(57)【要約】【課題】セラミック基材に外部接続端子を容易に接合でき、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があっても接合信頼性が高く、小型化に対応でき、高周波における電気特性のよい半導体素子収納用パッケージを提供する。【解決手段】半導体素子１９を搭載して気密に収納するためのセラミック基材１１を備える半導体素子収納用パッケージ１０において、セラミック基材１１の一方の面にセラミックグリーンシートと同時焼成して形成された導体パターンからなる外部接続端子パッド１４、及び外部接続端子パッド１４上に導体パターンからなるリング状の突起１５を有し、突起１５上に金属ボールからなる外部接続端子１６がろう材１８を介して接合されて有する。そして、外部接続端子１６がＣｕ又はＣｕ合金の実質的に球状の金属ボールからなる。【選択図】        図１
2004311795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を搭載して気密に収納するためのセラミック基材を備える半導体素子収納用パッケージにおいて、
前記セラミック基材の一方の面にセラミックグリーンシートと同時焼成して形成された導体パターンからなる外部接続端子パッド、及び該外部接続端子パッド上に前記導体パターンからなるリング状の突起を有し、該突起上に金属ボールからなる外部接続端子がろう材を介して接合されて有す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において、前記外部接続端子がＣｕ又はＣｕ合金の実質的に球状の金属ボールからなることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージに係り、より詳細には、半導体素子を収納し、実装用プリント基板に外部接続端子で半田接合できるＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体素子を収納して気密に封止するためには、セラミックや、樹脂や、あるいは金属等からなる半導体素子収納用パッケージが多く用いられている。そして、半導体素子が搭載されたこのようなパッケージは、樹脂板等からなる実装用のプリント基板に実装されて各種電子装置に組み込まれ、電子装置を機能させるために使用されている。
【０００３】
半導体素子収納用パッケージの中でも特に信頼性の高いものが要求される場合には、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージが用いられている。図３（Ａ）に示すように、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージの一例であるＬＧＡ（Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）型の半導体素子収納用パッケージ５０には、上面に半導体素子５１が搭載され、ボンディングワイヤ５２で半導体素子５１と、裏面側に設ける導体配線パターンの一部からなる外部接続端子パッド５３を電気的に導通状態としている。そして、半導体素子収納用パッケージ５０の上面の半導体素子５１を覆うように蓋体５４を半導体素子収納用パッケージ５０の上面に接合して半導体素子５１を気密に封止した後、半導体素子収納用パッケージ５０の外部接続端子パッド５３は、プリント基板５５に形成された配線パターン５６に半田５７で接合している。
【０００４】
また、図３（Ｂ）に示すように、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージの一例であるＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体素子収納用パッケージ５０ａには、前記のＬＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０と同様に半導体素子５１を搭載し蓋体５４で気密に封止した後、予め外部接続端子パッド５３にろう材５８でろう付け接合されてパッケージの周囲の外側に延設されたリードからなる外部接続端子５９の先端部をプリント基板５５に形成された配線パターン５６に半田５７で接合している。
【０００５】
しかしながら、準ミリ波（２０〜３０ＧＨｚ）や、ミリ波（３０ＧＨｚ以上）の一部等の高周波用の半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージには、高周波において劣化のない電気特性が求められるが、ＬＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０では２０ＧＨｚ程度で通過特性Ｓ２１（Ｓパラメーター）が大きく劣化して使用することが困難となっている。ＱＦＰ型の半導体素子収納用パッケージ５０ａは、通過特性Ｓ２１の劣化の程度ではＬＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０より少ないものの、十分ではない。また、ＱＦＰ型の半導体素子収納用パッケージ５０ａは、リードからなる外部接続端子５９がパッケージの周囲の外側に延設しているので、装置の小型化に対応できない。
【０００６】
そこで、準ミリ波や、ミリ波の一部等の高周波の電気特性に対応できる半導体素子収納用パッケージには、図４に示すように、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）型の半導体素子収納用パッケージ５０ｂが開発されている。このＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０ｂは、前記のＬＧＡ型やＱＦＰ型の半導体素子収納用パッケージ５０、５０ａと同様に半導体素子５１を搭載し蓋体５４で気密に封止した後、予め外部接続端子パッド５３にろう材５８でろう付け接合されている金属ボールからなる外部接続端子５９ａをプリント基板５５に形成された配線パターン５６に半田５７で接合している。
【０００７】
なお、半導体素子収納用パッケージには、外部接続端子パッドに形成された凸部を包むように接合されたボール状の外部接続端子によって、外部接続端子パッドにかかる熱応力が分散できて、外部接続端子の剥離を防止することを目的とする半導体素子収納用パッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２４２３２３号公報（第１−６頁、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）半導体素子収納用パッケージのセラミック基材が、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の場合には、熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃（−６５℃〜１５０℃において）で、プリント基板の樹脂が、例えば、ＦＲ−４の場合には、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃であるので、セラミック基材とプリント基板間の熱膨張係数差が大きくなり、半田接合時の温度で金属ボールとセラミック基材とのろう材によるろう付け接合部に塑性変形による歪みが生じ、半田接合後の温度サイクル試験等の信頼性試験において、ろう付け接合部に疲労破壊が起こり、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラックや、割れや、剥離等を発生させる場合がある。
（２）ろう付け接合部の疲労破壊を防止するためには、セラミック基材と金属ボールを接合させるろう材量を減少させて対応することで温度サイクルの信頼性試験における効果があることが確認できるが、十分な効果を得られるまでには至らない。
（３）外部接続端子パッドに凸部を設け、この凸部を包むように接合されたボール状の外部接続端子によって、外部接続端子パッドにかかる熱応力を分散して外部接続端子の剥離等を防止する方法は、外部接続端子を溶融させて接合させることで可能であるが、高周波用の半導体素子を収納するための電気特性に優れる導通抵抗が低い金属ボールを用いる場合には、金属ボールの融点が高くなるので、接合温度が高くなりすぎて適用することが難しい。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基材に外部接続端子を容易に接合でき、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があっても接合信頼性が高く、小型化に対応でき、高周波における電気特性のよい半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る半導体素子収納用パッケージは、半導体素子を搭載して気密に収納するためのセラミック基材を備える半導体素子収納用パッケージにおいて、セラミック基材の一方の面にセラミックグリーンシートと同時焼成して形成された導体パターンからなる外部接続端子パッド、及び外部接続端子パッド上に導体パターンからなるリング状の突起を有し、突起上に金属ボールからなる外部接続端子がろう材を介して接合されて有する。これにより、外部接続端子パッド上の突起によってろう材を細い柱状にして外部接続端子が接合でき、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があっても細いろう材部による曲げ自由度と、及び、突起部の導体厚み大による強い接合強度とを得ることができると考えられ、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラックや、割れや、剥離等が発生するのを防止することができる。また、外部接続端子に金属ボールを用いることができるので、小型のパッケージに電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる。
【００１１】
ここで、半導体素子収納用パッケージは、外部接続端子がＣｕ又はＣｕ合金の実質的に球状の金属ボールからなるのがよい。これにより、電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる小型の半導体素子収納用パッケージにすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２は同半導体素子収納用パッケージの実装形態の説明図である。
【００１３】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ１０には、半導体素子を搭載して気密に収納するために、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、低温焼成セラミックや、窒化アルミニウム等からなるセラミック基材１１が用いられている。このセラミック基材１１の上面側には、半導体素子等が搭載できる、例えば、平板面であったり、キャビティ部（図示せず）を有しているものがある。ここで、セラミックの一例であるアルミナからなるセラミック基材１１の作製方法を説明する。先ず、セラミックグリーンシートは、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーが作製される。次いで、スラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットして矩形状のセラミックグリーンシートが作製される。
【００１４】
次に、このセラミックグリーンシートには、打ち抜き金型やパンチングマシーン等を用いて、それぞれの所定位置に上層と下層との間の導通を形成するためのビアホールが穿設される。更に、セラミックグリーンシートには、タングステン等の金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷でビアホールに充填してビア１２や、表面に印刷して導体配線パターン１３や外部接続端子パッド１４が形成される。これらの導体パターンが形成されたセラミックグリーンシートは、必要に応じて複数枚が重ね合わされ積層体を形成する場合がある。そして、更に、外部接続端子パッド１４上には、タングステン等の金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷して突起１５が形成される。次に、ビア１２、導体配線パターン１３、及び外部接続端子パッド１４等と、セラミックグリーンシートとを還元性雰囲気の焼成炉で同時焼成してセラミック基材１１が作製されている。なお、セラミック基材１１には、セラミックグリーンシートに形成されたビア１２、導体配線パターン１３、及び外部接続端子パッド１４等の必要パターン部分を開口部から露出させるためのセラミックグリーンシートと実質的に同じ材料からなる絶縁膜１７が、同時焼成前に形成された後、同時焼成時に焼成されて形成されている。
【００１５】
このセラミック基材１１の外部接続端子パッド１４上の突起１５には、外部と電気的に接続したり、半導体素子１９（図２参照）からの発熱をＦＲ−４等の樹脂からなるプリント基板２０を介して真鍮、Ｃｕ、Ａｌ等の金属からなる放熱板２１で放熱させるための金属ボールからなる外部接続端子１６がＡｇろうや、Ａｕろう等の高温ろうからなるろう材１８を介して接合されている。このろう材１８の接合形状は、外部接続端子パッド１４の面積が絶縁膜１７のパターンでコントロールでき、突起１５が断面視して半球状に盛り上がって形成できるので、リング状の中心部にろう溜まりを形成できると同時に外部接続端子パッド１４の外周端部から突起１５の外周部の盛り上がりに沿ってろう流れが形成でき、外部接続端子１６を持ち上げるような形状の細い柱状にすることができる。
【００１６】
実質的に球状からなる前記の外部接続端子１６は、Ｃｕ製、又はＣｕ合金製の金属ボールであるのがよい。このＣｕボールを用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ１０は、Ｃｕの導通抵抗が極めて低いことと、ＢＧＡ型によって、プリント基板との間に一定のスペースが確保できるので、インピーダンス整合をとることができ、電気特性の１つであるＳパラメーターで測定される通過特性Ｓ２１で３８ＧＨｚまで−２ｄＢを下回ることがない。従って、Ｃｕボールを用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ１０は、準ミリ波（２０〜３０ＧＨｚ）や、ミリ波（３０ＧＨｚ以上）の一部等の高周波用の半導体素子を収納するためのパッケージに適している。
【００１７】
次いで、図２を参照しながら、半導体素子収納用パッケージ１０に半導体素子１９を搭載し、プリント基板２０に実装される実装形態について説明する。
半導体素子収納用パッケージ１０の上面には、半導体素子１９が接合され、更に、ボンディングワイヤ２２、導体配線パターン１３、及びビア１２で、半導体素子１９と外部接続端子１６を電気的に導通状態とした後、セラミックや樹脂等から形成された蓋体２３を半導体素子収納用パッケージ１０の上面に半導体素子１９を覆うように接合して半導体素子１９を気密に封止している。そして、半導体素子収納用パッケージ１０は、外部接続端子１６がプリント基板２０に形成された配線パターン２４に半田で接合されている。また、半導体素子１９の下面のセラミック基材１１に設けるサーマルビア１２ａと外部接続端子１６を接続してプリント基板２０に形成された配線パターン２４に半田で接合し、電気的な導通状態はない状態で、半導体素子１９からの発熱をプリント基板２０を介して放熱板２１で放熱できるようにしている。なお、放熱板２１は、板状以外にフィンを有する放熱フィンであってもよく、形状を限定するものではない。また、プリント基板２０と放熱板２１の接合は、例えば、ねじ２５で締め付けたり、接合剤で貼り合せて接合するものであってもよく、限定されるものではない。
【００１８】
【実施例】
本発明者は、セラミックの一例であるアルミナを用いた半導体素子収納用パッケージのセラミック基材にＡｇ−Ｃｕろう材で接合されたφ０．５ｍｍのＣｕからなる外部接続端子を、ＦＲ−４の樹脂からなるプリント基板に半田を介して接合し、真鍮からなる放熱板にねじ止めした実施例のサンプルを作製した。このサンプルを、−５５℃〜１２５℃の温度サイクルの信頼性評価試験を実施した。試験の結果は、５００サイクルまで破壊の発生がないことが確認できた。
【００１９】
実施例のサンプルは、外部接続端子パッドに形成するリング状の突起によって、高さ方向に細く延びるろう材が形成できることが確認された。これによって、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があって歪が発生しても、ろう材部分で曲げ自由度が確保できることと、突起部分の導体厚み大によるセラミック基材との接合強度が大きくなったことによって、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラック、割れ、剥離等の破壊の発生が防止できたものと考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、セラミック基材の一方の面にセラミックグリーンシートと同時焼成して形成された導体パターンからなる外部接続端子パッド、及び外部接続端子パッド上に導体パターンからなるリング状の突起を有し、突起上に金属ボールからなる外部接続端子がろう材を介して接合されて有するので、外部接続端子パッド上の突起によってろう材を細い柱状にして外部接続端子が接合でき、この細いろう材部による曲げ自由度と、及び、突起部の導体厚み大による接合強度とによって、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラックや、割れや、剥離等が発生するのを防止することができる。また、外部接続端子に金属ボールを用いることができるので、小型のパッケージに電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる。
【００２１】
特に、請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、外部接続端子がＣｕ又はＣｕ合金の実質的に球状の金属ボールからなるので、小型で電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】同半導体素子収納用パッケージの実装形態の説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の半導体素子収納用パッケージの説明図である。
【図４】従来の他の半導体素子収納用パッケージの説明図である。
【符号の説明】
１０：半導体素子収納用パッケージ、１１：セラミック基材、１２：ビア、１２ａ：サーマルビア、１３：導体配線パターン、１４：外部接続端子パッド、１５：突起、１６：外部接続端子、１７：絶縁膜、１８：ろう材、１９：半導体素子、２０：プリント基板、２１：放熱板、２２：ボンディングワイヤ、２３：蓋体、２４：配線パターン、２５：ねじ
【図１】
2004311795.tif 000003
【図２】
2004311795.tif 000004
【図３】
2004311795.tif 000005
【図４】
2004311795.tif 000006