(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタライズ配線層が被着形成されたガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面に接続用電極を備えた半導体素子を載置し、前記メタライズ配線層と前記半導体素子の接続用電極とをロウ付けすることによりフリップチップ実装してなるとともに、前記半導体素子を覆うようにして前記絶縁基板表面に取着され且つその一部をシリコーン樹脂で前記半導体素子の上面に接着されてなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる蓋体と、前記絶縁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を、有機樹脂を含有する絶縁基材を備えた外部回路基板表面に実装してなる実装構造であって、
前記絶縁基板の４０〜１５０℃における熱膨張係数が８乃至２０ｐｐｍ／℃であり前記外部回路基板の絶縁基材の熱膨張係数よりも小さく、
前記蓋体の熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上であり前記絶縁基板の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする半導体素子用パッケージの実装構造。
【請求項２】
前記蓋体の上面に、放熱フィンを接合してなる請求項１記載の半導体素子用パッケージの実装構造。
【請求項３】
前記メタライズ配線層が銅を主成分とする導体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の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子用パッケージの実装構造に関し、特に大型の配線基板上に半導体素子をロウ付けにより表面実装し、その半導体素子から発生する熱を放熱するための蓋体を具備してなり、使用耐久性、信頼性に優れた半導体素子用パッケージの実装構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、配線基板は絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。また、この配線基板の代表的な例として、半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体集積回路素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、一般にアルミナセラミックスからなる絶縁基板の表面および内部には、タングステン、モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層が配設され、上部に載置される半導体素子と電気的に接続される。一般に、半導体素子の集積度が高まるほど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これに伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける端子数も増大することになる。
【０００３】
電極数が増大するに伴い、対応する接続端子の設置密度を変えない場合は、パッケージ自体の寸法を大きくする必要があるが、最近では、パッケージの小型化の要求が強いため、その寸法を大きくするにも限界がある。
【０００４】
従って、パッケージにおける接続端子の設置密度は高くならざるをえないが、それも最近の半導体素子の高度集積化傾向に対しては従来のワイヤボンディング方式の接続方法では十分な対応が困難になり、限界に近づきつつある。
【０００５】
そのため最近では、パッケージと半導体素子との接続は、半導体素子の周辺からパッケージの接続端子ワイヤで繋ぐワイヤボンディング方式から半導体素子下面の接続用電極とパッケージの接続端子とを直接ロウ付けするフリップチップ実装に移行しつつある。
【０００６】
また、このフリップチップ実装による接続では、半導体素子とパッケージの絶縁基板との間に熱硬化性樹脂と球状フィラーとの複合体からなるアンダーフィル剤と呼ばれる充填剤を注入後硬化させ、半導体素子の実装部を機械的に補強することがしばしば行われる。
【０００７】
また、昨今の半導体素子の高発熱化にともない、半導体素子から発生した熱を放熱するために、放熱フィンを具備した半導体素子収納用パッケージが多く使用される傾向にある。そこで、リッドと呼ばれる高熱伝導性蓋体を基板表面に取付け、さらにこのリッド上面に放熱フィンを取り付けた構造の半導体素子収納用パッケージが提案されている（特開平８−  ２６４６８８号公報参照）。
【０００８】
この提案によれば、アルミナセラミック製のパッケージ基体と熱膨張係数が同等な材質からなるアルミナやコバールなどからなるリッドを有し、基体表面に搭載した電子部品から発生した熱をリッドを介して放熱フィンに伝導することができる。
【０００９】
一方で、このようなパッケージの外部回路基板への実装は、前記半導体素子が搭載されたパッケージの裏面に、いわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）のように、半田ボールからなる接続端子を取着し、この接続端子を介して外部回路基板表面の電極にロウ材によって電気的に接続してなる。なお、外部回路基板は、おもに、プリント基板の絶縁基材はガラス−エポキシ樹脂複合材料などのように、有機質材料ないし有機質材料と無機質材料との複合材で構成される。
【００１０】
しかしながら、ＢＧＡのような接続端子を高密度に形成したパッケージの絶縁基板として従来より使用されているアルミナ、ムライト等のセラミックスを用いると、上記プリント基板などの外部回路基板に表面実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加され、前記外部回路基板と絶縁基板との熱膨張係数差によって熱応力が発生し、この応力によって、接続端子が絶縁基板から剥離したり、接続端子にクラックが生じ、配線基板を外部回路基板上に長期にわたり安定に維持できないという問題があった。
【００１１】
そこで、本出願人は、従来のアルミナ、ムライト等のセラミックスに変えて、絶縁基板を高熱膨張セラミック材料によって形成することによってパッケージの絶縁基板と外部回路基板の絶縁基材との熱膨張差を小さくすることにより接続信頼性を改善することを提案した（特開平８−２７９５７４号、特願平８−３２２０３８号）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高熱膨張セラミック材料を絶縁基板として用い、前記特開平８−  ２６４６８８号公報のように、絶縁基板と同等の熱膨張係数を有する同じ材質からなるリッドを取り付けた半導体素子収納用パッケージを前記プリント基板等の外部回路基板に表面実装した場合、半導体素子の作動停止による熱サイクルが印加されると、特に冷却過程においてたとえ絶縁基板に高熱膨張ガラスセラミックスを用いても外部回路基板との熱膨張差は存在するために、絶縁基板は外部回路基板との実装面が凸となるように撓もうとするが、絶縁基板は実装面と反対側に強固に接合されたリッドによって拘束されているために絶縁基板はほとんど撓むことができない。その結果、外部回路基板の絶縁基板との実装面が凸となるように撓んでしまう。
【００１３】
この撓みは配線基板と外部回路基板との接続端子のうち、外周に位置する両者の接続部を引き剥がす方向に作用する結果、接続端子が絶縁基板より剥離したり、接続端子にクラックなどが生じ、配線基板を外部回路基板上に長期にわたり安定に維持できないという欠点を有していた。
【００１４】
従って、本発明では、上記のようなリッドを具備する半導体素子用パッケージを外部回路基板に実装した場合においても、強固でかつ長期にわたり安定した電気接続を維持させることのできる長期使用信頼性に顕著に優れた半導体素子用パッケージとその実装構造を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、メタライズ配線層が被着形成されたガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面に接続用電極を備えた半導体素子を載置し、前記メタライズ配線層と前記半導体素子の接続用電極とをロウ付けすることによりフリップチップ実装してなるとともに、前記半導体素子を覆うようにして前記絶縁基板表面に取着され且つその一部をシリコーン樹脂で前記半導体素子の上面に接着されてなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる蓋体と、前記絶縁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を、有機樹脂を含有する絶縁基材を備えた外部回路基板表面に実装してなる実装構造に対して、種々検討した結果、前記絶縁基板の４０〜１５０℃における熱膨張係数を８乃至２０ｐｐｍ／℃で前記外部回路基板の絶縁基材の熱膨張係数よりも小さくするとともに、前記蓋体の熱膨張係数を６ｐｐｍ／℃以上で前記絶縁基板の熱膨張係数よりも小さくすることにより、上記目的が達成できることを見いだした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の半導体素子用パッケージと、その実装構造の一例を示す概略断面図である。図１は、本発明におけるパッケージとして接続端子がボール状端子からなるＢＧＡ型パッケージを例としたものであり、Ａは半導体素子、ＢはＢＧＡ型パッケージ、Ｃは外部回路基板である。
【００１７】
図１において、パッケージＢは、セラミック絶縁基板１の表面および内部にメタライズ配線層２が被着形成されており、またパッケージＢの底面には、接続パッド３が形成され、絶縁基板１の表面および内部に配設されたメタライズ配線層２と電気的に接続されている。この図のＢＧＡ型パッケージにおいては、接続パッド３には、接続端子として球状端子４が半田などにより接続されている。
【００１８】
一方、外部回路基板Ｃは、いわゆるプリント基板からなり、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絶縁基材５の表面に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属からなる接続パッド６が被着形成されたものである。
【００１９】
そして、この外部回路基板Ｃの接続パッド６にパッケージＢの球状端子４が半田７などにより接続されて、パッケージＢが外部回路基板Ｃの表面に実装されている。
【００２０】
パッケージＢを構成する絶縁基板１は、４０℃〜１５０℃における熱膨張係数が８乃至２０ｐｐｍ／℃のセラミックスから構成される。これは、有機樹脂を含む絶縁基材５を具備する外部回路基板Ｃとの長期接続信頼性を得るために必要である。よって、絶縁基板１の熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃よりも小さいか、あるいは２０ｐｐｍ／℃よりも大きいと、外部回路基板Ｃとの熱膨張差が大きくなり、熱膨張差に起因する応力によって接続信頼性が損なわれるためである。
【００２１】
また、パッケージＢの表面に実装される半導体素子Ａの底面に複数の接続用電極８が設けられており、パッケージＢの表面のメタライズ配線層２と半田などのロウ材からなる接続端子９により電気的に接続されており、その周りには通常、熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル剤１０が充填され、補強されている。
【００２２】
本発明によれば、上記の半導体素子ＡをパッケージＢの表面にロウ付け実装した構造において、半導体素子Ａの上面、すなわち、半導体素子ＡのパッケージＢへの実装面の反対側の面には、絶縁基板１より熱膨張係数が低いＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる蓋体（以下、単にリッドという。）１２がシリコーン樹脂１１によって接着されている。さらにはリッド１２は、絶縁基板１と接着剤１３によって接合される。
【００２３】
このような実装構造においては、リッド１２の熱膨張係数が絶縁基板１の熱膨張係数と同等とするために、リッド１２と前記絶縁基板１とを同一材料によって形成した場合、リッド１２と前記絶縁基板１とのヤング率も同等であるため、温度サイクル試験において絶縁基板１と外部回路基板Ｃとの熱膨張差により外部回路基板Ｃには撓みが発生するが、絶縁基板１、リッド１２によって拘束されている結果、絶縁基板１は撓むことができず、前記外部回路基板Ｃと絶縁基板１との接続部に応力が集中し絶縁基板１と外部回路基板Ｃとの接続が不安定になる。
【００２４】
そこで、本発明によれば、リッド１２を絶縁基板１より熱膨張係数の低い材質によって形成し、リッド１２＜絶縁基板１＜外部回路基板Ｃの順に熱膨張係数が大きくなるように組み合わせ、パッケージＢの絶縁基板１を外部回路基板Ｃとの実装面側が凹となるように撓ませることができる結果、熱膨張差により発生する絶縁基板１と外部回路基板Ｃとの接続部に作用する応力を低減することができるのである。
【００２５】
このリッド１２は、上記の熱膨張関係を満足するとともに、その役割上、高熱伝導性を有することが望まれる。具体的には、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）を挙げることができ、この組成を変化させることにより、熱膨張特性を容易に変えることができ、用いるパッケージの絶縁基板の熱膨張特性に合わせて、適宜選択使用する。
【００２６】
本発明において、半導体素子Ａの上面、すなわち、半導体素子ＡのパッケージＢへの実装面の反対側の面にリッド１２を取り付けるには、まず、半導体素子Ａを絶縁基板１に実装後、半導体素子Ａの上面とリッド１２の間にシリコーン樹脂を充填する。そして、リッド１２は接着剤１３で絶縁基板１に取り付けられる。この接着剤としては具体的にはエポキシ樹脂が用いられる。この時、リッド１２の絶縁基板１への取付は、リッド１２が例えば平面的にみて四角形状である場合、絶縁基板１に対して四角形状の全ての周囲を接続すると、リッド１２の絶縁基板１への機械的な拘束力が大きくなってしまうために、絶縁基板１への取付は、四角形状の４隅のみを接続することが望ましい。
【００２７】
なお、本発明におけるパッケージＢの熱膨張係数が８乃至２０ｐｐｍ／℃である絶縁基板１は、本発明者らが先に提案した、例えば、ＢａＯを５乃至６０重量％の割合で含有する低軟化点、高熱膨張のガラスを用いて、所定のフィラーとを混合し焼成した高熱膨張性を有し、しかも１０００℃以下の低温でＣｕなどの低抵抗金属と同時焼成可能なガラスセラミック焼結体からなる。その他、特願平８−３２２０３８号の明細書中に記載されているような、例えば、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＺｎＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス等のガラス成分にエンスタタイト、フォルステライト、フォルステライトとＳｉＯ２  系フィラー、ＭｇＯ、ＺｒＯ２  、ペタライト等の各種セラミックフィラーの複合材料によって形成される。
【００２８】
例えば、上記ガラスに２０乃至９０体積％、上記フィラー８０乃至１０体積％の割合で混合した混合粉末に、適宜有機バインダーを添加してスラリーを作製し、そのスラリーをシート状に成形した後、そのシート状成形体の表面に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどの低抵抗金属を含む導体ペーストを印刷塗布する。また、所望により、シート状成形体の所定箇所にパンチングやレーザー等によりスルーホールを形成して、スルーホール内に前記導体ペーストを充填する。そして、そのシート状成形体を積層圧着して積層体を作製した後、これを大気中あるいは窒素雰囲気で８００乃至１０００℃で焼成することにより絶縁基板を作製することができる。
【００２９】
また、上記リッド１２の上面には、所望により図１に示すように、エポキシ樹脂等の接着剤１４を用いて放熱フィン１５を取着して、半導体素子Ａから発生した熱をさらに効率的に放熱させることもできる。
【００３０】
【実施例】
表１に示す各種セラミック材料について、５ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの形状のセラミック焼結体を作製した後、各焼結体について熱膨張係数を測定した。測定値を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
また、表１に示す各種セラミック焼結体を絶縁基板として用いて、それらに銅からなるメタライズ配線層及びスルーホール導体を形成し、  また、パッケージ上面のスルーホール導体に接続する個所に半導体素子と接続される多数の電極パッドを形成し、さらに底面には、外部回路基板と接続するための接続パッドを形成し、メタライズ配線層、スルーホール導体、電極パッド、接続パッドとともに、絶縁基板と窒素雰囲気中で９５０℃で同時焼成してパッケージを作製した。
【００３３】
そして、パッケージの底面の接続パッドに、高融点半田（Ｓｎ：Ｐｂ重量比＝１０：９０）からなる球状端子を低融点半田（Ｓｎ：Ｐｂ重量比＝６３：３７）により取り付けてパッケージを作製した。作製したパッケージは、縦×横×厚みを４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍとした。
【００３４】
そして、電極パッドにＮｉメッキを施した後、電極パッドに対して、０乃至１００℃における熱膨張係数が２．８ｐｐｍ／℃のＳｉからなる半導体素子を準備し、半導体素子の底面に配設された接続用電極を低融点半田により電極パッドに接続して実装した後、半導体素子とパッケージとの間の空隙にアンダーフィル剤（エポキシ樹脂）を注入し、１８０℃で２時間熱処理して硬化させて半導体素子をパッケージに固着した。
【００３５】
その後、パッケージの上面に実装された半導体素子の上面に高熱伝導性樹脂（シリコーン樹脂）を塗布し、さらに、リッドのパッケージとの接着部に接着剤（エポキシ樹脂）を塗布した後、リッドを位置合わせして１５０℃で硬化させて固着した。
【００３６】
そして、この半導体素子及びリッドを実装したパッケージを、ガラスエポキシ基板からなる−４０乃至１２５℃における熱膨張係数が２０ｐｐｍ／℃の絶縁基材の表面に銅箔からなる接続パッドが形成されたプリント基板に対して、パッケージの球状端子と、プリント基板の接続パッドとが接続されるように位置あわせして低融点半田を用いて窒素雰囲気中で２４０℃で３分間熱処理してパッケージをプリント基板の表面に実装した。
【００３７】
（温度サイクル試験）
上記のようにパッケージをプリント基板表面に実装したものを大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した高温槽に試験サンプルを１５分／１５分の保持を１サイクルとして最高１０００サイクル繰り返した。そして、１００サイクル毎にプリント基板の接続パッドとパッケージとの電気抵抗を測定し電気抵抗に変化が生じるまでのサイクル数を表２に示した。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
表１、表２から明らかなように本発明であるパッケージの絶縁基板よりも熱膨張係数が低い材質からなるリッドを有する実装構造、即ち、試料Ｎｏ．１〜４、８〜１０、１５〜２０では１０００回までの熱サイクル試験においてパッケージとプリント基板との間に電気抵抗変化は全く見られず、  極めて安定で良好な電気的接続を維持した。  上記以外の試料Ｎｏ．５〜７、１１〜１４、２１（本発明外の試料）では熱サイクル試験１０００サイクル未満でパッケージとプリント基板との間に電気抵抗変化が見られ、パッケージとプリント基板の接続部で球状端子が絶縁基板から剥離したり、接続部にクラックなどが生じた。また、絶縁基板材料としてＤ：アルミナを用いた試料Ｎｏ．２２〜２８はパッケージとプリント基板間の実装信頼性が低いものであった。
【００４０】
【発明の効果】
上述した通り、本発明によれば、パッケージの絶縁基板より熱膨張係数の低い材質からなるリッドをパッケージに取り付けることにより、パッケージと外部回路基板との熱膨張差により接続部に作用する応力を低減することができる。これにより、パッケージと外部回路基板との間で接続不良を起こすことが無く、長期にわたり確実で強固な電気的接続を保持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子用パッケージの一実施態様としてＢＧＡ型の半導体素子用パッケージとその実装構造を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  絶縁基板
２  メタライズ配線層
３  接続パッド
４  球状端子
５  絶縁基板
６  接続パッド
７  半田
８  接続用電極
９  接続端子
１０  アンダーフィル材
１１  高熱伝導性樹脂
１２  高熱伝導性蓋体
１３，１４  接着剤
１５  放熱フィン
Ａ  半導体素子
Ｂ  パッケージ
Ｃ  外部回路基板
【図１】
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