JPH06105758B2 - 半導体素子搭載用配線板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体素子搭載用配線板に関する。

（従来の技術とその問題点） 従来，半導体素子をプリント配線板上に搭載するには，
セラミツク製のチツプキヤリアもしくはセラミツク製の
パツケージを介して搭載する方法が一般的であつた。し
かし一般的に使用されている高アルミナ質セラミツク
（以下セラミツクとする）は誘電率が約９と高くこのた
め近年の演算速度の超高速化においては信号遅れが大き
いため好ましい材料ではなかつた。一方ガラスエポキシ
配線板は誘電率が５程度で配線の浮遊容量による信号波
形のくずれはセラミツクより少ないもののセラミツクに
較べ耐熱性が低い，熱伝導率が低い，という欠点を有し
ており実装の高密度化には限界があつた。

一方シリコンチツプをプリント配線板上に直接搭載する
方法も試みられているが，チツプキヤリアを介したもの
が殆んどであり入出力の端子数が多いものはピングリツ
ドアレイ型パツケージとなり前述のセラミツクに起因す
る欠点はさけられない。

またセラミツク製のパツケージにピンを略垂直に立てる
場合，メタライズ面上に一方の端部をくぎの頭状に加工
したピンをろう材で接合するのが一般的である。しかし
ろう材だけの接合では接合強度が弱く，気密性に問題が
生ずる。

前記の問題を解消する方法として特願昭60−73760号に
示すようにガラスエポキシ基板に小貫通孔を設け小貫通
孔に一方の端部をくぎの頭状に加工し，かつ途中に凸部
を形成したピンを挿入し，凸部の部分でかん合せしめて
接合する方法も試みられているが，この方法ではピンの
接合強度がばらつく。これは小貫通孔内に導体層をめつ
き技術により形成し，この導体層に前述のピンの途中に
形成した凸部をかん合させるため，小貫通孔の内径のば
らつきによりかん合の強度がばらつくためである。接合
強度を常に一定以上に保つのはかなり困難な技術であ
る。さらに特開昭61−13686号公報に示す半導体素子搭
載用配線板があるが，しかしこのものは金属板の露出し
ている部分が少ないため放熱効果が十分でなく，パツケ
ージ化した場合，気密封止の際の接着性に問題が生じ
る。

またガラスエポキシ配線板は，曲げ弾性率の低いガラス
エポキシ複合材料などの有機系材料を基板に用いるため
配線板がわずかに変形することがあり，例えば10mm当り
50μｍ程度の反りが起こりうる。また半田柱で半導体素
子を配線板表面に接合させる方法で，半導体素子をデイ
ストリビユーシヨン配線板，マザーチツプ等に接合させ
たものは,2〜３μｍの歪によつて半田接合部に破断が発
生するという欠点が生じる。

本発明はこれらの欠点のない半導体素子搭載用配線板を
提供することを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは上記の欠点について種々検討した結果，半
導体素子搭載用配線板の構造を下記の如く基板の半導体
素子を搭載する部分を除いた部分に導通回路，ワイヤー
ボンデイング部及びピンを挿入固着するための小貫通孔
を形成し，さらに基板のほぼ中央部に大貫通孔を形成
し，前記大貫通孔内に，上面に半導体素子が搭載される
平坦部を有し，かつ前記大貫通孔の下方に折曲部を有
し，基板に形成した導通回路及び小貫通孔内に挿入され
たピンと絶縁された伝熱板を設け，少なくともピンの先
端，ワイヤーボンデイング部及び伝熱板の平坦部を残
し，他の部分を合成樹脂で被覆した構造としたところ，
誘電率が５程度で耐熱性及び熱伝導率がガラスエポキシ
配線板に比べ高いものも可能で，高発熱密度の半導体素
子も搭載可能であることが確認された。また放熱効果も
優れ，パツケージ化した場合の気密封止性も高くなり，
大貫通孔内の半導体素子搭載部をキヤビテイ構造にする
ことも可能で半導体素子実装に好適であるということも
確認した。

本発明は基板のほぼ中央部に設けられた大貫通孔，大貫
通孔の周辺の基板の表面に形成されたワイヤーボンデイ
ング部，ワーヤーボンデイング部と導通するようワイヤ
ーボンデイング部と接して形成された導通回路，導通回
路及び基板を貫通して形成された小貫通孔，小貫通孔内
に挿入固着されたピン並びに大貫通孔内に，上面に半導
体素子が搭載される平坦部を有し，かつ前記大貫通孔の
下方向に折曲部を有し，基板に形成した導通回路及び小
貫通孔内に挿入されたピンと絶縁して設けられた伝熱板
からなり，少なくともピンの先端，ワイヤーボンデイン
グ部及び伝熱板の平坦部を残し，他の部分を合成樹脂で
被覆してなる半導体素子搭載用配線板に関する。

本発明において使用される伝熱板は，銅，アルミニウム
など熱伝導性に優れたものが好ましいが，搭載する半導
体素子の大きさにより，熱膨張係数の不一致に起因する
不都合が発生する場合にはコバール,42合金など半導体
素子と熱膨張係数が近似する金属材料を使用することが
好ましい。

基板に伝熱板を設けるには，伝熱板に上面が平坦な突起
を形成し，そして前記平坦部を有する突起および基板と
の接合部（伝熱板の両端）以外の部分に折曲部を形成
し，前記突起を大貫通孔内に挿入し，折曲部が大貫通孔
の下方向に位置するように設けることが好ましい。突起
の形状は半導体素子を搭載するため上面は平坦とされ，
その突起の形成箇所は伝熱板のほぼ中央部とすることが
好ましい。なお平坦部はその上面に半導体素子が実装で
きる程度の平坦度が必要である。突起を形成する手段は
特に制限はないが，例えば金型を用いた絞り加工によれ
ば平坦部の周辺が変形しても，平坦部表面の変化は殆ん
ど起こらず，伝熱板と半導体素子接合の信頼性及び生産
性に優れるので好ましい。

伝熱板の厚さと折曲部との関係について第５図により説
明する。伝熱板８の平坦部18及び基板との接合部19の厚
さｔは0.1〜2.0mmのものを用いることが好ましく,0.2〜
1.0mmのものを用いれば加工性，強度及び配線板の重量
が軽減できるのでさらに好ましい。また平坦部18を有す
る突起の高さｃは基板の厚さより小さいことが好まし
く，基板の厚さからマザーチツプの厚さを引いた厚さに
等しければ，導通回路とマザーチツプの上面との高さが
ほぼ等しくなりワイヤーボンデイング性に優れるので好
ましい。

さらに折曲部10の幅ａ及び高さｂについて,aは伝熱板７
の基板との接合性の関係で３〜20mmの幅にすることが好
ましく,bは加工性の面で15mm未満であることが好まし
い。

折曲部の形状については特に制限はないが，加工性の面
でＵ字形,V字形であることが好ましい。

本発明における基板とは，ガラスエポキシ積層板などの
プリント配線板材料の半導体素子を搭載する大貫通孔部
分を除いた部分にワイヤーボンデイング部，導通回路，
及び小貫通孔を形成したものを示す。

基板の素材としては，紙，ガラス繊維からなる織布，不
織布などにエポキシ，フエノール等の樹脂組成物を含
浸，積層成形硬化せしめた紙エポキシ積層板，紙フエノ
ール積層板，ガラスエポキシ積層板及びポリイミド，ポ
リアミド，ポリアミドイミド，ポリエステル等の樹脂を
フイルム状に成形したものに銅箔を張り合わせたプリン
ト配線板材料が用途に応じて使用される。

伝熱板の一部は，合成樹脂で被覆して基板の裏面に固定
されるが，合成樹脂で被覆する前にあらかじめ樹脂接着
剤を用いて固着することが好ましい。適用される樹脂接
着剤としてはエポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等の熱硬化
性樹脂，耐熱性熱可塑性樹脂などが用途，使用条件にお
いて選択され用いられる。

導通回路及びワイヤーボンデイング部を形成する材料と
しては，特に制限はないが，価格，熱伝導性などの点で
銅を用いることが好ましい。導通回路及びワイヤーボン
デイング部の形成方法についても特に制限はなく，例え
ば基板の表面に銅箔を張り合わせたり，銅ペーストを印
刷して硬化させたり，めつき処理などの手段で銅の被膜
を形成し，その後必要に応じてエツチングを行ない希望
の形状に形成する。

配線板のほぼ中央に設ける大貫通孔の大きさは，半導体
素子の大きさに応じて設けられるが，大貫通孔と半導体
素子とのクリアランスは0.5mm程度であることが好まし
い。

大貫通孔周辺に設ける小貫通孔の周辺にはワイヤーボン
デイング部と導通する導通回路がピンの中心に対して同
心円状に存在することが望ましく，ピンと導通回路はこ
の同心円状の部分（ランド部）で電気的に接続した状態
で固着される。例えばピンの形状がくぎの頭状を呈し，
ピンの直線部の直径が小貫通孔の内径より小さく，そし
てピンの頭部の直径が小貫通孔の内径より大きく，ラン
ド部の外径以下の寸法であれば圧接，ろう材による固
着，導電性接着剤による固着などの手段によりピンの頭
部とランド部は電気的に接続した状態で固着される。な
お小貫通孔の内部には必要に応じ導電層が形成される。
ピンの材質は，特に制限はないが，コバール,42合金,52
合金等のNi系合金，銅，銅合金などが使用できる。ピン
の長さは挿入して固着する基板より突出させるため基板
より長いものを用いることが好ましく，突出長さは2mm
以上あることが好ましい。このピンと基板との固着は，
半田，銀ろう，熱硬化性樹脂，耐熱性熱可塑性樹脂等が
用いられるが，ピンの頭部と基板に形成した導通回路と
の部分を半田，銀ろう等で固着すれば接着強度に優れる
ので好ましい。

被覆用の合成樹脂は，熱硬化性樹脂であつても熱可塑性
樹脂であつても差しつかえない。例えばエポキシ樹脂，
ポリイミド樹脂，シリコーン変性エポキシ樹脂等の熱硬
化性樹脂とその硬化剤，添加剤又は飽和ポリエステル樹
脂，ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂とその硬化剤，添
加剤が用途，使用条件において選択され用いられる。な
お本発明では必要に応じ合成樹脂中に溶融石英粉，アル
ミナ粉，ボロンナイトライド粉，アルミニウムナイトラ
イド粉等の無機質充填材，ガラス繊維のような補強材な
どが添加される。合成樹脂中に上記のような無機質充填
材を添加すれば得られる半導体素子搭載用配線板の熱伝
導率が高くなり放熱性に優れるので好ましい。

被覆用の合成樹脂は，導通回路上の全面を被覆してもよ
いが，作業性及びワイヤーボンデイング部へのワイヤー
の接合に支障が生じないようにワイヤーボンデイング部
に接する部分を除いて被覆することが好ましい。また大
貫通孔の内壁は必要に応じ被覆するものとする。

本発明は，少なくともピンの先端，ワイヤーボンデイン
グ部及び伝熱板の平坦部を残し，他の部分を合成樹脂で
被覆するので大貫通孔内の半導体素子搭載部（伝熱板の
平坦部）をキヤビテイ構造にすることが可能である。キ
ヤビテイの深さは特に制限するものではないが，半導体
素子搭載部にマザーチツプ及び半導体素子を搭載したと
き，マザーチツプの上面と，ワイヤーボンデイング部と
の高さがほぼ同一であるような深さにすれば，導線（ワ
イヤ）を介してこれら両者を接続する工程がより容易に
なり好ましい。

本発明では上記の他に伝熱板の平坦部の裏面に必要に応
じて放熱用スタツドフインなどが取り付けられる。

（実施例） 以下実施例により本発明を説明する。

実施例１ 寸法30×30mmで厚さ0.6mmのガラス不織布コンポジツト
積層板（新神戸電機製，商品名E668）の片面に厚さ35μ
ｍの銅箔を張り合わせ，ついで第１図に示すようにその
中央部（寸法15.24×15.24mm）６を除いた部分に2.54mm
間隔で超硬ドリルで直径0.6mmの小貫通孔１を72個設け
た。この後表面にレジスト膜を形成し，エツチングして
レジスト膜の剥離を行ない上面に所定の導通回路2,前記
中央部の端から1mmの位置にワイヤーボンデイング部内
側端部３を，さらに前記中央部の端から2.5mmの位置に
ワイヤーボンデイング部外側端部４を形成した基板５を
得た。

次に上記基板５の中央部を金型で８×8mmの寸法に打ち
抜いて第２図に示すような大貫通孔７を形成した。

一方，寸法12×12mmで厚さ0.25mmの銅板の中央部に第５
図に示すように高さｃが0.5mm,加工部の曲率半径が0.5m
mRで平坦部18の寸法が6.5×6.5mmの突起９およびａが2m
m,bが1mmのＵ字形の折曲部10を絞り加工で形成して伝熱
板８を得た。折曲部10のイ，ロ及びハの寸法を測定した
ところ，イは0.20mm,ロは0.19mmおよびハは0.22mmであ
つた。この後トリクレンの蒸気で洗浄後，アルカリ脱脂
工程を経てワツト浴で伝熱板８の表面にニツケルめつき
を▲2^+0.5 ₀▼μｍの厚さに施した。なお第５図において
19は基板との接合部である。

次に第２図に示すように伝熱板８の突起９を前記基板５
の大貫通孔７内に挿入し，折曲部10が大貫通孔７の下方
向に位置するよう配設し，他の部分が小貫通孔１と接触
しないように伝熱板８と基板５とを液状のシリコーンゴ
ム（信越化学工業製，商品名KE45W）で接着した。なお
液状のシリコーンゴムは絞り加工した中央部の上面を除
き，基板５の裏面と接着する面上に0.2±0.1mmの厚さに
塗布した。ついで小貫通孔１内に直径が0.58mmで一方の
端部をくぎの頭状に加工した長さ7mmの52合金のネール
ヘツドピン11を挿入し，他の一方の端部（端子）を下面
に露出させた後Sn:Pb＝60:40の半田によりネールヘツド
ピン11を固着した。この後ネールヘツドピン11の先端5m
m,ワイヤーボンデイング部（ワイヤーボンデイング部内
側端部３からワイヤーボンデイング部外側端部４の部
分），大貫通孔７の内壁及び伝熱板８の平坦部18と折曲
部10とを除いた部分をエポキシ樹脂組成物12で被覆して
伝熱板８の平坦部18の上面に半導体素子搭載部を有する
半導体素子搭載用配線板を得た。

得られた半導体素子搭載用配線板についてピンの引き抜
き（ピン先端方向の引張り）強さ及びピンの押し込み
（くぎの頭状方向への押し込み）強さを測定したとこ
ろ，引き抜きではピンが9.2kgf/本で破断し，押し込み
ではピンが座屈し，測定できなかつた。

なお，上記で用いたエポキシ樹脂組成物12は，酸無水物
硬化剤としてメチルテトラヒドロ無水フタル酸（日立化
成工業製，商品名HN−2200）60重量部に２エチル４メチ
ルイミダゾール0.15重量部を溶解混合したものと水添ビ
スフエノールＡ型エポキシ樹脂（旭電化製，商品名EP−
4080,エポキシ当量235〜255,平均エポキシ当量245）30
重量部とビスフエノールＡ型エポキシ樹脂（シエル化学
製，商品名エピコート834,エポキシ当量225〜280,平均
エポキシ当量250）70重量部とを溶解混合したもの50重
量部及びボロンナイトライド粉（電気化学工業製GP）50
重量部をよく混合したものを用い,130℃に予熱した金型
に注入し，金型底部を170℃まで５分で昇温し，金型底
部から硬化させ，約15分で硬化させた。後硬化は150℃
で１時間行なつた。

一方，上記とは別に寸法が6.5×6.5mmで厚さが0.3mmの
シリコン単結晶の片面に所望の配線パターンを形成した
マザーチツプを得た。次に第３図に示すようにこのマザ
ーチツプ13上に寸法が３×4mmの半導体素子14を搭載
し，双方を直径120μm,高さ100μｍのSn:Pb＝5:95の半
田柱で接合して複合半導体素子を得た。

この後複合半導体素子を前記で得た半導体素子搭載用配
線板の半導体素子搭載部（伝熱板８の平坦部18の上面）
にシリコーンゴム組成物15を用いて接着した。シリコー
ンゴム組成物15はシリコーンゴム（信越化学工業製，商
品名KE45W）50重量部と前述のボロンナイトライド粉50
重量部とをよく混合したものを用いた。なおシリコーン
ゴム組成物15は厚さが0.05mmになるように計算し，計算
量を秤量して半導体素子搭載部に供給し，複合半導体素
子を接着した。

ついでマザーチツプ13上及び前記のワイヤーボンデイン
グ端部間を直径が50μｍの珪素を１重量％含むアルミニ
ウムワイヤー17を用い超音波接合した。この後外径寸法
が30×30mmで外周部の幅5mmの部分が高さ3mmで，中央部
20×20mmの部分に深さ2mmの凹部を形成した第４図に示
す蓋16を前記と同じエポキシ樹脂組成物を用いて成形，
製作し，蓋16の外周部を半導体素子搭載用配線板の上面
の外周部分に合わせ，前記と同じエポキシ樹脂組成物10
0重量部に対し２エチル４メチルイミダゾールを２重量
部添加したエポキシ樹脂接着剤20を用いて蓋16と複合半
導体素子を搭載した半導体素子搭載用配線板とを接着し
て半導体装置を得た。

なおエポキシ樹脂接着剤20は，厚さ0.4mmになるように
計算し，算出量を秤量して蓋16の外周部にほぼ均等にな
るように塗布し,150℃,10分で硬化させた。

得られた半導体装置について誘電率及び熱伝導率を測定
したところ，誘電率は,5.3でガラスエポキシ配線板とほ
ぼ同一であり，マザーチツプ13の下面から半導体素子搭
載部の下面までの熱伝導率は,0.0264cal/cm・秒・℃で
ガラスエポキシ積層板の0.001cal/cm・秒・℃に比べ約2
6倍であつた。

さらに気密封止した半導体装置を，プレツシヤークツカ
ー試験機で121℃,2気圧（ゲージ圧）,100時間の条件で
試験を行なつたが，アルミニウムワイヤーの腐食はみら
れなかつた。

また半導体素子搭載用配線板から露出した72本のネール
ヘツドピン11を無負荷挿入用ソケツト（図示せず）に挿
入後レバーを操作してネールヘツドピン11をソケツト内
ではさみ込んで固定した。ネールヘツドピン11をはさみ
込んだときネールヘツドピン11に歪が発生するが，この
ネールヘツドピン11をはさみ込む操作を50回繰り返し行
なつてもマザーチツプ13と半導体素子14とを接合してい
る半田柱には亀裂などの破断は発生しなかつた。

実施例２ 実施例１で用いたエポキシ樹脂組成物の代りにポリアミ
ドイミド樹脂組成物を用いた以外は実施例１と同様の方
法及び工程により半導体素子搭載用配線板及び半導体装
置を得た。熱硬化性であるエポキシ樹脂組成物の代りに
熱可塑性であるポリアミドイミド樹脂組成物を用いたこ
とにともない，成形は,260℃に加熱した該樹脂組成物を
260℃に加熱した金型に圧入後直ちに金型を60℃の温水
で冷却し賦形する方法とした。

なお該樹脂組成物は，ポリアミドイミド樹脂（自社配合
品）50重量部に実施例１で用いたものと同じボロンナイ
トライド粉50重量部を均一に混合したものを用いた。

得られた半導体素子搭載用配線についてネールヘツドピ
ンの引き抜き及び押し込み強さを測定したところ引き抜
きではネールヘツドピンが9.3kgf/本で破断し，押し込
みではネールヘツドピンが座屈し，測定できなかつた。

また実施例１と同様の方法でネールヘツドピンをはさみ
込む操作を100回繰り返し行なつてもマザーチツプと半
導体素子とを接合している半田柱には亀裂などの破断は
発生しなかつた。

比較例１ 外径寸法30×30mmで厚さ1mmのガラス不織布コンポジツ
ト積層板（新神戸電機製，商品名E668）の両面に厚さ35
μｍの銅箔を張り合わせ，ついでその中央部（寸法８×
8mm）を除いた部分に第６図に示すように2.54mm間隔で
超硬ドリルで直径0.55mmの小貫通孔１を72個設けた。こ
の後表面にレジスト膜を形成し，エツチングして，レジ
スト膜の剥離を行ない上面に所定の導通回路２及び前記
中央部の端から1mmの位置にワイヤーボンデイング部内
側端部３を，さらに前記中央部の端から2.5mmの位置に
ワイヤーボンデイング部外側端部４を形成した基板５を
得た。ついで小貫通孔１内に，直径が0.58mmで一方の端
部を頭頂部の厚さが0.2mm,頭頂部の直径が0.8mmのくぎ
の頭状に加工し，くぎの頭部から0.5mm下の部分を金型
で最大幅が0.65mmになるようにつぶして途中に凸部21を
形成した長さ7mmの52合金製のネールヘツドピン22を挿
入し，凸部21の部分で小貫通孔とかん合させ第６図に示
す半導体素子搭載用配線板を得た。次にこの半導体素子
搭載用配線板の中央部に実施例１で得た複合半導体素子
及び伝熱板を実施例１と同様の方法で接着した。

この後実施例１と同様の方法でネールヘツドピンの引き
抜き及び押し込み強さを測定したところ，引き抜きでは
ネールヘツドピン22が8.3kgf/本で破断し，押し込みで
はネールヘツドピン22が基板５から1.7〜2.8kgf/本で抜
けた。

また実施例１と同様の方法でネールヘツドピン22をはさ
み込む操作を繰り返したところ,5回繰り返しただけでマ
ザーチツプと半導体素子とを接合している半田柱に亀裂
が入り，電気的な導通が確保できなかつた。さらにマザ
ーチツプの下面から半導体素子搭載部の下面までの熱伝
導率は,0.001cal/cm・秒・℃であり実施例に比べ低いこ
とがわかる。

なお比較例１では蓋を接合する前に欠点が生じたので，
蓋を伝熱板の外周部分に接合する作業は行なわなかつ
た。

（発明の効果） 本発明になる半導体素子搭載用配線板は，反りの発生は
なく機械的強度及び熱伝導率が高く放熱効果に優れ，気
密封止の際の接着性及び気密性において何ら問題のない
半導体素子搭載用配線板である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施例における半導体素子
搭載用配線板の製造作業状態を示す断面図，第３図及び
第４図は半導体素子搭載用配線板を用いた半導体装置の
製造作業状態を示す断面図，第５図は伝熱板の部分拡大
図及び第６図は従来の半導体素子搭載用配線板を示す断
面図である。 符号の説明 １…小貫通孔、２…導通回路 ３…ワイヤーボンデイング部内側端部 ４…ワイヤーボンデイング部外側端部 ５…基板、６…中央部 ７…大貫通孔、８…伝熱板 ９…突起、10…折曲部 11…ネールヘツドピン、12…エポキシ樹脂組成物 13…マザーチツプ、14…半導体素子 15…シリコーンゴム組成物 16…蓋 17…アルミニウムワイヤー 18…平坦部、19…基板との接合部 20…エポキシ樹脂接着剤 21…凸部、22…ネールヘツドピン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板のほぼ中央部に設けられた大貫通孔，
   大貫通孔の周辺の基板の表面に形成されたワイヤーボン
   デイング部，ワイヤーボンデイング部と導通するようワ
   イヤーボンデイング部と接して形成された導通回路，導
   通回路及び基板を貫通して形成された小貫通孔，小貫通
   孔内に挿入固着されたピン並びに大貫通孔内に，上面に
   半導体素子が搭載される平坦部を有し，かつ前記大貫通
   孔の下方向に折曲部を有し，基板に形成した導通回路及
   び小貫通孔内に挿入されたピンと絶縁して設けられた伝
   熱板からなり，少なくともピンの先端，ワイヤーボンデ
   イング部及び伝熱板の平坦部を残し，他の部分を合成樹
   脂で被覆してなる半導体素子搭載用配線板。