(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線導体が配設された絶縁基体上に、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ようにして形成された枠状のダム部を有する半導体素子搭載用配線基板であって、前記ダム部は、内側の側面が階段状であり、各段の側面と上面との間に丸みを有することを特徴とする半導体素子搭載用配線基板。
【請求項２】
前記ダム部は、高さが０．０５〜０．５ｍｍであり、前記各段の厚みが１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子搭載用配線基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された半導体素子搭載用配線基板と、前記搭載部に搭載された半導体素子と、前記ダム部の内側で前記絶縁基体と前記半導体素子との間に充填された樹脂製充填材とを備えていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線導体を有する絶縁基体上に半導体素子をフリップチップ接続法により搭載するようになした半導体素子搭載用配線基板およびこの半導体素子搭載用配線基板に半導体素子をフリップチップ接続法により搭載するとともに半導体素子と絶縁基体との間に樹脂製充填材を充填して成る半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、コンピュータ等の電子機器の小型化や薄型化に対応した半導体装置として、例えば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絶縁基体の上面中央部に半導体素子が搭載される搭載部を有するとともにその搭載部から下面にかけて配線導体が配設されて成る半導体素子搭載用配線基板を準備し、この半導体素子搭載用配線基板の搭載部に半導体素子を半田や金等から成るバンプを介してフリップチップ接続法により搭載して、しかる後、この半導体素子と絶縁基体との間にアンダーフィルと呼ばれる液状の樹脂製充填材を充填するとともにこれを熱硬化させ、この熱硬化した樹脂製充填材により半導体素子を保護するとともに絶縁基体と半導体素子とを固着して成る半導体装置が知られている。
【０００３】
なお、この半導体装置における半導体素子搭載用配線基板は、いわゆるセラミックグリーンシート積層法によって製作されている。具体的には、セラミックス原料粉末を有機バインダで結合して成る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配線導体となる金属ペーストを所定のパターンに印刷塗布し、このセラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに高温で焼成することによって製作されている。
【０００４】
しかしながら、この半導体装置によると、半導体素子搭載用配線基板の搭載部に半導体素子を半田や金から成るバンプを介してフリップチップ接続法により搭載した後、絶縁基体と半導体素子との間に液状の樹脂製充填材を充填することから、充填した液状の樹脂がその流動性により絶縁基体上で樹脂製充填材が不要な部分にまで流れ広がり、これが半導体装置としての機能に悪影響を及ぼしたり、半導体装置の外観を著しく損ねたりするという問題点があった。
【０００５】
そこで、上記問題点を解決するために、図３に断面図で示すように、絶縁基体１１の上面中央部に半導体素子１２がフリップチップ接続法により搭載される搭載部１１ａおよびこの搭載部１１ａから下面に導出する配線導体１３を有するとともに、この搭載部１１ａを取り囲むようにして形成された所定高さの枠状のダム部１４を有する半導体素子搭載用配線基板を準備し、この半導体素子搭載用配線基板の搭載部１１ａに半導体素子１２を半田や金等から成るバンプ１５を介してフリップチップ接続法により搭載し、その後、ダム部１４の内側で絶縁基体１１と半導体素子１２との間に液状の樹脂製充填材１６を充填し、これを熱硬化させて成る半導体装置が提案されている。
【０００６】
このような半導体装置によると、搭載部１１ａを取り囲むダム部１４の内側で絶縁基体１１と半導体素子１２との間に液状の樹脂製充填材１６を充填すると、液状の樹脂製充填材１６が不要な部分にまで流れ広がるのがダム部１４により有効に防止される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の半導体素子搭載用配線基板においては、ダム部１４は通常、枠状に打ち抜いたセラミックグリーンシートを半導体素子搭載用配線基板となるセラミックグリーンシートの積層体の最上層に積層し、それを焼成することによって搭載部１１ａを取り囲むように形成されている。
【０００８】
このようにして形成されたダム部１４は、セラミックグリーンシートを打ち抜き、これを焼成することにより形成されていることから、その内側の側面が絶縁基体１１の上面に対して略垂直となっている。
【０００９】
そして、このダム部１４の内側で絶縁基体１１と半導体素子１２との間に液状の樹脂製充填材１６を充填してこの樹脂製充填材１６を熱硬化させると、樹脂製充填材１６が熱硬化する際に収縮することによりダム部１４と樹脂製充填材１６との間に大きな引っ張り応力が発生する。
【００１０】
さらに、絶縁基体１１を形成するセラミックスの熱膨張係数が４×１０−６〜１０×１０−６／℃程度であるのに対して樹脂製充填材１６の熱膨張係数が３０×１０−６〜５０×１０−６／℃程度であり、両者の熱膨張係数が大きく相違することから、半導体素子１２を作動させると、その作動時に発生する熱により絶縁基体１１と樹脂製充填材１６との間に両者の熱膨張係数の相違に起因して大きな熱応力が発生する。
【００１１】
このような応力は、互いに重畳してダム部１４と樹脂製充填材１６との接合面に対して作用し、この応力が最も集中する部位であるダム部１４と樹脂製充填材１６との接合面の上端部からダム部１４と樹脂製充填材１６との間に剥離を発生させる。なお、ダム部１４と樹脂製充填材１６との間に作用する応力は、ダム部１４と樹脂製充填材１６との接合面に対して垂直な方向に作用する成分が大きい程、ダム部１４と樹脂製充填材１６とを引き剥がす力が大きくなるのでダム部１４と樹脂製充填材１６とが剥離しやすくなる。
【００１２】
そして、ダム部１４と樹脂製充填材１６との間に剥離が発生すると、半導体素子１２の作動および停止の繰り返しに伴って、この剥離が次第に絶縁基体１１の中心部に向かって徐々に進行していき、ついには樹脂製充填材１６が絶縁基体１１から完全に剥離してしまい、半導体素子１２を良好に保護することができなくなってしまうという問題点があった。また、半導体素子１２の電極と半導体素子搭載用配線基板の配線導体１３とを接合している半田や金等の接続用バンプ１５の剥離を誘発させることによって、半導体素子１２の電極と絶縁基体１１の配線導体１３との電気的な接続が切断され、その結果、半導体素子１２を長期間にわたり安定に作動させることができなくなってしまうという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、絶縁基体と半導体素子とを樹脂製充填材により強固に固着させ、半導体素子を良好に保護するとともに半導体素子の電極と配線導体との電気的な接続を完全なものとして半導体素子を長期間にわたり安定に作動させることができる半導体素子搭載用配線基板およびこれを用いた半導体装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子搭載用配線基板は、配線導体が配設された絶縁基体上に、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ようにして形成された枠状のダム部を有する半導体素子搭載用配線基板であって、前記ダム部は、内側の側面が階段状であり、各段の側面と上面との間に丸みを有することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の半導体素子搭載用配線基板は、好ましくは、前記ダム部は、高さが０．０５〜０．５ｍｍであり、前記各段の厚みが１０〜１００μｍであることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子搭載用配線基板と、前記搭載部に搭載された半導体素子と、前記ダム部の内側で前記絶縁基体と前記半導体素子との間に充填された樹脂製充填材とを備えていることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の半導体素子搭載用配線基板および半導体装置について添付の図面を基にして詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の半導体素子搭載用配線基板およびこれを用いた半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、２は配線導体、３はダム部、４は半導体素子、５は樹脂製充填材である。これらのうち、絶縁基体１と配線導体２とダム部３とで本発明の半導体素子搭載用配線基板が構成されており、この半導体素子搭載用配線基板と半導体素子４および樹脂製充填材５とにより本発明の半導体装置が構成されている。
【００１９】
絶縁基体１は、例えば大きさが数ｍｍ〜数ｃｍ角程度の略四角形の平板であり、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形成されている。
【００２０】
この絶縁基体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。
【００２１】
絶縁基体１は、半導体素子４を支持するための支持基板として機能し、その上面中央部に半導体素子４を搭載するための搭載部１ａを有している。この搭載部１ａには半導体素子４が半田や金から成るバンプ６を介してフリップチップ接続法により搭載される。
なお、半導体素子４は、例えばシリコンやガリウム砒素等の半導体材料から形成されている集積回路素子等の電子回路用素子である。
【００２２】
そして半導体素子４の搭載部１ａへの搭載は、半導体素子４の能動面に形成された入出力用の各電極に半田や金から成るバンプ６を溶着や圧着により予め取着させておくとともにこのバンプ６を後述する配線導体２の搭載部１ａに導出した部位に当接させ、両者を溶着や圧着により接合することによって行なわれる。
【００２３】
半導体素子４が搭載される絶縁基体１の搭載部１ａにはタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成る配線導体２の一端部が導出しており、この配線導体２の他端部は絶縁基体１の内部を介して絶縁基体１の下面に導出している。
【００２４】
この配線導体２は半導体素子４の各電極を外部電気回路に電気的に接続するための導電路として機能し、上述したように、その搭載部１ａに導出した部位には半導体素子４の各電極が半田や金等の接続用バンプ６を介して電気的に接続される。また、配線導体２の絶縁基体１の下面に導出した他端部は、図示しない外部電気回路基板の接続用導体に半田等を介して接続され、これによって、半導体素子４の各電極が外部の電気回路に接続されることとなる。
【００２５】
このような配線導体２は、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の搭載部１ａから下面に導出するようにして所定のパターンに被着形成される。なお、配線導体２の表面には、通常、この配線導体２が酸化腐食するのを防止するとともに配線導体２とバンプ６との接続および配線導体２の外部電気回路基板の接続用導体との半田を介した接続を容易かつ強固なものとするために、ニッケルめっき膜および金めっき膜が順次被着されている。
【００２６】
また、絶縁基体１の搭載部１ａに半導体素子４をバンプ６を介してフリップチップ接続法により搭載した後は、後述するダム部３の内側で絶縁基体１と半導体素子４との間に例えばエポキシ樹脂から成る樹脂製充填材５が液状で充填された後、熱硬化されて半導体装置が完成する。
【００２７】
この樹脂製充填材５は、その厚さが例えば数十μｍ〜数百μｍ程度であり、絶縁基体１と半導体素子４との間に充填されることにより、半導体素子４を保護するとともに半導体素子４を絶縁基体１に強固に固着させる作用をなす。また、半導体装置の仕様に応じて、熱膨張率の調整や熱伝導性向上のための各種フィラーを含有してもよい。
【００２８】
なお、絶縁基体１と半導体素子４との間への液状の樹脂製充填材６の充填は、例えば従来周知のディスペンサを用いて行なえばよい。また、樹脂製充填材５の熱硬化は、例えばオーブン等により１００  〜１５０  ℃の温度に加熱することにより行なえばよい。
【００２９】
さらに、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枠状のダム部３が形成されている。
【００３０】
ダム部３は、例えば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５層の厚膜３ａ〜３ｅをその内側の側面が階段状となるように積層して成る。そして、絶縁基体１の搭載部１ａに半導体素子４をバンプ６を介してフリップチップ接続法により搭載した後、絶縁基体１と半導体素子４との間に液状の樹脂製充填材５を充填する際に、液状の樹脂製充填材５がその流動性により絶縁基体１上で樹脂製充填材５が不要な部分にまで流れ広がるのを防止する作用をなす。
【００３１】
このダム部３は、例えば５層のセラミック厚膜３ａ〜３ｅをその内周面である内側の側面が階段状となるように積層してなることから、絶縁基体１の搭載部１ａに半導体素子４をバンプ６を介してフリップチップ接続法により搭載し、絶縁基体１と半導体素子４との間に液状の樹脂製充填材５を充填してこれを硬化させた後、樹脂製充填材５の硬化時の収縮による応力や半導体素子４が作動時に発生する熱による応力がダム部３と樹脂製充填材５との間に印加されたとしても、その応力は階段状となっているダム部３の内側の側面によりダム部３と樹脂製充填材５との接合面に対して垂直方向に作用する成分が良好に低減分散され、これによりダム部３と樹脂製充填材５との間における剥離の発生を有効に防止することができる。
【００３２】
ダム部３は、例えばその幅が１〜１０ｍｍ程度であり、その高さが０．０５〜０．５  ｍｍ程度である。そして、各セラミック厚膜３ａ〜３ｅの厚みは、それぞれ１０〜１００  μｍ程度である。また、その内側の側面に形成される各段の幅は０．０１〜１ｍｍ程度としておけばよい。
【００３３】
なお、ダム部３は、その表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）をＲａ≧０．６５μｍとしておくと、ダム部３の表面の凹凸と樹脂製充填材５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、ダム部３は、その表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。
【００３４】
一方、この中心線平均粗さ（Ｒａ）がＲａ＞１０μｍとなると、ダム部３をセラミック厚膜３ａ〜３ｅで形成することが困難となる傾向にあり、またダム部３の表面の微細な凹凸が樹脂性充填材５で十分に濡れない部分が生じる傾向もあるため、ダム部３の表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）はＲａ≦１０μｍとしておくことが好ましい。
【００３５】
さらに、ダム部３は、絶縁基体１と実質的に同じ組成のセラミックスで形成しておくと、絶縁基体１とダム部３との熱膨張係数が略同一となり、絶縁基体１とダム部３とに例えば半導体素子４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、ダム部３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、ダム部３は絶縁基体１と実質的に同じ組成のセラミックスで形成することが好ましい。
【００３６】
このようなダム部３は、例えば各セラミック厚膜３ａ〜３ｅが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上に従来周知のスクリーン印刷法を採用して各セラミック厚膜３ａ〜３ｂに対応した枠状のパターンとなるように順次印刷して積層し、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の上面の封止部１ｂに所定の枠状に被着形成される。
【００３７】
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ダム部３の表面の表面粗さは、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いため、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。
【００３８】
また、絶縁基体１となるセラミックグリーンシート上に印刷された各セラミック厚膜３ａ〜３ｅとなる各セラミックペーストは、その側面と上面との間がセラミックペーストの表面張力に起因して丸みを呈したものとなり、この丸みによってもダム部３と樹脂製充填材５との接合面に印加される応力を良好に分散することができる。
【００３９】
かくして、本発明の半導体素子搭載用配線基板および半導体装置によれば、樹脂製充填材５が絶縁基体１上の不要な部分に流れ広がることがなく、かつ半導体素子４を樹脂製充填材５により良好に保護することができるとともに、半導体素子４の電極と絶縁基体１の配線導体２との電気的な接続を完全なものとして半導体素子４を長期間にわたり安定に作動させることができる。
【００４０】
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ダム部３はその内側の側面が階段状となっていたが、ダム部３は必ずしもその内側の側面が階段状となっている必要はなく、例えば図２に要部拡大断面図で示すように、ダム部３はその内側の側面が傾斜面となっていてもよい。この場合であっても、樹脂製充填材５の硬化時の収縮による応力や半導体素子４が作動時に発生する熱による応力がダム部３と樹脂製充填材５との間に印加されたとしても、その応力は傾斜面となっているダム部３の内側の側面によりダム部３と樹脂製充填材５との接合面に対して垂直方向に作用する成分が良好に低減分散され、これによりダム部３と樹脂製充填材５との間に剥離が発生することを有効に防止することができる。このような傾斜面は、ダム部３を構成する各セラミック厚膜３ａ〜３ｅとなる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上にスクリーン印刷法を採用して順次印刷塗布する際に、各セラミック厚膜３ａ〜３ｅとなるセラミックペーストの厚みと幅ならびに粘度を適宜調整することによって形成可能である。
【００４１】
さらに、上述の実施の形態の一例ではダム部３は５層のセラミック厚膜３ａ〜３ｅを積層することによって形成されていたが、ダム部３は２〜４層のセラミック厚膜を積層することによって形成されていてもよいし、さらには６層以上のセラミック厚膜を積層することによって形成されていてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体素子搭載用配線基板および半導体装置によれば、絶縁基体に形成されたダム部が複数層のセラミック厚膜を積層して成り、その内側の側面が階段状または傾斜面となっていることから、絶縁基体の搭載部に半導体素子をフリップチップ接続法により搭載し、ダム部の内側で絶縁基体と半導体素子との間に液状の樹脂製充填材を充填してこれを熱硬化させた後、樹脂製充填材の硬化時の収縮による応力や半導体素子が作動時に発生する熱による応力がダム部と樹脂製充填材との間に印加されたとしても、その応力は階段状または傾斜面となっているダム部の内側の側面によりダム部と樹脂製充填材との接合面に対して垂直方向に作用する成分が良好に低減分散されるため、ダム部と樹脂製充填材との間における剥離の発生を有効に防止することができ、その結果、樹脂製充填材が絶縁基体上の不要な部分に流れ広がることがなく、かつ半導体素子を樹脂製充填材により良好に保護することができるとともに、半導体素子の電極と絶縁基体の配線導体との電気的な接続を完全なものとして半導体素子を長期間にわたり安定に作動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子搭載用配線基板およびこれを用いた半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体素子搭載用配線基板およびこれを用いた半導体装置の実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。
【図３】従来の半導体素子搭載用配線基板およびこれを用いた半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基体
１ａ・・・・搭載部
２・・・・配線導体
３・・・・ダム部
４・・・・半導体素子
５・・・・樹脂製充填材
【図１】
0003618060.tif 000002
【図２】
0003618060.tif 000003
【図３】
0003618060.tif 000004