JP2006210575A

JP2006210575A - 半導体素子用パッケージ

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Publication number: JP2006210575A
Application number: JP2005019472A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Maeda; 和孝前田; Tomoko Tajiri; 智子田尻
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP4646642B2

Abstract

【課題】樹脂製配線基板に亀裂が生じることのない、応力の緩和された半導体素子用パッケージを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の半導体素子用パッケージは、樹脂製配線基板２と、樹脂製配線基板２上にはんだバンプ５を介してフリップチップ接続される半導体素子１と、この半導体素子１を覆うようにして樹脂製配線基板２表面に取り付けられ且つその一部を前記半導体素子１の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体と、樹脂製配線基板２裏面に設けられ、半導体素子１と電気的に接続された接続端子（はんだボール７）とを具備する半導体素子用パッケージであって、前記高熱伝導性蓋体における前記半導体素子との接着面の略中央部に、接着面積の５０％以上の面積の凹部が設けられ、該凹部に高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂製配線基板表面に半導体素子を載置してなる半導体素子用パッケージに関するものである。

図３は従来構造の半導体素子用パッケージを示している。この半導体素子用パッケージはいわゆるＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）タイプの半導体素子用パッケージであり、配線基板９２と、配線基板９２上にはんだバンプ９４を介してフリップチップ接続される半導体素子９１と、この半導体素子９１を覆うようにして配線基板９２表面に取り付けられ且つその一部を半導体素子９１の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体９３とを具備している。

具体的には、半導体素子９１の底面には複数のはんだバンプ９４が形成されており、このはんだバンプ９４を溶融して配線基板９２の表面に形成されたメタライズ配線層に半導体素子９１をフリップチップ接続することにより、半導体素子は配線基板９２に搭載されている。

高熱伝導性蓋体９３は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導性の高い金属材料からなる平板形状のもので、配線基板９２全体を覆うように配置され、半導体素子９１との間では高熱伝導性の樹脂製接着材により接着されている。この高熱伝導性蓋体９３は半導体素子９１で発生する熱を放熱する放熱板としての機能を有する。

尚、はんだバンプ９４の周囲には、はんだバンプ９４に加わる熱応力の緩和のために、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる充填樹脂（アンダーフィル）９５が設けられている。また、配線基板９２の裏面には、外部回路基板（図示しない）との接続端子となるはんだボール９６が設けられており、配線基板９２の表面及び内部に形成されたメタライズ配線層により半導体素子９１と電気的に接続されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−２４４３９０号公報

ここで、シリコンを主とする半導体素子の熱膨張係数が約３×１０^−６／℃であるのに対し、配線基板の熱膨張係数が８〜２０×１０^−６／℃であり、これらの熱膨張係数の差は大きい。

したがって、例えば温度サイクル試験時に−５５℃から１２５℃の温度変化を与えると、半導体素子と配線基板は反り変形を生じようとする。しかし、リッドに半導体素子が接着固定されているため、半導体素子搭載部は反り変形をすることができず、半導体素子搭載部以外の領域が大きく反ることになる。この際、配線基板９２の半導体素子９１角部付近に非常に高い応力が生じるため、配線基板９２に亀裂が発生し、内部配線を断線してしまうおそれがある。

半導体素子の動作周波数の向上にともない、配線基板を薄型化して配線基板内の配線長さを短くする傾向があるとともに、製品コスト低減のために配線基板をガラス繊維入りエポキシ樹脂等からなる熱膨張係数の高い樹脂製のものにする傾向があり、これにより配線基板の亀裂の問題は顕著になってきている。

したがって、本発明は樹脂製配線基板に亀裂が生じることのない、応力の緩和された半導体素子用パッケージを提供することを目的とする。

本発明者等は、樹脂製配線基板と外部回路基板の熱膨張差によって発生する熱応力を低減する方法について種々検討を重ねた結果、リッド中央部に所定の面積の凹部を設けることで、半導体素子搭載部の反り変形を阻害せず、熱応力を低減することができ、長期にわたり安定した実装が可能となることを見いだし、本発明に至った。

すなわち本発明は、樹脂製配線基板と、該樹脂製配線基板上にはんだバンプを介してフリップチップ接続される半導体素子と、該半導体素子を覆うようにして前記樹脂製配線基板表面に取り付けられ且つその一部を前記半導体素子の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体と、前記樹脂製配線基板裏面に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続された接続端子とを具備する半導体素子用パッケージであって、前記高熱伝導性蓋体における前記半導体素子との接着面の略中央部に、接着面積の５０％以上の面積の凹部が設けられ、該凹部に高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とする半導体素子用パッケージである。これにより、樹脂製配線基板の半導体素子搭載部の反り変形を阻害しないため、半導体素子と樹脂製配線基板の熱膨張差が生じた場合であっても、樹脂製配線基板に生じる熱応力を低減することができる。

ここで、凹部が５０〜３００μｍの深さを有するのが好ましい。これにより、好ましい程度の放熱性を確保することができる。

また、高熱伝導性蓋体が、天面に設けられたリッドと、該リッドの周縁部にスカート状に接合されたスティフナとを含み、前記リッドが前記半導体素子に接する内層と前記半導体素子に接しない外層からなり、前記凹部が前記内層に形成された貫通孔からなるのが好ましい。これにより、削り出し、プレス、鋳造等の方法で凹部を形成するよりも、コスト的に有利であり、作製も容易となる。

さらに、高熱伝導性樹脂がポリフェニレンサルファイドを主成分とするのが好ましい。ポリフェニレンサルファイドは他の樹脂に比して極めて熱伝導性がいいので、本発明における放熱性をさらに向上させることができる。

尚、高熱伝導性蓋体としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のうちの一種からなるものが挙げられる。

以上詳述したように、本発明の半導体素子用パッケージは、高熱伝導性蓋体の半導体素子と接触する部位に、反り変形を阻害しないための所定の大きさの凹部を設けることで、発生する最大応力を低減し、半導体素子と樹脂製配線基板の熱膨張差が生じた場合であっても、長期間にわたり正確かつ強固に、電気的に接続させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す断面図であり、本発明の半導体素子用パッケージは、樹脂製配線基板２と、樹脂製配線基板２上にはんだバンプ５を介してフリップチップ接続される半導体素子１と、この半導体素子１を覆うようにして樹脂製配線基板２表面に取り付けられ且つその一部を前記半導体素子１の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体と、樹脂製配線基板２裏面に設けられ、半導体素子１と電気的に接続された接続端子（はんだボール７）とを具備する半導体素子用パッケージであって、前記高熱伝導性蓋体における前記半導体素子との接着面の略中央部に、接着面積の５０％以上の面積の凹部が設けられ、該凹部に高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とするものである。

樹脂製配線基板２は、ガラス−エポキシ樹脂、ガラス−ポリイミド樹脂複合材料などの有機樹脂を含む材料からなる基板の表面及び裏面に接続パターン（図示しない）が形成され、基板の内部にこれらの接続パターンを電気的に接続するビアホールが配設されたもので、この熱膨張係数は１２〜１８×１０^−６／℃程度のものである。

半導体素子１は、主としてシリコンからなり、熱膨張係数が約３×１０^−６／℃のものである。半導体素子１の底面には複数の接続用電極（図示しない）が設けられており、はんだバンプ５を介して樹脂製配線基板２の表面に設けられた接続パターンに接続されている。すなわち、はんだバンプ５を溶融させて、樹脂製配線基板２の表面に形成された接続パターンにフリップチップ接続することにより、半導体素子１は樹脂製配線基板２に搭載されている。ここで、はんだバンプ５としては、例えば鉛を９０％以上含有する比較的高融点のはんだであるのが好ましく、これにより外部回路基板（図示しない）へ実装する際の加熱による再溶融を防止できる。尚、はんだバンプ５の周りには、熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル６が充填されており、はんだバンプ５に加わる応力をより広い面積で受けることにより、応力を緩和させている。

樹脂製配線基板２の表面には、高熱伝導性蓋体（リッド３、スティフナ４）が取り付けられている。具体的には、半導体素子１を覆うようにちょうど天面に位置して設けられたリッド３と、リッド３の周縁部にスカート状に接合されたスティフナ４とからなる高熱伝導性蓋体が、樹脂製配線基板２の表面に接着され固定されている。このスティフナ４は、リッド３の機械的安定性を高める役割を有している。そして、リッド３は半導体素子１の上面に高熱伝導性接着材によって接着されている。ここで、高熱伝導性蓋体のうち少なくともリッド３は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等からなる熱伝導性の高い材料により形成されている。また、高熱伝導性接着材は、リッド３と半導体素子１とを熱的にかつ機械的に接続させる機能を有するものであり、金属フィラー（例えば銀）入り樹脂ペースト、非金属フィラー（例えばシリコン）入り樹脂ペースト、又はロウ材（例えばはんだ）等の熱伝導性が良く強い接着力を有する材料が好適に採用できる。尚、スティフナ４は、上記の高熱伝導性接着材あるいはエポキシ系接着剤によりリッド３と接着され、またこれと同様の接着材により樹脂製配線基板２に接着されているが、樹脂製配線基板２またはリッド３と予め一体成形されたものであってもよい。

また、樹脂製配線基板２の裏面には、外部回路基板（図示しない）との接続端子となるはんだボール７が設けられており、このはんだボール７と半導体素子１とは、樹脂製配線基板２の表面に形成された接続パターン、樹脂製配線基板２の内部に形成されたビアホール及び樹脂製配線基板２の表面に形成された接続パターンを介して電気的に接続されている。ここで、はんだボール７としては、はんだバンプ６より低融点の材料、具体的には錫−鉛はんだ合金を用いるのが好ましい。

そして、リッド３における半導体素子１との接着面の略中央部には、半導体素子１との接触面積の５０％以上の面積の凹部３１が設けられており、樹脂製配線基板２における半導体素子１搭載部の反り変形を阻害しないような構造となっている。ここで、凹部３１の面積は、安定した固定及び放熱性の点から、半導体素子１との接触面よりも小さい面積である必要があり、またを樹脂製配線基板２における半導体素子１搭載部の反り変形を阻害しないように半導体素子１との接触面積の５０％以上である必要がある。また、この凹部３１は５０〜３００μｍの深さを有するのが好ましい。このような数値範囲の深さに規定することで、反りによる応力緩和と放熱性を両立させるという効果を奏する。すなわち、後述の高熱伝導性樹脂３１１と協働して、好ましい程度の放熱性を確保することができるのである。

さらに、この凹部３１には、高熱伝導性樹脂３１１が充填されている。ここで、高熱伝導性とは、好ましくは熱伝導率２〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものを意味する。このように凹部３１に高熱伝導性樹脂３１１を充填するにより、凹部３１を形成したことによる放熱性が低減するという問題を解消することができる。この高熱伝導性樹脂３１１としては、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂、ポリアルファオレフィンをベースとしたグリースなどの樹脂にアルミニウム、銅等の金属フィラー、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の無機フィラーを混合させたもの等が挙げられるが、特にポリフェニレンサルファイドを主成分とする樹脂あるいはこれに上記フィラーを混合したものが熱伝導性が非常によく好ましく採用できる。

図１に示す凹部３１は、削り出し、プレス、鋳造等の方法により形成することが可能である。しかしながら、このような方法でリッド３に凹部３１を形成することは、多くの加工時間を要してしまう。そこで、図２に示すように、リッド３を多層構造とする方法も好ましく採用できる。

図２に示す半導体素子用パッケージは、リッド３が、半導体素子１に接する内層３２と半導体素子１に接しない外層３３から構成される。このリッド３（内層３２と外層３３）は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等からなる熱伝導性の高い材料により形成されている。ここで、内層３２における半導体素子１との接着面の略中央部には、接着面積の５０％以上の断面積の貫通孔３２１が形成されている。また、外層３３は貫通孔の形成されていない平板状の部材である。このような内層３２と外層３３を組み合わせた構成により、ちょうど半導体素子１との接着面積の５０％以上の面積の凹部が設けられた構造となる。ここで、放熱性を考慮して、内層３２の厚みは５０〜３００μｍであるのが好ましく、これにより深さ５０〜３００μｍの凹部が設けられた構造となる。尚、内層３２と外層３３の材質を異ならせることで、必要な放熱性能と作製コストを調節することも可能である。

このような図２に示す構造とすることで、低コストで図１に示す構造と同様の効果を得ることができる。すなわち、リッド３に凹部３１を形成するよりも貫通孔３２１を形成するほうがコストは低く、作製も容易である。

尚、本発明の半導体素子用パッケージには、さらに放熱性を上げるために、図２に示すような放熱フィン８を取り付けた構造としてもよい。

このように本発明の半導体素子用パッケージでは、高熱伝導性蓋体における半導体素子の上部に、樹脂製配線基板の半導体素子搭載部の反り変形を阻害しないために、所望の面積の凹部を設けたので、半導体素子と樹脂製配線基板の熱膨張差が生じた場合であっても、樹脂製配線基板に生じる熱応力を低減することができる。

実施例として、図１に示す構造の半導体素子用パッケージを用意した。
具体的構造としては、半導体素子１の大きさが１７ｍｍ角で厚さ０．７ｍｍ、配線基板２の大きさが４５ｍｍ角で厚さ０．７ｍｍ、リッド３の大きさが４５ｍｍ角で厚さ０．５ｍｍ、スティフナ４の大きさが外形４０ｍｍ角、開口部３１ｍｍ角、厚さ０．７ｍｍである。そして、リッド３の半導体素子１との接触面中央部に、表１に示すような凹部開口径（正方形状の一辺の長さ）、深さ０．２ｍｍの凹部３１を設けた。そして、この凹部３１に、ポリフェニレンサルファイド樹脂にアルミナフィラーを５０ｖｏｌ％混入させた高熱伝導性樹脂を充填した。

ここで、半導体素子との接着面積に対する凹部の面積が５０％以上のものを試料Ｎｏ．２、３とした。

また、比較例として凹部のないものを試料Ｎｏ．１、半導体素子との接着面積に対する凹部の面積が５０％未満のものを試料Ｎｏ．４〜７とした。

これらの試料を大気の雰囲気にて−５５℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に、２５分/２５分の保持を1サイクルとして最高３５００サイクル繰り返した。そして、１００サイクル毎に外部回路基板の配線導体と樹脂製配線基板との電気抵抗を測定し、電気抵抗に変化が現れるまでのサイクル数を測定した。その結果を表１に示す。

表１より明らかなように、本発明の半導体素子用パッケージ（試料Ｎｏ．２、３）は、３０００サイクルまで抵抗変化は全く認められず、極めて安定で良好な電気的接続状態を維持できた。しかし、本発明範囲外である凹部のない試料Ｎｏ．１、凹部面積の半導体素子との接着面積に対する面積比が５０％未満の試料Ｎｏ．４〜７では、３０００サイクル未満の早い段階から抵抗変化が検出され、実装後の信頼性に欠けることがわかった。

本発明の半導体素子用パッケージの一実施形態の断面構造図である。本発明の半導体素子用パッケージの他の実施形態の断面構造図である。従来の半導体素子用パッケージの断面構造図である。

符号の説明

１：半導体素子
２：樹脂製配線基板
３：リッド
３１：凹部
３１１：高熱伝導性樹脂
３２：内層
３２１：貫通孔
３３外層
４：スティフナ
５：はんだバンプ
６：アンダーフィル（充填樹脂）
７：はんだボール

Claims

樹脂製配線基板と、該樹脂製配線基板上にはんだバンプを介してフリップチップ接続される半導体素子と、該半導体素子を覆うようにして前記樹脂製配線基板表面に取り付けられ且つその一部を前記半導体素子の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体と、前記樹脂製配線基板裏面に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続された接続端子とを具備する半導体素子用パッケージであって、
前記高熱伝導性蓋体における前記半導体素子との接着面の略中央部に、接着面積の５０％以上の面積の凹部が設けられ、該凹部に高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とする半導体素子用パッケージ。
凹部が５０〜３００μｍの深さを有することを特徴とする請求項１記載の半導体素子用パッケージ。
高熱伝導性蓋体が、天面に設けられたリッドと、該リッドの周縁部にスカート状に接合されたスティフナとを含み、前記リッドが前記半導体素子に接する内層と前記半導体素子に接しない外層からなり、前記凹部が前記内層に形成された貫通孔からなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子用パッケージ。
高熱伝導性樹脂がポリフェニレンサルファイドを主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の半導体素子用パッケージ。
高熱伝導性蓋体がＣｕ、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のうちの一種からなる請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子用パッケージ。