JPH08213501A - セラミック製パッケージ基体、その製造方法及びセラミック製パッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体素子を収納するキャビティ部１３及び
キャビティ部１３の周囲に半田封止用の矩形形状のメタ
ライズ層を備えたセラミック製パッケージ基体１１にお
いて、メタライズ層の１辺を含む垂直断面形状に関し、
キャビティ部１３近傍積層部分が凹形状に反っており、
その他の外周部積層部分が逆凹形状に反っているパッケ
ージ基体。 【効果】 セラミック製リッドによりパッケージ基体１
１を封止する際に、流動半田層とパッケージ基体との間
にキャビティ内部のガスを抜くための貫通孔が確実に形
成され、前記流動半田層による封着時にキャビティ内部
のガス圧の上昇を防止することができ、スプラッターの
発生を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミック製パッケージ
基体、その製造方法及びセラミック製パッケージの製造
方法に関し、より詳細には、ＩＣチップやＬＳＩチップ
等の半導体素子を搭載することのできるセラミック製パ
ッケージ用のパッケージ基体、その製造方法及びセラミ
ック製パッケージの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置において、集積回路などの半
導体素子は、パッケージ基体に設けられた半導体素子搭
載部に収納され、該半導体素子搭載部がリッドで気密に
封止されて実用に供されている。アルミナ等のセラミッ
クスは耐熱性、耐久性、信頼性などに優れるため、この
パッケージ基体及びリッドの材料として好適であり、セ
ラミック製のＩＣパッケージは現在盛んに使用されてい
る。

【０００３】図８は半導体素子を収納したセラミック製
のパッケージ基体とセラミック製のリッドとが半田層を
介して接合された半導体装置を模式的に示した断面図で
ある。

【０００４】前記半導体装置を構成するパッケージ基体
３１の中央にはキャビティ部３６が形成され、その周囲
にはリッド３２を封着する際に用いられるメタライズ層
（シールリング）４０が形成され、さらにメタライズ層
４０の周囲には図示しないマザーボードに接続するため
の外部接続ピン４１が立てられている。また、キャビテ
ィ部３６は通常その周辺部分が階段状に構成されてお
り、中間の階段部分にはワイヤボンディングのためのパ
ッド部３９が形成され、底面部分にはＬＳＩ等を載置す
る半導体素子搭載部３７が形成されている。一方、前記
半導体装置を構成するリッド３２は、セラミック基板３
３、その周縁部（下面外周部及び側面）に形成されたメ
タライズ層３４、及びこのメタライズ層３４を覆う半田
層３５から構成されている。 そして、このパッケージ
基体３１に形成されたメタライズ層４０とリッド３２に
形成されたメタライズ層３４を介して半田層３５により
パッケージ基体３１とリッド３２とが接合され、半導体
素子３８が気密に封止されている。

【０００５】この半導体装置を構成するセラミック製の
パッケージ基体３１は、所定の位置に導電性ペーストが
印刷されたグリーンシートを積層して焼成することによ
り製造される。前記方法により製造されるパッケージ基
体３１を、完全な平板状のものとすることは難しく、通
常は多少の反りが観察される。

【０００６】図９は通常のペーストを使用して導電性ペ
ーストが印刷されたグリーンシートをそのまま積層、焼
成したセラミック製パッケージ基体を模式的に示した断
面図であり、中央にキャビティ部５３が形成されてい
る。図９に示したようにパッケージ基体５１は凹形状に
反り、外部接続ピン５２が立てられている端部付近は大
きく反り上がり、１００μｍ程度の反りとなるため、パ
ッケージ基体としての規格に適合しない。

【０００７】そこで、通常はグリーンシート積層体の四
隅に適当な重しを置き、焼成を行う。図１０は重しを用
いて製造されたパッケージ基体を模式的に示した断面図
である。この場合には、パッケージ基体６１の両端の反
り上がりは抑えられるものの、キャビティ部６３が形成
されている中央部が逆凹形状に反り、そのためキャビテ
ィ部６３の周辺に形成されている半田封着用のメタライ
ズ層（シールリング）６４の各辺も逆凹形状に反ること
になる。また、パッケージ基体６１全体の反りも５０μ
ｍ程度とかなり大きい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１１（ａ）はパッケ
ージ基体を封止するためのセラミック製リッドを模式的
に示した底面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したリッド
のＩ−Ｉ線断面図である。

【０００９】図１１に示したように、セラミック製のリ
ッド３２のメタライズ層３４上に形成されている半田層
３５は中央部が薄い凹形状になっている。そのため、平
面形状又は凹形状のメタライズ層が形成されているパッ
ケージ基体をこのリッド３２を用いて封止する際には、
半田層３５による封着が一気に進行せず、封着が完了す
る直前まで前記メタライズ層と半田層３５との間の中央
部にガス抜き用となる貫通孔が残り、この貫通孔を通っ
てキャビティ内部のガスが抜ける。従って、同じ厚さの
半田層が形成されたリッドを使用した場合よりもスプラ
ッター（封着後にもキャビティ内部のガス圧が高くな
り、半田層を通ってガスが吹き抜け、そのために溶融状
態の半田が外部ピン等に付着する現象）は発生しにく
い。しかし、パッケージ基体のキャビティ部の周辺に形
成されたメタライズ層（シールリング）が図１０に示し
たように逆凹形状になっている場合、リッド３２に形成
された半田層３５が凹形状であっても、メタライズ層と
の隙間が小さくなるため、封着時にガス抜き用となる貫
通孔がすぐに塞がり、ガス抜きが完全に行われにくいた
め、スプラッターが発生し易くなるという課題があっ
た。

【００１０】本発明者らは上記課題に鑑み、セラミック
製のリッドを用いてセラミック製のパッケージ基体を封
止する際にスプラッターの発生しにくいパッケージ基体
を製造することを目的として検討を行った結果、粒径が
異なる導体金属粒子を含む導電性ペーストを所定のグリ
ーンシートの所定の箇所に塗布し、積層、焼成すること
により、製造されるセラミック製パッケージ基体の反り
を調節することができることを見出し、本発明を完成す
るに至った。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るセラミック製パッケージ基体は、半導体
素子を収納するキャビティ部及び該キャビティ部の周囲
に半田封止用の矩形形状のメタライズ層を備えたセラミ
ック製パッケージ基体において、前記メタライズ層の１
辺を含む垂直断面形状に関し、前記キャビティ部近傍積
層部分が凹形状に反っており、その他の外周部積層部分
が逆凹形状に反っていることを特徴としている（１）。

【００１２】また、本発明に係るセラミック製パッケー
ジ基体の製造方法は、上記（１）記載のセラミック製パ
ッケージ基体の製造方法において、導体金属粒子を含む
導体パターン形成用のペーストが印刷されたグリーンシ
ートの積層体を焼成し、半導体素子収納用のキャビティ
部を備えたセラミック製パッケージ基体を製造する方法
において、前記キャビティ部を囲む枠部の表面側の少な
くとも１層に塗布する前記ペースト中の導体金属粒子と
して、他の下側の層に塗布する前記ペースト中の導体金
属粒子に比べて粗粒の導体金属粒子を使用することを特
徴としている（２）。

【００１３】また、本発明に係るセラミック製パッケー
ジ基体の製造方法は、上記（２）記載のセラミック製パ
ッケージ基体の製造方法において、前記表面側の少なく
とも１層が最上層であり、下層部のメタライズ層の形成
に用いるペースト中の導体金属粒子が細粒で、かつ導体
金属粒子の平均粒径が外周部の方がその内側よりも小さ
いことを特徴としている（３）。

【００１４】また、本発明に係るセラミック製パッケー
ジ基体の製造方法は、上記（１）記載のパッケージ基体
に形成されたメタライズ層と、セラミック製リッドの外
周縁部に形成された半田層とを重ね合わせて加熱し、前
記半田層を溶融させてキャビティ部を気密に封止するこ
とを特徴としている（４）。

【００１５】

【作用】焼成後のパッケージ基体の反りは、グリーンシ
ートと、グリーンシート上に印刷される導体金属粒子を
含むペーストとの焼成時の収縮率の差の影響を受ける。
前記ペーストの焼成時の収縮率は、導体金属粒子の粒径
により異なり、その粒径が小さくなる程収縮率は大きく
なる。

【００１６】前記ペーストに含まれる導体金属粒子の粒
径の違いにより、発生する収縮率が異なることを利用す
ることにより、パッケージ基体の反りを調節することが
できる。

【００１７】すなわち、パッケージ基体の製造の際のグ
リーンシートの積層時に、グリーンシート積層体を構成
する所定のグリーンシートに印刷する前記ペースト中の
導体金属粒子の粒径を、グリーンシート各層毎又は同一
グリーンシートの塗布場所により変化させることによ
り、パッケージ基体全体の反りのみでなく、パッケージ
基体の各積層部分の反りをも調整することができる。

【００１８】本発明に係るセラミック製パッケージ基体
（１）は、半導体素子を収納するキャビティ部及び該キ
ャビティ部の周囲に半田封止用の矩形形状のメタライズ
層を備えたセラミック製パッケージ基体において、前記
メタライズ層の１辺を含む垂直断面形状に関し、前記キ
ャビティ部近傍積層部分が凹形状に反っており、その他
の外周部積層部分が逆凹形状に反っているので、セラミ
ック製リッドにより前記パッケージ基体を封止する際
に、流動半田層とパッケージ基体との間にキャビティ内
部のガスを抜くための貫通孔が形成され易く、前記流動
半田層による封着時にキャビティ内部のガス圧が高くな
りにくく、スプラッターが発生しない。

【００１９】また、本発明に係るセラミック製パッケー
ジ基体の製造方法（２）によれば、前記キャビティ部を
囲む枠部の表面側の少なくとも１層に塗布する前記ペー
スト中の導体金属粒子として、他の下側の層に塗布する
前記ペースト中の導体金属粒子に比べて粗粒の導体金属
粒子を使用するので、上記（１）記載のパッケージ基体
が確実に製造され、セラミック製リッドにより前記パッ
ケージ基体を封止する際には、流動半田層とパッケージ
基体との間にキャビティ内部のガスを抜くための貫通孔
が確実に形成され、前記流動半田層による封着時にキャ
ビティ内部のガス圧が高くなりにくく、スプラッターが
発生しない。

【００２０】また本発明に係るセラミック製パッケージ
基体の製造方法（３）によれば、前記表面側の少なくと
も１層が最上層であり、下層部のメタライズ層の形成に
用いるペースト中の導体金属粒子が細粒で、かつ導体金
属粒子の平均粒径が外周部の方がその内側よりも小さい
ので、メタライズ層を含む積層部分の凹形状の反りがよ
り顕著になり、セラミック製リッドにより前記パッケー
ジ基体を封止する際には、キャビティ内部のガスがより
抜け易くなり、スプラッターの発生率がより低下する。

【００２１】さらに本発明に係るセラミック製パッケー
ジの製造方法（４）によれば、上記（１）記載のパッケ
ージ基体に形成されたメタライズ層と、セラミック製リ
ッドの外周縁部に設けられた半田層とを重ね合わせて加
熱し、前記半田層の溶融によりキャビティ部を気密に封
止するので、スプラッターが発生することなくセラミッ
ク製パッケージが製造される。

【００２２】この他、本発明に係るセラミック製パッケ
ージ基体（１）又は本発明の方法により製造されるセラ
ミック製パッケージ基体（２）、（３）は、キャビティ
部周囲の半導体封止用のメタライズ層近傍が凹形状、そ
の外周部が逆凹形状となっているので、セラミック製パ
ッケージ基体全体の反りが小さくなる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係るセラミック製パッケージ
基体及びその製造方法並びに該パッケージ基体を用いた
セラミック製パッケージ及びその製造方法を図面に基づ
いて説明する。

【００２４】図１は実施例に係るセラミック基体を模式
的に示した断面図であるが、このセラミック基体１１は
中央のキャビティ部１３及びキャビティ部１３近傍が凹
形状に反っており、逆に外部接続ピン１２が立てられて
いる面の部分は逆凹形状（凸形状）に反っている。メタ
ライズ層（図４：２６ｂ）はパッケージ基体１１の表面
で、キャビティ部１３の周囲に形成されている。従っ
て、メタライズ層も凹形状となっている。セラミック製
リッドとしては、図１１に示したような中央に薄い半田
層３５が形成されたものが用いられ、このリッド３２を
用いて封着する際には前記メタライズ層の凹形部分と半
田層３５の凹形部分とが逆向きで対向することとなり、
封着が一気に進行せず、封着が完了する直前まで中央部
にガス抜き用の貫通孔が残るかたちとなり、この貫通孔
を通ってキャビティ部１３のガスが抜けるようになって
いる。従って、同じ厚さの半田層が形成されたリッドを
使用した場合に比べると、スプラッター、すなわち封着
後に半田層を通ってガスが抜け、そのために溶融半田が
外部ピン等に付着する現象はいっそう発生しにくい。次
に、実施例に係るパッケージ基体の製造方法について説
明する。

【００２５】図２は、実施例に係るパッケージ基体の製
造に用いる焼成前のグリーンシート積層体を模式的に示
した断面図である。

【００２６】このグリーンシート積層体２０は、６つの
層が積層されて構成されている。この６つの層を、下か
ら順にグリーンシート第１層２１、グリーンシート第２
層２２、グリーンシート第３層２３、グリーンシート第
４層２４、グリーンシート第５層２５、グリーンシート
第６層２６と呼ぶことにする。本実施例では、このグリ
ーンシート積層体２０の中のグリーンシート第２層２２
及びグリーンシート第６層２６に印刷するペースト中の
粒子の径を従来の場合（比較例）と異なり、種々変化さ
せることにより、製造するパッケージ基体１１の反りの
状態を変化させる。

【００２７】図３はグリーンシート第２層２２に形成す
るペーストの印刷パターンを示した平面図であり、この
場合は外側の印刷パターン２２ａと内側の印刷パターン
２２ｂとでペースト中のＷ粒子の粒径を変化させる。

【００２８】ここで、粗粒、細粒の定義は次の通りであ
る。Ｗ粒子として、実施例では平均粒径が相違する５種
類、比較例では同じく３種類を用いた。これら５種類の
Ｗ粒子又は３種類のＷ粒子の平均粒径から算術平均を求
めることにより、用いるＷ粒子全体の平均粒子径を定
め、その全体の平均粒子径より大きいものを粗粒、小さ
いものを細粒と定義した。Ｗ粒子全体の平均粒子径は、
実施例１、２では、３．３μｍ、比較例では３．４μｍ
である。

【００２９】また、図４はグリーンシート第６層２６に
形成するペーストの印刷パターンを示した平面図であ
り、この場合は外側の外部接続ピン用パッドの印刷パタ
ーン２６ａと内側の半田封着に用いるメタライズ層（シ
ールリング）用の印刷パターン２６ｂとはペースト中の
Ｗ粒子をいずれも粗粒とした。その他のグリーンシート
２１、２３・・・ に印刷するペースト中のＷ粒子の粒径は
従来の場合（比較例）と同様とする。

【００３０】下記の表１にはグリーンシート第１層２１
〜グリーンシート第６層２６に印刷するＷペースト中の
Ｗ粒子の平均粒径を記載している。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１に示しているように、実施例１におい
て、グリーンシート第２層２２では、外側の印刷パター
ン２２ａに２．５μｍと平均粒径の小さなＷ粒子を含む
ペーストを用い、内側の印刷パターン２２ｂには２．７
μｍと外側の場合よりも大きな平均粒径のＷ粒子を含む
ペーストを用い、一方グリーンシート第６層２６では、
外側の印刷パターン２６ａ、内側の印刷パターン２２ｂ
ともに、３．４μｍと平均粒径の大きなＷ粒子（用いる
Ｗ粒子全体の平均粒子径より大きい粗粒）を含むペース
トを用いている。

【００３３】また、実施例２では、グリーンシート第２
層２２には２．５μｍと平均粒径の小さい細粒のＷ粒子
を含むペーストを印刷し、グリーンシート第６層２６に
は、３．４μｍと平均粒径の大きい粗粒のＷ粒子を含む
ペーストを印刷している。

【００３４】以上のようにして実施例１及び２並びに比
較例１に係るグリーンシート積層体２０を形成した後、
Ｎ₂ −Ｈ₂ 還元性ガス雰囲気下に１５６０℃で２時間焼
成を行うことにより、パッケージ基体１１を製造した。
なお、比較例においては、グリーンシートの四隅に３．
２ｇのＭｏ板からなる重しをおいて焼成を行った。

【００３５】図５、図６、及び図７は、それぞれ実施例
１、実施例２及び比較例１に係るパッケージ基体１１、
６１のキャビティ部１３、６３のメタライズ層（シール
リング）２辺の凹凸を測定した結果を示したグラフであ
る。

【００３６】図５〜７より明らかなように、実施例の場
合のパッケージ基体１１は、メタライズ層が凹形状をし
ており、一方比較例の場合のパッケージ基体６１は、メ
タライズ層が逆凹形状又は波形をしており、実施例に係
るパッケージ基体１１を用いた方がリッドによる封着の
際にスプラッターが発生しにくい。

【００３７】このことを確認するために実際に、前記実
施例１、実施例２及び比較例１に係るパッケージ基体１
１、６１に、図１１に示した構成のリッド３２を用いて
封着を行い、スプラッターの発生率を測定した。その結
果も併せて上記の表１に示している。

【００３８】上記表１より明らかなように、実施例に係
るパッケージ基体１１を用いた場合にはスプラッターが
発生していないのに対し、比較例に係るパッケージ基体
６１を用いた場合にはスプラッター発生率が２％と大き
な値になった。

【００３９】また、実施例１及び実施例２の場合に得ら
れたパッケージ基体１１は、全体の反り量が５０μｍ以
下と小さく、重しを用いない従来法に比べると１／２以
下、重しを用いた比較例１と比べても同等又はそれ以下
の反り量であった。

【００４０】なお、実施例では、導体金属粒子としてＷ
粒子を用いたが、Ｍｏ粒子やＭｏ粒子とＷ粒子の混合物
等も用いることもできる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るパッケ
ージ基体（１）にあっては、半導体素子を収納するキャ
ビティ部及び該キャビティ部の周囲に半田封止用の矩形
形状のメタライズ層を備えたセラミック製パッケージ基
体において、前記メタライズ層の１辺を含む垂直断面形
状に関し、前記キャビティ部近傍積層部分が凹形状に反
っており、その他の外周部積層部分が逆凹形状に反って
いるので、セラミック製リッドにより前記パッケージ基
体を封止する際に、流動半田層とパッケージ基体との間
にキャビティ内部のガスを抜くための貫通孔が形成され
易く、前記流動半田層による封止時にキャビティ内部の
ガス圧の上昇を防止することができ、スプラッターの発
生を防止することができる。

【００４２】また、本発明に係るセラミック製パッケー
ジ基体の製造方法（２）にあっては、前記キャビティ部
を囲む枠部の表面側の少なくとも１層に塗布する前記ペ
ースト中の導体金属粒子として、他の下側の層に塗布す
る前記ペースト中の導体金属粒子に比べて粗粒の導体金
属粒子を使用するので、上記（１）記載のパッケージ基
体を確実に製造することができ、セラミック製リッドに
より前記パッケージ基体を封止する際には、半田層とパ
ッケージ基体との間にキャビティ内部のガスを抜くため
の貫通孔を確実に形成され、前記流動半田層による封着
時にキャビティ内部のガス圧の上昇を防止することがで
き、スプラッターの発生を防止することができる。

【００４３】また本発明に係るセラミック製パッケージ
基体の製造方法（３）にあっては、前記表面側の少なく
とも１層が最上層であり、下層部のメタライズ層の形成
に用いるペースト中の導体金属粒子が細粒で、かつ導体
金属粒子の平均粒径が外周部の方がその内側よりも小さ
いので、メタライズ層を含む積層部分の凹形状の反りが
より顕著になり、セラミック製リッドにより前記パッケ
ージ基体を封止する際には、キャビティ内部のガスがよ
り抜け易くなり、スプラッターの発生率をより低下させ
ることができる。

【００４４】さらに本発明に係るセラミック製パッケー
ジの製造方法（４）によれば、上記（１）記載のパッケ
ージ基体に形成されたメタライズ層と、セラミック製リ
ッドの外周縁部に設けられた半田層とを重ね合わせて加
熱し、前記半田層の溶融によりキャビティ部を気密に封
止するので、スプラッターを発生することなくセラミッ
ク製パッケージを製造することができる。

【００４５】この他、本発明に係るセラミック製パッケ
ージ基体（１）、本発明に係るセラミック製パッケージ
基体の製造方法により得られたセラミック製パッケージ
基体（２）、（３）及び本発明に係るセラミック製パッ
ケージの製造方法により得られたセラミック製パッケー
ジは、キャビティ部周囲の半田封止用のメタライズ層近
傍が凹形状、その外周部が逆凹形状に反っているので、
焼成時に反り防止用の重しを用いないでも、セラミック
製パッケージ基体及びセラミック製パッケージ全体の反
りを小さくすることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係るセラミック基体を模式的に示した
断面図である。

【図２】実施例に係るパッケージ基体の製造に用いられ
るグリーンシート積層体を模式的に示した断面図であ
る。

【図３】グリーンシート第２層に形成するペーストの印
刷パターンを示した平面図である。

【図４】グリーンシート第６層に形成するペーストの印
刷パターンを示した平面図である。

【図５】実施例１に係るパッケージ基体のメタライズ層
２辺の凹凸を測定した結果を示したグラフである。

【図６】実施例２に係るパッケージ基体のメタライズ層
２辺の凹凸を測定した結果を示したグラフである。

【図７】比較例１に係るパッケージ基体のメタライズ層
２辺の凹凸を測定した結果を示したグラフである。

【図８】半導体素子を収納したセラミック製のパッケー
ジ基体とセラミック製のリッドとが半田層を介して接合
された半導体装置を模式的に示した断面図である。

【図９】通常のペーストを使用して導電パターンが印刷
されたグリーンシートをそのまま積層、焼成したセラミ
ック製パッケージ基体を模式的に示した断面図である。

【図１０】グリーンシート積層体の四隅に適当な重しを
置いて、焼成を行った場合に製造されるパッケージ基体
を模式的に示した断面図である。

【図１１】（ａ）はパッケージ基体を封着するためのセ
ラミック製リッドを模式的に示した平面図であり、
（ｂ）は（ａ）に示したリッドのＩ−Ｉ線断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ パッケージ基体 １３ キャビティ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子を収納するキャビティ部及び
   該キャビティ部の周囲に半田封止用の矩形形状のメタラ
   イズ層を備えたセラミック製パッケージ基体において、
   前記メタライズ層の１辺を含む垂直断面形状に関し、前
   記キャビティ部近傍積層部分が凹形状に反っており、そ
   の他の外周部積層部分が逆凹形状に反っていることを特
   徴とするセラミック製パッケージ基体。
2. 【請求項２】 導体金属粒子を含む導体パターン形成用
   のペーストが印刷されたグリーンシートの積層体を焼成
   し、半導体素子収納用のキャビティ部を備えたセラミッ
   ク製パッケージ基体を製造する方法において、前記キャ
   ビティ部を囲む枠部の表面側の少なくとも１層に塗布す
   る前記ペースト中の導体金属粒子として、他の下側の層
   に塗布する前記ペースト中の導体金属粒子に比べて粗粒
   の導体金属粒子を使用することを特徴とする請求項１記
   載のセラミック製パッケージ基体の製造方法。
3. 【請求項３】 前記表面側の少なくとも１層が最上層で
   あり、下層部のメタライズ層の形成に用いるペースト中
   の導体金属粒子が細粒で、かつ導体金属粒子の平均粒径
   が外周部の方がその内側よりも小さいことを特徴とする
   請求項２記載のセラミック製パッケージ基体の製造方
   法。
4. 【請求項４】 請求項１記載のパッケージ基体に形成さ
   れたメタライズ層と、セラミック製リッドの外周縁部に
   形成された半田層とを重ね合わせて加熱し、前記半田層
   を溶融させてキャビティ部を気密に封止することを特徴
   とするセラミック製パッケージの製造方法。