JPH0448757A - 半導体用パツケージ - 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、ＬＳＩを実装する半導体装置において、入出
力ピンをもつ半導体用パッケージ構造に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置には、ＬＳＩの実装方法により種々の形態が
あり、例えば、ピングリットアレイパッケージ（ＰＧＡ
）がある。第２図（Ａ）にＰＧＡを適用した半導体装置
の例を示す。すなわち、配線網をもつセラミックス基板
２と複数個の入出力ピン３を接続した構造から成るパッ
ケージに、ＬＳ１１７が接合される。パッケージのセラ
ミックス基板２に接合された放熱基板８にはＬＳ１１７
が同様に接合され、ボンディングワイヤ６を介してセラ
ミックス基板の配線網に電気的に接続される。

さらに、封止キャップ５により気密封止して、冷却フィ
ン１が取付けられる。これら構成体の複数個が、配線網
をもつプリント基板４に接続し半導体装置が構築される
。

この半導体装置において、ＬＳＩの高密度化とその実装
の高信頼化には、入出力ピン３とセラミックス基板２か
ら成ることを基本構造とするパッケージは、現在のとこ
ろどんなＬＳＩ実装形態にも不可欠の構成部品である。

このパンケージに要求される基本特性は、低熱抵抗性と
高気密性封止性が挙げられる。これら特性のうち低熱抵
抗特性は、その構成材料に負うところが大であり、一般
には高熱伝導のセラミックスが適用される。その好適な
材料としてＡｌＮがある。この八〇Ｎは気密性にも優れ
るため、例えば、特願昭６３−８１２５８号明細書に記
載されているように、これまでにＡｌＮで構成される各
種の半導体用パッケージが提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第３＠に示すパッケージの構造は、第４図に示すように
、ＡｌＮのセラミックス２に、Ｗ導体から成る多層配線
導体９とスルホール導体１１が介在し、これに入出力ピ
ン（Ｆｅ−Ｎｉ系合金等）３が、Ｎ１めつき１３及び１
４を介して接合ろう層１２　（Ｃｕ−Ａｇ合金等）によ
り、スルホール導体１１と接合した構造となっているに
のパッケージに必要な特性は、低熱抵抗と高気密性の基
本特性のほか、実質的には入出力ピン３の接合強度が大
で、かつ、半導体装置稼働のさいの冷熱サイクルによる
熱抵抗及び気密性劣化のないことが要求される。

しかし、へ〇Ｎパッケージの製造工程において。

従来のＷ粉を印刷し焼成したＷ導体は、一般に完全な焼
結体とならず、第４図に示すように、Ｗ導体内にボイド
１０が介在する。その結果、ピン接合部のＮｉめつき１
４の密着不良が発生し、スルホール、及び、多層配線の
Ｗ導体内のボイドを通じて気密劣化を生じる。また、Ｎ
ｉめっき密着不良は、入出力ピンの強度不良が発生し、
がっ、冷熱サイクルによる入出力ピン強度維持の点で信
頼性確保が困難になる。すなわち、実質的には、必ずし
も性能を満足するＡΩＮパッケージが容易に得られない
。

本発明は、高熱伝導の／ＷＩＮを用い、パッケージの低
熱抵抗化を図ると共に、Ｗ導体内ボイドに起因した問題
点を払拭し、高信頼の低熱抵抗・高気密性の半導体用Ａ
ｌＮパッケージを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記、目的の半導体用ＡｌＮパッケージを得るために、
本発明は基板のピン接合部のスルホール導体部分に、ボ
イドのない金属線を介在させ焼結したパッケージ構造と
することにより、気密不良に対処し、且つ、めっき膜を
省略して高熱伝導性の材質から成る入出力ピンを、直接
、ろう接して。

従来のＡｌＮパッケージの問題点を払拭する。

第１図は本発明のセラミックス基板２と入出力ピン３か
ら成る本発明のパッケージを適用した半導体装置を示し
、第３図における高熱伝導基板８が省略された構造とな
っている。第１図に示したパッケージの詳細は、第２図
に示すようにセラミックス２に多層配線導体８が介在し
、これに導通する金属線スルホール導体１０が介在する
。金属線スルホール導体１０には、入出力ピン３が接合
ろう層１１により、Ｎｉめつきを介せず、直接、ろう接
された構造となっている。

金属線スルホール導体１１は、金属線とする塑性加工が
可能で、導体としての必要特性である高導電性の金属、
すなわち、Ｃｕ、　Ａｇ、Ｗ、Ｍ。

等が適用され、これら金属は、通常ボイドのない健全な
材質が容易に得られる０通常、セラミックス基板は、例
えば印刷等により所定のパターンの導体をセラミックス
のグリーンシートと共に積層して、導体と母材であるセ
ラミックスを同時に焼結して得られる。従って、本発明
の金属線スルホール導体１０は、その所定形状を維持す
るため、セラミックスの焼結温度よりも高融点であるこ
とが不可欠となる。ＡｌＮを主成分とする基板には、そ
の焼成温度が１７００℃以上となるため、それよりも高
融点のＷ、Ｍｏの金属線が適用され、特に、熱膨張係数
４．５　　ｘｌｏ−８／”Ｃで、ＡｌＮとほぼ一致する
Ｗの金属線が選ばれる。これにより基板の焼結、及び、
冷熱サイクルの際の熱応力に対する信頼性が確保できる
。

他方、ボイドのない健全な組織をもつ金属線は、清浄な
接合面が得られるためＮｉめつき層を設けることなく、
容易に入出力ピンの銀ろう付けが可能で、かつ、充分な
接合強度を得ることができる。

接合性の改善は、冷熱サイクルに対する高信頼化と共に
、熱膨張の異なる高熱伝導のビンの適用を可能とする。

この高熱伝導性の人８カピンは稼働中に発生するＬＳＩ
の熱をプリント基板に散逸させる。

一般に、パッケージの低熱抵抗化はＬＳＩを搭載する放
熱基板をＡｎＮ等の高熱伝導材質を適用することにより
対処するが、さらに、プリント基板からの放熱も考慮し
た場合に、高熱伝導性の入出力ピンを介してプリント基
板への放熱もでき。

入出力ピン材質を考慮することにより、パッケージの低
熱抵抗化が可能である。これは、ピン数増大によりその
効果が大となる。すなわち、多ピン化と低熱抵抗化に伴
うパッケージを創製するには、ビン材質の高熱伝導化は
不可欠で、その材料にはスルホール導体と同様にＣｕ　
、　Ａ　ｇ　ｇ　Ａ　Ｑ　ｇ　ＷｇＭｏが選ばれる。こ
れら材料は導電性にも優れる。

多ピン化に伴い線径が小さくなる場合には、その他の特
性として高強度高弾性も要求されるが、その際は、上記
を主成分の合金、あるいは複合材により対処できる。特
に、高導電高弾性に優れる点から、合金は、析出硬化性
Ｃｕ合金のうちＣｕ−Ｃｒ合金、複合材としてはＣｕ−
Ｗ繊維複合材が好適である。

以上、スルホール導体に金属線を適用することにより、
めっき層を省略して高熱伝導のビンを適用した単純な構
造とすることにより、従来のＷ焼結によるスルホール導
体に起因する諸問題点を払拭でき、低熱抵抗で高気密性
パッケージを得られ机 なお、当然のことながらＡΩＮ以外のセラミックス基板
から成るパッケージでも、その製造熱履歴上の最高温度
、すなわち、基板焼成温度以上の融点をもち高導電性の
金属線をスルホール導体とし、これらに高熱伝導高導電
の入出力ビンを適用することにより、各種パッケージの
低熱抵抗と高気密化が可能である。また、金属線のスル
ホール導入と入出力ピン、ろう材の材質により、その濡
れ性に本質的な不良が生じる場合は、濡れ性を改善する
皮膜を設けても、スルホール導体が金属線であるならば
気密性向上の効果を発揮する。

〔作用〕

セラミックス基板の入出力ビン接合部のスルホール導体
に、ボイドのない材質健全な金属線を適用するため、外
気と接するスルホール導体からの気密劣化が生じない、
また、材質健全な金属線により、めっき層を設けること
なく高熱伝導の入出力ピンが適用でき、高熱伝導性のセ
ラミックスの放熱基板を適用することにより、ＬＳＩの
熱を有効に散逸できるので、高気密で低熱抵抗の半導体
用セラミックスパッケージが得られる。

〔実施例〕

粒径１μｍのＡ　Ｑ　ＮＭ料粉と焼結助剤ＹｚＯａ原料
粉を準備し、これにポリビニルブチラールのバインダと
その有機溶剤を加え混合しスラリとした。

次いで、スラリをグリーンシートにし、乾燥後、別途準
備したＷ粉末ペーストをグリーンシート上に配線網の導
体を印刷した。他方、グリーンシートに収縮後２．５４
ｍの面心格子とする入出力ビンピッチで、直径０．５ｗ
ｕｒの穴をあけ、これに直径０．４９閣、長さ１ｍに機
械加工したＷ線を埋め込んだにれらを積層圧着し、Ｎ　
ｚ　−Ｈ２−Ｈｚ○ガス中で脱バインダ処理後、Ｎ２．
雰囲気中で２０００℃、−時間の条件で焼結し、入出力
ピン接合部のスルホール導体がＷ線で多層配線導体８を
もつ外径５０Ｘ５０ａ＋寸法の第２図のＷ線スルホール
導体基板（ａ）を作製した。基板のＷ線は、その融点が
３３８０℃であるため、２０００”Ｃの焼結温度に対し
て溶解せず、金属線の形状を維持した。

一方、基板（ａ）と同構造で、かつ、作製条件も基板（
ａ）に準じ、スルホール導体をＷ粉ペーストを充填して
焼結した第４図のＷ粉焼結スルホール導体基板（ｂ）を
作製した。なお、基板（ｂ）は、スルホール導体１１が
Ｗ粉焼結体である意思外、基板のＬＳＩ接合部もＡρＮ
で基板（ａ）と同様の構造となっている。

次に、基板（ａ）及び基板（ｂ）のスルホール導体部表
面を、約５０ｎｏの研削加工し、基板の厚さを１．５ａ
Ｉとした。これら基板の気密性をＨｅリーク試験器で、
リーク量を測定した結果１作製した基板（ａ）は三個と
も５　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒ−Ｑ　／　ｓ以下の高気密
特性であったのに対し、同様に作製した基板（ｂ）は、
三個のうち二個が５Ｘ１０−’Ｔｏｒｒ−Ｑ　／　ｓ以
下で気密不良であった。以上より、ＷｌｉＡをスルホー
ル導体とすることにより基板の気密性向上の効果がある
。

次に、基板（ａ）に対しては直径０．３ｍｎ、長さ４ｍ
のＣｕ−Ｃｒ製入出力ピンをスルホールＷ線導体に、直
接、銀ろう（ＢＡｇ−８）で接合し、第２図のＣｕ−Ｃ
ｒピン付きパッケージを作製した。他方、基板（ｂ）に
は、厚さ５μｍの無電解Ｎｉめつきを施し、直径０．３
ａｍ、長さ４■のコバール製入出力ピンを銀ろう付けし
た第４図のコバールピン付きパッケージを作製した。

Ｃｕ−Ｃｒピン付きパンケージ及びコバールピン付きパ
ッケージに１５Ｘ１５Ｘ０．４μｍのチップをはんだ付
け、ワイヤボンディング、及びＡＱ製ラフイン組立てチ
ップ実装後、プリント基板に取り付け、パッケージの熱
抵抗を測定した結果。

コバール製入出力ピンのパンケージは４．５℃／Ｗの熱
抵抗であったに対し、Ｃｕ−Ｃｒ製入出力ピンのパッケ
ージは約１５％減の３．８℃／Ｗの低熱抵抗であった。

以上より、入出力ピン接合部に、高熱伝導の入出力ピン
とすることにより、基板と入出力ピンから成るパッケー
ジの低熱抵抗化の効果がある。

他方５パツケージの接合部のＮｉめっきを省略して、直
接、ろう付けしたＣｕ−Ｃｒ製入出力ピンに対し、９０
°変位の繰返し曲げ試験を実施した結果、コバール製ピ
ンは一回の曲げ往復で基板との接合部から剥離したのに
対し、Ｃｕ−Ｃｒ製ピンは五回以上の曲げ往復でも基板
からの剥離は生じなかった９以上より、Ｎｉめっきを省
略してスルホール導体を金属線とする入出力ピンの接合
構造は、ピン接合強度向上の効果がある。

〔発明の効果〕

本発明は、入出力ピン接合部のスルホール導体をセラミ
ックスの焼成温度以上の融点をもち、ボイドのない金属
線とすることにより、従来のＷ粉焼結導体のボイド介在
に起因する気密劣化を払拭し、かつ、スルホール導体の
金属線に入出力ピンに高熱伝導性のＣｕ系の金属ピンを
ろう接できるので、高気密で低熱抵抗の半導体用パッケ
ージを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパッケージ例を搭載した半導体装置の
断面図、第２図は本発明のパンケージ構造の断面図、第
３図は従来のパッケージ例を搭載した半導体装置の断面
図、第４図は従来パッケージ構造の断面図である。 １・・冷却フィン、２・・セラミックス基板、３・入出
力ピン、４　・プリント基板、５・・ボンディングワイ
ヤ、７・　ＬＳＩ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入出力ピンとスルホール導体とを設けた回路網のセ
   ラミックス基板から構成される半導体用パッケージにお
   いて、 セラミックスの焼成温度以上の融点を持つ金属線で形成
   したスルホール導体と、前記スルホール導体に前記入出
   力ピンを接続した基板とから成ることを特徴とする半導
   体用パッケージ。 ２、前記セラミックス基板がＡｌＮで、前記スルホール
   導体の金属線がＷ線である請求項１に記載の半導体用パ
   ッケージ。 ３、前記Ｗ線に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ又はその
   いずれかを主成分とする合金から選ばれる少なくとも一
   種の導電性金属から成る入出力ピンが接続している請求
   項２に記載の半導体用パッケージ。