JPH0483363A - 半導体集積回路装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体集積回路装置およびその製造方法

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JPH0483363A
JPH0483363A JP2197034A JP19703490A JPH0483363A JP H0483363 A JPH0483363 A JP H0483363A JP 2197034 A JP2197034 A JP 2197034A JP 19703490 A JP19703490 A JP 19703490A JP H0483363 A JPH0483363 A JP H0483363A
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JP2197034A
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Toshihiko Sato
俊彦 佐藤
Tetsuya Hayashida
哲哉 林田
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    • H01L2924/16152Cap comprising a cavity for hosting the device, e.g. U-shaped cap

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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技術に関
し、特にチップキャリヤ(Chip Carrier)
形半導体集積回路装置の高信頼化に適用して有効な技術
に関するものである。
〔従来の技術〕
パッケージ基板上に実装した半導体チップをキャップで
気密封止したパッケージ構造を有するチップキャリヤに
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。
上記文献に記載されたチップキャリヤは、セラミックか
らなるパッケージ基板の主面に半田バンプを介してフェ
イスダウンボンディングしたチップをキャップで気密封
止したパッケージ構造を有している。上記キャップは、
高熱伝導性セラミックからなり、封止用半田によってパ
ッケージ基板の主面に接合されている。キャップ内に封
止されたチップの背面(上面)は、伝熱用半田によって
キャップの下面に接合されている。これは、チップから
発生する熱を伝熱用半田を通じてキャップに伝達するた
tである。
上記チップキャリヤを組立てるには、まずチップの主面
に形成した半田バンプをパッケージ基板の主面に位置決
めした後、このパッケージ基板を不活性ガス雰囲気のり
フロー炉に搬送し、半田バンプを加熱、再溶融すること
によってチップをパッケージ基板の主面に実装する。次
に、上舵パッケージ基板の主面にキャップを半田付けす
るとともに、チップの背面をキャップの下面に半田付け
する。上記半田付けを行うには、あらかじめパッケージ
基板の主面とキャップの脚部との隙間(接合部)および
チップとキャップとの隙間に半田を介装した後、リフロ
ー炉内で上記半田を加熱、溶融する。その際、半田の濡
れ広がり性を向上させるため、キャップ上に錘りなどを
載せて適度の荷重を印加する。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、本発明者は、封止用半田をリフロー炉内で加
熱、溶融して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、溶融した上記封止用半田が冷却、凝固す
る際にその内部に形成される収縮孔が原因となってチッ
プキャリヤの気密信頼性が損なわれることを見出した。
例えば10重量%程度のSnを含有するPb/Sn合金
(溶融温度=275〜300℃程度)で構成された封止
用半田を320℃程度に加熱して溶融させた後に冷却す
ると、まず融点の高いPbが析出し、温度の低下ととも
に樹枝状結晶(dendrite: デンドライト)が
成長する。温度が275℃付近まで低下すると上記樹枝
状結晶はその成長を停止し、結晶の隙間には5nlJツ
チの液相が残る。温度がさらに低下すると融点の低いS
nが析出し、その際の凝固収縮によって前託樹枝状結晶
の隙間に収縮孔が形成される。そのため、封止用半田の
内部にパッケージ基板の主面に対して水平な方向に成長
した樹枝状結晶が存在すると、この樹枝状結晶の成長方
向に沿って形成された収縮孔を通じて水分やガスがキャ
ップの内部に浸入してしまうことになる。
本発明は、上記した問題点に着目してなされたものであ
り、その目的は、チップを実装した基板の主面にキャッ
プを半田付けしたパッケージ構造を有するチップキャリ
ヤ形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基板の主面と
その上に載置したキャップとの接合部に介装した封止用
半田を加熱、溶融した後、上記封止用半田を上記基板の
主面に対してほぼ垂直の温度勾配を持たせながら冷却、
凝固させることによって、封止用半田の内部における樹
枝状結晶の成長方向を上記基板の主面に対してほぼ垂直
に配向させるものである。
〔作用〕
上記した手段によれば、封止用半田の内部における樹枝
状結晶の成長方向を基板の主面に対してほぼ垂直に配向
させることにより、上記樹枝状結晶の隙間に形成される
収縮孔も基板の主面に対してほぼ垂直に配列されるため
、水分やガスが上記収縮孔を通じてキャップの内部に浸
入することがない。
〔実施例〕
第4図に示すように、本実施例のチップキャリヤ1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
2の主面の電極3上に半田バンプ4を介してフェイスダ
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。上記チップキ
ャリヤ1は、その外形寸法が、縦X横−10〜14sX
 10〜14肛程度の微小なもので、マイクロチップキ
ャリヤ(Micro Chip Carrier)とも
称される。
上記半田バンブ4は、例えば3〜4重量%程度のSnを
含有するP b / S n合金(溶融温度=320〜
330℃程度)からなる。上記キャップ6は、例えば窒
化アルミニウム(/IN)などの高熱伝導性セラミック
からなり、封止用半田7によってパッケージ基板2の主
面に半田付けされている。上記封止用半田7は、その内
部にふける樹枝状結晶の成長刃部が、後述する方法によ
ってパッケージ基板2の主面に対して垂直に配向されて
いる。パッケージ基板2の主面の周縁部およびキャップ
6の脚部の下面のそれぞれには、封止用半田7の濡れ性
を向上させるためのメタライズ層8が設けられている。
上記メタライズ層8は、例えばTi5NiおよびAuの
薄膜を積層した複合金属膜からなる。
上記キャップ6の内部(キャビティ)に封止されたチッ
プ5の背面(上面)は、伝熱用半田9によってキャップ
6の下面に半田付けされている。
これは、チップ5から発生する熱を伝熱用半田9を通じ
てキャップ6に伝達するためである。上記伝熱用半田9
の濡れ性を向上させるため、キャップ6の下面(または
チップ5の背面)にはメタライズ層8が設けられている
。封止用半田7および伝熱用半田9は、例えば10重量
%程度のSnを含有するP b / S n合金(溶融
温度=275〜300℃程度)からなる。
パッケージ基板2の内層には、例えばW(タングステン
)からなる内部配線10が形成され、この内部配線10
を通じてパッケージ基板2の主面側の電極3と下面側の
電極3とが電気的に接続されている。下面側の電極3に
は、チップキャリヤ1をモジュール基板などに実装する
際の外部端子となる半田バンブ11が接合される。上言
己半田バンブ11は、封止用半田7よりもさらに低融点
の半田、例えば3.0重量%程度のAgを含有するSn
 / A g合金(溶融温度=221〜222℃程度)
からなる。
次に、上記チップキャリヤ1の組立方法を第1図〜jf
!3図により説明する。
まず第1図に示すように、チップ5の主面に形成した半
田バンプ4をパッケージ基板2の主面の電極3上に正確
に位置決めする。この位置決めはチップマウント装置な
どの機械を用いて行う。
次に、上記パッケージ基板2をリフロー炉に搬送し、炉
内の温度を半田バンプ4の溶融温度よりも幾分高め(3
40〜350℃程度)に設定して半田バンブ4を加熱、
溶融することによって、チップ5をパッケージ基板2の
主面にフェイスダウンボンディングする(第2図)。上
記リフロー炉内は、半田バンプ4の表面の酸化を防止す
るために、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気、ま
たは上記不活性ガスに水素を混合した還元性ガス雰囲気
にする。
次に、第31!Iに示すように、パッケージ基板2の主
面にキャップ6を載せ、キャップ6の脚部とパッケージ
基板2との間に枠状に成形した封止用半田(プリフォー
ム半田) 7を介装するとともに、キャップ6の下部と
チップ5の背面との隙間にもプリフォーム状の伝熱用半
田9を介装した後、上記キャップ6の上に錘りを兼ねた
ヒートシンク12を載せる。
次に、上記パッケージ基板2を水平に保った状態でトレ
イに載せてリフロー炉に搬送した後、炉内の温度を31
0℃程度に設定して半田7.9を加熱、溶融することに
より、キャップ6をパッケージ基板2の主面に半田付け
するとともに、チップ5の背面をキャップ6の下面に半
田付けする。
上記リフロー炉内は、半田7.9の表面の酸化を防止す
るために、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気、ま
たは上記不活性ガス□に水素を混合した還元性ガス雰囲
気にする。
次に、炉内の温度を下げ、半田7.9を冷却、凝固させ
る。このとき、キャップ6上にはヒートシンク12が載
置されており、その表面から速やかに熱が逃げるため、
ヒートシンク12に接しているキャップ6はヒートシン
ク12から離れたパッケージ基板2よりも速やかに冷却
される。その結果、パッケージ基板2の主面に対して垂
直の温度勾配が形成され、封止用半田7の内部では、温
度の低いキャップ6との界面からPbが析出し始めるの
で、温度の低下に伴って成長するPbの樹枝状結晶は、
パッケージ基板2の主面に対して垂直な方向に配向する
。その結果、温度がさらに低下すると、析8したSnの
凝固収縮によって樹枝状結晶の隙間に形成される収縮孔
もパッケージ基板2の主面に対して垂直に配列する。
このように、加熱、溶融後の封止用半田7をパッケージ
基板2の”主面に対して垂直の温度勾配を持たせながら
冷却、凝固させる本実施例によれば、封止用半田7aの
内部における樹枝状結晶の成長方向がパッケージ基板2
の主面に対して垂直に配向し、それに伴って上記樹枝状
結晶の隙間に形成される収縮孔もパッケージ基板2の主
面に対して垂直に配列する結果、キャップ6の外側の水
分やガスが上記収縮孔を通じてキャビティ内に浸入する
のが確実に防止され、気密信頼性の高いチップキャリヤ
1を製造することができる。
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。
前記実施例では、キャップ上にヒートシンクを載せるこ
とによってパッケージ基板の主面に対りて垂直の温度勾
配を形成したが、これに限定されるものではなく、例え
ばパッケージ基板を冷却ステージ上に載せ、キャップ上
にはヒートブロックを当接してもよい。この方法によれ
ば、前記実施例の場合とは逆にパッケージ基板がキャッ
プよりも先に冷却されるが、この場合もパッケージ基板
の主面に対して垂直の温度勾配が形成されるので、実施
例と同様の効果を得ることができる。
溶融した封止用半田を冷却する際の温度勾配はパッケー
ジ基板の主面に対して厳密に垂直でなくともよく、少な
くとも封止用半田内部の樹枝状結晶の成長方向がキャビ
ティの内外を貫通しない程度に垂直であればよい。
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利用分野である、パッケージ基板
上に半田バンブを介して実装したチップをキャップで気
密封止し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、少な
くともチップを実装した基板上にキャップを半田付けし
てチップを気密封止するパッケージ構造を有する半導体
集積回路装置には適用することができる。
〔発明の効果〕
ホー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
半導体チップを実装した基板の主面とその上に載置した
キャップとの接合部に封止用半田を介装し、上記封止用
半田を加熱、溶融することによって前記半導体チップを
気密封止するチップキャリヤ形半導体集積回路装置の製
造において、加熱、溶融後の封止用半田を基板の主面に
対してほぼ垂直方向の温度勾配を持たせながら冷却、凝
固させる本発明の製造方法によれば、封止用半田の内部
における樹枝状結晶の成長方向が基板の主面に対してほ
ぼ垂直に配向し、それに伴って上記樹枝状結晶の隙間に
形成される収縮孔も基板の主面に対してほぼ垂直に配列
するため、上記収縮孔を通じて水分やガスがキャビティ
の内部に浸入するのを防止でき、気密信頼性の高いチッ
プキャリヤ形半導体集積回路装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第3図は、本発明の一実施例であるチップキ
ャリヤ形半導体集積回路装置の製造方法を工程順に示す
要部断面図、 第4図は、本発明の方法によって製造されたチップキャ
リヤ形半導体集積回路装置を示す要部破断正面図である
。 1・・・チップキャリヤ、2・・・パッケージ基板、3
・・・電極、4.11・・・半田バンプ、5・・・半導
体チップ、6・・・キャップ、7・・・封止用半田、8
・・・メタライズ層、9・・・伝熱用半田、 ・内部配線、 ・ヒートシンク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体チップを実装した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した半導体集積
    回路装置であって、前記基板とキャップとの接合部に介
    装された封止用半田の内部における樹枝状結晶の成長方
    向を、前記基板の主面に対してほぼ垂直に配向させたこ
    とを特徴とする半導体集積回路装置。 2、半導体チップを実装した基板の主面とその上に載置
    したキャップとの接合部に封止用半田を介装した後、前
    記封止用半田を加熱、溶融することによって前記半導体
    チップを気密封止する工程を備えた半導体集積回路装置
    の製造方法であって、加熱、溶融後の封止用半田を前記
    基板の主面に対してほぼ垂直な温度勾配を持たせながら
    冷却、凝固させることを特徴とする半導体集積回路装置
    の製造方法。 3、溶融した封止用半田を冷却、凝固させる際、キャッ
    プ上にヒートシンクを載置することを特徴とする請求項
    2記載の半導体集積回路装置の製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002054488A3 (en) * 2000-12-29 2003-06-19 Intel Corp Ic package pressure release apparatus and method
JP2009117869A (ja) * 2009-02-23 2009-05-28 Hitachi Metals Ltd 機能素子パッケージの製造方法

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