JP2015170684A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＢＧＡ実装構造を有する半導体パッケージにおいて、気密信頼性が高く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を提供する。
【解決手段】 半導体素子と、上記半導体素子の実装されたヒートスプレッダと、上記ヒートスプレッダの搭載された凹部、当該サーマルビアに接続された放熱基板、及び当該放熱基板に接続されたはんだボールを有した多層セラミック基板と、多層セラミック基板の上面を気密封止する封止蓋を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を実装したセラミック基板を、別の回路基板にＢＧＡ（Ball Grid Array）実装した半導体パッケージに関するものである。

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複数の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、接点における半導体パッケージと回路基板の接続距離の短縮化及び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。

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）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）等の化合物半導体が使用される。

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、メタルパッケージ、セラミックパッケージが用いられることが多い。メタルパッケージは、ベース材料に鉄ニッケルコバルト合金，ＣｕＷ（銅タングステン）合金，ＣｕＭｏ（銅モリブデン）合金のような低線膨張材料を用いて、金属リングをろう付けして形成される。セラミックパッケージは、ベース材料にＨＴＣＣ，ＬＴＣＣのようなセラミック多層基板を用いて、金属リングをろう付けして形成される。

メタルパッケージ及びセラミックパッケージは、窒素（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か、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かして気密性を確保し、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。また、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導体端子を設ける必要があるため、セラミック多層基板をベース材に使用したセラミックパッケージからなるセラミックＢＧＡパッケージを用いる。

また、半導体素子の高集積化、高出力化に伴い、増幅素子のような高発熱素子は発熱量の増大、発熱密度の増大が顕著となる。このため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望まれている。

従来、このセラミックＢＧＡパッケージの熱抵抗を低減する方法として、セラミック多層基板の中央部を枠状にくり貫き、くり抜いた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した半導体パッケージが開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−２２２３３１号公報

しかしながら、特許文献１に示す半導体パッケージは、セラミック多層基板を枠状にくり貫いて金属ブロックを嵌め込み、ろう付けする。この嵌め込み部分の構造は複雑であり、またこの嵌め込み部分において、半導体パッケージに必要となる気密構造を実現することは困難を要し、かつその製造に費用を要するという問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、半導体素子から半導体パッケージにおける外部装置の取り付け面までの熱抵抗を低減するとともに、気密構造を有した簡素な半導体パッケージを得ることを目的とする。

この発明による半導体パッケージは、半導体素子と、上記半導体素子の実装されたヒートスプレッダと、上記ヒートスプレッダの搭載された凹部、上記ヒートスプレッダに接続されて気密封止されたサーマルビア、当該サーマルビアに接続された放熱基板、及び当該放熱基板に接続されたはんだボールを有した多層セラミック基板と、多層セラミック基板の上面を気密封止する封止蓋とを備えたものである。

この発明によれば、気密構造を確保したまま、半導体素子から半導体パッケージにおける外部装置の取り付け面までの熱抵抗を低減することができ、より高い放熱性を有した半導体パッケージを得ることができる。

実施の形態１による半導体パッケージの構成を示す断面図である。 従来の半導体パッケージの構成を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による半導体パッケージの構成を示す断面図である。実施の形態１による半導体パッケージ１００は、多層セラミック基板１と、金属リング２と、蓋３と、ヒートスプレッダ４と、半導体素子５と、放熱基板１７と、はんだボール９から構成される。半導体パッケージ１００は、複数のはんだボール９を介してプリント基板１０に接合され、ＢＧＡ実装がなされる。半導体パッケージ１００とプリント基板１０の接合体は、冷却装置１４の上面に載置される。プリント基板１０は、内層導体１３及びサーマルビア１２が形成されている。また、冷却装置１４は、外部雰囲気、外部空間または外部装置に熱的に接触する。または内部流路を有し、外部装置との間を流動する冷媒が封入されている。なお、金属リング２と蓋３を合せて封止蓋と称する。

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）、ガラスセラミックスを主成分とするＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）のように、複数のセラミック層が積層されて内層回路と表層回路及び内層に設けられた導体ビアにより、立体配線ができる積層セラミック基板である。多層セラミック基板１の上表面は、枠状かつ凹状に繰り抜いた凹部２０が形成されている。多層セラミック基板１の凹部２０の底面上に、ヒートスプレッダ４が載っている。凹部２０の内側面寸法は、ヒートスプレッダ４の実装用にヒートスプレッダ４の外形寸法より僅かに大きい同等の寸法となっている。

複数の半導体素子５は、ヒートスプレッダ４の上に載せられて、実装されている。半導体素子５は増幅器を有し、動作の際、熱を発生する。ヒートスプレッダ４は、半導体素子５の直下の放熱性を向上する。ヒートスプレッダ４は、半導体素子５の搭載に適した半導体材料と線膨張が近接し、かつ熱伝導率の高い金属としており、例えば銅タングステン等が用いられる。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の上面に接続される。

多層セラミック基板１の最上表面に、枠形状の金属リング２が接合されている。蓋３は薄い金属で形成される。蓋３は、金属リング２の上面に接合されている。半導体素子５は、金属リング２の内側と蓋３の下面と多層セラミック基板１の上面により囲まれた空間４０内で、気密を確保した気密封止済の状態で収納される。

放熱基板１７は多層セラミック基板１の下層に接合される。放熱基板１７は、多層セラミック基板１と電気的及び熱的に接続される。放熱基板１７は、上面に多層セラミック基板１の下層パターンと電気的及び構造的な接続が可能なパターンを形成し、下面にははんだボールを実装することが可能なパターンを配置している。放熱基板１７は、多層セラミック基板１と同等か、それより大きい線膨張係数を有して、熱伝導率が非常に高い基板材料であることが求められる。放熱基板１７は、例えば窒化アルミ基板を用いると良い。

多層セラミック基板１は、ヒートスプレッダ４の直下領域の内層にサーマルビア８が形成されている。ヒートスプレッダ４は、サーマルビア８の上端に接続される。また、サーマルビア８の下端は、放熱基板１７の上面に接続される。これにより、ヒートスプレッダ４と放熱基板１７は、サーマルビア８により熱的に接続される。

多層セラミック基板１とヒートスプレッダ４の間、多層セラミック基板１と放熱基板１７の間、及び金属リング２と多層セラミック基板１の間は、接合材１６により接合される。接合材１６は、高温はんだ、ろう材、またはサブミクロン貴金属材が用いられる。接合材１６は、多層セラミック基板１、ヒートスプレッダ４、放熱基板１７、及び金属リング２を第１の温度に昇温した後に、印刷、塗布、ヒートスプレッダ４へのプリコート等によって供給され、その供給形態の種類は問わない。ただし、多層セラミック基板１と放熱基板１７を接合する際、多層セラミック基板１の下層パターンと放熱基板１７の上層パターンの位置が整合し、かつそれぞれのパターンの導体端子が接触した状態で接合される。

ＢＧＡ実装時の多層セラミック基板１へのはんだボール９の取り付けは、次のように行われる。
（１）まず、多層セラミック基板１と接合している放熱基板１７上にフラックスを印刷後、はんだボール９を搭載する。
（２）次に、多層セラミック基板１と接合している放熱基板１７を第２の温度に昇温し、はんだボール９の搭載面における放熱基板１７の導体端子（導体パッド）に、はんだボール９が接合される。この昇温時の第２の温度は前回昇温した上記第１の温度よりも低いため、接合材は溶けずにはんだボールは溶ける。
（３）その後、多層セラミック基板１の上にヒートスプレッダ４及び半導体素子５を接着または接合し、蓋３をＡｕＳｎ封止、シーム溶接等の手段を用いて金属リング２に接合する。このとき、真空下で封止もしくは窒素（Ｎ２）雰囲気で封止することで、気密パッケージとする。

プリント基板１０は、はんだボール９の一部を接続する導体パッドが形成されている。また、プリント基板１０は、はんだボール９の他部を接続するサーマルパッド１１が形成されている。サーマルパッド１１は、基板表面上における電気的な接続に制約された範囲において、放熱面積を拡大させる。サーマルパッド１１は、プリント基板１０の厚み方向の熱伝導を良くするため、その直下に可能な限りの複数のサーマルビア１２が配置され、接続されている。プリント基板１０上にはんだを印刷により供給し、前述した気密封止済の半導体パッケージ１００を搭載した後、半導体パッケージ１００の温度を上げることで、半導体パッケージ１００がプリント基板上に実装される。プリント基板１０は、ねじ結合、または熱伝導性接着剤による接着によって、冷却装置１４に結合され、熱的に接続される。このとき、プリント基板１０と冷却装置１４の間には、熱伝導樹脂シート、熱伝導性接着剤等が介在して、熱伝導効率を高めている。

次に、実施の形態１による半導体パッケージ１００の放熱作用を説明する。
ヒートスプレッダ４上に実装された半導体素子５は、ヒートスプレッダ４、サーマルビア８、放熱基板１７、及びはんだボール９を介して熱的に接続され、プリント基板１０上へ実装される。また、はんだボール９は、プリント基板１０のサーマルパッド１１及びサーマルビア１２を介して冷却装置１４に熱的に接続される。

半導体素子５が動作する際に発生した熱は、半導体素子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、サーマルビア８を主としてセラミック多層基板１に伝わる。その後、セラミック多層基板１、接合材１６を経由し、放熱基板１１に伝熱する。はんだボール９部分の熱抵抗は大きいため、放熱基板１１層で伝熱面積は最大に拡大したのち、はんだボール９からプリント基板１０へと伝熱される。

また、プリント基板１０では、サーマルパッド１１、サーマルビア１２により冷却装置１４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１４までの熱抵抗を低減することが可能となる。

かくして、実施の形態１による半導体パッケージは、半導体素子５が発熱すると、その熱が半導体素子５の発熱部からヒートスプレッダ４に伝熱し、伝熱面積を拡大する。その後、その熱はセラミック多層基板１及び放熱基板１７を通じて、はんだボール部９に伝わることになる。その際、はんだボール部９は熱抵抗が高いため、はんだボール部９より冷却面から遠い箇所に熱伝導率の高いヒートスプレッダ４を設置することにより、半導体素子５の放熱面積を広げることができるので、全てのはんだボール９を放熱パスとして使用することが可能となる。これにより、半導体パッケージ全体での熱抵抗を下げることができ、半導体パッケージの放熱性を確保することが可能となる。

図２は、比較例として、特許文献１に示す従来の半導体パッケージ２００の構造を示す断面図である。
図２において、半導体パッケージ２００は、多層セラミック基板５０と、金属リング２と、蓋３と、ヒートスプレッダ４と、半導体素子５と、はんだボール９と、金属ブロック１５から構成されており、金属リング２と、蓋３と、ヒートスプレッダ４と、半導体素子５と、はんだボール９は図１で説明した半導体パッケージ１００と同様の構成になっている。また、プリント基板１０は、サーマルパッド１１、内層導体１３及びサーマルビア１２が形成されており、図１で説明した半導体パッケージ１００と同様の構成となっている。

図２において、半導体パッケージ２００の金属ブロック１５は、多層セラミック基板５０の中央部の貫通穴３０に挿入され、嵌め込まれている。ここで、貫通穴３０の上部は、接合材１６を介してヒートスプレッダ４に接続されている。ただし、貫通穴３０の上部は、ヒートスプレッダ４に気密封止されていない。また、貫通穴３０は径が大きく、外径部分の気密封止が困難な複雑な構造となっている。加えて、貫通穴３０の加工、及び金属ブロック１５の挿入加工が難しく、加工費用を要することとなる。

以上説明した通り、実施の形態１による半導体パッケージ１００は、半導体素子５と、上記半導体素子５の実装されたヒートスプレッダ４と、上記ヒートスプレッダ４の搭載された凹部５、上記ヒートスプレッダ４に接続されて気密封止されたサーマルビア８、当該サーマルビア８に接続された放熱基板１７、及び当該放熱基板１７に接続されたはんだボール９を有した多層セラミック基板１と、当該多層セラミック基板１の上面を気密封止する封止蓋（金属リング２及び蓋３）とを備える。

これによって、半導体素子５から冷却装置１４の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５のジャンクション温度を下げ、半導体素子５の出力低下を防ぎ、延いては半導体素子５の寿命低下を防ぐことができる。

また、高出力な半導体素子を搭載し、プリント基板にＢＧＡ実装される多層セラミック基板からなる半導体パッケージ１００において、特に半導体素子の放熱特性を向上させることができる。

また、半導体パッケージ１００の気密を確保しつつ、効率的に放熱することができるので、より高い信頼性を確保することが可能となる。

１ 多層セラミック基板、２ 金属リング、３ 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、８ サーマルビア、９ はんだボール、１０ プリント基板、１１ サーマルパッド、１２サーマルビア、１３内層導体、１４ 冷却装置、１６ 接合材、１７ 放熱基板。

Claims (1)

1. 半導体素子と、
   上記半導体素子の実装されたヒートスプレッダと、
   上記ヒートスプレッダの搭載された凹部、当該サーマルビアに接続された放熱基板、及び当該放熱基板に接続されたはんだボールを有した多層セラミック基板と、
   多層セラミック基板の上面を気密封止する封止蓋と、
   を備えた半導体パッケージ。

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