JPH08274225A - 半導体部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通過信号の電気特性（信号遅延等）や半導体
チップからの熱放散性を確保しつつ、大型チップの搭載
を可能にすると共に、吸湿や熱サイクルによるチップ剥
がれやチップクラック等の発生を防止し、信頼性を大幅
に向上させた半導体部品を提供する。 【構成】 窒化アルミニウム基板または窒化ケイ素基板
からなるセラミックス製ヒートシンク１上には、プリン
ト回路基板２が信号配線層として接合されている。信号
配線層には、例えば銅製リード３が接続されている。半
導体チップ４は、セラミックス製ヒートシンク１上に接
合搭載されており、ボンディングワイヤ５等によりプリ
ント回路基板２からなる信号配線層と電気的に接続され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波・高出力の半導
体素子のパッケージング等として好適な半導体部品に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体チップのパッケージに
は、プラスチックパッケージ、メタルパッケージ、セラ
ミックパッケージが使用されている。また、その構造と
しては、リードフレームを用いたＤＩＰ（デュアルイン
ラインパッケージ）やＱＦＰ（クァドフラッドパッケー
ジ）、あるいはリードピンを用いたＰＧＡ（ピングリッ
ドアレイ）、入出力端子として半田バンプを用いたＢＧ
Ａ（ボールグリッドアレイ）等が知られている。

【０００３】これらパッケージ構造のうち、リードフレ
ームを用いたパッケージは、構造が簡単で、安価に作製
できることから、各種の半導体チップに広く使用されて
おり、特にＱＦＰは入出力信号数の増加に対してもある
程度までは対応でき、また表面実装タイプであること等
から多用されている。

【０００４】ところで、最近、半導体製造技術の飛躍的
な進歩によって、半導体チップの高集積化や高機能化、
例えば動作速度の高速化を図るための動作周波数の高周
波化、あるいは高出力化等が急速に進められている。ま
た、半導体チップの高集積化等に伴って 1チップ当りの
入出力信号数は増加の一途をたどっている。

【０００５】上述したような高周波化や高出力化された
半導体チップのパッケージにおいては、以下に示す 2点
を確保することが、その特性を十分に生かす上で重要と
なっている。

【０００６】(1) 信号遅延をできるだけ小さくする。

【０００７】(2) 半導体チップからの発熱を速やかに
拡散させ、チップ温度の上昇をできる限り食い止める。

【０００８】従来の半導体用パッケージにおいても、上
述したような条件を満足させるために、例えばリードフ
レーム等の配線材料として銅を用いたり、あるいは信号
遅延を小さくするために、低誘電率樹脂を絶縁材として
利用した信号配線層を用いたり、またプリント回路基板
を信号配線層として用いる等の対策が採られてきた。こ
れらうち、プリント回路基板を利用した信号配線層は、
周辺回路とのインピーダンスマッチング等が取りやす
く、また容易に複雑な回路パターンを再現することがで
きること等から注目されている。

【０００９】上述したようなプリント回路基板を信号配
線層として用いた半導体パッケージとしては、半導体チ
ップからの熱を良好に発散させるために、銅板をヒート
シンクとして用い、この銅製ヒートシンク上に半導体チ
ップや回路基板を接合すると共に、半導体チップや回路
基板を樹脂封止したものが知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来のプリント回路基板を信号配線層として用
いた半導体パッケージは、以下に示すような問題を有し
ていた。すなわち、銅製ヒートシンク上に半導体チップ
を接合搭載する場合に、銅製ヒートシンクと半導体チッ
プとの熱膨張差が大きいことから、半田では大型チップ
を搭載しにくいという問題がある。そこで、銅製ヒート
シンクの応力を緩和し得るように、エポキシ樹脂等の樹
脂系接合材が用いられている。しかし、半導体チップの
接合材として樹脂を用いると、吸湿水分により接合部に
クラックが生じやすいという問題を招いてしまう。また
さらに、樹脂を用いても上述した熱膨張差を十分に緩和
することができないことから、熱サイクルが印加された
際に生じる応力等によって、半導体チップの剥がれやク
ラック等が発生しやすいという問題があった。

【００１１】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、通過信号の電気特性（信号遅延等）
や半導体チップからの熱放散性を確保しつつ、大型チッ
プの搭載を可能にすると共に、吸湿や熱サイクルによる
チップ剥がれやチップクラック等の発生を防止し、信頼
性を大幅に向上させた半導体部品を提供することを目的
としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明における請求項１
記載の半導体部品は、窒化アルミニウム基板または窒化
ケイ素基板からなるセラミックス製ヒートシンクと、前
記セラミックス製ヒートシンク上に接合されたプリント
回路基板からなる信号配線層と、前記信号配線層に接続
されたリードと、前記セラミックス製ヒートシンク上に
接合搭載され、前記信号配線層と電気的に接続された半
導体チップとを具備することを特徴としている。

【００１３】また、請求項２記載の半導体部品は、請求
項１記載の半導体部品において、前記セラミックス製ヒ
ートシンクの前記半導体チップの接合搭載部には、銅製
ヒートシンクとして銅層が形成されていることを特徴と
している。

【００１４】

【作用】請求項１記載の半導体部品においては、プリン
ト回路基板を有する信号配線層を用いていることから、
インピーダンスマッチング等を容易にとることができ、
これによって信号配線層による信号遅延等を抑制するこ
とができる。従って、高周波化や高出力化された半導体
チップの特性を十分に生かすことが可能となる。そし
て、上述したようなプリント回路基板が接合されるヒー
トシンクとして、窒化アルミニウム基板または窒化ケイ
素基板を用いており、これらは従来の銅製ヒートシンク
に比べて、半導体チップとの熱膨張係数の差が小さいこ
とから、熱サイクルの印加や吸湿によるチップ剥がれや
チップクラック等の発生を抑制することができる。さら
に、大型の半導体チップを半田により接合搭載すること
も可能となる。

【００１５】また、ヒートシンクに高熱伝導性の銅板を
用いることは、特性的にもまたコスト的にも適してい
る。ただし、従来のように、銅製ヒートシンク上に直接
半導体チップを接合搭載しようとすると、チップサイズ
や接合材に制限が生じると共に、熱サイクルの印加や吸
湿によるチップ剥がれやチップクラック等が発生しやす
くなる。そこで、請求項２記載の半導体部品において
は、上述したような窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素
基板からなるセラミックス製ヒートシンク上に銅製ヒー
トシンクとして銅層を形成し、この銅層上に半導体チッ
プを接合搭載している。窒化アルミニウム基板や窒化ケ
イ素基板上に銅層を形成すると、銅層の熱膨張率が窒化
アルミニウム基板や窒化ケイ素基板のそれに拘束される
ため、請求項１記載の半導体部品と同様に熱サイクルの
印加や吸湿によるチップ剥がれやチップクラック等の発
生を抑制することができ、さらに大型の半導体チップを
半田により接合搭載することも可能となる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１７】図１は、本発明の半導体部品を適用した一
実施例による半導体パッケージの構造を示す図であり、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。

【００１８】同図おいて、１は窒化アルミニウム基板ま
たは窒化ケイ素基板からなるセラミックス製ヒートシン
クであり、このセラミックス製ヒートシンク１は窒化ア
ルミニウムまたは窒化ケイ素を主成分とし、これに酸化
イットリウムや酸化アルミニウム等の焼結助剤を添加、
混合したセラミックス粉末を成形、焼結してなるもので
ある。

【００１９】例えば、窒化アルミニウム基板からなるセ
ラミックス製ヒートシンク１の場合には、 120〜 230W/
m K 程度の高熱伝導性と 3.9〜 4.5×10^-6/K程度の半導
体チップに近似した熱膨張率を有し、または窒化ケイ素
基板からなるセラミックス製ヒートシンク１の場合に
は、30〜 100W/m K 程度の高熱伝導性と 3.2〜 3.4×10
^-6/K程度の半導体チップに近似した熱膨張率を有する。

【００２０】上述したセラミックス製ヒートシンク１上
には、チップ搭載領域を除いて、銅張積層板等からなる
プリント回路基板２が信号配線層として接合されてい
る。このプリント回路基板２のセラミックス製ヒートシ
ンク１への接合は、エポキシ系やポリイミド系等の樹脂
接着剤等を用いて行うことができ、また予めセラミック
ス製ヒートシンク１上にメタライズ層を形成しておいた
場合には、樹脂系接着剤や半田等を用いて行うことがで
きる。この信号配線層としてのプリント回路基板２は、
例えば周辺回路とインピーダンス等をマッチングさせた
内部配線を有していると共に、この内部配線と電気的に
接続された多数の銅製リード３が一体的に形成されてい
る。

【００２１】また、ヒートシンク１上のチップ搭載部
（例えばメタライズ部）１ａ上には、半田、ろう材、ガ
ラス系接着剤等の接合材を介して、半導体チップ４が接
合搭載されている。この半導体チップ４とプリント回路
基板２からなる信号配線層とは、ボンディングワイヤ５
により電気的に接続されている。これらによって、本発
明で言うところの半導体部品が構成されている。

【００２２】そして、半導体チップ４は、プリント回路
基板２等と共にポッティング樹脂６により気密封止され
ており、これらによって半導体パッケージ７が構成され
ている。なお、ポッティング樹脂６には、低誘電率樹脂
を用いることが好ましい。

【００２３】上述したような構成の半導体パッケージ７
においては、信号配線層としてプリント回路基板２を用
いているため、容易に周辺回路とのインピーダンスマッ
チング等をとることができ、これによって信号配線層に
よる信号遅延等を抑制することが可能となる。従って、
高周波化や高出力化された半導体チップ４の特性を十分
に生かすことができる。さらに、信号配線層としてのプ
リント回路基板２は、窒化アルミニウム基板または窒化
ケイ素基板からなるセラミックス製ヒートシンク１、す
なわち誘電体上に接合されているため、プリント回路基
板２自体の伝送特性も向上する。また、外部リードには
銅製リード３を用いているため、この点からも通過信号
の電気特性を良好に確保することができる。これらによ
って、半導体チップ４として高周波素子や高出力素子を
搭載した場合においても、その特性を十分に生かすこと
が可能となる。

【００２４】また、セラミックス製ヒートシンク１を構
成する窒化アルミニウム基板または窒化ケイ素基板は、
半導体チップ４に近似する熱膨張係数を有することか
ら、半田等で半導体チップ４を接合搭載することができ
る。よって、従来の銅製ヒートシンクでは、10×10mm程
度の大きさの半導体チップ４しか搭載できなかったのに
対して、上記実施例では20×20mm程度の半導体チップ４
まで接合搭載することが可能となる。さらに、セラミッ
クス製ヒートシンク１と半導体チップ４との熱膨張差が
小さいことから、熱サイクルが印加された際に生じる応
力を低減できると共に、上記したように半田等による半
導体チップ４の搭載が可能となることにって、接合部や
半導体チップ４のクラック発生等を抑制することができ
る。しかも、セラミックス製ヒートシンク１と半導体チ
ップ４との熱膨張差を緩和することによって、ポッティ
ング樹脂６に低誘電率樹脂を用いた場合に、接合面のク
ラック等を抑制することができ、より電気特性の向上を
図ることが可能となる。

【００２５】さらに、窒化アルミニウム基板や窒化ケイ
素基板は熱伝導性に優れることから、半導体チップ４か
らの発熱を速やかに拡散させることができ、熱による半
導体チップ４の誤動作等を防止することができる。

【００２６】なお、上記実施例では、本発明の半導体部
品をフェースアップ型の半導体パッケージに適用した例
について説明したが、本発明はこれに限らず、フェース
ダウン型の半導体パッケージに適用することも可能であ
る。また、上記実施例においては、銅製リード３が一体
的に形成されたプリント回路基板２を用いたが、一般的
な銅製リードフレームを用いて、プリント回路基板２と
は別途セラミックス製ヒートシンク１に接合することも
可能である。この場合、銅製リードフレームは樹脂接着
剤等で接合することができる。

【００２７】次に、本発明の他の実施例について、図２
を参照して説明する。

【００２８】図２に示す半導体用パッケージ８は、セラ
ミックス製ヒートシンク１と銅製ヒートシンク９とを組
合せて用いたものであり、銅製ヒートシンク９は窒化ア
ルミニウム基板または窒化ケイ素基板からなるセラミッ
クス製ヒートシンク１上に形成されている。この銅製ヒ
ートシンク９の形成は、例えば (a) 例えば24×24×0.635mm 程度の窒化アルミニウム
基板（セラミックス製ヒートシンク１）上に、12×12×
0.2mm 程度の銅製ヒートシンク９を直接接触配置し、非
酸化性雰囲気中にて1343〜 1373Kの温度で熱処理し、い
わゆるＤＢＣ法で接合する。

【００２９】(b) 同様な形状の窒化アルミニウム基板
または窒化ケイ素基板（セラミックス製ヒートシンク
１）上に、Ti-Ag-Cu等からなる活性金属ろう材を印刷、
あるいはそれらの箔を配置し、その上に銅製ヒートシン
ク９を載置した状態で、例えば真空中にて1123〜 1223K
程度の温度で熱処理し、いわゆる活性金属法で接合す
る。

【００３０】(c) 窒化アルミニウム基板または窒化ケ
イ素基板（セラミックス製ヒートシンク１）上の銅製ヒ
ートシンク形成領域をアルカリエッチングし、このエッ
チング部に銅めっきによって銅製ヒートシンク９として
銅層を形成する。

【００３１】(d) 窒化アルミニウム基板または窒化ケ
イ素基板（セラミックス製ヒートシンク１）上に、蒸
着、スパッタ等の薄膜形成法を適用して銅製ヒートシン
ク９として銅層を形成する。

【００３２】等により行うことができる。

【００３３】上述したような銅製ヒートシンク９の熱膨
張率は、それが形成（例えば接合）された窒化アルミニ
ウム基板または窒化ケイ素基板からなるセラミックス製
ヒートシンク１のそれに拘束されるため、銅製ヒートシ
ンク９上に半田等で半導体チップ４を接合搭載すること
ができる。よって、前述した第１の実施例と同様に、20
×20mm程度の半導体チップ４まで接合搭載することが可
能となると共に、接合部のクラック発生等を抑制するこ
とができる。また、樹脂の吸湿等によるクラック発生等
も防止することが可能となる。しかも、銅製ヒートシン
ク１１は高熱伝導性を有することから、より一層半導体
チップ４からの発熱を速やかに拡散させることができ
る。

【００３４】なお、この第２の実施例の半導体パッケー
ジ８においても、前述した第１の実施例と同様に、通過
信号の良好な電気特性を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体部
品によれば、通過信号の電気特性や半導体チップからの
熱放散性等を確保しつつ、大型チップの搭載が可能にな
ると共に、吸湿や熱サイクルによるチップ剥がれやチッ
プクラック等の発生を抑制することができる。これらに
よって、信頼性を大幅に向上させた半導体部品を提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体部品を適用した一実施例によ
る半導体パッケージの構造を模式的に示す図であって、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は断面図である。

【図２】 本発明の半導体部品を適用した他の実施例に
よる半導体パッケージの構造を模式的に示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１……セラミックス製ヒートシンク ２……信号配線層としてのプリント回路基板 ３……銅製リード ４……半導体チップ ７、８……半導体パッケージ ９……銅製ヒートシンク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム基板または窒化ケイ素
   基板からなるセラミックス製ヒートシンクと、前記セラ
   ミックス製ヒートシンク上に接合されたプリント回路基
   板からなる信号配線層と、前記信号配線層に接続された
   リードと、前記セラミックス製ヒートシンク上に接合搭
   載され、前記信号配線層と電気的に接続された半導体チ
   ップとを具備することを特徴とする半導体部品。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体部品において、 前記セラミックス製ヒートシンクの前記半導体チップの
   接合搭載部には、銅製ヒートシンクとして銅層が形成さ
   れていることを特徴とする半導体部品。