JP2016178163A

JP2016178163A - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2016178163A
Application number: JP2015055994A
Authority: JP
Inventors: 潤見谷; Jun Mitani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-10-06

Abstract

【課題】セラミックパッケージにＢＧＡが形成されると共に、気密性を保持する半導体パッケージにおいて、半導体素子の放熱性を向上することを目的とする。【解決手段】半導体素子１７を実装するヒートスプレッダ１２が多層セラミック基板１１に気密性を持って接合されると共に、ヒートスプレッダ１２が多層セラミック基板１１を貫通して、樹脂基板１８に直接的にはんだ１９で接合するように半導体パッケージ１を構成しているので、ヒートスプレッダ１２が多層セラミック基板１１を介せずに、樹脂基板１８に直接接合されているため、半導体素子１７から冷却装置２１までの熱抵抗を低減することができる。【選択図】図１

Description

この発明は、セラミックパッケージにＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）が形成された半導体パッケージに関する。

半導体を使用した電子回路の高機能化、高密度化に伴い、半導体パッケージは小型化の傾向にある。半導体パッケージを印刷配線基板（以下、回路基板）上に高密度に実装するための実装方法の一つとして、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）実装方式が用いられる。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ることにより、接点の狭ピッチ化、多ピン化が容易であって、電子回路の小型化に有利である。

近年、高周波回路において、高周波信号の増幅に用いられるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）チップ、ＦＥＴを実装したＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）等は、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用いられている。また、化合物半導体の半導体素子を実装するパッケージは、一般に気密性が要求され、ＨＴＣＣ（ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃ）、ＬＴＣＣ（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃ）等の多層セラミック基板からなるセラミックパッケージが使用されることが多い。セラミックパッケージは、高密度実装の必要性から回路基板にＢＧＡ実装することが多くなってきている。

一方で、半導体素子の高集積化、高出力化に伴い、半導体素子は発熱量、発熱密度が増大しており、これらは温度上昇による半導体素子の破壊、増幅量の低下、寿命の低下を招くことに繋がる。このため半導体パッケージの放熱性を向上させる必要がある。

従来、セラミックパッケージを用いた半導体パッケージの放熱性を向上させる方法として、半導体素子をヒートスプレッダに搭載して伝熱面積を拡大させると共に、多層セラミック基板の半導体素子搭載部分に狭ピッチでビアを設け、ビアを伝熱経路として放熱する構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−２７３９２７号公報

しかしながら、特許文献１に示す従来の半導体パッケージは、ＢＧＡ実装が用いられていない。ＢＧＡ実装方式は、回路基板とセラミックパッケージの間をはんだボールにより接続する。このため回路基板とセラミックパッケージの間に間隙が介在し、放熱性には限界があって、発熱量の大きい高出力増幅用の半導体素子にこの構造を採用することは困難であった。また、特許文献１に示す従来の半導体パッケージは、伝熱経路に熱伝導率が低いセラミックが介在し、半導体素子の放熱性の向上を妨げていた。

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って、セラミックパッケージにＢＧＡが形成された半導体パッケージにおいて、半導体素子の放熱性を向上す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、半導体素子を実装するヒートスプレッダと、裏面に複数のはんだボールが接合されてＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を形成し、上面に上記ヒートスプレッダが気密性を有して接合されると共に、上記ヒートスプレッダの一部が貫通して裏面から突出する貫通穴が形成された多層セラミック基板と、上記ヒートスプレッダの一部と上記多層セラミック基板における複数のはんだボールが上面にはんだにより接合される樹脂基板を備えたものである。

この発明によれば、セラミックパッケージにＢＧＡが形成された半導体パッケージにおいて、半導体素子の放熱性を向上することができる。

実施の形態１による半導体パッケージの構造を示す断面図である。実施の形態２による半導体パッケージの構造を示す断面図である。比較例として示す、従来のＢＧＡ実装方式の半導体パッケージの構造を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明に係る半導体パッケージの実施の形態を図面に基づいて説明する。
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１の構造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１は、多層セラミック基板１１、ヒートスプレッダ１２、金属フレーム１３、金属カバー１４、はんだボール１５から構成される。

多層セラミック基板１１は、複数のセラミック層が積層され、セラミック層の表層および層間に導体層、および内層にビア導体が形成されて、回路パターンを設けている。多層セラミック基板１１は、ＨＴＣＣ、ＬＴＣＣ等により形成される。ＬＴＣＣの場合、グリーンシートに貫通穴を形成し、グリーンシートの表面に導体ペーストを印刷塗布し、グリーンシートの貫通穴に導体ペーストを充填した後、グリーンシートを積層する。積層したグリーンシートを焼結することにより、導体層および導体ビアの形成された多層セラミック基板１１を構成する。多層セラミック基板１１は、その下面に所定の間隔で複数の導体ランド３４が形成されており、それぞれの導体ランド３４はそれぞれはんだボール１５がはんだ接合されている。はんだボール１５は、多層セラミック基板１１におけるヒートスプレッダ１２を除く下面にＢＧＡを形成する。

金属フレーム１３は、接合部１６ａを介在して多層セラミック基板１１の上面に、Ａｇロウ付けにより気密を確保して接合される。また、ヒートスプレッダ１２は、角柱、円柱等のブロック形状をなし、鍔部（フランジ部）１２ｂと鍔部１２ｂの下に配置された挿入部１２ｄから構成される。ヒートスプレッダ１２の鍔部１２ｂと挿入部１２ｄの境界部の近辺で、図１の上下方向に見た断面における水平方向の幅が上部から下部にかけて変化し、その断面形状に段差を有する。ヒートスプレッダ１２の上面は平坦な面になっている。ヒートスプレッダ１２は、鍔部１２ｂの下面の接合部１２ｃが、多層セラミック基板１１の上面における接合部１６ｃに接し、気密を確保して接合される。金属カバー１４は、その外周縁部が、金属フレーム１３との接合部１６ｂに、抵抗溶接、はんだ付け等により、気密を確保して接合される。これによって、多層セラミック基板１１と金属フレーム１３の接合部１６ａ、金属フレーム１３と金属カバー１４の接合部１６ｂ、多層セラミック基板１１とヒートスプレッダ１２の接合部１６ｃは、気密性が保持されている。

半導体素子１７は、ヒートスプレッダ１２における鍔部１２ｂ上に実装され、はんだまたは熱良導性の接着剤により、ヒートスプレッダ１２における鍔部１２ｂ上に接着される。ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄは多層セラミック基板１１の貫通穴３０に挿入され、ヒートスプレッダ１２の接合部１２ｃは多層セラミック基板１１の接合部１６ｃに接合される。また、ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄは、多層セラミック基板１１の貫通穴３０を貫通して、図１における挿入部１２ｄの下面が多層セラミック基板１１の裏面となる下面から、はんだボール１５の直径よりも短い長さ分だけ、樹脂基板１８側に向かって突出する。また、半導体素子１７は、ボンディングワイヤ２０により多層セラミック基板１１の上面の導体パッド（端子）３１に接続される。

樹脂基板１８は、所定間隔で配列された複数のサーマルビア３３が形成された印刷配線基板であって、上面に図示しない電子回路が実装されている。サーマルビア３３の上端は、樹脂基板１８の上面のグランド導体３６に接合される。樹脂基板１８のグランド導体３６およびサーマルビア３３の周辺は放熱性が高い。樹脂基板１８は、下面が冷却装置２１の上面に接着され、冷却装置２１と熱的に接続される。冷却装置２１は、金属板、または内部に冷媒の流れる流路が形成された冷却板から構成されて、多層セラミック基板１１および樹脂基板１８よりも熱伝導性が良く、外外部の雰囲気または空間に放熱する。

多層セラミック基板１１の下面の複数の導体ランド３４のそれぞれは、複数のはんだボール１５のそれぞれを介して、樹脂基板１８の上面の複数の導体ランド３５にそれぞれはんだ接合される。即ち、導体ランド３４と導体ランド３５は上下に対向し、はんだボール１５を挟んではんだボール１５の上下にはんだ接合される。また、ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄの下面は、はんだ１９を介して、樹脂基板１８のサーマルビア３３の上端に、グランド導体３６を介してはんだ接合される。

実施の形態１による半導体パッケージ１は、半導体素子１７が動作する際に発生した熱が、半導体素子１７の下のヒートスプレッダ１２に伝熱し、そこで伝熱面積が拡大する。ヒートスプレッダ１２に伝導した熱は、樹脂基板１８を介して冷却装置２１に伝熱し、これにより半導体素子１７の熱が冷却装置２１に放熱される。

比較例として、セラミックパッケージにＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を形成した従来の半導体パッケージ１００の放熱構造について説明する。図３は、従来のＢＧＡ実装方式の半導体パッケージの構造を示す断面図である。図３において、多層セラミック基板１１は、下面にはんだボール１５が接合されてＢＧＡを形成する。多層セラミック基板１１は上面に窪みを有し、窪みの底面にヒートスプレッダ１２が収容されている。ヒートスプレッダ１２は上面に半導体素子１７が接合され、半導体素子１７はボンディングワイヤ２０により多層セラミック基板１１に接続される。多層セラミック基板１１は、ヒートスプレッダ１２の下部に熱的に接続された導体ビア５０が形成され、導体ビア５０は一部のはんだボール１５に接続される。多層セラミック基板１１と金属フレーム１３の接合部１６ａ、金属フレーム１３と金属カバー１４の接合部１６ｂ、多層セラミック基板１１とヒートスプレッダ１２の接合部１６ｃは、気密性が保持されている。また、多層セラミック基板１１のはんだボール１５は、樹脂基板１８に接続される。導体ビア５０に接続された一部のはんだボール１５は、樹脂基板１８のサーマルビア３３に熱的に接続される。樹脂基板１８は冷却装置２１に熱的に接続される。

図３に示す従来の半導体パッケージ１００は、多層セラミック基板１１がはんだボール１５を介して樹脂基板１８に接合される、通常のＢＧＡ実装構造となっている。このため、はんだボール１５部分で多層セラミック基板１１と樹脂基板１８の間に間隙が介在するため、放熱性には限界があり、発熱量の大きい高出力増幅用の半導体素子１７にこの構造を採用する場合、放熱性能が制限されていた。

これに対し実施の形態１に係る半導体パッケージ１は、熱伝導の悪い多層セラミック基板１１およびはんだボール１５を伝熱経路としない。また、ヒートスプレッダ１２における挿入部１２ｄの下面は、樹脂基板１８に広い面積で接続されているため、半導体素子１７から冷却装置２１までの熱抵抗を低減し、放熱性の高い半導体パッケージ１を得ることができる。

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１は、半導体素子１７を実装するヒートスプレッダ１２と、裏面に複数のはんだボール１５が接合されてＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を形成し、上面に上記ヒートスプレッダ１２が気密性を有して接合されると共に、上記ヒートスプレッダ１２の一部が貫通して裏面から突出する貫通穴が形成された多層セラミック基板１１と、上記ヒートスプレッダ１２の一部と上記多層セラミック基板１１における複数のはんだボール１５が上面にはんだにより接合される樹脂基板１８を備えたことを特徴とする。

これによって、セラミックパッケージにＢＧＡが形成された半導体パッケージ１は、半導体素子から冷却装置２１までの伝熱経路の熱抵抗を低減することができるので、半導体素子１７の放熱性をより向上することができる。

実施の形態２．
図２は、この発明に係る実施の形態２による半導体パッケージ２の構造を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体パッケージ２は、多層セラミック基板１１、ヒートスプレッダ１２、金属フレーム１３、金属カバー１４、はんだボール１５から構成される。

半導体素子１７は、ヒートスプレッダ１２における鍔部１２ｂ上に実装され、はんだまたは熱良導性の接着剤により、ヒートスプレッダ１２における鍔部１２ｂ上に接着される。ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄは多層セラミック基板１１の貫通穴３０に挿入され、ヒートスプレッダ１２の接合部１２ｃは多層セラミック基板１１の接合部１６ｃに接合される。また、ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄは、多層セラミック基板１１の貫通穴３０を貫通して、図１における挿入部１２ｄの下面が多層セラミック基板１１の裏面となる下面から、冷却装置２１側に向かって突出する。また、半導体素子１７は、ボンディングワイヤ２０により多層セラミック基板１１の上面の導体パッド（端子）３１に接続される。

樹脂基板１８は、貫通穴４０が形成された印刷配線基板である。貫通穴４０は、多層セラミック基板１１の貫通穴３０と同軸である。樹脂基板１８は、下面が冷却装置２１の上面に接触し、ねじ結合または接着剤により固定される。多層セラミック基板１１の下面の複数の導体ランド３４のそれぞれは、複数のはんだボール１５のそれぞれを介して、樹脂基板１８の上面の複数の導体ランド３５にそれぞれはんだ接合される。即ち、導体ランド３４と導体ランド３５は上下に対向し、はんだボール１５を挟んではんだボール１５の上下にはんだ接合される。また、ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄの下面は、樹脂基板１８の裏面となる下面の位置まで、貫通穴４０内を貫通する。また、ヒートスプレッダ１２の挿入部１２ｄの下面は、はんだ１９を介して、冷却装置２１の上面にはんだ接合される。かくして、ヒートスプレッダ１２は、多層セラミック基板１１に接合されると共に、多層セラミック基板１１および樹脂基板１８を貫通して、はんだ１９または熱良導性の接着剤を介して冷却装置２１に熱的に接続される。冷却装置２１は、金属板、または内部に冷媒の流れる流路が形成された冷却板から構成されて、樹脂基板１８よりも熱伝導性が良く、外部の雰囲気または空間に放熱する。

実施の形態２による半導体パッケージ２は、半導体素子１７が動作する際に発生した熱が、半導体素子１７の下のヒートスプレッダ１２に伝熱し、そこで伝熱面積が拡大する。ヒートスプレッダ１２に伝導した熱は、冷却装置２１に伝熱し、これにより半導体素子１７の熱が冷却装置２１に放熱される。

比較として、上記の実施の形態１に係る半導体パッケージ１は、ヒートスプレッダ１２に伝導した熱が、樹脂基板１８を介して冷却装置２１に伝熱される。これに対し実施の形態２においては、ヒートスプレッダ１２が樹脂基板１８を貫通し、冷却装置２１に接触する。このためヒートスプレッダ１２に伝導した熱は、冷却装置２１よりも熱伝導性の悪い樹脂基板１８を介することなく、直接的に冷却装置２１に伝導されるため、半導体素子１７から冷却装置２１までの熱抵抗を低減でき、より放熱性の高い半導体パッケージを得ることができる。

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１は、半導体素子１７を実装するヒートスプレッダ１２と、裏面に複数のはんだボール１５が接合されてＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を形成し、上面に上記ヒートスプレッダ１２が気密性を有して接合されると共に、上記ヒートスプレッダ１２の一部が貫通して裏面から突出する貫通穴３０が形成された多層セラミック基板１１と、上記多層セラミック基板１１における複数のはんだボール１５が上面に接合されると共に、上記ヒートスプレッダ１２の一部が裏面位置まで貫通する貫通穴４０が形成された樹脂基板１８を備えたことを特徴とする。

これによって、樹脂基板１８を介することなく、直接的に冷却装置２１に伝導されるため、半導体素子１７から冷却装置２１までの熱抵抗を低減でき、より放熱性の高い半導体パッケージを得ることができる。

１半導体パッケージ、２半導体パッケージ、１１多層セラミック基板、１２ヒートスプレッダ、１３金属フレーム、１４金属カバー、１５はんだボール、１６ａ接合部、１６ｂ接合部、１６ｃ接合部、１７半導体素子、１８樹脂基板、１９はんだ、２０ボンディングワイヤ、２１冷却装置、３０貫通穴、４０貫通穴。

Claims

半導体素子を実装するヒートスプレッダと、
裏面に複数のはんだボールが接合されてＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を形成し、上面に上記ヒートスプレッダが気密性を有して接合されると共に、上記ヒートスプレッダの一部が貫通して裏面から突出する貫通穴が形成された多層セラミック基板と、
上記ヒートスプレッダの一部と上記多層セラミック基板における複数のはんだボールが上面にはんだにより接合される樹脂基板と、
を備えた半導体パッケージ。
半導体素子を実装するヒートスプレッダと、
裏面に複数のはんだボールが接合されてＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）を形成し、上面に上記ヒートスプレッダが気密性を有して接合されると共に、上記ヒートスプレッダの一部が貫通して裏面から突出する貫通穴が形成された多層セラミック基板と、
上記多層セラミック基板における複数のはんだボールが上面に接合されると共に、上記ヒートスプレッダの一部が裏面位置まで貫通する貫通穴が形成された樹脂基板と、
を備えた半導体パッケージ。