JP3372769B2 - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
半導体素子収納用パッケージInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路素子
等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッ
ケージに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、ＬＳＩ（大規模集積回路素子）等
の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケ
ージは、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料
から成り、その上面のほぼ中央に半導体素子を載置して
収容するための載置部を有する絶縁基体と、その載置部
周辺から絶縁基体の下面にかけて導出されるタングステ
ン・モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個のメ
タライズ配線層と、絶縁基体の下面に形成され、メタラ
イズ配線層が電気的に接続される複数個の接続パッド
と、接続パッドにロウ付け取着される半田等からなるほ
ぼ球状の端子と、前記載置部を封止するための蓋体とか
ら構成されており、絶縁基体の載置部底面にガラスや樹
脂等から成る接着剤を介して半導体素子を接着固定さ
せ、半導体素子の各電極とメタライズ配線層とをボンデ
ィングワイヤを介して電気的に接続させるとともに、絶
縁基体上面にガラスや樹脂等から成る封止材を介して蓋
体を接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る容器内部に半
導体素子を気密に封止することによって製品としての半
導体装置とされていた。 【０００３】かかる半導体装置は、絶縁基体下面の接続
パッドにロウ付け取着されている半田等から成るほぼ球
状の端子を、樹脂絶縁材料と銅配線等により形成される
外部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる
後、ほぼ球状の端子を約150〜250 ℃の温度で加熱溶融
し、端子を配線導体に接合させることによって外部電気
回路基板上に実装される。これと同時に、半導体素子収
納用パッケージの内部に収容されている半導体素子はそ
の各電極がメタライズ配線層およびほぼ球状の端子を介
して外部電気回路に接続されることとなる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の半導体素子収納用パッケージにおいては、アルミナ
セラミックス等から成る絶縁基体の熱膨張係数が４〜6.
5 ×10-6／℃程度であるのに対し、外部電気回路基板が
一般にガラスエポキシ等の樹脂絶縁材料から成り、その
熱膨張係数が１×10-5〜４×10-5／℃と大きく、両者の
熱膨張係数が大きく相違していた。そのため、半導体素
子が作動時に発熱し停止時には周辺温度に戻ることに伴
う温度サイクルが半導体素子収納用パッケージの絶縁基
体と外部電気回路基板の両方に繰り返し印加されると、
両者間に熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発
生し、これが接続パッドとほぼ球状の端子との間にも作
用してこれらの接合部に疲労を生じさせてついには剥離
や破壊を発生させてしまい、その結果、半導体素子収納
用パッケージの内部に収容する半導体素子の各電極を長
期間にわたり所定の外部電気回路基板に電気的に接続さ
せることができないという問題点を有していた。 【０００５】本発明は上記問題点に鑑みて案出されたも
のであり、その目的は、半導体素子収納用パッケージに
形成された接続パッドとほぼ球状の端子との接合部にお
ける半導体素子の作動に伴う発熱による疲労破壊の発生
を防止することにより、内部に収容する半導体素子の各
電極を長期間にわたり所定の外部電気回路に安定して電
気的に接続することができる半導体素子収納用パッケー
ジを提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子収納
用パッケージは、電気絶縁材料から成り、上面に半導体
素子が載置される載置部を、下面に多数の凹部を有する
絶縁基体と、該絶縁基体の前記載置部周辺から前記凹部
底面にかけて導出される複数個のメタライズ配線層と、
前記凹部の内部に形成され、前記メタライズ配線層と電
気的に接続されている複数個の接続パッドと、該接続パ
ッドに接合され、前記絶縁基体の下面にほぼ球状の突出
部を有する端子とから成る半導体素子収納用パッケージ
であって、前記接続パッドはその全部が前記凹部の内部
に位置するとともにその下面に円弧状の窪みを有し、前
記端子の一部が前記円弧状の窪みと組み合わさって接合
されており、該円弧状の窪みの曲率半径をＲ、前記凹部
の半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、下記条件式を
満足することを特徴とするものである。 【０００７】１．０＜Ｒ／ｒ≦９．０ Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄ。 【０００８】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、絶縁基体下面の凹部の内部に、その全部がこの凹
部の内部に位置するとともにその下面に円弧状の窪みを
有する接続パッドを設けるとともに、絶縁基体の下面に
ほぼ球状の突出部を有する端子をその接続パッドに端子
の一部を円弧状の窪みと組み合わせて接合し、かつ接続
パッドの端子との円弧状の接合部の曲率半径をＲ、凹部
の半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、1.0＜Ｒ／ｒ
≦9.0、Ｒ≧（ｒ2＋ｄ2）／２ｄなる条件式を満足する
ように成したことから、半導体素子収納用パッケージの
内部に半導体素子を収容するとともに外部電気回路基板
に実装した場合、半導体素子の作動時の発熱が絶縁基板
と外部電気回路基板の両方に繰り返し印加され、両者の
熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が半導体素子
収納用パッケージに形成された接続パッドとほぼ球状の
端子との接合部に加わったとしても、円弧状の窪みを有
する接続パッドとほぼ球状の端子との間の接合面積を十
分に確保できるとともに、それらが強固に組み合わされ
て接合されているため、剥離や疲労破壊が容易に発生す
ることはなく、その結果、半導体素子収納用パッケージ
の内部に収容する半導体素子の各電極を長期間にわたり
所定の外部電気回路基板に安定して電気的に接続させる
ことが可能となる。 【０００９】また、円弧状の窪みを有する接続パッドと
ほぼ球状の端子との接合部において強度の弱い合金層が
半球状に分布することとなるので、この合金層に沿って
進行するクラックにより接合部が破断されるまでの行程
が長くなり、破断されるまでの時間が長くなるため、こ
れによっても半導体素子収納用パッケージの内部に収容
する半導体素子の各電極を長期間にわたり所定の外部電
気回路基板に安定して電気的に接続させることが可能と
なる。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１は本発明の半導体素子収納用パッ
ケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は
その要部拡大断面図である。これらの図において、１は
絶縁基体、２は蓋体、３は半導体素子であり、絶縁基体
１と蓋体２とで半導体素子３を収容する容器４が構成さ
れる。 【００１１】絶縁基体１にはその上面のほぼ中央部に半
導体素子３が載置収容される載置部１ａが設けられてお
り、載置部１ａの底面には半導体素子３がガラスや樹脂
等の接着剤を介して取着される。 【００１２】絶縁基体１は熱膨張係数が小さいセラミッ
クス等の電気絶縁材料、例えば酸化アルミニウム質焼結
体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体・ム
ライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等から成
り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合は、
酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化
カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤
・溶剤等を添加混合して泥漿物を作り、その泥漿物から
ドクターブレード法やカレンダーロール法によってグリ
ーンシート（生シート）と成し、しかる後、そのグリー
ンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複
数枚積層し、約1600℃の温度で焼成することによって作
製される。 【００１３】５はメタライズ配線層であり、半導体素子
３が載置収容される載置部１ａの周辺から絶縁基体１の
下面にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成さ
れている。 【００１４】さらに、１ｂは絶縁基体１の下面に複数個
形成された凹部であり、その凹部１ｂの内部には、メタ
ライズ配線層５が電気的に接続される、下面に円弧状の
窪みを有する複数個の接続パッド６が被着形成されてい
る。 【００１５】メタライズ配線層５はタングステン・モリ
ブデン・マンガン等の高融点金属から成り、タングステ
ン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・
溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１と
なるグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法
等により所定パターンに印刷塗布しておくことによっ
て、焼成後に絶縁基体１の所定位置に所定パターンに被
着形成される。 【００１６】また、接続パッド６もメタライズ配線層５
と同様にタングステン・モリブデン・マンガン等の高融
点金属から成り、タングステン等の高融点金属粉末に適
当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た
金属ペーストを絶縁基体１の凹部１ｂに所定量充填した
後、有機バインダや溶剤を蒸発させてから焼成すること
により、その全部が凹部１ｂの内部に位置するとともに
その下面に円弧状の窪みを有するように形成され、上面
ではメタライズ配線層５と電気的に接続される。 【００１７】この接続パッド６は、凹部１ｂとなる穴を
開けたグリーンシートを積層した後に、スクリーン印刷
によって金属ペーストを流し込むと、金属ペーストの表
面張力によってその表面形状が円弧状の窪みになるの
で、これを焼成することによって所望の曲率半径を有す
る円弧状の窪みを形成することができる。 【００１８】また、上記のようにして形成した円弧状の
高融点金属の表面には、厚み１〜20μｍのニッケルメッ
キならびに厚み0.01〜0.5 μｍの金メッキを施すことが
好ましく、これにより高融点金属の表面の酸化を有効に
防止できると同時に半田等から成るほぼ球状の端子７と
の接合を強固に保つことができる。 【００１９】前記メタライズ配線層５は半導体素子３の
各電極を接続パッド６に接合されるほぼ球状の端子７に
電気的に接続させる作用をなし、絶縁基体１の載置部１
ａ周辺に位置する領域には半導体素子３の各電極がボン
ディングワイヤ８を介して電気的に接続される。 【００２０】また、メタライズ配線層５と電気的に接続
されている接続パッド６は絶縁基体１にほぼ球状の端子
７を取着する際の下地金属層としても機能し、接続パッ
ド６の円弧状の窪みの表面には、例えば鉛と錫の重量比
を６：４とした低融点の鉛−錫半田等からなるほぼ球状
の端子７の一部が、接続パッド６の円弧状の窪みの表面
と組み合わさるような形状の接合部７ａとなって、ロウ
付け等により接合されている。 【００２１】接続パッド６に接合されている端子７は、
また絶縁基体１の下面に球状の突出部７ｂを有してお
り、その球状突出部７ｂは端子７を外部電気回路基板９
の配線導体10に接続させる際に、その接続を容易かつ確
実となす作用をする。 【００２２】そして本発明の半導体素子収納用パッケー
ジにおいては、接続パッド６のほぼ球状の端子７との円
弧状の窪みによる接合部の曲率半径をＲ、凹部１ｂの半
径をｒ、凹部１ｂの深さをｄとしたとき、1.0 ＜Ｒ／ｒ
≦ 9.0、Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの各条件式を満足す
ることを特徴としており、これによって接続パッド６と
ほぼ球状の端子７とが十分な接合面積でもって強固に組
み合わされて接合されることとなり、絶縁基体１の載置
部１ａ内に半導体素子３を収容し、外部電気回路基板９
に実装した後、半導体素子３の作動時の発熱が絶縁基体
１と外部電気回路基板９の両方に繰り返し印加され、両
者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が円弧状
の接続パッド６とほぼ球状の端子７との接合部に加わっ
たとしても、接続パッド６とほぼ球状の端子７との間の
剥離や疲労破壊が有効に防止される。 【００２３】なお、図２において凹部１ｂの径は直径２
ｒ（半径ｒ×２）で示している。 【００２４】上記の条件式に対してＲ／ｒが 1.0以下
（Ｒ／ｒ≦1.0 ）であると、凹部１ｂの接続パッド６と
ほぼ球状の端子７の接合部７ａとの接合面が作る、屈曲
点Ａにおいて絶縁基体１の下面と接合部７ａの接線のな
す角度がほぼ90°に近くなって、半導体素子３の発熱に
伴う熱応力がその屈曲点に集中しやすくなり、熱応力が
繰り返して加わることによって接続パッド６とほぼ球状
の端子７との間の剥離や疲労破壊が発生しやすくなる傾
向がある。 【００２５】他方、Ｒ／ｒが 9.0を超える（ 9.0＜Ｒ／
ｒ）と接続パッド６の下面がほぼ平坦な形状となって十
分な円弧状でなくなることから、接続パッド６と端子７
との接合面積が不十分となるとともに、この平坦な接合
面で熱応力をすべて受ける状態となって剥離や疲労破壊
が発生しやすくなる傾向がある。 【００２６】また、Ｒが（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄより小さ
くなる（Ｒ＜（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄ）と、接続パッド６
の円弧状の窪みの中央部が凹部１ｂの底面によって平ら
につぶされて平坦な形状になり、その平坦な面と周囲の
窪みの円弧が接する部分に屈曲点ができるため、この屈
曲点に熱応力が集中して剥離や疲労破壊が発生しやすく
なる傾向がある。 【００２７】かくして本発明の半導体素子収納用パッケ
ージによれば、絶縁基体１の載置部１ａ底面に半導体素
子３を接着剤を介して接着固定するとともに半導体素子
３の各電極をメタライズ配線層５にボンディングワイヤ
８を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上
面に蓋体２をガラス・樹脂等から成る封止材により接合
させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導
体素子３を気密に封止することによって、製品としての
半導体装置となる。 【００２８】 【実施例】以下に本発明の具体例を示す。アルミナを主
原料とするセラミックスグリーンシートに、凹部１ｂな
らびにメタライズ配線層５となる穴開け・金属ペースト
のスクリーン印刷・打ち抜き加工を施し、これを複数枚
積層して約1600℃の温度で焼成し、外寸が35ｍｍ角、厚
みが１ｍｍの絶縁基体の下面に、半径ｒが0.27ｍｍ、深
さｄが 0.2ｍｍの凹部１ｂが１ｍｍピッチの格子状に 4
80個形成されたものを作製した。 【００２９】次いで、凹部１ｂ内にタングステンペース
トをスクリーン印刷し、焼成した後に厚み２〜３μｍの
ニッケルメッキと厚み 0.2〜0.3 μｍの金メッキを施し
て、種々の曲率半径Ｒの円弧状の窪みを有する接続パッ
ド６を形成した。そして、これら接続パッド６の表面に
半田から成るほぼ球状の端子７を接合し、接続パッド６
とほぼ球状の端子７との接合部の曲率半径Ｒを変化させ
た半導体素子収納用パッケージ試料Ａ〜Ｈを得た。ま
た、比較例の試料として、接続パッド６の表面を絶縁基
体１の下面と同一の平坦面としたものも作製し、試料Ｉ
を得た。 【００３０】このようにして得た試料Ａ〜Ｉを厚さ 1.6
ｍｍのＦＲ４基板から成る外部電気回路基板の配線導体
上に約 0.5ｍｍのギャップで実装し、−40℃と＋125 ℃
の温度サイクル試験を行なって接合部が破断に至るまで
の温度サイクル数を求め、半導体素子収納用パッケージ
と外部電気回路基板との接合寿命を評価した。 【００３１】この結果を表１に示す。なお、表１のＲ対
（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの欄においてＲ＜、Ｒ＝、Ｒ≧と
あるのは、それぞれＲ＜（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄ、Ｒ＝
（ｒ2＋ｄ2 ）／２ｄ、Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄであ
ることを示している。 【００３２】 【表１】 【００３３】表１の結果から、1.0 ＜Ｒ／ｒ≦ 9.0、Ｒ
≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの各条件式を満足する試料Ｂ〜
Ｇにおいてはいずれも破断に至る温度サイクル数が少な
くとも 950サイクル以上であり、上記条件式を満足しな
い試料ＡおよびＨでは高々 500サイクル、接続パッド表
面が平坦な試料Ｉではわずかに 100サイクルであるのに
対して非常に良好な接合寿命であることが分かる。 【００３４】次に、同様にして凹部１ｂの深さｄを 0.3
ｍｍとし、種々の曲率半径Ｒの円弧状の窪みを有する接
続パッド６を形成してほぼ球状の端子７を接合し、半導
体素子収納用パッケージ試料Ｊ〜Ｑを得た。また、接続
パッド６の表面を平坦面としたものも作製し、試料Ｒを
得た。 【００３５】これらに上記と同様の温度サイクル試験を
行なって接合寿命を評価した結果を表２に示す。 【００３６】 【表２】【００３７】表２の結果からも、1.0 ＜Ｒ／ｒ≦9.0 、
Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの各条件式を満足する試料Ｊ
〜Ｐにおいてはいずれも破断に至る温度サイクル数が少
なくとも1000サイクル以上であり、上記条件式を満足し
ない試料Ｑでは高々 300サイクル、接続パッド表面が平
坦な試料Ｒではわずかに 100サイクルであるのに対して
非常に良好な接合寿命であることが分かる。 【００３８】これらの結果により、本発明の半導体素子
収納用パッケージによれば内部に収容する半導体素子の
各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路基板に安定
して電気的に接続させることが可能であることが確かめ
られた。 【００３９】 【発明の効果】本発明の半導体素子収納用パッケージに
よれば、電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子が載
置される載置部を、下面に多数の凹部を有する絶縁基体
と、その絶縁基体の前記載置部周辺から前記凹部底面に
かけて導出される複数個のメタライズ配線層と、前記凹
部の内部に形成され、そのメタライズ配線層と電気的に
接続され、下面に円弧状の窪みを有するように凹部の内
部に形成された複数個の接続パッドと、その接続パッド
に接合され、前記絶縁基体の下面にほぼ球状の突出部を
有する端子とから成る半導体素子収納用パッケージであ
って、前記接続パッドは、その全部が凹部の内部に位置
するとともにその下面の円弧状の窪みの曲率半径をＲ、
前記凹部の半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、1.0
＜Ｒ／ｒ≦9.0、Ｒ≧（ｒ2＋ｄ2）／２ｄなる条件式を
満足するように成したことから、ほぼ球状の端子を円弧
状の窪みを有する接続パッドに強固に接合させることが
可能になり、半導体素子収納用パッケージの内部に半導
体素子を収容するとともに外部電気回路基板に実装した
場合、半導体素子の作動時の発熱が絶縁基板と外部電気
回路基板の両方に繰り返し印加され、両者の熱膨張係数
の相違に起因する大きな熱応力が半導体素子収納用パッ
ケージに形成された接続パッドとほぼ球状の端子との接
合部に加わったとしても、凹部内に位置する下面に円弧
状の窪みを有する接続パッドと、その一部が接続パッド
の円弧状の窪みと組み合わさって接合されているほぼ球
状の端子との間の接合面積を十分に確保できるととも
に、それらが強固に組み合わされて接合されているた
め、剥離や疲労破壊が容易に発生することはなく、その
結果、半導体素子収納用パッケージの内部に収容する半
導体素子の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路
基板に安定して電気的に接続させることが可能となる。 【００４０】よって、本発明の半導体素子収納用パッケ
ージによれば、半導体素子収納用パッケージに形成され
た接続パッドとほぼ球状の端子との接合部における半導
体素子の作動に伴う発熱による疲労破壊の発生を防止す
ることにより、内部に収容する半導体素子の各電極を長
期間にわたり所定の外部電気回路に安定して電気的に接
続することができる半導体素子収納用パッケージを提供
することができた。
等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッ
ケージに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、ＬＳＩ（大規模集積回路素子）等
の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケ
ージは、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料
から成り、その上面のほぼ中央に半導体素子を載置して
収容するための載置部を有する絶縁基体と、その載置部
周辺から絶縁基体の下面にかけて導出されるタングステ
ン・モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個のメ
タライズ配線層と、絶縁基体の下面に形成され、メタラ
イズ配線層が電気的に接続される複数個の接続パッド
と、接続パッドにロウ付け取着される半田等からなるほ
ぼ球状の端子と、前記載置部を封止するための蓋体とか
ら構成されており、絶縁基体の載置部底面にガラスや樹
脂等から成る接着剤を介して半導体素子を接着固定さ
せ、半導体素子の各電極とメタライズ配線層とをボンデ
ィングワイヤを介して電気的に接続させるとともに、絶
縁基体上面にガラスや樹脂等から成る封止材を介して蓋
体を接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る容器内部に半
導体素子を気密に封止することによって製品としての半
導体装置とされていた。 【０００３】かかる半導体装置は、絶縁基体下面の接続
パッドにロウ付け取着されている半田等から成るほぼ球
状の端子を、樹脂絶縁材料と銅配線等により形成される
外部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる
後、ほぼ球状の端子を約150〜250 ℃の温度で加熱溶融
し、端子を配線導体に接合させることによって外部電気
回路基板上に実装される。これと同時に、半導体素子収
納用パッケージの内部に収容されている半導体素子はそ
の各電極がメタライズ配線層およびほぼ球状の端子を介
して外部電気回路に接続されることとなる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の半導体素子収納用パッケージにおいては、アルミナ
セラミックス等から成る絶縁基体の熱膨張係数が４〜6.
5 ×10-6／℃程度であるのに対し、外部電気回路基板が
一般にガラスエポキシ等の樹脂絶縁材料から成り、その
熱膨張係数が１×10-5〜４×10-5／℃と大きく、両者の
熱膨張係数が大きく相違していた。そのため、半導体素
子が作動時に発熱し停止時には周辺温度に戻ることに伴
う温度サイクルが半導体素子収納用パッケージの絶縁基
体と外部電気回路基板の両方に繰り返し印加されると、
両者間に熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発
生し、これが接続パッドとほぼ球状の端子との間にも作
用してこれらの接合部に疲労を生じさせてついには剥離
や破壊を発生させてしまい、その結果、半導体素子収納
用パッケージの内部に収容する半導体素子の各電極を長
期間にわたり所定の外部電気回路基板に電気的に接続さ
せることができないという問題点を有していた。 【０００５】本発明は上記問題点に鑑みて案出されたも
のであり、その目的は、半導体素子収納用パッケージに
形成された接続パッドとほぼ球状の端子との接合部にお
ける半導体素子の作動に伴う発熱による疲労破壊の発生
を防止することにより、内部に収容する半導体素子の各
電極を長期間にわたり所定の外部電気回路に安定して電
気的に接続することができる半導体素子収納用パッケー
ジを提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子収納
用パッケージは、電気絶縁材料から成り、上面に半導体
素子が載置される載置部を、下面に多数の凹部を有する
絶縁基体と、該絶縁基体の前記載置部周辺から前記凹部
底面にかけて導出される複数個のメタライズ配線層と、
前記凹部の内部に形成され、前記メタライズ配線層と電
気的に接続されている複数個の接続パッドと、該接続パ
ッドに接合され、前記絶縁基体の下面にほぼ球状の突出
部を有する端子とから成る半導体素子収納用パッケージ
であって、前記接続パッドはその全部が前記凹部の内部
に位置するとともにその下面に円弧状の窪みを有し、前
記端子の一部が前記円弧状の窪みと組み合わさって接合
されており、該円弧状の窪みの曲率半径をＲ、前記凹部
の半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、下記条件式を
満足することを特徴とするものである。 【０００７】１．０＜Ｒ／ｒ≦９．０ Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄ。 【０００８】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、絶縁基体下面の凹部の内部に、その全部がこの凹
部の内部に位置するとともにその下面に円弧状の窪みを
有する接続パッドを設けるとともに、絶縁基体の下面に
ほぼ球状の突出部を有する端子をその接続パッドに端子
の一部を円弧状の窪みと組み合わせて接合し、かつ接続
パッドの端子との円弧状の接合部の曲率半径をＲ、凹部
の半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、1.0＜Ｒ／ｒ
≦9.0、Ｒ≧（ｒ2＋ｄ2）／２ｄなる条件式を満足する
ように成したことから、半導体素子収納用パッケージの
内部に半導体素子を収容するとともに外部電気回路基板
に実装した場合、半導体素子の作動時の発熱が絶縁基板
と外部電気回路基板の両方に繰り返し印加され、両者の
熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が半導体素子
収納用パッケージに形成された接続パッドとほぼ球状の
端子との接合部に加わったとしても、円弧状の窪みを有
する接続パッドとほぼ球状の端子との間の接合面積を十
分に確保できるとともに、それらが強固に組み合わされ
て接合されているため、剥離や疲労破壊が容易に発生す
ることはなく、その結果、半導体素子収納用パッケージ
の内部に収容する半導体素子の各電極を長期間にわたり
所定の外部電気回路基板に安定して電気的に接続させる
ことが可能となる。 【０００９】また、円弧状の窪みを有する接続パッドと
ほぼ球状の端子との接合部において強度の弱い合金層が
半球状に分布することとなるので、この合金層に沿って
進行するクラックにより接合部が破断されるまでの行程
が長くなり、破断されるまでの時間が長くなるため、こ
れによっても半導体素子収納用パッケージの内部に収容
する半導体素子の各電極を長期間にわたり所定の外部電
気回路基板に安定して電気的に接続させることが可能と
なる。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１は本発明の半導体素子収納用パッ
ケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は
その要部拡大断面図である。これらの図において、１は
絶縁基体、２は蓋体、３は半導体素子であり、絶縁基体
１と蓋体２とで半導体素子３を収容する容器４が構成さ
れる。 【００１１】絶縁基体１にはその上面のほぼ中央部に半
導体素子３が載置収容される載置部１ａが設けられてお
り、載置部１ａの底面には半導体素子３がガラスや樹脂
等の接着剤を介して取着される。 【００１２】絶縁基体１は熱膨張係数が小さいセラミッ
クス等の電気絶縁材料、例えば酸化アルミニウム質焼結
体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体・ム
ライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等から成
り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合は、
酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化
カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤
・溶剤等を添加混合して泥漿物を作り、その泥漿物から
ドクターブレード法やカレンダーロール法によってグリ
ーンシート（生シート）と成し、しかる後、そのグリー
ンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複
数枚積層し、約1600℃の温度で焼成することによって作
製される。 【００１３】５はメタライズ配線層であり、半導体素子
３が載置収容される載置部１ａの周辺から絶縁基体１の
下面にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成さ
れている。 【００１４】さらに、１ｂは絶縁基体１の下面に複数個
形成された凹部であり、その凹部１ｂの内部には、メタ
ライズ配線層５が電気的に接続される、下面に円弧状の
窪みを有する複数個の接続パッド６が被着形成されてい
る。 【００１５】メタライズ配線層５はタングステン・モリ
ブデン・マンガン等の高融点金属から成り、タングステ
ン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・
溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１と
なるグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法
等により所定パターンに印刷塗布しておくことによっ
て、焼成後に絶縁基体１の所定位置に所定パターンに被
着形成される。 【００１６】また、接続パッド６もメタライズ配線層５
と同様にタングステン・モリブデン・マンガン等の高融
点金属から成り、タングステン等の高融点金属粉末に適
当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た
金属ペーストを絶縁基体１の凹部１ｂに所定量充填した
後、有機バインダや溶剤を蒸発させてから焼成すること
により、その全部が凹部１ｂの内部に位置するとともに
その下面に円弧状の窪みを有するように形成され、上面
ではメタライズ配線層５と電気的に接続される。 【００１７】この接続パッド６は、凹部１ｂとなる穴を
開けたグリーンシートを積層した後に、スクリーン印刷
によって金属ペーストを流し込むと、金属ペーストの表
面張力によってその表面形状が円弧状の窪みになるの
で、これを焼成することによって所望の曲率半径を有す
る円弧状の窪みを形成することができる。 【００１８】また、上記のようにして形成した円弧状の
高融点金属の表面には、厚み１〜20μｍのニッケルメッ
キならびに厚み0.01〜0.5 μｍの金メッキを施すことが
好ましく、これにより高融点金属の表面の酸化を有効に
防止できると同時に半田等から成るほぼ球状の端子７と
の接合を強固に保つことができる。 【００１９】前記メタライズ配線層５は半導体素子３の
各電極を接続パッド６に接合されるほぼ球状の端子７に
電気的に接続させる作用をなし、絶縁基体１の載置部１
ａ周辺に位置する領域には半導体素子３の各電極がボン
ディングワイヤ８を介して電気的に接続される。 【００２０】また、メタライズ配線層５と電気的に接続
されている接続パッド６は絶縁基体１にほぼ球状の端子
７を取着する際の下地金属層としても機能し、接続パッ
ド６の円弧状の窪みの表面には、例えば鉛と錫の重量比
を６：４とした低融点の鉛−錫半田等からなるほぼ球状
の端子７の一部が、接続パッド６の円弧状の窪みの表面
と組み合わさるような形状の接合部７ａとなって、ロウ
付け等により接合されている。 【００２１】接続パッド６に接合されている端子７は、
また絶縁基体１の下面に球状の突出部７ｂを有してお
り、その球状突出部７ｂは端子７を外部電気回路基板９
の配線導体10に接続させる際に、その接続を容易かつ確
実となす作用をする。 【００２２】そして本発明の半導体素子収納用パッケー
ジにおいては、接続パッド６のほぼ球状の端子７との円
弧状の窪みによる接合部の曲率半径をＲ、凹部１ｂの半
径をｒ、凹部１ｂの深さをｄとしたとき、1.0 ＜Ｒ／ｒ
≦ 9.0、Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの各条件式を満足す
ることを特徴としており、これによって接続パッド６と
ほぼ球状の端子７とが十分な接合面積でもって強固に組
み合わされて接合されることとなり、絶縁基体１の載置
部１ａ内に半導体素子３を収容し、外部電気回路基板９
に実装した後、半導体素子３の作動時の発熱が絶縁基体
１と外部電気回路基板９の両方に繰り返し印加され、両
者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が円弧状
の接続パッド６とほぼ球状の端子７との接合部に加わっ
たとしても、接続パッド６とほぼ球状の端子７との間の
剥離や疲労破壊が有効に防止される。 【００２３】なお、図２において凹部１ｂの径は直径２
ｒ（半径ｒ×２）で示している。 【００２４】上記の条件式に対してＲ／ｒが 1.0以下
（Ｒ／ｒ≦1.0 ）であると、凹部１ｂの接続パッド６と
ほぼ球状の端子７の接合部７ａとの接合面が作る、屈曲
点Ａにおいて絶縁基体１の下面と接合部７ａの接線のな
す角度がほぼ90°に近くなって、半導体素子３の発熱に
伴う熱応力がその屈曲点に集中しやすくなり、熱応力が
繰り返して加わることによって接続パッド６とほぼ球状
の端子７との間の剥離や疲労破壊が発生しやすくなる傾
向がある。 【００２５】他方、Ｒ／ｒが 9.0を超える（ 9.0＜Ｒ／
ｒ）と接続パッド６の下面がほぼ平坦な形状となって十
分な円弧状でなくなることから、接続パッド６と端子７
との接合面積が不十分となるとともに、この平坦な接合
面で熱応力をすべて受ける状態となって剥離や疲労破壊
が発生しやすくなる傾向がある。 【００２６】また、Ｒが（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄより小さ
くなる（Ｒ＜（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄ）と、接続パッド６
の円弧状の窪みの中央部が凹部１ｂの底面によって平ら
につぶされて平坦な形状になり、その平坦な面と周囲の
窪みの円弧が接する部分に屈曲点ができるため、この屈
曲点に熱応力が集中して剥離や疲労破壊が発生しやすく
なる傾向がある。 【００２７】かくして本発明の半導体素子収納用パッケ
ージによれば、絶縁基体１の載置部１ａ底面に半導体素
子３を接着剤を介して接着固定するとともに半導体素子
３の各電極をメタライズ配線層５にボンディングワイヤ
８を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上
面に蓋体２をガラス・樹脂等から成る封止材により接合
させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導
体素子３を気密に封止することによって、製品としての
半導体装置となる。 【００２８】 【実施例】以下に本発明の具体例を示す。アルミナを主
原料とするセラミックスグリーンシートに、凹部１ｂな
らびにメタライズ配線層５となる穴開け・金属ペースト
のスクリーン印刷・打ち抜き加工を施し、これを複数枚
積層して約1600℃の温度で焼成し、外寸が35ｍｍ角、厚
みが１ｍｍの絶縁基体の下面に、半径ｒが0.27ｍｍ、深
さｄが 0.2ｍｍの凹部１ｂが１ｍｍピッチの格子状に 4
80個形成されたものを作製した。 【００２９】次いで、凹部１ｂ内にタングステンペース
トをスクリーン印刷し、焼成した後に厚み２〜３μｍの
ニッケルメッキと厚み 0.2〜0.3 μｍの金メッキを施し
て、種々の曲率半径Ｒの円弧状の窪みを有する接続パッ
ド６を形成した。そして、これら接続パッド６の表面に
半田から成るほぼ球状の端子７を接合し、接続パッド６
とほぼ球状の端子７との接合部の曲率半径Ｒを変化させ
た半導体素子収納用パッケージ試料Ａ〜Ｈを得た。ま
た、比較例の試料として、接続パッド６の表面を絶縁基
体１の下面と同一の平坦面としたものも作製し、試料Ｉ
を得た。 【００３０】このようにして得た試料Ａ〜Ｉを厚さ 1.6
ｍｍのＦＲ４基板から成る外部電気回路基板の配線導体
上に約 0.5ｍｍのギャップで実装し、−40℃と＋125 ℃
の温度サイクル試験を行なって接合部が破断に至るまで
の温度サイクル数を求め、半導体素子収納用パッケージ
と外部電気回路基板との接合寿命を評価した。 【００３１】この結果を表１に示す。なお、表１のＲ対
（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの欄においてＲ＜、Ｒ＝、Ｒ≧と
あるのは、それぞれＲ＜（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄ、Ｒ＝
（ｒ2＋ｄ2 ）／２ｄ、Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄであ
ることを示している。 【００３２】 【表１】 【００３３】表１の結果から、1.0 ＜Ｒ／ｒ≦ 9.0、Ｒ
≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの各条件式を満足する試料Ｂ〜
Ｇにおいてはいずれも破断に至る温度サイクル数が少な
くとも 950サイクル以上であり、上記条件式を満足しな
い試料ＡおよびＨでは高々 500サイクル、接続パッド表
面が平坦な試料Ｉではわずかに 100サイクルであるのに
対して非常に良好な接合寿命であることが分かる。 【００３４】次に、同様にして凹部１ｂの深さｄを 0.3
ｍｍとし、種々の曲率半径Ｒの円弧状の窪みを有する接
続パッド６を形成してほぼ球状の端子７を接合し、半導
体素子収納用パッケージ試料Ｊ〜Ｑを得た。また、接続
パッド６の表面を平坦面としたものも作製し、試料Ｒを
得た。 【００３５】これらに上記と同様の温度サイクル試験を
行なって接合寿命を評価した結果を表２に示す。 【００３６】 【表２】【００３７】表２の結果からも、1.0 ＜Ｒ／ｒ≦9.0 、
Ｒ≧（ｒ2 ＋ｄ2 ）／２ｄの各条件式を満足する試料Ｊ
〜Ｐにおいてはいずれも破断に至る温度サイクル数が少
なくとも1000サイクル以上であり、上記条件式を満足し
ない試料Ｑでは高々 300サイクル、接続パッド表面が平
坦な試料Ｒではわずかに 100サイクルであるのに対して
非常に良好な接合寿命であることが分かる。 【００３８】これらの結果により、本発明の半導体素子
収納用パッケージによれば内部に収容する半導体素子の
各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路基板に安定
して電気的に接続させることが可能であることが確かめ
られた。 【００３９】 【発明の効果】本発明の半導体素子収納用パッケージに
よれば、電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子が載
置される載置部を、下面に多数の凹部を有する絶縁基体
と、その絶縁基体の前記載置部周辺から前記凹部底面に
かけて導出される複数個のメタライズ配線層と、前記凹
部の内部に形成され、そのメタライズ配線層と電気的に
接続され、下面に円弧状の窪みを有するように凹部の内
部に形成された複数個の接続パッドと、その接続パッド
に接合され、前記絶縁基体の下面にほぼ球状の突出部を
有する端子とから成る半導体素子収納用パッケージであ
って、前記接続パッドは、その全部が凹部の内部に位置
するとともにその下面の円弧状の窪みの曲率半径をＲ、
前記凹部の半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、1.0
＜Ｒ／ｒ≦9.0、Ｒ≧（ｒ2＋ｄ2）／２ｄなる条件式を
満足するように成したことから、ほぼ球状の端子を円弧
状の窪みを有する接続パッドに強固に接合させることが
可能になり、半導体素子収納用パッケージの内部に半導
体素子を収容するとともに外部電気回路基板に実装した
場合、半導体素子の作動時の発熱が絶縁基板と外部電気
回路基板の両方に繰り返し印加され、両者の熱膨張係数
の相違に起因する大きな熱応力が半導体素子収納用パッ
ケージに形成された接続パッドとほぼ球状の端子との接
合部に加わったとしても、凹部内に位置する下面に円弧
状の窪みを有する接続パッドと、その一部が接続パッド
の円弧状の窪みと組み合わさって接合されているほぼ球
状の端子との間の接合面積を十分に確保できるととも
に、それらが強固に組み合わされて接合されているた
め、剥離や疲労破壊が容易に発生することはなく、その
結果、半導体素子収納用パッケージの内部に収容する半
導体素子の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路
基板に安定して電気的に接続させることが可能となる。 【００４０】よって、本発明の半導体素子収納用パッケ
ージによれば、半導体素子収納用パッケージに形成され
た接続パッドとほぼ球状の端子との接合部における半導
体素子の作動に伴う発熱による疲労破壊の発生を防止す
ることにより、内部に収容する半導体素子の各電極を長
期間にわたり所定の外部電気回路に安定して電気的に接
続することができる半導体素子収納用パッケージを提供
することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施
形態を示す断面図である。 【図２】図１に示す半導体素子収納用パッケージの要部
拡大断面図である。 【符号の説明】 １・・・・・絶縁基体 １ａ・・・載置部 １ｂ・・・凹部 ２・・・・・蓋体 ３・・・・・半導体素子 ５・・・・・メタライズ配線層 ６・・・・・接続パッド ７・・・・・端子 ７ｂ・・・ほぼ球状の突出部
形態を示す断面図である。 【図２】図１に示す半導体素子収納用パッケージの要部
拡大断面図である。 【符号の説明】 １・・・・・絶縁基体 １ａ・・・載置部 １ｂ・・・凹部 ２・・・・・蓋体 ３・・・・・半導体素子 ５・・・・・メタライズ配線層 ６・・・・・接続パッド ７・・・・・端子 ７ｂ・・・ほぼ球状の突出部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/60
H01L 21/92
H01L 23/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 電気絶縁材料から成り、上面に半導体素
子が載置される載置部を、下面に多数の凹部を有する絶
縁基体と、該絶縁基体の前記載置部周辺から前記凹部底
面にかけて導出される複数個のメタライズ配線層と、前
記凹部の内部に形成され、前記メタライズ配線層と電気
的に接続されている複数個の接続パッドと、該接続パッ
ドに接合され、前記絶縁基体の下面にほぼ球状の突出部
を有する端子とから成る半導体素子収納用パッケージで
あって、前記接続パッドはその全部が前記凹部の内部に
位置するとともにその下面に円弧状の窪みを有し、前記
端子の一部が前記円弧状の窪みと組み合わさって接合さ
れており、該円弧状の窪みの曲率半径をＲ、前記凹部の
半径をｒ、凹部の深さをｄとしたとき、下記条件式を満
足することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。 １．０＜Ｒ／ｒ≦９．０ Ｒ≧（ｒ2＋ｄ2）／２ｄ
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19927196A JP3372769B2 (ja) | 1996-07-29 | 1996-07-29 | 半導体素子収納用パッケージ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19927196A JP3372769B2 (ja) | 1996-07-29 | 1996-07-29 | 半導体素子収納用パッケージ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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-
1996
- 1996-07-29 JP JP19927196A patent/JP3372769B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH1050768A (ja) | 1998-02-20 |
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