JP4885425B2

JP4885425B2 - 半導体素子収納パッケージ

Info

Publication number: JP4885425B2
Application number: JP2004019549A
Authority: JP
Inventors: 和孝前田; 彰一仲川; 智子田尻
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005217003A

Description

本発明は半導体素子を搭載収納している半導体素子収納パッケージに関し、特に、シリコンチップ等の半導体素子を搭載収納している配線基板、放熱蓋板、等のパッケージ部材の強度を補強する補強枠（スティフナ）を備えた有機樹脂基板製のパッケージに関する。

近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術が急速に発展し、それに伴い、各種半導体素子の高速化、高度集積化が図られている。
これに対応して、半導体素子収納パッケージも高性能化及び高実装密度化の傾向が顕著となり、その主流がピン挿入型から表面実装型へ移行するだけでなく半導体素子の作動周波数の向上に伴い配線基板を薄型化して基板内の配線長さをより一層短くすることが強く求められるようになってきている。

然し、フリップチップ（flipchip)接続ＢＧＡ(Ball Grid Array)タイプパッケージ等の表面実装型パッケージは、従来構造のままの場合、基板厚みを薄くすると、僅かの外力や温度差で撓みや熱歪みが生じ、パッケージとプリント基板の接続不良等の不都合を招来し勝ちとなる。
この対策として、例えば、特許文献１，特許文献２等に記載されているように、配線基板と放熱蓋板（リッド）との間にスティフナと呼ばれる補強枠板を挿入し、この枠内に素子を収容して配線基板を含むパッケージ全体を機械的に補強し、前記歪み変形を抑制することが従来から行われてきた。

参考までに、上記のような従来の半導体装置（半導体素子収納パッケージ）の構造を模式的に図３に示す。
この装置はＢＧＡタイプで、半導体素子２１、配線基板２２，放熱蓋板（リッド、又はキャップ）２３、及び充填樹脂（アンダーフィル）２５等により構成され、更に、半導体素子（チップ）２１にはその底面に複数のハンダバンプ２６が形成されており、このハンダバンプ２６を配線基板２２の上面に形成された接続パターンにハンダ溶融しフリップチップ接続させることにより半導体素子は配線基板２２に搭載される。
配線基板２２には、セラミックスの他、最近では、装置全体のコスト低減を図るため、例えば、ガラス繊維入りエポキシ樹脂、ガラス繊維入りポリイミド樹脂等の有機樹脂製基板やポリエステル樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム等からなるフレキシブル基板が多く用いられる傾向にある。
この配線基板２２の下面には外部接続端子となるボール（ハンダボール）２７が配設されている。
又、配線基板２２上面に形成された接続パターンと配線基板２２下面に形成されたハンダボール２７の接合部とは、配線基板２２の内部に配設されたスルーホール（図示せず）により電気的に接続された構成となっている。

又、放熱蓋板２３は一般的には平板形状で配線基板２２全体を覆うように配置されており、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属材料により形成されている。
そして、この放熱蓋板２３と半導体素子２１との間にはペースト材２８が介装された構成となっている。
放熱蓋板２３は半導体素子２１で発生する熱を放熱する放熱板として機能するため、より広い放熱領域を設けられるように配線基板２２を覆うように配置される。

ペースト材２８には、金属フィラー（例えば銀）入り樹脂ペースト、非金属フィラー（例えばシリコン）入り樹脂ペースト、又はロウ材（例えばハンダ）等の比較的熱伝導性が良く強い接着力を有する材料が用いられる。

尚、スティフナ（補強枠）２４は配線基板２２と放熱蓋板２３の間に装着し、夫々と接着固定することで放熱蓋板２３の機械的安定性を高める役割をしている。
このスティフナ２４は配線基板２２、放熱蓋板２３の何れかと一体化させておいても良く、この態様のものも多い。
次に充填樹脂（アンダーフィル）２５は例えば熱硬化性のプラスチックであるエポキシ樹脂等が用いられ、このアンダーフィル２５により半導体素子２１は封止され、ハンダバンプ２６に加わる応力を広い面積で受けることによりハンダバンプに加わる応力を分散緩和させる役割を果たす。
特開平１１−０１７０６４号公報特開２００１−１１０９２６号公報

既に述べたように、最近に於いては半導体素子の作動周波数の向上に伴い、配線基板の薄型化傾向が顕著であるが、上記従来構造のパッケージでは配線基板の厚みを薄くすると、パッケージとプリント基板のハンダ接合部が、例えば、EIAJ ET−7407等に規定の所定信頼性試験である温度サイクル試験に於いて熱疲労破壊してしまい、信頼性要求を満たすことが出来ないと云う問題がある。
これは、半導体素子の主流を占めるシリコンチップの熱膨張係数が約３ｐｐｍ／℃であるのに対して一般に樹脂製配線基板の熱膨張係数は１５〜１８ｐｐｍ／℃であり、熱膨張係数の差が非常に大きいことに基因している。

即ち、温度サイクル試験時に例えば−４０から１２５℃の温度変化を与えると、半導体素子と配線基板間には、その熱膨張差により局所的な変形応力歪みが発生し、それを緩和しようとして局所的に反り変形を生じる。
温度サイクル試験に於ける低温・高温サイクルの繰り返しに伴い、ハンダバンプが繰り返し歪み変形応力を受けることにより最終的に疲労破壊してしまうと云うものである。

スティフナ（補強枠）が無い構造で有れば配線基板も全体的に反ることが出来るため、それにより幾分熱応力を分散緩和することが出来る。
しかしながら、例えば図３のような放熱蓋板、スティフナ、配線基板で囲まれたリジッドな薄型長方形の函体構造で、各部材がほぼ近似した熱膨張係数を有する材質の場合は、配線基板は周縁部をスティフナで固定されているためその全体的な反り変形が抑制されてしまい、半導体素子搭載部だけが局所的に歪むため、ハンダ部に生じる熱応力はスティフナが設けられない構造のものに比べ著しく大きくなる。

この半導体素子搭載部の局所熱応力を低減するための手段として、放熱蓋板とスティフナの熱膨張係数を配線基板のそれに比べて小さくする手法が挙げられる。
スティフナと放熱蓋板の熱膨張係数が配線基板よりも幾分小さい場合、スティフナは配線基板と同じ程度には膨張しないため、基板面周縁を拡張させず、温度変化により生じた熱膨張差を配線基板全体が半導体素子と同様に反って緩和する。
このためハンダ接合部に生じる局所熱応力集中を著しく分散緩和させることが出来る。
しかしながら、一方では、スティフナの熱膨張係数が配線基板よりも小さいと、その分素子搭載面を含む基板面の反りが大きくなるという問題がある（半導体素子搭載面の平坦性は素子の正常作動を担保する上で特に重要である。）。
特に配線基板にスティフナを組み付けてから半導体素子を配線基板に実装する場合には、スティフナを組み付けた段階でスティフナと配線基板の熱膨張係数の差に起因した反りが生じてしまうため、半導体素子搭載部の平坦度の問題により半導体素子を配線基板に実装することが困難である。

本発明者等は、パッケージ等の配線基板と外部回路基板の熱膨張差によって接続端子に発生する熱応力を低減する方法について種々検討を重ねた結果、スティフナを重ね構造とすることにより半導体素子の実装を阻害すること無く熱膨張係数の小さいスティフナや放熱蓋板でも配線基板に組み付けることが出来、長期にわたり安定した実装が可能となることを見出し、この知見に基づき本発明を完成した。
従って、本発明の目的は、低熱膨張係数のスティフナや放熱蓋板でも半導体素子の実装を阻害すること無く配線基板に組み付けることが出来、外部回路基板と長期にわたり強固で安定な接続状態を維持出来る半導体素子収納パッケージを提供することにある。

本発明によれば、主構成材料が、熱膨張係数が１５乃至１８ｐｐｍ／℃の有機樹脂である配線基板と、該配線基板の一方の表面に形成された半導体素子搭載部上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子搭載部の周囲にフレーム状に配設された補強枠と、該補強枠に接合されてなるとともに、前記半導体素子が銀のフィラーを含むペースト材を介して接着され、前記半導体素子を気密に封止するために前記配線基板の表面上に接合された放熱蓋板と、を具備する半導体素子収納パッケージであって、前記補強枠が、前記配線基板側に配置された銅の枠板と、前記放熱蓋板側に配置されたＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅを主体とする材料の枠板とを重畳させた構造からなることを特徴とする半導体素子収納パッケージが提供される。

即ち、本発明は、フレーム状スティフナ（補強枠）が蓋板と基板の間に挿入固定されている半導体素子を収納したパッケージであって、該スティフナが、配線基板側に配置された銅の枠板と、放熱蓋板側に配置されたコバールの枠板とが重畳されて構成されている点が特徴である。
これにより温度変化時の基板の反り変形を半導体素子の実装を阻害することが無い程度に低減すると共にハンダバンプと配線基板面回路との接続部等のハンダ接合部に生じる熱応力を分散低減させることが出来、且つ、配線基板を補強出来るため、半導体素子の長期にわたる安定した実装が達成できる。

本発明の半導体素子収納用パッケージは、プリント基板等の外部回路基板に実装した場合でも半導体素子とパッケージとの熱膨張係数の差に起因して生じるハンダバンプへの応力歪みを低減することが出来、長期間にわたり正確、且つ強固な電気的接続を持続することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して更に詳細且つ具体的に説明する。
図1は、本発明に於いて好適な半導体素子収納パッケージの一実施例の断面構造を示す略図であり、図２は図１で示されるパッケージに於いて放熱蓋板を除去した状態での上面図である。

この図１、図２を参照して、両図で示した態様のパッケージは、ＢＧＡタイプのフリップチップパッケージであり、単結晶シリコン等を主構成材とするシリコンチップ等の半導体素子１，ガラス繊維にエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等を含浸させた繊維強化樹脂基板、紙・フェノール樹脂基板、ポリエステルフレキシブル基板、ポリイミドフレキシブル基板等からなる配線基板２、高熱伝導材料からなる放熱蓋板３、後に詳述する材料からなる補強枠（ステフナ）４及び絶縁性熱硬化性樹脂からなる充填材（アンダ−フィル）５、ハンダバンプ６等より構成される。

シリコンを主構成材とする半導体素子１はその底面に複数のハンダバンプ６が形成されており、このハンダバンプ６を配線基板２の上面に形成された接続パターン（図示せず）にハンダ溶融によるフリップチップ接続することにより半導体素子１は配線基板２に搭載される（一次搭載）。
この時ハンダバンプ６は例えば、鉛を９０％以上含有する比較的高融点のハンダ材質とすることで、実装基板（外部回路プリント基板等）へ搭載（二次搭載）する際の加熱などでの再溶融を防止できる。

又、配線基板２の上面には前述した半導体１に形成されたハンダバンプ６が接合される接続パターンが形成されると共に、その裏面には接続パッドが形成され、外部接続端子となるハンダボール７が配設されている。
ハンダボール７はハンダバンプ６より低融点の材料、例えば、錫ー鉛ハンダ合金を用いる。
又、配線基板２上面に形成された接続パターンと配線基板２下面に形成されたハンダボール７の接合部とは、配線基板２の内部に配設されたスルーホール（図示せず）により電気的に接続された構成となっている。

次に、放熱蓋板３は、銅やアルミニウムを主成分とする熱伝導性の高い材料により形成されている。
放熱蓋板３は半導体素子１の上部に位置しており、半導体素子１の全面を覆いスティフナ４ｂと接着されていると共に、半導体素子１との間にはペースト材８が介装された構成となっている。
このペースト材８は放熱蓋板３と半導体素子１とを熱的に且つ機械的に接続させる機能を有するものであり、銀（Ａｇ）等の金属フィラー入り樹脂ペースト、シリコン（Ｓｉ）等の非金属フィラー入り樹脂ペースト、又はハンダ等のロウ材を用いることで熱伝導性と機械的保全性の両機能の両立が可能である。

アンダーフィル（充填材）５は例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であり、このアンダーフィル５により半導体素子１は封止され、ハンダバンプ６に加わる応力をより広い面積で受けることが可能となり、ハンダバンプ６に加わる応力の緩和が可能となる。

スティフナ（補強枠）４は、その枠の内周側面が半導体素子１の外周側面に接近して配線基板２と放熱蓋板３の間に装着され、夫々と、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤等の接着剤で接着固定することで配線基板２と放熱蓋板３の機械的安定性を補強する役目を有している。

本発明のパッケージに於いては、このスティフナ（補強枠）４が、少なくとも２枚の枠板を重畳させた構造からなることが特徴であるが、図３のパッケージではスティフナ４は、配線基板側と放熱蓋板側の２枚の枠板（４ａ，４ｂ）からなる。

配線基板側の枠板４ａは、特に配線基板の反りを低減する重要な役割を担っており、材料としては配線基板と近似した範囲の熱膨張係数（例えば配線基板の熱膨張係数に対して±２×１０^−６／℃）を有する材料を用いる。
配線に主として銅（Ｃｕ）が用いられることから、本発明で用いる有機樹脂製の配線基板は、その熱膨張係数が１５〜１８ｐｐｍ／℃の範囲にあるものを選択する。そのため、スティフナ枠板４ａの材質は銅（Ｃｕ）である。

放熱蓋板側の枠板４ｂは、配線基板２に前記枠板４ａを組み付けてからその枠板４ａ上に組み付けるが、放熱蓋板３に予め組み付けて於いても良い。
配線基板の反りは枠板４ａで抑制出来るので、スティフナー枠板４ｂには低熱膨張係数の材料を使用しても配線基板の反りは顕著ではなくなる。
それ故、熱膨張係数の低いＫｏｖａｒ（商標名）（２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ−５４％Ｆｅ：熱膨張係数９．６〜１０．２ｐｐｍ）を用いる。
又、一般にこれらの複合材料は高価であるため、厚さを薄くして銅製スティフナと併用できることはコスト上からも有利である。
上記枠板４ａと４ｂとの接着には、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤等の接着剤が好適に用いられる。

尚、スティフナー枠板４ｂと放熱蓋板３とは、既に述べたエポキシ樹脂等の接着剤により接合されるが、スティフナー４ｂの４辺中央部のみ接着し、比較的熱応力歪みが集中し勝ちなコーナー部をフリーとする接合態様は、この部分に対する過度の応力集中を緩和できる点で、配線基板の過度の変形を抑制できる観点から好ましい。

本発明のスティフナ４に於いて、配線基板側枠板４ａと放熱蓋板側枠板４ｂの厚さ比は、枠板４ａ厚さ／枠板４ｂ厚さ＝１/４〜４/1の範囲、特に1/２〜２/１の範囲にあることが、応力歪みを有効性に分散させる観点から好ましい。

このように本発明の半導体素子収納用パッケージは、スティフナを２枚重ね構造とすることにより半導体素子の実装を阻害することなく熱膨張係数の小さいスティフナー（枠板４ｂ）や放熱蓋板を配線基板に組み付けることができ、長期にわたり安定した実装が可能である。

図１，２に示したＢＧＡタイプのフリップチップ接続構造のパッケージであって、下記部材仕様のものを用意した。
半導体素子１（シリコンチップ；１５×１５ｍｍ平方、厚さ０．７ｍｍ）
配線基板２（室温〜２５０℃の熱膨張係数；１８×１０^−６／℃、ガラス繊維・エポキシ樹脂製；４０×４０ｍｍ平方、厚さ０．７ｍｍ、配線Ｃｕ）
放熱蓋板３（銅（Ｃｕ）製；４０×４０ｍｍ平方、厚さ０．５ｍｍ）
アンダーフィル５（エポキシ樹脂）
ハンダバンプ６（Ｐｂ含有率９０％の高融点ハンダ）
外部接続端子用ハンダボール７（錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）低融点ハンダ）
ペースト材８（銀（Ａｇ）フィラー入り樹脂ペースト）
尚、スティフナ４は、サイズが外形４０×４０ｍｍ平方、開口部２６×２６ｍｍ平方で、１枚のスティフナからなる試料Ｎｏ．１の比較例品では厚さ０．７ｍｍの銅製、２枚のスティフナからなるＮｏ．２〜６の実施例品では、配線基板側スティフナ枠板４ａは何れも厚さ０．３ｍｍの銅製、放熱蓋板側スティフナ枠板４ｂは厚さ０．３ｍｍで夫々表１に記載の各材料を用いた。また、ステフィナの熱膨張係数は、それぞれ、Ｃｕ：１８×１０^−６／℃、Ａｌ：２３×１０^−６／℃、エポキシ樹脂：６０×１０^−６／℃である。

上記の半導体素子収納パッケージを夫々厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４グレードプリント基板（耐燃性ガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板）にハンダ実装して信頼性試験の寿命サイクル数を比較した。
信頼性試験は、大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試験サンプルを２５分／２５分の保持を１サイクルとして最高３５００サイクル繰り返した。
そして、各１００サイクル毎にプリント基板の配線導体とパッケージ配線基板との電気抵抗を測定し、電気抵抗に変化が現れるまでのサイクル数を計数した。
結果を表１に示した。

表１より明らかなように、本発明品パッケージは、何れのものも３０００サイクル近くまで抵抗変化は全く認められず、極めて安定で良好な電気的接続状態を維持できた。
然し、本発明品以外の比較例品（試料Ｎｏ．１）では２０００サイクルから抵抗変化が検出され、実装後の信頼性に欠けることが判る。

本発明の半導体素子収納パッケージの一好適実施例の構造を示す断面略図図１のパッケージの上面略図（放熱蓋板を省略）従来の半導体素子収納パッケージの構造を示す断面略図。

符号の説明

１、２１半導体素子
２、２２配線基板
３，２３放熱蓋板
４、２４スティフナ（補強枠）
４ａ放熱蓋板側枠板
４ｂ配線基板側枠板
５、２５アンダーフィル（充填材）
６、２６ハンダバンプ
７，２７ハンダボール（外部接続端子）
８、２８ペースト材
９，２９接着剤

Claims

主構成材料が、熱膨張係数が１５乃至１８ｐｐｍ／℃の有機樹脂である配線基板と、該配線基板の一方の表面に形成された半導体素子搭載部上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子搭載部の周囲にフレーム状に配設された補強枠と、該補強枠に接合されてなるとともに、前記半導体素子が銀のフィラーを含むペースト材を介して接着され、
前記半導体素子を気密に封止するために前記配線基板の表面上に接合された放熱蓋板と、を具備する半導体素子収納パッケージであって、
前記補強枠が、前記配線基板側に配置された銅の枠板と、前記放熱蓋板側に配置されたＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅを主体とする材料の枠板とを重畳させた構造からなることを特徴とする半導体素子収納パッケージ。