JP3814429B2 - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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り、特に球状半田からなる接続端子を具備するパッケージの改良に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来より、LSI等の半導体集積回路素子(以下、単に半導体素子という。)を収容するための半導体素子収納用パッケージaは、図4の半導体素子収納用パッケージを外部回路基板に実装した時の概略断面図(a)、並びに要部拡大断面図(b)に示すように、一般にアルミナセラミックス等からなる絶縁基板21の表面に、半導体素子22周辺から基板21下面にかけてタングステン、モリブデン等の高融点金属から成る複数個のメタライズ配線層23が形成され、前記絶縁基板21の下面の接続パッド24には、接続端子25が形成されている。図4のパッケージにおいては、接続端子25として、球状半田が接続パッド24にロウ付け取着されている。また、絶縁基板21の表面に搭載された半導体素子22は、絶縁基板21にガラス、樹脂などにの封止材によって接合された蓋体26によって気密に封止されている。
【0003】
なお、半導体素子22は、絶縁基板の上面にガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定され、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等を介して電気的に接続されている。
【0004】
また、半導体素子22が収納された半導体素子収納用パッケージaは、前記球状半田からなる接続端子25を外部電気回路基板bの配線導体27上に載置当接させ、しかる後、前記球状の接続端子25を約150〜250℃の温度で加熱溶融し、球状半田を配線導体27に接合させることによって外部回路基板b上に実装される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体素子収納用パッケージaにおいては、一般にアルミナなどのセラミックス等からなる絶縁基板21の熱膨張係数が6〜10×10-6/℃であるのに対して、一般に半導体素子(シリコン)22の熱膨張係数は3〜5×10-6/℃であり、外部回路基板bとしてはプリント配線板(熱膨張係数13〜15×10-6/℃)が用いられる。
【0006】
このため、上記パッケージaを外部回路基板bに実装した場合、半導体素子22の作動時に発する熱が、絶縁基板21と外部回路基板bの両方に繰り返し印加されると、半導体素子22と絶縁基板21および外部回路基板bには熱膨張係数の相違に起因した反り変形が生じる。このとき、熱膨張係数の関係は、半導体素子<絶縁基板≦外部回路基板の関係にあるため各構成部材は同じ方向へ反る。
【0007】
しかしながら、前記半導体素子収納用パッケージaの半導体素子22搭載側の周縁付近には、蓋体26が固着されている。そのために、絶縁基板21の蓋体26と接合している周縁付近では、絶縁基板21の反り変形が抑制されることになる。その結果、絶縁基板21と蓋体26との周縁付近の接合部の直下に位置する接続端子の高さ方向の自由熱膨張が抑制される。
【0008】
絶縁基板21と外部回路基板bを接続している球状の接続端子25には、絶縁基板21と外部回路基板bの熱膨張差によるせん断歪みが生じる。せん断歪みは(変位/接続端子の高さ)で決まるため、接続端子25の高さが等しい場合には、絶縁基板21と外部回路基板bの熱膨張差が大きい外側の接続端子25ほど高くなる。さらに蓋体26による熱膨張の抑制が加わると、一層せん断歪みが大きくなり、熱疲労破壊しやすくなり、その結果、パッケージaと外部回路基板bとを接続する接続端子25において、クラックが発生し、接続性が変化するという問題があった。
【0009】
従って、本発明は、球状半田からなる接続端子を具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、半導体素子の作動/停止に伴う熱サイクルが繰り返し印加された場合においても、球状半田からなる接続端子の熱疲労を抑制し、外部回路基板との接続性に優れた半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、一方の表面に半導体素子が実装搭載されるセラミック絶縁基板と、該絶縁基板の他方の表面に設けられた複数の球状半田からなる接続端子と、前記半導体素子と前記前記接続端子とを電気的に接続するためのメタライズ配線層と、前記絶縁基板表面に実装される半導体素子を気密に封止するためのセラミック製蓋体とを具備してなる半導体素子収納用パッケージにおいて、前記蓋体に曲げ剛性を低減するための凹部を形成することにより、蓋体の曲げ剛性を低減することができる結果、蓋体は絶縁基板および外部回路基板と同じ方向に反ることができるようになるため、接続端子が受ける高さ方向の熱膨張の抑制は小さくなり、負荷されるせん断歪みを低減することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明にかかる半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図である。図1によれば、本発明の半導体素子収納用パッケージAにおいては、絶縁基板1の表面に、半導体素子2周辺から基板1下面にかけてメタライズ配線層3が形成され、前記絶縁基板1の下面の接続パッド4には、接続端子5として、Sn−Pb、Sn−Pb−Bi、Sn−Ag等の球状半田がロウ付け取着されている。また、絶縁基板1の表面に搭載された半導体素子2は、絶縁基板1にガラス、樹脂などにの封止材によって接合されたセラミック製蓋体6によって気密に封止されている。
【0012】
なお、半導体素子2は、絶縁基板1の上面にガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定され、半導体素子2の各電極とメタライズ配線層3とをボンディングワイヤ等を介して電気的に接続されている。
【0013】
前記絶縁基板1は、アルミナ、ムライト、SiC,AlN、Si3 N4 のうちの1種を主成分とするセラミックス、あるいは低温焼成のガラスセラミックスなどの電気絶縁材料から成り、例えばアルミナセラミックスから成る場合はアルミナに対して、SiO2 、MgO、CaOなどの助剤を含有し、例えば、アルミナおよび助剤からなる混合粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合してスラリーを作るとともに、スラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法をによってグリーンシート(生シート)と作製し、しかる後、前記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、1500〜1700℃の温度で焼成することによって作製される。
【0014】
前記メタライズ配線層3及び接続パツド4は、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成り、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ー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基板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により所定パターンに印刷塗布しておくことによって絶縁基板1の所定位置に所定パターンに被着形成されるものである。
【0015】
尚、前記球状半田からなる接続端子5は、例えば、絶縁基板1の接続パッド4に半田を過剰に供給し、しかる後、これを約150〜250℃で加熱溶融させることによって溶融した半田の表面張力によって球状となる。また、場合によっては、高融点半田からなる球状半田を低融点半田によってロウ付けすることも可能である。
【0016】
前記セラミック製蓋体6は、絶縁基板1と同様に、アルミナ、ムライト、SiC,AlN、Si3 N4 のうちの1種を主成分とするセラミックス、あるいは低温焼成のガラスセラミックスなどの電気絶縁材料によって形成され、乾式プレスによって所定の形状に成形した後に焼成することによって作製される。
【0017】
また、半導体素子2が収納された上記半導体素子収納用パッケージAは、前記球状半田からなる接続端子5を外部回路基板B表面に形成された配線導体7上に載置当接させ、しかる後、前記球状の接続端子5を約150〜250℃の温度で加熱溶融し、球状半田を配線導体7に接合させることによって外部回路基板B上に実装される。
【0018】
なお、外部回路基板Bは、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料以外に、プリント配線板等の有機材料基板を用いる。
【0019】
本発明によれば、上記半導体素子収納用パッケージAのセラミック製蓋体6による熱膨張の抑制を防ぐために、蓋体6の曲げ剛性を低減する必要がある。最も簡単な方法は、蓋体6全体の肉厚を薄くして剛性を低下させる方法である。しかしながら、乾式プレスで作製するセラミックス製蓋体6の薄型化はせいぜい0.3mm程度が限界であり、また、蓋体全体を0.3mmまで薄くすると、焼成時の反りの問題や、蓋体自体の機械的強度の問題、また、半導体素子2の気密封止性などの問題が生じる。従って、セラミック製蓋体6の全体厚さTは0.3mm以上、特に0.5mm以上であることが望ましい。
【0020】
焼成時の反りは、セラミックスの肉厚が薄いほど顕著であり、反りが大きいと半導体素子2の気密性を損なう。また、肉厚が薄いと乾式プレスにより均一に成形することが難しく、壊れやすいため成形体の取り扱いも困難である。また、曲げ強度も肉厚の3乗に比例するため、肉厚が薄くなると破壊強度も低下する。このような理由から蓋体全体の厚さTを薄くすることにより曲げ剛性を低下させることは他の要素への悪影響が大きい。
【0021】
そこで本発明によれば、図1に示すように、セラミック製蓋体6の全体の肉厚を薄くせず、蓋体6に所定深さの凹部8を形成することにより、蓋体6の曲げ剛性を効果的に低下させることができる。例えば、蓋体6の肉厚が0.6mmであっても、凹部の肉厚tを0.3mmにすることにより、蓋体6全体の曲げ剛性を低減することができるのである。なお、凹部8の厚さtは0.1〜0.4mmが望ましい。
【0022】
蓋体6に設ける凹部8は、蓋体6の外側(外気と接する側)あるいは内側(半導体素子封止側)に設けても良い。また、形成する凹部8の形状も蓋体の曲げ剛性が低減できるものであれば特に限定するものではなく、図2(a)〜(d)に示すように、四角形、円、スリット形状など様々なものが考えられる。また、図3(a)〜(c)のように、蓋体6の中心に設けても良い。
【0023】
このような凹部8を蓋体6に設ける場合、蓋体6全体の曲げ剛性は凹部8の肉厚によって支配されるため蓋体6の全体曲げ剛性が低下する。したがって、絶縁基板1および外部回路基板Bに反り変形が生じても、その反り変形を蓋体6が抑制することがなく、蓋体6も同じ方向へと反ることができる。そのため、絶縁基板1と蓋体6の接合部直下の接続端子5の高さ方向の自然熱膨張を抑制することがなく、接続端子5へのせん断歪みを低減することができる。
【0024】
その結果、半導体素子の作動/停止に伴う熱サイクルが繰り返し印加された場合においても、球状半田からなる接続端子の熱疲労を抑制し、外部回路基板との接続性に優れた半導体素子収納用パッケージを提供できる。
【0025】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づき説明する。
この実施例では、セラミック絶縁基板1およびセラミック製蓋体6をいずれもSiO2 、MgOおよびCaOを5重量%の割合で含有するアルミナセラミックス(熱膨張係数6×10-6/℃)によって形成した。なお、メタライズ配線層2、接続パッド4は、いずれもタングステンからなり、絶縁基板1と1600℃の同時焼成によって形成した。
【0026】
半導体素子2としては、シリコン製(熱膨張係数3×10-6/℃)を用い、球状の接続端子5としては、Sn63重量%−Pb37重量%の直径が0.7mmの半田ボールを形成した。そして、ガラスエポキシ樹脂(熱膨張係数15×10-6/℃)からなる外部回路基板の表面の銅からなる配線導体に対して、パッケージを搭載し、230℃で処理してパッケージを外部回路基板に実装した。
【0027】
なお、パッケージのサイズは、絶縁基板1が縦17mm×横17mm×厚さ0.75mm、半導体素子が縦9mm×横9mm×厚さ0.4mm、蓋体はプレス成形後、1600℃で焼成して外形寸法が15mm×15mmであり、厚さ0.6mmの凹状の蓋体を用いた。さらに、外部回路基板は縦67mm×横67mm×厚さ1.25mmのものを使用した。また、パッケージにおける接続パッド径は0.6mm、接続パッドのピッチは1mmであり、接続端子を225個設けた。
【0028】
上記の半導体素子収納用パッケージの蓋体の上部に、深さ0.3mm、幅1.5mmの凹部を図2(a)に示すように四角形状、あるいは図2(b)に示すように円形形状に設け、半導体素子の中心から溝の内径までの距離Lの大きさを変えた数種のパッケージを用意した。また、図3(b)に示すように、深さ0.35mmの円形の凹部を半導体素子の中心から溝の内径までの距離Lの大きさを変えた数種のパッケージを用意した。作製したパッケージに対して−40℃〜100℃の温度サイクル試験を行った。100サイクル毎に、パッケージと外部回路基板の配線導体間の電気抵抗を測定し、電気抵抗が変化した時のサイクル数を熱疲労寿命として評価した。結果は、表1に示した。
【0029】
【表1】
【0030】
表1から明らかなように、従来の蓋体に凹部を設けない従来の半導体素子収納用パッケージでは、端子の高さ方向の熱膨張が抑制され、せん断歪みが大きくなるために早い時期に熱疲労破壊を生じている。
【0031】
これに対して、本発明のように蓋体に曲げ剛性を低減する溝を設けることにより、端子が絶縁基板と蓋体の接合部の影響を受けなくなり、熱疲労寿命が長くなっていることがわかる。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、蓋体に曲げ剛性を低減するための凹部を設けることにより、半導体素子、絶縁基板、外部回路基板の熱膨張差に伴う自然的な反り変形を蓋体が抑制することがないために、半導体素子の作動/停止に伴う熱サイクルが印加された場合においても、球状半田からなる接続端子にせん断応力が発生することを防止でき、半導体素子収納用パッケージの内部に収納された半導体素子と外部回路基板とを長期間にわたり電気的接続させることが可能となる。
【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を外部回路基板に実装した時の概略断面図(a)、並びに要部拡大断面図(b)である。
【図2】本発明のパッケージにおける蓋体の構造を説明するための平面図である。
【図3】本発明のパッケージにおける蓋体の他の構造を説明するための平面図である。
【図4】従来の半導体素子収納用パッケージを外部回路基板に実装した時の概略断面図(a)、並びに要部拡大断面図(b)である。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 半導体素子
3 メタライズ配線層
4 接続パッド
5 接続端子
6 セラミック製蓋体
7 配線導体
8 凹部
A 半導体素子収納用パッケージ
B 外部回路基板
Claims (1)
- 一方の表面に半導体素子が実装搭載されるセラミック製絶縁基板と、該絶縁基板の他方の表面に設けられた複数の球状半田からなる接続端子と、前記半導体素子と前記前記接続端子とを電気的に接続するためのメタライズ配線層と、前記絶縁基板表面に実装される半導体素子を気密に封止するためのセラミック製蓋体とを具備してなる半導体素子収納用パッケージにおいて、前記セラミック製蓋体に曲げ剛性を低減するための凹部を形成してな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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