等の動作温度に対しても構造的に十分に安定なものとなっている。

以上説明したように、本実施例においては、各部材間を接合して半導体パッケージとして一体化する際に、錫等の低融点金属と銅とを含有する接合層を用いて各部材間を接合している。この接合層は、形成する際に加熱及び加圧を必要とするが、加熱温度については、例えば２５０℃〜３００℃程度とすることができるので、部材及び半導体パッケージの反りや歪み等の発生を低減することができる。また、加圧方向については、各接合層の厚さ方向がすべて同じ方向になるように各部材の接合面を構成しているので、いずれの接合層も各部材を積層した方向に加圧することで形成可能であり、製造工程を複雑にすることなく、各部材間を安定な接合層で接合することができる。さらに、この接合層は、例えば７５０℃程度の高い融点を有するので、パッケージ内に半導体装置等を固着する際の加熱温度や、動作中の半導体装置等からの発熱による温度上昇に対しても、構造的に十分な安定性を維持することができる。

これにより、反りや歪みが少なく、かつ製造工程を複雑化せずに部材間に安定した接合層が形成された、良好な気密性を有する半導体パッケージを得ることができる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 半導体パッケージ
１１ 基板
１２ セラミック枠体
１３ 配線パターン
１４ メタルリング
１５ リード
１６ 接合層

Claims (6)

1. 上面に半導体装置が固着される固着領域を有する平板状の基板と、
   平面状の上下２層のセラミック枠からなり、下層のセラミック枠の上面には端子となる配線パターンが形成され、上層のセラミック枠のうち、前記配線パターンの両端に該当する部分は前記下層のセラミック枠よりもその枠幅を細くすることにより前記配線パターンの両端を側壁に露出させて端子を兼ねた形状の側壁とするとともに、前記固着領域を囲み前記基板上面に積層されて一方の開口面が第１の接合層を介して前記基板上面に接合されたセラミック枠体と、
   前記セラミック枠体の他方の開口面における枠体の形状に対応した形状を有し、前記セラミック枠体の他方の開口面に積層されて第２の接合層を介してこのセラミック枠体に接合されたメタルリングと、
   前記配線パターン上に積層されて第３の接合層を介してこの配線パターンに接合されたリードとを備え、
   前記第１の接合層、前記第２の接合層、及び前記第３の接合層は、その組成として錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１つの金属と、銅（Ｃｕ）とを含み、前記接合層の厚さ方向の両端となる対向する２面の接合面のどちらか一方の面に向けて前記金属の含有量が減少し、同方向に前記銅の含有量が増加する
   ことを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記第１乃至第３の接合層における前記金属の含有量は、前記２面の接合面の両方に向けて減少し、前記銅の含有量は、前記２面の接合面の両方に向けて増加することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記接合層の２面の接合面は銅層をなしていることを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージ。
4. 前記接合層は、金（Ａｕ）及び白金（Ｐｔ）の少なくともいずれかを含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
5. 前記基板は銅、または銅合金からなり、前記メタルリングは鉄（Ｆｅ）にニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を配合した合金からなり、前記リードは銅、または鉄（Ｆｅ）にニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を配合した合金からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
6. 前記セラミック枠体の側面は階段状の外形を有し、前記配線パターンはこの階段面上に露出して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。

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