JP2018018961A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することを課題とする。【解決手段】コア絶縁板５の上下面にビルドアップ絶縁層６が積層されて成る絶縁基板１と、絶縁基板１の表面および内部に形成された配線導体２と、絶縁基板１の上面中央部に半導体素子Ｓの電極Ｔと接続される複数の半導体素子接続パッド３が配設されたパッド形成領域７を有するとともに、パッド形成領域７から離間した上面外周部に、半導体素子Ｓを覆う金属キャップＭが接合される接合領域８を有する配線基板Ａであって、コア絶縁板５は、パッド形成領域７および接合領域８の間に対応する領域から、接合領域８の角部に対応する領域にかけて、パッド形成領域７の外周に沿って断続的に配置された、０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域９を含むとともに、緩衝領域９を除く領域が、２５〜１３０ＧＰａのヤング率を有する高弾性材料から成る。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子および半導体素子を覆う金属キャップが接続される配線基板に関するものである。

近年、高機能化が進むコンピューターやゲーム機等に搭載される半導体素子は、同時に多量の演算処理を行える一方で発熱量も増大している。このため、半導体素子および半導体素子が接続された配線基板には熱伸縮が生じるが、両者の熱伸縮差により熱応力が生じて、配線基板に変形が発生しやすくなる。
配線基板の変形が大きくなると、配線基板を外部回路基板に二次実装することが困難になることから、配線基板の上面には半導体素子から生じる熱を放熱するとともに、変形を矯正するための金属キャップが接続される。

図２（ａ）および（ｂ）に、このような半導体素子Ｓ、および金属キャップＭが接続された従来の配線基板Ｂを示す。
配線基板Ｂは、絶縁基板２１と、配線導体２２と、半導体素子接続パッド２３と、外部接続パッド２４とを備えている。配線基板Ｂの熱膨張係数は、およそ１５ｐｐｍ／℃程度である。

絶縁基板２１は、コア絶縁板２５およびビルドアップ絶縁層２６を備えている。絶縁基板２１の上面中央部には、複数の半導体素子接続パッド２３が配設されたパッド形成領域２７を有している。パッド形成領域２７から離間した絶縁基板２１の上面外周部には、金属キャップＭが接合される接合領域２８を有している。
コア絶縁板２５は、配線基板Ｂの平坦性を保持するために高弾性材料で形成されている。コア絶縁板２５は、複数のスルーホール２９を有している。
ビルドアップ絶縁層２６は、コア絶縁板２５の上下面に積層されている。ビルドアップ絶縁層２６は、複数のビアホール３０を有している。

配線導体２２は、コア絶縁板２５の表面およびスルーホール２９内、ならびにビルドアップ絶縁層２６の上下表面およびビアホール３０内に形成されている。これにより、絶縁基板２１の上下表面の配線導体２２同士が電気的に接続される。

半導体素子接続パッド２３は、パッド形成領域２７に配線導体２２と一体的に形成されている。半導体素子接続パッド２３は、半導体素子Ｓの電極Ｔと半田を介して接続される。半導体素子Ｓは、シリコンから成り、その熱膨張係数は、およそ３ｐｐｍ／℃程度である。半導体素子Ｓと配線基板Ｂとの間は、絶縁性の熱硬化性樹脂Ｒで充填され、この熱硬化性樹脂Ｒおよび半田により半導体素子Ｓと配線基板Ｂとが互いに固定されている。

金属キャップＭは、半導体素子Ｓの上面を覆うキャップ部Ｍａおよび配線基板Ｂと接合する接合部Ｍｂを有している。キャップ部Ｍａの下面と半導体素子Ｓの上面とは固定されず熱伝導性のグリース（不図示）を介して熱的に接触されており、半導体素子Ｓから発生する熱の放熱を行っている。接合部Ｍｂと接合領域２８とは、接着剤により固定されている。
金属キャップＭは、例えば銅から成り、その熱膨張係数は、およそ１７ｐｐｍ／℃程度である。

外部接続パッド２４は、絶縁基板２１の下面に配線導体２２と一体的に形成されている。外部接続パッド２４は、外部回路基板（不図示）の電極に半田を介して接続される。
これにより、半導体素子Ｓと外部回路基板とが電気的に接続される。

ところで、半導体素子Ｓの発熱や冷熱時には、上述した半導体素子Ｓおよび配線基板Ｂに加えて、金属キャップＭに熱伸縮が生じる。配線基板Ｂは半導体素子Ｓよりも大きく熱伸縮し、金属キャップＭは配線基板Ｂよりも大きく熱伸縮する。その結果、互いに固定されている半導体素子Ｓと配線基板Ｂとの間には両者の熱膨張係数の差に起因する熱応力が発生する。この熱応力は、半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置に大きく集中して作用する。さらに、互いに固定されている配線基板Ｂと金属キャップＭとの間にも両者の熱膨張係数の差に起因する熱応力が発生する。この熱応力も、高弾性材料から成る配線基板Ｂを介して半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置に大きく集中して作用する。そしてこれらの熱応力が重畳して作用する結果、半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置において、半導体素子Ｓの電極Ｔと半導体素子接続パッド２３との接続間に亀裂が生じることがあり、半導体素子Ｓが安定的に作動できないという問題がある。

特許第５７０３０１０号公報

本発明は、半導体素子の外周角部に対応する位置に集中して作用する熱応力を低減することで、半導体素子と配線基板との電気的な接続を保持して半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することを課題とする。

本発明の配線基板は、コア絶縁板の上下面にビルドアップ絶縁層が積層されて成る絶縁基板と、絶縁基板の表面および内部に形成された配線導体と、絶縁基板の上面中央部に、半導体素子の電極と接続される複数の半導体素子接続パッドが配設されたパッド形成領域を有するとともに、パッド形成領域から離間した上面外周部に、半導体素子を覆う金属キャップが接合される接合領域を有する配線基板であって、コア絶縁板は、パッド形成領域および接合領域の間に対応する領域から、接合領域の角部に対応する領域にかけて、パッド形成領域の外周に沿って断続的に配置された、０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域を含むとともに、緩衝領域を除く領域が、２５〜１３０ＧＰａのヤング率を有する高弾性材料から成ることを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、パッド形成領域および接合領域の間に対応する領域から、接合領域の角部に対応する領域にかけて、パッド形成領域の外周に沿って断続的に配置された、０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域を含んでいる。このため、配線基板と金属キャップとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩衝領域で吸収することができる。これにより、半導体素子の外周角部に対応する位置に作用する熱応力を小さいものとし、半導体素子と配線基板との電気的な接続を保持して半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することができる。

図１（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る配線基板の実施形態の一例を示す概略断面図および概略上面図である。 図２（ａ）および（ｂ）は、従来の配線基板の実施形態の一例を示す概略断面図および概略上面図である。

次に、本発明に係る配線基板の一例を、図１（ａ）および（ｂ）を基に説明する。
配線基板Ａは、絶縁基板１と、配線導体２と、半導体素子接続パッド３と、外部接続パッド４とを備えている。配線基板Ａの熱膨張係数は、およそ１５ｐｐｍ／℃程度である。

絶縁基板１は、コア絶縁板５およびビルドアップ絶縁層６を備えている。絶縁基板１の上面中央部には、複数の半導体素子接続パッド３が配設されたパッド形成領域７を有している。パッド形成領域７から離間した絶縁基板１の上面外周部には、金属キャップＭが接合される接合領域８を有している。

コア絶縁板５は、パッド形成領域７および接合領域８の間に対応する領域から、接合領域８の角部に対応する領域にかけて、パッド形成領域７の外周に沿って断続的に配置された緩衝領域９を有している。
緩衝領域９は、例えばポリイミド樹脂やフッ素樹脂等を熱硬化させたガラス繊維を含まない低弾性材料から成る。この緩衝領域９のヤング率は、０．１〜１５ＧＰａである。
コア絶縁板５における緩衝領域９以外の領域は、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて、圧力下で熱硬化させた高弾性材料から成る。この領域のヤング率は、２５〜１３０ＧＰａである。これにより、パッド形成領域７の平坦性を保持して、半導体素子Ｓの接合性を確保することができる。
コア絶縁板５は、複数のスルーホール１０を有している。

上述のコア絶縁板５は、例えば次のように形成される。
まず、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させて熱硬化した大型の高弾性板を用意する。このような高弾性板には、複数の製品領域が切断領域を介して縦横の並びに配置されており、複数のコア絶縁板５が一括して形成される。
次に、高弾性板の緩衝領域９に対応する部分に、製品領域同士の間で連続した空所を形成する。このとき、パッド形成領域７およびパッド形成領域７以外に対応する部分は、分離せずに連続して形成する。これにより、パッド形成領域７の位置精度のバラツキを抑制できる。空所は、レーザー加工により形成すればよい。
次に、緩衝領域９に対応する形状に成形したポリイミド樹脂から成る低弾性樹脂シートを用意して空所に入れる。このとき、製品領域同士の間の連続した空所に対応して連続して成形された低弾性樹脂シートを用いると、製品領域毎に個別にシートを用意する場合に比べて嵌装する回数を低減できる。
次に、低弾性樹脂シートが嵌装された高弾性板を加熱しながら平板にてプレスする。
次に、ドリル加工やブラスト加工、あるいはレーザー加工により複数のスルーホール１０を形成する。
最後に、切断領域をダイシング加工により切断することで複数のコア絶縁板５が、同時に形成される。

ビルドアップ絶縁層６は、例えばエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含有する樹脂フィルムを、コア絶縁板５の上に貼着して熱硬化させた電気絶縁材料から成る。ビルドアップ絶縁層６は、複数のビアホール１１を有している。ビアホール１１は、レーザー加工により形成される。

配線導体２は、例えば周知のセミアディティブ法により、銅等の良導電性金属から成り、コア絶縁板５の表面およびスルーホール１０内、ならびにビルドアップ絶縁層６の上下表面およびビアホール１１内に形成されている。これにより、コア絶縁板５の上下表面の配線導体２同士が電気的に接続される。

半導体素子接続パッド３は、パッド形成領域７に配線導体２と一体的に形成されている。半導体素子接続パッド３は、半導体素子Ｓの電極Ｔと半田を介して接続される。半導体素子Ｓは、例えばシリコンやゲルマニウムから成る。半導体素子Ｓの熱膨張係数は、およそ３〜６ｐｐｍ／℃程度である。半導体素子Ｓと配線基板Ａとの間は、絶縁性の封止用樹脂Ｒで充填される。

金属キャップＭは、半導体素子Ｓの上面を覆うキャップ部Ｍａおよび配線基板Ａと接合する接合部Ｍｂを有している。キャップ部Ｍａの下面と半導体素子Ｓの上面とは固定されず熱伝導性のグリース（不図示）を介して熱的に接続されており、半導体素子Ｓから発生する熱の放熱を行っている。接合部Ｍｂと接合領域８とは、接着剤により固定されている。金属キャップＭは、例えば銅から成る。金属キャップＭの熱膨張係数は、およそ１７ｐｐｍ／℃程度である。

外部接続パッド４は、絶縁基板１の下面に配線導体２と一体的に形成されている。外部接続パッド４は、外部回路基板（不図示）の電極に半田を介して接続される。
これにより、半導体素子Ｓと外部回路基板とが電気的に接続される。

このように、本発明に係る配線基板Ａによれば、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域に、パッド形成領域７の外周に沿って断続的に形成された、０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域９を含んでいる。このため、配線基板Ａと金属キャップＭとの熱膨張係数の差に起因する応力を緩衝領域９で吸収することができる。これにより、半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置に作用する熱応力を小さいものとし、半導体素子と配線基板との電気的な接続を保持して半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することができる。

なお、本発明は上述の実施形態の一例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であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施形態の一例では、絶縁基板１の表面にソルダーレジスト層が無い例を示したが、絶縁基板１表面のいずれか一方、あるいは両方にソルダーレジスト層を有していても構わない。

１ 絶縁基板
２ 配線導体
３ 半導体素子接続パッド
５ コア絶縁板
６ ビルドアップ絶縁層
７ パッド形成領域
８ 接合領域
９ 緩衝領域
Ａ 配線基板
Ｍ 金属キャップ
Ｓ 半導体素子
Ｔ 電極

Claims (1)

1. コア絶縁板の上下面にビルドアップ絶縁層が積層されて成る絶縁基板と、
   該絶縁基板の表面および内部に形成された配線導体と、
   前記絶縁基板の上面中央部に、半導体素子の電極と接続される複数の半導体素子接続パッドが配設されたパッド形成領域を有するとともに、前記パッド形成領域から離間した上面外周部に、前記半導体素子を覆う金属キャップが接合される接合領域を有する配線基板であって、
   前記コア絶縁板は、前記パッド形成領域および接合領域の間に対応する領域から、前記接合領域の角部に対応する領域にかけて、前記パッド形成領域の外周に沿って断続的に配置された、０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域を含むとともに、前記緩衝領域を除く領域が、２５〜１３０ＧＰａのヤング率を有する高弾性材料から成ることを特徴とする配線基板。