JP5171009B2 - 半導体パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、搭載する半導体チップとの熱膨張差を低減して半導体装置の寿命を向上できる半導体パッケージおよびその製造方法に関する。

現在、ＣＰＵ、ＭＰＵの半導体パッケージ、特にプラスチック・パッケージで使用されているコア材料の主流は、ガラスクロスにエポキシ系樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板を代表とする有機コアである。このコアの両面または片面に、サブトラクティブ法、アデティブ法、セミアデティブ法によってビルドアップ配線層を形成して多層配線構造の半導体パッケージとしている。半導体装置の高速化、高集積化に対応するために、コアを薄くしたり、コアレス構造とすることが行なわれている。

このような状況下において、搭載する半導体チップと半導体パッケージとの熱膨張差によって両者の接合部で熱応力の発生を避けられない。この熱応力は接合部から更にチップ内配線層（ＩＬＤ）に応力（チップ応力）として作用するため、接合部のみでなく半導体チップ自体の破壊により半導体装置寿命に致命的な影響を及ぼす虞がある。

特に、半導体チップは高速化、高集積化に伴い機械的に脆くなることが避けられないため、半導体装置の寿命向上にはチップ応力を低減することが極めて重要になってきた。

熱応力を低減するには、半導体チップと半導体パッケージの熱膨張差を低減する必要があるが、半導体チップの主体であるシリコンの熱膨張係数３．４ｐｐｍ／℃に対して、ガラスエポキシコアの熱膨張係数は低くても１０ｐｐｍ／℃程度はあり、ガラスエポキシコアを用いている限り改良に限界がある。

そこで、従来のガラスエポキシ基板のような有機コアに替えて無機コアを用いることが考えられる。すなわち、無機コアとしては、半導体チップの材料と同じシリコンや、シリコンと同等の熱膨張係数を持つガラスやセラミクスを用いることにより、従来の有機コアに比べて熱膨張係数を半導体チップに近づけることができる。

しかし、このような無機コアを用いた場合、ビルドアップ層の樹脂との接合や表面配線および貫通配線の形成はこれまで行なわれておらず、そのための新たな技術開発が必要とされていた。

特許文献１には、樹脂を用いた有機コアの両面に金属配線板を配し、有機コアの貫通孔を介して両金属板を局部的に接合して貫通配線を形成する方法が提示されている。しかしこれでは、相変わらず有機コアを用いているため半導体チップとの熱膨張差を低減することはできないし、無機コアを用いた際のビルドアップ層の樹脂との接合や表面配線および貫通配線の形成に寄与する新たな示唆は何らなされていない。

特開平１１−２５１７０５号公報

本発明は、無機コアを用いたことにより半導体チップとの熱膨張差を低減して半導体装置の寿命向上を可能とする半導体パッケージおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１発明の半導体パッケージは、無機コアの両面に、金属板を加工したベース配線層とその上のビルドアップ配線層とから成る多層配線構造を備え、（１）上記無機コアの貫通孔内での上記両面の金属板の加工突起同士の接合により、または（２）上記無機コアの貫通孔内を貫通した別体の金属ピンの両端と上記両面の金属板との接合により、上記両面のベース配線層同士が接続されていることを特徴とする。

上記の目的を達成するために、第１発明の半導体パッケージを製造する方法として、第２発明によれば下記Ａ、Ｂ、Ｃの方法が提供される。

＜方法Ａ＞
第１発明の半導体パッケージを製造する方法であって、
無機コアに貫通孔を開ける工程、
金属板を板面内の平面パターンに加工してベース配線層を形成する工程、
上記貫通孔を開けた無機コアを、上記加工した２枚の金属板で両面から挟んだ状態に保持し、上記無機コアの貫通孔の位置で上記両面の金属板をプレス加工して加工突起を形成すると共に該貫通孔内で両方の加工突起同士をカシメおよび／または溶接することにより該両面のベース配線層同士を相互に接合して第１発明の（１）の接合状態とする工程、
を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

＜方法Ｂ＞
第１発明の半導体パッケージを製造する方法であって、
無機コアに貫通孔を開ける工程、
第1の金属板を板面内の平面パターンに加工してベース配線層を形成すると共に、上記貫通孔に対応した位置にプレス加工により雄型の加工突起を形成する工程、
第２の金属板を平面パターンに加工してベース配線層を形成すると共に、上記貫通孔に対応した位置に、プレス加工により頭部雌型の加工突起を形成する工程、
上記貫通孔を開けた無機コアを、上記加工した第１、第２の金属板の上記雄型と頭部雌型の加工突起を該貫通孔に位置合わせして両面から挟んだ状態に保持し、プレス加工により上記雄型と頭部雌型の加工突起同士をカシメ接合して第１発明の（１）の接合状態とする工程、
を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

＜方法Ｃ＞
第１発明の半導体パッケージを製造する方法であって、
無機コアに貫通孔を開ける工程、
金属板を、上記貫通孔に対応する位置の開口を含む板面内の平面パターンに加工してベース配線層を形成する工程、
上記貫通孔を開けた無機コアを、上記加工した２枚の金属板の上記開口を該貫通孔に位置合わせして両面から挟んだ状態に保持し、該開口を介して該貫通孔に金属ピンを挿入し、プレス加工または溶接により上記金属ピンの両端と上記２枚の金属板の上記開口部とを接合して第１発明の（２）の接合状態とする工程、
を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

第１発明の半導体パッケージにおいては、有機コアに比べて低熱膨張の無機コアを用いたことにより、半導体チップとの熱膨張差を従来の有機コアを用いた半導体パッケージに比べて大幅に低減できる。

第２発明の半導体パッケージの製造方法においては、プレス加工を用い、必要に応じて溶接も用いたことにより、上下両面の金属板配線層を無機コアの貫通孔内で電気的および機械的に強固に接合でき、無機コアの低熱膨張を半導体パッケージ全体に反映させることができる。

本発明の半導体パッケージは、（１）無機コアの貫通孔内での上記両面の金属板の加工突起同士の接合により、または（２）無機コアの貫通孔内を貫通した別体の金属ピンの両端と上記両面の金属板との接合により、上記両面のベース配線層同士が接続されているので、両面のベース配線層およびその上に形成されるビルドアップ配線層の熱膨張は、無機コアの熱膨張によって拘束され、半導体パッケージ全体として無機コアに近い熱膨張を発現するため、搭載した半導体チップとの熱膨張差を大幅に低減できる。

本発明の製造方法は、プレス加工を用い、必要に応じて溶接も用い、上下両面の金属板配線層を無機コアの貫通孔内で接合することにより、電気的な接合を良好に確保できると同時に、機械的にも高い強度および剛性を有する接合部が形成できるので、無機コア上のビルドアップ配線層の熱膨張を無機コアにより有効に拘束して半導体パッケージ全体として半導体チップとの熱膨張差を大幅に低減でき、半導体装置の寿命を向上させることができる。

本発明に用いる無機コアは、典型的には下記の材質から選択できる。

＜本発明の無機コアの材質例＞
〔材質〕 〔熱膨張係数（ＣＴＥ）〕
シリコン ３．４ｐｐｍ／℃ （半導体チップのシリコンと同じ）
ガラス ４〜６ｐｐｍ／℃
セラミクス
アルミナ ５〜７ｐｐｍ／℃
窒化アルミニウム ４．５ｐｐｍ／℃
チタン酸バリウム ６ｐｐｍ／℃
酸化チタン ７ｐｐｍ／℃
上記は代表的な一例であり、半導体チップのシリコンと近い熱膨張係数を有する無機材料であればよい。

〔実施例１〕
図１を参照して、本発明の方法Ａの望ましい一形態により半導体パッケージを製造する工程の一例を説明する。

工程（１Ａ）において、代表的には前述した材質の無機コア１０を用意する。

工程（２Ａ）において、無機コア１０に、ドリル、レーザー、反応性イオンエッチングＲＩＥ、ボッシュプロセスなどにより、所定の貫通孔１２を開ける。

並行して、工程（１Ｂ）において、ベース配線層を形成するための金属板としてリードフレーム１４を用意する。リードフレーム１４の材質は特に限定する必要はなく、従来用いられているＣｕ、Ｎｉ−Ｆｅ合金などであってよい。

工程（２Ｂ）において、リードフレーム１４をスタンピングやエッチングによりパターニングしてベース配線層とする。

次に、工程（３）において、貫通孔１２の開いた無機コア１０を、パターニングされた２枚のリードフレーム１４で上下両面から挟んで保持する。

工程（４）において、上記の状態で、無機コア１０の貫通孔１２の位置でリードフレーム１４にポンチＰ（工程（３）の図に示す）でスタンピングを行い、貫通孔１２内で上下のリードフレーム１４の加工突起部１６同士をカシメ接合（または溶着）する。

ここまでの工程により、無機コア１０の両面にリードフレーム１４から成るベース配線層が形成され、両面のベース配線層１４同士は、無機コア１０の貫通孔１２内で加工突起１６同士の接合により電気的および機械的に接続された構造が得られる。

以下、工程（５）〜工程（７）に示すビルドアップ工程により絶縁層１８の形成（工程（５））、ビア穴２０の開口（工程（６））、配線層２２の形成（工程（７））を必要回数繰返して、所定の多層配線層を形成した後に、工程（８）でソルダーレジスト層２４を形成して半導体パッケージ１００が完成する。

工程（８）の図中に仮想線で示したように、半導体パッケージ１００上に半導体チップ２００を搭載する。これは、半導体チップ２００の電極端子２０２を半導体パッケージ１００に接合し、アンダーフィル２０４を充填することによって行なう。

図２に、半導体パッケージ１００上に半導体チップ２００を搭載した半導体装置３００を示す。同図中の各部の代表的な寸法および寸法範囲の一例は下記のとおりである。

無機コア１０：厚さ２００μｍ（５μｍ〜５ｍｍ）
リードフレーム１４：厚さ５０μｍ（３μｍ〜３００μｍ）
絶縁層１８：厚さ２０μｍ（３μｍ〜３００μｍ）
ソルダーレジスト層２４：厚さ１５μｍ（５μｍ〜５０μｍ）
スルーホール径Ｔ：３００μｍ（１０μｍ〜５ｍｍ）
半導体パッケージサイズＸ：５０ｍｍ（１ｍｍ〜２００ｍｍ）
半導体チップサイズＹ：２５ｍｍ（１ｍｍ〜１５０ｍｍ）
半導体パッケージ１００は、全体として無機コア１０によって熱膨張を拘束された状態なので、無機コア１０と同等の熱膨張係数を発現するため、搭載された半導体チップ２００に近い熱膨張係数となる。すなわち、半導体パッケージ１００と半導体チップ２００との熱膨張差に起因する熱応力を顕著に低減することができるので、両者の接合部およびチップ内配線への応力負荷による破壊を効果的に防止することができ、半導体装置の寿命を大幅に向上させることができる。

なお、完成した半導体パッケージ１００はリードフレーム１４上に保持された状態なので、リードフレームと共にリール・ツウ・リールによる搬送および処理が可能になる。もちろん半導体パッケージ１００をリールから個片化して樹脂基板に配置してやることで、プラスチック基板工程で使用する大判サイズのシートで搬送および処理することも可能である。そのため、プロセスの高速化、分業化、コストダウンを図ることができる、という副次的な効果も得られる。

〔実施例２〕
図３を参照して、本発明の方法Ｂの望ましい一形態により半導体パッケージを製造する工程の一例を説明する。

工程（１Ａ）において、代表的には前述した材質の無機コア１０を用意する。

工程（２Ａ）において、無機コア１０に、ドリル、レーザー、反応性イオンエッチングＲＩＥ、ボッシュプロセスなどにより、所定の貫通孔１２を開ける。

並行して、工程（１Ｂ）において、ベース配線層を形成するための金属板としてリードフレーム１４を用意する。リードフレーム１４の材質は特に限定する必要はなく、従来用いられているＣｕ、Ｎｉ−Ｆｅ合金などであってよい。

工程（２Ｂ）において、リードフレーム１４Ｘをスタンピングやエッチングによりパターニングしてベース配線層を形成すると共に、無機コア１０の貫通孔１２に対応した位置にプレス加工により雄型の加工突起２６Ｘを形成する。同様に、リードフレーム１４Ｙをスタンピングやエッチングによりパターニングしてベース配線層を形成すると共に、無機コア１０の貫通孔１２に対応した位置に、プレス加工により頭部が雌型の加工突起２６Ｙを形成する（工程（３）の図を参照）。

次に、工程（３）において、貫通孔１２の開いた無機コア１０を、リードフレーム１４Ｘ、１４Ｙの雄型の加工突起２６Ｘと頭部雌型の加工突起２６Ｙを貫通孔１２に位置合わせして上下両面から挟んだ状態に保持する。

そして工程（４）において、プレス加工により雄型の加工突起２６Ｘと頭部雌型の加工突起２６Ｙとを嵌め合わせてカシメ接合する。

ここまでの工程により、無機コア１０の両面にそれぞれリードフレーム１４Ｘ、１４Ｙから成るベース配線層が形成され、両面のベース配線層１４Ｘと１４Ｙとは、無機コア１０の貫通孔１２内で加工突起２６Ｘと２６Ｙとの接合により電気的および機械的に接続された構造が得られる。

以下、図１に示した実施例１の工程（５）〜工程（７）と同様のビルドアップ工程により、絶縁層１８、ビア２０、配線層２２の形成を必要回数繰返して、所定の多層配線層を形成した後に、ソルダーレジスト層２４を形成して半導体パッケージ１１０が完成する。

本実施例で作製した半導体パッケージ１１０は、実施例１の半導体パッケージ１００とは、貫通孔１２内での接合形態が異なる以外は同じ構造である。

〔実施例３〕
図４を参照して、本発明の方法Ｂの望ましい一形態により半導体パッケージを製造する工程の一例を説明する。

工程（１Ａ）において、代表的には前述した材質の無機コア材料１０を用意する。

工程（２Ａ）において、無機コア１０に、ドリル、レーザー、反応性イオンエッチングＲＩＥ、ボッシュプロセスなどにより、所定の貫通孔１２を開ける。

並行して、工程（１Ｂ）において、ベース配線層を形成するための金属板としてリードフレーム１４を用意する。リードフレーム１４の材質は特に限定する必要はなく、従来用いられているＣｕ、Ｎｉ−Ｆｅ合金などであってよい。

工程（２Ｂ）において、リードフレーム１４をスタンピングやエッチングによりパターニングして、無機コア１０の貫通孔１２に対応する位置の開口２８を含む平面パターンのベース配線層とする。

次に、工程（３）において、貫通孔１２の開いた無機コア１０を、上記加工した２枚のリードフレーム１４の開口２８を貫通孔１２に位置合わせして両面から挟んだ状態に保持する。その際、貫通孔１２の位置に接合用の金属ピン３０を配置する。

そして工程（４）において、開口２８を介して貫通孔１２に金属ピン３０を挿入し、プレス加工（ピン３０の頭つぶし）または溶接により金属ピン３０の両端と２枚のリードフレーム１４の開口部２８とを接合する。

ここまでの工程により、無機コア１０の貫通孔１２内を貫通した別体の金属ピン３０の両端と無機コア１０両面のリードフレーム１４との接合により、両面のベース配線層１４同士が電気的および機械的に接続された構造が得られる。

以下、図１に示した実施例１の工程（５）〜工程（７）と同様のビルドアップ工程により、絶縁層１８、ビア２０、配線層２２の形成を必要回数繰返して、所定の多層配線層を形成した後に、ソルダーレジスト層２４を形成して半導体パッケージ１２０が完成する。

本実施例で作製した半導体パッケージ１２０は、実施例１の半導体パッケージ１００とは、貫通孔１２を介したベース配線層１４同士の接合形態が異なる以外は同じ構造である。

以上の実施例において、リードフレームによりベース配線層１４を形成したが、リードフレームに限定する必要はなく、ベース配線層１４を形成するのに適した金属板や金属箔であればよい。

本発明によれば、無機コアを用いたことにより半導体チップとの熱膨張差を低減して半導体装置の寿命向上を可能とする半導体パッケージおよびその製造方法が提供される。

本発明の方法Ａの望ましい実施形態により、無機コアを用いた本発明の半導体パッケージを製造する工程の一例を示す断面図。 図１の製造工程により製造した半導体パッケージに半導体チップを搭載した状態を示す断面図。 本発明の方法Ｂの望ましい実施形態により、無機コアを用いた本発明の半導体パッケージを製造する工程の一例を示す断面図。 本発明の方法Ｃの望ましい実施形態により、無機コアを用いた本発明の半導体パッケージを製造する工程の一例を示す断面図。

符号の説明

１０ 無機コア
１２ 貫通孔
１４、１４Ｘ、１４Ｙ リードフレーム
１６ 加工突起
１８ 絶縁層
２０ ビア（ビア穴）
２２ 配線層
２４ ソルダーレジスト層
２６Ｘ 雄型の加工突起
２６Ｙ 頭部が雌型の加工突起
２８ 開口
３０ 金属ピン
１００、１１０、１２０ 半導体パッケージ
２００ 半導体チップ
２０２ 電極端子
２０４ アンダーフィル
３００ 半導体装置

Claims (8)

1. 貫通孔が形成された無機コアと、
   金属板を板面内の平面パターンに加工したリードフレームで形成される一対のベース配線層と、
   前記貫通孔が形成された無機コアを、前記一対のベース配線層で両面から挟んだ状態に保持し、前記無機コアの貫通孔の位置で前記一対のベース配線層をプレス加工して加工突起を形成すると共に該貫通孔内で両方の加工突起同士をカシメまたは溶接することにより前記一対のベース配線層同士を相互に接合することにより形成される接合部と、
   前記一対のベース配線層が対向する面と反対側の面にそれぞれ形成されるビルドアップ配線層と、
   を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
2. 貫通孔が形成された無機コアと、
   金属板を板面内の平面パターンに加工したリードフレームで形成され、前記無機コアの貫通孔に対応した位置にプレス加工により形成された雄型の加工突起を有する第１ベース配線層と、
   金属板を板面内の平面パターンに加工したリードフレームで形成され、前記無機コアの貫通孔に対応した位置にプレス加工により形成された頭部雌型の加工突起を有する第２ベース配線層と、
   前記貫通孔が形成された無機コアを、前記第１及び第２ベース配線層の前記雄型と頭部雌型の加工突起を前記無機コアの貫通孔に位置合わせして両面から挟んだ状態に保持し、プレス加工により前記雄型と頭部雌型の加工突起同士をカシメ接合することにより形成される接合部と、
   前記第１及び第２ベース配線層が対向する面の反対側の面にそれぞれ形成されるビルドアップ配線層と、
   を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
3. 貫通孔が形成された無機コアと、
   金属板を板面内の平面パターンに加工したリードフレームで形成され、前記平面パターンは前記無機コアの貫通孔に対応する位置の開口を含む一対のベース配線層と、
   前記一対のベース配線層の開口を介して前記無機コアの貫通孔に挿入されている金属ピンと、
   プレス加工または溶接により前記金属ピンの両端と前記２枚の金属板の前記開口部とを接合することにより形成される接合部と、
   前記一対のベース配線層が対向する面と反対側の面にそれぞれ形成されるビルドアップ配線層と、
   を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
4. 前記無機コアは、シリコン、セラミクス、ガラスから選択した無機材料から成る請求項１から３までのいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
5. 無機コアの両面に、金属板を加工したリードフレームからなるベース配線層とその上のビルドアップ配線層とから成る多層配線構造を備え、前記無機コアの貫通孔内での前記両面のベース配線層の加工突起同士の接合により、前記両面のベース配線層同士が接続されている半導体パッケージを製造する方法であって、
   無機コアに貫通孔を開ける工程、
   金属板を板面内の平面パターンに加工してリードフレームからなるベース配線層を形成する工程、
   前記貫通孔を開けた無機コアを、前記リードフレームに加工した２枚の金属板で両面から挟んだ状態に保持し、前記無機コアの貫通孔の位置で前記両面の金属板をプレス加工して加工突起を形成すると共に該貫通孔内で両方の加工突起同士をカシメまたは溶接することにより該両面のベース配線層同士を相互に接合する工程、
   を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
6. 無機コアの両面に、金属板を加工したリードフレームからなるベース配線層とその上のビルドアップ配線層とから成る多層配線構造を備え、前記無機コアの貫通孔内での前記両面のベース配線層の加工突起同士の接合により、前記両面のベース配線層同士が接続されている半導体パッケージを製造する方法であって、
   無機コアに貫通孔を開ける工程、
   第１の金属板を板面内の平面パターンに加工してリードフレームからなるベース配線層を形成すると共に、前記貫通孔に対応した位置にプレス加工により雄型の加工突起を形成する工程、
   第２の金属板を板面内の平面パターンに加工してリードフレームからなるベース配線層を形成すると共に、前記貫通孔に対応した位置に、プレス加工により頭部雌型の加工突起を形成する工程、
   前記貫通孔を開けた無機コアを、前記加工した第１、第２の金属板の前記雄型と頭部雌型の加工突起を該貫通孔に位置合わせして両面から挟んだ状態に保持し、プレス加工により前記雄型と頭部雌型の加工突起同士をカシメ接合する工程、
   を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
7. 無機コアの両面に、金属板を加工したリードフレームからなるベース配線層とその上のビルドアップ配線層とから成る多層配線構造を備え、前記無機コアの貫通孔内を貫通した別体の金属ピンの両端と前記両面のベース配線層との接合により、前記両面のベース配線層同士が接続されている半導体パッケージを製造する方法であって、
   無機コアに貫通孔を開ける工程、
   金属板を、前記貫通孔に対応する位置の開口を含む板面内の平面パターンに加工してリードフレームからなるベース配線層を形成する工程、
   前記貫通孔を開けた無機コアを、前記リードフレームに加工した２枚の金属板の前記開口を該貫通孔に位置合わせして両面から挟んだ状態に保持し、該開口を介して該貫通孔に金属ピンを挿入し、プレス加工または溶接により前記金属ピンの両端と前記２枚の金属板の前記開口部とを接合する工程、
   を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
8. 前記無機コアは、シリコン、セラミクス、ガラスから選択した無機材料から成る請求項５から７までのいずれか１項に記載の半導体パッケージの製造方法。

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