JP3432330B2 - 接合構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、基板の新規な接合構造
体及び該接合構造を利用した新規な半導体素子搭載用パ
ッケージに関する。詳しくは、耐熱衝撃性、耐湿性に優
れ、これにより高い信頼性を発揮する接合構造体及び電
気特性に優れ、且つ耐熱衝撃性、耐湿性に優れた半導体
素子搭載用パッケージを提供するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、半導体素子の分野では、マイクロ
プロセッサーに代表されるように集積密度の増加、高速
化の方向にあり、それを搭載する半導体素子搭載用パッ
ケージ（以下、単にパッケージともいう）においても電
気特性の向上、放熱性の向上、多ピン化、信頼性の向上
が求められてきた。又、携帯用パソコン搭載のため軽量
化、コンパクト化も求められるようになった。 【０００３】従来、電気的及び熱的に優れたパッケージ
として、タングステンを電気回路用導体として使用した
アルミナセラミック製回路基板と、熱膨張率をアルミナ
と厳密に一致させた銅−タングステン金属（合金）製放
熱板とを、銀−銅系ろう材により接合したタイプのパッ
ケージが実用化されてきた。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな接合構造を有するパッケージは、接合部分の信頼性
は高いものの各基板の材質として熱膨張率を厳密に一致
させる必要があり、又高温のろう付け工程が必要なため
その材質は制限され、樹脂系基板や低融点基板などへの
適用は不可能である。そのため、パッケージを構成する
回路基板、放熱用基板の材質を選択する自由度が小さ
く、今後のパッケージに求められるより高速、高密度実
装対応の可能な電気特性、熱特性上の改良に限界があっ
た。 【０００５】一方、パッケージとして、多様な材質と特
性からなる基板同士を接着剤層を介して接合し、各々の
基板の特徴を生かしたパッケージを得ようとする試みが
なされている。 【０００６】例えば、セラミック、金属よりなる放熱用
基板と、ガラス繊維−エポキシ樹脂、ガラス繊維−ビス
マレイミド・トリアジン樹脂（以下、ＢＴレジンとい
う）、ガラス繊維−変性ポリフェニレンエーテル（以
下、変性ＰＰＥという）、ガラス繊維−熱硬化ポリフェ
ニレンオキサイド（以下、熱硬化ＰＰＯという）、ガラ
ス繊維−フッ素樹脂などの比較的低誘電率で高周波特性
の優れた絶縁基板を使用した樹脂系回路基板や、窒化ア
ルミニウム、ムライト、アルミナ、ベリリア、炭化珪
素、窒化珪素などのセラミック焼結体、及びガラスセラ
ミックなど比較的低熱膨張率の絶縁基板を使用したセラ
ミック系回路基板とを接合したパッケージが考えられ
る。或いは放熱用基板は用いず、樹脂系、セラミック
系、ガラス系の回路基板だけの組み合わせで接合したパ
ッケージも考えられる。 【０００７】上記構造のパッケージは、それぞれ特徴を
有する基板同士をハイブリッド化するものであり、接合
される基板の機能及び特性がそれぞれ最大限発揮できる
よう組み合わせ、従来にない高性能のパッケージを得る
ことが出来る。 【０００８】しかしながら、上記構造のパッケージは、
基板の材質は機能面で決定されるため、該基板間の熱膨
張率は一般に異なるものとなる。そのため、得られるパ
ッケージは、急速加熱・冷却による熱衝撃で接合部分に
熱応力が発生し、接合強度の低下や、クラックが発生し
易く、該接合部分の信頼性の確保が難しいという欠点を
有する。 【０００９】上記クラックの発生は、セラミック系、ガ
ラス繊維−エポキシ樹脂系、ガラス繊維−ＢＴレジン
系、ガラス繊維−熱硬化ＰＰＯ系基板などのように金属
系に比べ柔軟性が乏しい、即ちリジッドで且つ強度が低
い材質において顕著に発生し易い。 【００１０】又、樹脂系の基板を使用する場合、熱膨張
率の異なる基板同士の接合は勿論、熱膨張率の一致した
同材質の基板を用いた接合構造体であっても、接合強度
の低下や、クラックが発生し易い。このような不具合
は、例えば、吸湿した樹脂系基板を用いた接合体を−６
５〜１５０℃間の繰り返し加熱冷却（以下、単に熱衝撃
テストという）、２６０℃の溶融ハンダ浴への浸漬（以
下、単にハンダ耐熱テストという）といった高温への急
速加熱や、樹脂系基板の接合体を１２１℃、２気圧の１
００％飽和水蒸気中での放置という条件のプレッシャー
クッカーテスト（以下、単にＰＣＴという）といった高
温高湿下で顕著に見られる。樹脂系基板の場合、セラミ
ック系や金属系と異なり吸湿性が高い。この吸湿性は上
記のようなリジッドタイプに限らず、フレキシブルタイ
プでも同様である。樹脂系基板においては、吸湿による
基板の膨張や、吸湿後の基板は加熱されることで水分が
急激に膨張することから、基板の寸法変動が生じ易いと
考えられる。このように吸湿性のある樹脂系基板を用い
た接合構造体の場合、上記寸法変動により接合部分の信
頼性が低下するという問題がある。 【００１１】更に、上記のように熱膨張率の異なる基板
間の接合や吸湿性のある基板など、基板そのものの物理
的、化学的変化に伴う問題の他に、下記に示す接着剤そ
のものに関する問題もある。即ち、金属系やセラミック
系、及びガラス系などの基板を使用する場合、基板間の
熱膨張率が一致したもの同士を接合する場合において
も、上記ハンダ耐熱テストや、ＰＣＴで接合体の接着強
度低下やクラック、剥離が生じ易いという問題がある。
この接着強度の低下は、接着剤自身の吸湿による寸法変
動、及び高温に曝された後の劣化と考えられる。 【００１２】以上述べたハイブリッドタイプのパッケー
ジを作製するに当たっての接合構造体に関する問題点を
まとめると以下の通りである。 【００１３】（１）接合される基板の熱膨張率の違いに
伴う接着性の低下 （２）接合される基板の吸湿に伴う接着性の低下 （３）接着剤自身の耐熱性の劣化、及び接着剤自身の吸
湿に伴う接着性の低下 上記のようにいくつかの理由により、放熱用基板と回路
基板、或いは回路基板同士を接合し、より高機能化な接
合構造体を得ようとしても、接合部分の信頼性が低いた
め、実用化までには至っていない。 【００１４】従って、より高機能で多様な特性が発揮で
きる回路基板と放熱用基板との接合、或いは、回路基板
同士の接合等の組み合わせにおいても、厳しい環境試験
に対して接合部分の信頼性が高い接合構造の開発が望ま
れていた。 【００１５】 【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる問題
を解決するために鋭意研究した結果、上記基板間の接合
を、特定の接着剤層を介して接合することにより、耐熱
性、耐熱衝撃、耐湿性に優れた接合構造体が得られるこ
とを見いだし本発明を完成させるに至った。 【００１６】即ち、本発明は、接着剤層を介して複数の
基板が互いに面接合された接合構造体であって、上記複
数の基板の少なくとも1つは窒化アルミニウム焼結体か
らなり、且つ上記接着剤層が、シリカ及び／又はアルミ
ナを５〜７３重量％含有する、２５℃における弾性率が
０．０５〜５Ｋｇ／ｍｍ ^２ である加熱硬化型シリコーン
ゴム系接着剤の硬化体からなることを特徴とする前記接
合構造体である。又、本発明は、上記接合構造体よりな
る半導体素子搭載用パッケージを提供するものである。 【００１７】本発明の接合構造体において、接合の対象
となる基板は、電子部品に使用するための基板を何ら制
限なく使用できる。例えば、電気回路がプリントされた
回路基板、放熱用基板、電源用あるいは接地用の導電性
基板等を挙げることができる。但し、接合の対象となる
基板の少なくとも一つは窒化アルミニウム焼結体からな
る。 【００１８】上記の回路基板としては、絶縁体部分に樹
脂、セラミック等の公知の材質のものを使用できる。樹
脂系回路基板としては、例えば、エポキシ樹脂、ＢＴレ
ジン、ポリイミド、ポリエステル、変性ＰＰＥ、熱硬化
ＰＰＯなどを挙げることができ、また、セラミック系回
路基板としては、窒化アルミニウム、ムライト、アルミ
ナ、ベリリア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミック焼
結体系絶縁材、あるいは結晶化ガラスなどを挙げること
ができる。さらに、ガラスクロスやガラス不織布等のガ
ラス繊維、アラミド不織布、セラミック粉末と樹脂との
複合体を用いることもできる。例えば、ガラス繊維−エ
ポキシ樹脂、ガラス繊維−ＢＴレジン、ガラス繊維−変
性ＰＰＥ、ガラス繊維−フッ素樹脂、ガラス繊維−熱硬
化ＰＰＯ、アラミド繊維−エポキシ樹脂等を挙げること
ができる。 【００１９】回路基板は、上記した各種の絶縁体の表面
あるいは内部に、例えば、金、銀、銅、タングステン、
モリブデン、ニッケルなどの金属や、導電性セラミッ
ク、導電性樹脂などからなる導体を主成分とする導電性
材料により、信号、接地、電源等の電気回路が形成され
たものが一般に使用される。これらの電気回路は基板の
片面または両面に形成されていてもよく、また、内部に
形成されていてもよい。さらに、このような電気回路が
形成された回路基板が複数枚積層されていてもよい。 【００２０】回路基板を放熱用基板と接合する場合は、
回路基板の放熱用基板との接合面に対して反対面に表面
実装用の接続端子を設けたほうが好ましい。 【００２１】樹脂系回路基板は、リジッドなもの（厚
み：０．１５〜２ｍｍ程度）に限らず、樹脂フィルムな
どの表面或いは内部に電気回路が形成された柔軟なフレ
キシブル回路基板（厚み：２５〜２２０μｍ程度）も用
いることができる。更に、上記樹脂系回路基板におい
て、樹脂材料の内部にアルミニウム、銅などの金属板を
埋め込んで複合化し、放熱性を高めた回路基板も使用で
きる。 【００２２】回路基板にはスルーホールおよびビアホー
ルを形成させることもできる。 【００２３】セラミック系回路基板は、半導体素子実装
工程中の画像認識などのために公知の着色剤を含ませて
黒色、黒灰色、黒褐色、褐色、黒紫色等に着色されたも
のも使用できる。 【００２４】更に、上記回路基板の熱膨張率はセラミッ
ク系や結晶化ガラス系の場合、０〜１００℃の範囲で２
〜８×１０^-6・℃^-1程度の比較的小さい範囲にあり、樹
脂系やガラス繊維−樹脂の複合材料系の場合、基板面に
平行方向で６〜３０×１０^-6・℃^-1程度の範囲にある。 【００２５】次に、本発明における基板の一つである放
熱用基板は、半導体素子から発生する熱をパッケージ外
部に逃がすためのもので、その目的のためにセラミック
焼結体や金属、合金等の高熱伝導性の基板が使用され
る。放熱用基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上、好まし
くは１００Ｗ／ｍＫ以上のものが好ましい。その形状は
板状、フィン状など使用する形態に応じて適宜決定され
る。 【００２６】上記放熱用基板の材質は、熱伝導性に優れ
たものであればよい。例えば、金属、セラミック等を挙
げることができる。具体的に例示すれば、金属として
は、銅、アルミニウム、ニッケル、ベリリウム、マグネ
シウム、モリブデン、タングステンなどの金属；銅−タ
ングステン合金、銅−モリブデン合金、真鍮、Ｙ−合金
などの上記各種金属を主成分とする合金；銅−モリブデ
ン−銅、銅−インバー−銅、銅−コバール−銅、銅−４
２合金−銅などのクラッド材等を挙げることができる。
また、セラミックとしては、窒化アルミニウム、炭化珪
素、酸化ベリリウム等の焼結体を挙げることができる。
特に、窒化アルミニウムは、高熱伝導率であることは勿
論、低熱膨張率、高ヤング率、高電気絶縁性、軽量など
の特性から放熱用基板として好ましい。 【００２７】これら各種の放熱用基板の熱膨張率は０〜
１００℃間においてセラミックの場合は比較的小さく２
〜８×１０^-6・℃^-1程度であり、金属の場合は３〜２５
×１０^-6・℃^-1程度の範囲である。特に、１５ｍｍ角よ
り大きい大面積の半導体素子を放熱用基板に接合して搭
載する際には、半導体素子との熱膨張率の差が大きくな
りすぎることによる反りや半導体素子のクラックなどの
不具合を避けるために、０〜１００℃における熱膨張率
の値が１６×１０^-6・℃^-1以下のものが好ましく、さら
には１０×１０^-6・℃^-1以下の低熱膨張率のものがより
好ましく、半導体素子との熱膨張率の差が２０×１０^-6
・℃^-1以下、さらに１３×１０^-6・℃^-1以下であること
が好ましい。 【００２８】また、放熱用基板の厚みは得られる接合構
造体の反りを減少させる観点から０．２ｍｍ以上、好ま
しくは０．３ｍｍ以上がよい。 【００２９】また、放熱用基板は、本発明による接合構
造体において、熱膨張率の異なる基板と接合する場合、
接合後の反りを低減するために、弾性率（ヤング率）が
０．５×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²以上、好ましくは１．２×１
０⁴Ｋｇ／ｍｍ²以上、より好ましくは２．０×１０⁴Ｋ
ｇ／ｍｍ²以上であることが好ましい。このような剛性
を有する放熱用基板としては、モリブデンやタングステ
ンなどの金属やセラミックスが好適である。例えば、熱
膨張率の異なる基板を接合した場合、４０ｍｍ角の正方
形の大きさの接合構造体で、上記放熱用基板の弾性率が
０．５×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²の場合で反りは２００μｍ以
下、１．２×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²の場合で１００μｍ以
下、２．０×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²の場合で５０μｍ以下と
なる。 【００３０】次に、電源用あるいは接地用の導電性基板
としては、一般に金属板を使用することができる。この
ような金属としては、銀、銅、アルミニウム、ニッケ
ル、モリブデン、４２合金、コバール、またはこれら金
属を主成分とする合金を挙げることができる。また、こ
れら金属及び合金間、或いはその他の金属及び合金を用
いて作製されるクラッド材も使用できる。これらの電源
用及び接地用の導電性基板において、ワイアボンディン
グが行われる部分には、アルミニウム、金、銀などの比
較的柔らかい金属で表面が被覆されていることが好まし
い。 【００３１】これらの基板は、複数枚が後述する特定の
接着剤によって面接合されている。面接合される基板の
組合せは、得られる接合構造体の使用目的に応じて決定
される。例えば、回路基板−回路基板、回路基板−放熱
用基板、回路基板−電源用導電性基板−接地用導電性基
板−放熱用基板等の組合せを例示することができる。上
記回路基板−回路基板の組み合わせの場合は、その材質
としては、樹脂系−樹脂系、樹脂系−セラミックス系お
よびセラミックス系−セラミックス系の組み合わせが本
発明の効果が顕著であるために好適である。これらの各
種基板の熱膨張率は同じであっても異なっていてもよい
が、本発明の効果が特に発揮されるのは、これらの各種
基板の熱膨張率が異なっている場合である。例えば、一
方の基板としてセラミックス、例えば、窒化アルミニウ
ムまたは金属の放熱用基板を使用し、他方の基板として
樹脂系の回路基板を使用する場合、樹脂系の回路基板の
吸湿性などの影響により、基板間の熱膨張率差を一致さ
せるための調整が困難であるが、本発明を採用すること
により、このような場合であっても良好な接合が可能で
ある。 【００３２】本発明においては、環境試験後の接着の信
頼性をより高くするために、上記した基板の複数枚を、
２５℃における弾性率が０．０５〜５Ｋｇ／ｍｍ ^２ であ
る加熱硬化型シリコーンゴム系接着剤を介して面接合す
ることが重要である。なお、本発明での接着剤層の弾性
率は、接着剤が硬化した状態での弾性率である。このよ
うな弾性率を有する接着剤層は、常温においてゴム弾性
を有する。 【００３３】さらに、本発明で用いられる接着剤層は、
上記した各種の環境試験で変質しないものであることが
好ましい。特に、ＰＣＴ条件の１２１℃の高温下、１０
０％飽和水蒸気中に曝されても常温に戻したときにゴム
状弾性が維持されものが望ましい。また、−５５℃以
下、好ましくは−６５℃以下の低温においても変質せず
に常温に戻したときにゴム状弾性が維持され柔軟性が保
たれることが望ましい。 【００３４】接着剤層を形成する接着剤としては、硬化
して形成される接着剤層が上記特性を有するシリコーン
ゴム系接着剤が使用される。該シリコーンゴム系接着剤
としては、シラン或いはオルガノポリシロキサンを主成
分とするシリコーンオイルに架橋剤、シランカップリン
グ剤等の接着性付与剤を配合したものなどが好適に使用
される。 【００３５】上記のシリコーンゴム系接着剤は、耐湿性
が高く（吸湿性が小さく）、本発明において好適であ
る。特に、シリコーンゴム系接着剤のうち、加熱硬化
型、例えば、白金系触媒を使用した付加重合型のものが
接合強度が大きいために好適に使用される。 【００３６】上記接着剤の弾性率や接着強度などは含ま
れる充填剤の種類や含有量により影響を受け易い。本発
明で使用するシリコーンゴム系接着剤は、シリカ及び／
又はアルミナを５〜７３重量％含有する加熱硬化型シリ
コーンゴム系接着剤である。 【００３７】また、目的とする接合構造体の機能上、接
着剤層には導電性を付与することも可能である。具体的
には、上記接着剤に金、銀、銅などの金属やセラミック
系導電粉末を加えて導電性接着剤とすることができる。
この様な導電性接着剤は、例えば、後述する図３に示し
た回路基板同士を接合するパッケージにおいて、基板同
士の電気的な接続が求められる場合に接着剤層の一部又
は全部として使用することができる。この場合、電気的
接続が必要な部分だけを導電性接着剤により接合し、他
の部分は電気的に絶縁性の接着剤で基板同士を接合すれ
ばよい。 【００３８】また、２５℃における弾性率が１０Ｋｇ／
ｍｍ²以下の接着剤層による基板の接合強度は、本発明
の接合構造体を半導体素子搭載用パッケージに使用する
場合には、既述のように環境試験を行う必要があり、こ
のような環境試験に耐え得る接合強度であることが好ま
しい。即ち、接合強度は２Ｋｇ／ｃｍ²以上であること
が好ましく、５Ｋｇ／ｃｍ²以上であることがより好ま
しく、特に１０Ｋｇ／ｃｍ²以上であることが最も好ま
しい。また、既述の環境試験によって接着強度の低下が
小さいものが好適である。 【００３９】本発明において接着剤層は公知の方法によ
って形成させることができる。例えば、フィルム状、ペ
ースト状、粉末状などの形態の接着剤を適宜選択し、フ
ィルム状の場合は、必要な形状にプレス打ち抜きやカッ
ティングにより成形して基板間に介在させて接合を行え
ばよく、ペースト状の場合は、スクリーン印刷、ディス
ペンサーなどを用いて少なくとも一方の基板面に塗布
し、接合を行えばよく、さらに、粉末状の接着剤を使用
する場合は、静電塗装などで少なくとも一方の基板面に
塗布し、接合を行う方法を採用することができる。この
様な方法により、接着剤層の厚みの制御も比較的好適に
行うことができる。 【００４０】接着剤層の厚みは、接合される基板間の熱
膨張率差にもよるが、接着の信頼性を向上させ、また、
パッケージの厚みが厚くなりすぎるのを防ぐためには、
１〜１０００μｍが適当である。 【００４１】以下、本発明の接合構造体が半導体素子搭
載用パッケージを構成する場合について説明する。半導
体素子搭載用パッケージの場合、接合される基板の組み
合わせとしては、回路基板−回路基板、回路基板−放熱
用基板、回路基板−電源用導電性基板−接地用導電性基
板−放熱用基板等の組合せが一般的である。 【００４２】半導体素子搭載用パッケージの代表的な態
様の概略を表す断面図を図１〜５に示した。図１は、平
板状の放熱用基板１と、枠状の回路基板２とを接着剤層
４により接合することにより、該枠状の回路基板の切欠
内周を内壁とし、放熱用基板を底面とする半導体素子搭
載のためのキャビティー３が形成されたパッケージを示
す。図１のように枠状の回路基板２を用いて作製される
パッケージは、半導体素子を回路基板２とは別の放熱用
基板上に直接搭載できるので特に放熱性が優れる。 【００４３】図２は、予めキャビティー３が形成された
構造の回路基板２の底面に放熱用基板１が接着剤層４に
より接合されたパッケージを示す。 【００４４】更に、図３は、回路基板同士を接合したパ
ッケージであり、回路基板２′と回路基板２″とを接着
剤層４を介して接合し、該回路基板２″の表面にハンダ
ボール６による接続端子を構成して表面実装可能な構造
とした態様を示す。 【００４５】また、半導体素子の裏面に電位を与える必
要のある場合には、図４に示すようなパッケージとする
ことができる。即ち、放熱用基板１と枠状の回路基板２
とを接合し、形成されたキャビティー部分に相当する放
熱用基板１の表面に厚膜メタライズや金属板等で導電部
分８を形成し、その上の半導体素子を搭載する部分に銀
−エポキシ系樹脂、銀−ポリイミド系樹脂、銀−シリコ
ーン系樹脂等の導電性のダイボンダー７を形成し、さら
にその周囲であって導電部分８の上に導電性接着剤４′
を形成し、ダイボンダー７上に半導体素子を搭載したパ
ッケージとする。回路基板２より導電性接着剤４′、導
電部分８、ダイボンダー７を電気的に経由して半導体素
子５の裏面に電位が与えられる。 【００４６】図５に、フレキシブル回路基板と放熱用基
板とを接合したパッケージの例を示す。図５を詳しく説
明すれば、放熱用基板１と回路基板２とが接着剤層４を
介して接合されている。放熱用基板１上には、接着剤１
４により半導体素子５が搭載されている。回路基板２の
表面には、銅などの金属箔からなる単一層の電気配線回
路１６が施され、電源層、接地層、信号層を形成してい
る。回路基板２の表面にはハンダなどからなる金属ボー
ル６が取り付けられ、パッケージの入出力用端子として
機能している。半導体素子５は金、或いはハンダなどか
らなるバンプ１５により、電気配線回路１６と接続され
ている。キャビティー内部には、封止用ポッティング材
１２が充填されている。回路基板２にはダム１１が設け
られ、ポッティング材１２の充填時に、金属ボール部分
などポッティング材が不必要な領域へ流れ出ないように
してある。上記のように、半導体素子との接続を細いワ
イアボンディングによらず、バンプにより直接行うこと
で、電源層、接地層、もしくは信号層のインダクタンス
を、例えば２ｎＨ以下に低減化することが可能となり、
良好な電気特性が得られる。 【００４７】本発明の好適な態様は以下の通りである。
（１）〜（８）は放熱用基板と回路基板とが接合された
接合構造体の態様を示し、（９）〜（１０）は回路基板
同士が接合された接合構造体の態様を示す。 【００４８】（１）放熱用基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ
Ｋ以上である。 【００４９】（２）放熱用基板の熱膨張率と搭載される
半導体素子の熱膨張率との差が２０×１０^-6・℃^-1以
下、さらに１３×１０^-6・℃^-1以下である。 【００５０】（３）回路基板が１層又は多層の電気配線
用パターンを有する。 【００５１】（４）回路基板の放熱用基板との接合面に
対して反対面に表面実装用の接続端子を有する。 【００５２】（５）放熱用基板の少なくとも一部がセラ
ミック焼結体により構成され、回路基板が樹脂系の基板
よりなる。 【００５３】（６）放熱用基板が窒化アルミニウムの焼
結体により少なくとも一部が構成され、回路基板が樹脂
系の基板よりなる。 【００５４】（７）放熱用基板の弾性率が０．５×１０
⁴Ｋｇ／ｍｍ²以上である。 【００５５】（８）放熱用基板の半導体素子搭載領域
に、半導体素子基板へ電位を与えるためのメタライズが
施されている。 【００５６】（９）樹脂系と樹脂系、樹脂系とセラミッ
ク系、もしくはセラミック系同士の回路基板間の接合に
より構成されている。 【００５７】（１０）回路基板の電気回路が実質的にス
ルーホールで形成されている。 【００５８】 【発明の効果】以上の説明より理解されるように、本発
明の接合構造体は、耐熱衝撃性、耐湿性、耐熱性に優
れ、これにより高い接合信頼性を発揮することが可能で
あり、特にかかる接合構造を有する半導体素子搭載用パ
ッケージは、優れた信頼性を有しながら、使用する基板
の特性を生かし、高機能で自由度の高い設計が可能であ
るという特徴を有する。 【００５９】 【実施例】以下、本発明をより具体的に説明するために
実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。なお、以下の実施例および比較例では、
接着剤および基板として以下のものを使用した。 【００６０】（１）接着剤 １）エポキシ樹脂系接着剤：ペースト状で主剤と硬化剤
の二液を混合後硬化を行うタイプのものと、硬化剤が混
合済みでフィルム状でＢステージ（半硬化）可能なタイ
プの二種類を用いた。 【００６１】２）ポリイミド系接着剤：ペースト状の芳
香族ポリイミド前駆体溶液で塗布後に加熱キュアして硬
化させる熱硬化タイプのものと、フィルム状の熱可塑性
タイプ（レグルス（商品名：三井東圧化学株式会社
製））の二種類を用いた。 【００６２】３）フッ素樹脂系接着剤：フィルム状のＰ
ＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキル
ビニルエーテル共重合体）と呼ばれる熱可塑性のものを
用いた。 【００６３】４）シリコーンゴム系接着剤：ペースト状
の一液型で室温硬化タイプ（通常ＲＴＶゴムと呼ばれ
る）のものと、同じペースト状の一液型で、ＳｉＨ基と
ビニル基を含んだオルガノポリシロキサン同士を塩化白
金酸触媒と共に加熱し、付加重合させることでジメチレ
ン架橋を形成して硬化させる加熱硬化タイプで、弾性率
の異なるもの４種を使用した。これらの接着剤は、フィ
ラーとして酸化珪素および酸化アルミニウム微粉末を含
むものである。更に、加熱硬化タイプで導電性を有する
もの（表１において種類Ｋで示した。比抵抗は４×１０
^-4Ω・ｃｍを示した）も別に一種類用意した。導電性シ
リコーンゴムはシリカと銀の微粉末を含むものである。 【００６４】（２）基板 １）樹脂系回路基板： ・ガラス繊維−エポキシ樹脂積層板（ＦＲ−５と呼ばれ
る高耐熱性のもの、熱膨張率１２．２×１０^-6・℃ ^-1 、
弾性率０．１６×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・ガラス繊維−ＢＴレジン積層板（熱膨張率１４．７×
１０^-6・℃ ^-1 、弾性率０．２６×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・ガラス繊維−変性ＰＰＥ積層板（熱膨張率１６．７×
１０^-6・℃ ^-1 、弾性率０．０８×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・ポリイミドフレキシブル基板（熱膨張率２０．２×１
０^-6・℃ ^-1 、弾性率０．０３×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） これらの基板の形状は外形４０ｍｍ角の正方形状で、各
基板の中央部には２０ｍｍ角の正方形の空間がある。ま
た、空間のない平板状のものも用意した。厚みは表面に
形成された銅箔の厚みを除いてリジッドタイプが０．８
ｍｍ、フレキシブルタイプが７５μｍである。これら基
板は、その表面には厚さ１８μｍの銅箔、或いはアルミ
ニウム箔などの金属箔が接着されていたものを塩化第二
鉄によるエッチングで余分な金属箔を剥離し、金属箔に
よる回路を形成したものである。 【００６５】２）セラミック系回路基板： ・窒化アルミニウム焼結体（熱膨張率４．４×１０^-6・
℃ ^-1 、弾性率３．５×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・アルミナ焼結体（熱膨張率７．４×１０^-6・℃ ^-1 、弾
性率３．１×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・ムライト焼結体（熱膨張率３．７×１０^-6・℃ ^-1 、弾
性率１．９×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） これらの基板の形状は外形４０ｍｍ角の正方形状で中央
部には２０ｍｍ角の正方形の空間はなく、平板状のもの
だけ用意した。厚みは０．８ｍｍである。これら基板
は、その両面にタングステン、モリブデン、銅、銀−パ
ラジウムなどを主成分とする厚膜導体、チタン−白金−
金、チタン−タングステン−銅、窒化タンタルなどを主
成分とする薄膜導体及び抵抗体により電気回路を形成し
た。 【００６６】３）放熱用基板： ・窒化アルミニウム焼結体（熱膨張率４．４×１０^-6・
℃ ^-1 、弾性率３．５×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・両面銅張り窒化アルミニウム焼結体（窒化アルミニウ
ム系基板の両面に厚み１５０μｍの無酸素銅板を銀−銅
−チタン（又はジルコニウム）系の活性金属ろう材で接
合した基板、熱膨張率４．６×１０^-6・℃ ^-1 、弾性率
３．５×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・無酸素銅（熱膨張率１６．２×１０^-6・℃ ^-1 、弾性率
１．２×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） ・アルミニウム（熱膨張率２３．２×１０^-6・℃ ^-1 、弾
性率０．７×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²） これらの基板の形状は外形４０ｍｍ角の正方形状で厚み
は０．８ｍｍの平板状のものである。これら基板には電
気回路は形成されておらず、セラミック焼結体系基板の
場合は焼成後バレル研磨しただけのものである。無酸素
銅基板および両面銅張り窒化アルミニウム焼結体には全
面ニッケルメッキが厚さ３〜５μｍで施されている。ま
た、アルミニウム基板の表面には陽極酸化被膜が厚さ７
μｍで施されている。 【００６７】なお、以上に示した各種基板の熱膨張率は
０〜１００℃間の値であり、また、弾性率は２５℃のと
きの値である。さらに、弾性率は、ガラス繊維−樹脂積
層板はＪＩＳ Ｃ６４８１のプリント基板の強度測定法
に準拠し、セラミック系基板はＪＩＳ Ｒ１６０２のセ
ラミックの曲げ強度測定法に準拠し、その他は引張法に
より求めた。 【００６８】実施例１ 表１に示した各種の接着剤を表１に示したサンプル形状
となるように、また、表１に示した硬化条件で硬化さ
せ、硬化体の２５℃における引張弾性率を表１に示した
引張速度で求めた（シリコーンゴム系接着剤について
は、ＪＩＳ Ｃ２３２１に基づいて引張弾性率を求め
た。）。その結果を表１に示した。 【００６９】 【表１】 【００７０】実施例２ 実施例１で得られたシリコーンゴム系接着剤の硬化体を
環境試験の条件に曝し、その弾性率変化を調べた。環境
試験は、熱衝撃テスト（−６５〜１５０℃繰り返し加熱
冷却：１０００回）、ハンダ耐熱テスト（２６０℃溶融
ハンダ中１０秒間浸漬：５回繰り返し）、及びプレッシ
ャークッカーテスト（１２１℃、２気圧、１００％飽和
水蒸気中）の３種である。熱衝撃テストとハンダ耐熱テ
ストは、吸湿させたものとさせないものとを用いた。吸
湿は、５０℃×２４時間乾燥後、４０℃、９０Ｒｈ％の
高温高湿中に２４時間放置することによって行った。そ
の時の吸水率は０．１重量％以下と小さかった。吸湿さ
せないものは硬化完了後、５０℃×２４時間乾燥し、た
だちに環境試験に用いた。これらの結果を表２に示し
た。 【００７１】 【表２】【００７２】実施例３ 表３および表４に示した基板１と基板２とを、表１に示
した各種の接着剤により接合し、接着強度を測定した。
基板１は、４０ｍｍ角の正方形状で厚み０．８ｍｍの平
板状のものを使用した。また、基板２は、長さ２０ｍｍ
×幅３ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの短冊状のものを使用し
た。接着に際して、基板の表面状態や基板の吸湿による
接着性のばらつきを避けるために、これら基板１および
基板２をイソプロピルアルコールで超音波洗浄後、１２
０℃で２４時間乾燥した。次に、短冊状の基板２に接着
剤を長さ５ｍｍ×幅３ｍｍに亘って施し、接着剤を施し
た部分を基板１と面接合させ、接着剤の施されていない
残りの長さ１５ｍｍ×幅３ｍｍの部分が基板１の周囲か
らはみ出した状態で基板２を基板１に接着させた。基板
２上へのペースト状接着剤の塗布は、種類Ｊのシリコー
ンゴム系接着剤を除きスクリーン印刷法を採用した。種
類Ｊのシリコーンゴム系接着剤はディスペンサーを用い
て塗布した。接着剤層の厚みはペースト状およびフィル
ム状共に全て１２０μｍに調整した。各接着剤の硬化条
件は、表１に示した条件を採用した。 【００７３】硬化完了後、実施例２で行った環境試験を
行い、その後の接着強度を測定した。接着強度は、基板
１を固定し、基板１の周囲からはみ出した短冊状の基板
２の部分を基板１の面に対して９０度方向に引っ張るこ
とにより測定し、接着部分の面積（５ｍｍ×３ｍｍ＝
０．１５ｃｍ²）で除して単位面積当たりの値に換算し
た。 【００７４】また、各基板を吸湿させた状態で上記と同
様にして接合強度を測定し、その結果を表３及び表４に
併せて示した。表３及び表４におけるＮｏ．５、６、
８、１４〜１７、２１、３９〜４０及び４２が本発明の
接合構造体に該当するものである。また、Ｎｏ．１〜
３、９〜１０、２４〜２６、３０〜３１及び３８は比較
例であり、それ以外のＮｏ．は参考例である。なお、吸
湿は、５０℃×２４時間乾燥後、４０℃、９０Ｒｈ％の
高温高湿中に２４時間放置することにより行った。参考
のために各種の基板について上記と同様の吸湿条件で吸
湿させたときの吸水率（吸湿前後の重量増加分を吸湿前
の重量で除した値）を表５に示した。 【００７５】なお、基板１および基板２は、熱膨張率差
がいずれも１．５〜１９．５×１０^-6・℃^-1の範囲であ
った。 【００７６】また、上記で使用した樹脂系回路基板は表
面に形成された銅箔回路は全て剥離された状態のものを
用い、セラミック系放熱用基板は焼成後バレル研磨した
状態のものを用いた。金属の放熱用基板はアルミニウム
基板を除き表面の酸化防止のためＮｉメッキを３〜５μ
ｍ施して使用した。アルミニウム基板は、表面に陽極酸
化被膜を厚さ７μｍで施したものを使用した。 【００７７】ガラス繊維−樹脂系基板の熱膨張率は基板
平面に平行方向の値を求めたが、ガラス繊維の方向によ
り多少異なるので基板面に平行な面内においてタテ及び
横方向の熱膨張率を求め、これらを平均した。 【００７８】 【表３】【００７９】 【表４】【００８０】 【表５】【００８１】実施例４ 前記した各種基板を用いて図１〜５に示した半導体素子
搭載用パッケージを作製し、環境試験を行った。各種基
板の組合せとその構造を表６に示した。 【００８２】 【表６】 【００８３】各種基板はイソプロピルアルコールで超音
波洗浄後、銅箔により回路が形成されたものを除き１２
０℃で２４時間乾燥した後に接合した。また、銅箔によ
り回路が形成されたものは、８０℃で２４時間乾燥後に
接合した。接着剤の硬化条件は表１の条件を採用した。 【００８４】その結果、シリコーンゴム系接着剤を使用
した場合は、いずれの環境試験後においても接着強度が
２Ｋｇ／ｃｍ²以上であり、環境試験による接着強度の
低下が見られず、さらに、基板同士の接合部分でのクラ
ックや剥離は認められなかった。また、半導体素子（シ
リコンチップ、熱膨張率２．９×１０^-6・℃ ^-1 ）との接
着部分にもクラックや剥離は認められなかった。また、
得られたパッケージの反りも図５のアルミニウム製放熱
用基板を使用したものが最大で１２０μｍであり、その
他は１００μｍ以下であった。また、窒化アルミニウム
焼結体製放熱用基板を使用したパッケージはすべて５０
μｍ以下と小さく、良好であった。しかしながら、熱硬
化性のエポキシ樹脂、ポリイミド、および熱可塑性フッ
素樹脂の接着剤を用いて製作したパッケージは、基板同
士の接合部分でクラックや剥離が見られ、接着強度の極
端な低下などの不具合がみられた。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の接合構造体よりなる半導体素子搭載
用パッケージの断面図の１例である。 【図２】 本発明の接合構造体よりなる半導体素子搭載
用パッケージの断面図の１例である。 【図３】 本発明の接合構造体よりなる半導体素子搭載
用パッケージの断面図の１例である。 【図４】 本発明の接合構造体よりなる半導体素子搭載
用パッケージの断面図の１例である。 【図５】 本発明の接合構造体よりなる半導体素子搭載
用パッケージの断面図の１例である。 【符号の説明】 １ 放熱用基板 ２ 回路基板 ２′ 回路基板 ２″ 回路基板 ３ キャビティー ４ 接着剤層 ４′ 導電性接着剤層 ５ 半導体素子 ６ 金属（ハンダ）ボール ７ ダイボンダー（導電性） ８ 放熱用基板上に形成された導電部分 １１ ダム １２ 封止用ポッティング樹脂 １４ 半導体素子搭載用接着剤 １５ バンプ １６ 電気回路

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/12

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 接着剤層を介して複数の基板が互いに面
   接合された接合構造体であって、上記複数の基板の少な
   くとも1つは窒化アルミニウム焼結体からなり、且つ上
   記接着剤層が、シリカ及び／又はアルミナを５〜７３重
   量％含有する、２５℃における弾性率が０．０５〜５Ｋ
   ｇ／ｍｍ ^２ である加熱硬化型シリコーンゴム系接着剤の
   硬化体からなることを特徴とする前記接合構造体。