(57)【要約】【課題】リードピンにおける接合強度を大きくして電気的接続の信頼性を充分なものとすること。【解決手段】半導体素子収納用パッケージは、上面にメタライズ層２から成る半導体素子Ａの搭載部が形成されたセラミックスから成る基体１と、基体１の下面に形成され、断面が略円形の貫通導体３を介してメタライズ層２に電気的に接続された略円形の電極５と、一端に形成された略円形の大径部６ａが電極５に同軸状にロウ付けされたリードピン６とを具備し、貫通導体３は、大径部６ａの直径をＲとしたとき、電極５の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が基体１の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出してそれぞれ電極５に突出部８を形成している。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面にメタライズ層から成る半導体素子の搭載部が形成されたセラミックスから成る基体と、該基体の下面に形成され、断面が略円形の貫通導体を介して前記メタライズ層に電気的に接続された略円形の電極と、一端に形成された略円形の大径部が前記電極に同軸状にロウ付けされたリードピンとを具備しており、前記貫通導体は、前記大径部の直径をＲとしたとき、前記電極の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が前記基体の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出してそれぞれ前記電極に突出部を形成していることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項２】
請求項１記載の半導体素子収納用パッケージと、前記搭載部に下面が接合されて搭載された半導体素子と、該半導体素子の上方を覆うように前記基体の上面の外周部に接合された蓋体とを具備した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、ＬＳＩ，ＩＣなどの半導体素子を収容するピングリッドアレイパッケージやフラットパッケージ等として用いられる半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体等からなるＰＧＡ（Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）パッケージやフラットパッケージにおけるリードピンの接合構造としては、図３に示すような構造が一般的であった。すなわち、例えばアルミナセラミックスからなる基体１の上面に、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）などからなる、半導体素子Ａの搭載部としてのメタライズ層２が形成されている。
【０００３】
このメタライズ層２は、基体１を上下方向に貫通する複数本の貫通導体３によって内層導体層４に接続されるとともに、下面の電極５に接続される。メタライズ層２や電極５の表面には、ニッケル（Ｎｉ）、またはＮｉおよび金（Ａｕ）からなるメッキ層が形成されており、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ−Ｃｏ（コバルト）合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなるリードピン６の一端の大径部６ａが、銀（Ａｇ）ロウ７を介して接合されている。
【０００４】
この接合に際しては、ロウ材からなる半球状の先端部（バンプ）を大径部６ａ上に有するリードピン６を、カーボン治具に形成された所定の貫通穴に大径部６ａを上にして予め配置しておき、リードピン６上に基体１の下面の電極５が当接するようにして基体１を載置し、必要な荷重をかけながらブレージング炉で加熱することによってリードピン６が電極５に接合され立設する。
【０００５】
また、貫通導体３と基体１とを隙間なく接合させるために、貫通導体３となる導体ペーストの収縮率は基体１となるセラミックグリーンシートの収縮率よりも若干小さく設定されており、そのため貫通導体３は基体１の下面から数μｍ〜十数μｍ突出している。
【０００６】
そして、厚さが十数μｍ〜３０μｍの電極５が貫通導体３の下端面を覆うように形成されることにより、基体１上面のメタライズ層２と電気的に接続される。このとき、基体１下面で突出している貫通導体３の下端部に相当する電極５の部位は、数μｍ〜十数μｍの長さで下方に突出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体素子収納用パッケージにおいては、大径部６ａと電極５との接合に際して、予め大径部６ａに設けられたバンプが加熱されて溶解する際に、リードピン６の長さや大径部６ａの厚さにバラツキがあるため、大径部６ａと電極５との間のＡｇロウの厚さが数μｍ〜十数μｍと薄くなるものが生ずる。この場合、大径部６ａと電極５との間に溜まるべきＡｇロウが外に押し出され、大径部６ａの側面にＡｇロウが多く溜まって良好なメニスカスが形成されなくなり、リードピン６の接合強度が劣化することになる。
【０００８】
また、リードピン６の大径部６ａの側面に溜まったＡｇロウが、電極５の外周部に流れてこの付近の電極５の熱膨張を高めに変化させてしまい、例えば−５５〜＋１２５℃のヒートサイクル試験を行うと、電極５の外周部から基体１の内部方向にマイクロクラックが発生して、その後リードピン６の引張り試験を行うと電極５がその外周部から基体１をえぐるようにして剥れてしまうことがあった。このように、従来の引張り強度の半分以下の強度で電極５が基体１から剥がれる場合があった。
【０００９】
また、貫通導体３の導体抵抗が導体ペーストの充填不良により大きくなったり、貫通導体３が途中で断線するという不具合が発生する場合があった。
【００１０】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、基板の下面に接合したリードピンが容易に剥がれることがなく、信頼性の高い半導体パッケージを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面にメタライズ層から成る半導体素子の搭載部が形成されたセラミックスから成る基体と、該基体の下面に形成され、断面が略円形の貫通導体を介して前記メタライズ層に電気的に接続された略円形の電極と、一端に形成された略円形の大径部が前記電極に同軸状にロウ付けされたリードピンとを具備しており、前記貫通導体は、前記大径部の直径をＲとしたとき、前記電極の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が前記基体の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出してそれぞれ前記電極に突出部を形成していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、貫通導体は、リードピンの大径部の直径をＲとしたとき、電極の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が基体の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出してそれぞれ電極に突出部を形成していることから、半導体素子収納用パッケージがブレージング炉で加熱された際に、リードピンの大径部上に設けられたロウ材のバンプが溶解することにより、貫通導体の下端に形成された電極の表面において、下方に突出して形成された突出部に大径部が接触する状態となりブレージングが完了する。このとき、ロウ材が電極の突出部の表面にも流れて突出部間にロウ材が速やかに行き渡ることとなり、よって大径部の側面から電極の突出部の周囲にかけて良好な形状のメニスカスが速やかに生成される。従って、大径部と電極との隙間に溜まったロウ材と併せてリードピンの強固な接合を実現することができる。
【００１３】
本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記搭載部に下面が接合されて搭載された半導体素子と、該半導体素子の上方を覆うように前記基体の上面の外周部に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた信頼性が高いものとなる。
【００１５】
【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を以下に詳細に説明する。図１，図２は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示すものであり、図１は半導体パッケージの断面図、図２（ａ）は半導体パッケージの要部拡大断面図、（ｂ）は要部拡大平面図である。図１において、１は基体、２はメタライズ層、３は貫通導体、３ａは下端、４は導体層、５は電極、６はリードピン、６ａは大径部、７はロウ材、７ａはメニスカスである。また図２において、８は突出部を示す。
【００１６】
本発明の半導体パッケージは、上面にメタライズ層２から成る半導体素子Ａの搭載部が形成されたセラミックスから成る基体１と、基体１の下面に形成され、断面が略円形の貫通導体３を介してメタライズ層２に電気的に接続された略円形の電極５と、一端に形成された略円形の大径部６ａが電極５に同軸状にロウ付けされたリードピン６とを具備し、貫通導体３は、大径部６ａの直径をＲとしたとき、電極５の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が基体１の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出してそれぞれ電極５に突出部８を形成している。
【００１７】
本発明の基体１は、半導体素子Ａの搭載部としてのメタライズ層２が上面に、電極５が下面に形成されており、メタライズ層２と電極５とは基体１の内部に形成された貫通導体３により互いに電気的に接続されている。また、メタライズ層２および電極５は、表面の酸化を防止するとともにロウ材７との濡れ性を良好にするために、ニッケル（Ｎｉ）メッキ層や金（Ａｕ）メッキ層などのメッキ層を被着させておくと良い。
【００１８】
半導体素子Ａは、例えば基体１の上面に半田を介して接合されている。また、基体１の電極５にはロウ材７を介してリードピン６が接合されている。リードピン６は半導体素子Ａを外部の電気回路装置に接合するために用いられる。
【００１９】
この基体１を有する半導体パッケージは以下のようにして作製される。基体１が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体（セラミックス）から成る場合、Ａｌ２Ｏ３粉末に焼結助材としてシリカ（ＳｉＯ２），マグネシア（ＭｇＯ），カルシア（ＢａＯ）等の粉末を添加し、さらに適当なバインダ、溶剤および可塑剤を添加し、次にこれらの混合物を混錬してスラリー状となす。その後、従来周知のドクターブレード法等の成形方法によって多数個取り用のセラミックグリーンシートを得る。
【００２０】
このセラミックグリーンシートを用いて以下の［１］〜［１１］で示す工程により基体１が作製される。
【００２１】
［１］貫通導体３を上面から下面にかけて形成するための貫通孔を打ち抜き法で形成する。
【００２２】
［２］貫通孔にタングステンを主成分とする導体ペーストを充填する。
【００２３】
［３］メタライズ層２および電極５となる導体層をスクリーン印刷法により形成する。
【００２４】
［４］セラミックグリーンシートを積層してセラミックグリーンシート積層体を作製する。
【００２５】
［５］貫通孔に充填された貫通導体３となる導体の下端面に、導体ペーストをスクリーン印刷法により印刷することにより、突出部８となる柱状導体を形成する。このとき、柱状導体の高さはスクリーン印刷において版に貼りつける目止め用樹脂の厚さを変えることによって任意な高さとすることができる。また、乾燥後にグリーンシートを低圧でプレスすることで柱状導体の高さを略揃えることができる。
【００２６】
そして、突出部８が形成されることにより、リードピン６をロウ材７を介して接合するに際し、リードピン６は大径部６ａとメタライズ層２との間で速やかに均一なメニスカス７ａが形成され、またその表面積を略一定とすることができ、これにより強固かつ信頼性の高い接合構造を実現できる。
【００２７】
［６］このセラミックグリーンシート積層体を個々の基体１となる積層体に切断分離し、これらを例えば約１６００℃の高温で約２時間焼成して各導体層を有する焼結体を得る。このとき、基体１は突出部８が形成される下面を上にして焼成され、よって基体１の下面において基体１から突出する突出部８が形成される。
【００２８】
本発明の貫通導体３は、大径部６ａの直径をＲとしたとき、電極５の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円５ａ｛図２（ｂ）｝の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が基体１の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出している。
【００２９】
円５ａの直径が０．８Ｒ未満では、突出部８によるメニスカス７ａの誘導形成が困難になり、接合強度が小さくなり易い。また、円５ａの直径がＲを超えると、リードピン６が斜めに傾いて接合されてしまう場合がある。
【００３０】
また突出部８の高さ（上下方向の長さ）がＲ／８未満では、メニスカス７ａの面積が小さくなるとともに、大径部６ａと電極５との間におけるロウ材７の体積が少なくなるため、リードピン６の充分な接合強度が得られなくなる傾向がある。突出部８の高さがＲ／４を超えると、ロウ材７中にボイドが発生し易くなり、このボイドにより接合強度が小さくなったり、導体抵抗が増加して、例えば高周波信号を伝送する場合に伝送遅延などを招来してしまう。
【００３１】
［７］各導体層を保護して酸化防止するとともにロウ付けを容易にするために、Ｎｉメッキ層やＡｕメッキ層から成る金属メッキ層を各導体層の表面に被着する。
【００３２】
［８］リードピン６の大径部６ａに、ロウ材７となる例えば円柱状のＡｇロウを横にして接着剤などで仮止めした状態で、非酸化性雰囲気とされたブレージング炉内で約９００℃の温度で溶融させることにより、大径部６ａにＡｇロウから成る半球状の先端部（バンプ）を形成する。
【００３３】
［９］複数のリードピン６を、これを挿通させる孔が所定の間隔で複数穿設されたカーボン治具（図示せず）を用いて基体１表面の所定位置に配置する。このとき、予めカーボン治具の各孔にリードピン６を振動させながら振り込ませることのできる治具を用意し、各孔にリードピン６の本体を下にして１本ずつ挿入する。リードピン６の表面には、酸化防止とロウ材７や半田との濡れ性を向上させるために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉメッキ層などの金属メッキ層をあらかじめ被着させておくと良い。
【００３４】
［１０］基体１をカーボン治具上に、基体１の電極５が各リードピン６の大径部６ａに当接するように載置し、ブレージング炉中で８７０℃程度の温度で加熱することにより、基体１の所定位置にリードピン６をロウ材７を介して突設する。
【００３５】
［１１］リードピン６が突設された半導体パッケージの全体に厚さ０．５〜９μｍのＮｉメッキ層および厚さ０．５〜５μｍのＡｕメッキ層を被着する。
【００３６】
以上の工程により、基体１は、ロウ材７を介してリードピン６が下面の電極５に突設された状態となり、リードピン６の接合部には突出部８の作用によりロウ材７による良好な形状のメニスカス７ａが形成されるとともに接合強度を確保するのに充分な体積のロウ材７が接合部に保持された状態となる。その結果、リードピン６の接合強度が向上するとともに、リードピン６を介して伝送される高周波信号の反射損失を小さくすることができ、半導体装置として良好な作動状態が得られる。
【００３７】
また、それぞれの電極５に対して３本形成した貫通導体３のいずれかが導通不良となったとしても、残る貫通導体によってカバーされるので、導体抵抗異常や断線不良は解消される。この貫通導体３の直径は０．１５〜０．３ｍｍ程度が好ましい。０．１５ｍｍ未満では、量産性に難がある。０．３ｍｍを超えると、電極５の面積を大きくしなければならなくなり、そのために基体１の大きさが大きくなってしまう。
【００３８】
さらに、メニスカス７ａは、突出部８が形成されているために、突出部８によってロウ材７の流れが誘導され、ロウ材７の流れ性が良好となり、その結果、表面が極めて滑らかなものとなっている。
【００３９】
上記のようにして得られた基体１の搭載部に半導体素子Ａを固定し、基体１の上面の外周部にキャップ状等の蓋体を接合したり、基体１の上面の外周部に枠体を介して板状の蓋体を接合することにより、半導体装置が得られる。そして、リードピン６が、外部電気回路基板等における半田バンプが予め形成された電極上に当接され、半田が再溶融する温度に加熱される。これにより、リードピン６が半田を介して外部電気回路基板等の電極に接合され、半導体装置と外部電気回路装置との電気的な接合がなされる。
【００４０】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体パッケージと、搭載部に下面が接合されて搭載された半導体素子Ａと、半導体素子Ａの上方を覆うように基体１の上面の外周部に接合された蓋体とを具備している。本発明の半導体装置は、接合の信頼性が良くかつ接合強度が大きいリードピン６を介して高周波信号を半導体素子Ａに伝送することができる。従って、大容量の情報を高速に処理する半導体装置として機能し、ＬＳＩ用以外に例えばＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ　Ｃｈｉｐ　Ｍｏｄｕｌｅ）等にも好適に用いられる。
【００４１】
【実施例】
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
【００４２】
まず、電極５におけるリードピン６を接合する円５ａの直径を種々に設定したサンプルを以下の工程［１］〜［５］のようにして作製した。
【００４３】
［１］厚さが１．５ｍｍ、縦約２０ｍｍ、横約３０ｍｍのセラミックグリーンシートにおいて、電極５に対する円５ａの位置を次のようにした。電極５の直径を２ｍｍとし、リードピン６の大径部６ａの直径Ｒを０．５，０．７５，１，１．２５，１．５（ｍｍ）として、Ｒが０．５ｍｍの場合に円５ａの直径を０．３５，０．４，０．４５，０．５，０．５５（ｍｍ）とし、Ｒが０．７５ｍｍの場合に円５ａの直径を０．５２５，０．６，０．６７５，０．７５，０．８２５（ｍｍ）とし、Ｒが１ｍｍの場合に円５ａの直径を０．７，０．８，０．９，１、１．１（ｍｍ）とし、Ｒが１．２５ｍｍの場合に円５ａの直径を０．８７５，１，１．１２５，１．２５，１．３７５（ｍｍ）とし、Ｒが１．５ｍｍの場合に円５ａの直径を１．０５，１．２，１．３５，１．５，１．６５ｍｍとした。
【００４４】
［２］上記セラミックグリーンシートにおいて上記円５ａの円周に内接するようにして、円周を３等分した位置に焼成後に直径が０．１５ｍｍとなる貫通孔を、一つの電極５に対して３本を１セットとして１０セットを打抜き法で形成した。得られた貫通孔に、タングステンを主成分とする粘度が約１００００ポイズの導体ペーストを圧入した。これを各場合につき２枚ずつ作製した。次に、電極５となる導体層をスクリーン印刷法で２枚のうち１枚の上面に形成した。
【００４５】
［３］セラミックグリーンシート２枚を積層して、厚さが３ｍｍの積層体を得た。
【００４６】
［４］積層体における３本の貫通導体３の下端に柱状導体をスクリーン印刷法で形成し、次いで８０℃で乾燥した後、１００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力でグリーンシートを加圧して表面を略平坦なものとし、その後電極５となる導体パターンをスクリーン印刷法により形成した。このとき柱状導体の高さを変えて実施例に用いるテスト用基板となる積層体とした。
【００４７】
［５］次いで、８０℃で乾燥後、１６００℃で焼成して、２５枚のテスト用基板を得た。このテスト用基板に、バンプが上端面に設けられるとともに直径が１ｍｍの大径部６ａを有するリードピン６を８７０℃の非酸化性雰囲気で接合した。
【００４８】
このようにして得られたテスト用基板について、リードピン６を上方に引張る引張り試験を行った結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１より、電極５に対する円５ａの直径は０．８Ｒ〜Ｒである必要があることが判明した。本実施例では、リードピン６の傾斜は数度という僅かなものであったが、この傾斜が多ピンの製品で発生すると修正に多大の時間と労力が必要となる。また、メニスカス７ａの不均一は表面の形成時間に部分的に差が生じたことで発生したと思われ、この場合、接合強度の差となって現われている。
【００５１】
次に、円５ａの直径を０．９Ｒとして、Ｒを０．６，０．８，１，１．２，１．４（ｍｍ）とし、Ｒが０．６ｍｍの場合に突出部８の高さを５０，７５，１００，１２５，１５０，１７５（μｍ）とし、Ｒが０．８ｍｍの場合に突出部８の高さを８０，１００，１５０，１７５，２００，２２０（μｍ）とし、Ｒが１ｍｍの場合に突出部８の高さを１００，１２５，１５０，２００，２５０，３００（μｍ）とし、Ｒが１．２ｍｍの場合に突出部８の高さを１２５，１５０，２００，２５０，３００，３５０（μｍ）とし、Ｒが１．４ｍｍの場合に突出部８の高さを１５０，１７５，２５０，３００，３５０，３７５（μｍ）として、突出部８の高さを変えたサンプルを各場合について１０個ずつ１枚の基板に作製することで、計３６枚のテスト用基板を作製し、リードピンの接合強度およびロウ付け部の状態の良否を評価した。その結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
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【００５３】
表２より、突出部８の高さが小さい場合は接合強度が劣化することが判明した。これはメニスカスの生成状態が不良であり、さらにロウ材７の体積が小さいことによるものと思われる。また、突出部８の高さが高すぎる場合には、ロウ材７の内部にボイドが発生する場合があり、この場合、接合強度が低下した。
【００５４】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等支障ない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面にメタライズ層から成る半導体素子の搭載部が形成されたセラミックスから成る基体と、基体の下面に形成され、断面が略円形の貫通導体を介してメタライズ層に電気的に接続された略円形の電極と、一端に形成された略円形の大径部が電極に同軸状にロウ付けされたリードピンとを具備し、貫通導体は、大径部の直径をＲとしたとき、電極の中心を中心とし０．８Ｒ〜Ｒの直径を有する円の円周に下端が内接するようにして３本が略等間隔に配置されているとともに、それら３本の下端が基体の下面からＲ／８〜Ｒ／４の略同じ長さで突出してそれぞれ電極に突出部を形成していることにより、半導体素子収納用パッケージがブレージング炉で加熱された際に、リードピンの大径部上に設けられたロウ材のバンプが溶解するとともに、貫通導体の下端に形成された電極の表面において、下方に突出して形成された突出部に大径部が接触する状態となり、ブレージングが完了するが、このときロウ材が電極の突出部の表面にも流れて突出部間にロウ材が速やかに行き渡ることとなり、よって大径部の側面から電極の突出部の周囲にかけて良好な形状のメニスカスが速やかに生成される。従って、大径部と電極との隙間に溜まったロウ材と併せてリードピンの強固な接合を実現することができる。
【００５６】
本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、搭載部に下面が接合されて搭載された半導体素子と、半導体素子の上方を覆うように基体の上面の外周部に接合された蓋体とを具備したことにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた信頼性が高いものとなる。
【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について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は図１の半導体素子収納用パッケージにおけるリードピン周辺を示す要部拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）のリードピン周辺を示す要部拡大平面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：基体
２：メタライズ層
３：貫通導体
３ａ：下端
５：電極
５ａ：円
６：リードピン
６ａ：大径部
７：ロウ材
８：突出部
Ａ：半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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