JP3838888B2

JP3838888B2 - Semiconductor element storage package and semiconductor device

Info

Publication number: JP3838888B2
Application number: JP2001136738A
Authority: JP
Inventors: 清吾松園; 廉可國松; 義博芭蕉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2021-05-07
Also published as: JP2002334952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波帯域で作動する半導体素子を内部に収納する半導体素子収納用パッケージと、この半導体素子収納用パッケージに半導体素子を収容した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯域やミリ波帯域の高周波信号で作動する半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージという）は、外部電気回路装置との電気的接続をリード線で行うタイプが主流であった。しかし、近年、伝送信号の更なる高周波化に対して接続部における伝送損失を少なくするために、接続部の長さをより短くすることが必要になり、そのためリード線に代えて基体の下面に接続パッドを設け、これを半田を用いて外部電気回路装置と接続する表面実装型のチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）やボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージの採用が進められている。
【０００３】
これら表面実装型の半導体パッケージの例を図３に示す。同図は、従来の半導体装置と外部電気回路装置との接続構造を示す断面図である。この半導体パッケージＡは、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）用として用いられたり、またＭＭＩＣ（Monolithic Microwave IC）用などとして用いられる。そして、半導体パッケージＡは、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体やガラスセラミックス質焼結体からなる基体１０１と、タングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）などの金属材料からなる配線導体１０２とを有し、その基体１０１上面の載置部１０１ａに半導体素子Ｃをワイヤボンディング実装法やフリップチップ実装法などを用いて搭載し、半導体パッケージＡと半導体素子Ｃとを電気的に接続させることにより半導体装置Ｂとなる。さらに、基体１０１の下面に設けた接続パッド１０１ｃを介して外部電気回路装置Ｄに電気的に接合される（特開２０００−２９９４０７号公報参照）。
【０００４】
この半導体パッケージＡは、基体１０１の内部に配線導体１０２を有しており、その配線導体１０２は基体１０１の上面に形成された上面電極１０１ｂと基体１０１の下面に設けた接続パッド１０１ｃとを電気的に導通している。そして、半導体装置Ｂは、半導体パッケージＡの接続パッド１０１ｃが金属ボール１０３およびろう材や半田、所謂導体バンプを用いて外部電気回路装置Ｄと物理的および電気的に接続されている。この接続パッド１０１ｃは、半導体パッケージＡを外部電気回路装置Ｄに半田等を介して物理的に接続するだけでなく、高周波信号を伝送して半導体パッケージＡと外部電気回路装置Ｄとを電気的に接続させる役割を有するものである。
【０００５】
一般的に、接続パッド１０１ｃにおいて安定した電気的導通を確保し、また同様に安定した接続状態を確保するために、できるだけ大きな面積の接続パッド１０１ｃが必要とされる。その面積は、半導体パッケージＡの大きさと接続パッド１０１ｃの数から規定される接続パッド１０１ｃ間距離とも関連があり、一般的に、接続パッド１０１ｃの面積は０．３〜０．５ｍｍ²とされている。
【０００６】
そして、特開２０００−２９９４０７号公報では、半導体パッケージＡの下面の接続パッド１０１ｃを外部電気回路装置Ｄ上の電極に半田を介して接合させる際に、例えば基体１０１下面の４隅に金属ボール１０３を配置して金属ボール接合部Ｅを形成している。そして、金属ボール１０３を配置していない接合パッド１０１ｃは、例えば半田接合部Ｊにより外部電気回路装置Ｄに接合されているのであるが、金属ボール１０３が半導体パッケージＡと外部電気回路装置Ｄとの隙間を一定としているので、半田接合部Ｊの形状を、いずれの接続パッド１０１ｃにおいても応力が集中するようなくびれた部分が発生しない円筒状や樽状の形状とすることができ、接続強度を向上させることができるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時の半導体パッケージにおいては、より高い周波数の高周波信号を伝送させる必要が生じてきたことから、接続パッド１０１ｃと上部電極１０１ｂや内層のグランド層１０１ｄとの間で発生する、高周波信号の伝送に障害となる電気的容量を小さくするために、接続パッド１０１ｃの面積をより小さくすることが求められている。この電気的容量を接続パッド１０１ｃの面積を変えることなく小さくするためには、例えば基体１０１を厚くする方法があるが、この場合軽薄化という市場要求に反することになる。
【０００８】
また、高い周波数の高周波信号を低損失で伝送するには、接続パッド１０１ｃの面積を小さくするのが最良の方法であるが、どの程度面積を小さくすれば接続パッド１０１ｃとグランド層１０１ｄとの間に高周波信号の入出力に悪影響を及ぼすような高い浮遊容量が発生しなくなるのかが明らかになっていなかった。
【０００９】
また、接続パッド１０１ｃの面積を小さくした場合、半導体パッケージＡにおける接続パッド１０１ｃと外部電気回路装置Ｄとの接合強度が不足したり、さらには、半導体素子Ｃが発する熱により半導体パッケージＡと外部電気回路装置Ｄの熱膨張係数の差に起因する熱応力により半田接合部Ｊにクラックが発生し、よって半導体パッケージＡと外部電気回路装置Ｄとの間の高周波信号の伝送特性が大きく損なわれる場合があった。また、高い周波数の高周波信号を伝送させるために接続パッド１０１ｃの面積を小さくすると、半導体パッケージＡを外部電気回路装置Ｄに接合する際に横ずれが発生する場合があり、このとき半田接合部Ｊにくびれが発生し、このくびれに起因してクラックが発生していた。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高い周波数で作動する半導体素子を収容した半導体素子収納用パッケージを、外部電気回路装置に長期間に亘って信頼性良く接合保持できるようにするとともに、高周波信号の伝送損失の小さい半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【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、上面に半導体素子を載置する載置部を有する略長方形の基体と、前記基体の下面に形成され、前記半導体素子と電気的に接続されるとともに高周波信号を入出力する接続パッドと、該接続パッドに接合された固体の導体バンプとを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記接続パッドの面積Ｓ（ｍｍ^２）は
２≦１０００×Ｓ≦４０４．４−４．２Ｆ−１６．７ε
（ただし、Ｆは高周波信号の周波数（ＧＨｚ）、εは基体の比誘電率である。）を満たしており、かつ前記基体の下面の対向する２隅部または対向する２辺部に前記導体バンプの高さと略等しい厚さの補助金属板が接合されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記の構成により、半導体パッケージの下面の接続パッドの面積Ｓを上式を満たすように設定したことから、接続パッドと半導体パッケージの内層接地導体層等との間に高周波信号の伝送に悪影響を及ぼす浮遊容量が発生せず、また接続パッドで特性インピーダンスが急激に変化しないものとなる。
【００１３】
また、上記接続パッドに外部電気回路装置との接続媒体となる、金属ボールや金属円柱等から成る固体の導体バンプをろう付けにより接続し、さらに導体バンプと外部電気回路装置との接続を半田付け等で行っていることから、従来接続の際に発生していた、半田のくびれおよびこのくびれに起因するクラックを皆無とすることができる。さらに、基体の下面の対向する２隅部または対向する２辺部に導体バンプの高さと略等しい厚さの補助金属板が接合されていることから、半導体パッケージと外部電気回路装置との隙間を一定とすることができ、また半導体パッケージの外部電気回路装置に対する横ずれも防止し易くなり、その結果、横ずれ等に起因する、半田に発生するクラックを有効に防止できる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、前記補助金属板の厚さが０．１２５〜０．５ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、上記の構成により、さらに半田接合部にクラックが発生することがなく、また半導体パッケージから伝送される高周波信号の伝送路においてインピーダンスのばらつきが極めて小さくなる。
【００１６】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定され、前記接続パッドに電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００１７】
図４から明らかなように、より高い周波数の信号を伝送させるためには、接続パッド１ｃの面積Ｓを小さくする必要があること、また高周波信号の周波数が１０ＧＨｚ以上８０ＧＨｚ以下の領域において、基体１の比誘電率ε、接続パッド１ｃの面積Ｓおよび伝送可能な周波数値Ｆの間には明確な関係があることが判明した。即ち、図４に示すように、接続パッド１ｃの面積Ｓ、横軸を伝送可能な高周波信号の最大周波数値Ｆとした座標領域上に値をプロットすることによってグラフ化し、最小二乗法を用いてグラフの関係式を求めると、各比誘電率でグラフの傾きが一致し、Ｓ＝−４．２×１０^−３Ｆ＋Ｙe（Ｙ e ：各グラフにおける縦軸との切片）で表わすことができた。また、各比誘電率におけるデータの直線の縦軸との切片値と、基体１の比誘電率との関係を上記と同じ方法で求めると、Ｙe×１０００＝−１６．７ε＋４０４．４で表わされることが判明した。
【００１８】
また、補助金属板により半導体素子が発する熱の一部を効率よく外部装置に伝達することができ、例えば外部電気回路装置上の電極を介してこの熱を外部に放散させることができる。さらに、補助金属板により半導体パッケージの接地電位を強化することができ、高周波信号の伝送損失の低減効果がさらに大くなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージおよび半導体装置を以下に詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の例を示す断面図であり、図１（ｂ）は本発明の補助金属板を下面に接合した半導体パッケージについて実施の形態の例を示す平面図である。また、図２（ａ）は本発明の半導体装置を外部電気回路装置に搭載した場合の実施の形態の例を示す断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の要部拡大断面図である。これらの図において、１は略長方形の基体、１ａは載置部、１ｂは基体１上の上面電極、１ｃは接続パッド、２は基体１上面から下面にかけて形成された配線導体、２ａはロウ材、２ｂは半田、３は固体の導体バンプとしての金属ボール、４は枠体、６は蓋体である。なお、金属ボール３の代わりに金属円柱を用いてもよい。
【００２０】
本発明において、基体１の下面には、接続パッド１ｃとロウ材２ａと金属ボール３および半田２ｂにより構成された、半導体装置Ｂを外部電気回路装置Ｄ上に電気的に接続し搭載するための接続構造Ｋが形成される。
【００２１】
本発明の基体１を構成する絶縁基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，ガラスセラミックス質焼結体などの絶縁材料からなる略四角形状の板状体である。そして、その内部に配線導体２を有しており、また上面中央部には、枠体４に囲繞されてなるとともに半導体素子Ｃを載置するための載置部１ａを有している。
【００２２】
この基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体からなる場合以下のようにして作製される。Ａｌ₂Ｏ₃，酸化珪素（ＳｉＯ₂），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に、適当な有機バインダー，有機溶剤，可塑剤，分散剤等を添加混合してスラリー状となし、これを従来周知のドクターブレード法を採用してシート状となすことにより、複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施すとともに、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ），金（Ａｕ）等の金属材料粉末に適当なバインダー，溶剤を混合してなる導体ペーストを、セラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布することによって、接続パッド１ｃ、配線導体２および上面電極１ｂを形成する。この後、このセラミックグリーンシートを必要に応じて積層し、これを約１６００℃の温度で焼成することによって基体１が作製される。
【００２３】
接続パッド１ｃは上記の導体ペーストを、上記セラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートと一括して焼成することによって形成される。この接続パッド１ｃは、半導体パッケージＡを外部電気回路装置Ｄに低融点のロウ材２ａおよび半田２ｂを介して物理的に接続するだけでなく、高周波信号を伝送し半導体パッケージＡと外部電気回路装置Ｄとを電気的に接続する機能を有する。また、接続パッド１ｃの表面に、Ｎｉ，Ａｕなどの良導電性で耐食性および低融点ろう材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により０．５〜９μｍの厚さに被着させておくのがよく、接続パッド１ｃの酸化腐食を有効に防止し得るとともに半田２ｂによる半導体パッケージＡと外部電気回路装置Ｄとの接続を強固とすることができる。
【００２４】
枠体４は、例えば金属材料またはセラミックスから成り、金属材料から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属材料の粉末を混合して加熱溶解させたものをロール圧延法にて所定の厚さに圧延し、得られたシート状部材を従来周知の絞り加工法にてパイプ状部材とし、このパイプ状部材を、従来周知の引き抜き加工法により段階的に加工して所望の矩形状の断面形状を有するパイプを得る。このパイプを適宜の長さに切断することによって、所望の大きさおよび形状の金属製の枠体４が作製される。この枠体４は、基体１の上面に半導体素子Ｃの載置部１ａを囲繞するようにして銀ロウ等のロウ材を介して接合される。
【００２５】
また、金属製の枠体４に代えて、Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ等のセラミックス製のものを用いても良く、例えばＡｌ₂Ｏ₃セラミックスからなる場合以下のようにして作製される。Ａｌ₂Ｏ₃の粉末と、焼結助材としてのＳｉＯ₂，ＣａＯ，ＭｇＯ等の粉末と、適当なバインダーおよび溶剤とを混合してこれをスラリー状となす。次いで、従来周知のドクターブレード法等のテープ成形法によって所定厚みのセラミックグリーンシートに成形し、このセラミックグリーンシートを複数枚準備する。ついで、セラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施すとともに、載置部１ａを囲む側壁となる部位、基体１との接合部、および蓋体５との接合部に予めメタライズ層用の導体ペーストを被着し、積層工程後１６００℃程度の温度で焼成工程を経てセラミックスの枠体４が得られる。
【００２６】
基体１の載置部１ａにエポキシ樹脂や銀エポキシ樹脂等を用いて半導体素子Ｃを載置固定し、半導体素子Ｃ上の電極と半導体パッケージ上の上面電極１ｂとをＡｕ，Ａｇ，Ａｌ等からなる金属細線で電気的に接続した後、Ｃｕや酸化アルミニウム等からなる蓋体６をエポキシ樹脂等の樹脂接着剤やロウ材などによる接着または溶接によって封止して半導体装置Ｂとなる。
【００２７】
そして、基体１の下面に形成された接続パッド１ｃと外部電気回路装置Ｄとを、予め接続パッド１ｃにロウ材２ａで接合した金属ボール３を半田２ｂで外部電気回路装置Ｄ上の電極に接続することにより、半導体素子Ｃと外部電気回路装置Ｄとが金属細線、上面電極１ｂ、配線導体２および接続パッド１ｃを介して電気的に接続される。
【００２８】
そして、本発明の半導体パッケージＡにおいては、接続パッド１ｃの面積Ｓは２≦１０００×Ｓ≦４０４．４−４．２Ｆ−１６．７ε（ただし、Ｆは高周波信号の周波数（ＧＨｚ）、εは基体の比誘電率である。）を満足する必要がある。上記の式は以下のようにして決定した。
【００２９】
まず、図１および図２の構成の半導体パッケージＡの基体１として、大きさが１１ｍｍ×１１ｍｍ、厚さが０．４ｍｍであり、材質がアルミナセラミックス（比誘電率ε＝１０）、ガラスセラミックスＧ（比誘電率ε＝７．５）、ガラスセラミックスＨ（比誘電率ε＝５）の３種類のものを準備する。これらの材質の基体１は、印刷法により形成した配線導体２と上面電極１ｂと接続パッド１ｃを有する厚さ０．２ｍｍのセラミックグリーンシート２層を積層した後、約１６００℃の温度で焼成することによって作製した。配線導体２は、基体１の上面の電極１ｂと、下面の接続パッド１ｃを電気的に接続している。基体１上面での配線導体２の幅は０．１８ｍｍ、長さは３．０ｍｍとした。また、基体１上面の配線導体２から０．１ｍｍの間隔をおいて同一面接地導体層を基体１上面のほぼ全面に形成した。
【００３０】
それぞれの基体１の接続パッド１ｃは、印刷法によって接続パッド１ｃ間の距離を０．８ｍｍで形成し、その面積は、接続パッド１ｃ間の距離が０．８ｍｍである、ボールグリッドアレイタイプの通常の接続パッド１ｃの面積（直径０．７ｍｍ）より小さくする。また、金属ボール３の接合強度を考慮して、それぞれ直径が０．６ｍｍで面積が０．２８ｍｍ²、直径が０．５ｍｍで面積が０．２ｍｍ²、直径が０．４ｍｍで面積が０．１３ｍｍ²、直径が０．３ｍｍで面積が０．０７１ｍｍ²、直径が０．１５ｍｍで面積が０．０１８ｍｍ²とした。
【００３１】
配線導体２、上面電極１ｂおよび接続パッド１ｃは、その表面に厚さ２μｍの無電解Ｎｉメッキ層および厚さ０．１μｍの無電解Ａｕメッキ層を形成した。このようにして、接続パッド１ｃの面積Ｓ（ｍｍ²）を算出するための半導体パッケージＡの基体１の試料を得た。なお、基体１の上面には枠体４が接合されるが、ここではシミュレーション用の試料であるため枠体４は省いている。
【００３２】
これらの試料について、接続パッド１ｃと外部電気回路装置Ｄ上面の電極とを、金属ボール３よりも融点の低いロウ材２ａ、錫（Ｓｎ）を１０重量％、鉛（Ｐｂ）を９０重量％含む金属ボール３としての半田ボール、Ｓｎを３７重量％、Ｐｂを６３重量％含む半田ペーストを用いて接続した。この外部電気回路装置Ｄの基板は、フッ素系樹脂基板上に銅配線を形成したものであり、銅配線の幅は０．２６ｍｍ、長さは４．７ｍｍであった。銅配線から０．１ｍｍの間隔をおいて同一面接地導体層を形成している。
【００３３】
そして、基体１上面の配線導体１ｂの先端部分と外部電気回路装置Ｄの銅配線の先端部分とを、ウエハープローブを用いてネットワークアナライザーに接続し、各試料について高周波信号に対する反射損失Ｓ１１、透過損失Ｓ２１の測定を行なった。伝送可能な高周波信号の最大周波数の判定は、高周波信号伝送のために必要とされる係数値である電圧反射係数Γ＝０．１８、電圧透過係数Τ＝０．９を、Ｓ１１＝−２０ｌｏｇ｜Γ｜、Ｓ２１＝−２０ｌｏｇ｜Τ｜に導入して得られた値、即ち反射損失Ｓ１１が−１５ｄＢ以下、透過損失Ｓ２１が−１．０ｄＢ以上である場合に伝送可能とし、これらの値のいずれかから外れたときの周波数を伝送可能な最大周波数とした。
【００３４】
次に、表１および図４に測定結果を示す。表１は評価に用いた各半導体パッケージＡにおける接続パッド１ｃの面積と、それにより伝送可能な信号の最大周波数値（ＧＨｚ）を示す。そして、図４は表１の結果をグラフ化したものであり、縦軸は接続パッド１ｃの面積Ｓ（ｍｍ²）、横軸は伝送可能な高周波信号の最大周波数値Ｆ（ＧＨｚ）をそれぞれ示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
図４から明らかなように、より高い周波数の信号を伝送させるためには、接続パッド１ｃの面積Ｓを小さくする必要があること、また高周波信号の周波数が１０ＧＨｚ以上８０ＧＨｚ以下の領域において、基体１の比誘電率ε、接続パッド１ｃの面積Ｓおよび伝送可能な周波数値Ｆの間には明確な関係があることが判明した。即ち、図４に示すように、接続パッド１ｃの面積Ｓ、横軸を伝送可能な高周波信号の最大周波数値Ｆとした座標領域上に値をプロットすることによってグラフ化し、最小二乗法を用いてグラフの関係式を求めると、各比誘電率でグラフの傾きが一致し、Ｓ≦−４．２×１０^−３Ｆ＋Ｙeで表わすことができた（Ｙe：各グラフにおける縦軸との切片）。また、各比誘電率におけるデータの直線の縦軸との切片値と、基体１の比誘電率との関係を上記と同じ方法で求めると、Ｙe×１０００＝−１６．７ε＋４０４．４で表わされることが判明した。
【００３７】
以上より、本発明者は、高周波信号の周波数が１０ＧＨｚ以上８０ＧＨｚ以下の領域において、基体１の比誘電率ε、接続パッド１ｃの面積Ｓおよび伝送可能な周波数値Ｆの関係は、１０００×Ｓ≦４０４．４−４．２Ｆ−１６．７εで表わされることを見出した。
【００３８】
加えて、接続パッド１ｃは、一般に印刷法等で形成することから、安定して正確に形成できる最小の寸法に限界があり、その大きさは、面積で０．００２ｍｍ²（直径で０．０５ｍｍ）であることから、１０００×Ｓの下限値は２で規定されることとなる。従って、高周波信号の周波数１０〜８０ＧＨｚの領域において基体１の比誘電率ε、接続パッド１ｃの面積Ｓおよび伝送可能な周波数値Ｆの関係は、２≦１０００×Ｓ≦４０４．４−４．２F−１６．７εで表わされる。
【００３９】
上記関係により、接続パッド１ｃの面積を周波数の大きさに応じて最適なものとできることから、接続パッド１ｃと半導体パッケージＡの接地用導体層との間に高周波信号の入出力に悪影響を及ぼすような浮遊容量の発生が少なくなり、接続パッド１ｃにおいてインピーダンスが急激に変化しないものとなる。その結果、反射損失、透過損失が小さくなり１０〜８０ＧＨｚの高周波信号を良好な伝送特性で伝送することができる。
【００４０】
また本発明では、半導体パッケージＡの基体１の下面に補助金属板Ｍが接合される。この補助金属板Ｍは、Ｃｕ，Ａｌ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等からなり、基体１下面に対向する２隅部または対向する２辺部にロウ材を介して接合される。なお、基体１下面の４隅部または４辺部に接合してもよい。
【００４１】
補助金属板Ｍの厚さは、金属ボール３の直径と略同一に設定されており、具体的には０．１２５〜０．５ｍｍが好ましい。厚さが０．１２５ｍｍ未満であれば、金属ボール３の直径も０．１２５ｍｍ未満とする必要があり、この直径になると金属ボール３を取り扱うことが甚だ困難となり、製造上の実用性が無くなってしまうとともに、基体１に反りが発生している場合には接続パッド１ｃに接続されない金属ボール３が生じる場合がある。従って、補助金属板Ｍの厚さは０．１２５ｍｍ以上であるとともに、金属ボールの直径も０．１２５ｍｍ以上とすることがよい。補助金属板Ｍの厚さが０．５ｍｍを超えると、金属ボール３の直径が０．５ｍｍを超えることになり、狭ピッチの接続パッド１ｃにおいて金属ボール３同士が接触するという不具合が発生し易くなる。より好ましくは０．１２５〜０．３ｍｍがよい。
【００４２】
また、補助金属板Ｍは外部電気回路装置Ｄに対してネジ締めにより取着される。これにより、半導体装置Ｂを外部電気回路装置Ｄに対して正確に位置合せでき、また補助金属板Ｍの位置ずれを防止することができる。従って、ネジ締めのための貫通孔５が、補助金属板Ｍの基体１外側に突出した突出部に設けられている。貫通孔５は基体１の端面から２ｍｍ以上離れた部位に形成されるのがよい。これは、基体１下面に補助金属板Ｍを例えばロウ材などを用いて接合させる際に、ロウ材によって形成されるメニスカスの影響のない範囲に貫通孔５およびネジ締め部を形成するためである。
【００４３】
また、基体１下面における補助金属板Ｍの接合面積は、基体１下面の１０〜３０％が好ましい。１０％未満になると、熱放散の媒体としての機能が小さくなってしまう。また接合面積が３０％を超えると、補助金属板Ｍと基体１との接合部に生じる熱応力を緩和させることが困難となって補助金属板Ｍと基体１との接合部にクラックが発生し易くなる。より好ましくは１０〜２０％が好適である。
【００４４】
また、補助金属板Ｍは、接地用導体としての機能を併せ持つようにすることが可能である。これにより、高周波信号の伝送特性を大きく向上させ得る。
【００４５】
また、本発明の半導体装置Ｂは、上記半導体パッケージＡと、載置部１ａにＳｎ−Ｐｂ半田、銀エポキシ樹脂、ガラスなどの接着剤を介して載置固定された半導体素子Ｃと、基体１の上面にロウ材を介して接合された枠体４と、枠体４の上面にＡｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材により接合され、半導体素子Ｃを半導体パッケージＡの内部に封止する蓋体５とを具備する。
【００４６】
本発明の半導体装置Ｂは、半導体素子Ｃの作動時に発する熱が非常に大きい場合であっても、基体１および枠体４から、それぞれヒートシンク部や大気中にこの熱を効率良く放散することができる。そのため、半導体素子Ｃの誤作動や酸化腐食等を有効に防止でき、半導体素子Ｃを長期間に亘り正常かつ安定に作動させ得るものとなる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行うことは何等支障はない。例えば、半導体装置として、
基体１と枠体４を用い、半導体素子Ｃを半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子とするとともに半導体パッケージを光信号が伝送できるようにした、所謂光半導体パッケージとすることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、接続パッドの面積Ｓ（mm²）は
２≦１０００×Ｓ≦４０４．４−４．２Ｆ−１６．７ε
（ただし、Ｆは高周波信号の周波数（ＧＨｚ）、εは基体の比誘電率である。）を満たしており、かつ基体の下面の対向する２隅部または対向する２辺部に導体バンプの高さと略等しい厚さの補助金属板が接合されていることにより、接続パッドと半導体パッケージの内層接地導体層等との間に高周波信号の伝送に悪影響を及ぼす浮遊容量が発生せず、また接続パッドで特性インピーダンスが急激に変化しないものとなる。
【００４９】
また、接続パッドに外部電気回路装置との接続媒体となる固体の導体バンプをろう付けにより接続し、導体バンプと外部電気回路装置との接続を半田付け等で行っていることから、半田の括れおよびこの括れに起因するクラックを皆無とすることができる。さらに、基体の下面の対向する２隅部または対向する２辺部に導体バンプの高さと略等しい厚さの補助金属板が接合されていることから、半導体パッケージと外部電気回路装置との隙間を一定とすることができ、また半導体パッケージの外部電気回路装置に対する横ずれも防止し易くなり、横ずれ等に起因する、半田に発生するクラックを有効に防止できる。
【００５０】
本発明は、好ましくは補助金属板の厚さが０．１２５〜０．５ｍｍであることにより、さらに半田接合部にクラックが発生することがなく、また半導体パッケージから伝送される高周波信号の伝送路においてインピーダンスのばらつきが極めて小さくなる。
【００５１】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定され、接続パッドに電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことにより、半導体装置が補助金属板を介して外部電気回路装置に接合されることで、導体バンプを介した半導体装置と外部電気回路装置との接合における接合強度不足を補うことが可能となる。また、半導体装置と外部電気回路装置との位置ずれが解消できるため、導体バンプおよび半田やロウ材で構成される接合部の高さや形状をどの接合ポイントにおいても略同一とすることができる。その結果、どの接合ポイントにおいてもインピーダンスがほぼ一定となり、極めて伝送損失の小さな高周波信号の伝送が実現できる。
【００５２】
また、補助金属板により半導体素子が発する熱の一部を効率よく外部装置に伝達することができ、例えば外部電気回路装置上の電極を介してこの熱を外部に放散させ得る。さらに、補助金属板により半導体パッケージの接地電位を強化することができ、高周波信号の伝送損失の低減効果がさらに大くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は下面に補助金属板を接合した半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す平面図である。
【図２】（ａ）は本発明の半導体装置を外部電気回路装置上に搭載したものの断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大断面図である。
【図３】従来の半導体装置を外部電気回路装置上に搭載したものの断面図である。
【図４】表１の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｃ：接続パッド
３：金属ボール
４：枠体
５：貫通孔
６：蓋体
Ａ：半導体パッケージ
Ｂ：半導体装置
Ｃ：半導体素子
Ｍ：補助金属板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element housing package that houses therein a semiconductor element that operates in a high frequency band, and a semiconductor device that houses a semiconductor element in the semiconductor element housing package.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a package for housing a semiconductor element (hereinafter referred to as a semiconductor package) that houses a semiconductor element that operates with a high frequency signal in a microwave band or a millimeter wave band is a type in which electrical connection with an external electric circuit device is performed using a lead wire. It was mainstream. However, in recent years, it has become necessary to shorten the length of the connection portion in order to reduce the transmission loss at the connection portion against further increase in the frequency of the transmission signal. Adoption of a surface mount type chip scale package (CSP) or a ball grid array (BGA) package in which a connection pad is provided and connected to an external electric circuit device using solder is being promoted.
[0003]
Examples of these surface mount type semiconductor packages are shown in FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a connection structure between a conventional semiconductor device and an external electric circuit device. The semiconductor package A is used for an FET (Field Effect Transistor) or an MMIC (Monolithic Microwave IC). The semiconductor package A is made of aluminum oxide (Al₂O_Three) Having a base body 101 made of a sintered material or a glass ceramic sintered body, and a wiring conductor 102 made of a metal material such as tungsten (W) or copper (Cu), and a mounting portion 101a on the upper surface of the base body 101 The semiconductor device C is mounted by using a wire bonding mounting method, a flip chip mounting method, or the like, and the semiconductor package A and the semiconductor element C are electrically connected to form the semiconductor device B. Furthermore, it is electrically joined to the external electric circuit device D through a connection pad 101c provided on the lower surface of the base 101 (see Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299407).
[0004]
This semiconductor package A has a wiring conductor 102 inside a base 101, and the wiring conductor 102 electrically connects an upper surface electrode 101b formed on the upper surface of the base 101 and a connection pad 101c provided on the lower surface of the base 101. Is conductive. In the semiconductor device B, the connection pads 101c of the semiconductor package A are physically and electrically connected to the external electric circuit device D using the metal balls 103 and brazing material or solder, so-called conductor bumps. The connection pad 101c not only physically connects the semiconductor package A to the external electric circuit device D via solder or the like, but also transmits a high frequency signal to electrically connect the semiconductor package A and the external electric circuit device D. It has a role to be connected.
[0005]
In general, in order to ensure stable electrical continuity in the connection pad 101c and also to ensure a stable connection state, the connection pad 101c having as large an area as possible is required. The area is also related to the distance between the connection pads 101c defined by the size of the semiconductor package A and the number of connection pads 101c. Generally, the area of the connection pads 101c is 0.3 to 0.5 mm.²It is said that.
[0006]
In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299407, when the connection pads 101c on the lower surface of the semiconductor package A are joined to the electrodes on the external electric circuit device D via solder, for example, metal balls 103 are formed at the four corners on the lower surface of the base 101. To form the metal ball joint E. The bonding pad 101c on which the metal ball 103 is not disposed is bonded to the external electric circuit device D by, for example, a solder bonding portion J. The metal ball 103 is connected to the semiconductor package A and the external electric circuit device D. Since the gap is constant, the shape of the solder joint portion J can be a cylindrical shape or a barrel shape where no constricted portion is generated so that stress is concentrated in any of the connection pads 101c. It can be improved.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent semiconductor packages, it has become necessary to transmit a high-frequency signal having a higher frequency. Therefore, a high-frequency signal generated between the connection pad 101c and the upper electrode 101b or the inner ground layer 101d can be reduced. In order to reduce the electrical capacitance that hinders transmission, it is required to further reduce the area of the connection pad 101c. In order to reduce this electric capacity without changing the area of the connection pad 101c, for example, there is a method of increasing the thickness of the substrate 101. In this case, however, it is contrary to the market demand for lightening.
[0008]
In order to transmit a high frequency high frequency signal with low loss, it is the best method to reduce the area of the connection pad 101c. However, how much the area is reduced between the connection pad 101c and the ground layer 101d. However, it has not been clarified whether high stray capacitance that adversely affects the input / output of high-frequency signals does not occur.
[0009]
Further, when the area of the connection pad 101c is reduced, the bonding strength between the connection pad 101c and the external electric circuit device D in the semiconductor package A is insufficient, and further, the semiconductor package A and the external electric circuit are heated by the heat generated by the semiconductor element C. Cracks may occur in the solder joints J due to thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient of the circuit device D, and the transmission characteristics of high-frequency signals between the semiconductor package A and the external electric circuit device D may be greatly impaired. there were. Further, if the area of the connection pad 101c is reduced in order to transmit a high-frequency high-frequency signal, a lateral shift may occur when the semiconductor package A is joined to the external electric circuit device D. At this time, the solder joint J Necking occurred, and cracks were generated due to this necking.
[0010]
Accordingly, the present invention has been completed in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element housing package containing a semiconductor element that operates at a high frequency for a long time in an external electric circuit device. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be bonded and held with good performance and has low transmission loss of high-frequency signals.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A package for housing a semiconductor element according to the present invention includes a substantially rectangular base body having a mounting portion for mounting a semiconductor element on an upper surface thereof.,in frontIn a package for housing a semiconductor element, comprising a connection pad formed on the lower surface of the substrate, electrically connected to the semiconductor element and for inputting / outputting a high-frequency signal, and a solid conductor bump bonded to the connection pad , The area S (mm) of the connection pad²)
2 ≦ 1000 × S ≦ 404.4-4.2F-16.7ε
Where F is the frequency of the high frequency signal (GHz), and ε is the relative dielectric constant of the substrate.In addition, an auxiliary metal plate having a thickness substantially equal to the height of the conductor bump is joined to two opposing corners or two opposing sides of the lower surface of the substrate.
[0012]
In the present invention, since the area S of the connection pad on the lower surface of the semiconductor package is set so as to satisfy the above formula, the transmission of the high-frequency signal is performed between the connection pad and the inner ground conductor layer of the semiconductor package. The stray capacitance that adversely affects the current does not occur, and the characteristic impedance does not change abruptly at the connection pad.
[0013]
In addition, a solid conductor bump made of a metal ball or a metal cylinder, which becomes a connection medium with the external electric circuit device, is connected to the connection pad by brazing, and the connection between the conductor bump and the external electric circuit device is soldered. Therefore, it is possible to eliminate solder constriction and cracks caused by this constriction, which have been generated at the time of connection. Further, since an auxiliary metal plate having a thickness substantially equal to the height of the conductor bump is joined to two opposing corners or two opposing sides of the lower surface of the base, the gap between the semiconductor package and the external electric circuit device is reduced. It is easy to prevent lateral displacement of the semiconductor package with respect to the external electric circuit device, and as a result, it is possible to effectively prevent cracks generated in the solder due to lateral displacement or the like.
[0014]
In the present invention, preferably, the auxiliary metal plate has a thickness of 0.125 to 0.5 mm.
[0015]
According to the present invention, cracks are not further generated in the solder joint portion due to the above-described configuration, and impedance variation is extremely reduced in the transmission path of the high-frequency signal transmitted from the semiconductor package.
[0016]
The semiconductor device of the present invention is bonded to the upper surface of the frame body, the semiconductor element storage package of the present invention, the semiconductor element mounted and fixed on the mounting portion, and electrically connected to the connection pad. And a lid.
[0017]
As is clear from FIG. 4, in order to transmit a signal having a higher frequency, it is necessary to reduce the area S of the connection pad 1c, and in the region where the frequency of the high frequency signal is 10 GHz to 80 GHz, the substrate 1 It was found that there is a clear relationship among the relative dielectric constant ε, the area S of the connection pad 1c, and the transmittable frequency value F. That is, as shown in FIG. 4, a graph is formed by plotting values on a coordinate region where the area S of the connection pad 1c and the maximum frequency value F of the high-frequency signal that can be transmitted are on the horizontal axis, and the least square method is used. When the relational expression of the graph is obtained, the slopes of the graph agree with each relative dielectric constant, and S=-4.2 × 10^-3F + Ye(Y e : Intercept with vertical axis in each graph)I was able to express it. Further, when the relationship between the intercept value of the linear axis of the data for each relative dielectric constant and the relative dielectric constant of the substrate 1 is obtained by the same method as described above, it is expressed as Ye × 1000 = −16.7ε + 404.4. It has been found.
[0018]
In addition, a part of heat generated by the semiconductor element can be efficiently transmitted to the external device by the auxiliary metal plate, and this heat can be dissipated to the outside through, for example, an electrode on the external electric circuit device. Furthermore, the ground potential of the semiconductor package can be strengthened by the auxiliary metal plate, and the effect of reducing the transmission loss of the high-frequency signal is further increased.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor package and semiconductor device of the present invention will be described in detail below. FIG. 1A is a sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor package of the present invention, and FIG. 1B is an example of an embodiment of a semiconductor package in which an auxiliary metal plate of the present invention is bonded to the lower surface. FIG. 2A is a cross-sectional view showing an example of an embodiment in which the semiconductor device of the present invention is mounted on an external electric circuit device, and FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. It is. In these drawings, 1 is a substantially rectangular base, 1a is a mounting portion, 1b is an upper surface electrode on the base 1, 1c is a connection pad, 2 is a wiring conductor formed from the upper surface to the lower surface of the base 1, and 2a is a brazing material. 2b is solder, 3 is a metal ball as a solid conductor bump, 4 is a frame, and 6 is a lid. A metal cylinder may be used instead of the metal ball 3.
[0020]
In the present invention, on the lower surface of the substrate 1, a semiconductor device B composed of connection pads 1c, a brazing material 2a, metal balls 3 and solder 2b is electrically connected and mounted on an external electric circuit device D. A connection structure K is formed.
[0021]
The insulating substrate constituting the substrate 1 of the present invention is made of aluminum oxide (Al₂O_Three) Sintered material, aluminum nitride (AlN) sintered material, mullite (3Al₂O_Three・ 2SiO₂) A substantially rectangular plate-like body made of an insulating material such as a sintered material, a silicon carbide (SiC) material, or a glass ceramic material. And it has the wiring conductor 2 in the inside, and has the mounting part 1a for mounting the semiconductor element C while being surrounded by the frame 4 in the center part of the upper surface.
[0022]
For example, when the base 1 is made of an aluminum oxide sintered body, the base 1 is manufactured as follows. Al₂O_Three, Silicon oxide (SiO₂), Magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO) and other raw material powders are mixed with an appropriate organic binder, organic solvent, plasticizer, dispersant, etc. to form a slurry. A plurality of ceramic green sheets are obtained by adopting a method to form a sheet. Thereafter, the ceramic green sheet is appropriately punched, and tungsten (W), molybdenum (Mo), manganese (Mn), copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), palladium (Pd) , By applying a conductive paste made of a metal material powder such as gold (Au) mixed with an appropriate binder and solvent to a ceramic green sheet in advance by screen printing or the like in a predetermined pattern, thereby connecting pad 1c, wiring conductor 2 and the upper surface electrode 1b are formed. Thereafter, the ceramic green sheets are laminated as necessary, and are fired at a temperature of about 1600 ° C., thereby producing the substrate 1.
[0023]
The connection pad 1c is formed by printing and applying the above-mentioned conductive paste to the ceramic green sheet in advance in a predetermined pattern by a screen printing method or the like, and firing this together with the ceramic green sheet. The connection pad 1c not only physically connects the semiconductor package A to the external electric circuit device D via the low melting point brazing material 2a and the solder 2b, but also transmits a high-frequency signal to the semiconductor package A and the external electric circuit device. D has a function of electrically connecting to D. Further, a metal having good conductivity, corrosion resistance, and good wettability with a low melting point brazing material, such as Ni and Au, is deposited on the surface of the connection pad 1c to a thickness of 0.5 to 9 μm by plating. Therefore, the oxidative corrosion of the connection pad 1c can be effectively prevented, and the connection between the semiconductor package A and the external electric circuit device D by the solder 2b can be strengthened.
[0024]
The frame body 4 is made of, for example, a metal material or ceramics. When the frame body 4 is made of a metal material, a material obtained by mixing and melting a powder of a metal material such as an Fe—Ni—Co alloy or an Fe—Ni alloy is subjected to a roll rolling method. The sheet-like member thus obtained is rolled into a pipe-like member by a conventionally known drawing method, and this pipe-like member is processed stepwise by a conventionally known drawing method. A pipe having a rectangular cross-sectional shape is obtained. By cutting this pipe into an appropriate length, a metal frame 4 having a desired size and shape is produced. The frame body 4 is joined to the upper surface of the base body 1 via a brazing material such as silver brazing so as to surround the mounting portion 1 a of the semiconductor element C.
[0025]
Also, instead of the metal frame 4, Al₂O_ThreeCeramics such as AlN may be used. For example, Al₂O_ThreeWhen made of ceramics, it is produced as follows. Al₂O_ThreeAnd SiO as a sintering aid₂, CaO, MgO, etc., and a suitable binder and solvent are mixed to form a slurry. Next, a ceramic green sheet having a predetermined thickness is formed by a conventionally known tape forming method such as a doctor blade method, and a plurality of ceramic green sheets are prepared. Next, the ceramic green sheet is punched, and a metal paste paste for the metallized layer is previously applied to the portion that becomes the side wall surrounding the mounting portion 1 a, the joint portion with the base body 1, and the joint portion with the lid 5. After the lamination process, the ceramic frame 4 is obtained through a firing process at a temperature of about 1600 ° C.
[0026]
The semiconductor element C is mounted and fixed on the mounting portion 1a of the base 1 using epoxy resin, silver epoxy resin or the like, and the electrode on the semiconductor element C and the upper surface electrode 1b on the semiconductor package are made of Au, Ag, Al or the like. After being electrically connected with the thin metal wires, the lid 6 made of Cu, aluminum oxide, or the like is sealed by bonding or welding with a resin adhesive such as an epoxy resin or a brazing material, thereby forming the semiconductor device B.
[0027]
Then, the connection pad 1c formed on the lower surface of the substrate 1 and the external electric circuit device D are connected to the electrode on the external electric circuit device D with the solder 2b. The metal ball 3 previously bonded to the connection pad 1c with the brazing material 2a. As a result, the semiconductor element C and the external electric circuit device D are electrically connected through the fine metal wire, the upper surface electrode 1b, the wiring conductor 2 and the connection pad 1c.
[0028]
In the semiconductor package A of the present invention, the area S of the connection pad 1c is 2 ≦ 1000 × S ≦ 404.4-4.2F-16.7ε (where F is the frequency of the high frequency signal (GHz), and ε is It is necessary to satisfy the relative dielectric constant of the substrate). The above formula was determined as follows.
[0029]
First, as the substrate 1 of the semiconductor package A having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, the size is 11 mm × 11 mm, the thickness is 0.4 mm, the material is alumina ceramics (relative permittivity ε = 10), and the glass ceramics G Three types of dielectric constant (dielectric constant ε = 7.5) and glass ceramic H (dielectric constant ε = 5) are prepared. The base 1 made of these materials is baked at a temperature of about 1600 ° C. after laminating two layers of 0.2 mm thick ceramic green sheets having a wiring conductor 2 formed by a printing method, an upper surface electrode 1b, and a connection pad 1c. It was prepared by. The wiring conductor 2 electrically connects the electrode 1b on the upper surface of the base 1 and the connection pad 1c on the lower surface. The width of the wiring conductor 2 on the upper surface of the substrate 1 was 0.18 mm and the length was 3.0 mm. Further, the same-surface ground conductor layer was formed on almost the entire upper surface of the substrate 1 with a distance of 0.1 mm from the wiring conductor 2 on the upper surface of the substrate 1.
[0030]
The connection pads 1c of each substrate 1 are formed by a printing method so that the distance between the connection pads 1c is 0.8 mm, and the area is 0.8 mm, which is the distance between the connection pads 1c. It is made smaller than the area (diameter 0.7 mm) of the connection pad 1c. In consideration of the bonding strength of the metal balls 3, the diameter is 0.6mm and the area is 0.28mm.²The diameter is 0.5mm and the area is 0.2mm²The diameter is 0.4mm and the area is 0.13mm²The diameter is 0.3mm and the area is 0.071mm²The diameter is 0.15mm and the area is 0.018mm²It was.
[0031]
The wiring conductor 2, the upper surface electrode 1b, and the connection pad 1c were formed with an electroless Ni plating layer having a thickness of 2 μm and an electroless Au plating layer having a thickness of 0.1 μm on the surface thereof. In this way, the area S (mm) of the connection pad 1c²) To obtain a sample of the substrate 1 of the semiconductor package A. Although the frame body 4 is bonded to the upper surface of the substrate 1, the frame body 4 is omitted here because it is a sample for simulation.
[0032]
About these samples, the connection pad 1c and the electrode on the upper surface of the external electric circuit device D include a brazing material 2a having a melting point lower than that of the

metal balls

3, 10% by weight of tin (Sn), and 90% by weight of lead (Pb). The solder balls as the metal balls 3 were connected using a solder paste containing 37 wt% Sn and 63 wt% Pb. The substrate of the external electric circuit device D was obtained by forming a copper wiring on a fluorine-based resin substrate, and the copper wiring had a width of 0.26 mm and a length of 4.7 mm. A coplanar ground conductor layer is formed at a distance of 0.1 mm from the copper wiring.
[0033]
And the front-end | tip part of the wiring conductor 1b of the base | substrate 1 upper surface and the front-end | tip part of the copper wiring of the external electric circuit apparatus D are connected to a network analyzer using a wafer probe, and reflection loss S11 with respect to a high frequency signal, transmission loss about each sample The measurement of S21 was performed. The maximum frequency of a high-frequency signal that can be transmitted is determined by setting a voltage reflection coefficient Γ = 0.18 and a voltage transmission coefficient Τ = 0.9, which are coefficient values required for high-frequency signal transmission, and S11 = −20log | Γ |, S21 = −20log | Τ | values obtained by introducing them, that is, transmission is possible when the reflection loss S11 is −15 dB or less and the transmission loss S21 is −1.0 dB or more. The frequency at the time when it is out of the range is defined as the maximum frequency that can be transmitted.
[0034]
Next, Table 1 and FIG. 4 show the measurement results. Table 1 shows the area of the connection pad 1c in each semiconductor package A used for the evaluation and the maximum frequency value (GHz) of the signal that can be transmitted thereby. FIG. 4 is a graph showing the results of Table 1. The vertical axis represents the area S (mm) of the connection pad 1c.²), The horizontal axis represents the maximum frequency value F (GHz) of the high-frequency signal that can be transmitted.
[0035]
[Table 1]

[0036]
As is clear from FIG. 4, in order to transmit a signal having a higher frequency, it is necessary to reduce the area S of the connection pad 1c, and in the region where the frequency of the high frequency signal is 10 GHz to 80 GHz, the substrate 1 It was found that there is a clear relationship among the relative dielectric constant ε, the area S of the connection pad 1c, and the transmittable frequency value F. That is, as shown in FIG. 4, a graph is formed by plotting values on a coordinate region where the area S of the connection pad 1c and the maximum frequency value F of the high-frequency signal that can be transmitted are on the horizontal axis, and the least square method is used. When the relational expression of the graph is obtained, the slopes of the graph agree with each relative dielectric constant, and S≦-4.2 × 10^-3 F+ Ye (Ye: intercept with the vertical axis in each graph). Further, when the relationship between the intercept value of the linear axis of the data for each relative dielectric constant and the relative dielectric constant of the substrate 1 is obtained by the same method as described above, it is expressed as Ye × 1000 = −16.7ε + 404.4. It has been found.
[0037]
As described above, the present inventor found that the relationship between the relative dielectric constant ε of the substrate 1, the area S of the connection pad 1c, and the transmittable frequency value F in the region where the frequency of the high frequency signal is 10 GHz or more and 80 GHz or less is 1000 × S ≦ It was found to be represented by 404.4-4.2F-16.7ε.
[0038]
In addition, since the connection pad 1c is generally formed by a printing method or the like, there is a limit to the minimum dimension that can be stably and accurately formed, and the size is 0.002 mm in area.²Since the diameter is 0.05 mm, the lower limit of 1000 × S is defined by 2. Therefore, the relationship between the relative dielectric constant ε of the substrate 1, the area S of the connection pad 1 c, and the transmittable frequency value F in the frequency range of 10 to 80 GHz of the high frequency signal is 2 ≦ 1000 × S ≦ 404.4-4.2F. It is represented by −16.7ε.
[0039]
Because of the above relationship, the area of the connection pad 1c can be optimized according to the size of the frequency, so that the input / output of the high frequency signal is adversely affected between the connection pad 1c and the grounding conductor layer of the semiconductor package A. As a result, the generation of stray capacitance is reduced, and the impedance does not change abruptly at the connection pad 1c. As a result, reflection loss and transmission loss are reduced, and a high frequency signal of 10 to 80 GHz can be transmitted with good transmission characteristics.
[0040]
In the present invention, the auxiliary metal plate M is joined to the lower surface of the base 1 of the semiconductor package A. The auxiliary metal plate M is made of Cu, Al, Fe—Ni—Co alloy, Fe—Ni alloy or the like, and is joined to the two corners facing the lower surface of the base 1 or the two facing sides via a brazing material. . In addition, you may join to the four corners or four sides of the base 1 lower surface.
[0041]
The thickness of the auxiliary metal plate M is set to be approximately the same as the diameter of the metal ball 3, and specifically, 0.125 to 0.5 mm is preferable. If the thickness is less than 0.125 mm, the diameter of the metal ball 3 also needs to be less than 0.125 mm. If this diameter is reached, it becomes extremely difficult to handle the metal ball 3, and the practicality of manufacturing is lost. In addition, when the base body 1 is warped, a metal ball 3 that is not connected to the connection pad 1c may be generated. Therefore, the thickness of the auxiliary metal plate M is preferably 0.125 mm or more, and the diameter of the metal ball is preferably 0.125 mm or more. When the thickness of the auxiliary metal plate M exceeds 0.5 mm, the diameter of the metal ball 3 exceeds 0.5 mm, and the problem that the metal balls 3 come into contact with each other in the connection pad 1c having a narrow pitch is likely to occur. Become. More preferably, it is 0.125 to 0.3 mm.
[0042]
The auxiliary metal plate M is attached to the external electric circuit device D by screwing. Thereby, the semiconductor device B can be accurately aligned with the external electric circuit device D, and the displacement of the auxiliary metal plate M can be prevented. Accordingly, the through hole 5 for screw tightening is provided in the protruding portion that protrudes outside the base body 1 of the auxiliary metal plate M. The through-hole 5 is preferably formed at a site 2 mm or more away from the end face of the substrate 1. This is because, when the auxiliary metal plate M is joined to the lower surface of the base 1 using, for example, a brazing material, the through hole 5 and the screw tightening portion are formed in a range not affected by the meniscus formed by the brazing material. .
[0043]
Further, the bonding area of the auxiliary metal plate M on the lower surface of the substrate 1 is preferably 10 to 30% of the lower surface of the substrate 1. If it is less than 10%, the function as a heat dissipation medium is reduced. If the bonding area exceeds 30%, it becomes difficult to relieve the thermal stress generated at the joint between the auxiliary metal plate M and the base 1, and a crack occurs at the joint between the auxiliary metal plate M and the base 1. It becomes easy. More preferably, 10 to 20% is suitable.
[0044]
Further, the auxiliary metal plate M can also have a function as a grounding conductor. Thereby, the transmission characteristic of the high frequency signal can be greatly improved.
[0045]
The semiconductor device B of the present invention includes the semiconductor package A, the semiconductor element C mounted and fixed on the mounting portion 1a via an adhesive such as Sn-Pb solder, silver epoxy resin, and glass, and the base 1 A frame body 4 joined to the upper surface of the semiconductor substrate A via a brazing material, and a lid body which is joined to the upper surface of the frame body 4 by a low melting point brazing material such as Au—Sn and seals the semiconductor element C inside the semiconductor package A. And 5.
[0046]
The semiconductor device B of the present invention can efficiently dissipate this heat from the base body 1 and the frame body 4 to the heat sink part and the atmosphere, respectively, even when the heat generated during the operation of the semiconductor element C is very large. it can. Therefore, malfunction or oxidative corrosion of the semiconductor element C can be effectively prevented, and the semiconductor element C can be operated normally and stably over a long period of time.
[0047]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It does not have any trouble in making a various change within the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, as a semiconductor device,
A so-called optical semiconductor package in which the semiconductor element C is an optical semiconductor element such as a semiconductor laser (LD) or a photodiode (PD) and the semiconductor package can transmit an optical signal by using the base 1 and the frame 4 is used. You can also.
[0048]
【The invention's effect】
The semiconductor element storage package of the present invention has a connection pad area S (mm).²)
2 ≦ 1000 × S ≦ 404.4-4.2F-16.7ε
(Where F is the frequency (GHz) of the high-frequency signal, and ε is the relative dielectric constant of the substrate), and the height of the conductor bumps at the two opposite corners or the two opposite sides of the lower surface of the substrate. As a result, the stray capacitance that adversely affects the transmission of high-frequency signals is not generated between the connection pad and the inner ground conductor layer of the semiconductor package. The characteristic impedance does not change abruptly.
[0049]
In addition, solid conductor bumps, which are connection media with external electric circuit devices, are connected to the connection pads by brazing, and the connection between the conductor bumps and the external electric circuit devices is performed by soldering, etc. In addition, it is possible to eliminate any cracks resulting from this constriction. Further, since an auxiliary metal plate having a thickness substantially equal to the height of the conductor bump is joined to two opposing corners or two opposing sides of the lower surface of the base, the gap between the semiconductor package and the external electric circuit device is reduced. It can be made constant, and the lateral displacement of the semiconductor package with respect to the external electric circuit device can be easily prevented, and cracks generated in the solder due to the lateral displacement can be effectively prevented.
[0050]
In the present invention, it is preferable that the thickness of the auxiliary metal plate is 0.125 to 0.5 mm, so that no crack is further generated in the solder joint portion, and the transmission path of the high-frequency signal transmitted from the semiconductor package Variation in impedance is extremely small.
[0051]
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element storage package of the present invention, a semiconductor element mounted and fixed on the mounting portion and electrically connected to the connection pad, and a lid bonded to the upper surface of the frame. By joining the semiconductor device to the external electric circuit device via the auxiliary metal plate, it is possible to compensate for insufficient bonding strength in the bonding between the semiconductor device and the external electric circuit device via the conductor bump. It becomes. In addition, since the misalignment between the semiconductor device and the external electric circuit device can be eliminated, the height and shape of the joint made of the conductor bump and the solder or brazing material can be made substantially the same at any joint point. As a result, the impedance is almost constant at any junction point, and transmission of a high-frequency signal with extremely small transmission loss can be realized.
[0052]
In addition, a part of heat generated by the semiconductor element can be efficiently transmitted to the external device by the auxiliary metal plate, and this heat can be dissipated to the outside through, for example, an electrode on the external electric circuit device. Furthermore, the ground potential of the semiconductor package can be strengthened by the auxiliary metal plate, and the effect of reducing the transmission loss of the high-frequency signal is further increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor package of the present invention, and FIG. 1B is a plan view showing an example of an embodiment of a semiconductor package in which an auxiliary metal plate is bonded to the lower surface. .
2A is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention mounted on an external electric circuit device, and FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device mounted on an external electric circuit device.
4 is a graph showing the results of Table 1. FIG.
[Explanation of symbols]
1: Substrate
1a: Placement part
1c: Connection pad
3: Metal balls
4: Frame
5: Through hole
6: Lid
A: Semiconductor package
B: Semiconductor device
C: Semiconductor element
M: Auxiliary metal plate

Claims

A substantially rectangular base having a mounting portion for mounting a semiconductor element on the upper surface; a connection pad formed on the lower surface of the base and electrically connected to the semiconductor element and for inputting and outputting a high-frequency signal; and the connection In a package for housing a semiconductor element having a solid conductive bump bonded to a pad, the area S (mm ² ) of the connection pad is 2 ≦ 1000 × S ≦ 404.4-4.2F-16.7ε.
(Where F is the frequency (GHz) of the high-frequency signal, and ε is the relative dielectric constant of the base) , and the conductor bumps are formed at two opposing corners or two opposing sides of the lower surface of the base . the height and the semiconductor device package for housing substantially the same thickness of the auxiliary metal sheet is characterized that you have joined the.

A package for housing semiconductor chip according to claim 1, wherein the thickness of the auxiliary metal plate is 0.125～0.5Mm.

A package for housing semiconductor chip according to claim 1 or claim 2 wherein, fixedly mounted on the mounting section, and a semiconductor element electrically connected to the connection pad, the cover joined to the frame upper surface A semiconductor device comprising: