JP3493833B2 - 半導体素子搭載用プラスチックパッケージおよびその製造方法 - Google Patents
半導体素子搭載用プラスチックパッケージおよびその製造方法Info
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Description
するプラスチックパッケージに関し、特に、大型半導体
素子の動作時に発生する熱をパッケージ系外に放散する
放熱基板付プラスチックパッケージおよびその製造方法
に関する。
搭載用基板の材質はプラスチックまたはセラミックスで
ある。これらの材料のうち、加工が容易であり比較的安
価であるため、プラスチックが広く使用されている。し
かし、プラスチック材料は熱伝導性がセラミックス材料
に比べ悪いため、発熱量の大きい半導体素子を搭載する
基板としては十分ではなかった。そこで、上記欠点を改
善するため、半導体素子を直接搭載する部分に金属板を
接合した構造からなる半導体素子搭載用プラスチックパ
ッケージが、「VLSIパッケージング技術(下)」、
209頁、発行所日経BP社や特公平7−46710号
公報に開示されており、従来から使用されている。
金の放熱基板を使用した従来の半導体素子搭載用プラス
チックパッケージの断面図である。
本体101はBT(ビスマレイミド−トリアジン)レジ
ンと銅配線から構成されている多層プラスチック基板で
ある。プラスチックパッケージ本体101上にシリコー
ン系接着剤107を介在させて、放熱基板103が設け
られている。放熱基板103は銅または銅合金を主成分
とする金属からなる。放熱基板103上には、シリコー
ン系接着剤107を介在させて、放熱フィン102が設
けられている。放熱フィン102はアルミニウムを主成
分とする金属からなる。放熱基板103の下に、エポキ
シ系接着剤108を介在させて、半導体素子109が設
けられている。半導体素子109はエポキシ系接着剤1
08によって固定されている。半導体素子109はボン
ディングワイヤ105からプラスチックパッケージ本体
101の銅配線を通じて金属製ピン104と電気的に接
続されている。半導体素子109を外気に対して気密封
止するため、金属製リッド106がプラスチックパッケ
ージ本体101に接するように設けられている。
ラスチックパッケージにおいては、半導体素子109の
動作時に発生した熱は、エポキシ系接着剤108を経由
して、放熱基板103、シリコーン系接着剤107を経
由して放熱フィン102へと伝わる。放熱フィン102
へ伝わった熱は、放熱フィン102から大気中へ放散さ
れる。このようにして、半導体素子109から発生した
熱は除去される。
ケージにおいては、高密度配線技術、信頼性、信
号の応答速度、の3点が向上してきた。また、半導体素
子搭載用プラスチックパッケージは半導体素子搭載用セ
ラミックパッケージに比べ加工が容易であり比較的安価
である。そのため、従来のセラミックパッケージと同様
に、高集積、高密度、高速の大型半導体素子をプラスチ
ックパッケージに搭載することが検討されている。
図5で示す従来の半導体素子搭載用プラスチックパッケ
ージではある問題が生じてきた。
7mmより大きい半導体素子を搭載したときには、大型
半導体素子から大量に熱が発生する。ここで、放熱基板
103(たとえば銅)の熱膨張係数が17×10-6/℃
であるのに対し、半導体素子109(たとえばシリコ
ン)の熱膨張係数は4.2×10-6/℃であるので、放
熱基板103と半導体素子109の熱膨張差が大きい。
その結果、半導体素子109と放熱基板103との界面
に熱膨張差による応力がかかり、これらの面の接合の信
頼性が低下する。より具体的には、半導体素子109を
放熱基板103に銀フィラー入りエポキシ接着剤等を介
在させて接合搭載した場合、半導体素子109の動作時
に発生する熱が放熱基板103に繰返し印加される。そ
の結果、半導体素子109と放熱基板103との界面に
繰返し応力がかかる。その応力によって、半導体素子1
09とシリコーン系接着剤108との界面または放熱基
板103とシリコーン系接着剤108との界面に剥離が
生じる。すると、半導体素子109から放熱基板103
へ熱が伝わりにくくなり、パッケージ系外へ熱放散がで
きず、半導体素子109が正常に動作しなくなるという
問題が発生する。
解決するために、上記の銅または銅合金を主成分とする
放熱基板を他の合金に代替した半導体素子搭載用プラス
チックパッケージが特開平5−211248号公報に開
示されている。
体素子搭載用プラスチックパッケージの断面図である。
本体201はBT(ビスマレイミド−トリアジン)レジ
ンと銅配線から構成されている多層プラスチック基板で
ある。プラスチックパッケージ本体201上には、シリ
コーン系接着剤207を介在させて、放熱基板203が
設けられている。放熱基板203は銅−タングステン、
銅−モリブデンおよび銅−タングステン−モリブデンの
いずれかを主成分とする複合金属からなる。放熱基板2
03の下に、エポキシ系接着剤208を介在させて、半
導体素子209が設けられている。半導体素子209は
エポキシ系接着剤208によって固定されている。半導
体素子209はボンディングワイヤ205からプラスチ
ックパッケージ本体201の銅配線を通じて金属製ピン
204と電気的に接続されている。半導体素子209を
外気に対して気密封止するため、金属製リッド206が
プラスチックパッケージ本体201に接するように設け
られている。
ージと図5で示す半導体素子搭載用プラスチックパッケ
ージとの構成の違いは、図6において、放熱基板203
が第1放熱基板203aと第2放熱基板203bとから
構成されている点である。第1放熱基板203aはプラ
スチックパッケージ本体201と接合される。また、第
2放熱基板203bは半導体素子209と接合される。
第1放熱基板203aは銅を95重量%以上含む銅もし
くは銅合金または溶浸法により作られた、銅を40〜7
0重量%含む銅−タングステン合金もしくは銅−モリブ
デン合金を主成分とする。また、第2放熱基板203b
は溶浸法により作られた、銅を5〜25重量%含む銅−
タングステンまたは銅−モリブデン合金を主成分とす
る。
導体素子搭載用プラスチックパッケージにおいては、第
2放熱基板203bの熱膨張係数が7.0×10-6/℃
であるのに対して、半導体素子209(たとえばシリコ
ン)の熱膨張係数は4.2×10-6/℃であるので、第
2放熱基板203bと半導体素子209の熱膨張差が小
さい。そのため、熱膨張差の問題は解決される。
3の製造方法について説明する。図7、図8は放熱基板
203の製造工程を示す斜視図である。
本体との接合箇所に用いる第1放熱基板203aとなる
中空枠体210は銅−モリブデン粉末焼結体であり、銅
溶浸時に40重量%の銅を含有するように焼結された多
孔体である。半導体素子搭載部に、たとえば用いる第2
放熱基板203bとなる平板211はタングステン粉末
焼結体であり、銅溶浸時に、たとえば15重量%の銅を
含有するように焼結された多孔体である。この平板21
1を中空枠体210の中に嵌め込み、両方の多孔体を充
填するに足る重量の銅板を重ね、水素雰囲気中で120
0℃に加熱し、銅を融解して多孔体の孔に溶浸させる。
次に両面を研磨し、外周を所定の形状に加工後ニッケ
ル、金めっきを施す。以上の工程によって、外寸25m
m×25mm×3.0mmで、外周部が銅:モリブデン
=40:60(重量比)の第1放熱基板203aで、内
部が銅:タングステン=15:85(重量比)の第2放
熱基板203bからなる放熱基板203を得ることがで
きる。
工程において、図7、図8で示す接合一体化工程が必要
であり、工程の煩雑化による製造コストの上昇は避けら
れないという問題があった。
発生する熱をパッケージ系外に効率よく放散でき、さら
に、大型半導体素子を搭載時にも大型半導体素子および
プラスチックパッケージ本体と放熱基板との接合の信頼
性を達成し、かつ煩雑な製造工程を必要としない放熱基
板付半導体素子搭載用プラスチックパッケージを提供す
ることを目的とする。
用プラスチックパッケージは、放熱基板と、その放熱基
板に接合層を介在して接合される半導体素子を取囲み、
かつ放熱基板に接合層を介在して接合されたプラスチッ
クパッケージ本体とを備え、放熱基板は、銅を25〜4
0重量%含む銅−タングステン合金、銅を25〜40重
量%含む銅−モリブデン合金および銅を25〜40重量
%含む銅−モリブデン−タングステン合金からなる群よ
り選ばれた少なくとも1種の合金を用い、半導体素子と
プラスチックパッケージ本体とに接合される放熱基板の
表面は、0.2〜1.5μmの範囲内の中心線平均面粗
さ(Ra)を有することを特徴とするものである。
ラスチックパッケージにおいては、半導体素子の動作時
に発生した熱は、接合層を経由して放熱基板へ伝わり、
放熱基板からパッケージ系外に放散される。また、放熱
基板の熱膨張係数は8.7×10-6〜11.1×10-6
/℃であり、半導体素子(たとえばシリコン)の熱膨張
係数は4.2×10-6/℃である。そのため、放熱基板
と半導体素子との熱膨張係数差および放熱基板とプラス
チックパッケージ本体との熱膨張係数差が小さいので、
半導体素子と放熱基板との接合部およびプラスチックパ
ッケージ本体と放熱基板との接合部の双方で、熱膨張差
による応力を緩和することができる。また、放熱基板の
中心平均面粗さ(Ra)をRa=0.2〜1.5μmの
状態に制御することにより、双方の接合部においてアン
カー効果によって接合性の向上を図ることができる。
ラスチックパッケージにおいては、平面積が7mm×7
mmより大きい半導体素子を搭載できる。
部分の周囲の表面に溝が形成されていてもよい。
部分の表面は、プラスチックパッケージ本体が接合され
る放熱基板の部分の表面から突出していてもよい。
プラスチックパッケージにおいては、放熱基板とプラス
チックパッケージ本体とを接合材により接着するとき、
接合材が半導体素子搭載部に流れ出して付着するのを防
ぐことができる。
ックパッケージの製造方法においては、放熱基板として
銅を25〜40重量%含む銅−タングステン合金、銅を
25〜40重量%含む銅−モリブデン合金および銅を2
5〜40重量%含む銅−モリブデン−タングステン合金
からなる群より選ばれた少なくとも1種の合金を用い
て、半導体素子とプラスチックパッケージ本体とに接合
される放熱基板の表面を中心平均面粗さ(Ra)で0.
2〜1.5μmの状態にした後、接合材を介在させて放
熱基板をプラスチックパッケージ本体に接合することを
特徴とするものである。
(Ra)で0.2〜1.5μmの状態にする工程は、研
削またはブラストのいずれで行なわれてもよい。
パッケージの製造方法においては、放熱基板と半導体素
子との熱膨張差および放熱基板とプラスチックパッケー
ジ本体との熱膨張差を小さくできる。その結果、放熱基
板と半導体素子との接合部およびプラスチックパッケー
ジと放熱基板との接合部の双方で熱膨張差による応力を
緩和する半導体素子搭載用プラスチックパッケージを製
造することができる。また、研削加工法またはブラスト
加工法により中心線平均面粗さ(Ra)でRa=0.2
〜1.5μmの状態に制御することにより、半導体素子
と放熱基板との接合部およびプラスチックパッケージ本
体と放熱基板との接合部の双方の接合部において、アン
カー効果によってより強固に接合された半導体素子搭載
用プラスチックパッケージを製造することができる。ま
た、接合一体化工程という複雑な工程を必要とせず、半
導体素子搭載用プラスチックパッケージを製造すること
ができる。
を図面に基づいて説明する。
ので、平板タイプの放熱基板が接合された半導体素子搭
載用プラスチックパッケージを示す断面図である。図1
を参照して、プラスチックパッケージ本体1は半導体素
子9を取囲むような形状を有する。また、プラスチック
パッケージ本体1は絶縁体としてガラス・布にエポキシ
等のレジンを含浸させたプラスチックと導体としての銅
配線からなる多層プラスチック基板である。半導体素子
9を囲む部分は大型半導体素子を搭載するために、その
平面積が7mm×7mmより大きくなるように、その内
寸が形成されている。プラスチックパッケージ本体1上
に、接合層7を介在させて放熱基板3が設けられてい
る。接合層7の材料は樹脂でも半田でもよい。放熱基板
3は銅を25〜40重量%含む銅−タングステン合金、
銅を25〜40重量%含む銅−モリブデン合金および銅
を25〜40重量%含む銅−モリブデン−タングステン
合金のいずれかからなる。また、半導体素子9およびプ
ラスチックパッケージ本体1と接合する放熱基板3の面
の中心線平均面粗さ(Ra)はRa=0.2〜1.5μ
mである。半導体素子9は放熱基板3の下に接合層8を
介在させて配置されている。半導体素子9は接合層8に
よって固定されている。金属製ピン4はボンディングワ
イヤ5からプラスチックパッケージ本体1の銅配線を通
じて半導体素子9と電気的に接続されており、半導体素
子9への信号の入出力は金属製ピン4を通じて行なわれ
る。半導体素子9を外気に対して気密封止するため、プ
ラスチックパッケージ本体1と接するように、金属製リ
ッド6が設けられている。
ラスチックパッケージにおいては、半導体素子9と放熱
基板3との熱膨張係数差およびプラスチックパッケージ
本体1と放熱基板3との熱膨張係数差が小さい。よっ
て、熱膨張差による応力を緩和することができ、剥離を
防ぐことができる。
合界面の拡大断面を模式的に示す図である。図2を参照
して、放熱基板3の中心線平均面粗さ(Ra)はRa=
0.2〜1.5μmの状態に制御されている。よって、
放熱基板3と半導体素子9との接合部において、アンカ
ー効果による接合性の向上が期待できる。また、放熱基
板3とプラスチックパッケージ本体1との接合界面にお
いても同様の効果が期待できる。放熱基板表面の中心線
平均面粗さがRa>1.5μmになると、半導体素子搭
載時等の熱処理により金めっき部分から発泡するなど品
質、信頼性上の問題がある。また、Ra<0.2μmに
なると、この銅組成では、十分なアンカー効果が得られ
ず、接合性に問題が生じる。さらに、放熱基板3の表面
の中心線平均面粗さを0.2〜1.5μmとしても、銅
組成が25重量%未満あるいは40重量%を超えた銅−
タングステン合金、銅−モリブデン合金および銅−モリ
ブデン−タングステン合金では、半導体素子9と放熱基
板3との接合部またはプラスチックパッケージ本体1と
放熱基板3との接合部のどちらかで熱サイクルによる素
子剥離または接合不良という問題が発生する。
に限定されるものではない。図3に示すように溝13a
が、接合される半導体素子19の周りで放熱基板13に
形成されてもよい。また、図4に示すように、半導体素
子29が接合される放熱基板の部分23aがプラスチッ
クパッケージ本体21が接合される部分23bよりも突
出していてもよい。
質についても限定されるものではなく、公知の絶縁体で
あるガラス・布−エポキシレジン、ガラス・布−ポリイ
ミドレジン、ガラス・布−フッ素レジン、紙フェノール
レジン、ガラストリアジンレジンなどからなる絶縁体に
銅配線が施されたもの(銅張り積層多層板)でもよい。
また、この銅張り積層板に感光レジン(絶縁層)の塗
布、露光、現像、ビア用穴あけを施し、続けて銅めっ
き、配線パターン形成、層間接続を繰返して行なうビル
ドアップ基板でもよい。
いても、上記の多層PGAタイプ(Pin Grid
Array Type)に限定されるものではなく、公
知の表面実装可能なBGAタイプ(Ball Grid
Array Type)、TCPタイプ(Tape
Carrier Package Type)等でもよ
いし、複数の半導体素子を1つのパッケージに搭載する
MCM(MultiChip Module)に適用し
てもよい。
態の半導体素子搭載用プラスチックパッケージの製造方
法について説明する。
〜40重量%含む銅−タングステン合金、銅−モリブデ
ン合金および銅を25〜40重量%含む銅−モリブデン
−タングステン合金を製造する。ここで、溶浸法とは、
特公平2−31863号公報に示されるタングステンま
たはモリブデンの多孔質焼結体中に銅を溶浸させる方法
をいう。次に、この合金を機械加工により所定の寸法に
加工する。その後、合金の表面を研削加工またはブラス
ト加工により中心線平均面粗さで0.2〜1.5μmの
状態にし、その表面に所定のめっき処理を施し、放熱基
板3が完成する。さらに、公知の製造方法で形成された
多層プラスチック基板のプラスチックパッケージ本体1
に樹脂または半田を用いて放熱基板3を接合する。この
ようにして、図1に示す半導体素子搭載用プラスチック
パッケージが完成する。このような製造工程において
は、図7、図8で示す接合一体化工程などの煩雑な製造
工程を省略でき、その結果、製造コストの低減が可能と
なる。
た半導体素子搭載用プラスチックパッケージを作製する
ために、50mm×50mm×2mm厚の寸法で、5層
構造であり、かつダイアタッチ部(半導体素子搭載部)
が15mm×15mmの平面積の開口部を有するプラス
チックパッケージ本体1(多層プラスチック基板)をサ
ブトラクティブ法にて製造した。
て、溶浸法により密度が実質的に100%となるように
各種銅組成にて銅−タングステン合金、銅−モリブデン
合金および銅を25〜40重量%含む銅−モリブデン−
タングステン合金を製造した。この合金を25mm×2
5mm×1mm厚の基板形状に加工した。表1に各種銅
組成にて銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金お
よび銅−モリブデン−タングステン合金の材料特性を示
す。
基板の表面を研削加工またはブラスト加工により中心線
平均面粗さ(Ra)で0.2〜1.5μmの状態に加工
した。ここで、中心線平均面粗さRaは、接触式表面粗
さ計にて放熱基板の対角線上をトレースすることにより
計測した。
スチックパッケージ本体1の底部に接合した。最後に、
最終仕上げめっきとして半導体素子搭載用プラスチック
パッケージの金属部分の表面にニッケルめっき、および
金めっきを施し、プラスチックパッケージを得た。
ッケージの複数個のサンプルについて、めっき耐熱試
験、を実施した後、プラスチックパッケージ本体に各種
サイズの正方形の面を有するシリコン半導体素子(厚み
0.4mm)を銀フィラー入りエポキシ接着剤を介して
搭載し、各パッケージの気密性、接合性、を観察し
た。さらに、信頼性評価試験として温度サイクル(−6
5℃〜+150℃、1000サイクル)を実施し、再度
気密性、接合性を確認した。
300℃×1min.加熱し、光学顕微鏡観察により放
熱基板のめっき発泡の有無で判定し、無の場合を良好と
した。気密性については、Heガスによるスニーファ
ー方式でリーク速度を調べ、1×10-8atm・cc/
sec以下を良好と判断した。接合性は接合部をSE
M(Scanning Electron Microscope)、光学顕微鏡で観
察し、剥離の有無で判定した。また、比較のため、従来
の銅放熱基板付プラスチックパッケージについても同様
に調べた。サンプル1〜36の結果について、表2に示
す。また、サンプル37〜59の結果について表3に示
す。
ックパッケージ本体と放熱基板との接続部、「素子部」
とは半導体素子と放熱基板との接続部を示す。また、表
2、表3中で「試験前」と「試験後」は信頼性評価試験
の前と後の結果を示す。なお、表2、表3中「○」は良
好であることを示し、「×」は不良であることを示す。
さらに、表2、表3中で、「シリコン半導体素子の長さ
または幅」とは、シリコン半導体素子の正方形の面の一
辺の長さを示す。
搭載用プラスチックパッケージの断面図である。
ラスチックパッケージの断面図である。
載用プラスチックパッケージの断面図である。
ジの断面図である。
クパッケージの断面図である。
クパッケージの放熱基板の製造方法の第1工程を示す斜
視図である。
クパッケージの放熱基板の製造方法の第2工程を示す斜
視図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 放熱基板と、その放熱基板に接合層を介
在して接合される半導体素子を取囲み、かつ前記放熱基
板に接合層を介在して接合されたプラスチックパッケー
ジ本体とを備えた半導体素子搭載用プラスチックパッケ
ージにおいて、 前記放熱基板は、銅を25〜40重量%含む銅−タング
ステン合金、銅を25〜40重量%含む銅−モリブデン
合金および銅を25〜40重量%含む銅−モリブデン−
タングステン合金からなる群より選ばれた少なくとも1
種の合金を用い、 前記半導体素子と前記プラスチックパッケージ本体とに
接合される前記放熱基板の表面は、0.2〜1.5μm
の範囲内の中心線平均面粗さ(Ra)を有することを特
徴とする、半導体素子搭載用プラスチックパッケージ。 - 【請求項2】 前記半導体素子の平面積は、7mm×7
mmより大きいことを特徴とする、請求項1に記載の半
導体素子搭載用プラスチックパッケージ。 - 【請求項3】 前記半導体素子が接合される前記放熱基
板の部分の周囲の表面に溝が形成されていることを特徴
とする、請求項1または2に記載の半導体素子搭載用プ
ラスチックパッケージ。 - 【請求項4】 前記半導体素子が接合される前記放熱基
板の部分の表面は、前記プラスチックパッケージ本体が
接合される前記放熱基板の部分の表面から突出している
ことを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体素
子搭載用プラスチックパッケージ。 - 【請求項5】 放熱基板に接合される半導体素子の周囲
をプラスチックパッケージ本体で取囲む半導体素子搭載
用プラスチックパッケージの製造方法において、 前記放熱基板として銅を25〜40重量%含む銅−タン
グステン合金、銅を25〜40重量%含む銅−モリブデ
ン合金および銅を25〜40重量%含む銅−モリブデン
−タングステン合金からなる群より選ばれた少なくとも
1種の合金を用いて、前記半導体素子と前記プラスチッ
クパッケージ本体とに接合される前記放熱基板の表面を
中心線平均面粗さ(Ra)で0.2〜1.5μmの状態
にした後、接合材を介在させて前記放熱基板を前記プラ
スチックパッケージ本体に接合することを特徴とする、
半導体素子搭載用プラスチックパッケージの製造方法。 - 【請求項6】 前記放熱基板の表面を前記中心線平均面
粗さ(Ra)で0.2〜1.5μmの状態にする工程
は、研削またはブラストのいずれかで行なわれる、請求
項5に記載の半導体素子搭載用プラスチックパッケージ
の製造方法。
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