JPH0793394B2 - 半導体基体搭載用セラミックパッケージ - Google Patents
半導体基体搭載用セラミックパッケージInfo
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- JPH0793394B2 JPH0793394B2 JP60237327A JP23732785A JPH0793394B2 JP H0793394 B2 JPH0793394 B2 JP H0793394B2 JP 60237327 A JP60237327 A JP 60237327A JP 23732785 A JP23732785 A JP 23732785A JP H0793394 B2 JPH0793394 B2 JP H0793394B2
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- ceramic substrate
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W70/00—Package substrates; Interposers; Redistribution layers [RDL]
- H10W70/60—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers
- H10W70/67—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers characterised by their insulating layers or insulating parts
- H10W70/69—Insulating materials thereof
- H10W70/692—Ceramics or glasses
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体基体搭載用セラミツクパツケージ、特に
熱発生素子を高密度に集積した半導体集積回路基体を収
納するのに好適な高熱伝導性パツケージに関する。
熱発生素子を高密度に集積した半導体集積回路基体を収
納するのに好適な高熱伝導性パツケージに関する。
従来において、電子計算機では計算速度の速いことが要
求されるため、近年、限定された半導体基板中に発熱を
ともなう半導体素子を多数個集積し、もつて各素子間の
電気的連絡配線長を可及的に短縮した半導体装置、即ち
Large Scale Integrated Circuit（以下LSIと言う）チ
ツプが開発されている。又、そのLSIチツプと搭載し、
同チツプと外部回路とを電気的中継接続しかつ同チツプ
の収納容器を兼ねる基板ないしパツケージも、多層かつ
高密度に電気配線され、もつて中継接続配線長を実質的
に短縮されてきている。そして、チツプで発生する熱を
効率的に外部へ放出する実装構造も開発されてきてい
る。この一例として（１）エル．エム．マハリンガム
（L.M.Mahalingam）らによるソリツド ステート テク
ノトジイ（Solid State Technology）163〜173頁,5月
（1984年）におけるバイポーラデバイス パッケージン
グ−エレクトリカル サーマル アンド メカニカル
ストレス コンシダレーシヨン（Bipolar Device Packa
ging−Electrical,Thermal and Mechanical Stress Con
siderations）と題する論文で、ピン グリツド アレ
イ パツケージ（Pin Grid Array Package）（以下PGA
と略記）の熱放散性向上のため、チツプをダイボンデイ
ングするための凹部をベリリヤとアルミナとで複合的に
構成することを開示している。即ち、チツプを搭載する
部分には熱伝導率（400W/m・ｋ）の高いベリリヤを用
い、そして中空部を有するアルミナにはワイヤボンデイ
ングパツド及び外部端子を配設すると共に同パツドから
外部端子に至る電気配線を施こし、終局的にチツプから
外部回路に至る中継電気配線用基板としての役割を付与
している。上記ベリリヤには、チツプ搭載面の反対側の
面に放熱フインが熱的に係合されている。
求されるため、近年、限定された半導体基板中に発熱を
ともなう半導体素子を多数個集積し、もつて各素子間の
電気的連絡配線長を可及的に短縮した半導体装置、即ち
Large Scale Integrated Circuit（以下LSIと言う）チ
ツプが開発されている。又、そのLSIチツプと搭載し、
同チツプと外部回路とを電気的中継接続しかつ同チツプ
の収納容器を兼ねる基板ないしパツケージも、多層かつ
高密度に電気配線され、もつて中継接続配線長を実質的
に短縮されてきている。そして、チツプで発生する熱を
効率的に外部へ放出する実装構造も開発されてきてい
る。この一例として（１）エル．エム．マハリンガム
（L.M.Mahalingam）らによるソリツド ステート テク
ノトジイ（Solid State Technology）163〜173頁,5月
（1984年）におけるバイポーラデバイス パッケージン
グ−エレクトリカル サーマル アンド メカニカル
ストレス コンシダレーシヨン（Bipolar Device Packa
ging−Electrical,Thermal and Mechanical Stress Con
siderations）と題する論文で、ピン グリツド アレ
イ パツケージ（Pin Grid Array Package）（以下PGA
と略記）の熱放散性向上のため、チツプをダイボンデイ
ングするための凹部をベリリヤとアルミナとで複合的に
構成することを開示している。即ち、チツプを搭載する
部分には熱伝導率（400W/m・ｋ）の高いベリリヤを用
い、そして中空部を有するアルミナにはワイヤボンデイ
ングパツド及び外部端子を配設すると共に同パツドから
外部端子に至る電気配線を施こし、終局的にチツプから
外部回路に至る中継電気配線用基板としての役割を付与
している。上記ベリリヤには、チツプ搭載面の反対側の
面に放熱フインが熱的に係合されている。
上記構造では、熱発生部のジヤンクシヨンからケースと
してのベリリヤ板外面に至るまでの熱抵抗が約１℃/wで
あり、ベリリヤ板をアルミナ板で代替した場合の約3.5
℃/Wに比べ優れた放熱性を有する。又、上記構造では高
い気密性を確保し後続の熱的プロセスに対する耐力を確
保する観点から、上記ベリリヤ板とアルミナ基板は銀ろ
う付けによつて一体化されるのが一般的である。同構成
は熱膨張係数が近似（ベリリヤ:8×10-6/℃，アルミナ:
7×10-6/℃，いずれも室温〜400℃）し、しかも銀ろう
付け処理（約800℃）に耐える金属化技術の確立された
セラミツク部材どうしの接合体に基づく。したがつて、
上記構造体は熱的変化に追随可能な高信頼性パツケージ
になり得る。
してのベリリヤ板外面に至るまでの熱抵抗が約１℃/wで
あり、ベリリヤ板をアルミナ板で代替した場合の約3.5
℃/Wに比べ優れた放熱性を有する。又、上記構造では高
い気密性を確保し後続の熱的プロセスに対する耐力を確
保する観点から、上記ベリリヤ板とアルミナ基板は銀ろ
う付けによつて一体化されるのが一般的である。同構成
は熱膨張係数が近似（ベリリヤ:8×10-6/℃，アルミナ:
7×10-6/℃，いずれも室温〜400℃）し、しかも銀ろう
付け処理（約800℃）に耐える金属化技術の確立された
セラミツク部材どうしの接合体に基づく。したがつて、
上記構造体は熱的変化に追随可能な高信頼性パツケージ
になり得る。
しかしながら、上記先行技術例（１）の最大の難点は、
毒性問題を有する点である。
毒性問題を有する点である。
一方、窒化アルミニウム焼結体は、近年の焼結技術や精
製技術の向上に伴なつて、電子部品用基板材料として注
目に値する好ましい物性が付与されるに至つている。
製技術の向上に伴なつて、電子部品用基板材料として注
目に値する好ましい物性が付与されるに至つている。
例えば、（２）安斉らによるプロシーデイング オブ
ザ フアスト アイイイイ シンポジウム（Proceeding
of the 1st IEEE Symposium）23〜28頁,Oct.,（1984
年）におけるデベロツプメント オブ ハイ サーマル
コンダクテイブ アルミニウム ナイトライド サブ
ストレイト マテリアル バイ プレツシヤーレス シ
ンタリング（Develop ment of High Thermal Conductiv
e Aluminium Nitride Substrate Material by Pressure
less Sintering）と題する論文では、Y2O5添加無加圧焼
結により窒化アルミニウム体に熱伝導率40〜100W/m・
ｋ、体積抵抗率1014Ωcm以上（室温）、誘電率8.8（1MH
z）、誘電強度140〜170KV/cm（室温）、熱膨張係数4.5
×10-6/℃（室温〜400℃）、曲げ強度40〜50kg/mm2なる
性質を有することを開示している。
ザ フアスト アイイイイ シンポジウム（Proceeding
of the 1st IEEE Symposium）23〜28頁,Oct.,（1984
年）におけるデベロツプメント オブ ハイ サーマル
コンダクテイブ アルミニウム ナイトライド サブ
ストレイト マテリアル バイ プレツシヤーレス シ
ンタリング（Develop ment of High Thermal Conductiv
e Aluminium Nitride Substrate Material by Pressure
less Sintering）と題する論文では、Y2O5添加無加圧焼
結により窒化アルミニウム体に熱伝導率40〜100W/m・
ｋ、体積抵抗率1014Ωcm以上（室温）、誘電率8.8（1MH
z）、誘電強度140〜170KV/cm（室温）、熱膨張係数4.5
×10-6/℃（室温〜400℃）、曲げ強度40〜50kg/mm2なる
性質を有することを開示している。
又、（３）黒川によるプロシーデイング オブ ザ フ
アスト アイイイイ シンポジウム（Proceeding of th
e 1st IEEE Symposium）15〜22頁,Oct.,（1984年）にお
けるエ エル エヌ サブストレイテス ウイズ ハイ
サーマル コンダクティ（AIN Substrates with High
Thermal Conductivity）と題する論文では、高純度，
高密度に精製された窒化アルミニウム粉を加圧焼結し
て、熱伝導率160W/m・ｋ（室温）、電気抵抗率５×1013
Ωcm（室温）、誘電率8.9（1MHz）、屈曲強度5000kg/mm
2、熱膨張係数4.3×10-6/℃（室温〜400℃）なる性質を
有する窒化アルミニウム体を開示している。
アスト アイイイイ シンポジウム（Proceeding of th
e 1st IEEE Symposium）15〜22頁,Oct.,（1984年）にお
けるエ エル エヌ サブストレイテス ウイズ ハイ
サーマル コンダクティ（AIN Substrates with High
Thermal Conductivity）と題する論文では、高純度，
高密度に精製された窒化アルミニウム粉を加圧焼結し
て、熱伝導率160W/m・ｋ（室温）、電気抵抗率５×1013
Ωcm（室温）、誘電率8.9（1MHz）、屈曲強度5000kg/mm
2、熱膨張係数4.3×10-6/℃（室温〜400℃）なる性質を
有する窒化アルミニウム体を開示している。
本発明は、従来セラミツクパツケージの欠点を改め、高
い放熱性と気密性が安定して維持される半導体基体搭載
用セラミツクパツケージを提供することを目的とする。
い放熱性と気密性が安定して維持される半導体基体搭載
用セラミツクパツケージを提供することを目的とする。
本発明は、半導体基体と外部回路との電気的中継回路を
形成する回路配線基板としての第１セラミック基板と、
上記半導体基体を搭載する部分を有する第２セラミック
基板とし接合してなる半導体基体搭載用セラミックパッ
ケージにおいて、第１セラミック基板は、アルミナ、ム
ライト、また、ガラスセラミックのうちのいずれかを母
材とするセラミック材からなり、第２セラミック基板
は、焼結体窒化アルミニウムからなることを特徴とす
る。
形成する回路配線基板としての第１セラミック基板と、
上記半導体基体を搭載する部分を有する第２セラミック
基板とし接合してなる半導体基体搭載用セラミックパッ
ケージにおいて、第１セラミック基板は、アルミナ、ム
ライト、また、ガラスセラミックのうちのいずれかを母
材とするセラミック材からなり、第２セラミック基板
は、焼結体窒化アルミニウムからなることを特徴とす
る。
半導体基体を搭載する部分を有する第２セラミック基板
として、焼結体窒化アルミニウムを採用すれば、熱伝導
率が高いので、発熱素子を直接搭載しても高い放熱性が
実現できる。また、焼結体窒化アルミニウムは発熱素子
と熱膨張係数が近似しているので、素子の接着部に生ず
る残留応力が軽減される。
として、焼結体窒化アルミニウムを採用すれば、熱伝導
率が高いので、発熱素子を直接搭載しても高い放熱性が
実現できる。また、焼結体窒化アルミニウムは発熱素子
と熱膨張係数が近似しているので、素子の接着部に生ず
る残留応力が軽減される。
一方、回路配線基板としての第１セラミック基板をアル
ミナ、またはムライト、またはガラスセラミックのうち
のいずれかを母材とするセラミック材とすれば、これら
は、材料の性質からセラミックのグリーンシート化やス
ルーホールの形成が容易であり、かつ積層体の焼成の際
に生ずる変形や発泡が少ないので、特に多層配線化が容
易となる。また、上述したセラミック材は、比較的誘電
率が低いので、第１セラミック基板に形成される配線は
信号の伝播遅延が少ない。
ミナ、またはムライト、またはガラスセラミックのうち
のいずれかを母材とするセラミック材とすれば、これら
は、材料の性質からセラミックのグリーンシート化やス
ルーホールの形成が容易であり、かつ積層体の焼成の際
に生ずる変形や発泡が少ないので、特に多層配線化が容
易となる。また、上述したセラミック材は、比較的誘電
率が低いので、第１セラミック基板に形成される配線は
信号の伝播遅延が少ない。
第１セラミック基板及び第２セラミック基板の上述のセ
ラミック材を採用すると、基板どうしの接合が問題であ
る。本発明では、第１セラミック基板と第２セラミック
基板とを、アルミニウム、銅、ニッケルの群から選択さ
れた少なくとも１種の金属及び上記金属のシリコン合金
からなる金属層を介して接合することにより、気密性が
高く、強度の大きい接合を実現している。
ラミック材を採用すると、基板どうしの接合が問題であ
る。本発明では、第１セラミック基板と第２セラミック
基板とを、アルミニウム、銅、ニッケルの群から選択さ
れた少なくとも１種の金属及び上記金属のシリコン合金
からなる金属層を介して接合することにより、気密性が
高く、強度の大きい接合を実現している。
具体的には少くとも上記第２セラミツク基板と金属層
は、上記金属層構成金属とシリコンからなる合金層を介
装することにより接合力が保たれている。
は、上記金属層構成金属とシリコンからなる合金層を介
装することにより接合力が保たれている。
本発明において、上記第１セラミツク基板と第２セラミ
ツク基板は、上記両者間にアルミニウム，銅，ニツケル
の群から選択された少くとも１種の金属からなる金属層
を介装され、熱圧着の手法即ち圧力印加のもとでの熱処
理によつて接合される。この場合重要な課題は、従来ア
ルミナセラミツクと金属との一体化接合に採られてきた
固相拡散接合の手法を、窒化アルミニウムと金属との接
合に適用が困難であるという点である。これは、窒化ア
ルミニウムの接合界面付近に過大な残留応力が生ずるこ
とに基づく。この技術課題を克服するためには本発明パ
ツケージに導入された最も新規な点は、窒化アルミニウ
ムと金属との接合界面に粒径１μｍ以下と微細な結晶粒
からなる共晶合金を主体にした遷移領域を設け、同遷移
層の優れた塑性変形性能により過大な応力の残留を回避
した点である。
ツク基板は、上記両者間にアルミニウム，銅，ニツケル
の群から選択された少くとも１種の金属からなる金属層
を介装され、熱圧着の手法即ち圧力印加のもとでの熱処
理によつて接合される。この場合重要な課題は、従来ア
ルミナセラミツクと金属との一体化接合に採られてきた
固相拡散接合の手法を、窒化アルミニウムと金属との接
合に適用が困難であるという点である。これは、窒化ア
ルミニウムの接合界面付近に過大な残留応力が生ずるこ
とに基づく。この技術課題を克服するためには本発明パ
ツケージに導入された最も新規な点は、窒化アルミニウ
ムと金属との接合界面に粒径１μｍ以下と微細な結晶粒
からなる共晶合金を主体にした遷移領域を設け、同遷移
層の優れた塑性変形性能により過大な応力の残留を回避
した点である。
共晶合金に着目した理由は、同合金から微細粒である程
粒界塑性変形性能が増す点にある。
粒界塑性変形性能が増す点にある。
したがつて、本発明半導体基体搭載用セラミツクパツケ
ージの製法は、上記第１セラミツク基板と第２セラミツ
ク基板の所要部にアルミニウム，銅，ニツケル群から選
択された少くとも１種の金属層を介装し、この際第２セ
ラミツク基板と金属層の間にシリコンが高濃度になるよ
うに調整され、圧力印加のもとで上記金属とシリコン系
合金であつて最低限の融点を持つ共晶合金を生成する温
度で熱処理することを特徴とする。
ージの製法は、上記第１セラミツク基板と第２セラミツ
ク基板の所要部にアルミニウム，銅，ニツケル群から選
択された少くとも１種の金属層を介装し、この際第２セ
ラミツク基板と金属層の間にシリコンが高濃度になるよ
うに調整され、圧力印加のもとで上記金属とシリコン系
合金であつて最低限の融点を持つ共晶合金を生成する温
度で熱処理することを特徴とする。
上記の熱処理温度は、（１）金属がアルミニウム又はア
ルミニウムを主体にする場合、アルミニウムの融点660
℃未満かつAl−11.3重量％Si共晶合金の融点577℃以上
の範囲、（２）金属が銅又は銅を主体にする場合、銅の
融点1083℃未満でかつCu−16重量％Si共晶合金の融点80
2℃以上の範囲、そして（３）金属がニツケル又はニツ
ケルを主体とする場合、ニツケルの融点1453℃未満でか
つNi−38重量％Si共晶合金の融点966℃以上の範囲であ
る。
ルミニウムを主体にする場合、アルミニウムの融点660
℃未満かつAl−11.3重量％Si共晶合金の融点577℃以上
の範囲、（２）金属が銅又は銅を主体にする場合、銅の
融点1083℃未満でかつCu−16重量％Si共晶合金の融点80
2℃以上の範囲、そして（３）金属がニツケル又はニツ
ケルを主体とする場合、ニツケルの融点1453℃未満でか
つNi−38重量％Si共晶合金の融点966℃以上の範囲であ
る。
上記熱処理による窒化アルミニウムと金属層のより詳細
な接合メカニズムは今後の解明に待つ所が多いが、本発
明者らは以下のプロセス段階を経るものと推測してい
る。即ち、金属層と窒化アルミニウムが押圧と熱エルネ
ギを受けて接触界面を増す第１過程と、シリコンが高濃
度に調整された領域が溶融するとともに、アルミニウム
と、窒素と同領域への溶融が促進されるとともにシリコ
ンと窒素の結合が促進される第２過程と、そして上記溶
融領域が固化された上記アルミニウムとシリコンの共晶
合金と窒化ケイ素を主体とする微細結晶粒からなる遷移
領域と、上記金属及び窒化アルルミニウムとの界面の生
成する第３過程である。
な接合メカニズムは今後の解明に待つ所が多いが、本発
明者らは以下のプロセス段階を経るものと推測してい
る。即ち、金属層と窒化アルミニウムが押圧と熱エルネ
ギを受けて接触界面を増す第１過程と、シリコンが高濃
度に調整された領域が溶融するとともに、アルミニウム
と、窒素と同領域への溶融が促進されるとともにシリコ
ンと窒素の結合が促進される第２過程と、そして上記溶
融領域が固化された上記アルミニウムとシリコンの共晶
合金と窒化ケイ素を主体とする微細結晶粒からなる遷移
領域と、上記金属及び窒化アルルミニウムとの界面の生
成する第３過程である。
次に図面を参照して、本発明の実施例を更に詳細に説明
する。第１図は、本発明第１実施例におけるPGAの概略
断面図及び同PGAを構成する要部の拡大断面模式図であ
る。
する。第１図は、本発明第１実施例におけるPGAの概略
断面図及び同PGAを構成する要部の拡大断面模式図であ
る。
第１図を参照するに、11は平板の中央部に貫通して設け
られた中空穴（開口部約11mm×11mm）111と中空穴111の
上縁部にワイヤボンデイング用金属パツド（長手方向0.
8mm）の設けられた段差112とともに、段差112のパツド
から金属ピン（144個）14に至る２層電気配線（図示を
省略）を具備したアルミナ焼結体を母材とする第１セラ
ミツク基板（39.4mm×39.4mm×1.77mm）であり、10は半
導体基体をダイボンデイングするために金属化層101を
具備した窒化アルミニウム焼結体からなる第２セラミツ
ク基体（16mm×16mm×0.6mm）である。第１及び第２セ
ラミツク基体は閉ループ状アルミニウム片からなる金属
層12を介装して接合されているが、特に上記第２セラミ
ツク基体10と金属層12間には遷移領域121が存在し接合
力の維持に寄与している。
られた中空穴（開口部約11mm×11mm）111と中空穴111の
上縁部にワイヤボンデイング用金属パツド（長手方向0.
8mm）の設けられた段差112とともに、段差112のパツド
から金属ピン（144個）14に至る２層電気配線（図示を
省略）を具備したアルミナ焼結体を母材とする第１セラ
ミツク基板（39.4mm×39.4mm×1.77mm）であり、10は半
導体基体をダイボンデイングするために金属化層101を
具備した窒化アルミニウム焼結体からなる第２セラミツ
ク基体（16mm×16mm×0.6mm）である。第１及び第２セ
ラミツク基体は閉ループ状アルミニウム片からなる金属
層12を介装して接合されているが、特に上記第２セラミ
ツク基体10と金属層12間には遷移領域121が存在し接合
力の維持に寄与している。
第２セラミツク10は、高純度アルミナ粉と炭素粉との混
合物を窒素雰囲気下で1600℃、５時間熱処理し、引続き
過剰の炭素を酸素存在下の加熱によつて除去して得た高
純度合成窒化アルミニウム粉（粒径１μｍ以下）を、窒
素雰囲気中で加圧焼結（200kg/cm2,2000℃,3時間）して
得た板である。又、第２セラミツク10は、例えばY2O5や
CaOの如き物質で代表されるような熱伝導性を損なわな
い添加物とともに焼結された窒化アルミニウムで代替す
ることが可能である。更に、窒化アルミニウムは透光性
を付与しやすい物質として周知であるが、第２セラミツ
クは光照射によるLSIチツプの誤動作を避ける立場か
ら、非透光性処理を施された物であることが望ましい。
合物を窒素雰囲気下で1600℃、５時間熱処理し、引続き
過剰の炭素を酸素存在下の加熱によつて除去して得た高
純度合成窒化アルミニウム粉（粒径１μｍ以下）を、窒
素雰囲気中で加圧焼結（200kg/cm2,2000℃,3時間）して
得た板である。又、第２セラミツク10は、例えばY2O5や
CaOの如き物質で代表されるような熱伝導性を損なわな
い添加物とともに焼結された窒化アルミニウムで代替す
ることが可能である。更に、窒化アルミニウムは透光性
を付与しやすい物質として周知であるが、第２セラミツ
クは光照射によるLSIチツプの誤動作を避ける立場か
ら、非透光性処理を施された物であることが望ましい。
第１図において図示を省略しているが、金属ピン14は第
１セラミツク11の配線に例えば銀ろう付けにて接合さ
れ、第１セラミツク11の金属ピン14の取付け面側には中
空穴111を封止するための例えば金−錫ろう付け用の金
属化層が設けられ、これらの金属ピンや金属化層は段差
112のパツドやダイボンデイング用金属化層101ととも
に、後続のワイヤボンデイングやろう付けを容易にする
ため、最表層を金とする金属層が設けられている。
１セラミツク11の配線に例えば銀ろう付けにて接合さ
れ、第１セラミツク11の金属ピン14の取付け面側には中
空穴111を封止するための例えば金−錫ろう付け用の金
属化層が設けられ、これらの金属ピンや金属化層は段差
112のパツドやダイボンデイング用金属化層101ととも
に、後続のワイヤボンデイングやろう付けを容易にする
ため、最表層を金とする金属層が設けられている。
上記PGAを得るために、本発明の製法では、第１セラミ
ツク11と第２セラミツク10との間に内寸法12mm、外付法
16mm、厚さ0.1mmの閉ループ状Al−Si合金クラツドアル
ミニウム12を介装し、真空中（7.5×10-8Pa）及び加圧
下（5kg/mm2）で600℃に加熱して30分間保持し、その後
約100℃まで冷却して真空及び加圧を解除するプロセス
を経る。この熱処理では、アルミニウム12はクラツドAl
−Si合金が第２セラミツク10と接するように配置され、
接触界面において上述した第１過程から第３過程に至る
一連の界面状態の変化が生じ、アルミニウムとシリコン
を主体とする微細粒を含む遷移領域121が形成されて接
合が成就する。接合熱処理の中で加圧力、温度、時間等
は上述した特に第２過程の反応を促進するのに重要な因
子であり、種々の値が選択され得る。
ツク11と第２セラミツク10との間に内寸法12mm、外付法
16mm、厚さ0.1mmの閉ループ状Al−Si合金クラツドアル
ミニウム12を介装し、真空中（7.5×10-8Pa）及び加圧
下（5kg/mm2）で600℃に加熱して30分間保持し、その後
約100℃まで冷却して真空及び加圧を解除するプロセス
を経る。この熱処理では、アルミニウム12はクラツドAl
−Si合金が第２セラミツク10と接するように配置され、
接触界面において上述した第１過程から第３過程に至る
一連の界面状態の変化が生じ、アルミニウムとシリコン
を主体とする微細粒を含む遷移領域121が形成されて接
合が成就する。接合熱処理の中で加圧力、温度、時間等
は上述した特に第２過程の反応を促進するのに重要な因
子であり、種々の値が選択され得る。
第２図は、要部の接合状態を拡大して示す模式図であ
る。第２セラミツクとしても窒化アルミニウムは、結晶
粒102が粒界103に介して多結晶状に焼結されている。金
属層としてのアルミニウム12と窒化アルミニウム10との
界面には、上記界面反応で生成された平均粒径約0.3μ
ｍのアルミニウムリツチの粒子（アルミニウムにシリコ
ンが固溶）とシリコン粒子との混合体状物からなる第１
遷移領域121a、そして上記混合体状物と窒化ケイ素が結
晶粒介103に介在した第２遷移領域121bとで構成された
遷移領域121が存在し、接合力維持に寄与している。上
記第１遷移領域121aはエレクトロン・プローブ・Ｘ線マ
イクロアナライザ（EPMA）によつて分析した所、Al−11
重量％Siなる組成を有していることが確認された。
る。第２セラミツクとしても窒化アルミニウムは、結晶
粒102が粒界103に介して多結晶状に焼結されている。金
属層としてのアルミニウム12と窒化アルミニウム10との
界面には、上記界面反応で生成された平均粒径約0.3μ
ｍのアルミニウムリツチの粒子（アルミニウムにシリコ
ンが固溶）とシリコン粒子との混合体状物からなる第１
遷移領域121a、そして上記混合体状物と窒化ケイ素が結
晶粒介103に介在した第２遷移領域121bとで構成された
遷移領域121が存在し、接合力維持に寄与している。上
記第１遷移領域121aはエレクトロン・プローブ・Ｘ線マ
イクロアナライザ（EPMA）によつて分析した所、Al−11
重量％Siなる組成を有していることが確認された。
本実施例において、第１セラミツク11としてのアルミナ
とアルミニウム12は、上記加圧熱処理する過程で接触界
面を通したアルミニウムの拡散によつて接合される。こ
の接合過程では、上述の遷移領域121を形成する際のよ
うな液相生成過程は経ない。しかしながら、第１セラミ
ツク11側であつても、シリコン源を積極的に導入して液
相生成過程を経ること、即ちAl−Si合金が第１セラミツ
ク11と接するように配置されることは何等特別の支障を
受けるものではない。
とアルミニウム12は、上記加圧熱処理する過程で接触界
面を通したアルミニウムの拡散によつて接合される。こ
の接合過程では、上述の遷移領域121を形成する際のよ
うな液相生成過程は経ない。しかしながら、第１セラミ
ツク11側であつても、シリコン源を積極的に導入して液
相生成過程を経ること、即ちAl−Si合金が第１セラミツ
ク11と接するように配置されることは何等特別の支障を
受けるものではない。
第１図構造のPGAは−55〜＋150℃の温度サイクル試験に
供した。この試験過程でHeリーク率を追跡したが、3000
サイクルで５×10-11atm cc/sec以下と初期と同等の値
が得られた。このように優れた気密性が維持されたの
は、アルミニウム12と窒化アルミニウム10が緻密かつ治
金的に接合されるとともに微細粒子の集合体であつて粒
界塑性変形性に優れる第１遷移領域121aにより過大な応
力の残留が緩和されることに起因する。
供した。この試験過程でHeリーク率を追跡したが、3000
サイクルで５×10-11atm cc/sec以下と初期と同等の値
が得られた。このように優れた気密性が維持されたの
は、アルミニウム12と窒化アルミニウム10が緻密かつ治
金的に接合されるとともに微細粒子の集合体であつて粒
界塑性変形性に優れる第１遷移領域121aにより過大な応
力の残留が緩和されることに起因する。
又、温度サイクル試験では、第１セラミツク基板に施さ
れた配線の導通も調べた。この結果3000サイクルで断線
による導通不良は認められなかつた。これは上述した第
１遷移領域121aの応力緩和による所が大きいが、更に第
１セラミツク基板の熱膨張係数が第２セラミツク基板の
それより大きくなるような組合せを選択した点にもよ
る。即ち、一体化後の熱収縮にともなう残留応力は、第
１セラミツク基板の場合圧縮応力となり、断線をともな
う機械的破壊が抑制されるからである。上記温度サイク
ル試験には試料数300個を投入したが、気密性維持及び
断線の観点から見た不良発生率は、温度サイクル数3000
サイクルで0.003％以下である。
れた配線の導通も調べた。この結果3000サイクルで断線
による導通不良は認められなかつた。これは上述した第
１遷移領域121aの応力緩和による所が大きいが、更に第
１セラミツク基板の熱膨張係数が第２セラミツク基板の
それより大きくなるような組合せを選択した点にもよ
る。即ち、一体化後の熱収縮にともなう残留応力は、第
１セラミツク基板の場合圧縮応力となり、断線をともな
う機械的破壊が抑制されるからである。上記温度サイク
ル試験には試料数300個を投入したが、気密性維持及び
断線の観点から見た不良発生率は、温度サイクル数3000
サイクルで0.003％以下である。
遷移領域121の形成には加圧力、温度、時間等の熱処理
条件の選択が重要であることは上述の通りであり、圧力
が大きく、温度が高く、時間が長いほど同領域121の形
成が容易になる。しかし、上記手法によらない場合であ
つても遷移領域121を積極的に導入することが可能であ
る。
条件の選択が重要であることは上述の通りであり、圧力
が大きく、温度が高く、時間が長いほど同領域121の形
成が容易になる。しかし、上記手法によらない場合であ
つても遷移領域121を積極的に導入することが可能であ
る。
次に、上記PGAにLSIチツプをダイボンデイングし所定の
ワイヤボンデイングを施した後、コバール板をAu−Suろ
う付けして封止体を形成した。この封止体は最終的にチ
ツプ温度が実質的に20℃から125℃までの温度変化が与
えられるように電気エネルギが印加かつ停止された。こ
の電気エルネギの印加及び解除の過程で、チツプからケ
ースとしての第２セラミツク板10の外面に至る熱抵抗
と、封止体のバブルリーク試験を実施した。この結果25
000サイクルで、熱抵抗は１℃/Wと初期値と同等の値を
示し、又バブルリークも認められなかつた。熱抵抗が低
くそして高度のサイクル数まで熱抵抗変化を生じないの
は、チツプを搭載する第２セラミツク板10として熱膨張
係数がシリコンと略一致し、熱伝導率の大きい窒化アル
ミニウム焼結体であることを起因する。尚、チツプから
第２セラミツク基板10に伝達された熱は最終的には気中
に放出されるが、放熱を助けるために第２セラミツク基
体10をアルミニウムフインの如きヒートシンク部材に係
合することは好ましいことである。
ワイヤボンデイングを施した後、コバール板をAu−Suろ
う付けして封止体を形成した。この封止体は最終的にチ
ツプ温度が実質的に20℃から125℃までの温度変化が与
えられるように電気エネルギが印加かつ停止された。こ
の電気エルネギの印加及び解除の過程で、チツプからケ
ースとしての第２セラミツク板10の外面に至る熱抵抗
と、封止体のバブルリーク試験を実施した。この結果25
000サイクルで、熱抵抗は１℃/Wと初期値と同等の値を
示し、又バブルリークも認められなかつた。熱抵抗が低
くそして高度のサイクル数まで熱抵抗変化を生じないの
は、チツプを搭載する第２セラミツク板10として熱膨張
係数がシリコンと略一致し、熱伝導率の大きい窒化アル
ミニウム焼結体であることを起因する。尚、チツプから
第２セラミツク基板10に伝達された熱は最終的には気中
に放出されるが、放熱を助けるために第２セラミツク基
体10をアルミニウムフインの如きヒートシンク部材に係
合することは好ましいことである。
本発明において、第１実施例にて開示した金属層12とし
てのアルミニウムは、他の金属にて代替することが可能
である。以上、第２実施例にて銅を適用した場合につい
て説明する。
てのアルミニウムは、他の金属にて代替することが可能
である。以上、第２実施例にて銅を適用した場合につい
て説明する。
第１実施例と同様の第１セラミツク11と第２セラミツク
10との間に、銅−シリコン合金をクラツドした同寸法の
閉ループ状銅12′を銅−シリコン合金が第２セラミツク
10に接するように介装し、真空中（7.5×10-8Pa）及び
加圧下（5kg/mm2）で950℃に加熱して30分間保持し、そ
の後約100℃まで冷却して真空及び加圧を解除するプロ
セスを経てPGAを得た。
10との間に、銅−シリコン合金をクラツドした同寸法の
閉ループ状銅12′を銅−シリコン合金が第２セラミツク
10に接するように介装し、真空中（7.5×10-8Pa）及び
加圧下（5kg/mm2）で950℃に加熱して30分間保持し、そ
の後約100℃まで冷却して真空及び加圧を解除するプロ
セスを経てPGAを得た。
上記第２セラミツク10と銅12′との界面には、界面反応
で生成された平均粒径約0.25μｍの共晶粒子からなる第
１遷移領域121a′、そして上記共晶粒子が結晶粒界103
に介在した第２遷移領域121b′とで構成された遷移領域
121′が存在して接合力維持に寄与し、そして第１遷移
領域121a′の塑性変形性能に基づく残留応力緩和に役立
つている。したがつて、第１実施例で亨受された種々の
効果は、本実施例においても同様に受けることができ
る。尚、銅12′はニツケル12″に変更することも可能で
ある。このような場合であつても、接合界面にシリコン
を積極的に導入し得ることはアルミニウムの場合と同様
である。
で生成された平均粒径約0.25μｍの共晶粒子からなる第
１遷移領域121a′、そして上記共晶粒子が結晶粒界103
に介在した第２遷移領域121b′とで構成された遷移領域
121′が存在して接合力維持に寄与し、そして第１遷移
領域121a′の塑性変形性能に基づく残留応力緩和に役立
つている。したがつて、第１実施例で亨受された種々の
効果は、本実施例においても同様に受けることができ
る。尚、銅12′はニツケル12″に変更することも可能で
ある。このような場合であつても、接合界面にシリコン
を積極的に導入し得ることはアルミニウムの場合と同様
である。
本発明において、第１セラミツク基板は誘電率が低い点
を重視して選択されるべきであるが、この観点から選択
される代替材料はムライトセラミツク，ガラスセラミツ
クが挙げられる。又、第１セラミツク基板の配線は単相
配線あるいは２層以上の多層配線のいずれであつても同
じ効果が得られる。したがつて、配線密度の大小に応じ
てピンの数も増減するが、これによつて本発明の効果が
変るものではない。
を重視して選択されるべきであるが、この観点から選択
される代替材料はムライトセラミツク，ガラスセラミツ
クが挙げられる。又、第１セラミツク基板の配線は単相
配線あるいは２層以上の多層配線のいずれであつても同
じ効果が得られる。したがつて、配線密度の大小に応じ
てピンの数も増減するが、これによつて本発明の効果が
変るものではない。
第２セラミツク基板としての窒化アルミニウム板は、熱
放散性を高める観点からは面積が大きく薄い板であるこ
とが望ましいが、第１セラミツク基板との一体化物のそ
りを軽減する観点ではなるべく厚いことが望ましい。し
たがつて、現実に選択される第２セラミツク基板の形
成，寸法はPGAに要求される仕様に応じて適切な形状，
寸法に選ばれるべきである。特に残留応力の分散のため
に円板状の第２セラミツク基板を用いるとともに金属層
12もリング状の選ぶことは更に好ましいことである。
放散性を高める観点からは面積が大きく薄い板であるこ
とが望ましいが、第１セラミツク基板との一体化物のそ
りを軽減する観点ではなるべく厚いことが望ましい。し
たがつて、現実に選択される第２セラミツク基板の形
成，寸法はPGAに要求される仕様に応じて適切な形状，
寸法に選ばれるべきである。特に残留応力の分散のため
に円板状の第２セラミツク基板を用いるとともに金属層
12もリング状の選ぶことは更に好ましいことである。
搭載する半導体基体は、第２セラミツク基板と熱膨張係
数が略一致するシリコンが最も好ましい。しかし、ひ化
ガリウム，リン化ガリウムの如き材料を代表とする化合
物半導体であつても、本発明のパツケージの効果，利点
に変る所はない。
数が略一致するシリコンが最も好ましい。しかし、ひ化
ガリウム，リン化ガリウムの如き材料を代表とする化合
物半導体であつても、本発明のパツケージの効果，利点
に変る所はない。
上記実施例にて説明したように、本発明によれば従来の
先行技術及びその応力技術によつて解決が困難であつ
た、高い放熱性と気密性が安定して維持される半導体基
体搭載用セラミツクパツケージを実現するのに効果があ
る。
先行技術及びその応力技術によつて解決が困難であつ
た、高い放熱性と気密性が安定して維持される半導体基
体搭載用セラミツクパツケージを実現するのに効果があ
る。
第１図は本発明の一応用例を示すPGAの断面図、第２図
は接合部金属層を模式図である。 10……第２セラミツク基板、11……第１セラミツク基
板、12……金属層。
は接合部金属層を模式図である。 10……第２セラミツク基板、11……第１セラミツク基
板、12……金属層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 正昭 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 八野 耕明 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 沢畠 守 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−139674（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−178647（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】半導体基体と外部回路との電気的中継回路
を形成する回路配線基板としての第１セラミック基板
と、前記半導体基体を搭載する部分を有する第２セラミ
ック基板との接合してなる半導体基体搭載用セラミック
パッケージにおいて、 前記第１セラミック基板は、アルミナ、ムライト、また
は、ガラスセラッミクのうちいずれかを母材とするセラ
ミック材からなり、前記第２セラミック基板は、焼結体
窒化アルミニウムからなり、 前記第１セラミック基板と第２セラミック基板とは、ア
ルミニウム、銅、ニッケルの群から選択された少なくと
も１種類の金属及び前記金属のシリコン合金からなる金
属層を介して接合され、 前記第２セラミック基板と前記金属層との界面には、ア
ルミニウム、銅、ニッケルの群から選択された少なくと
も１種類の金属シリコン合金を含む粒径１μｍ以下の結
晶粒からなる共晶合金を主体にした遷移領域が形成さ
れ、 前記遷移領域は、前記金属とシリコンとの共晶粒子から
なる第１の遷移領域と、この共晶粒子が第２セラミック
基板と窒化アルミニウムの結晶粒界に介在した第２の遷
移領域とからなる、 ことを特徴とする半導体基体搭載用セラミックパッケー
ジ。 - 【請求項２】特許請求第１項において、前記第２セラミ
ック基板は、前記第１セラミック基板より熱膨張係数が
小さいことを特徴とする半導体基体搭載用セラミックパ
ッケージ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60237327A JPH0793394B2 (ja) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | 半導体基体搭載用セラミックパッケージ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60237327A JPH0793394B2 (ja) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | 半導体基体搭載用セラミックパッケージ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6298648A JPS6298648A (ja) | 1987-05-08 |
| JPH0793394B2 true JPH0793394B2 (ja) | 1995-10-09 |
Family
ID=17013729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60237327A Expired - Fee Related JPH0793394B2 (ja) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | 半導体基体搭載用セラミックパッケージ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0793394B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0719155Y2 (ja) * | 1988-12-06 | 1995-05-01 | 旭硝子株式会社 | 半導体パツケージ |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5821431B2 (ja) * | 1974-04-24 | 1983-04-30 | 富士通株式会社 | ハンドウタイソウチ |
| JPS60178647A (ja) * | 1984-02-27 | 1985-09-12 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
-
1985
- 1985-10-25 JP JP60237327A patent/JPH0793394B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6298648A (ja) | 1987-05-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |