JPH03224251A - 半導体装置 - 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】 〔概要〕 パッケージに蓋を封止剤により接着した構造の半導体装
置に関し、 封止剤とパッケージとの接着強度を上げて耐熱衝撃性の
改善を図ることを目的とし、 半導体チップが組付けられたパッケージの上面に蓋か封
止剤を介して接着されて上記半導体チップを封止してな
る半導体装置において、上記パッケージの上面に表面粗
度を上げた塗布層を設け、上記封止剤が上記表面粗度を
上げた塗布層と接着された構成とし、又はパッケージ上
面に、該パッケージより粒径の大な部材を含む塗布層を
設け、又は前記封止剤と熱膨張係数か整合し、該パッケ
ージと熱膨張係数の異なる部材か所定回数形成された層
とする構成とした。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、パッケージに蓋を封止剤により接着した構造
の半導体装置に関する。

近年、チップの高速化、高集積化から大型化し、パッケ
ージも大型化している。これに伴い、半導体装置の信頼
性が要求され、パッケージに蓋を接着する構造のものは
蓋とパッケージとの間の封止部の強度が重要である。

〔従来の技術〕

第１０図は従来例であり、フリットシール型の半導体装
置１である。また、第１１図は第１０図の甲丸で囲んだ
部分を拡大して示す図である。

図において、２はセラミックパッケージであり、凹部内
にＩＣチップ３か組み付けである。４は蓋てあり、封止
剤であるガラス５によりパッケージ２の上面に接着しで
ある。

従来、半導体装置１の組立における封止ては、上述のよ
うなフリットシールが行われるのか一般的となっている
。この場合、チップの高速化等によるパッケージ２、蓋
４が大型化するに従って、封止信頼性を向上させるため
に該蓋４への荷重を変える等の対応をしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この半導体装置１を０℃の槽と１００°Ｃの槽とに交互
に繰り返して浸漬する熱衝撃試験（ＭＩＬ−３ＴＤ−８
８３Ｃ１０１１，７Ｃ０ＮＤ、Ａ）を行なったところ、
後述する表の下欄に示すように、３００回程度でほぼ全
部のものに蓋４の周縁に沿うガラス５の部分とパッケー
ジとの間にクラックが入ってしまった。

即ち、従来の半導体装置ｌは、ガラス５とパッケージ２
との間の接着強度か十分てなく、熱衝撃に弱い。

これは、セラミックパッケージ２の上面２ａの表面粗さ
が、中心線平均粗さＲａで表わした場合に、０．３〜０
．４程度と小さく、アンカー効果が十分に得られていな
いこと、及びガラス５のメニスカス５ａが凸状となって
ガラス５のうち蓋４の縁より外方に延在している長さａ
か比較的短く接着面積か狭いことによるものと考えられ
る。また、パッケージ２とガラス５との熱膨張係数の差
の程度によって生じることも考えられる。

本発明は封止剤とパッケージとの接着強度を上げて耐熱
衝撃性改善を図った半導体装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、半導体チップが組付けられたパッケージの上
面に蓋か封止剤を介して接着されて上記半導体チップを
封止してなる半導体装置において、上記パッケージの上
面に表面粗度を上げた塗布層を設け、上記封止剤か上記
表面粗度を上げた塗布層と接着された構成とし、又はパ
ッケージ上面に、該パッケージより粒径の大な部材を含
む塗布層を設け、又はこの塗布層を前記封止剤と熱膨張
係数か整合し、該パッケージと熱膨張係数の異なる部材
が所定回数形成された層とする構成としたものである。

また、蓋と封止剤との間に第２の塗布層のみを設け、又
は、該第２の塗布層と共に、封止剤とパッケージとの間
に前記塗布層を設ける構成とする。

〔作用〕

上述のように、パッケージの上面の表面粗度が高いため
、封止剤のパッケージ上面に対するアンカー効果が大と
なり、且つ接着面積が大となる。

また、塗布層に、パッケージより粒径の大な部材を含ま
せることにより、前述と同様に、封止剤のパッケージ上
面（塗布層）に対するアンカー効果及び接着面積が大と
なる。

これにより、蓋のパッケージへの接着強度が向上する。

また、塗布層を、封止剤と熱膨張係数が整合し、パッケ
ージ又は蓋と熱膨張係数の異なる部材で所定回数形成し
た層により構成していることから、パッケージ上面から
封止剤、又は蓋から封止剤まで段階的に熱膨張係数を設
定することか可能となり、熱膨張係数の差による応力が
緩和されて熱衝撃等に強く、接着強度か向上する。

〔実施例〕

第１図及び第２図は本発明の一実施例になる端子につい
てはピングリッドアレイ型、封止についてはフリットシ
ール型の半導体装置１０を示す。

図中、１１はアルミナ製のパッケージであり、上面の凹
部内にＩＣチップ１２か組み付けである。

１３は蓋である。

第２図中、二点鎖点て囲んだ部分が蓋１３の取り付は部
分１４である。

１５はアルミナペースト層の塗布層であり、パッケージ
１１の上面１１ａのうち、蓋取付は部分１４を含んでこ
れより−まわり広い領域に形成しである。

アルミナペースト層１５は、例えば粒径５〜６μｍのア
ルミナ粉とガラス成分とを混合したアルミナペーストを
スクリーン印刷し、これを１５００〜１６００°Ｃて焼
結させることによりｌＯ〜３０μｍ厚に形成されたもの
であり、パッケージ１１の上面に強固接着している。

アルミナペースト層１５の表面の粗度は、中心線平均粗
さＲａが０．５〜０．８程度であり、パッケージ１１自
体の上面の粗さの約２倍の粗さとなっている。これは、
パッケージ１１部分は積層時の圧力を受けて平滑化する
のに対し、アルミナペースト層１５はスクリーン印刷の
メツシュ跡やアルミナ粒による凹凸が付くためである。

１６は一度溶融して凝固したガラスであり、封止剤とし
て機能し、蓋１３とパッケージ１１との間に介在してい
る。

このガラス１６はパッケージ１１側については、アルミ
ナペースト層１５の表面と接着されている。

またガラス１６はアルミナペースト層１５上ではセラミ
ック表面の場合よりも流れ性か良くなり、良好に広がり
、蓋１３の周縁のガラス１６のメニスカス１６ａは凹状
となる。

ガラス１６のアルミナペースト層１５の表面との接着状
態を拡大して示すと、第３図に示すようになる。

この半導体装置１０を前記と同様に熱衝撃試験にかけた
ときの結果を表に示す。

表 表中の分数はクラックか生じた数／試験した数を示す。

また表のうち上欄か本実施例の半導体装置１０の試験結
果を示す。

本実施例の半導体装置１０では、熱衝撃の回数か２００
０回に至っても、クラックが生じたものは零であり、上
記表の下欄の従来例のものに比べて、耐熱衝撃性か格段
に向上していることが分かる。

これは、以下に述べる理由によるものと考えられる。

■　アルミナペースト層１５の表面の粗度か高いため、
ガラス１６とアルミナペースト層１５の表面との間での
アンカー効果が大きい。

■　同じくアルミナペースト層１５の表面の粗度か高い
ため、ガラス１６とアルミナペースト層１５の表面との
接着面積が増加する。

■　毛細管現象によりガラス１６の蓋１３の周縁より外
方への拡がった寸法すが、従来例での対応する寸法ａよ
り大となり、ガラス１６とアルミナペースト層１５の表
面との接着面積が増加し、その結果メニスカスｔｅａか
凹状になる。

上記■のアンカー効果と、■、■の接着面積の増加との
双方により、ガラス１６のアルミナペースト層１５（セ
ラミックパッケージ１１）に対する接着強度が増す。

また、蓋１３をパッケージ１１上にセットするとき、ア
ルミナペースト層１５の周縁を基準に位置決めすればよ
く、位置合せが容易となる。

また、蓋１３を接着するときにガラスが溶融する温度ま
で加熱されるが、アルミナペースト層１５は耐熱性があ
るため、問題は生じない。

なお、セラミック粒として従来よりも粒径の大きなもの
を使用してパッケージを形成すると、それだけで焼結後
のセラミックパッケージの表面の粗度を上げることがで
きる。しかし、このようにすると、セラミックパッケー
ジの強度か低下したり、収縮率が変わったりする不都合
が生じ、好ましくない。逆に、セラミックパッケージ１
１の強度をさらに上げるために、アルミナ粒として従来
よりも粒径の小さなものを使用すると、焼結後のセラミ
ックパッケージ１１の表面粗度が小さくなってしまう。

このような時には、セラミックパッケージ１１とは別に
アルミナ粒として粒径の大きなものを別に調合して含む
アルミナペースト層１５ａを塗布することで、アルミナ
ペースト層１５ａの表面粗度を上げることかできる。

なお、上記実施例はアルミナパッケージ、アルミナペー
スト層の組合せを例として説明しであるか、窒化アルミ
ニウムパッケージと窒化アルミニウムペースト、ムライ
トパッケージとムライトペーストなどの組合せにも適用
できることはいうまでもないことである。。

また、半導体装置１０の蓋１３にアルミナペースト層を
塗布することによっても、上記と同様に蓋１３のセラミ
ックパッケージ１１への接着強度か向上し、半導体装置
ｌＯは従来に比べて耐熱衝撃性か向上する。

第４図及び第５図は本発明の別の実施例になるＬＣＣ型
の半導体装置２０を示す。

２１はガラスエポキシ樹脂製のパッケージであり、上面
の凹部内にＩＣチップ２２が組み付けである。

第５図中、２３はガラスあるいはガラスエポキシ樹脂製
の蓋であり、下面の周囲部分にエポキシ接着剤２４が塗
布しである。

２５はソルダーレジスト層であり、パッケージ２１の上
面に例えばエポキシ系ソルダーレジストをスクリーン印
刷し、１４０〜１５０°Ｃでキュアーして１０〜３０μ
ｍ厚に形成しである。

このソルダーレジスト層２５は表面の粗度を上げるため
のものであり、ソルダーレジスト層２５を形成したこと
によりパッケージ２１の上面の粗度はＲａ　１．０〜４
．０とソルダーレジスト層２５形成前より上がっている
。

蓋２３は封止剤としてのエポキシ接着剤２４によりパッ
ケージ２１に接着固定されている。

パッケージ２１の上面の粗度が上がっているため、エポ
キシ接着剤２４のパッケージ２１との接着強度は向上し
ており、半導体装置２０は従来に比べて耐熱衝撃性が向
上している。

なお、半導体装置２０の蓋２３にソルダーレジスト層を
塗布することによっても、同様に蓋２３のパッケージ２
１への接着強度が向上し、半導体装置２０は従来に比べ
て耐熱衝撃性が向上する。

次に、第６図に第２の発明の一実施例の断面図を示す。

第６図の半導体装置３０は、第１図及び第２図の半導体
装置１０と組立構成が同様であり、同一の部分に同一の
符号を付す。

この場合、３５はアルミナペースト層の塗布層であり、
パッケージ１１と熱膨張係数が異なる部材で一回塗布さ
れたものである。そして、このアルミナペースト層３５
は、その熱膨張係数が封止剤であるガラス１６の熱膨張
係数と整合されている。すなわち、パッケージ１１とガ
ラス１６との熱膨張の差を、アルミナペースト層３５の
熱膨張係数により段階的にするものである。

−船釣に、アルミナ熱膨張係数はアルミナとガラスの含
有率で定まり、その配分で該係数を変化させることがで
きる。例えば、６０％アルミナと４０％ホウケイ酸鉛ガ
ラスにより熱膨張係数５．４ＸＩＯ−’／”Ｃが得られ
る。従って、ガラス１６とパッケージ１１間の接着が最
も弱い部分、すなわち、熱膨張係数の差が大きく異なる
部分に、当該アルミナペースト層３５を介在させて熱緩
衝材とすることで接着強度を向上させることか可能とな
る。

例えば、アルミナ製のパッケージ１１の熱膨張係数はα
ｌ　＝　７．６　Ｘ　１０−’／”Ｃてあり、ガラス１
６の熱膨張係数は６ｍ　＝　６．９　Ｘ　１０−’／”
Ｃ１蓋１３の熱膨張係数はα３＝　７．２　Ｘ　１０−
’／”Ｃである。従って、蓋１３−ガラス１６界面の熱
膨張係数の差Δ１はα、−α＊　＝　０．３　Ｘ　１０
−’／　”Ｃとなり、ガラス１６−パッケージ１１界面
の熱膨張係数の差Δ２はα、−α２　＝０．７　Ｘ　１
０−’／　’Ｃとなって、ガラス１６−パッケージ１１
界面の方か差が大きくなる。そこで、アルミナペースト
層３５を、アルミナとガラスを調整して熱膨張係数をα
、＝７．２５ｘｉｏ−＠／”ｃ程度とすると、アルミナ
ペースト層３５に対して熱膨張係数の差は、Δ３＝α、
−α４＝０、３５Ｘ　１０−’／”Ｃ１Δ４＝α４−Ｃ
２＝　０．３５Ｘ　１０−８／”Ｃと小さくなる。これ
により、ガラス１６−パッケージ１１間の接着は、熱衝
撃による強度が間接的に強くなるものである。

一般に、パッケージ全体のアルミナ材質を変更する場合
には、抗折強度等の機械的特性、誘電率、誘電正接、体
積抵抗率、耐電圧等の電気的特性、熱伝導率等の熱的特
性の諸特性を整合しなければならない。本発明では、ア
ルミナペースト層３５の塗布は蓋１３でシールする部分
のみでよく、熱膨張係数を連続的に変化させてパッケー
ジ１１の蓋１３による封止性の向上を容易に計ることが
できる。

次に、第７図に、第２の発明の他の実施例の断面図を示
す。第７図において、パッケージ１１Ａを窒化アルミニ
ウム等の高熱伝導性セラミックスでを形成した場合を示
したものである。

このような高熱伝導性セラミックスのパッケージ１１Ａ
とアルミナ（ガラス１６）の熱膨張係数の差か大きく、
ガラス１６で使用される従来の低融点ガラスではパッケ
ージ１１Ａと蓋１３との接着性に問題を生じてくる。例
えば、窒化アルミニウムの熱膨張係数は約５．　ＯＸ　
１０−＠／”Ｃであり、前述のガラス熱膨張係数（６，
９Ｘ　１０−’／”Ｃ）との差か大きい。

そこで、第７図に示すように、パッケージ１１Ａ上にそ
れぞれ熱膨張係数の異なる部材３５ａ〜３５ｃを３層と
した、ガラス−アルミナペースト層３５を形成したもの
である。例えば、部材３５ａ〜３５ｃの熱膨張係数をそ
れぞれ５．４ＸＩＯ−’／”Ｃ１５，９Ｘｌ０−’／’
Ｃ１６，４Ｘｌ０−’／°Ｃに調整することにより、パ
ッケージＩＩＡの窒化アルミニウムとの差が緩和され熱
緩衝材としての役割を果す。

一般に、封止材としてのガラス１６を変更する場合、熱
膨張係数だけでなく、使用温度、ガラス転移点、軟化点
等の作業性、機械的特性、誘電率、体積抵抗率等の電気
的特性、耐酸性の諸特性を満足しなければならない。従
って、上述のように、パッケージＩＩＡ上にアルミナペ
ースト部材を３層に限らず多数回塗りすることで、従来
より使用されている低融点ガラスを使用することができ
る。

次に、第８図に第３の発明の一実施例の断面図を示す。

第８図の半導体装置ＩＯは蓋１３とガラス１６との間に
アルミナペースト層３６の表面粗度を上げた第２の塗布
層を設けたものである。この場合、アルミナペースト層
３６の熱膨張係数は、前述の例でいえば、αｓ　＝７．
０５ｘ　ｔｏ−”／”Ｃ程度にアルミナとガラスを調整
したものである。これにヨリ、Δ５　＝　ａ　ｓ　　　
ａ　ｓ　＝０．１５Ｘ　１０−’／　’Ｃ１Δ６＝α５
−α、　＝０．１５Ｘ１０−’／’Ｃと小さくなり、ガ
ラス１６と蓋１３との間て熱膨張係数がより連続的とな
り、蓋１３とガラス１６との接着性か強化される。

また、第９図に第４の発明の一実施例の断面図を示す。

第９図の半導体装置ｌＯは前述のパッケージ１１（１１
Ａ）とガラス１６との間に前述の塗布層１５　（２５，
３５）を設けると共に、蓋１３とガラス１６との間に前
記第２の塗布層（３６）を設けたものである。これによ
り、パッケージ１１（ＩＩＡ）、ガラス１６．蓋１３０
間で総合的に接着性がより強化される。

なお、第６図乃至第９図ではセラミックパッケージにつ
いて説明したが、第４図及び第５図と同様に、ガラスエ
ポキシ樹脂製のパッケージが使用されるＬ’ＣＣ型の半
導体装置２０に適用できることはもちろんである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、表面粗度を高め、又は熱
膨張係数を連続的にすることにより、蓋のパッケージへ
の接着強度を向上させることができ、従って半導体装置
の耐熱衝撃性を向上させ、信頼性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる半導体装置の断面図、 第２図は第１図の半導体装置の分解斜視図、第３図は第
１図甲丸で囲んだ部分を拡大して示す図、 第４図は本発明の別の実施例になる半導体装置の断面図
、 第５図は第４図の半導体装置の分解斜視図、第６図は第
２の発明の一実施例の断面図、第７図は第２の発明の他
の実施例の断面図、第８図は第３の発明の一実施例の断
面図、第９図は第４の発明の一実施例の断面図、第１Ｏ
図は従来例の１例を示す断面図、第１１図は第１Ｏ図中
丸で囲んだ部分を拡大して示す図である。 図において、 ０．２０は半導体装置、 ｌはアルミナパッケージ、 ｌＡは窒化アルミニウムパッケージ、 ｌａは上面、 ２．２２はＩＣチップ、 ３．２３は蓋、 ４は蓋取り付は部分、 ５．３５．３６はアルミナペースト層、６はガラス、 ２１はガラスエポキシ樹脂製パッケージ、２４はエポキ
シ接着剤、 ２５はソルダーレジスト層、 ３５ａ〜３５ｃはガラス−アルミナペースト層を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕半導体チップ（１２、２２）が組付けられたパッ
   ケージ（１１、２１）の上面（１１ａ）に蓋（１３、２
   ３）が封止剤（１６、２４）を介して接着されて上記半
   導体チップを封止してなる半導体装置において、 上記パッケージ（１１、２１）の上面 （１１ａ）に表面粗度を上げた塗布層（１５、２５）を
   設け、上記封止剤（１６、２４）が上記表面粗度を上げ
   た塗布層（１５、２５）と接着された構成としたことを
   特徴とする半導体装置。 〔２〕半導体チップ（１２、２２）が組付けられたパッ
   ケージ（１１、２１）の上面（１１ａ）に蓋（１３、２
   ３）が封止剤（１６、２４）を介して接着されて上記半
   導体チップを封止してなる半導体装置において、 上記パッケージ（１１、２１）の上面 （１１ａ）に、該パッケージ（１１、２１）より粒径の
   大な部材を含む塗布層を設け、 上記封止剤（１６、２４）が該塗布層 （１５ａ）と接着された構成としたことを特徴とする半
   導体装置。 〔３〕前記塗布層（１５、１５ａ）は、前記封止剤（１
   ６、２４）と熱膨張係数が整合し、前記パッケージ（１
   １、１１＿Ａ）と熱膨張係数の異なる部材を所定回数形
   成された層（３５）であることを特徴とする請求項〔１
   〕又は〔２〕記載の半導体装置。 〔４〕半導体チップ（１２、２２）が組付けられたパッ
   ケージ（１１、２１）の上面（１１ａ）に蓋（１３、２
   ３）が封止剤（１６、２４）を介して接着されて上記半
   導体チップを封止してなる半導体装置において、 上記蓋（１３、２３）の下面に、表面粗度を上げた第２
   の塗布層（３６）を設け、 上記封止剤（１６、２４）が上記表面粗度を上げた第２
   の塗布層（３６）と接着された構成としたことを特徴と
   する半導体装置。 〔５〕前記パッケージ（１１、２１）の上面（１１ａ）
   に塗布層（１５、２５）が設けられると共に、前記蓋（
   １３、２３）の下面に第２の塗布層（３６）を設け、 前記封止剤（１６、２４）が該塗布層（１５、２６）及
   び第２の塗布層（３６）とそれぞれ接着された構成とし
   たことを特徴とする請求項〔１〕、〔２〕、〔３〕又は
   〔４〕記載の半導体装置。