JPH02174143A

JPH02174143A - 半田封止構造

Info

Publication number: JPH02174143A
Application number: JP63328656A
Authority: JP
Inventors: Hideki Watanabe; 秀樹渡邊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1990-07-05
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JP2531768B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半田封止技術に関し、特に、半導体装置の気
密封止構造に適用して有効な半田封止技術に関する。

〔従来の技術〕

たとえば、従来の半導体装置の気密封止構造に用いられ
る半田封止技術としては、ジエイ・プラデイ（Ｊ、Ｂｒ
ａｄｙ　）とエム−：ｌ−）　−？−イ（Ｍ、　Ｃｏｕ
ｒｔｎｅｙ）による空冷アイ・ビー・エム４３８１モジ
ユールのための気密賜／鉛半田封止（”Ｈｅｒｍｅｔｉ
ｃ　ｔｉｎ／１ｅａｄ　５ｏｌｄｅｒ　ｓｅａｌｉｎｇ
　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｉｒ−ｃｏｏｌｅｄ　１ＢＭ　４
３８１　ｍｏｄｕｌｅ”）　（ＩＣＣＤ’８３．１９８
３年１１月１日）に記載されるものが知られている。

その概要は、多数の半導体素子を搭載したセラミック基
板に対して、同材質のキャップを半田を介して封着する
ことにより、内部の半導体素子を気密に封止するととも
に、封着面に突設され、半田中に埋没した状態となる所
定の高さのスペーサによって基板とキャップとの間に介
在する半田層の厚さを一定に制御して、基板の歪みなど
を半田層の厚さで吸収させるようにしたものである。

また、同種の他の技術としては、たとえば、特開昭５９
−１７２７１号公報に開示されるものが知られている。

すなわち、半導体素子が収容される凹所が形成されたセ
ラミック容器と蓋とを、ろう材を介して封着してなるセ
ラミックパッケージ半導体装置において、セラミック容
器の封着部に傾斜面または段差を形成し、この傾斜面や
段差と蓋との間の空間に封着時の余剰のろう材を保持さ
せるようにして、余剰のろう材がセラミック容器の内部
に流出することに起因する種々の不都合を防止しようと
するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記の前者の従来技術においては、基板の歪
みなどによる当該基板とキャップとの間隙の変動によっ
て、封着領域の全域に一定の割合で塗着されている半田
に過不足を生じることとなり、封着部位に形成される半
田フィレットの断面形状が望ましいへの字形から外れて
、封止構造の信頼性が低下するという問題がある。

すなわち、セラミック基板の歪みが甚だしく、セラミッ
ク基板とキャップとの間隙が基準の値よりも小さくなる
場合には、余剰の半田が封着部位からキャンプ内部に溢
れ出して内部の半導体素子の短絡を引き起こすなどの障
害をもたらし、逆に、セラミック基板とキャップとの間
隙が大きくなる場合には、封着部に対する半田の充填状
態が不十分となって、封着部の気密性を確保できなくな
るなどの障害が発生するものである。

また、後者の従来技術では、セラミック容器の封着部に
複雑な加工を施す必要があり、製造工程が煩雑になると
いう問題がある。

そこで、本発明の目的は、封着部の間隙の変動に影響さ
れることなく、望ましい半田フィレットの形状を維持す
ることを可能にして、信頼性を向上させることが可能な
半導体封止技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、簡単な工程で、封着部における半
田の過不足に起因する欠陥の発生を防止することが可能
な半田封止技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明になる半田封止構造は、半導体素子を
第１主面に搭載した基板と、半導体素子を隠蔽するキャ
ップとを半田を介して封着してなる半田封止構造であっ
て、キャップにおける半田濡れ領域を、基板に対向し、
当該キャップを構成するフレーム部の端面および当該フ
レーム部の内外側面にわたって形成するようにしたもの
である。

〔作用〕

上記した手段によれば、たとえば、キャップを構成する
フレームの基板に対する対向面のみに半田濡れ領域を形
成する場合に比較して、半田濡れ領域の面積が大きくな
るので、基板とキャップとの封着部の間隙が歪みなどに
よって設計時に想定された値から変動しても、当該間隙
の変動による半田の過不足を補い得る適量の半田を、望
ましい半田フィレットの形状を維持した状態で半田濡れ
領域に保持させることができる。

これにより、封着部の間隙の変動に影響されることなく
、半田封止構造の信頼性を確保することができる。

また、基板やキャップ自体に特別な加工を施す必要がな
いので、簡単な工程で封着部における半田−の過不足に
起因する欠陥の発生を防止することができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例である半田封止構造を用い
た半導体装置の気密封止構造の断面図であり、第２図は
、その構成部品の製造工程の一例を示す断面図、さらに
第３図（ａ）〜（Ｃ）は、その作用の一例を示す説明図
である。

たとえば、セラミックなどからなる基板ｌの第１主面１
ａには、図示しない配線パターンや電極が形成されてお
り、この配線パターンや電極に対応する位置には、複数
の半田バンブ２を介して、複数の半導体素子３が、当該
半導体素子３の図示しない外部接続電極が電気的に接続
された状態で搭載されている。

基板１における第１主面１ａの裏側の第２主面１ｂには
、複数のピン４がろう付けなどの技術によって所定のピ
ッチで固定されており、個々のピン４は、当該基板１の
内部に設けら、れている図示しない多層配線構造などを
介して、第１主面１ａの側の図示しない配線構造や電極
などに電気的に接続されている。

これにより、半田バンプ２．基板ｌの内部の図示しない
多層配線構造および複数のピン４を介して、基板ｌに搭
載された複数の半導体素子３と外部との間における電気
信号の授受や動作電力の供給などが行われるものである
。

複数の半導体素子３を搭載した基板１の第１主面１ａに
は、当該複数の半導体素子３を隠蔽するようにキャップ
５が半田６を介して封着されてふり、このキャップ５と
基板１とで気密封止構造を構成している。

キャップ５は、たとえば熱伝導性の良好な窒化アルミニ
ウムなどからなる板状の蓋体５ａと、たとえば、４２７
０イなどからなるフレーム５ｂとで構成されており、蓋
体５ａの複数の半導体素子３に対する対向面には、封着
状態において個々の半導体素子３に所定の間隙で対向す
るように複数の伝熱体７が設けられている。

そして、動作中の半導体素子３から発生する熱は、封着
時にキャップ５の内部に封入されたヘリウムなどのガス
および伝熱体７、さらにはキャップ５の蓋体５ａを介し
て外部に放散される構造となっている。

基板１においてキャップ５が封着される第１主面１ａの
外縁部には棒状に、半田６に対する濡れ性の良好なメタ
ライズパターン８が形成されている。

この場合、基板１の側のメタライズパターン８に封着さ
れるキャップ５のフレーム５ｂの端部には、当該メタラ
イズパターン８に対向する端面５Ｃおよび内側面５ｄ、
外側面５ｅにわたって、断面形状がコの字形となるよう
に、半田に対する濡れ性の良好なメタライズパターン９
　（半田濡し領域）が形成されている。

このフレーム５ｂのメタライズパターン９は、たとえば
、フレーム５ｂの目的の形成領域以外の部分にマスクを
施して行われるニッケルー金メツキなどによって簡便に
形成される。

また、その際には、蓋体５ａに対するフレーム５ｂのろ
う付けのための下地領域５ｆも同時に形成され、第２図
に示されるように、フレーム５ｂは、蓋体５ａに対して
、たとえばチタンを含有した銀−銅ろうなどによって一
体に固定されることによりキャップ５を構成する。

そして、基板１のメタライズパターン８と、キャップ５
のメタライズパターン９との間に、周知のりフロー操作
によって均等に溶融・分散される半田６により基板１と
キャップ５とが気密に封着されるものである。

なお、特に図示しないが、キャップ５を構成するフレー
ム５ｂの基板１に対する対向面には、封着状態において
半田６の内部に埋没した状態となる位胃に所定の高さの
複数の突起が設けられており、この突起の高さによって
、フレーム５ｂと基板ｌとの間隙、すなわち半田接続高
さり、が所定に制御されている。

ここで、本実施例の場合には、半田接続高さｈが所定の
標準値のときには、第３図（ｂ）に示されるように、メ
タライズパターン９の内側面５ｄおよび外側面５ｅの側
にも半田６が溜まるように、当該半田６の量が設定され
、この時、半田６のリフロー時における自重とメタライ
ズパターン９の内側面５ｄおよび外側面５ｅへの濡れ上
がる力右よび表面張力が均衡して、フレーム５ｂの内側
面５ｄおよび外側面５ｅの双方に形成される半田フィレ
ット６ａは望ましいへの字形を呈するようになっている
。

一方、基板１の歪みなどによって半田接続高さり、が標
準値よりも小さくなった封着部位においては、フレーム
５ｂの端面５Ｃと基板１との間隙から一部の半田６が外
部に押し出されることになるが、本実施例の場合には、
第３図（ａ）に示されるように、押し出された半田６は
、フレーム５ｂの内側面５ｄおよび外側面５ｅの各々に
延設されているメタライズパターン９の全域に分散して
保持され、半田フイシン）６ａは標準の半田接続高さり
、の場合と同様に、望ましいへの字形を呈する状態とな
る。

このため、フレーム５ｂと基板１との間隙から押し出さ
れた余剰の半田６がキャップ５の内部の半導体素子３の
側に流れ出す懸念がなく、余剰の半田６による短絡など
の障害が確実に防止される。

逆に、基板１の歪みなどによって、半田接続高さり、が
標準値よりも大きくなった場合には、従来では、当該標
準値を想定して設定されている半田６の量では不足気味
となることが懸念されるが、本実施例の場合には、標準
の半田接続高さｈｊの状態においてメタライズパターン
９の内側面５ｄおよび外側面５ｅの側に保持されていた
半田６により、不足分が適切に補われるので、第３図（
Ｃ）に示されるように、フレーム５ｂの端面５Ｃにおけ
るメタライズパターン９と、基板１の側のメタライズパ
ターン８との間に、半田６が確実に充満した状態となる
とともに、半田フィレット５ａ（Ｄ形状も、標準の半田
接続高さり、の場合と同様に、望ましいへの字形を呈す
る状態となる。

このため、たとえば、フレーム５ｂと基板１とを封着す
る半田６の量が不足した状態となることに起因して、封
着部の気密性や強度などが損なわれることが確実に防止
される。

このように、本実施例における半田封止構造によれば、
基板１の歪みなどに起因する半田接続高さり、の変動に
影響されることなく、当該基板１とキャップ５との封着
部の信頼性を確保することができる。

また、キャップ５を構成するフレーム５ｂに設けられる
メタライズパターン９は、たとえば目的の領域以外をマ
スクしたメツキなどによって比較的簡便に形成すること
ができるので、たとえば、フレーム５ｂや基板１自体を
特殊な形状に加工する場合などに比較して製作工程が簡
略化される。

これにより、半田封止構造における量産性と信頼性の確
保とを両立させることが可能となる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

たとえば、キャップの構造としては、前記の実施例中に
例示したものに限らず、蓋体とフレームとをセラミック
スなどで一体に成形したものを用いてもよい。

また、メタライズパターンを構成する物質としては、ニ
ッケルー金メツキなどに限らず、半田に対する濡れ性な
ど、半田封止構造に必要な所定の特性を満足するもので
あればいかなるものであってもよい。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりで
ある。

すなわち、本発明になる半田封止構造によれば、半導体
素子を第１主面に搭載した基板と、前記半導体素子を隠
蔽するキャップとを半田を介して封着してなる半田封止
構造であって、前記キャップにおける半田濡れ領域が、
前記基板に対向し、当該キャップを構成するフレーム部
の端面および当該フレーム部の内外側面にわたって形成
されているので、たとえば、キャップを構成するフレー
ムの基板に対する対向面のみに半田濡れ領域を形成する
場合に比較して、半田濡れ領域の面積が大きくなり、基
板とキャップとの封着部の間隙が歪みなどによって設計
時に想定された値から変動しても、当該間隙の変動によ
る半田の過不足を補い得る適量の半田を、望ましい半田
フィレットの形状を維持した状態で半田濡れ領域に保持
させることができる。

また、基板やキャップ自体に特別な加工を施す必要がな
いので、簡単な工程で封着部における半田の過不足に起
因する欠陥の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である半田封止構造を用いた
半導体装置の気密封止構造の断面図、第２図はその構成
部品の製造工程の一例を示す断面図、第３図（ａ）〜（Ｃ）はその作用の一例を示す説明図で
ある。ｌ・・・基板、１ａ・・・第１主面、■ｂ・・・第２主
面、２・・・半田バンプ、３・・・半導体素子、４・・
・ビン、５・・・キャップ、５ａ・・・Ｍ体、５ｂ・・
・フレーム、５Ｃ・・・端面、５ｄ・・・内側面、５ｅ
・・・外側面、５ｆ・・・下地領域、６・・・半田、６
ａ・・・半田フィレット、７・・・伝熱体、８・・・メ
タライズパターン、９・・・メタライズパターン（半田
濡れ領域）、ｈ、・・・半田接続高さ。

Claims

【特許請求の範囲】

１．半導体素子を第１主面に搭載した基板と、前記半導
体素子を隠蔽するキャップとを半田を介して封着してな
る半田封止構造であって、前記キャップにおける半田濡
れ領域が、前記基板に対向し、当該キャップを構成する
フレーム部の端面および当該フレーム部の内外側面にわ
たって形成されていることを特徴とする半田封止構造。