JPS62287650A - 炭化珪素を用いたパツケ−ジ構造体 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体基体を第一誘電体基板に固定し、この第
一誘電体基板を、外周部に半導体基体を外部と電気的に
結合するための端子群を配置した第二誘電体基板と機械
的に結合した半導体パッケージ構造体に係シ、特に、第
一誘電体基板が第二誘電体基板と異なる材質で構成され
ており、しかも、第一誘電体基板が炭化珪素の焼結体を
含む一つ以上の材質からなる半導体パッケージ構造体に
関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路は近年ますます高密度化、高集積化に拍
車がかかり、ＬＳＩチップは大型化の傾向が著しいと同
時にその発熱密度も増加の一途をたどっている。このよ
うな状況に対応するため、ＬＳＩチップを外部回路に接
続するための半導体パッケージもその構造及び材質に大
幅力改善が要求されている。近年注目を集めている、い
わゆるピン・グリッド・アレーはこの情勢に対応して開
発されたものである。

一般的なビン・グリッド・アレーの構成全第２図に示す
。ビン・グリッド・アレーの主要部分は大別して三つの
部分から成り立っている。ＩＣ支持部材３はＬＳＩチッ
プを機械的に支え、しかも、ＬＳＩチップで発生する熱
を効率よく逃がす働きをする。配線用部材７はＬＳＩチ
ップへの電力の供給やＬＳＩチップからの信号の取υだ
しを、その内部に形成した導電経路１１により行なう。

密閉用部材９はＬＳＩチップを外界から遮蔽するための
蓋である。これらの三つの部分が一体化したとき、全体
で気密の容器を形成する。この容器は外界からＬＳＩチ
ップ′ｆ：遮断し、その性能を外界の状態に関係なく常
に維持する働きをする。

ビン・グリッド・アレーの構成材料に対する要求は上述
の三つの部分によりそれぞれ異なる。ＩＣ支持部材３で
は熱を効率よく逃がすために高熱伝導率が、シリコンｃ
ｓｉ＞との接着の信頼性確保のためＳｉに近い熱膨張係
数が、また、システムの設計の自由度を確保するために
は電気絶縁性が望まれるっこの部分には従来ベリＩＪア
（Ｂｅｄ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）　、銅−タングス
テン合金（Ｃｕ−Ｗ）などが使用されてきた。配線用部
材７では導電経路１１を高密度に形成する必要があり、
高密度多層配線の可能な材料が要求される。

この部分には従来アルミナ（Ａ１２０３　）　、ぺ１１
１１７（Ｂｅｄ）などが使用されてきた。密閉用部材９
では配線用部材７との熱膨張係数の適合性がその構成材
料に要求される。この部分にはコバール（Ｆｅ　　２９
Ｎｉ−１７ＣＯ）、アルミナなどが使用されてきた。こ
れらの三つの部分が一体化したとき、パッケージ全体と
して信頼性を確保するためにはこれらの三つの部分の熱
膨張係数がお互いに近い値であることが望ましい。ＩＣ
支持部材３では既に述べたようにＳｉと熱膨張係数が近
くないといけないので総ての部分を構成する材料はＳｉ
と熱膨張係数が近い値であることが望ましい。

ここで、上記各材料の特徴、欠点について述べる。特に
高性能ではない半導体装置のＩＣ支持、配線、及び、密
閉用部材によく使われる材料はアルミナである。その最
大の理由は、アルミナが比較的安価であるということだ
ある。しかし、アルミナにはシリコンと熱膨張係数が合
わない（６，５ＸＩＯ−’）、そして熱伝導率が小さい
（１７Ｗ／ｍ　Ｋ　）という欠点がある。これらの欠点
のうち特に熱伝導率について改善し、半導体装ｅを高性
能化する場合にはべｌ　ｌ）アが使用される。べ１】１
）アの熱伝導率は２６０Ｗ／ｍＫもあるため、ＩＣ支持
部材３に使用すると、同一のパッケージサイズで大幅に
発熱量を増すことができる。しかし、べＩＩ　ＩＩアは
高価であり、シリコンと熱膨張係数が合わない（７，５
Ｘ１０４）、さらに有毒であるという大きな欠点を持っ
ている。ＬＳＩとパッケージの外部とを電気的に絶縁す
る必要がない場合には、ＩＣ支持部材３に鋼とタングス
テンの合金（Ｃｕ−Ｗ）が使われる。よく使われるタン
グステン２０重ｉｎの物を例にとると、熱伝導率は２８
０Ｗ／ｍＫでぺ１１１３７とほぼ同じであり充分太きい
。

しかし、熱膨張係数はべＩＪ　１１１やアルミナ並の７
．０Ｘ１０＝であり、／リコンと合わない。

このように、従来の材料には総ての面で要求性能を満足
出来る物はない。特に、熱伝導率が犬きく、高性能の半
導体装置用として使用出来る絶縁材料はＢｅ０Ｌかなく
、これは有毒であるため代替材料が望まれていた。この
ような要求に応える材料として、例えば、浦、安田”Ｌ
ＳＩ実装への応用が始まったＳｉＣセラミック”１日経
エレクトロニクス１９８４．９．２４．ｐｐ、２６５−
２９４に開示されているように、炭化珪素（Ｓ　ｉＣ）
が開発された。ＳｉＣは熱伝導率が２７０Ｗ／ｍＫとＢ
ｅｄ並みであわ、しかも、熱膨張係数がシリコンに近い
３．７Ｘ１０−’であり、さらに毒性がないという大き
な特徴を持っている。しかし、多層配線ができないため
に配線用部材７には使用出来ない。従って、配線用部材
７と何等かの方法で接着しなければならない。ところが
、配線用部材７に通常使われるアルミナ、その他の材料
と熱膨張係数が合わないために特に信頼性の高い接着方
式が必要である。ＳｉＣはアルミナ等、酸化物系のセラ
ミックスに比べて接着力が弱いが、比較的低温（約３５
０℃以下）の温度条件ではチタン−白金−金膜をＳｉＣ
表面に形成し、はんだ付けする方法等、信頼性の高い方
式が既に開発されている。

しかし、５００℃程度の高温に耐える接着方式では接着
温度からの冷却過程でＳｉＣと配線用部材７との熱膨張
係数の差による応力のために信頼性の高い接着部が得ら
れなかった。

一方、ピン・グリッド・アレーの構造は、シリコン・チ
ップ１のワイヤボンディング性についての問題を抱えて
いる。第３図に第２図のシリコン・チップ１を含むビン
・グリッド・アレーの中心部を拡大して示す。寸法ａは
シリコン・ウェハのサイズによって差はあるものの、は
ぼ０．５〜０．６ｍｍである。これに対して、寸法す及
び寸法Ｃけグリーン・シート・プロセス及び配線容量上
の制約から、通常、０．５〜０．７ｍｍである。その結
果、図のようにワイヤボンディングを二列にわたって行
なうには二列目１４２のボンディング段差が大きく実用
に耐えないという問題が生じる。勿論、ワイヤボンディ
ングが一列のみであれば問題はないが、ここではＩＣ支
持部材３にＳｉＣを使用する高性能なビン・グリッド・
アレーを扱うので、当然、ワイヤボンディングは二列で
危ければならない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は５００℃の高温に耐える高信頼性の接着
方法がないという点、及びワイヤボンディングに要求さ
れる段差を満足できないという点で問題があった。

本発明の目的は、従来技術のこれらの欠点全解消した半
導体パッケージ構造体を提供することにある。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 上記目的は、第一に、接着部に比較的柔らかい金属によ
る緩衝層を設け、第二に、接着部をＬ型に成型すること
により達成される。

〔作用〕

本発明は、半導体基体全固定した第一誘電体基板を、シ
リコンに近い熱膨張係数をもつ少なくとも炭化珪素を含
む一つ以上の材料で構成し、炭化珪素と第一誘電体基板
の他の構成材料、或いは、外周部に半導体基体を外部と
電気的に結合するための端子群を配置した第二誘電体基
板との高信頼性の接着構造として比較的柔らか込金属に
よる緩□衝層を設け、しかも、接着部の断面構造をＬ型
に成型することにより、第一誘電体基板の半導体基体全
接着しない面を第二誘電体基板と同一にする点に特徴が
ある。

〔実施例〕

本発明の一実施例を説明する。第１図では、第２図に示
したような一般的なピン・グリッド・アレーに於けるＩ
Ｃ支持部材３を、ＳｉＣ部材３０１で構成した。また、
配線用部材７としては、アルミナを用いた。

本実施例では接着部材６として両面にアルミニウムとシ
リコンの合金をクラッドしたアルミニウムを用い、アル
ミニウムとＳｉＣ及びアルミナとの反応全両用した接着
方法を採用したため、接着のためのメタライズが不要で
、しかも、接着層の間隙ｅ’６確保することができた。

シリコン・チップ１の厚さく寸法ａ）は０．５ｍｍであ
り、配線用部材７０段差はｂが０．６９ｍｍ、ｃがＱ、
６４ｍｍである。まな、ダイポンド層２の厚さｆは約５
０μｍである。従って、ＳｉＣ部材３０１の厚さを０．
４６　ｍ　ｍとした。こうすることにより、ワイヤボン
ディング時の段差は最も小さく、０．３２ｍｍとなる。

同時に、接着層６の厚さｅが０．１５ｍｍ必要であるの
で、配線用部材７の最も薄い部分の板厚ｄはＱ、Ｑ８ｍ
ｍとなる。

この板厚はセラミックスとしては極度に薄いが、狭い部
分であるため、焼成時に起こる変形は充分小さく、シか
も、接着層６の厚さｅが０．１５ｍｍあるのでこの変形
を吸収でき、実用に耐える。

配線用部材７の中心部の穴は一辺１０ｍｍの正方形であ
り、ＳｉＣ部材３０１は一辺１５ｍｍである。その中心
部７ｍｍ角（シリコン・チップ１の寸法より１ｍｍ大き
い）にはシリコン・テップｌの接着のための金のメタラ
イズが施しである。

さらに、階段状に成形された部分には、内部の導電路１
１に接続した金のメタライズによるワイヤボンディング
電極（基板側）１３が導電路１１に対応した数だけ形成
されている。特に、本実施例では、密閉用部材９をアル
ミナで構成した。その結果、キャップ接着部材８には熱
応力がかからない。

本発明によるパッケージを得るには、まず内部にタング
ステンによる導電路１１ｆｔ形成した配線用部材７と、
厚さＱ、４５ｍｍ、−辺１５ｍｍの、中心部−辺７ｍｍ
の領域にモリブデンによる金属化を施こしたＳｉＣ部材
３０１と、それらを接着するための接着部材６として厚
さ０．１７ｍｍの純アルミニウムの両面に１２重量壬の
シリコンに含有したアルミニウム合金を０．０２ｍｍコ
ーティングしたものを用意する。次に、これらを組み合
わせ、適当な圧力（５〜５０ＭＰａ）ｆ、加えながら５
７７℃（アルミニウム合金の融点）を越え、６６０℃（
アルミニウムの融点）未満の一定温度で真空中、または
、非酸化性ガス雰囲気中で３０分保持する。その結果、
配線用部材７と、ＳｉＣ部材３０１が接着される。ここ
で、１２重量傷のシリコンを含有したアルミニウム合金
は溶融シ、蝋剤として作用する。また、厚さ０．２　ｍ
　ｍの純アルミニウムは各部材間の接着間隙のばらつき
を吸収する緩衝材として、及び、一部はアルミニウム合
金、或いは、ＳｉＣ基板、或いは、アルミナ基板から供
給されたシリコンによって融点が下がり、溶融すること
によって織材として働く。次に、金の無電解めっきを施
こし、シリコン・チップｌのグイボンディング部（−辺
７ｍｍ）、及び、ワイヤボンディング電極（基板側）１
３を形成する。

次ニ、シリコン・チップ１の裏面に被着された金膜を加
熱によシ金−シリコン共晶はんだに変化さセ、タイボン
ド部材２としてシリコン・チップ１を接着する。シリコ
ン・チップ１０表面側にはワイヤボンディング電極（基
板側Ｈ３と同じ数のワイヤボンディング電極（チップ側
）１５が形成されておプ、それらの間を金の細線である
ワイヤ１４で接続する。最後に、密閉用部材９を金−錫
の共晶はんだであるキャップ接着部材８で配線用部材７
に接着し、本発明によるパッケージを完成する。

この実施例の変形として、アルミニウムと同様にセラミ
ックスに対して活性な金属である銅及び銅とシリコンの
合金をアルミニウム及びアルミニウム合金の代わりに使
用する方法本ありうる。この場合は、加熱温度範囲が８
２０１：を越え、１０８３℃未満となる。長所は耐熱温
度がアルミニウムによる接着よりも約２５０℃高いこと
である。

銅以外にはニッケルが使える。ニッケルでは銅よりさら
に高温になり、加熱温度範囲が１１５２℃を越え、１４
５３℃未満となる。銅或いはニッケルを接着金属３０３
として用いた構成では、アルミニウムを用いた構成では
不可能な硬蝋付け（作業温度：６００〜９００℃）を後
工程に採用できることが最も顕著な特徴である。

もちろん、ＳｉＣ部材３０１及び配線用部材７に予めメ
タライジングを施こせば、一般的な接着方法である銀蝋
付けを採用してもよいことは自明である。

また、ダイボンド部材２及び密閉用部材９の接着部材８
は本実施例のものである必要はなく、一般的なはんだ材
から適宜選んでよｈｏただし、グイボンド部材２の融点
はキャップ接着部材８の作業温度（通常融点よシ約５０
０高い）よりも高くなければならない。なぜならば密閉
用部材９の接着時にダイボンド部材２が溶けてはいけな
いからである。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、マルチチッ
プ・ピン・グリッド・アレー型パッケージの断面図であ
る。本実施例では空冷フィン５を接着する面が平らであ
るためフィン５を一体化でき、熱放散性が高い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱抵抗が小さく、しかも、接続部分で
の熱膨張係数の差を吸収できる之め、信頼性の高いパッ
ケージ構造体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の拡大断面図、第２図は本発
明が扱うパッケージの一般的構造を示す一部＠面斜視図
、Ｍ３図は第２図の一部拡大断面図、及び第４図は他の
実施例を示すパッケージの断面図である。 １・・・シリコン・チップ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体を第一誘電体基板に固定し、前記第一誘
   電体基板を、外周部に前記半導体基体を外部と電気的に
   結合するための端子群を配置した第二誘電体基板と機械
   的に結合した半導体パッケージ構造体に於いて、 前記第一誘電体基板がシリコンに近い熱膨張係数をもち
   、炭化珪素を含む一つ以上の材料で構成されており、前
   記第一誘電体基板の前記半導体基体を接着しない面を前
   記第二誘電体基板と同一平面にすることを特徴とする炭
   化珪素を用いたパッケージ構造体。 ２、特許請求の範囲第１項に於いて、 前記第一誘電体基板の炭化珪素をセラミックスに対して
   活性な金属であるアルミニウム、銅或いはニッケルを用
   いて接着することを特徴とする炭化珪素を用いたパッケ
   ージ構造体。