JPS6216548A - 半導体パツケ−ジ構造体 - 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】 （発明の利用分野） 本発明は、半導体基体を第１誘電体基板に固定し、該第
１誘電体基板を、外周部に該半導体基体を外部と電気的
に結合するための端子群を配置した第２誘電体基板に機
械的に結合した半導体パッケージ構造体に係り、特に、
半導体基体を固定した第１誘電体基板が、外周部に該半
導体基体を外部と電気的に結合するための端子群を配置
した第２誘電体基体と一体化されており、しかもその材
質が窒化アルミニウムの焼結体である半導体パッケージ
構造体に関する。

（発明の背景） 半導体集積回路は、近年ますます高密度化、高集積化に
拍車がかかり、ＬＳＩチップは大型化の傾向が著しいと
同時に、その発熱密度も増加の一途をたどっている。

このような状況に対応するため、ＬＳＩチップを外部回
路に接続するための半導体パッケージもその構造及び材
質に大幅な改善が要求されている。

近年注目を集めている、いわゆるピン・グリッド・アレ
ーは、上記の情勢に対応して開発されたものである。

一般的なピン・グリッド・アレーの構成を、第２図に示
す。ピン・グリッド・アレーの主要部分は、第２図に示
すように、大きく分けて３つの部分から成り立っている
。

第１の部分３は、ＬＳＩチップ１を機械的に支え、しか
も前記ＬＳＩチップで発生する熱を効率よく逃がす働き
をする。

第２の部分７は、ＬＳＩチップ１への電力の供給や、Ｌ
ＳＩチップからの信号の取りだしを、その内部に形成し
た導電路１１により行う。

第３の部分９は、ＬＳＩチップ１を外界から遮蔽するた
めの蓋である。

これらの３つの部分３，７．９が、第２図のように一体
化されたとき、全体で気密の容器を形成する。この容器
は外界からＬＳＩチップ１を遮断し、その性能を外界の
状態に関係なく常に維持する働きをする。

なお、第２図において、前記第１の部分３には接着部材
４を介して空冷フィン５が固着される。

また、第３の部分（キャップ部材）９は、キャップ接着
部材８によって第２の部分７に固着される。

導電路１１には、外部接続のためのピン１０が設けられ
る。

ピン・グリッド・アレーの構成材料に対する要求は上述
の３つの部分によりそれぞれ異なる。

第１の部分３は、ダイボンド部材２を介して固着された
シリコン・チップ１を支持する部材であり、この部分３
では、ＬＳＩチップ１で発生した熱を効率よく逃がすた
めには高熱伝導率が、シリコン（Ｓｔ）との接着の信頼
性確保のためにはＳｔに近い熱膨張係数が、また、シス
テムの設計の自由度を確保するためには電気絶縁性が望
まれる。

この第１部分３には、従来べＩＪ　ＩＪア（Ｂｅ０）。

アルミナ（Ａｌ２Ｏ，）、銅−タングステン合金（Ｃｕ
−Ｗ）などが使用されてきた。

第２の部分７は、前記第１の部分３の支持および配線の
ための部材であり、ここには単層または多層の配線が施
されると共に、接着部材６を介して前記第１の部分３が
接着固定される。

したがって、この第２の部分７では、導電路１１を高密
度に形成する必要があり、高密度多層配線の可能な材料
が要求される。この第２部分７には、従来アルミナ、ベ
リリアなどが使用されてきた。

第３の部分９は、前記第１の部分３および第２の部分７
によって形成された凹窪部（シリコン・チップ１が収納
される）を閉塞するキャップまたは蓋体部材であり、第
２の部分７との熱膨張係数の適合性が、その構成材ＩＫ
要求される性質である。この第３部分９には、コパール
（Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ　）、アルミナなどが使用
されてきた。

さらに、これらの３つの部分３，７．９が一体化された
とき、パッケージ全体として信頼性を確保するためには
、これらの３つの部分の熱膨張係数がお互いに近い値で
あることが望ましい。

第１の部分３は、既に述べたように％Ｓｉと熱膨張係数
が近くないといけないので、第２．第３の部分７，９を
構成する材料も、Ｓｔのそれに近い熱膨張係数を有する
ものであることが望ましい。

ここで、上記各材料の特徴・欠点について述べる。特に
高性能を要求されない半導体装置の第１・第２及び第３
の部分３，７．９によく使われる材料はアルミナである
。その最大の理由は、アルミナが安価であるということ
である。

しかしながら、アルミナには、その熱膨張係数が６．５
　Ｘ　１０　　　と大きく、シリコンと熱膨張係数が合
わないばかりでなく、また熱伝導率が小さい（１７Ｗ／
ｍＫ）という欠点がある。

これらの欠点のうち、特に熱伝導率について改善し、半
導体装置を高性能化する場合には・ベリリアが使用され
る。ベリリアの熱伝導率は２６０Ｗ／　ｍ　Ｋと大きい
ため、第１の部分３にベリリアを使用すると、同一のパ
ッケージサイズでも、大幅に発熱食を増加することがで
きる。

しかし、ベリリアは高価であり、熱膨張係数が？、　５
　Ｘ　１０　　　と大きく、シリコンと熱膨張係数が合
わないばかりでな（、さらに有毒であるという大きな欠
点を持っている。

ＬＳＩチップｌとパッケージの外部とを、電気的に絶縁
する必要がない場合には、第１の部分３の材料として、
銅とタングステンの合金（Ｃｕ−Ｗ）が使われる。

よ（使われるタングステン２０重量−の合金を例にとる
と、熱伝導率は２８０Ｗ／ｍ・０にで、ベリリアや炭化
珪素（ＳｉＣ）とほぼ同じであり充分大きい。しかしな
がら、熱膨張係数はべりリアやアルミナ並の７．　ＯＸ
　１０　　　であり、シリコンと合わない。

以上述べたように、従来から実用されている材料には、
総ての面で要求性能を満足出来る物はない。特に、熱伝
導率が大きく、高性能の半導体装置用として使用出来る
材料としてはべりリアしかなく、このべ１１１１アは有
毒であるため代替材料が望まれていた。

このような要求に応える材料として、例えば。

日経エレクトロニクス１９８４年９月２４日号ｐｐ・２
６５−２９４＠ＬＳＩ実装への応用が始まったＳＩＣセ
ラミック”に開示されているように、炭化珪素が開発さ
れた。

炭化珪素は、熱伝導率が２７０Ｗ／ｍＫとベリリフ基み
であり、しかも熱膨張係数がシリコンに近い３．７Ｘ１
０　　　であり、さらに毒性がないという大きな特徴を
持っている。

しかしながら、炭化珪素は、焼結温度が高過ぎて多層配
線ができないために、第２の部分７の素材としては使用
出来ないという問題かある。また。

炭化珪素は、第２の部分７に通常側われるアルミナと熱
膨張係数が合わないために、アルミナすなわち第２部分
７との接着部の信頼性が充分得られないという問題もあ
る。

以上に述べたように、炭化珪素も、ピン・グリッド・ア
レー用の材料としては性能が不充分である。

（発明の目的） 本発明の目的は、半導体基体をＷＪｌ誘電体基板に固定
し、該第１誘電体基板を、外１１１部に該半導体基体を
外部と電気的に結合するための端子群を配置した第２ｆ
Ｉｓ電体基板と機械的に結合した半導体パッケージ構造
体に於いて、上記した構成材料の欠点を解消し、前記の
第１および第２誘電体基板を一体化した半導体パッケー
ジ構造体を提供することである。

（発明の概ｇＩ） 本発明は、半導体基体を固定した第１誘電体基板を、外
周部に該半導体基体を外部と電気的に結合するための端
子群を配置した第２酵電体基板と一体化し、しかもその
材質を窒化アルミニウム（ＡＪＮ）の焼結体とした点に
特徴がある。

窒化アルミニウムは、熱膨張係数が３．４Ｘ１０−’と
、シリコンのそれに近いため、シリコン・チップ１との
接着部の信頼性が充分に大きくなる。

さらに、窒化アルミニウムは、熱伝導率が１４９Ｗ／ｍ
・０にと、比較的大きいため１表１に示すように、ベリ
リアやＳＩＣを使用した場合とはゾ同じ程度の良好な、
低い熱抵抗が得られる。

表　　　　　１ （注）：各材料の厚さは０．６　ｍｍ シリコン・チップの厚さは０．５　ｍｍ各材料とシリコ
ン・チップの接続は金−錫はんだ なお、ここでいう熱抵抗とは、シリコン・チップｌに通
電し、シリコン・チップ１の温度が充分安定したときに
おける。シリコン・チップ１の表面温ばと、それを支え
ている誘電体基板の底面温度との差を・シリコン・チッ
プ１の発熱量で除した商である。

表１に示した熱抵抗は、誘電体基板にシリコン・チップ
１を接着するために、誘電体基板の表面にチタン（Ｔｉ
）−白金（Ｐｔ）−金（Ａｕ）の蒸着膜を形成したとき
のデータであるが、誘電体基板の表面の金属化（メタラ
イズ）をモリブデン（Ｍｏ）の印刷によった場合には表
１の総ての誘電体についてほぼ０．１°Ｃ／Ｗずつ熱抵
抗が上昇する。

すなわち１表１で最も熱抵抗が小さい炭化珪素にモリブ
デン（Ｍｏ）の印刷による金属化（厚膜メタライズ）を
施した場合に＃マ、窒化アルミニウムにチタン（Ｔｉ）
−白金（Ｐｔ）−金（Ａｕ）の蒸着による金属化（薄膜
メタライズ）を施した場合よりも熱抵抗が悪くなるので
ある。

このことは、窒化アルミニウムの熱伝導性は半導体パッ
ケージの構成材料としては必要且つ充分であり、高性能
を要求する場合には基板材料を変えるよりもメタライズ
を工夫する方が有効であることを物語っている。

窒化アルミニウムが半導体パッケージの構成材料として
好適である有力な理由の一つに窒化アルミニウムが高性
能な薄膜（例えば蒸着による膜）のメタライズに好適で
あることがあげられる。他の誘電体基板、例えばアルミ
ナセラミックスに薄膜のメタライズが殆ど施されないの
は、もちろんコスト面の問題も絡んでいるが、むしろ、
薄膜メタライズは信頼性の面でアルミナ等の一般のセラ
ミックスには適さないのである。

薄膜メタライズは、全膜厚が１μｍ程ばの多層構造であ
る。したがりて、膜を形成する面は出来るだけ平滑であ
ることが要求される。平滑でなければ、膜が段差部で膜
切れを起こし多層構造の最外層以外の層が表面に現われ
１例えばはんだと反応する等の信頼性を損なう現象が現
われるのである。

一般的なセラミックスは原料に不純物（添加元素）を含
み、しかも焼結時に助剤を必要とするため、たとえ鏡面
に研磨したとしてもその表面にはミクロンオーダーの角
張った凹凸か残る。したがって、薄膜のメタライズには
適さない。

ところが、窒化アルミニウムは、原料の粉末が高純層で
添加元素がない上に、焼結助剤を必要としない。さらに
、原料粉の粒径が約０．６μｍと微細でしかも揃ってい
るため、約１８００℃で焼結した後の表面は特に加工を
施さなくても約５μｍのなだらかな起伏を呈しており、
すでに述べたように熱抵抗の小さい、厚膜よりも明らか
に高性能の薄膜メタライズに好適なのである。

しかも、窒化アルミニウムは、焼結温式が低く、多層配
線が可能であるので、第２図における第２の部分７−　
すなわち・支持・配線用部材としても使用可能である。

（発明の実施例） 本発明の一実施例を第１図に従って説明する。

本実施例では、第２図に示したような一般的なピン・グ
リッド・アレーに於ける第１の部分（ＩＣ支持部材）３
と第２の部分（配線用部材）７を一体化して支持、配線
用誘電体基板１２とし、この部分を窒化アルミニウムで
構成し、予め片面（図では下側）を階段状に成形し、内
部に複数の導電路１１を形成した状態で焼結しである。

さらに、その裏面（図では上（ＩＩＩ）は、材料の節約
のために、シリコン・チップ１が接着される領域以外の
板厚を薄くしである。

シリコン・チップ１が接着される領域は、−辺が約１０
ｍｍの正方形であり、その中心部７ｍｍ角（シリコン・
チップ１の寸法と同じ）には、シリコン・チップ１の接
着のために、金のメタライズが施しである。

さらに１階段状に成形された部分・すなわちシリコン・
チップ１が接着される領域の周縁には。

内部の導電路１１に接続した。金のメタ２イズによるワ
イヤポンディング電極（基板側）１３が、導電路１１に
対応した数だけ形成されている。

本５Ｉ！施例では、第３の部分すなわちキャップ部材９
の材質をコバール（Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ）　　と
した。コパールは、その熱膨張係数が４．５Ｘ１０−’
と、シリコンのそれに近い。

°　従って、本実施例では、半導体パッケージ構造体修
の構成波相は総て、シリコンと熱膨張係数か近いものに
なり、パッケージ内のどの部分でも部材間の熱膨張係数
の違いによる熱疲労の問題が発生しない。また１本実施
例では、シリコン・チップ１の支持部分（第２図の第１
の部分３に相当する）および支持、配線部分（ｌＥＺ図
の第２の部分７に相当する）を一体化したので、接続固
着部が一個所減ることになり、信頼性の向上が期待でき
る。

本発明による半導体パッケージ構造体を得るには、まず
内部に導電路１１を形成し、シリコン・チク１１用の金
のメタライズ及びワイヤボンディング電極（基板側）１
３を形成した支持、配線用誘電体基板１２を用意する。

次に、シリコン・チップ１の裏面に接着された金膜を、
加熱によって金−シリコン共晶はんだに変化させ、ダイ
ボンド部材２として、前記支持。

配線用誘電体基板１２上の所定位置くシリコン・チッ１
１を接着する。

シリコン・チップｌの表面側には、ワイヤボンディング
電極（基板側）１３と同じ数のワイヤボンディング電極
（チップ側）１５が形成されており、それらの対応する
ワイヤポンディング電極間を、金の細線であるワイヤ１
４で接続する。

最後に、第３の部分、すなわちキャップ部材９を、金−
錫の共晶はんだであるキャップ接着部材８で前記支持、
配線用誘電体基板１２に接着し。

本発明による半導体パッケージ構造体を完成する。

この実施例の変形として、＠３の部分すなわちキャップ
部材９を、前記支持、配線用誘電体基板１２と同じ窒化
アルミニウムで形成した構造も考えられる。

この場合は、シリコン・チップ１を除く構成材料が総て
同一であるため、熱疲労に対する信頼性がさらに高くな
る。しかし、その反面窒化アルミニウムはコパールに比
べて高価であるので、コスト面では不利である。

また、ダイボンド部材２及びキャップ９用の接着部材８
は、本実施例罠使用したものである必要は必ずしもなく
、一般的なはんだ材の中から適宜選んでよい。

ただし、ダイボンド部材２の融点は・キャップ接着部材
８の作業温度（通常融点より約５０℃高い）よりも高く
なければならない。なぜならば、第３の部分すなわちキ
ャップ部材９の接着時にダイボンド部材２が溶融または
軟化してはいけないからである。

以上に説明した第１図の実施例は、第２図に示した空冷
式の半導体パッケージ構造に１本発明を適用した例であ
るが、将来はＬＳＩの発熱量が飛開的に大きくなり、空
冷では対応できなくなることが予想される。そのため水
冷構造を採る必要が生ずる。

第３図は、水冷構造の半導体パッケージ構造に、本発明
を適用した場合の要部構造を示す断面図である。水冷構
造の場合には、シリコン・チップ１と冷却水とが電気的
に絶縁されていなければならない。

窒化アルミニウムは、絶縁物であると同時に加工性もよ
いため、支持、配線用誘電体基板１２の、シリコン・チ
ップ１からの熱を逃がすための領域に１図示のように、
水冷用の穴１６をあけることが容易である。この穴１６
に、ジヨイント１７を介して水冷パイプ１８を接続し、
冷媒を通すことにより、シリコン・チップ１を効率良く
冷却することができる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明の半導体パッケ
ージ構造体に於いては、半導体基体を固定した第１誘電
体基板と、外周部に該半導体基体を外部と電気的に結合
するための端子群を配置した第２誘電体基板とが、同一
材質で一体的罠構成されており、しかもその材質が窒化
アルミニウムの焼結体であるので、熱抵抗が小さく、放
熱性が良好であるばかりでなく、接続部分の数が少なく
なり、しかも、接続部分での熱膨張係数の差が実質上塔
であるために信頼性の高い半導体パッケージ構造体が得
られる。

さらに、窒化アルミニウムは加工性が良好であるので、
支持、配線用誘電体基板１２の、シリコン・チップ１の
支持部となる部分罠冷媒通過用の穴１６を形成し、水冷
構造とすることも容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例を示す要部拡大断面図、第
２図は従来の半導体パッケージ偽造体の１例を示す一部
断面斜視図、第３図は本発明の他の実施例の要部拡大断
面図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基体を第１誘電体基板に固着し、該第１誘
   電体基板を、外周部に該半導体基体を外部と電気的に結
   合するための端子群を配置した第２誘電体基板に機械的
   に結合した半導体パッケージ構造体において、前記第１
   および第２誘電体基板は、実質上同一材質で、かつ一体
   的に構成された支持、配線用誘電体基板であり、しかも
   その材質が窒化アルミニウム焼結体であることを特徴と
   する半導体パッケージ構造体。
2. （２）前記支持、配線用誘電体基板の、前記第２誘電体
   基板に対応する部分には、前記半導体基体と前記端子群
   とを電気的に接続するための導電路が形成されたことを
   特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の半導体パッ
   ケージ構造体。
3. （３）前記支持、配線用誘電体基板の、前記第１誘電体
   基板に対応する部分の内部には、冷媒を通過させるため
   の穴が形成されたことを特徴とする前記特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の半導体パッケージ構造体。
4. （４）前記支持、配線用誘電体基板は、前記第１誘電体
   基板に対応する部分が凹窪部となるように構成され、前
   記凹窪部の底面に前記半導体基体が固着されたことを特
   徴とする前記特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
   れかに記載の半導体パッケージ構造体。
5. （５）前記凹窪部は、キャップ部材によって密封された
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第４項記載の半導
   体パッケージ構造体。
6. （６）前記キャップ部材の材質が窒化アルミニウムであ
   ることを特徴とする前記特許請求の範囲第５項記載の半
   導体パッケージ構造体。