JP7019021B2 - 半導体パッケージ、半導体装置および半導体パッケージの製造方法 - Google Patents

半導体パッケージ、半導体装置および半導体パッケージの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子が実装される半導体パッケージおよびその製造方法、並びにこれを用いた半導体装置に関する。
近年、高周波の信号で作動する半導体素子等を収容する半導体パッケージが知られている。このような半導体素子等は、作動する際に熱が生じる。この熱を外部に放熱させるために、半導体素子等を実装する基板を金属基板にして放熱性を向上させた半導体パッケージが開示されている(特開2002-93931号公報参照)。
特開2002-93931号公報では、第1の金属板と、第2の金属板と、リング状セラミック枠板とを備えた高周波用セラミックパッケージが開示されている。第1の金属板の側面は第2の金属板の内壁と接合材を介して接合している。
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、第1の金属板の伸び縮みに対して、第2の金属板およびリング状セラミック枠板に負荷がかかり、第2の金属板およびリング状セラミック枠板に割れが生じるおそれがあった。
本発明の一実施形態に係る半導体パッケージは、金属基板と、第1枠体と、第2枠体と、接合材とを備えている。金属基板は、上面に半導体素子が実装される実装領域を有している。第1枠体は、金属基板の側面と向かい合った側面を有するとともに、金属基板よりも熱膨張係数が小さい。第2枠体は、金属基板および第1枠体の上面に、実装領域を囲んで位置するとともに、金属基板よりも熱膨張係数が小さい。接合材は、金属基板、第1枠体および第2枠体の間に位置している。金属基板と接合材との間には、合金層を有する。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、上述した半導体パッケージと、半導体素子と、蓋体とを備えている。半導体素子は、実装領域に実装されている。蓋体は、半導体素子を覆うとともに、枠体の上面に位置している。
本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す上面からの斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す下面からの斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す上面からの平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す下面からの平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す側面図である。 図3に示した本発明の実施形態に係る半導体パッケージにおけるA-A線での断面図である。 図6に示した本発明の実施形態に係る半導体パッケージにおけるXの拡大図である。 図6に示した本発明の実施形態に係る半導体パッケージにおけるXの拡大図の他の例である。 本発明の実施形態係る半導体パッケージを示す上面からの分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す下面からの分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を示す上面からの斜視図である。
以下、各実施形態の半導体パッケージおよびこれを備えた半導体装置について、図面を用いて詳細に説明する。
<半導体パッケージの構成>
図1は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージの上面からの斜視図である。図2は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す下面からの斜視図である。図3は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す上面からの平面図である。図4は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す下面からの平面図である。図5は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す側面図である。図6は、図3に示した本発明の実施形態に係る半導体パッケージにおけるA-A線での断面図である。図7は、図6に示した本発明の実施形態に係る半導体パッケージにおけるXの拡大図である。図8は、図6に示した本発明の実施形態に係る半導体パッケージにおけるXの拡大図の他の例である。また、図9は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す上面からの分解斜視図であり、図10は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す下面からの分解斜視図である。これらの図において、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1は、金属基板2と、第1枠体31と、第2枠体32と、接合材7とを備えている。金属基板2と接合材7との間には、合金層8を有している。
図1に示すように、本発明の一実施形態における金属基板2は、上面に半導体素子4が実装される実装領域21を有している。また金属基板2は、例えば矩形状である。
なお、本発明の一実施形態において実装領域21とは、金属基板2を平面視した場合に半導体素子4と重なり合う領域を意味している。金属基板2の大きさとしては、例えば10mm×10mm~50mm×50mmである。また、金属基板2の厚みとしては、例えば、0.5mm~5mmに設定することができる。
金属基板2は、例えば金属材料を含んでおり、半導体素子使用時および実装時に生じる熱を外部に放熱させるため、熱伝導率の大きい材料が用いられるのがよい。金属材料としては、例えば、銅である。このとき、銅を含むあるいは銅からなる金属基板2の熱膨張係数は16×10-6/Kである。また、アルミニウム、銀、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンおよびタングステン、あるいはこれらの金属を含む合金や、ダイヤモンド、カーボンなどを分散させた材料を用いることができる。このような金属材料のインゴットに圧延加工法、打ち抜き加工法、プレス加工、切削加工のような金属加工法を施すことによって金属基板2を構成する金属部材を作製することができる。
第1枠体31は、金属基板2の側面と間を空けて位置している。また、第1枠体31の側面は、金属基板2の側面と向かい合っている。第1枠体31は、平面視において、第2枠体32と重なって位置している。また、第1枠体31は、金属基板2と間を空けて位置しており、その間に接合材7が位置している。第1枠体31は、第2枠体32と重なっており、外縁および内縁が矩形状である枠状であってもよい。第1枠体31は、銀-銅ロウやはんだ、樹脂接合材等の接合材7を介して金属基板2の側面に接合されている。
第1枠体31は、剛性が高く、後述する第2枠体32と同等の熱膨張係数のものが良く例えば、セラミック材料を用いることができる。セラミック材料としては、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等である。また、他にも、金属基板2と同様に、金属材料を用いることができる。金属材料としては、例えば、モリブデンのような金属材料、あるいは鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンおよびタングステンのような金属材料からなる合金、例えばFe-Ni-Co等を用いることができる。なお、このとき金属基板2よりも熱膨張係数の小さい材料を用いるのがよい。このことによって、金属基板2の下面側から金属基板2の熱膨張を抑えることができる。なお、第1枠体31として、第2枠体32と同等の熱膨張を有する材料を選定する理由は、上下の固定部材の熱膨張係数差に起因する反りを低減するためである。また、剛性の高い材料であれば、変形を生じにくくすることができる。
また、第1枠体31は、内壁(内側面)が金属基板2の側面に接合されず、接触していてもよい。このとき、接触しているのは一部で第1枠体31の内壁と金属基板2の側面との間に、わずかに隙間が空いている箇所がある。第1枠体31の内壁と金属基板2の側面とが接合されている場合と比較して、接合されずに接触している場合には、金属基板2が熱膨張して、第1枠体31を押したとしても、接合材で固定されていないため、熱膨張係数差に起因して接合材7および第1枠体31にクラックが生じるおそれを低減させることができる。このことによって、半導体パッケージ1は、金属基板2と第1枠体31の熱膨張係数差によって、第1枠体31の内壁の周囲に生じる応力を低減することができる。その結果、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1は、第1枠体31に生じるクラックや割れを抑制することができ、半導体パッケージが破損することを低減させることができる。
第1枠体31は、枠状であり、平面視における外縁の大きさが、たとえば10mm×10mm~50mm×50mm、内縁の大きさが5mm×5mm~49mm×49mmである。また、外縁と内縁との間の幅で示される第1枠体31の厚みは、たとえば1mm~5mmである。また、第1枠体31の高さは、0.05mm~3.9mmである。
また、第1枠体31は、内壁が金属基板2の側面と接触している場合には、金属基板2の水平方向の熱膨張を側面から低減させることができる。その結果、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1は、金属基板2の変形に伴って生じる金属基板2の変形や反りを低減させることができるとともに、実装領域21の平坦性を維持することができる。また、第1枠体31は、内壁が金属基板2の側面と接触していることによって、半導体素子4等からの熱を金属基板2から、直接第1枠体31に逃がすことによって、金属基板2の放熱性を向上させることができる。また、金属基板2の熱膨張を低減させることができる。その結果、実装領域を平坦に保つことができる。
また、第1枠体31は、内壁が金属基板2の側面と銀-銅ロウや金-錫はんだ、樹脂接合材等の接合材で接合されてもよい。その結果、第1枠体31は、金属基板2の水平方向の熱膨張を金属基板2の側面から低減させることができるとともに、接合材を介して金属基板2の熱を第1枠体31に逃がすことができるため、金属基板2および第1枠体31を介した半導体パッケージ1の放熱性を向上することができる。
また、金属基板2の下面は、第1枠体31よりも下方に位置していてもよい。このことによって、半導体パッケージ1は、金属基板2が外部と接触しやすい状態にあり、半導体装置10を外部の実装基板に実装する際には、金属基板2が実装基板に接合されやすくなる。その結果、金属基板2を介した半導体パッケージ1の放熱性を向上することができる。つまり、実装領域21に実装される半導体素子4からの熱が金属基板2から外部の実装基板に放熱されやすくなる。
第2枠体32は、金属基板2の実装領域21を取り囲んでいる。第2枠体32は、平面視において、外縁および内縁が矩形状であり、4つの側壁によって構成されている。第2枠体32は、後述する銀-銅ロウやはんだ等の接合材7を介して金属基板2の上面に接合されている。また、第2枠体32は、金属基板2と同じ材料を含む、あるいは同じ材料からなっていてもよい。また、金属基板2と一体的に形成されていてもよい。
第2枠体32は、平面視における外縁の大きさが、たとえば10mm×10mm~50mm×50mm、内縁の大きさが5mm×5mm~49mm×49mmである。また、外縁と内縁との間の幅で示される第2枠体32の厚みは、たとえば1mm~5mmである。また、第2枠体32の高さは、1mm~10mmである。
第2枠体32としては、第1枠体31と同等の熱膨張係数のものが良く、また上面に後述したリード端子5を搭載するため、配線の関係より絶縁性の材料を用いる。例えば、セラミック材料、樹脂材料等を用いることができる。セラミック材料としては、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等である。なお、このとき金属基板2よりも熱膨張係数の小さい材料を用いてもよい。金属基板2よりも熱膨張係数が小さい場合には、上面側から金属基板2の熱膨張を抑えることができる。
接合材7は、金属基板2、第1枠体31および第2枠体32の間に位置している。接合材7は、例えば、錫を含んだ銀-銅ロウ、鉛フリーはんだ、金-錫はんだであってもよく、他にも、インジウムやビスマス等を含む接合材等、銀(シンタリング銀)、いわゆる接着剤等であってもよい。
接合材7が、前述した材料を含んでいる場合には、接合材7を加熱して金属基板2、第1枠体31および第2枠体32との接着の際に、金属基板2と、接合材7との間に、合金層8が生じる合金層8は、金属基板2と第2枠体32との間で、かつ、接合材7との間に位置している。合金層8は、厚みが1μm~50μmである。合金層8の平面視における大きさは、第2枠体32が金属基板2と重なる大きさであって、例えば0.1mm~2.0mmである。合金層8は、金属基板2が銅を含んでおり、接合材7が錫を含んでいる場合には、銅-錫合金を含んでいる。
合金層8の結晶は、金属基板2の厚み方向に長くてもよい。長く伸びた結晶は、金属基板2側に多くできるのがよい。このことによって、熱膨張によってずれが生じる方向と、結晶成長方向とが交差することになる。つまり、金属基板2がずれにくくすることができる。接合材7は、第1枠体31および第2枠体32の外縁よりもわずかに内側に位置していても良い。また、第1枠体31の下面よりも下方まで位置していてもよい。
金属基板2の下面は、第1枠体31の下面よりも下方に位置していてもよい。金属基板2の上面には、半導体素子4が実装される。このため、半導体素子4の実装時および使用時には、熱が生じる。この生じた熱は、金属基板2を通じて外部に逃げる。このとき、金属基板2の下面が外部と接触しやすい状態にあるため、放熱性を向上させることができる。
また、金属基板2の側面と第1枠体31の側面との間の接合材7を介して接合される接合面は、曲線を有していてもよい。曲線を有していることにより、接合面積が増え、接合強度が向上する。
本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1は、上述した構成を備えていることによって、放熱性を向上させ、割れが生じるのを低減させることができる。また、金属基板2よりも熱膨張係数の小さい第1枠体31および第2枠体32で金属基板2を固定することによって、半導体素子4の実装面である実装領域21が変形するのを低減させることができる。そして、合金層8を有していることによって、接合がより強固なものとすることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体パッケージ1は、第2枠体32の熱膨張係数をα、第1枠体31の熱膨張係数をβ、実装領域21に直交する方向の第2枠体32の厚みをH1、第1枠体31の厚みをH2とする場合、α≧βかつH1≦H2としてもよい。これにより、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージ1は、金属基板2および第1枠体31と第1枠体31および第2枠体32の熱膨張係数の差に起因して生じる金属基板2の反りを低減することができる。
さらに、第1枠体31の内壁と金属基板2の側面とが接触する場合には、金属基板2と第2枠体32および第1枠体31の熱膨張係数の差に起因して生じる金属基板2の反りや変形が第1枠体31によって矯正される。この結果、金属基板2の反りや変形が低減される。
また、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージ1は、第1枠体31と第2枠体32とが同じ材料を含んでいてもよく、同じ材料から成っていてもよい。例えば、第1枠体31および第2枠体32は、酸化アルミニウム質焼結体からなり、熱膨張係数が7×10-6/Kである。すなわち、第1枠体31と第2枠体32とが同じ材料を含んでいることによって、熱膨張係数が同じあるいは近いものになり、金属基板2の熱膨張、熱収縮を拘束する力を上下左右の方向に同等にすることができる。このため、金属基板2および第1枠体31と第1枠体31および第2枠体32の熱膨張係数の差に起因して金属基板2が上下左右の方向のどちらかに反ったり、変形したりし難くなる。また、金属基板2の熱膨張、熱収縮を第1枠体31および第2枠体32で拘束することにより、金属基板2と第1枠体31および第2枠体32とのそれぞれの接合部に生じる応力が偏って生じることを低減させることができる。
また、第2枠体32の上面にはリード端子5が設けられていてもよい。リード端子5は、銀-銅ロウ、金-錫はんだや樹脂接合材等の接合部材によって第2枠体32の上面に接合され、設けられている。リード端子5は、ボンディングワイヤ等を介して実装領域21に実装される半導体素子4と電気的に接続されて、外部の実装基板や回路基板、電源等と電気的に接続される。リード端子5は、例えば、鉄、ニッケル、コバルトからなる合金や、鉄、ニッケルからなる合金等から成る。リード端子5は、第2枠体32の外縁よりも外側に延びている。
この結果、電界分布が不安定にリード端子5の周囲に広がることを低減することができる。すなわち、金属基板2は、平面視において、第2枠体32の外縁よりも外側に張出していることで、半導体パッケージ1の周波数特性を向上することができる。
<半導体パッケージの製造方法>
金属基板2は、例えば金属材料を含んでいる場合には、銅を含んでいる。このとき、金属材料のインゴットに圧延加工法、打ち抜き加工、プレス加工、切削加工のような金属加工法を施すことによって金属基板2を構成する金属部材を作製することができる。
なお、第1枠体31および第2枠体32は、例えば金属材料からなる場合には、鉄-ニッケル-コバルト合金からなり、打ち抜き加工、プレス加工、切削加工によって枠状に形成される。そして、第2枠体32は、実装領域21を囲んで位置するとともに、金属基板2の上面に銀-銅ロウ等で接合される。
また、第1枠体31が、例えば酸化アルミニウム焼結体から成る場合には、マグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えたアルミナ粉末に溶剤を加え、十分に混練し、脱泡させてスラリーを作製する。この後、ドクターブレード法等によってロール状のセラミックグリーンシートを形成して、適当なサイズにカットする。カットして作製したセラミックグリーンシートにリード端子5が接続固定される配線パターン等の信号線路をスクリーン印刷する。この後、約1600℃の還元雰囲気中で焼成して形成する。このとき、焼成前に複数のセラミックグリーンシートを積層してもよい。第1枠体31は、金属基板2の側面に接合される。第1枠体31は、金属基板2の側面に活性銀ロウ等の接合材によって接合される。
第2枠体32も第1枠体31と同様に、作製される。第2枠体32は、例えば、リード端子5が銀ロウによって上面に接合されるとともに、実装領域21を取り囲むように銀-銅ロウ等で金属基板2の上面に接合される。
なお、第1枠体31および第2枠体32は、例えば金属材料からなる場合には、鉄-ニッケル-コバルト合金からなり、切削加工によって枠状に形成される。そして、第2枠体32は、実装領域21を囲んで、リード端子5が樹脂接合材やガラス接合材等の絶縁材料からなる接合によって接合固定されるとともに、第1枠体31の上面に銀-銅ロウ等で接合される。
このとき、それぞれの部品の接合順序は次の通りである。まず、第1工程として、金属基板2、第1枠体31を準備する。次に、第2工程として、金属基板2と第1枠体31とを第1接合材71を介して、接合する。次に、第3工程として、金属基板2よりも熱膨張係数の小さい第2枠体を準備する。そして、第4工程として、金属基板2および第1枠体31の上面に第2接合材72を介して第2枠体32を接合する。このとき、第1接合材71は、銀を含んでいてもよく、第2接合材72は、錫を含んでいてもよい。また、このとき、第2工程の第1接合材71の溶融温度よりも、第4工程の第2接合材72の溶融温度の方が低い。
以上のようにして、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1を作製することができる。なお、上述した工程順番は指定されない。
<半導体装置の構成>
次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置10について、図面を用いて詳細に説明する。図11は、本発明の一実施形態に係る半導体装置10を示す上面からの斜視図である。図11に示すように、本実施形態の一実施形態に係る半導体装置10は、上述した実施形態に代表される半導体パッケージ1と、半導体パッケージ1の実装領域21に実装された半導体素子4と、第2枠体32と接合された、半導体素子4を封止する蓋体6とを備えている。
本発明の一実施形態に係る半導体装置10においては、金属基板2の実装領域21に半導体素子4が実装されている。半導体素子4は、ボンディングワイヤを介してリード端子5に電気的に接続される。この半導体素子4にリード端子5およびボンディングワイヤを介して外部からの電気信号を入出力することによって半導体素子4から所望の入出力を得ることができる。
蓋体6は、第2枠体32と接合され、半導体素子4を封止するように設けられている。半導体素子4としては、例えばIC(Integrated Circuit)またはLSI(Large-Scale Integration)の他、パワーデバイス用の半導体素子等が挙げられる。蓋体6は、第2枠体32の上面に接合されている。そして、金属基板2、第2枠体32および蓋体6で囲まれた空間において半導体素子4を封止している。このように半導体素子4を封止することによって、長期間の半導体パッケージ1の使用による半導体素子4の劣化を抑制することができる。
蓋体6としては、例えば、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルトおよびタングステンのような金属部材、あるいはこれらの金属からなる合金を用いることができる。また、第2枠体32と蓋体6は、例えばシーム溶接法によって接合することができる。また、第2枠体32と蓋体6は、例えば、金-錫はんだを用いて接合してもよい。
以上、各実施形態の半導体パッケージ1およびこれを備えた半導体装置10について説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、合金層8の深さは不均一でもよいし、合金層8と金属基板2との境界に遷移層があってもよい。また、金属基板2、第1枠体31および第2枠体32の角部は丸くなっていてもよい。また、接合材7および金属基板2の材料によって合金層8の厚み、表面の凹凸の大きさがことなっていてもよい。すなわち、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更および実施形態の組み合わせを施すことは何等差し支えない。
1 半導体パッケージ
2 金属基板
21 実装領域
31 第1枠体
32 第2枠体
4 半導体素子
5 リード端子
6 蓋体
7 接合材
71 第1接合材
72 第2接合材
8 合金層
10 半導体装置

Claims (9)

  1. 上面に半導体素子が実装される実装領域を有する金属基板と、
    前記金属基板の側面と向かい合った側面を有するとともに、前記金属基板よりも熱膨張係数の小さい第1枠体と、
    前記金属基板および前記第1枠体の上面に、前記実装領域を囲んで位置するとともに、前記金属基板よりも熱膨張係数の小さい第2枠体と、
    前記金属基板、前記第1枠体および前記第2枠体の間に位置した接合材と、を備えており、
    前記金属基板と前記接合材との間には、合金層を有することを特徴とする半導体パッケージ。
  2. 前記金属基板は、銅を含んでおり、前記接合材は錫を含んでおり、
    前記合金層は、銅-錫の合金であることを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージ。
  3. 前記金属基板の側面と、前記第1枠体の側面との前記接合材を介した接合面には、曲線を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体パッケージ。
  4. 前記合金層の結晶は、前記金属基板の厚み方向に延びていることを特徴とする請求項1~3のいずれか1つに記載の半導体パッケージ。
  5. 前記第1枠体の上面は、前記金属基板の上面よりも上方に位置することを特徴とする請求項1~4のいずれか1つに記載の半導体パッケージ。
  6. 前記金属基板の下面は、前記第1枠体の下面よりも下方に位置することを特徴とする請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体パッケージ。
  7. 請求項1~6のいずれか1つに記載の半導体パッケージと、
    前記半導体パッケージの前記実装領域に実装された半導体素子とを備えたことを特徴とする半導体装置。
  8. 半導体素子が実装される金属基板と、前記金属基板よりも熱膨張係数の小さい第1枠体とを準備する第1工程と、
    前記金属基板の側面と前記第1枠体の内側面とを、第1接合材を介して接合する第2工程と、
    前記金属基板よりも熱膨張係数の小さい第2枠体を準備する第3工程と、
    前記金属基板上における前記半導体素子が実装される領域を前記第2枠体が囲うように、前記金属基板および前記第1枠体の上面に、第2接合材を介して前記第2枠体を接合する第4工程とを備えたことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  9. 前記第1接合材は、銀を含んでおり、前記第2接合材は錫を含んでいることを特徴とする請求項8に記載の半導体パッケージの製造方法。
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