JPH11340347A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】蓋体によって半導体素子を気密に封止したＢＧ
Ａ型パッケージにおいて蓋体接合部直下の接続端子の剪
断歪みによる熱疲労破壊の発生を抑制し、熱疲労寿命の
長い長期信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージを
提供する。 【解決手段】セラミック絶縁基板１と、絶縁基板１の一
方の表面に形成された半導体素子３搭載部と、半導体素
子３を気密に封止するために絶縁基板１表面に接合され
た蓋体２と、絶縁基板１の表面および内部に形成された
メタライズ配線層４と、絶縁基板１の裏面に被着形成さ
れ、半導体素子３と配線層４を介して電気的に接続され
た複数の接続パッド５と、接続パッド５に取り付けられ
た半田からなる複数の接続端子７と具備するパッケージ
Ａにおいて、蓋体２を、平面的にみて絶縁基板１裏面に
おける接続パッド５の最外部の接続パッド５ａ形成位置
よりも０．１ｍｍ以上離間した外側の絶縁基板１表面領
域に接合してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を気密
に収納するためのパッケージに関するものであって、特
に、接続端子が球状の半田からなる、いわゆるＢＧＡ型
パッケージの改良に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、半導体素子、特にＬＳＩ等の半導体
素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、
図３に示すように、一般にアルミナセラミックス等のセ
ラミックスからなる絶縁基板１１の表面に、半導体素子
１２搭載部周辺から下面にかけてタングステン、モリブ
デン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配
線層１３が設けられ、そのメタライズ配線層１３は絶縁
基板１１の底面に形成された複数個の接続パッド１４と
電気的に接続されている。そして、接続パッド１４に
は、接続端子１５が取り付けられている。

【０００３】そして、絶縁基板１１の表面にガラス、樹
脂、ロウ材等から成る接着剤を介して搭載された半導体
素子１２は、半導体素子１２の各電極とメタライズ配線
層１３とをボンディングワイヤ等によって接続され、絶
縁基板１１表面に接合された蓋体１６によって、蓋体１
６のキャビティ１７内にて気密に封止されて半導体装置
となる。

【０００４】最近では、半導体素子の高集積化、小型化
に伴い、電極数が増大し、これに伴い、パッケージにお
ける配線や接続パッド、接続端子の高密度配線化が求め
られている。

【０００５】そのような要求に対して、最近では、接続
端子１５として、半田ボールを用い、この半田ボールを
接続パッドにロウ付け取着された、いわゆるボールグリ
ッドアレイ（以下、単にＢＧＡ）型のパッケージが用い
られている。

【０００６】このようなＢＧＡ型パッケージによる半導
体装置をマザーボード等の外部回路基板１８に実装する
には、絶縁基板１１下面の接続パッドにロウ付けされた
半田ボールからなる接続端子１５を、マザーボードなど
の外部回路基板１８の配線層１９上に載置当接させ、し
かる後、球状の接続端子１５を約１５０〜２５０℃の温
度で加熱溶融させて、接続端子１５を配線層に接合させ
ることによって実装され、同時にパッケージの半導体素
子１２は、メタライズ配線層１３、接続パッド１４およ
び半田ボールからなる接続端子１５を介して外部回路基
板１８の電気回路と電気的に接続されることとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ＢＧＡ型のパッケージにおいては、セラミックスからな
る絶縁基板１１の０〜５００℃の熱膨張係数が６．５ｐ
ｐｍ／℃以上であるのに対して、半導体素子（シリコ
ン）の熱膨張係数は３〜５ｐｐｍ／℃であり、両者は大
きく異なる。

【０００８】このため、このＢＧＡ型パッケージをマザ
ーボード等の外部回路基板に実装した場合、半導体素子
１２の作動時に発する熱が、絶縁基板１１と外部回路基
板１８の両方に印加されると、半導体素子１２と絶縁基
板１１のとの間に両者の熱膨張係数の相違に起因する応
力が発生する。この応力によって、パッケージは、図４
の一点破線に示すように、半導体素子１２搭載側が凹と
なるように反るように変形する。また、パッケージの変
形に伴い、また、外部回路基板１８も通常、絶縁基板１
１よりも熱膨張係数が大きいことから、外部回路基板１
８も同様な方向に変形する。これに伴い、パッケージＢ
と外部回路基板１８を接続しているボール状の接続端子
１５には、絶縁基板１１と外部回路基板１８の熱膨張差
によるせん断変形が生じている。

【０００９】ところが、半導体素子収納用パッケージの
半導体素子搭載側表面には蓋体１６が強固に接合されて
いるため、絶縁基板１１と蓋体１６との接合部分では、
図４の一点破線に示すように、反り変形が抑制される。

【００１０】図３、４に示した従来の半導体素子収納用
パッケージでは、パッケージ自体を小型化するために、
絶縁基板１１の面積を極力小さくしているために、絶縁
基板１１と蓋体１６との接合部と、絶縁基板裏面に形成
される複数の接続端子１５のうち、最も外側に位置する
接続端子１５ａの形成箇所とは、平面的にほぼ重なる位
置になるように形成されている。

【００１１】このとき、最外部の接続端子１５ａ形成部
においては、蓋体１６によって絶縁基板１１の反りが抑
制されているため、最外部の接続端子１５ａの高さ方向
の熱膨張は抑制される。接続端子１５の高さが低いとせ
ん断ひずみは大きくなるため、絶縁基板１１と蓋体１６
との接合部直下の付近の熱膨張が抑制される接続端子１
５には、他の端子に比較して大きな剪断歪みが発生し、
この接続端子１５ａから熱疲労破壊が生じ、パッケージ
の外部回路基板への実装の信頼性が大きく損なわれてし
まうとう問題があった。

【００１２】従って、本発明によれば、蓋体によって半
導体素子を気密に封止したＢＧＡ型パッケージにおい
て、半導体素子と絶縁基板との熱膨張差に起因する応力
によって蓋体接合部直下の接続端子への剪断応力を抑制
し、実装の長期信頼性に優れた半導体素子収納用パッケ
ージを提供することを目的とする。

【００１３】蓋体によって半導体素子を気密に封止する
ＢＧＡ型パッケージにおいて、半導体素子と絶縁基板と
の熱膨張差に起因する応力によって、蓋体接合部直下の
接続端子の剪断歪みによる熱疲労破壊の発生を抑制し、
実装の長期信頼性に優れた半導体素子収納用パッケージ
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の実装
構造において、接続パッドと接続端子間への応力の集中
を抑制できる構造について種々検討を行った結果、絶縁
基板と蓋体の接合部の位置を、絶縁基板の底面に形成さ
れた接続パッドのうち、最も外側の接続パッドよりも外
側にすることにより、蓋体が絶縁基板の反り変形を抑制
することによって接続端子が受ける高さ方向の熱膨張の
抑制を減らし、耐熱疲労性を向上させることができるこ
とを見いだし、本発明に至った。

【００１５】即ち、本発明の半導体素子収納用パッケー
ジは、セラミック絶縁基板と、該絶縁基板の一方の表面
に形成された半導体素子搭載部と、搭載される半導体素
子を気密に封止するために前記絶縁基板表面に接合され
た蓋体と、前記絶縁基板の表面および内部に形成された
メタライズ配線層と、前記絶縁基板の他方の表面に形成
され、前記半導体素子と前記配線層を通じて電気的に接
続された複数の接続パッドと、該接続パッドに取り付け
られた球状半田からなる複数の接続端子と具備する半導
体収納用パッケージにおいて、前記蓋体を、前記絶縁基
板裏面における最外部の接続パッド形成位置よりも平面
的にみて０．１ｍｍ以上離間した外側領域に接合してな
ることを特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体素子収納用
パッケージの一実施態様を示す図１および図２をもとに
説明する。図１は、一実施態様の概略断面図である。図
１の半導体素子収納用パッケージＡによれば、セラミッ
クスからなる絶縁基板１の表面には、略凹形状の蓋体２
が接合され、この絶縁基板１と蓋体２によって形成され
るキャビティ内に半導体素子３が収納される。半導体素
子３は、絶縁基板１の上面中央部にガラス、樹脂等の接
着剤を介して取着されている。

【００１７】また、絶縁基板１には、半導体素子３が載
置収容される上面から下面にかけてビアホール導体４ａ
等を含むメタライズ配線層４が被着形成されており、更
に絶縁基板１の下面には複数の接続パッド５が被着形成
されており、メタライズ配線層４と電気的に接続されて
いる。

【００１８】半導体素子３は、絶縁基板１表面に形成さ
れたメタライズ配線層４と、ワイヤ６によるボンディン
グの他、リボン、フリップチップ等の手法によって、半
導体素子３の電極と電気的に接続されている。

【００１９】セラミックス絶縁基板１は、例えば、酸化
アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質
焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結
体、ガラスセラミック焼結体等の周知の電気絶縁性セラ
ミック材料から成る。

【００２０】例えば、酸化アルミニウム質焼結体は、酸
化アルミニウムに、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化
カルシウム等の焼結助剤を添加し、さらに適当な有機バ
インダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに
泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採
用することによってグリーンシート（生シート）と成
し、しかる後、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加
工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の
温度で焼成することによって製作される。

【００２１】メタライズ配線層４及び接続パッド５は、
タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属
や、銅、銀、アルミニウム等の低抵抗金属等によって形
成されて、絶縁基板１との同時焼成を図る場合、用いる
セラミックス材料に応じて焼成温度がマッチングする金
属材料が適宜選択され、選択された金属粉末に適当な有
機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペ
ーストを絶縁基板１となるグリーンシートの焼成前に、
グリーンシートにスルーホールを形成してホール内にペ
ーストを充填したり、グリーンシートにスクリーン印刷
法等により所定パターンに印刷塗布し、絶縁基板１と同
時焼成することにより、絶縁基板１の所定位置に被着形
成される。

【００２２】また、接続パッド５には、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓ
ｎ−Ｐｂ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ等の半田ボールからなる接
続端子７がロウ付けされている。この接続パッド５は、
絶縁基板１に接続端子７を強固に取着するための下地金
属層として作用し、接続端子７は、パッケージＡを外部
回路基板８の配線層９と接続させる際、接続を容易、且
つ確実となす作用をなす。

【００２３】なお、この接続端子７は、接続パッド５に
半田を塗布し、しかる後、これを約１５０〜２５０℃の
温度で加熱溶融させることによって、半田が表面張力に
よって球状化させるか、または接続パッド５に低融点半
田によって、高融点半田からなる半田ボールを取り付け
ることもできる。

【００２４】絶縁基板１の半導体素子３を封止するため
の蓋体２は、絶縁基板１の半導体素子搭載部を囲むよう
な箇所にガラス、樹脂等の封止材によって接合される。
蓋体２の材質としては、酸化アルミニウム質焼結体、ム
ライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素
質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結
体等のセラミックス材料や、コバール、４２アロイ合金
などの金属材料が挙げられるが、絶縁基板１と蓋体２の
接合部に生じる熱応力を減らすためには、絶縁基板１と
同じ材質か、同じ熱膨張係数の材質のものが好ましい。

【００２５】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、図２の要部拡大図に示すように、蓋体２を、平面
的にみて絶縁基板１裏面における最外部の接続パッド５
ａ形成位置よりも外側の絶縁基板表面領域に接合する。

【００２６】このように、蓋体２の接合位置を絶縁基板
１裏面における最外部の接続パッド５ａ形成位置よりも
外側とすることにより、最外部の接続端子７ａの蓋体に
よる高さ方向の熱膨張の抑制力が小さくなり、接続端子
７ａに負荷されるせん断ひずみを低減することができ
る。

【００２７】特に、平面的にみた接続パッド５ａと絶縁
基板１表面側の蓋体２との離間距離ｘを０．１ｍｍ以
上、特に０．３ｍｍ以上とすることが重要であって、こ
の離間距離が０．１ｍｍよりも狭いと、接続端子７ａの
熱膨張が蓋体２の接合部による影響を十分に低減でき
ず、熱疲労特性の改善効果が小さい。特に、離間距離が
０．５ｍｍ以上となると、蓋体による最外部の接続端子
への影響はほとんどなくなり、耐熱疲労性に更に改善す
ることができる。

【００２８】なお、本発明の半導体素子収納用パッケー
ジＡを外部回路基板８に実装するには、接続端子７を回
路基板８の配線層９と接触するように載置して、半田か
らなる接続端子７を溶融させて接続端子７と配線層９を
接続することにより、パッケージＡを外部回路基板８に
実装することができる。

【００２９】なお、本発明において、この外部回路基板
８は、パッケージＡにおける絶縁基板１よりも熱膨張係
数が大きいものであって、例えば、酸化アルミニウム質
焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化ア
ルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミ
ック焼結体等の周知の電気絶縁性セラミック材料や、エ
ポキシ樹脂などの有機樹脂や、有機樹脂とガラス繊維な
どの無機質フィラーとの複合材料からなり、配線層９
は、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金
属や、銅、銀、アルミニウム等の低抵抗金属等によって
形成される。

【００３０】

【実施例】図１に示した半導体素子収納用パッケージに
おいて、絶縁基板および蓋体を共に酸化アルミニウム質
セラミックス（室温〜４００℃の熱膨張係数６．５ｐｐ
ｍ／℃）を用い、メタライズ配線層および接続パッドを
タングステンを導体として同時焼成して作製した。

【００３１】そして、パッケージの半導体素子搭載位置
にＡｇペーストによってＳｉ製半導体素子を取付けた
後、メタライズ配線層とワイヤボンディングして接続し
た。また、接続パッドには接続端子７は、Ｓｎ：Ｐｂが
６３：３７（重量比）の半田ボールを取り付けた。外部
回路基板としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ セラミックス（室温〜４
００℃の熱膨張係数７．１ｐｐｍ／℃）にタングステン
からなる配線層を被着形成したものを用いた。

【００３２】サイズはそれぞれパッケージの絶縁基板が
縦１７×横１７×厚さ０．７５（ｍｍ）、半導体素子が
縦９×横９×厚さ０．４（ｍｍ）、外部回路基板が縦６
７×横６７×厚さ１．２５（ｍｍ）である。また、接続
パッド径は０．６ｍｍ、端子間のピッチは１ｍｍであ
る。

【００３３】これらの構成要素から成る半導体素子収納
用パッケージにおいて、厚さ０．６ｍｍの蓋体の縦横の
サイズを変えることにより、最外部の接続パッドと絶縁
基板と蓋体の接合部との離間距離ｘの大きさを変えた数
種の試料を用意し、−４０℃にて３０分間保持後、１０
０℃にて３０分保持を１サイクルとする温度サイクル試
験を行った。そして、最外部の接続端子における１００
サイクル毎のパッケージと外部回路基板の配線層間の電
気的変化を測定し、抵抗が初期抵抗より２５％低下した
時のサイクル数にて熱疲労寿命を評価し、結果は表１に
示した。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１の結果から明らかなように、本発明の
請求範囲外である従来の半導体素子収納用パッケージ構
造、すなわち最も外側の端子と、絶縁基板と蓋体の接合
部との間隔が非常に近い構造（試料Ｎo.１、２）では、
接続端子の高さ方向の熱膨張が抑制され、せん断ひずみ
が大きくなるために早い時期に熱疲労破壊を生じてい
る。

【００３６】これに対して、本発明のように絶縁基板と
蓋体の接合部との間隔を０．１ｍｍ以上とすることによ
り、最外部の接続端子が蓋体の接合部の影響を受けなく
なる結果、最外部の接続端子における剪断応力が低減さ
れ、熱疲労寿命を向上させることができた。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の半導体素子
収納用パッケージによれば、蓋体と絶縁基板との接合位
置を最外部の接続パッドよりも外側に設けることによ
り、半導体素子の作動に伴う発熱による最外部の接続パ
ッドへの剪断応力の発生を抑制することができる結果、
半導体素子収納用パッケージをプリント基板などの外部
電回路基板に対して正確に且つ長期信頼性をもって接続
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様による半導体素子収納用パ
ッケージの外部回路基板への実装構造の概略断面図であ
る。

【図２】図１の半導体素子収納用パッケージの要部拡大
断面図である。

【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの外部回路
基板への実装構造の概略断面図である。

【図４】図３の半導体素子収納用パッケージの要部拡大
断面図である。

【符号の説明】

Ａ 半導体素子収納用パッケージ １ 絶縁基板 ２ 蓋体 ３ 半導体素子 ４ メタライズ配線層 ４ａ ビアホール導体 ５ 接続パッド ６ ワイヤ ７ 接続端子 ８ 外部回路基板 ９ 配線層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック絶縁基板と、該絶縁基板の一方
   の表面に形成された半導体素子搭載部と、半導体素子を
   気密に封止するために前記絶縁基板表面に接合された蓋
   体と、前記絶縁基板の表面および内部に形成されたメタ
   ライズ配線層と、前記絶縁基板の他方の表面に被着形成
   され、前記半導体素子と前記配線層を介して電気的に接
   続された複数の接続パッドと、該接続パッドに取り付け
   られた半田からなる複数の接続端子と具備する半導体収
   納用パッケージにおいて、 前記蓋体を、前記絶縁基板裏面における最外部の接続パ
   ッド形成位置よりも平面的にみて０．１ｍｍ以上離間し
   た外側領域に接合してなることを特徴とする半導体素子
   収納用パッケージ。