JP3420450B2 - 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

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

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
子などの半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケ
ージに関する。 【0002】 【従来の技術】従来から、半導体集積回路素子などの半
導体素子は、パッケージに収納された状態でプリント配
線基板などに実装される。高い信頼性が要求される用途
では、図1に示すようなセラミック材を電気絶縁材料と
して形成されるパッケージが使用されている。 【0003】図1は、絶縁基体1と蓋体2とで、半導体
素子3を収納して、フラット型のパッケージ4を形成し
ている状態を示す。絶縁基体1は、一般にアルミナセラ
ミックスなどの無機電気絶縁材料から成り、タングステ
ン(W)やモリブデン(Mo)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5が、電気絶縁材料の焼
結過程で同時に生成される。メタライズ配線層5には、
ニッケルメッキ、金メッキなどが施され、半導体素子3
に形成されるボンディングパッドとの間でボンディング
ワイヤ6による電気的接続が行われる。メタライズ配線
層5の一部はパッケージ4の外部に露出し、外部リード
端子7がロウ材8を介して接合される。絶縁基体1に半
導体素子3を収納し、ボンディングワイヤ6による電気
的接続が終了すると、絶縁基体1の表面に設けられてい
るメタライズ層9を利用して蓋体2がロウ材10で接合
され、半導体素子3を収納する絶縁基体1の凹所11が
外部に対して気密に封止される。なお半導体素子3は、
絶縁基体1の凹所11の底面にガラス、樹脂あるいはハ
ンダなどの接合層12によって固定される。 【0004】半導体素子3は大気と接触するのを防止す
るために、気密封止を確実に行う必要がある。このた
め、絶縁基体1と蓋体2との間で、線熱膨張係数に差が
あると、熱応力が発生し、ロウ材10などの接合部や絶
縁基体1に微小なクラックが形成され、パッケージ4の
気密性が劣化して信頼性が低下する恐れがある。このた
め、蓋体2としては、絶縁基体1の主成分であるアルミ
ナセラミックスの線熱膨張係数に近い線熱膨張係数を有
する42アロイなどの鉄ニッケル合金やコバールと称さ
れる鉄・ニッケル・コバルト合金が材料として使用され
ている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】図1に示すような半導
体素子3を収納するパッケージ4では、蓋体2として4
2合金やコバールなどを材料として使用しているけれど
も、これらは強磁性体であるニッケル・コバルトを含ん
でいるため、外部から磁化されやすく、パッケージ4の
周囲に存在している磁束が通りやすく、蓋体2の周辺で
は磁束密度が高くなってしまい、半導体素子3も蓋体2
によって高められる磁束の影響を受けることになる。近
年半導体素子3は、特にLSIと呼ばれる大規模集積回
路素子などで、省電力化が進められ、電源電圧が低くな
る傾向がある。さらに、パッケージ4全体が一層小型化
されることも要望され、蓋体2と半導体素子3との間の
距離も小さくなっている。このため、蓋体2によってパ
ッケージ4の周囲の磁束が半導体素子3上に集中する
と、磁束の変化によって半導体素子3内に誘起される電
圧がノイズとなり、特に電源電圧が低い場合に誤動作し
やすくなってしまう。 【0006】半導体集積回路素子としての省電力化の背
景には、最近のモービルタイプの電子機器の普及で、バ
ッテリを電源として長時間使用することができることを
目的として、低電圧で作動する半導体集積回路への要求
が存在する。低電圧で作動する半導体集積回路では、電
源ノイズの影響が大きくなってしまう。すなわち、5V
の電圧で1Vまでのノイズの耐性、すなわち20%まで
のノイズの耐性がある場合に、3Vの駆動電圧で1Vの
ノイズが入れば、20%のノイズの耐性限界を越えて誤
動作する可能性が大きくなる。 【0007】本発明の目的は、外部からの磁界の変化に
よるノイズの影響が少ない半導体素子収納用パッケージ
を提供することである。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁基体と蓋
体とから成り、内部に半導体素子を収納するための空所
を有する半導体素子収納用パッケージであって、前記蓋
体は、銅もしくは銅を主成分とする金属で形成され、前
記絶縁基体は、酸化リチウム(Li2O)を5〜30重
量%含有するリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%
と、40〜400℃における線熱膨張係数が8ppm/
℃以上であるフィラーを80〜20体積%との割合で含
む成形体を、焼成して得られる焼結体から成る、40〜
400℃における線熱膨張係数が10〜20ppm/℃
のセラミック材で形成されることを特徴とする半導体素
子収納用パッケージである。 【0009】また絶縁基体のセラミック材は、線熱膨張
係数が8ppm/℃以上であるフィラーとリチウム珪酸
ガラスとを含むので、線熱膨張係数が40〜400℃に
おいて10〜20ppm/℃となって、蓋体として使用
する銅もしくは銅を主成分とする金属との線熱膨張係数
の差が小さくなり、蓋体で絶縁基体を気密に封止したと
きの熱応力が小さくなって、封止部分の信頼性を高くす
ることができる。 【0010】 【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態の概略的な
構成を、図1を用いて示す。基本的な形状は、従来から
のパッケージと同等である。絶縁基体1は、40〜40
0℃の温度範囲における線熱膨張係数が10〜20pp
m/℃のセラミック材、たとえばリチウム珪酸ガラス
と、線熱膨張係数が40〜400℃で8ppm/℃以上
であるフィラーとを焼成して得られる焼結体である。蓋
体2は、銅または銅を主成分とする金属である。このよ
うな蓋体2の線熱膨張係数は、銅の線熱膨張係数である
17ppm/℃である。絶縁基体1が一般的なアルミナ
セラミックス等の場合は、線熱膨張係数が約7ppm/
℃となるので、蓋体2が銅である場合に線熱膨張係数の
差が大きく、熱応力が発生しやすい。本実施形態では絶
縁基体1と蓋体2との間の線熱膨張係数の差が小さくな
り、温度変化に対して発生する熱応力が小さくなる。 【0011】LSIなどの半導体素子3は、絶縁基体1
と蓋体2とから成るパッケージ4内に気密封止され、周
囲の環境の影響から保護される。半導体素子3は、絶縁
基体1に形成されているメタライズ配線層5に対し、ボ
ンディングワイヤ6を介して電気的に接続される。メタ
ライズ配線層5に対し、パッケージ4の外部で外部リー
ド端子7がロウ材8によって接合される。蓋体2は、絶
縁基体1の表面のメタライズ層9にロウ材10によって
接合される。蓋体2による絶縁基体1の気密封止は、絶
縁基体1の凹所11に半導体素子3を接合層12を介し
て固定し、ボンディングワイヤ6を用いてメタライズ配
線層5との間で電気的接続を終了した後、行われる。 【0012】図1に示すように、半導体素子3を内部に
収納したフラット型のパッケージ4は、プリント配線基
板などに実装されて使用される。プリント配線基板に、
他の電子部品とともにハンダなどで接合される際に、4
00℃程度まで加熱される可能性がある。このため、絶
縁基体1と蓋体2とは、40〜400℃の温度範囲で、
線熱膨張係数の差が小さいことが望ましい。パッケージ
4を構成する絶縁基体1と蓋体2とのうち、蓋体2とし
て銅あるいは銅を主成分とする金属を使用する場合は、
前述のようにその線熱膨張係数は17ppm/℃である
ので、絶縁基体1としては、その温度範囲で線熱膨張係
数が10〜20ppm/℃程度のセラミック材料を用い
ることが好ましい。このようなセラミック材料として、
リチウム珪酸ガラス20〜80体積%と、40〜400
℃における線熱膨張係数が8ppm/℃以上のフィラー
80〜20体積%とを含む成形体を焼成して成る焼結体
によって形成するいわゆるガラスセラミック焼結体が好
適に用いられる。 【0013】前記リチウム珪酸ガラスとしては、たとえ
ば SiO2−Li2O−Al23 SiO2−Li2O−Al23−MgO−TiO2 SiO2−Li2O−Al23−MgO−Na2O−F SiO2−Li2O−Al23−K2O−Na2O−ZnO SiO2−Li2O−Al23−K2O−P25 SiO2−Li2O−Al23−K2O−P25−ZnO
−Na2O SiO2−Li2O−MgO SiO2−Li2O−ZnO 等の組成物が挙げられ、このうち、酸化珪素(SiO
2 )は、リチウム珪酸を形成するために必須の成分であ
り、ガラス全量中60〜85重量%の割合で存在する。
SiO2とLi2Oとの合量がガラス全量中65〜95重
量%であることが、リチウム珪酸結晶を析出させる上で
望ましい。 【0014】また、40〜400℃における線熱膨張係
数が8ppm/℃以上であるフィラーとしては、表1に
挙げたものが好適に使用される。 【0015】 【表1】 【0016】さらにリチウム珪酸ガラスの成分量を20
〜80体積%、フィラーの成分量を20〜80体積%の
範囲とするのは、セラミック材料の40〜400℃にお
ける線熱膨張係数を10〜20ppm/℃の範囲に制御
するとともに、焼成温度を下げるためであり、リチウム
珪酸ガラスの成分量が20体積%より少ない、言い換え
ればフィラーが80体積%より多いと液相焼結すること
ができずに高温で焼成する必要があり、またリチウム珪
酸ガラスが80体積%より多い、言い換えるとフィラー
が20体積%より少ないと、セラミック材料の特性がリ
チウム珪酸ガラスの特性に大きく依存していまい、線熱
膨張係数を所定値に制御するのが困難となるとともに、
原料のコストも高くなってしまうからである。 【0017】またリチウム珪酸ガラスでは、酸化リチウ
ム(Li2O)を5〜30重量%、特に5〜20重量%
の割合で含有することが重要である。このようなリチウ
ム珪酸ガラスを用いることによって、高い線熱膨張係数
を有するリチウム珪酸を析出させることができる。な
お、酸化リチウムの含有量が5重量%より小さいと、焼
成時にリチウム珪酸の結晶の生成量が少なくなってしま
い、高い線熱膨張係数を得ることができない。酸化リチ
ウムの含有量が30重量%より大きいと、電気絶縁体と
しての誘電正接が100×10-4を超えるため、基板と
しての特性が劣化してしまう。またこのガラス中には鉛
(Pb)を実質的に含まないことが望ましい。鉛は毒性
を有するため製造工程中での被毒を防止するための格別
な装置および管理を必要とするために、焼結体を安価に
製造することができなくなるためである。鉛が不純物と
して不可避的に混入する場合を考慮すると、鉛の含有量
は0.05重量%以下であることが望ましい。 【0018】さらに、リチウム珪酸ガラスの屈伏点を、
400〜800℃、特に400〜650℃としておくこ
とが望ましい。これはリチウム珪酸ガラスおよびフィラ
ーから成る成形体を形成する場合、有機樹脂バインダー
を混合しているが、焼成時に前記有機樹脂バインダーを
効率良く除去するためである。屈伏点が400℃より低
いと、成形体の緻密化が低温で開始するために、有機樹
脂バインダーが分解揮散できなくなり、有機樹脂バイン
ダー成分が残留して特性に影響を及ぼす結果となる。一
方、屈伏点が800℃より高いと、リチウム珪酸ガラス
の量を多くしないと結晶しにくくなるため高価なリチウ
ム珪酸ガラスを大量に必要とすることになり、焼結体の
コストが高くなってしまう。 【0019】フィラーは、リチウム珪酸ガラスの屈伏点
に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。すわな
ち、リチウム珪酸ガラスの屈伏点が400〜650℃と
低い場合は、低温での焼結性が高まるためフィラーの含
有量は50〜80体積%と比較的多く配合することがで
きる。これに対して、リチウム珪酸ガラスの屈伏点が6
50〜800℃と高い場合は、焼結性が低下するためフ
ィラーの含有量は20〜50体積%と比較的少なく配合
することが望ましい。 【0020】リチウム珪酸ガラスは、フィラー無添加で
は収縮開始温度が700℃以下となり、850℃以上で
は溶融してしまう。フィラーを20〜80体積%の割合
で混合することによって、焼成温度を上昇させ結晶の析
出とフィラーを液相焼結させるための液相の形成とを行
うことができる。また原料コストを下げるためには、高
価な結晶性ガラスの含有量を減少させることが好まし
い。 【0021】リチウム珪酸ガラスとフィラーとの混合物
は、成形のための有機樹脂バインダーを添加した後、所
望の成形手段、たとえばドクターブレード、圧延法、金
型プレス等によってシート状など任意の形状に成形さ
れ、焼成に供される。 【0022】焼成に当たっては、まず成形のために配合
した有機樹脂バインダー成分を除去する。有機樹脂バイ
ンダーの除去は、700℃前後の大気雰囲気中で行われ
る。成形体の収縮開始温度は700〜850℃程度であ
ることが望ましい。収縮開始温度がこれより低いと有機
樹脂バインダーの除去が困難となるので、成形体中のリ
チウム珪酸ガラスの特性、特に屈伏点を制御することが
重要である。焼成は、850〜1300℃の酸化性雰囲
気中で行われ、相対密度90%以上まで気密化される。
このときの焼成温度が850℃より低いと、緻密化する
ことができない。 【0023】このようにして製造される焼結体中には、
リチウム珪酸ガラスから生成される結晶相、リチウム珪
酸ガラスとフィラーとの反応によって生成する結晶相、
あるいはフィラーが分解して生成する結晶相等が存在
し、これらの結晶相の粒界にガラス相が存在して焼結体
の線熱膨張係数が40〜400℃において10〜20p
pm/℃となる。 【0024】なお、前記酸化リチウム(Li2O )を5
〜30重量%含有するリチウム珪酸ガラス20〜80体
積%と、40〜400℃における線熱膨張係数が8pp
m/℃以上であるフィラーを80〜20体積%の割合で
含む成形体を焼成して得られる焼結体から成る40〜4
00℃における線熱膨張係数が10〜20ppm/℃の
セラミック材は、その焼成温度が従来のアルミナセラミ
ックスに比べて低いことから、メタライズ配線層5を従
来のタングステン(W)やモリブデン(Mo)等の電気
抵抗率が5.4μΩ・cm(20℃)以上の高融点金属
粉末にかえて、電気抵抗率が2.5μΩ・cm(20
℃)以下の低融点の銅(Cu)や銀(Ag)、金(A
u)を使用することができる。かかる銅(Cu)や銀
(Ag)、金(Au)でメタライズ配線層5を形成する
と、銅(Cu)や銀(Ag)等の電気抵抗率が低いこと
からメタライズ配線層5を信号が伝播した際、メタライ
ズ配線層5で信号が大きく減衰することはなく、良好に
伝播させることができる。 【0025】また前記セラミック材は、その比誘電率が
7.5(室温1MHz)であり、従来のアルミナセラミ
ックスの比誘電率(10〜11:室温1MHz)より低
いことから、メタライズ配線層5を伝播する信号の伝播
速度を従来に比し極めて速いものとなすこともでき、こ
れによってメタライズ配線層5を介して半導体素子3に
信号を高速で出し入れし、半導体素子3を高速駆動させ
ることもできる。 【0026】以上説明したようなセラミック材を絶縁基
板として製造するためには、リチウム珪酸ガラスとフィ
ラーから成る原料粉末に適切な有機樹脂バインダーや可
塑剤、溶剤を添加混合して泥漿物を作るとともに、その
泥漿物に対し、ドクターブレード法やカレンダロール法
を用いてグリーンシートを形成する。さらにメタライズ
配線層やワイヤボンディング用の接続パッドとして、
銅、銀あるいは金などの金属粉末に有機樹脂バインダ
ー、可塑剤および溶剤を添加混合して形成する金属ペー
ストを、グリーンシート上にスクリーン印刷法などによ
って所定パターンを形成するように印刷して塗布する。
場合によっては、グリーンシートに適当な打抜き加工を
施して、スルーホールを形成し、このスルーホール内に
も金属ペーストを充填する。これらのグリーンシートを
複数枚積層し、グリーンシートと金属ペーストとを同時
焼成することによって、図1に示すような多層構造のパ
ッケージ4を得ることができる。 【0027】図2は、本発明の実施の他の形態の概略的
な構成を示す。本実施形態では、前述のようなセラミッ
ク材による絶縁基体21と銅もしくは銅を主成分とする
金属による蓋体22とを組合わせ、半導体集積回路素子
23を収納するボールグリッドアレイ(BGA)型のパ
ッケージ24を構成する。半導体素子23は、絶縁基体
21に形成されているメタライズ配線層25に、バンプ
26によってフェースボンディング方式で電気的に接続
される。メタライズ配線層25は、パッケージ24の外
部でグリッド状に配列されるボール27に接続される。
蓋体22と半導体集積回路素子23との間には、樹脂層
28が充填され、蓋体22と絶縁基体23との間を気密
に封止する。このようなパッケージ24においても、絶
縁基体21と銅もしくは銅を主成分とする金属による蓋
体22との間の線熱膨張係数の差が小さいので、熱応力
を小さくすることができる。 【0028】なお、図1および図2の実施形態では、フ
ラット型およびBGA型のパッケージについて本発明を
それぞれ実施しているけれども、他の型のパッケージに
ついても同様に実施することができる。 【0029】 【実施例】以下本発明の絶縁基体1,21のセラミック
材を、さらに具体的な例で説明する。リチウム珪酸ガラ
スとしては、次の2種のガラスを準備する。 重量比率で74%SiO2−14%Li2O−4%Al
23−2%P25−2%K2O−2%ZnO−2%Na2
O(Pb含有量50ppm以下、屈伏点480℃) 重量比率で78%SiO2−10%Li2O−4%Al
23−2%P25−5%K2O−1%Na2O(Pb含有
量50ppm以下、屈伏点780℃) これらの2種のガラスに対して、前述の表1に示したフ
ィラー成分を組合わせ、得られる焼結体に対し、40〜
400℃の線熱膨張係数や他の物性値を測定した結果を
次の表2に示す。 【0030】 【表2】 【0031】誘電損失は、焼結体を直径60mm、厚さ
2mmに加工し、JISC2141の手法で、LCRメ
ータ(Y.H.P.社製4284A型)を用いて求め、
また比誘電率はLCRメータを用いて1MHz、1.0
Vrmsの条件で25℃における静電容量を測定し、こ
の静電容量から25℃における比誘電率を算出した。ま
たメタライズ配線層として銅(Cu)を同時焼成により
被着形成し、メタライズ配線層の剥離、溶融、焼結不良
などについての評価も行った。 【0032】なお、評価のためのサンプルは、表2に示
す各原料組成物を用いて、溶媒としてのトルエンとイソ
プロピルアルコール、バインダとしてのアクリル樹脂、
可塑剤としてのDBP(ジブチルフタレート)を用い
て、ドクターブレード法により厚み500μmのグリー
ンシート成形体を作成し、その表面にCuメタライズ配
線用金属ペーストをスクリーン印刷法に基づいて塗布し
た。そして次にこれを700℃でN2+S2O雰囲気中で
脱バインダ処理し、各焼成温度で窒素雰囲気中でメタラ
イズ配線層と絶縁基板とを同時に焼成し、パッケージ用
の配線基板を作成した。 【0033】本実施例によるセラミック材は、線熱膨張
係数が10〜20ppm/℃の範囲であるので、蓋体と
して使用する銅もしくは銅を主成分とする金属との線熱
膨張係数の差が小さくなり、蓋体で絶縁基体を気密に封
止したときの熱応力が小さく、封止部分の信頼性を高く
することができる。 【0034】また、本実施例によるセラミック材は、焼
結温度がアルミナセラミックなどと比較して低くなるの
で、メタライズ配線層にCuなどの導電率の高い金属を
用いることができる。アルミナセラミックなどでは、焼
結温度が高いので、メタライズ配線層にはモリブデン
(Mo)やタングステン(W)などの高融点金属材料を
用いる必要があり、導電性はあまり大きくないので、電
気抵抗値が高くなり、半導体集積回路素子に対する信号
の伝達の際の損失が大きくなる。本実施例では、銅をメ
タライズ配線層に使用することができるので、メタライ
ズ配線層の電気抵抗値が小さくなり、信号の減衰量も減
少する。 【0035】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、蓋体を磁
性のほとんどない銅もしくは銅を主成分とする金属で形
成し、絶縁基体を蓋体との間で線熱膨張係数の差が小さ
いセラミック材で形成するので、外部の磁界の影響によ
るノイズの影響が少なくなり、気密封止の信頼性を高く
することができる。 【0036】また絶縁基体に使用されるセラミック材の
線熱膨張係数を蓋体としての銅もしくは銅を主成分とす
る金属に近付けることができ、半導体収納用パッケージ
の非磁性化と気密封止の信頼性向上とを図ることができ
る。 【0037】またリチウム珪酸ガラスとフィラーとを組
合わせて、線熱膨張係数が蓋体としての銅もしくは銅を
主成分とする金属に近い絶縁基体を形成することができ
るので、非磁性の蓋体によるノイズ低減と、蓋体と絶縁
基体との間の熱応力の低減による気密封止の信頼性向上
とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施の一形態の構成を示す概略的な断
面図である。 【図2】本発明の実施の他の形態の概略的な断面図であ
る。 【符号の説明】 1,21 絶縁基体 2,22 蓋体 3,23 半導体素子 4,24 パッケージ 5,25 メタライズ配線層 6 ボンディングワイヤ 7 外部リード端子 8,10 ロウ材 26 バンプ 27 ボール 28 樹脂層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/00 - 23/12 H01L 21/56 H01L 23/28 - 23/30

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 絶縁基体と蓋体とから成り、内部に半導
    体素子を収納するための空所を有する半導体素子収納用
    パッケージであって、 前記蓋体は、銅もしくは銅を主成分とする金属で形成さ
    れ、 前記絶縁基体は、酸化リチウム(Li2O)を5〜30
    重量%含有するリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%
    と、40〜400℃における線熱膨張係数が8ppm/
    ℃以上であるフィラーを80〜20体積%との割合で含
    む成形体を、焼成して得られる焼結体から成る、40〜
    400℃における線熱膨張係数が10〜20ppm/℃
    のセラミック材で形成されることを特徴とする半導体素
    子収納用パッケージ。
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