JPH1154650A - Composite package and manufacturing method thereof - Google Patents

Composite package and manufacturing method thereof

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JPH1154650A
JPH1154650A JP20330797A JP20330797A JPH1154650A JP H1154650 A JPH1154650 A JP H1154650A JP 20330797 A JP20330797 A JP 20330797A JP 20330797 A JP20330797 A JP 20330797A JP H1154650 A JPH1154650 A JP H1154650A
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JP
Japan
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oxide
package
substrate
oxide layer
composite package
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JP20330797A
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Japanese (ja)
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Jun Monma
旬 門馬
Koji Yamakawa
晃司 山川
Keiichi Yano
圭一 矢野
Norio Nakayama
憲隆 中山
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接着特性の良好な、熱伝導にすぐれた半導体
素子用複合パッケージを提供する。 【解決手段】 非酸化物セラミックス基板11の表面に
薄い酸化物層12を形成し、樹脂基板10と非酸化物セ
ラミックス基板11とを接着剤13を用いて接着する。
(57) [Problem] To provide a composite package for a semiconductor element having good adhesive properties and excellent heat conduction. SOLUTION: A thin oxide layer 12 is formed on a surface of a non-oxide ceramic substrate 11, and a resin substrate 10 and the non-oxide ceramic substrate 11 are bonded with an adhesive 13.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は多端子・狭ピッチの
半導体素子用パッケージに係り、特にセラミック基板と
樹脂基板またはフィルムとを接着・接合した半導体素子
用複合パッケージおよびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-terminal, narrow-pitch semiconductor element package, and more particularly to a semiconductor element composite package in which a ceramic substrate and a resin substrate or a film are bonded and bonded, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体チップが実装されるセ
ラミックス、樹脂、金属などからなる各種のパッケージ
は、LSIの高集積化、高速化、大消費電力化、大型チ
ップ化により、高密度化、高速対応化、高放熱化の傾向
にある。また、これらの半導体チップの用途も、ワーク
ステーション、パーソナルコンピューター、ビジネスコ
ンピューター等の産業用から、携帯用機器、プリンタ
ー、コピー、カメラ、テレビ、ビデオ等の電子機器まで
多くの範囲に広がり、半導体素子の性能自体も向上して
いる。高性能、高集積密度のLSIチップを搭載するパ
ッケージには、LSIチップと多端子・狭ピッチで接続
ができること、配線密度が高いこと、放熱性がよいこ
と、高速の信号を扱うことができること、パッケージの
入出力端子を多端子・狭ピッチ化する事が可能であるこ
となどが求められている。さらに、これらの条件を満足
する高性能なパッケージを、簡単な工程でかつ高信頼性
の下で安価に作製する技術が必要になっている。
2. Description of the Related Art Various types of packages, such as ceramics, resins, and metals, on which semiconductor chips such as LSIs are mounted, have been increased in density due to high integration, high speed, large power consumption, and large chips of LSIs. There is a trend toward higher speeds and higher heat dissipation. In addition, the applications of these semiconductor chips are wide ranging from industrial applications such as workstations, personal computers, and business computers to electronic devices such as portable devices, printers, copiers, cameras, televisions, and videos. The performance itself has also improved. Packages that mount high-performance, high-integration-density LSI chips must be able to connect to the LSI chip with multiple terminals and a narrow pitch, have high wiring density, have good heat dissipation, and can handle high-speed signals. It is required that the number of input / output terminals of a package can be increased and the pitch can be reduced. Further, there is a need for a technique for manufacturing a high-performance package satisfying these conditions at a low cost with a simple process and high reliability.

【0003】半導体素子を高機能化するためには多ビッ
ト化、大容量化、高速化の三つが柱となる。この中で特
に高速化の要求はパッケージに大きな影響を与えてき
た。半導体素子への入出力のピン数を増加させ、データ
を並行処理することで高速化が図られたからである。こ
のため、パッケージにおいても多端子化(多ピン化)は
一つの命題となってきている。また、携帯機器の小型化
や、高密度実装のためにパッケージには小型化も要求さ
れている。特にこれから大きく伸びるマルチメディアの
分野、アミューズメントや通信機器などにおいてこの要
求は大きい。多ピン化と小型化、この二つのニーズを満
たすため様々なパッケージが開発されている。上述した
ような接続技術を有効に機能させる上で、パッケージ側
も狭ピッチ・多端子のインナーリード部分が必要である
と共に、プリント基板等の搭載ボードとパッケージとの
接続も、多端子・狭ピッチにする事が必要になってい
る。また、前述したように、LSIの高速化によりパッ
ケージも高速信号を扱う必要があるため、電気特性の考
慮も必要となる。
[0003] In order to enhance the function of a semiconductor element, three pillars of increasing the number of bits, increasing the capacity, and increasing the speed are the pillars. Among them, the demand for high speed has had a great influence on the package. This is because the number of pins for input / output to the semiconductor element is increased and data is processed in parallel to achieve higher speed. For this reason, multi-terminals (multi-pins) has become one proposition in packages. In addition, the miniaturization of portable devices and the miniaturization of packages for high-density mounting are also required. This demand is particularly great in the field of multimedia, amusement and communication equipment, which will greatly increase in the future. Various packages have been developed to meet these two needs of multi-pin and miniaturization. In order for the above-mentioned connection technology to function effectively, the package side must also have a narrow-pitch, multi-terminal inner lead part, and the connection between the package and the mounting board, such as a printed circuit board, must be a multi-terminal, narrow-pitch. It is necessary to do. Further, as described above, the package needs to handle high-speed signals due to the increase in the speed of the LSI, so that it is necessary to consider the electrical characteristics.

【0004】以上のようなパッケージの多端子・狭ピッ
チ化への要請を満足させるために、パッケージ構造は従
来のピン挿入型やQFP(クウォド・フラッド・パッケ
ージ;Quad Flad Package)等の表面実装型から、BGA
(ボール・グリッド・アレイ;Ball Grid Array)パッケ
ージに移行している。表面実装型パッケージにおいて多
端子・狭ピッチ化を行うためには端子の精度、リードに
起因するインダクタンス、リードそのものの強度あるい
は実装時の精度等の点から限界が見えてきているからで
ある。また表面実装型パッケージでは多端子化にともな
い外形寸法が大型化せざるを得ない欠点を有しているか
らである。
[0004] In order to satisfy the above demands for a package having multiple terminals and a narrow pitch, the package structure is a conventional pin insertion type or a surface mounting type such as a QFP (Quad Flood Package). From BGA
(Ball Grid Array) package. This is because limits to the number of terminals and the narrow pitch in a surface mount type package are becoming apparent in terms of terminal accuracy, inductance due to leads, strength of leads themselves, mounting accuracy, and the like. Another reason is that the surface mount type package has a disadvantage that the outer dimensions must be increased with the increase in the number of terminals.

【0005】BGAは、従来のパッケージに比べ、イン
ダクタンスを低減させ、パッケージ本体の多層配線構造
を高速対応させる事が可能であり、大型コンピューター
や、パーソナルコンピューター、携帯機器等の民生品へ
と使用用途が広がっている。BGAは、パッケージの入
出力端子として半田からなる突起接続体(半田ボール)
を用いたパッケージ構造体を有し、上述したようなピン
やリードに起因するインダクタンスによる高速信号の反
射遅延等を改善するのが可能である。また、半田ボール
による接続距離の短縮化に加えて、半田ボール形成によ
る狭ピッチ・多端子化が容易となり、BGAは今後のL
SIパッケージとして有望である。更に、この半田ボー
ル形成による狭ピッチ・多端子化は、パッケージサイズ
そのものを縮小化し、プリント基板等への実装密度の向
上、配線の寄生容量、インダクタンス、抵抗などの低減
による電気特性の向上、パッケージの小型化による高周
波特性の改善等が期待できる。
The BGA can reduce the inductance compared to the conventional package and can adapt the multilayer wiring structure of the package body at a high speed, and is used for consumer products such as large computers, personal computers, and portable devices. Is spreading. BGA is a protruding connector (solder ball) made of solder as the input / output terminal of the package
It is possible to improve the reflection delay of a high-speed signal and the like due to the inductance caused by the pins and leads as described above. Further, in addition to shortening of the connection distance by the solder ball, narrow pitch and multiple terminals can be easily achieved by forming the solder ball.
Promising as an SI package. Furthermore, the narrow pitch and multiple terminals due to the formation of the solder balls reduce the package size itself, improve the mounting density on printed circuit boards, etc., improve the electrical characteristics by reducing the parasitic capacitance, inductance, and resistance of wiring, and improve the package. Improvement of high frequency characteristics and the like can be expected by downsizing.

【0006】一方、パッケージの放熱面から見ると、L
SIの高集積密度化と高速化にともない、消費電力が向
上し、発熱量は年々増加する傾向にある。しかもコンピ
ュータにおいては、本体の小型化がすすむ反面、ボード
の枚数は増加する傾向にあり、ボード間の隙間も次第に
狭くなってきている。このようなことから、パッケージ
自体も薄型で、放熱性に優れた構造や材料が必要となっ
てきている。高放熱性パッケージには、セラミックスパ
ッケージが主として使用されている。セラミックスに
は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si3
4 )、アルミナ(Al2 3 )、硝子セラミックス等が
あり、発熱量や高周波特性等の仕様によりこれらをうま
く使い分けている。特にAlNやSi3 4 等の非酸化
物セラミックスは熱伝導率が良い特徴を有している。し
かしながら、放熱性のよいセラミックスを使用した場合
においても、放熱面で限界がある。すなわち、ボード間
の隙間の制約があることから、放熱フィンやヒートパイ
プのような厚い構造が困難であり、またファンの空冷効
率も落ちていることが一因である。
On the other hand, when viewed from the heat radiation side of the package, L
As the integration density and the speed of the SI increase, the power consumption increases, and the amount of heat generated tends to increase year by year. Moreover, in the computer, while the size of the main body has been reduced, the number of boards has been increasing, and the gap between the boards has been gradually narrowed. For this reason, a structure and a material which are thin and have excellent heat dissipation properties are also required. Ceramic packages are mainly used for high heat dissipation packages. Ceramics include aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (Si 3 N).
4 ), alumina (Al 2 O 3 ), glass ceramics, etc., which are properly used depending on the specifications such as the calorific value and high frequency characteristics. In particular, non-oxide ceramics such as AlN and Si 3 N 4 have characteristics of good thermal conductivity. However, even when ceramics having good heat dissipation properties are used, there is a limit in terms of heat dissipation. That is, it is difficult to have a thick structure such as a radiation fin or a heat pipe due to the restriction of the gap between the boards, and the air cooling efficiency of the fan is also reduced.

【0007】さらに、セラミックス製パッケージでは、
プリント基板に搭載した際に、パッケージとプリント基
板との熱膨張係数の差が大きいことから、接続部である
半田ボール部分の接続信頼性(実装信頼性)が低いとい
う問題を有している。この熱膨張係数の差は、BGAパ
ッケージをプリント基板に搭載する際のリフロー半田付
け工程で熱履歴をうけることにより起こるものと、通常
の使用中における環境温度変化によるものとがあるが、
いずれもセラミックスとプリント基板との熱膨張係数の
差が大きいために、機械的強度が低い半田ボール部分に
熱応力が集中し、半田ボールにクラックが生じたり、さ
らには半田ボールが破断する等して、接続部の信頼性を
低下させるという問題を有していた。また酸化物セラミ
ックスの代表的なAl2 3 (アルミナ)は従来パッケ
ージ用のセラミックスとして多用されていたが、シリコ
ン端結晶との熱膨張係数の差が大きいため、シリコンチ
ップの大型化と高密度実装に障害をもたらすことも明ら
かになってきた。
Further, in a ceramic package,
When mounted on a printed circuit board, the difference in thermal expansion coefficient between the package and the printed circuit board is large, so that there is a problem in that the connection reliability (mounting reliability) of the solder ball portion as the connection portion is low. The difference in the coefficient of thermal expansion is caused by a thermal history in a reflow soldering process when mounting a BGA package on a printed circuit board, and by a change in environmental temperature during normal use.
In any case, since the difference in thermal expansion coefficient between the ceramics and the printed circuit board is large, thermal stress concentrates on the solder ball portion with low mechanical strength, causing cracks in the solder ball and further breaking the solder ball. Therefore, there has been a problem that the reliability of the connection part is reduced. Al 2 O 3 (alumina), a typical oxide ceramic, has been widely used as a ceramic for a conventional package. However, since the difference in thermal expansion coefficient from the silicon end crystal is large, the size of the silicon chip is increased and the density is increased. It has also been shown to hinder implementation.

【0008】この熱膨張係数の差の問題に関しては、近
年セラミックス基板にプリント基板と熱膨張係数の近い
樹脂基板を接着剤等で貼り合わせた複合パッケージとす
ることで信頼性の向上が図られている。この複合パッケ
ージは、熱伝導率の高い非酸化物セラミックス基板と配
線層を形成する樹脂基板とを貼り合わせて電気的機械的
に接合した複合パッケージを用いることで、両者の長所
を生かさんとするものである。すなわち樹脂基板とプリ
ント基板との熱膨張係数がほぼ等しいということによる
高信頼性、あるいは樹脂基板上へのリソグラフィによる
微細配線の容易性という長所、さらには樹脂基板の低価
格性という長所と非酸化物セラミックス基板の持つ高熱
伝導特性という長所をともに生かさんとする構造となっ
ている。
Regarding the problem of the difference in thermal expansion coefficient, in recent years, reliability has been improved by forming a composite package in which a printed circuit board and a resin substrate having a similar thermal expansion coefficient are bonded to a ceramic substrate with an adhesive or the like. I have. This composite package uses a composite package in which a non-oxide ceramic substrate with high thermal conductivity and a resin substrate that forms the wiring layer are bonded and electrically and mechanically bonded, thereby taking advantage of the advantages of both. Things. In other words, the advantages of high reliability due to the thermal expansion coefficients of the resin substrate and printed circuit board being substantially equal, the ease of fine wiring by lithography on the resin substrate, and the advantage of low cost of the resin substrate and the non-oxidation The structure makes good use of the advantages of the high thermal conductivity of the ceramic substrate.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た複合パッケージにおいて、AlNやSi3 4 等の高
熱伝導性を特徴とする非酸化物セラミックス基板と樹脂
基板との接着に関し、信頼性向上が望まれている。つま
り、非酸化物セラミックス基板の表面は、樹脂基板を接
着するための接着剤との濡れ性に欠け、接着剤を剥離し
やすいという問題点が明らかになってきたからである。
However, in the above-described composite package, it is desired to improve the reliability of the bonding between the non-oxide ceramic substrate such as AlN or Si 3 N 4 and the resin substrate, which is characterized by high thermal conductivity. It is rare. In other words, the problem is that the surface of the non-oxide ceramic substrate lacks wettability with the adhesive for bonding the resin substrate and the adhesive is easily peeled off.

【0010】本発明は、この様な課題に対処すべくなさ
れたもので、非酸化物セラミックス基板と樹脂基板を貼
り合わせる際の、接着信頼性に優れた半導体用パッケー
ジを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to address such a problem, and has as its object to provide a semiconductor package having excellent bonding reliability when a non-oxide ceramic substrate and a resin substrate are bonded together. I do.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の非酸化物セラミッ
クス基板の表面と接着剤との濡れ性が悪いのは、接着剤
の官能基であるOH基やCOOH基と、非酸化物セラミ
ックス表面との親和性が低いためである。
The poor wettability between the surface of the non-oxide ceramic substrate and the adhesive is due to the OH or COOH group, which is a functional group of the adhesive, and the surface of the non-oxide ceramic. This is because of low affinity.

【0012】この界面の親和性の問題に関し、本発明者
らは鋭意研究を重ねた結果、非酸化物セラミックス表面
に酸化物層を形成すれば、接着剤を塗布した際に酸化物
層に吸着した接着剤のOH基やCOOH基を介して、接
着剤と非酸化物セラミックス表面との親和性が向上し、
樹脂基板と非酸化物セラミックス基板との接着を促進し
得ることを実験的に明らかにし、高信頼性を有する複合
パッケージを実現した。
The inventors of the present invention have conducted intensive studies on the problem of the affinity of the interface. As a result, if an oxide layer is formed on the surface of the non-oxide ceramic, the oxide layer is adsorbed on the oxide layer when the adhesive is applied. The affinity between the adhesive and the non-oxide ceramic surface is improved through the OH group and COOH group of the adhesive,
It has been experimentally demonstrated that adhesion between a resin substrate and a non-oxide ceramic substrate can be promoted, and a highly reliable composite package has been realized.

【0013】すなわち、本発明の複合パッケージは非酸
化物セラミックス基板と、非酸化物セラミックス基板の
表面に形成された酸化物層と、酸化物層の表面に形成さ
れた接着剤層と、接着剤層の上に形成された樹脂基板と
を有する半導体素子用のパッケージであることを第1の
特徴とする。ここで「樹脂基板」とは配線層を有する多
層もしくは単層から成る樹脂基板もしくは樹脂フィルム
を意味する。
That is, the composite package of the present invention comprises a non-oxide ceramic substrate, an oxide layer formed on the surface of the non-oxide ceramic substrate, an adhesive layer formed on the surface of the oxide layer, A first feature is that it is a package for a semiconductor element having a resin substrate formed on a layer. Here, the “resin substrate” means a resin substrate or a resin film composed of a multilayer or a single layer having a wiring layer.

【0014】本発明の第1の特徴において、特に非酸化
物セラミックスは、AlNが好ましい。高い熱伝導率を
有し、放熱特性にすぐれており、さらにAl2 3 、ベ
リリア(BeO)等の酸化物セラミックスよりもシリコ
ンに近い熱膨張係数をもっているからである。また酸化
物セラミックスのAl2 3 よりも硬度が低く加工しや
すいからである。
In the first aspect of the present invention, the non-oxide ceramic is preferably AlN. This is because it has a high thermal conductivity, is excellent in heat radiation characteristics, and has a thermal expansion coefficient closer to that of silicon than oxide ceramics such as Al 2 O 3 and beryllia (BeO). Also, the hardness is lower than that of Al 2 O 3 of oxide ceramics, so that processing is easy.

【0015】非酸化物セラミックス基板と樹脂基板とを
接着するための有機樹脂接着剤は、一般に、分子中にあ
る極性基を介した水素結合に左右される。特にエポキシ
樹脂やイソシアネート樹脂を用いた場合、被接着物の表
面に水酸基があると、水素結合または直接一次結合力に
よる強力な接着を与える。
An organic resin adhesive for bonding a non-oxide ceramic substrate and a resin substrate generally depends on hydrogen bonding via a polar group in a molecule. In particular, when an epoxy resin or an isocyanate resin is used, if a surface of a substance to be bonded has a hydroxyl group, strong bonding is provided by hydrogen bonding or direct primary bonding force.

【0016】酸化物セラミックスの場合、構造上、表面
は分極性の大きいO2-イオンが、金属イオンMn+より空
間側にせり出している。O2-イオンのかわりに倍数のO
-イオンでMn+イオンを取り囲むと電荷の上から中性
となるため、+電荷を中心とした−電荷の対称性も良く
なり、静電荷中和のひずみが小さくなる。このため、酸
化物セラミックスの場合、雰囲気中の水が触れると水酸
基化が起こりやすく、それによって表面は安定化され
る。水酸基が表面を覆っていると、この水酸基と接着剤
分子間に水素結合(あるいは直接一次結合)を生じて、
強く接着する。
In the case of oxide ceramics, O 2− ions having high polarizability protrude to the space side from the metal ions M n + in terms of structure. Multiple O instead of O 2 -ion
When the H - ion surrounds the M n + ion, the charge becomes neutral from above, so that the symmetry of the-charge centered on the + charge is improved, and the distortion of the neutralization of the electrostatic charge is reduced. For this reason, in the case of oxide ceramics, hydroxylation is likely to occur when water in the atmosphere comes into contact, and the surface is thereby stabilized. If the hydroxyl groups cover the surface, hydrogen bonds (or direct primary bonds) occur between the hydroxyl groups and the adhesive molecules,
Adhere strongly.

【0017】ところが、非酸化物セラミックス、特にA
lNやSi3 4 等の窒化物セラミックスの場合、粉末
では表面が活性なため、空気中の水分と反応して、アン
モニアを生じる。このような場合、粉末セラミックスの
表面では水酸基が生じていると考えられる。しかしなが
ら、アンモニアの存在により、接着が妨げられる場合が
ある。一方、緻密な焼結体となった窒化物セラミックス
基板の表面は、常温では容易に空気中の水分と反応しな
いため、水酸基化を生じることが困難である。したがっ
て、直接、有機樹脂接着剤を非酸化物セラミックス基板
の表面に塗布しても、剥離を生じることが多い。特に、
熱硬化樹脂の場合、硬化することによって接着剤の内部
凝集力が上昇すると剥離しやすくなる。
However, non-oxide ceramics, especially A
In the case of nitride ceramics such as 1N and Si 3 N 4 , since the surface of the powder is active, it reacts with moisture in the air to generate ammonia. In such a case, it is considered that hydroxyl groups are generated on the surface of the powder ceramics. However, adhesion may be hindered by the presence of ammonia. On the other hand, the surface of the nitride ceramic substrate that has become a dense sintered body does not easily react with moisture in the air at room temperature, and thus it is difficult to cause hydroxylation. Therefore, even if the organic resin adhesive is directly applied to the surface of the non-oxide ceramic substrate, peeling often occurs. Especially,
In the case of a thermosetting resin, when the internal cohesive force of the adhesive is increased by curing, the adhesive is easily peeled.

【0018】このような剥離を回避するためには、本発
明の第1の特徴のように基板表面に効果的な水酸基化を
起こしてやれば良い。非酸化物セラミックスの場合に
は、その表面に完全な酸化物層を形成することが効果的
である。セラミックスとしての性質上、種々の粒、径の
結晶粒が含まれ、表面は一様には酸化しないからであ
る。不完全な酸化物層では、亀裂の発生や、酸化膜自身
と窒化物基体の間の強度不足などにより、接着剥離を起
こす可能性が高い。また、特に窒化物の場合、アンモニ
アを発生すると、接着強度を劣化させることがある。酸
化物層の厚さは、水酸基化が可能な程度でよく、すなわ
ち薄い方が望ましい。非酸化物セラミックスを構成する
粒界面の状態、結晶粒の粒径にもよるが、30μm以
下、好ましくは5μm以下、さらに好ましくは3μm以
下が良い。粒径の小さく緻密質の非酸化物セラミックス
であれば数10nm程度の酸化物層の厚さでも効果を有
する。
In order to avoid such peeling, effective hydroxylation may be caused on the substrate surface as in the first aspect of the present invention. In the case of non-oxide ceramics, it is effective to form a complete oxide layer on the surface. This is because due to the properties of ceramics, various grains and crystal grains having various diameters are included, and the surface is not uniformly oxidized. An incomplete oxide layer has a high possibility of causing peeling due to cracking or insufficient strength between the oxide film itself and the nitride substrate. Particularly, in the case of a nitride, when ammonia is generated, the adhesive strength may be deteriorated. The thickness of the oxide layer may be such that hydroxylation is possible, that is, it is desirable that the oxide layer be thin. Although it depends on the state of the grain interface constituting the non-oxide ceramic and the grain size of the crystal grains, it is preferably 30 μm or less, preferably 5 μm or less, and more preferably 3 μm or less. As long as the oxide layer has a thickness of about several tens of nm as long as it is a dense non-oxide ceramic having a small particle size, the effect is obtained.

【0019】本発明の第2の特徴は非酸化物セラミック
ス基板の表面を酸化して酸化物層を非酸化物セラミック
ス基板の表面に形成する工程と;酸化物層を介して接着
剤により非酸化物セラミックス基板と樹脂基板とを互い
に貼り合わせる工程とを少なくとも含む複合パッケージ
の製造方法であることである。すなわち本発明の酸化物
層は非酸化物セラミックスの表面を酵素を混入させた窒
素桐生雰囲気中や水蒸気(スチーム)を混入させた水素
気流雰囲気中で高温に加熱して形成すればよい。このよ
うに非酸化物セラミックスの表面を直接酸化する方法に
よって形成した酸化物であることが、酸化物とセラミッ
クスとの密着性が良いので好ましい。周知のようにセラ
ミックスは結晶粒(バルク)、結晶の接合界面(粒
界)、空間と結晶の界面(表面)、気孔(空間)とから
成る構造的特徴を有しており、単結晶に比してはるかに
高速に酸化される。場合によってはCVD法やスパッタ
リング法、真空蒸着法によって形成してもよいし、酸化
後にこれらのCVD等を併用してもよい。
A second feature of the present invention is a step of oxidizing the surface of the non-oxide ceramic substrate to form an oxide layer on the surface of the non-oxide ceramic substrate; A method of manufacturing a composite package including at least a step of bonding a ceramic substrate and a resin substrate to each other. That is, the oxide layer of the present invention may be formed by heating the surface of the non-oxide ceramics at a high temperature in a nitrogen atmosphere containing enzymes and a hydrogen gas atmosphere containing water vapor (steam). The oxide formed by the method of directly oxidizing the surface of the non-oxide ceramic is preferable because the adhesion between the oxide and the ceramic is good. As is well known, ceramics have structural features of crystal grains (bulk), crystal bonding interfaces (grain boundaries), spaces and crystal interfaces (surfaces), and pores (spaces). And then oxidize much faster. In some cases, it may be formed by a CVD method, a sputtering method, or a vacuum evaporation method, or may be used in combination with the CVD or the like after the oxidation.

【0020】本発明の第2の特徴により表面に酸化物層
を形成すると、非酸化物セラミックスの基板表面にも水
酸基化が実現できるので、有機樹脂接着剤を用いた樹脂
基板との接着も容易かつ信頼性の高いものとなり、高熱
伝導性非酸化物セラミックス基板に樹脂配線基板を接合
させた半導体素子複合用パッケージが製造できる。
According to the second feature of the present invention, when an oxide layer is formed on the surface, a hydroxyl group can be formed on the surface of the non-oxide ceramic substrate, so that it can be easily bonded to a resin substrate using an organic resin adhesive. In addition, a highly reliable semiconductor element composite package in which a resin wiring substrate is joined to a high thermal conductive non-oxide ceramic substrate can be manufactured.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図1は本発明の実施の形態に係る
半導体用複合パッケージの模式的な断面図である。図1
に示すように本発明の実施の形態に係る半導体用複合パ
ッケージは非酸化物セラミックス基板11の上部に酸化
物層12が形成され、この酸化物層12と樹脂基板10
とが接着剤13を介して貼り合わせられている。樹脂基
板11は銀バンプ22を内部に含み両側を銅箔31,3
4,35で挟んでいる。銅箔は入出力パッド等の表面配
線35およびランド34を形成するようにパターニング
され、その表面にはメッキ層41,44が形成されてい
る。樹脂基板の切り抜き部に酸化物層12に接して半導
体チップ1がマウントされている。またランド34の上
部には半田ボール3が形成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view of a composite package for a semiconductor according to an embodiment of the present invention. FIG.
As shown in FIG. 1, in the composite package for a semiconductor according to the embodiment of the present invention, an oxide layer 12 is formed on a non-oxide ceramic substrate 11.
Are bonded via an adhesive 13. The resin substrate 11 includes silver bumps 22 inside and copper foils 31 and 3 on both sides.
It is sandwiched between 4,35. The copper foil is patterned so as to form a surface wiring 35 such as an input / output pad and a land 34, and plating layers 41 and 44 are formed on the surface thereof. The semiconductor chip 1 is mounted on the cutout of the resin substrate in contact with the oxide layer 12. The solder ball 3 is formed on the land 34.

【0022】次に本発明の実施の形態に係る半導体用複
合パッケージの製造方法を図2および図3を用いて説明
する。
Next, a method of manufacturing a composite package for a semiconductor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0023】(イ)まず図2(a)に示すように50μ
m厚みの銅箔21に、銀エポキシ導電ペースト等により
半導体チップの入出力パッドに対応する部分と、パッケ
ージ本体のランドに対する部分に100μmの突起(銀
バンプ)22を形成する。
(A) First, as shown in FIG.
A 100 μm projection (silver bump) 22 is formed on a copper foil 21 having a thickness of m by using a silver epoxy conductive paste or the like at a portion corresponding to an input / output pad of a semiconductor chip and a portion corresponding to a land of a package body.

【0024】(ロ)次に突起部の先端が容易に突き破る
ような50ミクロン厚の結晶ポリマー23をかぶせ、図
2(b)に示すように銅箔21,24が両面になるよう
に重ね、温度と圧力をかけ積層する。その後、図2
(c)に示すように半導体チップをマウントするための
窓部をプレスで打ち抜く。
(B) Next, a crystal polymer 23 having a thickness of 50 μm is applied so that the tips of the protrusions can easily break through, and the copper foils 21 and 24 are overlaid on both sides as shown in FIG. Laminate by applying temperature and pressure. Then, FIG.
As shown in (c), a window for mounting the semiconductor chip is punched out with a press.

【0025】(ハ)その後、図2(d)に示すように銅
箔の部分をエッチングして表面に配線層35を形成し、
周囲に半田ボール用のランド34を形成する。その後、
表層に半田レジストをスクリーン印刷により形成する。
(C) Thereafter, as shown in FIG. 2D, the copper foil is etched to form a wiring layer 35 on the surface,
A land 34 for a solder ball is formed around the periphery. afterwards,
A solder resist is formed on the surface layer by screen printing.

【0026】(ニ)続いて、図2(e)に示すようにニ
ッケル(Ni)および金(Au)メッキを行い、(Ni
/Au)メッキ層41,44を形成し樹脂基板10を作
製する。
(D) Subsequently, nickel (Ni) and gold (Au) plating are performed as shown in FIG.
/ Au) The plating layers 41 and 44 are formed, and the resin substrate 10 is manufactured.

【0027】(ホ)一方、熱伝導率170W/mKで厚
さ0.635mmの窒化アルミニウム基板11の表面が
酸化されるよう、酸素を混入させた窒素気流雰囲気中
で、1080℃で約1時間加熱し、図3(a)に示すよ
うに厚さ約3μmの酸化物層12を形成した。酸化は水
蒸気(スチーム)を混入させた水素雰囲気や高圧の酸素
雰囲気で行ってもよい。場合によってはモノシラン(S
iH4 )、ジシラン(Si2 6 )等とN2 Oガス等を
用いてCVD法で形成してもよい。CVDは光励起CV
DやプラズマCVDを用いることが好ましい。
(E) On the other hand, in order to oxidize the surface of the aluminum nitride substrate 11 having a thermal conductivity of 170 W / mK and a thickness of 0.635 mm, the temperature is about 1 hour at 1080 ° C. in a nitrogen gas atmosphere containing oxygen. By heating, an oxide layer 12 having a thickness of about 3 μm was formed as shown in FIG. The oxidation may be performed in a hydrogen atmosphere containing steam (steam) or a high-pressure oxygen atmosphere. In some cases, monosilane (S
iH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ) or the like and N 2 O gas or the like may be used for the CVD method. CVD is photo-excited CV
It is preferable to use D or plasma CVD.

【0028】(ヘ)次にエポキシ樹脂13を図3(b)
に示すように窒化アルミニウムの酸化物層12を形成し
た面に塗布する。そして図3(c)に示すようにエポキ
シ樹脂13の上から樹脂基板10を押しつけて接着すれ
ば本発明の実施の形態に係る半導体素子用複合パッケー
ジが完成する。なお、酸化物層12と樹脂基板10との
間に接着剤シートを敷いて熱および圧力をかけて接着し
てもよい。
(F) Next, the epoxy resin 13 is placed in the state shown in FIG.
Is applied to the surface on which the aluminum nitride oxide layer 12 is formed as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 3C, if the resin substrate 10 is pressed and adhered from above the epoxy resin 13, the composite package for semiconductor device according to the embodiment of the present invention is completed. Note that an adhesive sheet may be laid between the oxide layer 12 and the resin substrate 10 and bonded by applying heat and pressure.

【0029】接着後、樹脂基板を端部から引っ張り、剥
離強度を測定したところ、平均で1500g/cmであ
った。
After the bonding, the resin substrate was pulled from the end and the peel strength was measured. The result was 1500 g / cm on average.

【0030】なお、比較例として、酸化処理しない同様
の窒化アルミニウム基板に、エポキシ樹脂を塗布し、樹
脂基板を押しつけて接着した。この樹脂基板の端部を持
ち、同様に剥離強度を測定したところ平均で800g/
cmであった。
As a comparative example, an epoxy resin was applied to a similar aluminum nitride substrate not subjected to oxidation treatment, and the resin substrate was pressed and bonded. Holding the edge of the resin substrate and measuring the peel strength in the same manner, the average was 800 g /
cm.

【0031】このように、本発明は上記の実施の形態に
よって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面
はこの発明を限定するものであると理解すべきではな
い。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実
施例及び運用技術が明らかとなろう。たとえば図4に示
すようなキャビティアップ構造にも当然本発明は適用可
能である。図4では表面に酸化物層12を形成したセラ
ミックス基板11にバイアホール(スルーホール)が設
けられ、このバイアホール中にバイアホール金属15が
埋め込まれ、その両端にランド36,37が設けられて
いる。セラミックス基板側のランド36,37の表面に
もNi/Auメッキ層46,47がコーティングされて
いる。そして樹脂基板10側のランド31の表面のNi
/Auメッキ層41とセラミックス基板11側のランド
36の表面のNi/Auメッキ層46とがAgやAuの
バンプを介して互いに接触することにより、樹脂基板1
0とセラミックス基板11との電気的接触をしている。
図4に示すようなキャビティアップの構造においてもセ
ラミックス基板と樹脂基板との接合強度が大きく、放熱
特性の良好な複合パッケージが提供できる。また図1お
よび図4では樹脂基板中に窓部(キャビティ)を設け半
導体チップを酸化物層にマウントしているが、窓部を設
けず半導体チップを樹脂基板上にマウントしてもかまわ
ないことはもちろんである。このように、本発明はここ
では記載していない様々な実施の形態等を包含するとい
うことを理解すべきである。したがって、本発明はこの
開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって
のみ限定されるものである。
As described above, the present invention has been described by the above embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of the present disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art. For example, the present invention is naturally applicable to a cavity-up structure as shown in FIG. In FIG. 4, a via hole (through hole) is provided in a ceramic substrate 11 having an oxide layer 12 formed on the surface, a via hole metal 15 is buried in the via hole, and lands 36 and 37 are provided at both ends thereof. I have. The surfaces of the lands 36 and 37 on the ceramic substrate side are also coated with Ni / Au plating layers 46 and 47. Then, Ni on the surface of the land 31 on the resin substrate 10 side is used.
The / Au plating layer 41 and the Ni / Au plating layer 46 on the surface of the land 36 on the ceramic substrate 11 side are in contact with each other via bumps of Ag or Au, so that the resin substrate 1
0 and the ceramic substrate 11 are in electrical contact.
Even in the cavity-up structure as shown in FIG. 4, a composite package having high bonding strength between the ceramic substrate and the resin substrate and excellent heat radiation characteristics can be provided. In FIGS. 1 and 4, the window (cavity) is provided in the resin substrate and the semiconductor chip is mounted on the oxide layer. However, the semiconductor chip may be mounted on the resin substrate without providing the window. Of course. Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the matters specifying the invention described in the claims that are reasonable from this disclosure.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上のように、非酸化物セラミックス基
板表面に酸化物層を形成することにより、接着剤の接着
効果を増大させ、複合パッケージの接合信頼性を向上さ
せることが可能である。
As described above, by forming an oxide layer on the surface of a non-oxide ceramic substrate, it is possible to increase the bonding effect of the adhesive and improve the bonding reliability of the composite package.

【0033】また本発明によれば放熱特性の良好な複合
パッケージが高い歩留りを有して簡単に製造できる。
Further, according to the present invention, a composite package having good heat radiation characteristics can be easily manufactured with a high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る半導体素子用複合パ
ッケージの模式的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a composite package for a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態に係る半導体素子用複合パ
ッケージの製造方法を説明する工程断面図である(その
1)。
FIG. 2 is a process cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a composite package for a semiconductor device according to an embodiment of the present invention (part 1).

【図3】本発明の実施の形態に係る半導体素子用複合パ
ッケージの製造方法を説明する工程断面図である(その
2)。
FIG. 3 is a process sectional view explaining the method for manufacturing the composite package for semiconductor device according to the embodiment of the present invention (part 2).

【図4】本発明の他の実施の形態に係る半導体素子用複
合パッケージの模式的な断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view of a composite package for a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体チップ 3 半田ボール 10 樹脂基板 11 非酸化物セラミックス基板 12 酸化物層 13 接着剤 15 バイアホール金属 21,24 銅箔 22 銀バンプ 23 液晶ポリマー 31,34,36,37 ランド 35 表面配線(入出力パッド) 41,44,46,47 メッキ層 Reference Signs List 1 semiconductor chip 3 solder ball 10 resin substrate 11 non-oxide ceramic substrate 12 oxide layer 13 adhesive 15 via hole metal 21, 24 copper foil 22 silver bump 23 liquid crystal polymer 31, 34, 36, 37 land 35 surface wiring Output pad) 41,44,46,47 Plating layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 憲隆 神奈川県横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued from the front page (72) Noritaka Nakayama, Inventor 2-4, Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 非酸化物セラミックス基板と、該非酸化
物基板の表面に形成された酸化物層と、該酸化物層の表
面に形成された接着剤層と、該接着剤層の上に形成され
た樹脂基板とを有することを特徴とする複合パッケー
ジ。
1. A non-oxide ceramic substrate, an oxide layer formed on a surface of the non-oxide substrate, an adhesive layer formed on a surface of the oxide layer, and formed on the adhesive layer A composite package comprising: a resin substrate;
【請求項2】 前記非酸化物セラミックスが、窒化アル
ミニウムもしくは窒化ケイ素のいずれかからなることを
特徴とする請求項1記載の複合パッケージ。
2. The composite package according to claim 1, wherein said non-oxide ceramic is made of one of aluminum nitride and silicon nitride.
【請求項3】 前記酸化物層は前記非酸化物基板の表面
を直接酸化した酸化物層であることを特徴とする請求項
1記載の複合パッケージ。
3. The composite package according to claim 1, wherein said oxide layer is an oxide layer obtained by directly oxidizing a surface of said non-oxide substrate.
【請求項4】 前記酸化物層の厚さは30μm以下であ
ることを特徴とする請求項1記載の複合パッケージ。
4. The composite package according to claim 1, wherein said oxide layer has a thickness of 30 μm or less.
【請求項5】 非酸化物セラミックス基板の表面を酸化
して酸化物層を形成する工程と、 該酸化物層と樹脂基板とを接着剤を介して互いに貼り合
わせる工程とを少なくとも含むことを特徴とする複合パ
ッケージの製造方法。
5. A method comprising: oxidizing the surface of a non-oxide ceramic substrate to form an oxide layer; and bonding the oxide layer and a resin substrate to each other via an adhesive. Method for manufacturing a composite package.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2025116005A1 (en) * 2023-11-30 2025-06-05 京セラ株式会社 Wiring board and semiconductor device
WO2025143247A1 (en) * 2023-12-28 2025-07-03 京セラ株式会社 Wiring board and semiconductor device
WO2025143246A1 (en) * 2023-12-28 2025-07-03 京セラ株式会社 Wiring board and semiconductor device

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WO2025143247A1 (en) * 2023-12-28 2025-07-03 京セラ株式会社 Wiring board and semiconductor device
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