JP3618063B2

JP3618063B2 - 半導体素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP3618063B2
Application number: JP27687099A
Authority: JP
Inventors: 俊昭重岡; 智濱野; 正浩冨迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP2001102469A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子が搭載され、半導体素子を金属製蓋体によって気密に封止する半導体素子収納用パッケージに関し、特に、パッケージ構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体素子を搭載した半導体素子収納用パッケージが知られている。特に、高い周波数帯で使用される高周波素子などを搭載する高周波素子収納用パッケージには、高周波での良好な信号伝送特性及び気密封止性が要求されることから、従来より周知のメタルウォールパッケージが使用されてきた。
【０００３】
しかし、メタルウォールパッケージは重く、小型軽量に不向きであることから、通信などの小型軽量が特に要求される分野では、１〜３０ＧＨｚの周波数帯で伝送損失の小さいＣｕ等の低損失金属配線を高周波用配線として具備するガラスセラミックパッケージが使用されつつある。
【０００４】
従来、半導体素子収納用のパッケージの構造は、例えば図４に示すように、多層の絶縁層４１からなる絶縁基板４２内に半導体素子４３を収納するための凹部４４を設けるとともに、半導体素子４３の外部からの電磁的遮蔽のため凹部４４を金属製の蓋体４５にて導体層４６上に被着形成されたロウ材４７を介して気密に封止される。また、例えば、絶縁基板４２内に中心導体４８と、絶縁層４１を介して中心導体４８の上下面を覆うグランド層５０、５１と、からなるマイクロストリップ線路やグランド付コプレーナ線路等の高周波信号線路が形成され、金属製ワイヤ、リボン、リード、ＴＡＢテープ４９等によって半導体素子４３と接続されている。なお、中心導体５０はビアホール導体５３等を経由して接続用端子５５に接続され、さらに外部回路基板（図示せず。）等と接続される。
【０００５】
また、特開平４−２０６８５４号では、絶縁基板表面に素子の全周を覆うように枠状の導体層を形成し、この導体層に金属製の蓋体を接着するとともに、金属製蓋体と高周波信号線路下面のグランド層とを多数のスルーホールによって電気的に接続することによって、半導体素子の外部からの電磁波の影響を防止できることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の半導体素子収納用パッケージでは、上面のグランド層の上面に絶縁層をさらに１層以上設けなければならず、製造工程が増すとともに、パッケージの小型化の点で不利であった。
【０００７】
また、特開平４−２０６８５４号では、外部からの電磁波の半導体素子への影響を防止することはできるものの、半導体素子と接続された信号線路への外部からの電磁波の影響を防止することができず、信号線路にて伝送損失が増大するという問題があった。
【０００８】
さらに、いずれのパッケージにおいても絶縁基板表面に設けられた所定の形状からなる導体層を介してロウ付けすることにより所定の位置にロウ材を配設、固定することができるものであり、グランド層等の面積の広い導体層に直接ロウ付けすると、ロウ材が導体層表面に広がって流出してしまい、過剰なロウ材が必要となるばかりか導体層と金属製蓋体との接合強度が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するもので、小型軽量化できるとともに、金属製蓋体を絶縁基板に気密かつ強固に接合可能な半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題について検討した結果、半導体素子が搭載される表面を有する絶縁基板と、該絶縁基板表面に前記半導体素子を気密に封止するためにロウ材によって接合される金属製蓋体とを具備する半導体素子収納用パッケージの前記絶縁基板の少なくとも前記金属製蓋体を接合する表面にグランド層を、前記絶縁基板内部に中心導体層とを形成してストリップ構造の線路を具備してなるとともに、前記グランド層表面に絶縁体からなる一対のロウ材流出防止壁を被着し、前記ロウ材流出防止壁の高さを３〜３０００μｍ、幅を０．１〜１０ｍｍ、かつ前記一対のロウ材流出防止壁間の間隔を０．２〜５ｍｍとし、前記一対のロウ材流出防止壁に挟まれた部分でグランド層と蓋体とをロウ材によって接合することによって、従来グランド層上面に配設していた絶縁層を省くことができ、パッケージの小型化が可能であるとともに、ロウ材がグランド層表面上に流出することないために、気密封止性がよく、高い接着強度でロウ付けできることを知見した。
【００１１】
ここで、前記ロウ材流出防止壁が前記絶縁基板および前記グランド層と同時焼成によって形成されてなること、前記ロウ材流出防止壁が前記絶縁基板と同じ成分からなることが望ましい。
【００１２】
また、前記グランド層を対向する絶縁基板内部に少なくとも中心導体が形成されてなることが望ましく、さらに、少なくとも前記蓋体とロウ付けされるグランド層表面に厚み１〜２０μｍのＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕの群から選ばれる少なくとも１種の金属からなるメッキ層を形成してなることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子収納用パッケージの一例を概略断面図である図１および金属製蓋体を省略した平面図である図２を基に説明する。
図１の半導体素子収納用パッケージＡによれば、多層の絶縁層１ａ〜１ｃからなる絶縁基板１の上面略中央部に半導体素子２を収容するための凹部３が形成され、絶縁基板１の凹部３に搭載された半導体素子２は金属製蓋体５をによって気密に封止されている。
【００１４】
絶縁層１ａ〜１ｃは、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ガラスセラミックス等からなるが、後述する低抵抗金属の銅または銀等との同時焼成が可能なガラスセラミックスからなることが望ましい。
【００１５】
また、金属製蓋体５は、例えば、コバール、４２アロイ、銅等の金属からなり、凹部３内に搭載される半導体素子２への外部からの電磁波の影響を防止することができる。なお、金属製蓋体３の熱膨張係数は、金属製蓋体５接続時に絶縁基板１と金属製蓋体５との熱膨張差により発生する応力発生を避け、パッケージの気密封止信頼性を高める上で、絶縁基板１の熱膨張係数と近似していることが望ましい。
【００１６】
また、本発明によれば、絶縁基板１表面の凹部３の周囲部にはグランド層６が形成され、グランド層６表面には凹部３を覆うように一対の枠状のロウ材流出防止壁８、９が形成されており、両ロウ材流出防止壁８、９に挟まれた部分にロウ材１０を充填することによって、グランド層６と金属製蓋体５がロウ材１０を介して電気的に接続され、凹部３内を気密に封止できるとともに、高接着強度を維持できる。
【００１７】
かかる構造において、ロウ材流出防止壁８、９は、絶縁基板１およびグランド層６と同時焼成によって一体的に形成されたセラミックスからなることが接合強度を高める点で望ましく、また、ロウ材流出防止壁８、９は絶縁基板１と同一組成もしくは同一成分からなることが望ましい。
【００１８】
さらにロウ材流出防止壁８、９の形状は、気密封止に必要なロウ材量をロウ材流出防止壁８、９間に充填できるとともに、ロウ付け部での強度を高め、ロウ材１０と絶縁基板１との間で熱膨張差によって応力が発生し、応力集中によってクラック等が生じることを防止するために、高さが３〜３０００μm であることが必要であり、また、ロウ材流出防止壁８、９の強度を維持し、精度良く形成できるとともに、パッケージの小型化、軽量化のために、ロウ材流出防止壁８、９の幅が０．１〜５ｍｍであることが必要である。
【００１９】
また、気密封止に必要なロウ材量を充填できるとともに、絶縁基板１とグランド層６との強固な接着を維持するためにロウ材流出防止壁８、９によって挟まれたロウ材１０充填部の幅は０．２〜５ｍｍであることが必要である。
【００２０】
また、絶縁基板１内の絶縁層１ａを介してグランド層６と対向する位置にはこのグランド層６と平行して中心導体層１２が形成されており、その一端は、金属製ワイヤ、リボン、リード、ＴＡＢテープ１４等を介して半導体素子２と電気的に接続されている。さらに、中心導体層１２と対向する位置には、絶縁層１ｂを介して半導体素子２の下面にまでわたってグランド層１６が形成されている。
【００２１】
ここで、中心導体層１２およびグランド層６、１６によってストリップ構造の線路１８が形成され、これによって、線路１８への外部からの電磁波の影響を防止できる。なお、線路１８は、中心導体層１２形成面の中心導体層１２を挟んで対峙する両側に一対のグランド層（図示せず。）を設け、中心導体層１２をコプレーナ構造としてもよく、またはグランド層１６を形成しないマイクロストリップ線路であってもよい。
【００２２】
また、中心導体層１２は、スルーホール導体２０を経由して絶縁基板１の裏面に形成された接続端子２２に電気的に接続され、外部回路基板（図示せず）と接続される。
【００２３】
なお、上記グランド層６、１６、中心導体層１２、スルーホール導体２０、接続端子２２等の導体層は、銅、銀、金、タングステン、モリブデン等の金属からなるが、特に高周波信号を伝送する線路については、低抵抗金属である銅または銀からなることが望ましい。また、導体層内には、セラミックスやガラス等のフィラー成分を含有してもよい。
【００２４】
また、絶縁基板１内には、線路１８構造以外の線路やサーマルビア等が形成されてもよく、さらに、グランド層６、１６間の半導体素子２および／または中心導体層１２を囲む位置に多数のスルーホールを形成して外部からの電磁波の影響をさらに防止することもできる。
【００２５】
また、図３のロウ材流出防止壁８、９形成部付近の拡大図に示されるとおり、グランド層６表面の両ロウ材流出防止壁８、９に挟まれた部分には厚み１〜２０μｍのメッキ層２４を形成することが望ましく、これによってロウ材１０とグランド層６との反応により強度の低い反応層が形成されることを防止し、ロウ材１０のグランド層６への接着強度を高めることができる。さらに、メッキ層２４表面に金メッキを施すことに、メッキ層２４とロウ材４との濡れ性を高めることができる。
【００２６】
なお、図１のパッケージＡは絶縁基板１に凹部３を設け、凹部３を平板状の金属製蓋体５によって封止するものであったが、本発明はこれに限られるものではなく、平板形状の絶縁基板の所定位置に半導体素子を搭載し、該半導体素子を前記絶縁基板と椀状の金属製蓋体によって封止する構造であってもよい。
【００２７】
次に、本発明の半導体素子収納用パッケージの製造方法の一例について説明する。
まず、セラミックス粉末に有機バインダおよび溶剤を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて、周知のドクターブレード法、圧延法等によって、シート状に成形してグリーンシートを作製する。そして、このグリーンシートの所定の位置にビアホールまたはスルーホールを形成する。
【００２８】
例えば、絶縁層としてガラスセラミックスを使用した場合、ジルコン酸カルシウム、珪酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、アルミナ、シリカ、ムライト、フォルステライト、ジルコニア、スピネル等のセラミックス粉末に焼成によって結晶相を析出する結晶性ガラスを添加し、さらに、所望により、アクリル系樹脂、例えばメタクリル酸メチル、メタクリル酸イソブチル等の窒素雰囲気中での熱分解性に優れた有機バインダおよびＩＰＡ、トルエン等の溶剤を添加することが望ましい。
【００２９】
一方、銅、銀、金、タングステン、モリブデン等の金属粉末に、焼結温度および焼成による収縮率、熱膨張係数の制御の点で、所望により、ガラスやセラミック粉末等のフィラーおよび有機物成分を添加、混練して導電性ペーストを作製し、前記グリーンシートに形成したビアホールまたはスルーホール内に前記導体ペーストを充填し、さらに前記グリーンシート表面の所定の位置に上記導体ペーストをスクリーン印刷法等の公知の印刷法により印刷して、厚み１０〜３０μｍの導体層を形成する。
【００３０】
また、絶縁基板表面となるグランド層を形成した前記グリーンシートには、金属製蓋体と接合する位置に、前記グリーンシートを形成したスラリー、もしくは前記金属粉末と前記セラミック粉末に対して前記バインダから選ばれる少なくとも１種にテオピネオール等を添加、混練したペーストを用いてスクリーン印刷法等の公知の印刷法により、所定形状の一対のロウ材流出防止壁用成形体を形成する。
【００３１】
そして、これらの印刷したグリーンシートの位置を合わせて、積層し圧着する。なお、ロウ材流出防止壁用成形体の形成は、グリーンシート積層後であってもよい。
【００３２】
次に、上記積層体を脱バインダ処理した後、例えば、窒素雰囲気中、９００〜１０５０℃の温度で焼成することにより、一対のロウ材流出防止壁を具備した絶縁基板を作製することができる。
【００３３】
そして、得られた絶縁基板の一対のロウ材流出防止壁間の枠状部内にＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕのうち少なくとも１種からなるメッキ層を、電解メッキ法、無電解メッキ法等により、厚みが１〜２０μｍとなるように形成し、さらに望ましくは、同じ手法により、Ａｕからなるメッキ層を施す。
【００３４】
そして、絶縁基板の所定の位置に半導体素子を実装し、ワイヤボンディング法などにより中心導体層とワイヤを介して電気的に接続した後、一対のロウ材流出防止壁間のメッキ層形成部表面にＡｕ−Ｓｎ合金や半田等によってロウ材を１５０〜４００℃にてロウ付けすることにより、半導体素子が気密に封止された本発明の半導体素子収納用パッケージを得ることができる。
【００３５】
【実施例】
ＳｉＯ_２：４４重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：２８重量％、ＭｇＯ：１１重量％、ＺｎＯ：８重量％、Ｂ_２Ｏ_３：９重量％の組成を有する結晶性ガラス粉末６４重量％と、セラミックフィラーとしてジルコン酸カルシウム５重量％、シリカ１４重量％、珪酸ストロンチウム１７重量％からなるガラスセラミック原料粉末１００重量部に対して、有機バインダとしてメタクリル酸イソブチル樹脂を固形分で１２重量部、可塑剤としてフタル酸ジブチルを６重量部添加し、トルエンを溶媒としてボールミルにより４０時間混合しスラリーを調製し、ドクターブレード法により厚み０．２５ｍｍのグリーンシートに成形した。
【００３６】
一方、銅粉末１００重量部と、軟化点８００℃のホウケイ酸亜鉛ガラス２重量部、メタクリル酸イソブチル３重量部、フタル酸ジブチル５重量部、テルピオネール１０重量部を混練して導体層形成用の導体ペーストを作製した。そして、前述のグリーンシートを３枚数用意し、所定の位置に穴加工を行い、前述の導体ペーストを印刷によってスルーホール内に充填するとともに、所定の導体層を成形した。
【００３７】
また、上述のガラスセラミック組成物１００重量部に、メタクリル酸イソブチル５重量部、フタル酸ジブチル１３重量部、テルピオネール３８重量部を混合してロウ材流出防止壁用ペーストを形成し、絶縁基板表面に配設されるグランド層を形成したグリーンシート表面にスクリーン印刷によって、焼成後のロウ材流出防止壁の形状が表１となるように一対のロウ材流出防止壁成形体を被着形成し、これらのグリーンシートを位置合わせして積層し、５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で加圧し圧着した。
【００３８】
その後、この積層体を水蒸気を含んだ窒素雰囲気中、７５０℃、３時間の熱処理を行い、成形体中の残留炭素量を２００ｐｐｍ以下に低減した後、９３０℃で１時間の焼成を行い、銅導体層を施した外形寸法が３０×４０ｍｍのガラスセラミックスの絶縁基板１を得た。
【００３９】
そして、一対のロウ材流出防止壁間のグランド層表面に無電解メッキによって表１に示す厚みのＮｉのメッキ層および厚み０．２μｍ金メッキ層を形成した後、半導体素子を絶縁基板表面の所定の位置に実装し、４２アロイからなる２０×２５×０．５ｍｍの金属製蓋体を接合し、前記金メッキ層の表面にＡｕ−Ｓｎ合金からなるロウ材を２５０℃にてロウ付け充填して、半導体素子を気密に封止した。
【００４０】
上記のように作製した試料を−６５℃にて５分、１５０℃にて５分保持を１サイクルとして最高５００サイクルまでの熱衝撃試験を行い、気密封止性が損なわれたサイクル数を測定した。
【００４１】
なお、気密封止性は、ＭＩＬ−ＳＴＤ８８３の方法（封止）に準じて評価し、具体的には試料を４．２ｋｇｆ／ｃｍ^２のＨｅ加圧雰囲気中に２時間保持した後取り出し、真空雰囲気中で検出されるＨｅガス量を測定するファインリーク試験およびフロロカーボンによるグロスリーク試験を行いいずれか一方でも合格基準を満たさなかった場合に気密封止性が損なわれたとして表１にそのサイクル数を表記した。また５００サイクル未満で気密封止性が損なわれた試料については顕微鏡にて観察を行い、その原因を表１に示した。
【００４２】
【表１】

【００４３】
表１から明らかなとおり、ロウ材流失防止壁を形成しない試料Ｎｏ．１では、ロウ付け時にロウ材が流失してパッケージを気密に封止することができなかった。
【００４４】
これに対し、本発明に従いロウ材流失防止壁を形成した試料Ｎｏ．２〜２４では、良好なロウ付けが可能であり、また、熱衝撃試験においても２００回以上クラック等の不具合はみられなかった。中でも、ロウ材流失防止壁の高さが３〜３０００μｍ、幅が０．１〜１０ｍｍ、ロウ材流失防止壁間の間隔が０．２〜５ｍｍ、メッキ層の厚みが１〜２０μｍを満足する試料Ｎｏ．４、５、９〜１３、１５〜１８、２０〜２２では、熱衝撃試験においても５００回以上クラック等の不具合はみられなかった。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、絶縁基板の蓋体を接合する表面にグランド層を形成し、従来形成していたグランド層上面の絶縁層を省いたことによってパッケージの小型、軽量化ができる。また、所定の位置に所望の形状でロウ付けができるために強固なロウ付けができ、パッケージを気密に封止することができるとともにグランド層と金属製蓋体とによって半導体素子とそれに接続した中心導体とを外部からの電磁波の影響を低減することができる。
【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一例を示す概略断面図である。
【図２】図１のパッケージの金属製蓋体を省略した平面図である。
【図３】図１のパッケージにおける金属製蓋体３とグランド層６との接合部の拡大断面図である。
【図４】従来の半導体素子収納用パッケージの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ半導体素子収納用パッケージ
１絶縁基板
１ａ〜１ｃ絶縁層
２半導体素子
３凹部
５金属製蓋体
６、１６グランド層
８、９ロウ材流失防止層
１０ロウ材
１２中心導体層
１４ワイヤ
１８線路
２０スルーホール導体
２２接続端子

Claims

半導体素子が搭載される表面を有する絶縁基板と、該絶縁基板表面に前記半導体素子を気密に封止するためにロウ材によって接合される金属製蓋体と、を具備する半導体素子収納用パッケージであって、
前記絶縁基板の少なくとも前記金属製蓋体を接合する表面にグランド層を、前記絶縁基板内部に中心導体層とを形成してストリップ構造の線路を具備してなるとともに、前記グランド層表面に絶縁体からなる一対のロウ材流出防止壁を被着し、該一対のロウ材流出防止壁に挟まれた部分で前記グランド層と前記蓋体とをロウ材によって接合してなり、前記ロウ材流出防止壁の高さが３〜３０００μｍ、幅が０．１〜１０ｍｍであり、かつ前記一対のロウ材流出防止壁間の間隔が０．２〜５ｍｍであることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
前記ロウ材流出防止壁が、前記絶縁基板および前記グランド層と同時焼成によって形成され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。
前記ロウ材流出防止壁が、前記絶縁基板と同じ成分からなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子収納用パッケージ。
前記グランド層と対向する絶縁基板内部に、中心導体を形成してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の半導体素子収納用パッケージ。
少なくとも前記金属製蓋体とロウ付けされるグランド層表面に厚み１〜２０μｍのＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕの群から選ばれる少なくとも１種の金属からなるメッキ層を形成してなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の半導体素子収納用パッケージ。