JPH03187247A - 半導体集積回路装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路装置およびその製造方法に関
し、特に気密封止（ハーメチック・シール）構造を備え
た半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するも
のである。

〔従来の技術〕

半導体集積回路装置の実装方式の一つに、ＣＣＢバンプ
を介してパッケージ基板の主面に実装された半導体チッ
プをキャップで気密封止したチップキャリヤ（Ｃｈｉｐ
　Ｃａｒｒｉｅｒ）がある。このチップキャリヤについ
ては、例えば特開昭６２−２４９４２９号、特開昭６３
−３１０１３９号公報などに記載されている。

第７図は、上記文献に記載されたチップキャリアの断面
構造を示している。このチップキャリア２０は、ムライ
トなどのセラミック材料からなるパッケージ基板２１の
主面に形成された電極２２上にＣＣＢバンプ２３を介し
て接続された半導体チップ２４をキャップ２５で気密封
止したパッケージ構造を備えている。キャップ２５は、
例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ＞からなり、封止用半
田２６を介してパッケージ基板２１の主面に接合されて
いる。

キャップ２５の下面と半導体チップ２４の背面（上面）
とは、伝熱用半田２７を介して接合されており、半導体
チップ２４から発生した熱が伝熱用半田２７を経てキャ
ップ２５から外部に放散される構造になっている。また
、パッケージ基板２１の下面に形成された電極２２上に
は、前記ＣＣＢバンプ２３よりも大径のＣＣＢバンプ２
８が形成されている。チップキャリア２０は、このＣＣ
Ｂバンプ２８を介してモジュール基板に実装される。パ
ッケージ基板２１の内部には、例えばＷ（タングステン
〉からなる内部配線２９が形成されており、この内部配
線２９を通じてパッケージ基板２１の主面および下面の
電極２２．２２間が電気的に接続されている。

上記チップキャリアを組立てるには、まずチップマウン
ト装置を用いて半導体チップをパッケージ基板の主面に
正確に位置決めする。すなわち、半導体チップのＣＣＢ
バンプをパッケージ基板の電極上に正確に位置決めする
。続いて、リフロー炉内でＣＣＢバンプを加熱、溶融し
てこれを電極に固着させる。次に、パッケージ基板の主
面にキャッフヲ被せ、封止用半田を用いてこのキャップ
をパッケージ基板の主面に固着させるとともに、伝熱用
半田を用いて半導体チップの背面をキャップの下面に固
着させる。

パッケージ基板の主面にキャップを半田付けするには、
パッケージ基板とキャップとの接合部に半田プリフォー
ムを介装し、この半田プリフォームをリフロー炉内で加
熱、溶融する。あるいは、パッケージ基板側およびくま
たは）キャップ側に予備半田を形成しておき、この予備
半田を加熱、溶融する。また、半導体チップの背面をキ
ャップの下面に半田付１すするには、キャップと半導体
チップとの間に半田プリフォームを介装し、この半田プ
リフォームを加熱、溶融する。あるいは、キャップの下
面側および（または）半導体チップの背面に予備半田を
形成しておき、この予備半田を加熱、溶融する。

キャップをパッケージ基板の主面に半田付けする工程と
、半導体チップの背面をキャップの下面に半田付けする
工程とは同時に行われる。従って、封止用半田と伝熱用
半田とは、融点がほぼ等しい材料で構成される。また、
封止用半田および伝熱用半田はその融点がＣＣＢバンプ
の融点よりも低い材料で構成される。さもないと、リフ
ロー炉内で封止用半田および伝熱用半田を加熱、溶融す
る際にＣＣＢバンプが再溶融し、キャップの重みでＣＣ
Ｂバンプが潰れるため、隣り合ったＣＣＢバンプ同士が
短絡してしまうからである。このような理由から、ＣＣ
Ｂバンプは、例えば２重量　：％程度の５ｒＨ−を含有
するＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金（融点＝３２０〜３３０℃
程度）のような高融点半田で構成されており、封止用半
田および伝熱用半田は、例えば１０重量％程度のＳｎを
含有するＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金（融点＝２９０〜３０
０℃程度）のような低融点半田で構成されている。

このように、チップキャリアは、パッケージ基板の主面
にキャップを半田付けして半導体チップの気密封止を行
っているため、この半田付けの良否がパッケージの気密
信頼性を大きく左右する。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者は、前記チップキャリヤの組立て工程を検討し
た結果、下記の問題点を見出した。

すなわち、チップキャリアの組立て工程のうち、パッケ
ージ基板の主面にキャップを半田付けする工程では、前
述したようにパッケージ基板とキャップとの間に介装し
た半田プリフォームを加熱、溶融するか、あるいはパッ
ケージ基板側およびキャップ側に形成した予備半田を加
熱、溶融する。

ところが、半田プリフォーム（または予備半田）を溶融
すると、キャップがその重みでパッケージ基板側に沈み
込むため、キャップとパッケージ基板とで囲まれた封止
領域（キャビティ）の容積が減少する。そのため、キャ
ビティの内圧が上昇し、溶融した封止用半田がキャビテ
ィの外方に向かって膨らむ結果、最悪の場合には、封止
用半田の内部に貫通孔（ブローホール）が生じてしまう
という問題がある。

本発明の目的は、半導体チップを実装したパッケージ基
板の主面にキャップを半田付けして前記半導体チップを
気密封止するとともに、前記半導体チップの背面を前記
キャップの下面に半田付けしたパッケージ構造を備えた
半導体集積回路装置の気密信頼性を向上させることので
きる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本願の一発明は、半導体チップを実装したパッケージ基
板の主面にキャップを半田付けして前記半導体チップを
気密封止するとともに、前記半導体チップの背面を前記
キャップの下面に半田付けしてなるパッケージ構造を備
えた半導体集積回路装置において、前記キャップの一部
に貫通孔を設け、その一方の開口端を前記半導体チップ
とキャップとの接合面に配置したものである。

本願の他の発明は、半導体チップを実装したパッケージ
基板の主面にキャップを半田付けして前記半導体チップ
を気密封止するとともに、前記半導体チップの背面を前
記キャップの下面に半田付けしてなるパッケージ構造を
備えた半導体集積回路装置の製造方法において、前記パ
ッケージ基板の主面にキャップを半田付けする際、あら
かじめ高融点金属からなる枠状の薄板の両面に低融点金
属からなる枠状の薄板を積層するとともに、前記低融点
金属からなる薄板の一部に枠の内外に通じる貫通溝を設
けてなる封止用半田を用意し、この封止用半田を前記パ
ッケージ基板とキャップとの接合部に介装した後、加熱
、溶融するものである。

〔作用〕

前記第一の発明によれば、封止用半田および伝熱用半田
の溶融に伴ってキャビティの容積が減少した際、キャビ
ティ内の空気の一部が貫通孔を通じて外部に放出される
ことにより、キャビティの内圧の上昇が防止されるので
、封止用半田の内部に貫通孔（ブローホール）ができる
のを防止することができる。また、前記貫通孔の一方の
開口端を半導体チップとキャップとの接合面に配置する
ことにより、半導体チップとキャップの間に介装される
半田が溶融した際、その一部が貫通孔に浸入してその内
部を塞ぐので、キャビティ内の気密を確保することがで
きる。

前記第二の発明によれば、高融点金属からなる薄板の両
面に低融点金属からなる薄板を積層した封止用半田を加
熱することにより、先ず低融点金属からなる薄板が溶融
し始め、これに伴ってキャビティの容積も減少し始める
。このとき、キャビティ内の空気の一部は封止用半田に
設けた貫通溝を通じて外部に放出されるのでキャビティ
の内圧の上昇が防止される。また、封止用半田の溶融が
進行するに伴って、貫通溝が消失するため、キャビティ
内の気密を確保することができる。

〔実施例１〕 第１図は、本実施例１の半導体集積回路装置であるチッ
プキャリヤ１を示している。このチップキャリヤ１は、
ＣＣＢバンプ２を介してバツケージ基板３の電極４上に
フェイスダウン・ボンディングした半導体チップ５をキ
ャップ６で気密封止したパッケージ構造を備えている。

上記キャップ６は、封止用半田７を介してパッケージ基
板３の主面に半田付けされている。また、半導体チップ
５の背面（上面）は、伝熱用半田８を介してキャップ６
の下面に半田付けされている。

パッケージ基板３の下面の電極４には、前記ＣＣＢバン
プ２よりも径の大きいＣＣＢバンプ９が接合されている
。このＣＣＢバンプ９は、パッケージ基板３の内部に設
けられた、例えばＷ（タングステン〉からなる内部配線
１０を通じてＣＣＢバンプ２、さらには半導体チップ５
と電気的に接続されている。ＣＣＢバンプ９は、チップ
キャリヤ１をモジ一−ル基板などに実装する際の外部端
子として使用されるものであり、キャップ６をパッケー
ジ基板３に半田付けした後の工程で形成される。

上記パッケージ基板３は、ムライトなどのセラミック材
料で構成されており、キャップ６は、例えば窒化アルミ
ニウム（Ａ　ｆ　Ｎ）で構成されている。ＣＣＢバンプ
２は、例えば２重量％程度のＳｎを含有するＰ　ｂ　／
　Ｓ　ｎ合金（融点＝３２０〜３３０℃程度〉で構成さ
れており、ＣＣＢバンプ９は、例えば３０重量％程度の
Ｓｎを含有するｐｂ／Ｓｎ合金（融点−２５０〜２６０
℃程度）で構成されている。封止用半田７および伝熱用
半田８は、例えば１０重量％程度のＳｎを含有するｐｂ
／Ｓｎ合金（融点＝２９０〜３００℃程度）で構成され
ている。

本実施例１のチップキャリヤ１は、キャップ６の一部に
微細な貫通孔１１が設けられている。この貫通孔１１の
一方の開口端はキャップ６の上面に配置されており、も
う一方の開口端は半導体チップ５とキャップ６との接合
面に配置されている。

ただし、組立てが完了したチップキャリヤ１においては
、伝熱用半田８の一部が貫通孔１１の内部を塞いでいる
ため、この貫通孔１１を通じてキヤビテ。内に空気や水
分などが浸入することはない。

キャップ６とパッケージ基板３との接合部におけるパッ
ケージ基板３およびキャップ６のそれぞれの表面には、
例えばＴ　ｉ　／　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕからなる複合金
属膜で構成された半田メタライズ層１２が必要に応じて
形成される。この半田メタライズ層１２は、主として封
止用半田７の濡れ性の向上を目的として形成される。

次に、キャップ６の一部に前記貫通孔１１を設けたこと
によって得られる作用、効果を、チップキャリヤ１の組
立て工程に従って説明する。

チップキャリヤｌを組立てるには、まず第２図に示すよ
うに、半導体チップ５の主面に形成されたＣＣＢバンプ
２をパッケージ基板３の電極４上に位置決めした後、こ
のパッケージ基板３をリフロー炉（図示せず）に搬送し
、不活性ガスの雰囲気中でＣＣＢバンプ２を加熱、溶融
してこれを電極４に固着させる。

次に、第３図に示すように、あらかじめ四角枠状に成形
し、ておいた封止用半田７（半田プリフォーム〉をパッ
ケージ基板３の主面に載置するとともに、同じくあらか
じめ成形しておいた伝熱用半田８　（半田プリフォーム
〉を半導体チップ５の背面に載置した後、封止用半田７
の上にキャップ６を載置する。このとき、必要に応じて
キャップ６の上方から所定の荷重を印加する。

次に、この状態でパッケージ基板３をリフロー炉に搬送
し、不活性ガスの雰囲気中で封止用半田７および伝熱用
半田８を加熱、溶融する。封止用半田７および伝熱用半
田８が溶融し始めると、キャップ６がその重みでパッケ
ージ基板３側に沈み込むために、キャビティの容積が減
少し始めるが、第４図に示すように、キャビティ内の空
気の一部は貫通孔１１を通じて外部に放出されるため、
キャビティの内圧が上昇することはない。

そして、封止用半田７および伝熱用半田８の溶融がさら
に進行すると、前記第１図に示すように、伝熱用半田８
が半導体チップ５の背面全体に広がり、その一部が貫通
孔１１に浸入してその内部を塞ぐため、キャビティ内が
気密状態となる。

以上のように、キャップ６の一部に貫通孔１１を設け、
その一方の開口端を半導体チップ５とヰャップ６との接
合面に配置した本実施例１のチップキャリヤ１によれば
、封止用半田７および伝熱用半田８の溶融に伴うキャビ
ティ内の圧力上昇を防止することができるため、封止用
半田７の内部に貫通孔（ブローホール）が生じるのを確
実に防止することができる。

〔実施例２〕 本実施例２の半導体集積回路装置であるチップキャリヤ
１は、キャップ６の一部に貫通孔１１を設けていない点
、および封止用半田７の組成が異なっている点を除き、
前記実施例１のチップキャリヤ１と同一のパッケージ構
造を備えている。

本実施例２によるチップキャリヤ１の組立て工程では、
パッケージ基板３の主面にキャップ６を半田付けする際
に、第５図に示すような封止用半田７を使用する。この
封止用半田７は、高融点金属からなる四角枠状の薄板７
ａの両面に低融点金属からなる四角枠状の薄板７ｂ、７
ｂを積層したものである。また、低融点金属からなる二
枚の薄板７ｂ、７ｂのそれぞれの一部には、枠の内外に
通じる貫通ａ１３が、例えば２個設けられている。

貫通溝１３は、二枚の薄板７ｂ、７ｂのそれぞれの一部
に１個あるいは３個以上設けてもよい。また、貫通溝１
３は二枚の薄板７ｂ、７ｂの−゛方にのみ設けてもよい
。高融点金属からなる薄板７ａは、例えばＰｂ（融点＝
　３２７．４℃）であり、低融点金属からなる二枚の薄
板７ｂ、７ｂは、例えばＳｎ（融点＝　２３１．８℃）
である。このとき、ＰｂとＳｎの重量比がＰｂ　：Ｓｎ
’ｑ９　：　１、すなわち１０重量％程度のＳｎを含有
するＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金である伝熱用半田８と路間
−にｔｌるように、薄板？ａ、７ｂの板厚を調整する。

上記封止用半田７を用いてパッケージ基板３の主面にキ
ャップ６を半田付けするには、封止用半田７をパッケー
ジ基板３の主面に載置するとともに、伝熱用半田８を半
導体チップ５の背面に載置した後、封止用半田７の上に
キャップ６を載置する。その際、必要に応じてキャップ
６の上方から所定の荷重を印加する。次に、この状態で
パッケージ基板３をリフロー炉に搬送し、不活性ガスの
雰囲気中でパッケージ基板３を加熱する。リフロー炉内
の温度がＳｎの融点（２３１，８℃）まで達すると、ま
ず二枚の薄板７ｂ、７ｂが溶融し始める。このとき、キ
ャップ６がその重みでパッケージ基板３側に沈み込むた
めに、キャビティの容積が減少し始めるが、第６図に示
すように、キャビティ内の空気の一部は貫通溝１３を通
じて外部に放出されるため、キャビティの内圧が上昇す
ることはない。

そして、溶融したＳｎは、炉内の温度の上昇につれてＰ
ｂの薄板７ａの内部に拡散するため、貫通溝１３は次第
に消失する。そして、炉内の温度がＰｂ：５ｎ＝９：１
　　（重量比）からなるＰｂ／Ｓｎ合金の共融点（共結
点）である２９０〜３００℃程度に達すると、封止用半
田７および伝熱用半田８が完全に溶融し、キャビティ内
が気密状態となる。

以上のように、高融点金属からなる枠状の薄板７ａの両
面に低融点金属からなる枠状の薄板７ｂを積層するとと
もに、この薄板７ｂの一部に粋の内外に通じる貫通溝１
３を設けた封止用半田７を用いてパッケージ基板３の主
面にキャップ６を半田付けする本実施例２のチップキャ
リヤ１の組立て方法によれば、封止用半田７および伝熱
用半田８の溶融時におけるキャビティ内の圧力上昇を防
止することができるため、前記実施例１の場合と同様、
封止用半田７の内部に貫通孔（ブローホール）が生じる
のを確実に防止することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は、前記実施例１．２に限
定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種
々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施例１のキャップに設ける貫通孔は、複
数であってもよい。

また、前記実施例２の封止用半田は、ｐｂとＳｎの組み
合わせに限定されるものではない。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をその背景となったチップキャリヤに適用した場合に
ついて説明したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、半導体チップを実装したパッケージ基板にキャッ
プを半田付けすることによって半導体チップの気密封止
を行う各種のパッケージに適用することができる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

（１）、半導体チップを実装したパッケージ基板の主面
にキャップを半田付けして前記半導体チップを気密封止
するとともに、前記半導体チップの背面を前記キャップ
の下面に半田付けしてなるパッケージ構造を備えた半導
体集積回路装置において、前記キャップの一部に貫通孔
を設け、その一方の開口端を前記半導体チップとキャッ
プとの接合面に配置した本願の一発明によれば、半田の
溶融に伴うキャビティ内の圧力上昇を防止することがで
きるので、封止用半田の内部に貫通孔（ブローホール）
が生じるのを確実に防止することができる。

（２）、半導体チップを実装したパッケージ基板の主面
にキャップを半田付けして前記半導体チップを気密封止
するとともに、前記半導体チップの背面を前記キャップ
の下面に半田付けしてなるパッケージ構造を備えた半導
体集積回路装置の製造方法において、前記パッケージ基
板の主面にキャップを半田付けする際、あらかじめ高融
点金属からなる枠状の薄板の両面に低融点金属からなる
枠状の薄板を積層するとともに、前記低融点金属からな
る薄板の一部に枠の内外に通じる貫通溝を設けてなる封
止用半田を用意し、この封止用半田を前記パッケージ基
板とキャップとの接合部に介装した後、加熱、溶融する
本願の他の発明によれば、半田の溶融に伴うキャビティ
内の圧力上昇を防止することができるので、前記（１）
の発明と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である半導体集積回路装置
の要部断面図、 第２図乃至第４図は、この半導体集積回路装置の組立て
工程を示す要部断面図、 第５図は、本発明の他の実施例である半導体集積回路装
置の組立て工程で使用する封止用半田の斜視図、 第６図は、この半導体集積回路装置の組立て工程を示す
要部断面図、 第７図は、従来技術である半導体集積回路装置の要部断
面図である。 ｌ、２０・・・チップキャリヤ、２，９．２３゜２８・
・・ＣＣＢパン７’、３．２１・・・パッケージ基板、
４．２２・・・電極、５，２４・・・半導体チップ、６
．２５・・・キャップ、７．２６・・・封止用半田、？
ａ、７ｂ・・・薄板、８２７・・・伝熱用半田、１０．
２９・・・内部配線、１１・・・貫通孔、１２・・・半
田メタライズ層、１３・・・貫通溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップを実装したパッケージ基板の主面にキ
   ャップを半田付けして前記半導体チップを気密封止する
   とともに、前記半導体チップの背面を前記キャップの下
   面に半田付けしてなるパッケージ構造を備えた半導体集
   積回路装置であって、前記キャップの一部に貫通孔を設
   け、その一方の開口端を前記半導体チップとキャップと
   の接合面に配置したことを特徴とする半導体集積回路装
   置。 ２、前記半導体チップは、ＣＣＢバンプを介してパッケ
   ージ基板に実装されていることを特徴とする請求項１記
   載の半導体集積回路装置。 ３、半導体チップを実装したパッケージ基板の主面にキ
   ャップを半田付けして前記半導体チップを気密封止する
   とともに、前記半導体チップの背面を前記キャップの下
   面に半田付けしてなるパッケージ構造を備えた半導体集
   積回路装置の製造方法であって、前記パッケージ基板の
   主面にキャップを半田付けするに際し、あらかじめ高融
   点金属からなる枠状の薄板の両面に低融点金属からなる
   枠状の薄板を積層するとともに、前記低融点金属からな
   る薄板の一部に枠の内外に通じる貫通溝を設けてなる封
   止用半田を用意し、前記封止用半田を前記パッケージ基
   板とキャップとの接合部に介装した後、前記封止用半田
   を加熱、溶融することを特徴とする半導体集積回路装置
   の製造方法。 ４、前記封止用半田を構成する高融点金属および低融点
   金属の溶融点は、半導体チップの背面とキャップの下面
   との間に介装される半田の溶融点と略等しいことを特徴
   とする請求項３記載の半導体集積回路装置の製造方法。