【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージに係り、より詳細には、半導体素子を収納し、実装用プリント基板に外部接続端子で半田接合できるＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体素子を収納して気密に封止するためには、セラミックや、樹脂や、あるいは金属等からなる半導体素子収納用パッケージが多く用いられている。そして、半導体素子が搭載されたこのようなパッケージは、樹脂板等からなる実装用のプリント基板に実装されて各種電子装置に組み込まれ、電子装置を機能させるために使用されている。
【０００３】
半導体素子収納用パッケージの中でも特に信頼性の高いものが要求される場合には、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージが用いられている。図３（Ａ）に示すように、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージの一例であるＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の半導体素子収納用パッケージ５０には、上面に半導体素子５１が搭載され、ボンディングワイヤ５２で半導体素子５１と、裏面側に設ける導体配線パターンの一部からなる外部接続端子パッド５３を電気的に導通状態としている。そして、半導体素子収納用パッケージ５０の上面の半導体素子５１を覆うように蓋体５４を半導体素子収納用パッケージ５０の上面に接合して半導体素子５１を気密に封止した後、半導体素子収納用パッケージ５０の外部接続端子パッド５３は、プリント基板５５に形成された配線パターン５６に半田５７で接合している。
【０００４】
また、図３（Ｂ）に示すように、セラミック基材からなる半導体素子収納用パッケージの一例であるＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体素子収納用パッケージ５０ａには、前記のＬＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０と同様に半導体素子５１を搭載し蓋体５４で気密に封止した後、予め外部接続端子パッド５３にろう材５８でろう付け接合されてパッケージの周囲の外側に延設されたリードからなる外部接続端子５９の先端部をプリント基板５５に形成された配線パターン５６に半田５７で接合している。
【０００５】
しかしながら、準ミリ波（２０〜３０ＧＨｚ）や、ミリ波（３０ＧＨｚ以上）の一部等の高周波用の半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージには、高周波において劣化のない電気特性が求められるが、ＬＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０では２０ＧＨｚ程度で通過特性Ｓ２１（Ｓパラメーター）が大きく劣化して使用することが困難となっている。ＱＦＰ型の半導体素子収納用パッケージ５０ａは、通過特性Ｓ２１の劣化の程度ではＬＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０より少ないものの、十分ではない。また、ＱＦＰ型の半導体素子収納用パッケージ５０ａは、リードからなる外部接続端子５９がパッケージの周囲の外側に延設しているので、装置の小型化に対応できない。
【０００６】
そこで、準ミリ波や、ミリ波の一部等の高周波の電気特性に対応できる半導体素子収納用パッケージには、図４に示すように、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の半導体素子収納用パッケージ５０ｂが開発されている。このＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ５０ｂは、前記のＬＧＡ型やＱＦＰ型の半導体素子収納用パッケージ５０、５０ａと同様に半導体素子５１を搭載し蓋体５４で気密に封止した後、予め外部接続端子パッド５３にろう材５８でろう付け接合されている金属ボールからなる外部接続端子５９ａをプリント基板５５に形成された配線パターン５６に半田５７で接合している。
【０００７】
なお、半導体素子収納用パッケージには、外部接続端子パッドに形成された凸部を包むように接合されたボール状の外部接続端子によって、外部接続端子パッドにかかる熱応力が分散できて、外部接続端子の剥離を防止することを目的とする半導体素子収納用パッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２４２３２３号公報（第１−６頁、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）半導体素子収納用パッケージのセラミック基材が、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の場合には、熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃（−６５℃〜１５０℃において）で、プリント基板の樹脂が、例えば、ＦＲ−４の場合には、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃であるので、セラミック基材とプリント基板間の熱膨張係数差が大きくなり、半田接合時の温度で金属ボールとセラミック基材とのろう材によるろう付け接合部に塑性変形による歪みが生じ、半田接合後の温度サイクル試験等の信頼性試験において、ろう付け接合部に疲労破壊が起こり、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラックや、割れや、剥離等を発生させる場合がある。
（２）ろう付け接合部の疲労破壊を防止するためには、セラミック基材と金属ボールを接合させるろう材量を減少させて対応することで温度サイクルの信頼性試験における効果があることが確認できるが、十分な効果を得られるまでには至らない。
（３）外部接続端子パッドに凸部を設け、この凸部を包むように接合されたボール状の外部接続端子によって、外部接続端子パッドにかかる熱応力を分散して外部接続端子の剥離等を防止する方法は、外部接続端子を溶融させて接合させることで可能であるが、高周波用の半導体素子を収納するための電気特性に優れる導通抵抗が低い金属ボールを用いる場合には、金属ボールの融点が高くなるので、接合温度が高くなりすぎて適用することが難しい。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基材に外部接続端子を容易に接合でき、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があっても接合信頼性が高く、小型化に対応でき、高周波における電気特性のよい半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る半導体素子収納用パッケージは、半導体素子を搭載して気密に収納するためのセラミック基材を備える半導体素子収納用パッケージにおいて、セラミック基材の一方の面にセラミックグリーンシートと同時焼成して形成された導体パターンからなる外部接続端子パッド、及び外部接続端子パッド上に導体パターンからなるリング状の突起を有し、突起上に金属ボールからなる外部接続端子がろう材を介して接合されて有する。これにより、外部接続端子パッド上の突起によってろう材を細い柱状にして外部接続端子が接合でき、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があっても細いろう材部による曲げ自由度と、及び、突起部の導体厚み大による強い接合強度とを得ることができると考えられ、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラックや、割れや、剥離等が発生するのを防止することができる。また、外部接続端子に金属ボールを用いることができるので、小型のパッケージに電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる。
【００１１】
ここで、半導体素子収納用パッケージは、外部接続端子がＣｕ又はＣｕ合金の実質的に球状の金属ボールからなるのがよい。これにより、電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる小型の半導体素子収納用パッケージにすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２は同半導体素子収納用パッケージの実装形態の説明図である。
【００１３】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ１０には、半導体素子を搭載して気密に収納するために、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、低温焼成セラミックや、窒化アルミニウム等からなるセラミック基材１１が用いられている。このセラミック基材１１の上面側には、半導体素子等が搭載できる、例えば、平板面であったり、キャビティ部（図示せず）を有しているものがある。ここで、セラミックの一例であるアルミナからなるセラミック基材１１の作製方法を説明する。先ず、セラミックグリーンシートは、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーが作製される。次いで、スラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットして矩形状のセラミックグリーンシートが作製される。
【００１４】
次に、このセラミックグリーンシートには、打ち抜き金型やパンチングマシーン等を用いて、それぞれの所定位置に上層と下層との間の導通を形成するためのビアホールが穿設される。更に、セラミックグリーンシートには、タングステン等の金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷でビアホールに充填してビア１２や、表面に印刷して導体配線パターン１３や外部接続端子パッド１４が形成される。これらの導体パターンが形成されたセラミックグリーンシートは、必要に応じて複数枚が重ね合わされ積層体を形成する場合がある。そして、更に、外部接続端子パッド１４上には、タングステン等の金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷して突起１５が形成される。次に、ビア１２、導体配線パターン１３、及び外部接続端子パッド１４等と、セラミックグリーンシートとを還元性雰囲気の焼成炉で同時焼成してセラミック基材１１が作製されている。なお、セラミック基材１１には、セラミックグリーンシートに形成されたビア１２、導体配線パターン１３、及び外部接続端子パッド１４等の必要パターン部分を開口部から露出させるためのセラミックグリーンシートと実質的に同じ材料からなる絶縁膜１７が、同時焼成前に形成された後、同時焼成時に焼成されて形成されている。
【００１５】
このセラミック基材１１の外部接続端子パッド１４上の突起１５には、外部と電気的に接続したり、半導体素子１９（図２参照）からの発熱をＦＲ−４等の樹脂からなるプリント基板２０を介して真鍮、Ｃｕ、Ａｌ等の金属からなる放熱板２１で放熱させるための金属ボールからなる外部接続端子１６がＡｇろうや、Ａｕろう等の高温ろうからなるろう材１８を介して接合されている。このろう材１８の接合形状は、外部接続端子パッド１４の面積が絶縁膜１７のパターンでコントロールでき、突起１５が断面視して半球状に盛り上がって形成できるので、リング状の中心部にろう溜まりを形成できると同時に外部接続端子パッド１４の外周端部から突起１５の外周部の盛り上がりに沿ってろう流れが形成でき、外部接続端子１６を持ち上げるような形状の細い柱状にすることができる。
【００１６】
実質的に球状からなる前記の外部接続端子１６は、Ｃｕ製、又はＣｕ合金製の金属ボールであるのがよい。このＣｕボールを用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ１０は、Ｃｕの導通抵抗が極めて低いことと、ＢＧＡ型によって、プリント基板との間に一定のスペースが確保できるので、インピーダンス整合をとることができ、電気特性の１つであるＳパラメーターで測定される通過特性Ｓ２１で３８ＧＨｚまで−２ｄＢを下回ることがない。従って、Ｃｕボールを用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージ１０は、準ミリ波（２０〜３０ＧＨｚ）や、ミリ波（３０ＧＨｚ以上）の一部等の高周波用の半導体素子を収納するためのパッケージに適している。
【００１７】
次いで、図２を参照しながら、半導体素子収納用パッケージ１０に半導体素子１９を搭載し、プリント基板２０に実装される実装形態について説明する。
半導体素子収納用パッケージ１０の上面には、半導体素子１９が接合され、更に、ボンディングワイヤ２２、導体配線パターン１３、及びビア１２で、半導体素子１９と外部接続端子１６を電気的に導通状態とした後、セラミックや樹脂等から形成された蓋体２３を半導体素子収納用パッケージ１０の上面に半導体素子１９を覆うように接合して半導体素子１９を気密に封止している。そして、半導体素子収納用パッケージ１０は、外部接続端子１６がプリント基板２０に形成された配線パターン２４に半田で接合されている。また、半導体素子１９の下面のセラミック基材１１に設けるサーマルビア１２ａと外部接続端子１６を接続してプリント基板２０に形成された配線パターン２４に半田で接合し、電気的な導通状態はない状態で、半導体素子１９からの発熱をプリント基板２０を介して放熱板２１で放熱できるようにしている。なお、放熱板２１は、板状以外にフィンを有する放熱フィンであってもよく、形状を限定するものではない。また、プリント基板２０と放熱板２１の接合は、例えば、ねじ２５で締め付けたり、接合剤で貼り合せて接合するものであってもよく、限定されるものではない。
【００１８】
【実施例】
本発明者は、セラミックの一例であるアルミナを用いた半導体素子収納用パッケージのセラミック基材にＡｇ−Ｃｕろう材で接合されたφ０．５ｍｍのＣｕからなる外部接続端子を、ＦＲ−４の樹脂からなるプリント基板に半田を介して接合し、真鍮からなる放熱板にねじ止めした実施例のサンプルを作製した。このサンプルを、−５５℃〜１２５℃の温度サイクルの信頼性評価試験を実施した。試験の結果は、５００サイクルまで破壊の発生がないことが確認できた。
【００１９】
実施例のサンプルは、外部接続端子パッドに形成するリング状の突起によって、高さ方向に細く延びるろう材が形成できることが確認された。これによって、セラミック基材とプリント基板に熱膨張係数差があって歪が発生しても、ろう材部分で曲げ自由度が確保できることと、突起部分の導体厚み大によるセラミック基材との接合強度が大きくなったことによって、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラック、割れ、剥離等の破壊の発生が防止できたものと考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、セラミック基材の一方の面にセラミックグリーンシートと同時焼成して形成された導体パターンからなる外部接続端子パッド、及び外部接続端子パッド上に導体パターンからなるリング状の突起を有し、突起上に金属ボールからなる外部接続端子がろう材を介して接合されて有するので、外部接続端子パッド上の突起によってろう材を細い柱状にして外部接続端子が接合でき、この細いろう材部による曲げ自由度と、及び、突起部の導体厚み大による接合強度とによって、セラミック基材と外部接続端子パッドの周辺にクラックや、割れや、剥離等が発生するのを防止することができる。また、外部接続端子に金属ボールを用いることができるので、小型のパッケージに電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる。
【００２１】
特に、請求項２記載の半導体素子収納用パッケージは、外部接続端子がＣｕ又はＣｕ合金の実質的に球状の金属ボールからなるので、小型で電気特性に優れた高周波用の半導体素子を収納できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】同半導体素子収納用パッケージの実装形態の説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の半導体素子収納用パッケージの説明図である。
【図４】従来の他の半導体素子収納用パッケージの説明図である。
【符号の説明】
１０：半導体素子収納用パッケージ、１１：セラミック基材、１２：ビア、１２ａ：サーマルビア、１３：導体配線パターン、１４：外部接続端子パッド、１５：突起、１６：外部接続端子、１７：絶縁膜、１８：ろう材、１９：半導体素子、２０：プリント基板、２１：放熱板、２２：ボンディングワイヤ、２３：蓋体、２４：配線パターン、２５：ねじ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element housing package made of a ceramic base material, and more particularly, to a BGA type semiconductor element housing package that houses a semiconductor element and can be soldered to a mounting printed board with external connection terminals.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to house a semiconductor element and hermetically seal it, a semiconductor element housing package made of ceramic, resin, metal, or the like has been often used. Such a package on which a semiconductor element is mounted is mounted on a mounting printed circuit board made of a resin plate or the like, incorporated into various electronic devices, and used to function the electronic devices.
[0003]
When a particularly reliable package is required among semiconductor element storage packages, a semiconductor element storage package made of a ceramic base material is used. As shown in FIG. 3A, an LGA (Land Grid Array) type semiconductor element housing package 50, which is an example of a semiconductor element housing package made of a ceramic base material, has a semiconductor element 51 mounted on its upper surface. The semiconductor element 51 and the external connection terminal pad 53 which is a part of the conductor wiring pattern provided on the back side are electrically connected by the bonding wire 52. Then, the lid 54 is bonded to the upper surface of the semiconductor device housing package 50 so as to cover the semiconductor device 51 on the upper surface of the semiconductor device housing package 50, and the semiconductor device 51 is hermetically sealed. The external connection terminal pad 53 of 50 is joined to a wiring pattern 56 formed on a printed circuit board 55 by solder 57.
[0004]
As shown in FIG. 3B, a QFP (Quad Flat Package) type semiconductor element storage package 50a, which is an example of a semiconductor element storage package made of a ceramic base material, includes the LGA type semiconductor element. After mounting the semiconductor element 51 in the same manner as the storage package 50 and hermetically sealing it with the lid 54, it was previously brazed to the external connection terminal pad 53 with a brazing material 58 and extended outside the periphery of the package. The tip of the external connection terminal 59 made of a lead is joined to a wiring pattern 56 formed on the printed circuit board 55 by solder 57.
[0005]
However, a semiconductor element housing package for housing a high-frequency semiconductor element such as a quasi-millimeter wave (20 to 30 GHz) or a part of a millimeter wave (30 GHz or more) is required to have electrical characteristics that do not deteriorate at high frequencies. However, in the LGA type semiconductor device housing package 50, the pass characteristic S21 (S parameter) is significantly deteriorated at about 20 GHz, and it is difficult to use the package. The QFP type semiconductor element storage package 50a is less than the LGA type semiconductor element storage package 50 in the degree of deterioration of the pass characteristic S21, but is not sufficient. Further, in the QFP type semiconductor device housing package 50a, since the external connection terminals 59 formed of leads extend outside the periphery of the package, it cannot cope with miniaturization of the device.
[0006]
Therefore, as shown in FIG. 4, a semiconductor device housing package 50b of a BGA (Ball Grid Array) type, which can cope with high-frequency electrical characteristics such as a quasi-millimeter wave or a part of a millimeter wave, is used. Is being developed. The BGA-type semiconductor element housing package 50b is provided with the semiconductor element 51 mounted thereon in the same manner as the above-mentioned LGA-type or QFP-type semiconductor element housing packages 50 and 50a, and hermetically sealed with a lid 54. An external connection terminal 59a made of a metal ball brazed to the connection terminal pad 53 with a brazing material 58 is joined to a wiring pattern 56 formed on a printed circuit board 55 by solder 57.
[0007]
In the package for housing the semiconductor element, the thermal stress applied to the external connection terminal pad can be dispersed by the ball-shaped external connection terminal joined so as to surround the convex portion formed on the external connection terminal pad. There has been proposed a package for accommodating a semiconductor element for preventing peeling of a semiconductor element (for example, see Patent Document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-242323 (Pages 1-6, FIG. 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional package for housing a semiconductor element as described above has the following problems.
(1) When the ceramic base material of the package for housing the semiconductor element is, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the thermal expansion coefficient is 5.5 ppm / ° C. (at −65 ° C. to 150 ° C.), and printing is performed. When the resin of the substrate is, for example, FR-4, the coefficient of thermal expansion is 14 ppm / ° C., so that the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic base material and the printed circuit board increases, and the metal ball is heated at the temperature at the time of soldering. The brazing joint between the brazing material and the ceramic base material causes distortion due to plastic deformation, and in reliability tests such as temperature cycle tests after soldering, fatigue failure occurs in the brazing joint and the ceramic base material and external Cracks, cracks, peeling, and the like may occur around the connection terminal pads.
(2) In order to prevent fatigue failure of the brazed joint, it was confirmed that reducing the amount of brazing material used to join the ceramic base and the metal ball was effective in the reliability test of the temperature cycle. Yes, but not enough.
(3) A convex portion is provided on the external connection terminal pad, and thermal stress applied to the external connection terminal pad is dispersed by the ball-shaped external connection terminal joined so as to wrap the convex portion, thereby preventing peeling of the external connection terminal. The method can be performed by melting and connecting the external connection terminals. However, in the case of using a metal ball having excellent electrical characteristics for housing a high-frequency semiconductor element and having a low conduction resistance, the melting point of the metal ball is used. , The bonding temperature is too high and it is difficult to apply.
The present invention has been made in view of such circumstances, and can easily bond an external connection terminal to a ceramic base, and has high bonding reliability even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic base and the printed board, It is an object of the present invention to provide a package for accommodating a semiconductor element which can respond to miniaturization and has good electric characteristics at high frequencies.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a semiconductor element housing package including a ceramic base for mounting and hermetically housing a semiconductor element, wherein a ceramic green sheet is provided on one surface of the ceramic base. An external connection terminal pad made of a conductor pattern formed by co-firing, and a ring-shaped projection made of a conductor pattern on the external connection terminal pad, and an external connection terminal made of a metal ball on the projection is made of brazing material. Having joined through. With this, the external connection terminal can be joined by making the brazing material into a thin column shape by the protrusion on the external connection terminal pad, and even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic base material and the printed circuit board, the degree of freedom of bending by the thin brazing material portion, Also, it is considered that a strong bonding strength due to the large conductor thickness of the protrusion can be obtained, and it is possible to prevent cracks, cracks, peeling, etc. from occurring around the ceramic base material and the external connection terminal pads. it can. Further, since a metal ball can be used for the external connection terminal, a high-frequency semiconductor element having excellent electric characteristics can be housed in a small package.
[0011]
Here, in the package for housing a semiconductor element, the external connection terminals are preferably made of substantially spherical metal balls of Cu or Cu alloy. This makes it possible to provide a small-sized semiconductor element storage package capable of storing high-frequency semiconductor elements having excellent electrical characteristics.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
Here, FIGS. 1A and 1B are a plan view and a vertical sectional view taken along line AA 'of a semiconductor element housing package according to an embodiment of the present invention, respectively, and FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of a mounting form of FIG.
[0013]
As shown in FIGS. 1A and 1B, a semiconductor device housing package 10 according to an embodiment of the present invention includes alumina (Al 2 O) for mounting and hermetically housing a semiconductor device. 3 ) or a ceramic substrate 11 made of low-temperature fired ceramic, aluminum nitride, or the like. On the upper surface side of the ceramic substrate 11, there are, for example, those having a flat plate surface or a cavity portion (not shown) on which a semiconductor element or the like can be mounted. Here, a method for manufacturing the ceramic base material 11 made of alumina, which is an example of ceramic, will be described. First, a ceramic green sheet is obtained by adding an appropriate amount of a sintering aid such as magnesia, silica, and calcia to alumina powder, a plasticizer such as dioctyl phthalate, a binder such as an acrylic resin, and toluene, xylene, and alcohol. Are added, and the mixture is sufficiently kneaded and then defoamed to produce a slurry having a viscosity of 2000 to 40000 cps. Next, the slurry is formed into a roll-shaped sheet having a thickness of, for example, 0.25 mm by a doctor blade method or the like, and cut into an appropriate size to produce a rectangular ceramic green sheet.
[0014]
Next, in the ceramic green sheet, via holes for forming conduction between the upper layer and the lower layer are formed at predetermined positions using a punching die, a punching machine, or the like. Further, the ceramic green sheet is filled with via holes by screen printing using a metal conductive paste such as tungsten or the like to form vias 12, and printed on the surface to form conductive wiring patterns 13 and external connection terminal pads 14. A plurality of ceramic green sheets on which these conductor patterns are formed may be stacked as necessary to form a laminate. Further, projections 15 are formed on the external connection terminal pads 14 by screen printing using a metal conductor paste such as tungsten. Next, the ceramic substrate 11 is manufactured by simultaneously firing the vias 12, the conductive wiring patterns 13, the external connection terminal pads 14, and the like, and the ceramic green sheet in a firing furnace in a reducing atmosphere. The ceramic base material 11 is substantially the same as the ceramic green sheet for exposing necessary pattern portions such as the vias 12, the conductor wiring patterns 13, and the external connection terminal pads 14 formed in the ceramic green sheet from the openings. After the insulating film 17 made of the same material is formed before the simultaneous firing, it is fired during the simultaneous firing.
[0015]
The protrusions 15 on the external connection terminal pads 14 of the ceramic base 11 are electrically connected to the outside or heat generated from the semiconductor element 19 (see FIG. 2) is printed on a printed circuit board 20 made of a resin such as FR-4. The external connection terminal 16 made of a metal ball to be radiated by a heat radiating plate 21 made of a metal such as brass, Cu, or Al through a brazing material 18 made of a high-temperature brazing material such as Ag brazing or Au brazing. ing. Since the area of the external connection terminal pads 14 can be controlled by the pattern of the insulating film 17 and the projections 15 can be formed in a hemispherical shape when viewed in cross section, the brazing material 18 can be soldered at the ring-shaped central portion. At the same time, a brazing flow can be formed from the outer peripheral end of the external connection terminal pad 14 along the swelling of the outer peripheral portion of the projection 15, so that the external connection terminal 16 can be formed into a thin columnar shape.
[0016]
The external connection terminal 16 having a substantially spherical shape is preferably a metal ball made of Cu or a Cu alloy. The BGA type semiconductor element housing package 10 using Cu balls has an impedance matching because the conduction resistance of Cu is extremely low and a certain space can be secured between the BGA type and the printed circuit board. The transmission characteristic S21 measured by the S parameter, which is one of the electric characteristics, does not fall below −2 dB up to 38 GHz. Therefore, the BGA type semiconductor element housing package 10 using Cu balls is a package for housing a high-frequency semiconductor element such as a quasi-millimeter wave (20 to 30 GHz) or a part of a millimeter wave (30 GHz or more). Suitable for.
[0017]
Next, a mounting mode in which the semiconductor element 19 is mounted on the semiconductor element housing package 10 and mounted on the printed circuit board 20 will be described with reference to FIG.
A semiconductor element 19 is bonded to the upper surface of the semiconductor element housing package 10, and the semiconductor element 19 and the external connection terminal 16 are electrically connected by the bonding wire 22, the conductor wiring pattern 13, and the via 12. Thereafter, a lid 23 made of ceramic, resin, or the like is bonded to the upper surface of the semiconductor element housing package 10 so as to cover the semiconductor element 19, thereby hermetically sealing the semiconductor element 19. In the package 10 for housing a semiconductor element, the external connection terminals 16 are soldered to a wiring pattern 24 formed on the printed circuit board 20. Further, the thermal vias 12a provided on the ceramic base material 11 on the lower surface of the semiconductor element 19 and the external connection terminals 16 are connected and soldered to the wiring pattern 24 formed on the printed circuit board 20, so that there is no electrical conduction. Thus, heat generated from the semiconductor element 19 can be radiated by the heat radiating plate 21 via the printed circuit board 20. The heat radiating plate 21 may be a heat radiating fin having a fin other than the plate shape, and the shape is not limited. In addition, the bonding between the printed board 20 and the heat sink 21 may be, for example, fastening with a screw 25 or bonding with a bonding agent, and is not limited.
[0018]
【Example】
The present inventor has proposed an external connection terminal made of φ0.5 mm Cu bonded to a ceramic base material of a semiconductor element storage package using alumina, which is an example of ceramic, with an Ag-Cu brazing material, using an FR-4 resin. A sample of an example was joined to a printed circuit board made of, and soldered to a heat sink made of brass. This sample was subjected to a reliability evaluation test of a temperature cycle of -55 ° C to 125 ° C. The test results confirmed that no destruction occurred up to 500 cycles.
[0019]
In the sample of the example, it was confirmed that the brazing material extending thin in the height direction could be formed by the ring-shaped protrusion formed on the external connection terminal pad. As a result, even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic base material and the printed circuit board and distortion occurs, the degree of freedom in bending can be ensured at the brazing material part, and the bonding strength with the ceramic base material due to the large conductor thickness of the projection part It is considered that the increase in the size of the substrate prevented the occurrence of breakage such as cracks, cracks, and peeling around the ceramic base material and the external connection terminal pads.
[0020]
【The invention's effect】
According to a first aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device housing package according to the first aspect, wherein an external connection terminal pad formed of a conductor pattern formed on one surface of the ceramic base material by simultaneous firing with a ceramic green sheet; A ring-shaped projection made of a conductor pattern is provided on the connection terminal pad, and an external connection terminal made of a metal ball is joined to the projection via a brazing material. External connection terminals can be joined in a thin columnar shape, and the degree of freedom of bending by this thin brazing material portion, and the bonding strength due to the large conductor thickness of the protrusion, cracks around the ceramic base and the external connection terminal pad, It is possible to prevent cracks, peeling, and the like from occurring. In addition, since a metal ball can be used for the external connection terminal, a high-frequency semiconductor element having excellent electric characteristics can be housed in a small package.
[0021]
In particular, since the external connection terminal is formed of a substantially spherical metal ball of Cu or a Cu alloy, the semiconductor element housing package according to the second aspect can house a small-sized high-frequency semiconductor element having excellent electrical characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a vertical cross-sectional view taken along line AA ′ of a semiconductor device housing package according to an embodiment of the present invention, respectively.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a mounting mode of the semiconductor element storage package.
FIGS. 3A and 3B are explanatory views of a conventional semiconductor element housing package.
FIG. 4 is an explanatory view of another conventional semiconductor element storage package.
[Explanation of symbols]
10: package for storing semiconductor elements, 11: ceramic substrate, 12: via, 12a: thermal via, 13: conductor wiring pattern, 14: external connection terminal pad, 15: projection, 16: external connection terminal, 17: insulating film , 18: brazing material, 19: semiconductor element, 20: printed circuit board, 21: heat sink, 22: bonding wire, 23: lid, 24: wiring pattern, 25: screw