JP4203501B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子が搭載された半導体装置に関するものである。

従来、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージとして、図４に断面図で、図５に斜視図で示すように、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成り、上面に半導体素子13が搭載される搭載部11ａを有するとともに、この搭載部11ａの周囲からビアホールを介して下面に導出し、さらに側面に延出する複数個のメタライズ導体層15を有する絶縁基体11と、この絶縁基体11の上面に接合され、半導体素子13を封止する金属製の蓋体12とから成る半導体素子収納用パッケージが知られている。

このような半導体素子収納用パッケージにおいては、絶縁基体11の上面に搭載部11ａを取り囲むようにして枠状の封止領域11ｂが設けられており、この封止領域11ｂには封止用のメタライズ金属層17が被着されている。そして、封止用のメタライズ金属層17に金属製の蓋体12を金−錫合金等の低融点ろう材16を介してろう付けすることにより絶縁基体11と蓋体12とが接合される。

また、メタライズ導体層15のうち、接地用のメタライズ導体層15ａがメタライズ金属層17に電気的に接続されており、これにより、蓋体12をろう材16を介してメタライズ金属層17に接合すると、蓋体12が接地電位に接続されて半導体素子13に対する電磁的シールドとして機能するようになっている。

ところが、金−錫合金から成るろう材は、金を約80重量％程度含み高価であるという問題点、およびその溶融温度が約280 ℃程度と高く、絶縁基体と蓋体とを接合する際にパッケージ内部の半導体素子に対する熱負荷が大きいという問題点があった。

そこで、金−錫合金から成るろう材に代えて、例えば銀−エポキシ樹脂等の導電性樹脂接着剤により絶縁基体の封止領域に被着されたメタライズ金属層と金属製の蓋体とを接合することが考えられる。この導電性樹脂接着剤によれば、銀は金と比較して安価であり、またエポキシ樹脂は100〜150℃程度の温度で熱硬化するので、絶縁基体と蓋体とを接合する際にパッケージの内部の半導体素子に対する熱負荷が小さいという利点がある。

しかしながら、絶縁基体の封止領域に被着させたメタライズ金属層は、その酸化腐食を防止するために一般的にはその表面にニッケルめっき層および金めっき層が順次被着されており、エポキシ樹脂はこのような表面にニッケルめっき層および金めっき層が被着されたメタライズ金属層に対する接着力が劣ることから、半導体素子が作動時に発生する熱等が絶縁基体と金属製の蓋体との両者に印加されると、この両者の熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生し、これが両者間に繰り返し印加されると銀−エポキシ樹脂から成る導電性樹脂接着材とメタライズ金属層との間に剥離が発生し、その結果、半導体素子の封止が不完全なものとなり、内部に収容する半導体素子を長期間にわたり、安定かつ正常に作動させることができなくなるという問題点を招来する。

本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、絶縁基体と金属製の蓋体とを銀−エポキシ樹脂等の安価でかつ低温封止が可能な導電性樹脂接着剤を使って強固に接合し、かつ接地用メタライズ導体層と金属製の蓋体とを電気的に良好に接続することが可能な半導体素子収納用パッケージを提供することにある。

本発明の半導体装置は、セラミックスから成る絶縁基体の上面に、半導体素子が搭載される搭載部および該搭載部を取り囲む枠状の封止領域ならびに該封止領域の一部に配設された接地用メタライズ導体層を有し、金属蓋体が前記封止領域に前記搭載部に搭載された前記半導体素子を覆うようにして導電性樹脂接着剤により接合され、前記半導体素子を封止するとともに前記接地用メタライズ導体層に電気的に接続される半導体装置であって、前記接地用メタライズ導体層は前記絶縁基体の側面に延出しており、前記接地用メタライズ導体層上に、前記接地用メタライズ導体層の一部が露出されるような開口部を有する枠状のセラミック膜が設けられていることを特徴とする。

本発明の半導体装置において好ましくは、前記半導体素子は前記絶縁基体の表面に設けられたメタライズ金属層に搭載されており、該メタライズ金属層は前記接地用メタライズ導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置において好ましくは、前記導電性樹脂接着剤は銀−エポキシ樹脂からなることを特徴とする。

本発明の半導体装置において好ましくは、前記金属蓋体の開口部につば部が形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置において好ましくは、前記セラミック膜および前記接地用メタライズ導体層が、前記金属蓋体の前記開口部の全周に形成された前記導電性樹脂接着剤を介して前記金属蓋体に接続されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、セラミックスから成る絶縁基体の上面に、半導体素子が搭載される搭載部およびこの搭載部を取り囲む枠状の封止領域ならびにこの封止領域の一部に配設された接地用メタライズ導体層を有し、金属蓋体が封止領域に搭載部に搭載された半導体素子を覆うようにして導電性樹脂接着剤により接合され、半導体素子を封止するとともに接地用メタライズ導体層に電気的に接続される半導体装置であって、接地用メタライズ導体層は絶縁基体の側面に延出しており、接地用メタライズ導体層上に、接地用メタライズ導体層の一部が露出されるような開口部を有する枠状のセラミック膜が設けられていることにより、セラミック膜と導電性樹脂接着剤とを極めて強固に接合させることができるとともに、セラミック膜および接地用メタライズ導体層とを導電性樹脂接着剤を介して電気的に良好に接続させることができるため、封止信頼性が高く、かつ金属蓋体による電磁シールド性に優れた半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の半導体装置を添付の図面を基に詳細に説明する。

図１は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図２は図１に示す半導体装置の断面図である。本発明の半導体装置は、絶縁基体１と金属蓋体２とから主に構成されており、これらの間に半導体素子３が搭載される。

絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等のセラミックス材料から成る略四角形の平板であり、搭載される半導体素子３を支持するための支持部材として機能する。

絶縁基体１は、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・溶剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクターブレード法を採用することによってシート状となすことによりセラミックグリーンシートを得、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じて複数枚を積層して生セラミック積層体となし、最後にこの生セラミック体を還元雰囲気中、約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

絶縁基体１の上面中央部には半導体素子３を搭載するための搭載部１ａが形成されている。搭載部１ａには、メタライズ金属層４が被着されており、このメタライズ金属層４の上に半導体素子３が例えば銀−エポキシ樹脂等の導電性接着剤（図示せず）を介して接着固定される。

メタライズ金属層４は、半導体素子３の下面を所定の接地電位に接続するために設けられているものであり、後述するメタライズ配線導体５のうち、接地用メタライズ配線導体５ａにスルーホールやビアホール等の貫通導体を介して電気的に接続されている。

また、絶縁基体１の搭載部１ａの周辺には半導体素子３の各電極（接地電極・電源電極・信号電極）に電気的に接続される複数のメタライズ導体層５が導出されており、このメタライズ導体層５には、半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ８を介して接続される。

メタライズ導体層５は、半導体素子３の電極を外部の電気回路に接続するための導電路として機能し、搭載部１ａの周辺から絶縁基体１を上下に貫通する貫通導体（図示せず）を介して絶縁基体１の下面に導出され、そこから絶縁基体１の側面にまで延出している。そして、メタライズ導体層５の絶縁基体１の下面部位および側面部位は、外部接続用の端子として機能し、例えば半田を介して外部電気回路基板の配線導体に電気的に接続される。

これらのメタライズ金属層４およびメタライズ導体層５は、いずれもタングステンやモリブデン・銅・銀・銀−パラジウム・モリブデン−マンガン等の金属粉末メタライズから成り、例えばタングステンメタライズから成る場合であれば、タングステン粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに従来周知のスクリーン印刷法を採用して所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートとともに焼成することによって、絶縁基体１の所定位置に所定のパターンに被着形成される。

なお、これらのメタライズ金属層４およびメタライズ導体層５の露出表面には、ニッケルめっき層および金めっき層を順次被着させておくとよい。これによって、メタライズ金属層４やメタライズ導体層５の酸化腐食が有効に防止されるとともにメタライズ導体層５とボンディングワイヤ８との接続およびメタライズ導体層５と外部電気回路基板の配線導体との接続を容易かつ強固なものとすることができる。

また、絶縁基体１の上面外周部には、搭載部１ａを取り囲むようにして、幅が0.5 〜５ｍｍ程度の四角枠状の封止領域１ｂが設けられている。

封止領域１ｂは、金属蓋体２を絶縁基体１に接合するための領域であり、この封止領域１ｂ上に金属製の金属蓋体２が導電性樹脂接着剤６を介して接合される。

この封止領域１ｂにはその一部に接地用メタライズ導体層５ａが延出してきて配設されており、さらにその上に枠状のセラミック膜７が被着されている。

封止領域１ｂに配設した接地用メタライズ導体層５ａは、封止領域１ｂに導電性樹脂接着剤６を介して接合される金属蓋体２を所定の接地電位に接続するためのものであり、その一部がセラミック膜７に覆われずに封止領域１ｂの表面に露出している。このように、封止領域１ｂに延出した接地用メタライズ導体層５ａの一部がセラミック膜７に覆われずに封止領域１ｂに露出していることから、金属蓋体２を導電性接着剤６を介して封止領域１ｂに接合すると、封止領域１ｂに接合する導電性樹脂接着剤６と接地用メタライズ導体層５ａとが電気的に接触し、これにより金属蓋体２を接地電位とすることが可能となる。

なお、接地用メタライズ導体層５ａが封止領域１ｂに露出する幅および長さは、それぞれ0.1ｍｍ以上であることが好ましい。接地用メタライズ導体層５ａが封止領域１ｂに露出する幅および長さがそれぞれ0.1ｍｍ未満では、蓋体２を導電性樹脂接着剤６を介して封止領域１ｂに接合した場合に、導電性樹脂接着剤６と接地用メタライズ導体層５ａとが良好に接触せずに接地用メタライズ導体層５ａと金属蓋体２とを電気的に良好に接続することができなくなる危険性が大きなものとなる。

また、セラミック膜７は、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・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等のセラミックスから成る厚膜であり、その一部を除いて封止領域１ｂと実質的に同じ幅を有している。そして、その厚みは10〜100μｍ程度である。

セラミック膜７は、封止領域１ｂと導電性樹脂接着剤６とを強固に接合するための接合力向上部材として機能し、これを形成するセラミックスが金属と比較してエポキシ樹脂等の接着剤と強固に接着することから、銀−エポキシ樹脂等から成る導電性樹脂接着剤６と強固に接合する。

なお、セラミック膜７は、その上面の中心線平均粗さ（Ｒａ）をＲａ≧0.65μｍとしておくと、セラミック膜７の表面の凹凸と導電性樹脂接着剤６とが係止し合って両者をさらに強固に接合させることが可能となる。したがって、セラミック膜７は、その上面の中心線平均粗さ（Ｒａ）をＲａ≧0.65μｍとしておくことが好ましい。

さらに、セラミック膜７は、絶縁基体１と実質的に同じ組成のセラミックス材料で形成しておくと、絶縁基体１とセラミック膜７との熱膨張係数が略同一となり、絶縁基体１とセラミック膜７とに例えば半導体素子３が作動時に発生する熱が繰り返し印加されたとしても、両者間に熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生することはなく、セラミック膜７に剥離やクラックが発生することを有効に防止できる。従って、セラミック膜７は、絶縁基体１と実質的に同じ組成のセラミックス材料で形成することが好ましい。

また、セラミック膜７には、封止領域１ｂに延出した接地用メタライズ導体層５ａの一部を封止領域１ｂに露出させる、例えばその内周側に切り欠き状に形成した狭幅部７ａを設けている。

セラミック膜７は、封止領域１ｂに配設した接地用メタライズ導体層５ａの一部を封止領域１ｂに露出させる狭幅部７ａを有していることから、金属蓋体２を導電性樹脂接着剤６により封止領域１ｂに接合すると、接地用メタライズ導体層５ａと金属製の蓋体２とがこの狭幅部７ａにおいて導電性樹脂接着剤６を介して電気的に接続されることとなる。そして、これにより金属製の蓋体２を接地電位とすることが可能となり、金属蓋体２を半導体素子３に対する電磁的シールドとして機能させることができる。

なお、セラミック膜７が封止領域１ｂにおいて接地用メタライズ導体層５ａを覆う幅は、0.1ｍｍ以上あることが好ましい。セラミック膜７が封止領域１ｂにおいて接地用メタライズ導体層５ａを覆う幅が0.1ｍｍ未満では、封止領域１ｂに金属蓋体２を導電性樹脂接着剤６により接合した場合に、この部分における封止領域１ｂと導電性樹脂接着剤６との接着が弱いものとなり、絶縁基体１と金属蓋体２とを強固に接合することができなくなってしまう危険性が大きなものとなる。

セラミック膜７は、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・酸化カルシウム・酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合して得たセラミックペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに従来周知のスクリーン印刷法を採用して枠状に印刷し、これをセラミックグリーンシートとともに焼成することによって絶縁基体１の上面の封止領域１ｂに所定の枠状に被着形成される。

なお、セラミックペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布するとともにこれを焼成することによって得られるセラミック膜７の上面の表面粗さは、セラミックグリーンシートを焼成して得られる絶縁基体１と比較して粗いものとなりやすく、中心線平均粗さ（Ｒａ）でＲａ≧0.65μｍとなる表面粗さを容易に得ることができる。

他方、封止領域１ｂに接合される金属蓋体２は、例えば鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の板を椀状にプレス加工したものであり、開口部につば部が形成されている。そして、このつば部を封止領域１ｂに導電性樹脂接着剤６を介して接合することにより、金属蓋体２が絶縁基体１に接合されるとともに接地用メタライズ導体層５ａに電気的に接続される。

かくして、本発明の半導体装置によれば、絶縁基体１の搭載部１ａに半導体素子３を接着固定するとともに半導体素子３の各電極をそれぞれ対応するメタライズ導体層５に電気的に接続し、最後に絶縁基体１の封止領域１ｂに金属蓋体２を導電性樹脂接着剤６を介して接合することにより、金属蓋体２が絶縁基体１に強固に接合されるとともに金属蓋体２と接地用メタライズ導体層５ａとが電気的に接続される。

なお、本発明は上述の実施の形態の一例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る。例えば、上述の実施の形態の一例では、セラミック膜７の内周側を切り欠き状に除いた狭幅部７ａを設けることにより、封止領域１ｂに接地用メタライズ導体層５ａの一部を露出させるようになしたが、狭幅部７ａをセラミック厚膜７の外周側を切り欠き状に除いて設けることによって封止領域１ｂに接地用メタライズ導体層５ａの一部を露出させるようになしてもよい。あるいは図３に斜視図で示すように、セラミック膜７の内周辺と外周辺との間に開口部７ｂを設けることによって封止領域１ｂに接地用メタライズ導体層５ａの一部を露出させるようになしてもよい。

さらに、上述の実施の形態の一例では、接地用メタライズ導体層５ａは絶縁基体の側面から封止領域１ｂに延出させて配設していたが、接地用メタライズ導体層５ａは、同じく図３に示すように、封止領域１ｂの内側に位置する接地用メタライズ導体層５ａから封止領域１ｂに延出させて配設してもよいし、メタライズ金属層４を接地用メタライズ導体層５ａに電気的に接続させるとともにこのメタライズ金属層４から封止領域１ｂに延出させるようにして配設してもよい。また、絶縁基体１の内部や裏面側に設けた接地用導体層から封止領域１ｂ内に導出させた貫通導体に接続することによって、パッド状に形成して配設してもよい。

本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。 図１に示す半導体装置の断面図である。 本発明の半導体装置の他の実施の形態の例における絶縁基体を示す斜視図である。 従来の半導体装置の断面図である。 図４に示す半導体装置の斜視図である。

符号の説明

１：絶縁基体
２：金属蓋体
３：半導体素子
５ａ：接地用メタライズ導体層
６：導電性樹脂接着剤
７：セラミック膜

Claims (5)

1. セラミックスから成る絶縁基体の上面に、半導体素子が搭載される搭載部および該搭載部を取り囲む枠状の封止領域ならびに該封止領域の一部に配設された接地用メタライズ導体層を有し、金属蓋体が前記封止領域に前記搭載部に搭載された前記半導体素子を覆うようにして導電性樹脂接着剤により接合され、前記半導体素子を封止するとともに前記接地用メタライズ導体層に電気的に接続される半導体装置であって、前記接地用メタライズ導体層は前記絶縁基体の側面に延出しており、前記接地用メタライズ導体層上に、前記接地用メタライズ導体層の一部が露出されるような開口部を有する枠状のセラミック膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体素子は前記絶縁基体の表面に設けられたメタライズ金属層に搭載されており、該メタライズ金属層は前記接地用メタライズ導体層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導電性樹脂接着剤は銀−エポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記金属蓋体の開口部につば部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記セラミック膜および前記接地用メタライズ導体層は、前記金属蓋体の前記開口部の全周に形成された前記導電性樹脂接着剤を介して前記金属蓋体に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。

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