JP2012039022A - 半導体パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のパッケージを一括で封止でき、タイクトタイムおよび製造コストを低減できる半導体パッケージおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体パッケージの製造方法は、ベース基板10のキャビティ10A、10B、・・・内に電子部品2を搭載し、リッド20を溶接して封止を行い、個々のパッケージに個片化する工程を備える半導体パッケージの製造方法であって、リッド20は、上面にベース基板10の各キャビティの周壁部10Aa〜10Ad、・・・の位置に対応する矩形の枠状で同一高さの凸状部20Aa〜20Ad、・・・が複数設けられ、前記溶接工程は、一対の電極3A、3Bのそれぞれを、対向する二辺をなす凸状部の上端部に接触させながら通電して溶接を行う。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体パッケージおよびその製造方法に関し、さらに詳細には、ベース基板のキャビティ内に電子部品が搭載され、リッドが溶接されて当該キャビティが封止された半導体パッケージおよびその製造方法に関する。
従来から、半導体素子、水晶振動子等のチップが気密封止されたパッケージを製造する際に、パラレルシーム溶接(以下、「シーム溶接」という)による接合法が広く用いられている。
図10は、従来からあるシールリング付きパッケージの断面図である。セラミック基板101に金属製シールリング102をろう接してなるパッケージ103の内部に半導体素子等のチップ104が収納され、当該チップ104はワイヤ105によってパッケージの外部電極106Aと導通する内部電極106Bに電気的に接続されている。このパッケージ103の開口部にはコバール等からなるリッド107が位置決めされて載置され、シーム溶接により接合されている。
ここで、シーム溶接を行う装置の例として図11に示す装置が知られている(特許文献1参照)。この装置は、同図11に示すように、一対のテーパ付きのローラ電極108a、108bを備えて構成される。溶接方法の概略についてパッケージ103を例にとり説明する。先ず、リッド107の長辺側の2辺の一端縁部にローラ電極108a、108bを一定の加圧条件の下で接触させ、この状態でローラ電極108a、108b(もしくはパッケージ103)を長辺と平行方向に移動させると同時にローラ電極108a、108bに通電を行い、この時発生するジュール熱により長辺を溶融しパッケージ103にシーム接合する。次いで、ローラ電極108a、108bを一旦上昇移動させて電極間隔を調整すると共にパッケージ103(もしくはローラ電極108a、108b)を水平面内にて90[°]回転させる。その後、再びローラ電極108a、108bを下降させて他の対向する二辺、すなわち短辺を同様にシーム接合し、チップ104の封止を完成させるというものである。
なお、上記のシールリング付きパッケージのほかに、近年ではシールリングのないパッケージを用いた封止構造が普及してきており、このシーム溶接方法は一般にシールリングレスシーム法あるいはダイレクトシーム法と称されている。
ダイレクトシーム法に用いるパッケージの開口部周縁には、シールリングを設けずにメタライズ層のみが形成され、このメタライズ層にもNi下地のAuめっきが施されている。このメタライズ層は、セラミック製のパッケージ上に電極や配線パターンを形成する工程でこれらと同時に形成可能なものであって、シールリング付きパッケージにおいてもシールリングをパッケージにろう接するために形成されていたものである。
しかしながら、前述した溶接方法を単体の半導体パッケージ毎に実施することは、非常に効率が悪く、タクトタイムを増加させる一因となっていた。特に、真空環境下においてシーム溶接による封止を行わなければならない製品の場合には、タクトタイムの増加が著しく、生産効率の改善が課題となっていた。
ここで、上記の課題を解決する技術の例として、図12、13に示す半導体パッケージの製造方法が提案されている(特許文献2参照)。この製造方法は、複数のパッケージが形成されたセラミックシート201を個々のパッケージに分割することなくセラミックシート201の複数の凹所202に所定の収納物を収納し、前記セラミックシート201の複数の凹所202にリッド203を載置し、リッド203の主面の平坦部203Aに一対のローラ電極204を接触させ、一対のローラ電極204を前記主面に転接させながら通電し、リッド203を前記複数の凹所202の周縁に接合したのちに個々のパッケージに分割する構成を備え、これにより、パッケージ封止の効率化を実現し、生産性を高めることができるというものである。
特開2003−046011号公報 特開2006−179740号公報
一般的なシーム溶接の場合、一対のローラ電極に通電を行って、この時発生するジュール熱によりリッドを溶融しパッケージに接合する際に、ローラ電極が摩耗するという課題がある。従来は、特許文献1に記載された技術のように、ローラ電極をテーパ形状に形成し、リッドの端部に接触させる方法によって、点接触(転接することで線接触となる)を可能とし、所定の電気抵抗値を保って必要なジュール熱の発生を確保すると共に、ローラ電極における接触位置を適宜移動させながら溶接することによって、当該ローラ電極において摩耗する箇所を分散させていた。
一方、特許文献2に記載された技術のように、複数のパッケージを一括封止する製造方法の場合には、図12、13に示すようにローラ電極における接触部となる先端部を尖った形状に形成することによって、点接触(転接することで線接触となる)を可能とし、所定の電気抵抗値を保って必要なジュール熱の発生を確保している。しかしながら、この場合、ローラ電極の接触位置は一点(先端部)で固定されることとなり、且つ尖った先端形状であるため、摩耗が著しく、点接触状態から面接触状態への移行が早いため、頻繁にローラ電極を交換しなければならないという課題が生ずる。すなわち、結果として、タクトタイムの増加、交換部品数の増加による製造コストの上昇を招いてしまうこととなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のパッケージを一括で封止することができ、また、電極の交換サイクルを長くすることができることによって、タクトタイムが低減でき、製造コストを低減することが可能な半導体パッケージおよびその製造方法を提供することを目的とする。
一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。
開示の半導体パッケージの製造方法は、上面に開口部を有するキャビティが設けられたベース基板を準備する工程と、前記キャビティ内に電子部品を搭載する工程と、前記ベース基板の上面にリッドの溶接を行って、前記キャビティを封止する工程と、を備える半導体パッケージの製造方法であって、前記リッドは、上面に前記ベース基板のキャビティの周壁部の位置に対応する矩形の枠状であって且つ同一高さの凸状部が複数設けられており、前記溶接を行う工程は、一対の電極を用いて、該一対の電極のそれぞれを対向する二辺をなす凸状部の上端部に接触させながら、該一対の電極間に電流を流して溶接を行うことを要件とする。
開示の半導体パッケージの製造方法によれば、複数のパッケージを一括で封止することができる。これにより、パッケージ毎に封止を行う場合と比較して、タクトタイムが低減でき、製造コストを低減することが可能となる。また、複数のパッケージを一括で封止する際に、接触面が円筒形状のローラ電極を用いてシーム溶接を行うことができる。これにより、先端が尖ったローラ電極を用いてシーム溶接を行う場合と比較して、電極の交換サイクルを長くすることができ、製造コストを低減することが可能となる。
本発明の実施形態に係る半導体パッケージの例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージの構造を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージのベース基板の例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージのリッドの例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージのリッドの凸状部の他の例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージのリッドの凸状部の他の例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージのベース基板の周壁部の他の例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージのリッドの凸状部の他の例を示す概略図である。 従来の実施形態に係る半導体パッケージの例を示す概略図である。 従来の実施形態に係る半導体パッケージの製造装置を説明するための説明図である。 従来の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を説明するための説明図である。 従来の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を説明するための説明図である。
本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1について説明する。
図1は、半導体パッケージ1の例を示す概略図(断面図)である。なお、各図中において、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
半導体パッケージ1は、図2の説明図に示すように、上面に開口部を有して周壁部で仕切られたキャビティが設けられたベース基板10を準備して、ベース基板10に設けられた各キャビティ10A、10B、・・・内に電子部品(一例として、半導体チップ)2をそれぞれ搭載して、ベース基板10の上面10yにリッド20が電極(一例として、ローラ電極)3A、3Bを用いて溶接法(一例として、シーム溶接法)により溶接されて、各キャビティ10A、10B、・・・が封止されて形成される。
なお、電子部品2として半導体チップを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子、受動部品等であってもよい。
配線構造の具体例として、図1に示すように、キャビティ10Aの底面10Aeに内部端子31が設けられ、ベース基板10の下面10xに外部端子32が設けられ、内部端子31と外部端子32とがベース基板10を貫通する配線33によって接続されている。
一例として、配線33を設けるための貫通孔は、セラミック材料からなるベース基板を焼成する前に形成する方法が知られており、内部端子31および外部端子32は、スクリーン印刷法により形成する方法が知られている。
なお、本実施形態における半導体パッケージ1は、後述の製造方法を用いて、複数のパッケージを個片化することにより製造することを想定しているが、単体のパッケージとして製造してもよい。当該半導体パッケージ1の構造上の特徴およびその作用効果については、以下の製造方法の説明において合わせて詳述する。
続いて、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1の製造方法について説明する。
先ず、半導体チップ2を搭載するためのベース基板10を準備する工程を実施する(図5(a)参照)。ベース基板10は、同図5(a)ならびに図2および図3(部分拡大図)に示すように、上面10yに開口部が配設されて四方が周壁部で仕切られた水平断面が矩形状のキャビティ10A、10B、・・・がマトリクス状に複数設けられている。
なお、図5〜図9については、説明の便宜上、個片化される前の複数の半導体パッケージ1Aとして、同図の断面方向に隣接する半導体パッケージが二つの場合を図示している。
当該ベース基板10は、一例として、セラミックを用いて形成され、ベース基板10における各キャビティの周壁部10Aa〜10Ad、10Ba〜10Bd、・・・の上面にメタライズ層(以下、「第三のメタライズ層」という)M3が設けられている。なお、第三のメタライズ層M3は、例えば、ニッケル(Ni)層と金(Au)層との二層構造からなり、電解めっき法等を用いて形成される。
これによれば、例えば、セラミックからなるベース基板とセラミックからなるリッドとを直接接合する場合と比較して、プラズマ処理等による封止前処理が不要となるため、製品へのダメージをなくすことができる。
なお、ベース基板10の形成材料はセラミックに限定されるものではなく、コバール(鉄(Fe)にニッケル(Ni)、コバルト(Co)を配合した合金)等を用いてもよい。
なお、本実施形態におけるベース基板10は、隣接する一のキャビティの周壁部と他のキャビティの周壁部との間に、有底のスリット部15が設けられている。
これによれば、後述のパッケージを個片化する工程において、切断作業を容易化できると共に、製品へのダメージを軽減することができる。
次いで、各キャビティ内に半導体チップを搭載する工程を実施する(図5(b)参照)。一例として、各キャビティ10A、10B、・・・の底面10Ae、10Be、・・・に半導体チップ2、2、・・・を載置して内部端子31、31、・・・との間でワイヤボンディング接続を行う。
次いで、ベース基板10の上面10y(すなわちキャビティの周壁部の上面でもある)にリッド20をシーム溶接により溶接を行って、各キャビティ10A、10B、・・・を封止する工程を実施する(図5(c)参照)。
ここで、本実施形態におけるリッド20は、同図5(c)ならびに図2および図4(部分拡大図)に示すように、上面20yに前記ベース基板10の周壁部10Aa〜10Ad、10Ba〜10Bd、・・・の位置に対応する矩形の枠状であって且つ同一高さの凸状部20Aa〜20Ad、20Ba〜20Bd、・・・が設けられている。
本実施形態におけるシーム溶接による溶接方法は、一対の電極(一例として、接触面となる外周面3Aa、3Baがそれぞれ軸方向において同径である円筒状に形成された一対のローラ電極3A、3B)を用いて、該一対の電極(ローラ電極)3A、3Bをそれぞれ対向する二辺をなす凸状部の上端部に接触させながら、該一対の電極間に電流を流して溶接を行うことを特徴とする(溶接方法の詳細については後述する)。
なお、該一対の電極は、リッド20に形成された凸状部20Aa〜20Ad、20Ba〜20Bd、・・・に対して一定の面積を有する範囲で任意の形状を有していてもよい。
一例として、リッド20の凸状部20Aa〜20Ad、20Ba〜20Bd、・・・は、当該リッド20の上面20yと直交方向の断面における外周形状が、上方に向かって先細り状に突起する三角形状(図5(c)参照)もしくは円弧形状(図6参照)であることが好適である。それらの形状には、略三角形、略円弧状等の複合形状も当然に含まれる。
これによれば、接触面となる外周面3Aa、3Baが軸方向において同径である円筒状に形成された一対のローラ電極3A、3Bに対して、点接触(転接することで線接触となる)が可能となる。したがって、当該接触箇所における電気抵抗値を所要の高い値に設定でき、必要なジュール熱の発生を確保することが可能となる。
なお、リッド20の凸状部の変形例として、図7に示すような形状のものも考えられる(図7中の符号20A1、20A2、20AB1、20AB2、20AB3、20C1、20C2)。
本実施形態におけるリッド20は、セラミックを用いて形成され、リッド20の上面20yにメタライズ層(以下、「第一のメタライズ層」という)M1が設けられ、該リッド20の下面20xにメタライズ層(以下、「第二のメタライズ層」という)M2が設けられている。したがって、本実施形態の場合、上記のローラ電極3A、3Bが転接する部位は、凸状部の上端部に形成されている第一のメタライズ層M1ということになる。すなわち、第一のメタライズ層M1を通じて、ローラ電極3A、3B間に通電が行われる。
なお、リッド20の形成材料はセラミックに限定されるものではなく、コバール等を用いてもよい。
さらに、本実施形態では、リッド20の上面20yにおける第一のメタライズ層M1の下層に、絶縁層22が設けられている。これによって、後述するように第一のメタライズ層M1を不連続に形成することによる作用効果が確実に奏されることとなる。一例として、絶縁層22は、二酸化ケイ素(SiO)等を用いて形成される。
ここで、本実施形態におけるシーム溶接による溶接方法の例について詳しく説明する。例えば図2に示すように、先ず、リッド20の凸状部の対向する二辺20Aa、20Acの上端部にローラ電極3A、3Bを一定の加圧条件の下で接触させ、この状態でローラ電極3A、3Bを転接させながら当該二辺20Aa、20Acと平行方向に移動させる(もしくは、仮固定されたリッド20およびベース基板10を移動させてもよい)と同時にローラ電極3A、3B間に通電を行い、この時発生するジュール熱によって、二辺20Aa、20Acに対応する位置のリッド20の下面20xの第二のメタライズ層を溶融して、ベース基板10のキャビティの周壁部10Aa、10Acの上面の第三のメタライズ層に対してシーム接合を行う。同様にして、隣接する凸状部の対向する二辺20Ea、20Ec、次いで、隣接する凸状部の対向する二辺20Ia、20Icというように、順次、シーム接合を行う。このようにして、例えば一方向の凸状部の接合を連続して行う。
次いで、ローラ電極3A、3Bを一旦上昇移動させて電極間隔を調整すると共に個片化される前の複数の半導体パッケージ1Aを水平面内にて90[°]回転させる(もしくはローラ電極3A、3Bを回転させてもよい)。その後、再びローラ電極3A、3Bを下降させて、凸状部の対向する二辺20Ab、20Ad、次いで、隣接する凸状部の対向する二辺20Bb、20Bd、次いで、隣接する凸状部の対向する二辺20Cb、20Cd、次いで、隣接する凸状部の対向する二辺20Db、20Dd、という順で、同様にシーム接合を行う。このようにして、例えば前記一方向と直交する他方向の凸状部の接合を連続して行う。
上記のように、本実施形態においては、接触面となる外周面3Aa、3Baがそれぞれ軸方向において同径である円筒状に形成された一対のローラ電極3A、3Bを用いることができるため、複数のパッケージの一括封止を行う際に、ローラ電極3A、3Bにおけるリッド20(ここでは各凸状部)との接触位置を所定のタイミングで少しずつ軸方向に移動させながら使用することができる。その結果、ローラ電極3A、3Bの摩耗する箇所を分散できることにより、ローラ電極3A、3Bの局所的な摩耗を防止でき、従来の先端部が尖ったローラ電極(図12、13参照)と比較して、ローラ電極3A、3Bの交換サイクルを長くすることができる。
ここで、リッド20の第一のメタライズ層M1は、隣接する一のキャビティの周壁部に対応する位置の凸状部と、他のキャビティの周壁部に対応する位置の凸状部との間が、不連続に形成されている(なお、不連続箇所はUとして図示し、図2、図4においてはハッチング表示している)。
例えば、隣接する凸状部同士(例えば、図4における凸状部20Acと凸状部20Ba)の間隔に対して、ローラ電極3A、3B(ここでは、ローラ電極3Bとする)の軸方向長さが長い場合には、凸状部20Acをシーム溶接しようとする際に、凸状部20Baにもローラ電極3Bが接触してしまう状態となり、そのままでは電流が凸状部20Acと凸状部20Baとに分散され、凸状部20Acにおいて電流値の低下により必要なジュール熱の発生が確保できない課題が生じ得る。 しかし、上記構成によれば、隣接する凸状部同士(例えば、図4における凸状部20Acと凸状部20Ba)の間において、第一のメタライズ層M1が不連続に形成されているため、凸状部20Acにのみ電流を流すことができ(対向する凸状部20Aaにも通電される)、当該課題の解決が可能となる。
次いで、隣接するキャビティ間を切断することによって、一つのキャビティに一つの半導体チップ2が搭載され封止された個々の半導体パッケージ1として個片化する工程を実施する。
前述の通り、本実施形態におけるベース基板10は、隣接する一のキャビティの周壁部(例えば、図5(c)における周壁部10Ac)と他のキャビティの周壁部(例えば、図5(c)における周壁部10Ba)との間に、有底のスリット部15が設けられているため、当該スリット部の位置でダイシングを行うことによって、切断作業を容易化できると共に、製品へのダメージを軽減することができる。
なお、ベース基板10の形状はスリット部を有するものに限定される訳ではなく、図8に示すように、隣接する周壁部を一体に形成する形状としてもよい(図8中の符号10AB)。この場合には、周壁部を切断して個片化を行う。
さらに、その変形例として、リッド20の形状についても、図9に示すように、隣接する凸状部を一体に形成する形状としてもよい(図9中の符号20AB)。
上記の工程を備えて、本実施形態に係る半導体パッケージ1の製造が行われる。
以上の通り、開示の半導体パッケージおよびその製造方法によれば、複数のパッケージを一括で封止することができるため、タクトタイムが低減できる。
さらに、接触面が円筒形状のローラ電極を用いることができるため、先端が尖ったローラ電極のように、先端部が局所的に摩耗してしまうことがなく、ローラ電極の交換サイクルを長くすることができる。
したがって、タクトタイムが低減でき、製造装置の部品(ローラ電極)の交換サイクルを長くすることができるため、半導体パッケージの製造コストを大幅に低減することが可能となる。
なお、本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。特に、ベース基板へ搭載する電子部品として半導体チップを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。
1 半導体パッケージ
2 電子部品
3A、3B ローラ電極
10 ベース基板
15 スリット部
20 リッド
31 内部端子
32 外部端子
33 配線

Claims (9)

  1. 上面に開口部を有するキャビティが設けられたベース基板を準備する工程と、
    前記キャビティ内に電子部品を搭載する工程と、
    前記ベース基板の上面にリッドの溶接を行って、前記キャビティを封止する工程と、を備える半導体パッケージの製造方法であって、
    前記リッドは、上面に前記ベース基板のキャビティの周壁部の位置に対応する矩形の枠状であって且つ同一高さの凸状部が複数設けられており、
    前記溶接を行う工程は、一対の電極を用いて、該一対の電極のそれぞれを対向する二辺をなす凸状部の上端部に接触させながら、該一対の電極間に電流を流して溶接を行うこと
    を特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  2. 前記リッドの凸状部は、該リッドの上面と直交方向の断面における外周形状が、上方に向かって先細り状に突起する三角形状もしくは円弧形状であること
    を特徴とする請求項1記載の半導体パッケージの製造方法。
  3. 前記リッドは、該リッドの上面に第一のメタライズ層が設けられ、該リッドの下面に第二のメタライズ層が設けられ、該ベース基板における前記キャビティの周壁部の上面に第三のメタライズ層が設けられていること
    を特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体パッケージの製造方法。
  4. 前記リッドの第一のメタライズ層は、隣接する一の前記キャビティの周壁部に対応する位置の凸状部と、他の前記キャビティの周壁部に対応する位置の凸状部との間が、不連続に形成されていること
    を特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の半導体パッケージの製造方法。
  5. 前記一対の電極は、接触面が円筒形状を有するローラ電極であること
    を特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の半導体パッケージの製造方法。
  6. 前記ベース基板には複数の前記キャビティが形成されており、
    隣接する前記キャビティ間を切断することによって、一つの前記キャビティに一つの前記電子部品が搭載され封止された個々のパッケージとして個片化すること
    を特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の半導体パッケージの製造方法。
  7. 上面に開口部を有するキャビティが設けられたベース基板と、前記キャビティ内に搭載された電子部品とを備え、前記ベース基板の上面にリッドが溶接されて、前記キャビティが封止された半導体パッケージであって、
    前記リッドは、上面に前記ベース基板のキャビティの周壁部の位置に対応する矩形の枠状であって且つ同一高さの凸状部が設けられていること
    を特徴とする半導体パッケージ。
  8. 前記リッドの凸状部は、該リッドの上面と直交方向の断面における外周形状が、上方に向かって先細り状に突起する三角形状もしくは円弧形状であること
    を特徴とする請求項7記載の半導体パッケージ。
  9. 前記リッドは、該リッドの上面に第一のメタライズ層が設けられ、該リッドの下面に第二のメタライズ層が設けられ、該ベース基板における前記キャビティの周壁部の上面に第三のメタライズ層が設けられていること
    を特徴とする請求項7または請求項8記載の半導体パッケージ。
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