(57)【要約】【課題】  はんだを用いてシールリングを接合する際、シールリングに上蓋を溶接する時に発生する熱、及びセラミックパッケージをマザーボードに接合する時の加熱によって、気密封止部が再溶融し、気密を確保できなくなる。【解決手段】  半導体ベアチップを気密封止するセラミックパッケージであって、セラミック回路基板に充填された金属導体と金属蓋をレーザー照射し、レーザー接合による合金層を得ることによって、シールリングを用いることなく上蓋をセラミック回路基板に気密接合する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ベアチップを気密封止するセラミックパッケージであって、
表層に溝と上記半導体ベアチップの収納空間とを有し、当該溝に金属導体が充填され固着したセラミック回路基板と、
上記セラミック回路基板上で上記金属導体と対向して配置され、上記金属導体と接合される上蓋と、
を備えたセラミックパッケージ。
【請求項２】
上記上蓋は、レーザー照射または電子ビーム照射によって形成される合金層により、上記金属導体と接合されることを特徴とする請求項１記載のセラミックパッケージ。
【請求項３】
上記上蓋は、金属蓋、またはセラミックからなるセラミック蓋であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミックパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体ベアチップが気密封止されるセラミックパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスは、半導体ベアチップを保護するために、半導体ベアチップの周りを金属蓋で覆って気密封止する、または半導体ベアチップを樹脂で覆ってベアチップを封止している。半導体ベアチップとしてマイクロ波やミリ波等の高周波信号を処理する高周波回路が用いられる場合、半導体ベアチップを樹脂で封止すると電気特性が劣化する。このため、半導体ベアチップの周囲に金属製の上蓋を接合して気密封止する構造の半導体デバイスを用いた方が性能は向上する。
【０００３】
この気密封止を構成できるパッケージとして選べる材料は、組織が緻密であり、高気密を保てるセラミックまたは金属に限られる。構成部材を減らす観点から、配線回路を形成したセラミック回路基板がパッケージのベース基板として使用される。
【０００４】
セラミック回路基板上に実装された半導体ベアチップを気密封止する方法は２つある。
１つは、セラミック回路基板の上面に半導体ベアチップを収納するための凹みを設けて半導体ベアチップの実装面の高さを下げ、当該上面に上蓋を直接取り付けて気密封止する方法である。もう１つは、半導体ベアチップの周囲にシールリング（金属枠体）を取り付けることにより、半導体ベアチップを収納する気密空間を確保し、シールリング上面に上蓋を取り付けて気密封止する方法である（例えば参考文献１参照）。
【０００５】
上記上蓋をセラミック回路基板上に直接取り付けて封止する方法では、セラミック側が高温度となり破損することを避けるため、溶接は用いられていない。通常、はんだまたは銀（Ａｇ）ろう付けにより上蓋をセラミック回路基板上に接合しているが、接合時にろう材のフラックスが内部に入り込むため、ろう付け後に回路の性能低下につながるという問題がある。
【０００６】
一方、上記のシールリング上に上蓋を接合する方法では、シールリングとセラミック回路基板間をろう付けすることで、セラミック回路基板が高温に晒されることがなくなる。また、ろう付け後にろう材から発生したフラックスを洗浄することが可能である。
【０００７】
一般に、セラミック回路基板としては、１５００℃程度で焼成される高温焼成セラミック（Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ：略称ＨＴＣＣ)と、９００℃未満で焼成される低温焼成セラミック(Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ：略称ＬＴＣＣ)との、２種類がある。
【０００８】
ＨＴＣＣは、シールリングとセラミック回路基板間の接合に９００℃以上の処理温度になるＡｇろう付けを使用することができる。Ａｇは融点が高いため、シーム溶接によって上蓋とシールリング間を接合する際に発生する熱の影響を受けない、という利点がある。しかし、ＨＴＣＣは焼成温度が高いために、回路導体として、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高抵抗の材料しか用いることができないため、導体損失が大きく回路出力が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
このことから、Ａｇ、Ｃｕ等の低抵抗金属を導体として適用できるＬＴＣＣを適用することが望ましい。しかし、ＬＴＣＣ基板の焼成温度が９００℃未満と低いために、シールリングとセラミック回路基板間の接合にＡｇろう付けを用いることができないことから、低温ろう材として、主にはんだが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−４９３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の封止方法では、ＬＴＣＣのセラミック回路基板とシールリングをはんだで接合している。このため、シーム溶接によって上蓋をシールリングに取り付ける際に発生した熱がはんだに伝わり、はんだが再溶融して気密性が得られない場合がある。このような場合、シールリングの熱容量またはセラミック回路基板の熱伝導経路等の複数の条件を考慮した非常に繊細な設計が必要となり、設計が難しくなるという問題があった。また、はんだ接合不良により、はんだ接合部にリークパス（気密漏れ）が生じていても、後から手直しすることができない。
【００１２】
また、電子デバイスをプリント基板のようなマザーボードに搭載する際の接続方法として、ＬＴＣＣパッケージに取り付けられたリード線をはんだ付けする方法、またはＬＴＣＣパッケージにＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ；ボールグリッドアレイ）を設けてはんだ付けする方法がある。これらの接続方法は、パッケージ全体を熱してはんだ接続するリフロー法を用いることによって、電子デバイスをマザーボードに一括接続することができる。しかしながら、リフロー法で発生するリフロー熱によって気密封止部のはんだが再溶融するため、気密構造を保つことが困難であるという問題がある。
【００１３】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、上蓋の接合にはんだを使用しないセラミックパッケージの気密封止構造を得ると共に、セラミックパッケージの他基板への実装時の熱によるはんだの再溶融を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明によるセラミックパッケージは、半導体ベアチップを気密封止するセラミックパッケージであって、表層に溝と上記半導体ベアチップの収納空間とを有し、当該溝に金属導体が充填され固着したセラミック回路基板と、上記セラミック回路基板上で上記金属導体と対向して配置され、上記金属導体と接合される上蓋と、を備えたものである。また、上記上蓋は、レーザー照射または電子ビーム照射によって形成される合金層により、上記金属導体と接合されても良い。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、上蓋をセラミック回路基板に接合し気密封止するセラミックパッケージにおいて、上蓋の接合時またはセラミックパッケージの他基板への実装時の熱による、はんだの再溶融を防ぐことができる。また、気密封止後に、接合部の気密性が不十分である場合についても、接合部の一部の再固着によって気密性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１によるセラミックパッケージの構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１によるセラミックパッケージの製造工程を示す図である。
【図３】実施の形態１によるセラミックパッケージの製造途中の構造を示す上面図である。
【図４】実施の形態２によるセラミックパッケージの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１によるセラミックパッケージの構造を示す断面図である。図１において、セラミックパッケージ９は、はんだボールのような導電性接続部材からなる複数のバンプ７を間に介在して、マザーボード１０上にＢＧＡ実装される、ＢＧＡ型のセラミックパッケージを例に示している。セラミックパッケージ９は、セラミック回路基板１と、金属製の上蓋（以下、金属蓋）４から構成される。セラミック回路基板１上には、半導体ベアチップ２が搭載される。また、セラミック回路基板１と金属蓋４の接合部において、セラミック回路基板１の上層に金属蓋４の接合用の金属導体３が収容されている。金属導体３は、金属蓋４の外周の周縁部で金属蓋４の裏面に対向する位置に配置されている。金属導体３は、例えばＡｇ、パラジウムまたは銅（Ｃｕ）等から形成される（後述する）。
【００１８】
セラミック回路基板１は、一方の面（図１の上面）の表層に、半導体ベアチップ２を実装し、収納するための空間（収納空間）を形成する凹み部（以下、キャビティ）２０が設けられている。キャビティ２０の底面には、導体膜からなる部品ランド５が形成される。部品ランド５は、接地された導体パターン、信号を伝送する配線等からなる。半導体ベアチップ２は、一部の部品ランド５の上面に実装される。また、セラミック回路基板１の一方の面の上層には、キャビティ２０よりも外周寄りに、金属導体３の収容空間を構成する溝２１が形成されている。金属導体３は、セラミック回路基板１の溝２１内に充填され固着されている。金属導体３の上面は、セラミック回路基板１の一方の面よりも、僅かな厚みをもって上方に突出していても良く、概ね同一の高さの面に位置していても良い。また、金属蓋４の接合に影響がない範囲であれば、その接合前に、金属蓋４の下面と金属導体３の上面との間に極く僅少で無視し得る程度の隙間を有していても良い。また、溝２１の形成されるセラミック回路基板１の反対側の他方の面（裏面）には、バンプ７を接合するための導体膜からなるバンプランド６が設けてある。また、セラミック回路基板１のバンプランド６には、複数のバンプ７が、熱圧着またははんだ付けによって接合されている。
【００１９】
マザーボード１０は、例えばガラス基材銅張積層基板のような樹脂基板から構成され、表面に複数のバンプ７を接合するための導体膜からなる複数のバンプランド８が設けられている。また、マザーボード１０の表面には、電気部品（図示せず）、電気部品を実装するための導体からなる部品ランド（図示せず）及び配線パターン（図示せず）等が設けられている。キャビティ２０の底面上にある部品ランド５は、セラミック回路基板１内層の図示しない配線パターン及び導体ビア、バンプランド６等を介して、複数のバンプ７に接続される。また、複数のバンプ７は、マザーボード１０のバンプランド８に接合される。即ち、部品ランド５は、複数のバンプ７を介在して、マザーボード１０のバンプランド８に接続される。金属蓋４と金属導体３の接合部位を金属蓋４の上方からレーザー照射することによって（後述する）、金属蓋４と金属導体３とが溶融して合金層１１が形成される。金属蓋４は、この合金層１１によってセラミック回路基板１の上面に溶接され、固着される。半導体ベアチップ２はキャビティ２０内に収納され、キャビティ２０の上部を塞ぐ金属蓋４の接合によって、セラミックパッケージ９内で気密封止される。
【００２０】
セラミック回路基板１は、９００℃未満で焼結するガラスとアルミナ等を組成とするグリーンシートに、Ａｇ、パラジウムまたは銅（Ｃｕ）を主成分とする導体ペーストを印刷することで、部品ランド５、バンプ６等の配線回路と、溝２１内の金属導体３が形成される。セラミック回路基板１は、グリーンシートに導体ペーストを印刷した後に、グリーンシートを複数枚積層し、積層されたグリーンシートと導体ペーストを８００℃以上９００℃未満の温度で同時に焼成することで、金属導体３を有した低温焼成セラミック基板（以下、ＬＴＣＣ基板）が構成される。また、この焼成によって、金属導体３が溝２１内に固着されることとなる。
【００２１】
次に、セラミックパッケージ９の製造工程について説明する。図２は実施の形態１によるセラミックパッケージの製造工程を示す図である。図２において、（ａ）はセラミック回路基板１にバンプ７を搭載する工程、（ｂ）はセラミック回路基板１に半導体ベアチップ２を搭載する工程、（ｃ）はセラミック回路基板１にカバーを取り付けてレーザー溶接で気密封止する工程、（ｄ）はセラミックパッケージ９をマザーボード１０上に実装する工程、をそれぞれ示す図である。また、図３は、セラミックパッケージ９の製造途中の構造を示す、図２（ｂ）の上面図である。図３において、金属蓋４を取り付ける前に、金属導体３は中央部が抜けた四角枠で示すリング形状をなしている。
【００２２】
まず、図２（ａ）の工程において、セラミックパッケージ９全体を加熱することによって、バンプ７をセラミック回路基板１の上面に接合する。
【００２３】
次に、図２（ｂ）の工程において、半導体ベアチップ２を部品ランド５の上面に取り付け、接着剤やはんだを用いて部品ランド５の上面に接着する。
【００２４】
次に、図２（ｃ）の工程において、金属導体３に覆いかぶさるように金属蓋４を置き、金属蓋４の上方から、金属蓋４における金属導体３が配置される部位の上面に向かって、レーザー１２を照射する。レーザー１２の照射によって金属蓋４及び金属導体３に入射する熱により、カバー４と金属導体３が溶接され、合金層１１が形成される。
【００２５】
図３に示すようなリング形状をなした金属導体３の周長に沿い、金属導体３が配置される部位の上面をなぞるように、金属蓋４に照射するレーザー１２を走査していくことによって、照射点の周囲にスポット的に順次形成される合金層１１が連続的に生成されることで、合金層１１による気密封止構造が金属導体３の全周に沿って形成される。レーザー１２は、間欠的に断続して繰り返し照射されるパルスレーザーを用いる。このパルスの繰り返し周波数を制御することで、一照射点当たりのレーザー１２の冷却時間を設けることができるので、レーザー照射により発生する熱によってセラミック回路基板１が損傷することを防ぐことができる。また、セラミック回路基板１内に金属導体３を設けることによって熱容量を大きくすることができるので、セラミック回路基板１を形成するＬＴＣＣ基材への熱応力の影響を抑えることができる。勿論、パルス繰り返し周波数の設定に際して、隣接するレーザパルスとの時間間隔内でレーザー１２の照射点が移動する距離が、隣接するレーザー１２照射点の距離間隔において接合漏れを生じない程度に、無視し得る大きさとなっていることは謂うまでもない。
なお、ここではレーザー溶接を用いて説明しているが、電子ビーム溶接で代用することも可能である。
【００２６】
次に、図２（ｄ）の工程について説明する。この工程おいて、まずマザーボード１０のバンプランド８上面にはんだクリームを塗布する。次いで、セラミックパッケージ９をマザーボード１０に載置した状態で加熱炉内に搬入し、セラミックパッケージ９とマザーボード１０の全体を加熱炉によって加熱することで、セラミックパッケージ９のマザーボード１０のバンプ７とバンプランド８がはんだ接合される。これによって、セラミックパッケージ９がマザーボード１０に接合されるとともに、マザーボード１０とセラミックパッケージが電気的に接続されることとなる。ここで、レーザー溶接によって形成された合金層１１は融点が十分に高いため、気密封止の接合部位が溶融することはない。かくして、上蓋の接合部位にはんだを用いて気密封止を行う従来のセラミックパッケージのように、熱の影響ではんだが再溶融する問題は解消されることとなる。
【００２７】
また、この気密封止法では、グリーンシートと導体ペーストの同時焼成により、金属導体３がセラミック回路基板１の溝２１内に確実に固着されるので、シールリングのように金属導体３をセラミック回路基板１にはんだ接合する必要がない。即ち、この気密封止法でははんだ接合するシールリングを用いていないため、上蓋をシールリングにシーム溶接またはレーザー溶接するときに、シールリングとセラミック回路基板の接合部におけるはんだの再溶融により、接合部の気密性が損なわれるということはない。加えて、はんだ接合するシールリングがないので、後工程でセラミックパッケージのバンプをマザーボードにはんだ付けする際にも、シールリングとセラミックパッケージの接合部におけるはんだの再溶融によって、接合部の気密性が低下することはない。
【００２８】
さらに、レーザーの照射量が不十分で金属蓋４とセラミック回路基板１の接合部の気密性を確保できないことがあったとしても、気密性を確保できない接合部の一部分について、再び金属蓋４の上から金属蓋４及び金属導体１２の接合部位にレーザー１２または電子ビームを再照射することで、気密性を確保するための修復作業を容易に行うことができる。
【００２９】
以上説明した通り、実施の形態１によるセラミックパッケージは、半導体ベアチップ２を気密封止するセラミックパッケージ９であって、表層に溝２１と上記半導体ベアチップ２の収納空間であるキャビティ２０とを有し、当該溝に金属導体３が充填され固着したセラミック回路基板１と、上記セラミック回路基板１上で上記金属導体３と対向して配置され、上記金属導体３と接合される上蓋である金属蓋４と、を備えたことを特徴とする。また、上記上蓋である金属蓋４は、上記金属蓋４における金属導体３との接合部位へのレーザー照射または電子ビーム照射によって形成される合金層１１により、上記金属導体３との接合がなされる。また、セラミック回路基板１の裏面には、複数のバンプ７がはんだ接合される。
【００３０】
これにより、上蓋である金属蓋４をセラミック回路基板１に接合し気密封止するセラミックパッケージにおいて、当該接合部位へのレーザー照射または電子ビーム照射によって、上蓋である金属蓋４と金属導体３を固着することができるので、当該接合部位にはんだを使用せずに、上蓋である金属蓋４をセラミック回路基板１に接合することが可能となる。また、レーザ溶接による熱は金属蓋４及び金属導体３の周辺から周囲に放熱される。このため、金属蓋４の接合時の熱によって、セラミックパッケージに使用される部品実装またはＢＧＡ実装等のはんだ（例えば、部品ランド５上のはんだ、複数のバンプ７を接合するはんだ等）についても、その再溶融を防ぐことができる。加えて、上蓋である金属蓋４とセラミック回路基板１の接合部位にはんだを使用しないので、セラミックパッケージのＢＧＡを他基板へ実装する時の熱による、当該接合部位の再溶融を生じることもない。また、気密封止後に、上蓋である金属蓋４とセラミック回路基板１の接合部の一部分の気密性が不十分である場合についても、当該気密漏れを生じる接合部の一部に、再度レーザ照射または電子ビーム照射を行うことによって、当該接合部の一部を再固着することができるので、セラミックパッケージの充分な気密性を確保することが可能となる。
【００３１】
実施の形態２．
図４は、この発明に係る実施の形態２によるセラミックパッケージの構造を示す断面図である。図において、図１と同一符号のものは同一相当のものを示しており、同一の構成及び効果を有している。図２のセラミックパッケージは、図１に記載した金属蓋４の代わりとして、気密封止用の上蓋にセラミックからなるセラミック蓋１４を用いることを特徴としている。
【００３２】
この実施の形態２では、気密封止用の上蓋にセラミック蓋１４を用いて、金属導体３とセラミック蓋１４の接合部位に、合金層１１と同様の合金層１３が形成される。このとき、セラミック蓋１４とセラミック回路基板１の熱膨張率を揃えることができるので、溶接時のセラミック蓋１４とセラミック回路基板１の変形を低減することが可能となる。
【００３３】
以上説明した実施の形態１、２によるセラミックパッケージは、ＬＴＣＣ基板の気密性を損なわないための、セラミック回路基板と上蓋の接合方法を得るために用いるのが良い。また、高温焼成セラミック基板への適用も可能であって、Ａｇろう付けのような高温処理が必要なくなるので、高温焼成セラミック基板へのダメージも非常に小さく抑えることができる効果を奏する。
【符号の説明】
【００３４】
１  セラミック回路基板、２  半導体ベアチップ、３  金属導体、４  金属蓋（上蓋）、５  部品ランド、６  バンプランド、７  バンプ、８  バンプランド、９  セラミックパッケージ、１０  マザーボード、１１  合金層、１２  レーザー  １３  合金層、１４  セラミック蓋（上蓋）、２０  キャビティ（収納空間）、２１  溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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