JP4384348B2

JP4384348B2 - 半導体素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP4384348B2
Application number: JP2000357991A
Authority: JP
Inventors: 洋二小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2002164455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの機械的衝撃あるいは水分の浸入から半導体素子を保護するための半導体素子収納用パッケージに関するものであり、特に高周波用半導体素子を搭載した携帯電話に代表される移動体通信機器に使用される半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器は軽薄短小化が急激に進展し、これに伴って搭載される半導体素子を気密に封止する半導体素子収納用パッケージも軽薄短小化が進んでいる。
【０００３】
このような半導体素子収納用パッケージは、一般に酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基体と、絶縁基体の上面に搭載部を取り囲むように接合された枠体と、枠体の上面に半田やろう材等により接合される略平板状の蓋体とから構成されている。なお、蓋体の材料としては、半導体素子収納用パッケージの軽薄短小化に併せ、薄型加工が可能な鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属が用いられている。
【０００４】
しかしながら、このような半導体素子収納用パッケージは、熱膨張係数の異なる枠体と金属製蓋体とを、弾性率が高く歪み等の応力を緩和しにくい半田やろう材等の金属により接合しているために、半導体素子が作動する際に発生する熱によって枠体と金属製蓋体との間に大きな応力が発生するとともにこの応力が枠体に作用して枠体にクラックが入ってしまい、その結果、容器の気密封止が破れ、内部に収容する半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができないという問題点を有していた。
【０００５】
他方、枠体と金属製蓋体との接合を、弾性率の低い樹脂接着剤により行なう方法が提案されている。この提案によれば、例えば熱硬化性のエポキシ系樹脂をスクリーン印刷法やディスペンサ法を用いて枠体と金属製蓋体との接合部分に塗布し、枠体と金属製蓋体との接合部分を重ね合わせ加圧・加熱して枠体と金属製蓋体とを接合することにより、半導体素子が作動する際に発生する熱によって熱膨張係数の異なる枠体と金属製蓋体との間に大きな応力が発生したとしても、弾性率の低い樹脂接着剤が応力を緩和して枠体にクラックが入るのを有効に防止できるというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような樹脂接着剤による接合では金属性蓋体と樹脂接着剤との接合が表面の微細な凹凸による投錨効果のみであることから、昨今の半導体装置の小型化に合わせて枠体と金属製蓋体との接合面積が小面積化する封止設計では十分な接合強度を得られず、特に圧延加工法により形成した金属板を蓋体として用いた場合、金属材料の圧延工程において残存した歪み応力が半導体素子の作動する際に発生する熱あるいは２次実装次のリフロー炉の熱等によって開放され、蓋体が大きく反って、その結果、蓋体と樹脂接着剤との接合が破壊され、容器の気密信頼性が低下してしまうという問題点を有していた。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、加熱時の金属製蓋体の変形による接合破壊を有効に防止でき、かつ気密信頼性の高い半導体素子収納用パッケージを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子が搭載される凹部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の上面に凹部を覆うように封止剤を介して接合される略平板状の蓋体とから成る半導体素子収納用パッケージであって、蓋体は、圧延加工法による金属板から成り、凹部の開口に対向する部位に、圧延方向と略平行に、長さが圧延方向における蓋体の長さの３／５以上かつ凹部の開口の長さ以下で、高さが平板部の厚みの0.2〜1.5倍の突起部を形成してあることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、圧延加工法により形成した金属板から成る蓋体の、絶縁基体の凹部の開口に対向する部位に、圧延方向と略平行に、長さが圧延方向における蓋体の長さの３／５以上かつ凹部の開口の長さ以下で、高さが平板部の厚みの0.2〜1.5倍の突起部を形成したことから、半導体素子の作動する際に発生する熱あるいは２次実装次のリフロー炉の熱等によって金属材料の圧延工程において残存した歪み応力が開放されたとしても、蓋体の突起部が蓋体の変形を抑制し、蓋体が大きく反ることはなく、その結果、蓋体と樹脂接着剤との接合が破壊され、パッケージの気密信頼性が低下してしまうことはない。
【００１０】
【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を図面に基づき詳細に説明する。
【００１１】
図１・図２は本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図１は金属性蓋体の突起部の幅方向の断面図そして図２は突起部の長さ方向の断面図である。これらの図において、１は絶縁基体、２は蓋体、２ａは突起部、４は封止剤であり、主にこれらで本発明の半導体素子収納用パッケージが構成される。
【００１２】
絶縁基体１は、その上面の略中央部に半導体素子３を搭載するための凹状の搭載部１ａが設けてあり、この搭載部１ａの底面には半導体素子３がガラス・樹脂・ろう材等から成る接着剤を介して接着固定される。
【００１３】
このような絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状にしてセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１４】
また、絶縁基体１には、搭載部１ａの底面から下面にかけて複数の配線導体層５が被着形成されており、この配線導体層５の搭載部１ａの底面部には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ７を介して電気的に接続され、また、絶縁基体１の下面に導出された部位には外部電気回路（図示せず）が半田等の接続部材を介して電気的に接続される。
【００１５】
配線導体層５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する際の導電路として作用し、例えばタングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して絶縁基体１となるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁基体１の搭載部１ａの近傍から下面にかけて所定パターンに被着形成される。
【００１６】
なお、配線導体層５はその表面にニッケル・金等の良導電性で耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により１〜20μｍの厚みに被着させておくと、配線導体層５の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともに配線導体層５とボンディングワイヤ７との接続および配線導体層５と外部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすことができる。従って、配線導体層５の酸化腐蝕を防止し、配線導体層５とボンディングワイヤ７との接続および配線導体層５と外部電気回路の配線導体との半田付けを強固となすためには、配線導体層５の表面にニッケル・金等をめっき法により１〜20μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１７】
また、絶縁基体１の上面には、蓋体２が封止剤４を介して接合されている。蓋体２は、半導体素子３をパッケージ内部に気密に封止する作用を成すとともに外部からの衝撃により半導体素子３が破壊されることを防止する機能を有し、鉄・アルミニウム・銅・タングステン・鉄−ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属材料を圧延加工することにより形成されている。
【００１８】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいては、図３に平面図で示すように、圧延加工法による金属板から成る蓋体２の、絶縁基体１の凹部の開口に対向する部位に、圧延方向（Ａ−Ｂ）と略平行に、長さＸが圧延方向における蓋体２の長さの３／５以上かつ凹部の開口の長さ以下で、高さが平板部の厚みの0.2〜1.5倍の突起部２ａを形成することが重要である。
【００１９】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、圧延加工法による金属板から成る蓋体２の、絶縁基体１の凹部の開口に対向する部位に、圧延方向（Ａ−Ｂ）と略平行に、長さＸが圧延方向（Ａ−Ｂ）における蓋体の長さの３／５以上かつ凹部の開口の長さ以下で、高さが平板部の厚みの0.2〜1.5倍の突起部２ａを形成したことから、半導体素子３の作動する際に発生する熱あるいは２次実装次のリフロー炉の熱等によって金属材料の圧延工程において残存した歪み応力が開放されたとしても、蓋体２の突起部２ａが蓋体２の変形を抑制し、蓋体２が大きく反ることはなく、その結果、蓋体２と封止剤４との接合が破壊され、容器の気密信頼性が低下してしまうことはない。
【００２０】
なお、突起部２ａの長さＸが圧延方向（Ａ−Ｂ）における蓋体２の長さの３／５未満の場合、蓋体２の圧延方向（Ａ−Ｂ）の変形を抑える強度が不足し、絶縁基体１と蓋体２との間に蓋体２が反ることによる剥離の力が働き、絶縁基体１と蓋体２との接合が破壊されやすくなる傾向がある。また、突起部２ａの長さＸが凹部の開口の長さを超えた場合、突起部２ａが絶縁基体１と蓋体２との接合部に位置してしまい、後述する封止剤４の厚みを適正な厚みにすることが困難となり、封止剤４の透湿量が増加して、半導体素子３が水分により劣化しやすくなる傾向がある。従って、突起部２ａの長さＸを圧延方向（Ａ−Ｂ）における蓋体２の長さの３／５以上かつ凹部の開口の長さ以下の範囲とすることが好ましい。
【００２１】
また、突起部２ａの高さが蓋体２の平板部の厚みの0.2倍未満の場合、蓋体２の圧延方向（Ａ−Ｂ）の変形を抑える強度が不足し、蓋体２が反ることによる剥離の力が絶縁基体１と蓋体２との間に働き、絶縁基体１と蓋体２との接合が破壊されやすくなる傾向があり、さらに、1.5倍を超えると突起部２ａの成形の際に圧延方向（Ａ−Ｂ）に直交する方向の歪みが残る、あるいは反りが発生し易くなり、その結果、２次実装等の加熱工程での接合信頼性を低下させてしまう傾向がある。従って、突起部２ａの高さを蓋体２の平板部の厚みの0.2〜1.5倍の範囲とすることが好ましい。
【００２２】
さらに、突起部２ａの幅Ｙは、圧延方向（Ａ−Ｂ）に直交する方向における蓋体２の幅の１／10〜１／４であることが好ましい。突起部２ａの幅Ｙが圧延方向（Ａ−Ｂ）に直交する方向における蓋体２の幅の１／10未満であると、蓋体２の圧延方向（Ａ−Ｂ）の変形を抑える強度が不足し、蓋体２が反ることによる剥離の力が絶縁基体１と蓋体２との間に働き、絶縁基体１と蓋体２との接合が破壊されやすくなる傾向がある。また、１／４を超えると一般的な薄型半導体装置においては、容器内部の空間が狭いものとなりボンディングワイヤ７が蓋体２と接触してショートしてしまう危険性がある。従って、突起部２ａの幅Ｙは、圧延方向（Ａ−Ｂ）に直交する方向における蓋体２の幅の１／10〜１／４であることが好ましい。
【００２３】
なお、突起部２ａは、図１〜図３に示すような１本の線状の他に複数本の線状あるいは枠状等の他の形状でも良い。突起部２ａを枠状あるいは複数本の線状とする場合には、それらの突起部２ａの幅Ｙの合計を圧延方向（Ａ−Ｂ）に直交する方向における蓋体２の幅の１／10〜１／４とすることが好ましい。
【００２４】
また、突起部２ａの断面形状は、三角形・台形等種々の形状が用いられ、さらに、図４・図５に蓋体２の要部断面図で示すように、突起部２ａの反対側に凹部を有する台形状・円弧状であってもよい。
【００２５】
このような蓋体２は、例えば鉄−ニッケル合金から成る場合であれば、鉄−ニッケル合金のインゴット（塊）を圧延加工法により圧延し板状にしたものを、所定の突起形状に対応して製作したプレス金型により圧縮プレス成形するとともに、従来周知の打抜き加工法により所定の寸法に形成される。または、ケミカルエッチングにより突起部２ａの形成および所定の外寸への成形も可能である。
【００２６】
なお、蓋体２が鉄−ニッケル合金・鉄−コバルト合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の鉄合金から成る場合は、蓋体２の腐蝕防止のために、その表面をニッケルや金・半田等の各種金属めっきにより被覆することが好ましい。
【００２７】
また、封止剤４は、絶縁基体１と蓋体２とを接合する機能を有し、ガラス・樹脂接着剤・ろう材等からなる。
【００２８】
封止剤４は、応力緩和の観点からは、低弾性である樹脂接着剤が好ましく、絶縁基体１あるいは蓋体２の接合部に従来周知のスクリーン印刷法等を採用して印刷・塗布した後、加熱・乾燥するとともに両者の接合部分を重ねあわせて加圧・加熱することにより、絶縁基体１と蓋体２とを強固に接合することができる。
【００２９】
封止剤４は、硬化後の厚みが１〜50μｍの範囲であることが好ましく、１μｍ未満であると応力緩和が有効に働かなくなる傾向があり、また、50μｍを超えると封止剤４の透湿量が増加し、半導体素子３が水分により劣化しやすくなる傾向がある。従って、封止剤４は、硬化後の厚みが１〜50μｍの範囲であることが好ましい。
【００３０】
このような封止剤４としては、耐湿性あるいは接合強度の観点からは緻密な３次元網目構造を有する熱硬化性のエポキシ系樹脂接着剤が特に好ましく、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂やビスフェノールＡ変性エポキシ樹脂・ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂・フェノールノボラック型エポキシ樹脂・クレゾールノボラック型エポキシ樹脂・特殊ノボラック型エポキシ樹脂・フェノール誘導体エポキシ樹脂・ビフェノール骨格型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂にイミダゾール系・アミン系・リン系・ヒドラジン系・イミダゾールアダクト系・アミンアダクト系・カチオン重合系・ジシアンジアミド系等の硬化剤を添加したものが用いられる。
【００３１】
なお、２種類以上のエポキシ樹脂を混合して用いてもよく、さらに軟質微粒子を添加することにより、さらにエポキシ系樹脂接着剤の弾性率を低下させることが可能となる。このような軟質微粒子としては、例えばシリコンゴムやシリコンレジン・ＬＤＰＥ・ＨＤＰＥ・ＰＭＭＡ・架橋ＰＭＭＡ・ポリスチレン・架橋ポリスチレン・エチレン−アクリル共重合・ポリメタクリル酸エチル・ブチルアクリレート・ウレタン等のプラスチック粉末が用いられる。
【００３２】
また、封止剤４に導電性の充填剤を含有させるとともに、図６に断面図で示すように絶縁基体１の上面に、搭載部１ａを取り囲み絶縁基体１に被着形成された配線導体層５と電気的に接続する枠状導体層６を被着形成することにより、蓋体２と配線導体層５とが電気的に接続され、外部への電磁波の放射を防ぐシールド効果や外部からの電磁波の侵入を防止するイミュニティ効果が良好に得られる半導体素子収納用パッケージとすることができる。
【００３３】
枠状導体層６は、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して絶縁基体１となるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁基体１の上面に所定パターンに被着形成される。
【００３４】
また、封止剤４に含有される導電性の充填剤としては、例えばアクリル系樹脂やフェノール系樹脂・ウレタン系樹脂・ベンゾグアナミン樹脂・メラミン系樹脂・ポリジビニルベンゼン・ポリスチレン樹脂等の各種有機系樹脂材料を核にもち、表層にニッケル・金・銀・銅等の導電性材料を被覆した粒子やカーボン粉末あるいはニッケル・金・銀・銅・半田等の金属粉末等が用いられる。
【００３５】
なお、導電性の充填剤としては、平均粒径が0.1〜30μｍの充填剤を0.5〜200重量％含有させることが好ましく、平均粒径が 0.1μｍ未満では封止剤４の導通抵抗高くなり、蓋体２と枠状導体層６との電気的接続が困難となる傾向があり、また、30μｍを超えると加圧しながら加熱硬化する際の加重で導電性粒子が大きく変形して金属被膜が破損し、良好な導電性を得られなくなる傾向がある。したがって、導電性の充填剤の平均粒径は0.1〜30μｍの範囲が好ましい。
【００３６】
さらに、導電性の充填剤の含有量が0.5重量％未満では、封止剤４の導電性が低下する傾向があり、また、200重量％を超えると封止剤４の濡れ性が低下する傾向がある。従って、導電性の充填剤の含有量は0.5〜200重量％の範囲が好ましい。
【００３７】
かくして本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１の搭載部１ａの底面に半導体素子３をガラス・樹脂・ろう材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ７により配線導体層５に接続させ、しかる後、絶縁基体１と蓋体２とを封止剤４を介して接続して絶縁基体１と蓋体２とから成る容器の内部に半導体素子３を気密に収容することによって最終製品としての半導体装置が完成する。
【００３８】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、半導体素子３と配線導体５との電気的接続を半田バンプ等の導電性接続部材で行なっても良い。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、圧延加工法により形成した金属板から成る蓋体の、絶縁基体の凹部の開口に対向する部位に、圧延方向と略平行に、長さが圧延方向における蓋体の長さの３／５以上かつ凹部の開口の長さ以下で、高さが平板部の厚みの0.2〜1.5倍の突起部を形成したことから、半導体素子の作動する際に発生する熱あるいは２次実装次のリフロー加熱等によって金属材料の圧延工程において残存した歪み応力が開放されたとしても、蓋体の突起部が蓋体の変形を抑制し、蓋体が大きく変形することはなく、その結果、蓋体と樹脂接着剤との接合が破壊され、パッケージの気密信頼性が低下してしまうことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す、突起部の幅方向の断面図である。
【図２】本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す、突起部の長さ方向の断面図である。
【図３】図１・図２に示した半導体素子収納用パッケージにおける蓋体の平面図である。
【図４】本発明の半導体素子収納用パッケージにおける蓋体の他の例における要部断面図である。
【図５】本発明の半導体素子収納用パッケージにおける蓋体のさらに他の例における要部断面図である。
【図６】本発明の半導体素子収納用パッケージの他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・絶縁基体
１ａ・・・・・・搭載部
２・・・・・・蓋体
２ａ・・・・・・突起部
３・・・・・・半導体素子
４・・・・・・封止剤
５・・・・・・配線導体層
Ｘ・・・・・・突起部の長さ
Ｙ・・・・・・突起部の幅
Ａ−Ｂ・・・・圧延方向

Claims

上面に半導体素子が搭載される凹部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の上面に前記凹部を覆うように封止剤を介して接合される略平板状の蓋体とから成る半導体素子収納用パッケージであって、前記蓋体は、圧延加工法による金属板から成り、前記凹部の開口に対向する部位に、圧延方向と略平行に、長さが前記圧延方向における前記蓋体の長さの３／５以上かつ前記凹部の開口の長さ以下で、高さが平板部の厚みの０．２〜１．５倍の突起部を形成してあることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
前記突起部の幅を前記圧延方向に直交する方向における前記蓋体の幅の１／１０〜１／４としたことを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
前記封止剤がエポキシ系樹脂接着剤であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージ。
前記エポキシ系樹脂接着剤が導電性の充填材を含有することを特徴とする請求項３記載の半導体素子収納用パッケージ。