JPH02303052A - 半導体パッケージ - Google Patents

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 この発明は、半導体チップを配置する基板に低熱膨張合
金板を用いた半導体パッケージに係り、内外リード部材
を載置する基板にガラス絶縁層を設け、例えば低熱膨張
合金からなるキャップをガラス封着することにより、機
械的強度にすぐれ取扱いやすく、電磁気的なシールド効
果を有し、がつ熱放散性にすぐれた半導体パッケージに
関する。

背景技術 従来から半導体パッケージとして、半導体チップ（以下
チップという）をプラスチックで封止した第６図に示す
如き、所謂プラスチックパッケージが多用されている。

すなわち、プラスチックパッケージ（１）は、チップ（
２）がリードフレーム（３）の中央部に形成されるアイ
ランド（４）に載置され、ろう材や接着材、はんだ等に
て固着されるとともに、ステッチ（５）（内部リード部
）とボンディングワイヤ（６）を介して電気的に接続さ
れ、さらに周囲を樹脂（７）にて封止される構成である
。

プラスチックパッケージは量産性にすぐれ安価であるが
、プラスチック自体が本来吸湿性を持っているため、封
止が完全とは言い難く周囲の影響を受は易くチップの信
頼性を低下させ、高集積化、多機能化が要求される高性
能チップのパッケージには使用できないとされている。

半導体パッケージのチップは、大型コンピューター用の
ＬＳＩやＵＬＳＩの如く、高集積度化、演算速度の高速
化の方向に進んでおり、作動中における消費電力の増加
に伴う発熱量が非常に大きくなっている。また、半導体
パッケージの多ビン化、小型化が強く要求されている。

樹脂封止の前記パッケージ（１）においては、第６図に
示す如く、リードフレームが半導体チップの外部への電
気的接続の経路となるだけでなく、チップ（２）で発生
する熱の放散経路として重要な役割を果している。

従って、リードフレーム（３）には、チップから発生す
る熱をパッケージの外部に放散するために熱伝導率の良
い材料が望まれる。

一方、チップ（２）とアイランド（４）との接着界面の
剥離や、樹脂（７）にみられるクラック等は、チップ（
２）や封止樹脂（７）とリードフレーム（３）との熱膨
張係数の差を要因として発生しており、これを防止する
ためには、前記チップ（２）及び樹脂（７）とリードフ
レーム（３）との熱膨張係数の整合性が不可欠となる。

このようにプラスチックパッケージは、熱放散性が悪く
、またリードフレーム材が限定され、特に、電気抵抗の
低減を図ることができない。

また、プラスチックパッケージは電磁気的なシールド効
果がないことから外部からのノイズ影響を防ぐことがで
きない問題があった。

発明の目的 この発明は、上記のプラスチックパッケージの問題点を
解決し、機械的強度並びに熱放散性にすぐれ、電磁気的
なシールド効果を有し、近年の多ビン化、小型化の要求
を満し量産性にすぐれた半導体パッケージの提供を目的
としている。

発明の概要 この発明は、チップを配置する基板あるいはさらにチッ
プを被包するキャップに低熱膨張合金を用い、基板の絶
縁層として高融点ガラスを被着して、チップとワイヤボ
ンディングを行なう内部リードにＡ１またはＣｕ薄膜を
用い薄膜形成技術にて配置形成し、外部リードとの接続
を容易にし、これら基板とキャップとを低融点ガラスに
て一体化した構成により前記の目的を達成したものであ
る。

すなわち、この発明は、 少なくとも封着部、内外リード部材の配設予定部に高融
点ガラス絶縁層を被覆した低熱膨張合金からなる金属基
板と、基板絶縁層上面に成膜したＡｌまたはＣｕ薄膜か
らなる内部リードと、内部リードと積層接続されるリー
ドフレームからなる外部リードと、金属基板面に固着し
た半導体チッ・プを被包し低融点ガラスを介して前記金
属基板を封着しかつ少なくとも前記リードフレームを挾
持するキャップとから構成されたことを特徴とする半導
体パッケージである。

また、この発明は、 少なくとも封着部、内外リード部材の配設予定部に高融
点ガラス絶縁層を被覆した低熱膨張合金からなる金属基
板と、基板絶縁層上面に成膜したＡｌまたはＣｕ薄膜か
らなる内部リードと、前記金属基板を貫通し高融点ガラ
スを介して立設するリードビンからなる外部リードと、
金属基板面に固着した半導体チップを被包し低融点ガラ
スを介して前記金属基板を封着するキャップとがら構成
されたことを特徴とする半導体パッケージである。

好ましい実施態様 この発明に用いる基板材料としては、Ｆｅ−Ｃｒ合金（
１８Ｃｒ−Ｆｅ等）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金（４２Ｎ
ｉ−６Ｃｒ−Ｆｅ等）、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（４２Ｎｉ−
Ｆｅ等）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金（２９Ｎｉ−１６Ｃ
ｏ−Ｆｅ等）などの公知の低熱膨張合金が使用できる。

特に、後述する高融点ガラスやチップ等の熱膨張係数に
対応して最適な合金を選定することが望ましい。

また、基板材に、熱放散性を考慮して、熱伝導性の良い
Ｃｕ、　Ｃｕ合金等を中間層に配置した上記低熱膨張合
金のクラツド材、例えば、インバーｌＣｕ／インバー、
コバール／Ｃｕ／コバールを用いることもできる。

上記低熱膨張合金の上面に被着する高融点ガラスとして
は、ｐｂ系ガラス等が採用でき、チップからの発熱等を
考慮すると、チップ、基板材との熱膨張係数差が小さく
、機械的強度が高いことが望ましく、また、リード部材
のＡｌ、　Ｃｕとの濡れ性がよいことが望ましい。

この発明において、高融点ガラスは、キャップとの封着
に用いる低融点ガラスとの相対的比較での高融点であり
、封着時に溶融しない高融点ガラスであればよく、前記
条件や低融点ガラスの特性、さらに製造作業性を考慮し
て接着に必要なガラスの溶融、軟化温度を適宜選定する
とよい。

さらに高融点ガラスは、後述する内部リードとなる金属
薄膜配線を形成する際に採用される手段に応じて、例え
ばエツチング等を採用する場合には、これらのエツチン
グ液等によって反応しないよう、耐食性のすぐれたもの
を選定することが望ましい。

低熱膨張合金への高融点ガラスの被覆は、該高融点ガラ
ス焼成時に外部リード部材を同時に固着する場合は、リ
ード部材厚みを考慮し所定の粒度（通常２００メツシユ
〜３００メツシユ）からなるガラス粉末をスクリーン印
刷や電着等により、所要厚みに塗布したのち焼成して一
体化する等の公知の技術が採用できる。

また、予め金属基板上に内部リードの金属薄膜配線を形
成したのち、該配線端部に外部リード部材を載置し加熱
、拡散して固着する手段を採用する場合は、上記スクリ
ーン印刷、電着等の他、該基板の上面に高融点ガラス板
を配置した後、高融点ガラスの軟化温度以上に加熱、加
圧して一体化する方法も採用できる。

金属基板の低熱膨張合金板の厚さくＡ）と高融点ガラス
の厚さくＢ）との比Ａ／Ｂは、絶縁耐圧、相互の熱膨張
率、熱伝導率等を考慮して選定するが、通常１０１０．
５〜１０１５の範囲が望ましい。

高融点ガラスの絶縁層は、必ずしも金属基板の全面に設
ける必要はなく、金属基板の少なくとも封着部、内外リ
ード部側の配設部に設けるとよく、例えば、チップがら
の熱の枚数性を考慮して、金属基板へ直接チップを固着
することができる。

さらに、低熱膨張合金と高融点ガラスとの密着性を改善
するために、低熱膨張合金と高融点ガラスとの間に酸化
被膜を介在させることが望ましく、特に低熱膨張合金が
Ｃｒを含有する場合には、出願人の先の提案（特開昭６
３−４７９５５号）の如く、低熱膨張合金の主面に熱処
理によＶ）　Ｃｒ２Ｏ３を主体とする酸化被膜を形成し
、その後高融点ガラスを被覆する等の手段を採用するこ
とができる。

一方、チップを被包するためのキャップの材料には、前
記の基板材料と同様に公知の低熱膨張合金が使用でき、
この際、キャップ材料は必ずしも基板材料と同一材料と
する必要はなく、また、透明ガラスなど他の側斜を用い
ることもできる。

キャップを封着するための低融点ガラスは、キャップと
基板との封着接合部のみに配置すれば良く、キャップへ
の被着手段は作業性等を考慮して、スクリーン印刷や電
着後焼成する等公知の手段が採用できる。

また、低熱膨張合金との密着性を向上させるため、低融
点ガラスとの間に酸化被膜を介在することも好ましい。

上記低融点ガラスは、キャップ材料である低熱膨張合金
、透明ガラス等との熱膨張率、熱伝導率差等の他、キャ
ップと金属基板との接合が、チップボンディング後に行
なわれるため、これらの接合に悪影響を与えないよう極
力接着温度の低いものを設定することが望まれる。例え
ば、溶融温度が５００℃以下のｐｂ系ガラス等が採用で
きる。

この発明において、内部リードは、絶縁層を形成する高
融点ガラスの上面に、ＡｌまたはＣｕからなる金属薄膜
配線を公知の薄膜形成技術を用いて容易に精度良く被着
することができ、厚さは５〜１０ｐｍ程度が望ましい。

すなわち、内部リードの被着には、絶縁層の上面の所定
位置にマスク処理を施した後、ＡｌまたはＣｕを蒸着し
、再度マスク材を除去する方法や、予め絶縁層の上面全
面にＡｔまたはＣｕを貼付したり、蒸着等にて被着した
後、エツチング処理にて不要な部分を除去する方法等が
採用できる。

内部リードのＡｌ、　Ｃｕは、例えばＷ、　Ｍｎ−Ｍｏ
合金等に比べ低価格であるだけでなく、蒸着やエツチン
グ等の薄膜形成技術が適用し尋ずく、またチップとのワ
イヤーボンディングも容易にできる利点がある。

また、Ｗ、　Ｍｎ−Ｍｏ合金等に比べ電気抵抗が小さく
、使用時の発熱の低減や応答時の向上に寄り、すること
ができる。特に、Ａｌの場合は高融点ガラスとの密着性
が高く、使用中における薄膜配線の剥がれ等による損傷
や誤動作を著しく低減することができる。

上記の内部リードの端部に接続され外部リードとなるリ
ードフレームやリードビンには、金属基板や金属キャッ
プに用いる材料と同様な公知の低熱膨張合金が採用でき
、従来のリードフレーム材の外面にＣｕめっきしたもの
など、Ｃｕ、　Ｃｕ合金と同等の電気抵抗等の特性を有
するものが好ましい。

また、外部リードにＣｕまたはＣｕ合金あるいはＣｕめ
っきした材料を用りすると、内部リードがＡｔ薄膜の場
合、加熱拡散接合によって、容易に一体化できる利点を
有する。

図面に基づく開示 第１図、第２図はこの発明の半導体パッケージの縦断説
明図である。第３図〜第５図はこの発明の半導体パッケ
ージの要部縦断説明図である。

第１図に示す半導体パッケージ（１０）は、上面中央部
にチップ（１１）を載置する金属基板（１２）が、低熱
膨張合金板の全面に絶縁層として高融点ガラス（１３）
を被覆した構成からなる。

高融点ガラス（１３）層上に設けられている外部リード
（１４）は所謂リードフレームがらなり、同様に絶縁層
上に所要パターンで薄膜形成されたＡ１またはＣｕ薄膜
配線からなる内部リード（１５）の一端部を積層して接
続しである。さらに内部リード（１５）はボンディング
ワイヤ（１６）でチップ（１１）と接続しである。

低熱膨張合金から形成された金属キャップ（１７）は、
上記金属基板（１２）上に配置されているチップ（１１
）、内部リード（１５）及びボンディングワイヤ（１６
）をともに被包し、低融点ガラス（１８）を介して前記
金属基板（１２）と封着される。

上記構成において、金属キャップ（１７）と金属基板（
１２）との封着部に外部リード（１４）、内部リード（
１５）ともに挾持されているため接合強度が大きく、ま
た、両者の接合部におけるクラックの発生を防止するこ
とが可能となり、極めて高い封止効果が得られる。

また、第２図に示す半導体パッケージ（２０）は、上述
の第１図の半導体パッケージ（１０）と同様構成からな
り、金属キャップ（２７）と金属基板（２２）との封着
部に外部リード（２４）、内部リード（２５）ともに挾
持する構成と効果は同様であり、さらに、チップ（２１
）からの熱放散性を図るため、金属基板（２２）の上面
中央部に四部を設けて高融点ガラス（２３）を被着する
ことなく、チップ（２１）を載置したものである。

第３図に示す半導体パッケージ（３０）は、基本的には
第１図の構成と同様であり、内部リード（３５）が金属
キャップ（３７）と金属基板（３２）との封着部に挾持
されず、外部リード（３５）のみが四部に挾持される構
成である。

第４図に示す半導体パッケージ（４０）は、特に、内部
リード（４５）としてＡ１を、外部リード（４４）にＣ
ｕまたはＣｕ合金あるいは表面にＣｕめっきした素材を
用いた場合に有効な構成であり、金属基板（４２）の高
融点ガラス（４３）の上面に内部リード（４５）を薄膜
形成したのち、該端部に、外部リード（４４）を積層載
置し、これを加熱・拡散にて一体化した構成である。

第５図に示す半導体パッケージ（５０）は、第１図〜第
４図の構成が外部リードにリードフレームを用いたのに
対して、リードビンを用いた場合の実施例である。

詳述すると、チップ（５１）を配置する金属基板（５２
）は、上述の各半導体パッケージと同様に低膨張合金板
の上面に絶縁層として高融点ガラス（５３）を被覆して
あり、リードビンからなる外部リード（５４）は、例え
ば、予め金属基板（５２）に形成された貫通孔より、金
属基板（５２）との絶縁を確保する高融点ガラス管（５
４ａ）に挿通したリードビンを挿入°し、外部リード（
５４）上端部を高融点ガラス（５２）層より突出露出さ
せ、同様に絶縁層上に所要パターンで薄膜形成されたＡ
ｌまたはＣｕ薄膜配線からなる内部リード（５５）を積
層して接続しである。さらに内部リード（５５）はボン
ディングワイヤ（５６）でチップ（５１）と接続しであ
る。

低熱膨張合金から形成された金属キャップ（５７）は、
上記金属基板（５２）上に配置されているチップ（５１
）、内部リード（５５）及びボンディングワイヤ（５６
）をともに被包し、低融点ガラス（５８）を介して前記
金属基板（５２）と封着される。

発明の効果 以上に示す如く、この発明の製造方法により得られる半
導体パッケージは基板、あるいはさらにキャップに低熱
膨張合金材を用いガラス封着するため ■機械的強度に富み、破損の危険性が極めて低くなり、
軽量化、小型化でき取扱い安くなる。

■従来のパッケージ等に比べて熱放散性が大幅に向上す
る。

■電磁気的なシールドが可能となり、外部ノイズによる
影響が低減する。

■従来のリードフレームのみを用いた構成に比べ、ワイ
ヤボンディングを行なう先端部分が高精度に形成でき、
多ビン化、小型化に大きく寄与することができる。

■Ａ１、Ｃｕを使用できることから、Ａｕメッキ等を必
要とせず安価であるばかりでなく電気抵抗を低減するこ
とができ、使用時の発熱低減、高速応答等を可能とする
。

実施例 肛■ 一実施例として第１図に示す半導体パッケージを作成し
た場合を説明する。

３０ｍｍＸ長さ３０ｍｍＸ０．２ｍｍの４２Ｎｉ−６Ｃ
ｒ−Ｆｅからなる低熱膨張合金板（熱膨張係数＝９５〜
１００ｘｌＯ’／℃）の上面に、露点３３℃の温潤Ｈ２
ガス中で１１５０℃に加熱して膜厚１．０μｍのＣｒ２
Ｏ３を主とする酸化被膜層を形成したのち、絶縁層とな
るｐｂ系高融点ガラス（熱膨張係数：９４ｘｌＯ−７／
’Ｃ）をスクリーン印刷にて塗布し、さらに８００℃に
て焼成してこれらを一体化し金属基板となした。焼成後
の高融点ガラスの厚さは０．０５ｍｍであった。

上記焼成時に、外部リードとして厚さ０．１５ｍｍの４
２Ｎｉ−Ｆｅからなるリードフレーム（熱膨張係数：５
０ｘｌＯ−７／’Ｃ）を上面を露出させて上記金属基板
に一体化した。

次いで、内部リードとして所要形状からなるＡｌ薄膜配
線を、マスク材としてステンレス治具を用い蒸着にて形
成し、前記リードフレームの露出面と接続した。この時
のＡｌ薄膜の厚さは１０ｐｍであった。

その後、チップを前記絶縁層の上面に接着剤にて固着し
、該チップとＡｌ薄膜配線をＡｌボンディングワイヤに
て接続した。

キャップには、前記金属基板と同材質の低熱膨張合金を
用い、予めＣｒ２Ｏ３膜形成熱処理を施した後、所定位
置にｐｂ系低融点ガラス（熱膨張係数：８０ｘｌＯ’／
　’Ｃ）をスクリーン印刷にて被着しておき、前記金属
基板上に載置し４５０’Ｃにて焼成することによって金
属基板と一体化し、Ａｌ薄膜配線、リードフレームをと
もに封着部で挟持した。

この発明の半導体パッケージと第６図に示す如く、基板
、キャップともにプラスチックからなる従来の半導体パ
ッケージとを比較したところ、この発明の半導体パッケ
ージの熱放散性が３５〜５０％程度向上することが確認
された。

また、電磁気的なシールド効果により外部ノイズによる
影響が低減されることも確認した。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明の半導体パッケージの縦断説
明図である。 第３図〜第５図はこの発明の半導体パッケージの要部縦
断説明図である。 第６図は従来のプラスチックパッケージの縦断面説明図
である。 １０．２０，３０，４０，５０・・−半導体パッケージ
、１１．２１，３１，４１，５１・・・チップ、１２．
２２，３２，４２．５２・・・金属基板、１３．２３，
３３，４３，５３・・・高融点ガラス、１４．２４，３
４，４４，５４・・・外部リード、１５．２５，３５，
４５，５５・・・内部リード、１６．２６，３６，４６
．５６・・・ボンディングワイヤ、１７．２７，３７，
４７．５７・・・金属キャップ、１８．２８，３８，４
８，５８・・・低融点ガラス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも封着部、内外リード部材の配設予定部に高融
   点ガラス絶縁層を被覆した低熱膨張合金からなる金属基
   板と、基板絶縁層上面に成膜したＡｌまたはＣｕ薄膜か
   らなる内部リードと、内部リードと積層接続されるリー
   ドフレームからなる外部リードと、金属基板面に固着し
   た半導体チップを被包し低融点ガラスを介して前記金属
   基板を封着しかつ少なくとも前記リードフレームを挾持
   するキャップとから構成されたことを特徴とする半導体
   パッケージ。 ２ 少なくとも封着部、内外リード部材の配設予定部に高融
   点ガラス絶縁層を被覆した低熱膨張合金からなる金属基
   板と、基板絶縁層上面に成膜したＡｌまたはＣｕ薄膜か
   らなる内部リードと、前記金属基板を貫通し高融点ガラ
   スを介して立設するリードピンからなる外部リードと、
   金属基板面に固着した半導体チップを被包し低融点ガラ
   スを介して前記金属基板を封着するキャップとから構成
   されたことを特徴とする半導体パッケージ。