JP2531768B2 - 半田封止構造 - Google Patents

半田封止構造

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    • H10W90/00Package configurations
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半田封止技術に関し、特に、半導体装置の
気密封止構造に適用して有効な半田封止技術に関する。
〔従来の技術〕
たとえば、従来の半導体装置の気密封止構造に用いら
れる半田封止技術としては、ジェイ・ブラディ(J.Brad
y)とエム・コートニィ(M.Courtney)による空冷アイ
・ビー・エム4381モジュールのための気密錫/鉛半田封
止(“Hermetic tin/lead solder sealing for the air
−cooled IBM 4381 module")(ICCD'83、1983年11月1
日)に記載されるものが知られている。
その概要は、多数の半導体素子を搭載したセラミック
基板に対して、同材質のキャップを半田を介して封着す
ることにより、内部の半導体素子を気密に封止するとと
もに、封着面に突設され、半田中に埋没した状態となる
所定の高さのスペーサによって基板とキャップとの間に
介在する半田層の厚さを一定に制御して、基板の歪みな
どを半田層の厚さで吸収させるようにしたものである。
また、同種の他の技術としては、たとえば、特開昭59
−17271号公報に開示されるものが知られている。
すなわち、半導体素子が収容される凹所が形成された
セラミック容器と蓋とを、ろう材を介して封着してなる
セラミックパッケージ半導体装置において、セラミック
容器の封着部に傾斜面または段差を形成し、この傾斜面
や段差と蓋との間の空間に封着時の余剰のろう材を保持
させるようにして、余剰のろう材がセラミック容器の内
部に流出することに起因する種々の不都合を防止しよう
とするものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上記の前者の従来技術においては、基板の
歪みなどによる当該基板とキャップとの間隙の変動によ
って、封着領域の全域に一定の割合で塗着されている半
田に過不足を生じることとなり、封着部位に形成される
半田フィレットの断面形状が望ましい八の字形から外れ
て、封止構造の信頼性が低下するという問題がある。
すなわち、セラミック基板の歪みが甚だしく、セラミ
ック基板とキャップとの間隙が基準の値よりも小さくな
る場合には、余剰の半田が封着部位からキャップ内部に
溢れ出して内部の半導体素子の短絡を引き起こすなどの
障害をもたらし、逆に、セラミック基板とキャップとの
間隙が大きくなる場合には、封着部に対する半田の充填
状態が不十分となって、封着部の気密性を確保できなく
なるなどの障害が発生するものである。
また、後者の従来技術では、セラミック容器の封着部
に複雑な加工を施す必要があり、製造工程が煩雑になる
という問題がある。
そこで、本発明の目的は、封着部の間隙の変動に影響
されることなく、望ましい半田フィレットの形状を維持
することを可能にして、信頼性を向上させることが可能
な半導体封止技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、簡単な工程で、封着部における
半田の過不足に起因する欠陥の発生を防止することが可
能な半田封止技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。
〔課題を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、本発明になる出封止構造は、半導体素子を
第1主面に搭載した基板と、半導体素子を隠蔽するキャ
ップとを半田を介して封着してなる半田封止構造であっ
て、キャップにおける半田濡れ領域を、基板に対向し、
当該キャップを構成するフレーム部の端面および当該フ
レーム部の内外側面にわたって形成するようにしたもの
である。
〔作用〕
上記した手段によれば、たとえば、キャップを構成す
るフレームの基板に対する対向面のみに半田濡れ領域を
形成する場合に比較して、半田濡れ領域の面積が大きく
なるので、基板とキャップとの封着部の間隙が歪みなど
によって設計時に想定された値から変動しても、当該間
隙の変動による半田の過不足を補い得る適量の半田を、
望ましい半田フィレットの形状を維持した状態で半田濡
れ領域に保持させることができる。
これにより、封着部の間隙の変動に影響されることな
く、半田封止構造の信頼性を確保することができる。
また、基板やキャップ自体に特別な加工を施す必要が
ないので、簡単な工程で封着部における半田の過不足に
起因する欠陥の発生を防止することができる。
〔実施例〕
第1図は、本発明の一実施例である半田封止構造を用
いた半導体装置の気密封止構造の断面図であり、第2図
は、その構成部品の製造工程の一例を示す断面図、さら
に第3図(a)〜(c)は、その作用の一例を示す説明
図である。
たとえば、セラミックなどからなる基板1の第1主面
1aには、図示しない配線パターンや電極が形成されてお
り、この配線パターンや電極に対応する位置には、複数
の半田バンプ2を介して、複数の半導体素子3が、当該
半導体素子3の図示しない外部接続電極が電気的に接続
された状態で搭載されている。
基板1における第1主面1aの裏側の第2主面1bには、
複数のピン4がろう付けなどの技術によって所定のピッ
チで固定されており、個々のピン4は、当該基板1の内
部に設けられている図示しない多層配線構造などを介し
て、第1主面1aの側の図示しない配線構造や電極などに
電気的に接続されている。
これにより、半田バンプ2,基板1の内部の図示しない
多層配線構造および複数のピン4を介して、基板1に搭
載された複数の半導体素子3と外部との間における電気
信号の授受や動作電力の供給などが行われるものであ
る。
複数の半導体素子3を搭載した基板1の第1主面1aに
は、当該複数の半導体素子3を隠蔽するようにキャップ
5が半田6を介して封着されており、このキャップ5と
基板1とで気密封止構造を構成している。
キャップ5は、たとえば熱伝導性の良好な窒化アルミ
ニウムなどからなる板状の蓋体5aと、たとえば、42アロ
イなどからなるフレーム5bとで構成されており、蓋体5a
の複数の半導体素子3に対する対向面には、封着状態に
おいて個々の半導体素子3に所定の間隙で対向するよう
に複数の伝熱体7が設けられている。
そして、動作中の半導体素子3から発生する熱は、封
着時にキャップ5の内部に封入されたヘリウムなどのガ
スおよび伝熱体7、さらにはキャップ5の蓋体5aを介し
て外部に放散される構造となっている。
基板1においてキャップ5が封着される第1主面1aの
外縁部には枠状に、半田6に対する濡れ性の良好なメタ
ライズパターン8が形成されている。
この場合、基板1の側のメタライズパターン8に封着
されるキャップ5のフレーム5bの端部には、当該メタラ
イズパターン8に対向する端面5cおよび内側面5d,外側
面5eにわたって、断面形状がコの字形となるように、半
田に対する濡れ性の良好なメタライズパターン9(半田
濡れ領域)が形成されている。
このフレーム5bのメタライズパターン9は、たとえ
ば、フレーム5bの目的の形成領域以外の部分にマスクを
施して行われるニッケル−金メッキなどによって簡便に
形成される。
また、その際には、蓋体5aに対するフレーム5bのろう
付けのための下地領域5fも同時に形成され、第2図に示
されるように、フレーム5bは、蓋体5aに対して、たとえ
ばチタンを含有した銀−銅ろうなどによって一体に固定
されることによりキャップ5を構成する。
そして、基板1のメタライズパターン8と、キャップ
5のメタライズパターン9との間に、周知のリフロー操
作によって均等に溶融・分散される半田6により基板1
のキャップ5とが気密に封着されるものである。
なお、特に図示しないが、キャップ5を構成するフレ
ーム5bの基板1に対する対向面には、封着状態において
半田6の内部に埋没した状態となる位置に所定の高さ複
数の突起が設けられており、この突起の高さによって、
フレーム5bと基板1との間隙、すなわち半田接続高さhj
が所定に制御されている。
ここで、本実施例の場合には、半田接続高さhjが所定
の標準値のときには、第3図(b)に示されるように、
メタライズパターン9の内側面5dおよび外側面5eの側に
も半田6が溜まるように、当該半田6の量が設定され、
この時、半田6のリフロー時における自重とメタライズ
パターン9の内側面5dおよび外側面5eへの濡れ上がる力
および表面張力が均衡して、フレーム5bの内側面5dおよ
び外側面5eの双方に形成される半田フィレット6aは望ま
しい八の字形を呈するようになっている。
一方、基板1の歪みなどによって半田接続高さhjが標
準値よりも小さくなった封着部位においては、フレーム
5bの端面5cと基板1との間隙から一部の半田6が外部に
押し出されることになるが、本実施例の場合には、第3
図(a)に示されるように、押し出された半田6は、フ
レーム5bの内側面5dおよび外側面5eの各々に延設されて
いるメタライズパターン9の全域に分散して保持され、
半田フィレット6aは標準の半田接続高さhjの場合と同様
に、望ましい八の字形を呈する状態となる。
このため、フレーム5bと基板1との間隙から押し出さ
れた余剰の半田6がキャップ5の内部の半導体素子3の
側に流れ出す懸念がなく、余剰の半田6による短絡など
の障害が確実に防止される。
逆に、基板1の歪みなどによって、半田接続高さhj
標準値よりも大きくなった場合には、従来では、当該標
準値を想定して設定されている半田6の量では不足気味
となることが懸念されるが、本実施例の場合には、標準
の半田接続高さhjの状態においてメタライズパターン9
の内側面5dおよび外側面5eの側に保持されていた半田6
により、不足分が適切に補われるので、第3図(C)に
示されるように、フレーム5bの端面5cにおけるメタライ
ズパターン9と、基板1の側のメタライズパターン8と
の間に、半田6が確実に充満した状態となるとともに、
半田フィレット6aの形状も、標準の半田接続高さhjの場
合と同様に、望ましい八の字形を呈する状態となる。
このため、たとえば、フレーム5bと基板1とを封着す
る半田6の量が不足した状態となることに起因して、封
着部の気密性や密度などが損なわれることが確実に防止
される。
このように、本実施例における半田封止構造によれ
ば、基板1の歪みなどに起因する半田接続高さhjの変動
に影響されることなく、当該基板1とキャップ5との封
着部の信頼性を確保することができる。
また、キャップ5を構成するフレーム5bに設けられる
メタライズパターン9は、たとえば目的の領域以外をマ
スクしたメッキなどによって比較的簡便に形成すること
ができるので、たとえば、フレーム5bや基板1自体を特
殊な形状に加工する場合などに比較して製作工程が簡略
化される。
これにより、半田封止構造における量産性と信頼性の
確保とを両立させることが可能となる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。
たとえば、キャップの構造としては、前記の実施例中
に例示したものに限らず、蓋体とフレームとをセラミッ
クスなどで一体に成形したものを用いてもよい。
また、メタライズパターンを構成する物質としては、
ニッケル−金メッキなどに限らず、半田に対する濡れ性
など、半田封止構造に必要な所定の特性を満足するもの
であればいかなるものであってもよい。
〔発明の効果〕
本願において開示される発明のうち、代表的なものに
よって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおり
である。
すなわち、本発明になる半田封止構造によれば、半導
体素子を第1主面に搭載した基板と、前記半導体素子を
隠蔽するキャップとを半田を介して封着してなる半田封
止構造であって、前記キャップにおける半田濡れ領域
が、前記基板に対向し、当該キャップを構成するフレー
ム部の端面および当該フレーム部の内外側面にわたって
形成されているので、たとえば、キャップを構成するフ
レームの基板に対する対向面のみに半田濡れ領域を形成
する場合に比較して、半田濡れ領域の面積が大きくな
り、基板とキャップとの封着部の間隙が歪みなどによっ
て設計時に想定された値から変動しても、当該間隙の変
動による半田の過不足を補い得る適量の半田を、望まし
い半田フィレットの形状を維持した状態で半田濡れ領域
に保持させることができる。
これにより、封着部の間隙の変動に影響されることな
く、半田封止構造の信頼性を確保することができる。
また、基板やキャップ自体に特別な加工を施す必要が
ないので、簡単な工程で封着部における半田の過不足に
起因する欠陥の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である半田封止構造を用いた
半導体装置の気密封止構造の断面図、 第2図はその構成部品の製造工程の一例を示す断面図、 第3図(a)〜(c)はその作用の一例を示す説明図で
ある。 1……基板、1a……第1主面、1b……第2主面、2……
半田バンプ、3……半導体素子、4……ピン、5……キ
ャップ、5a……蓋体、5b……フレーム、5c……端面、5d
……内側面、5e……外側面、5f……下地領域、6……半
田、6a……半田フィレット、7……伝熱体、8……メタ
ライズパターン、9……メタライズパターン(半田濡れ
領域)、hj……半田接続高さ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子を第1主面に搭載した基板と、
    前記半導体素子を隠蔽するキャップとを半田を介して封
    着してなる半田封止構造であって、前記キャップにおけ
    る半田濡れ領域が、前記基板に対向し、当該キャップを
    構成するフレーム部の端面および当該フレーム部の内外
    側面にわたって形成されていることを特徴とする半田封
    止構造。
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