JP2006032492A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外力に対して強度信頼性を損なうことなく、電子部品を搭載した基板を気密に封止し、かつ実装面積の小さい電子部品パッケージを実現する。
【解決手段】 電子部品を搭載する板部１と、上記電子部品を覆う蓋部４と、上記板部１と上記蓋部４とを接合し、上記電子部品を収容する収容空間３を封止する接合部２とを備えた半導体装置において、上記接合部２に面した板部１の接合面または上記接合部２に面した蓋部４の接合面のうち、少なくとも一方の接合面に角部１４を有する凹凸部を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置に関するものであり、とくに電子部品を収容する収容空間を封止するようにしたパッケージに関するものである。

従来の半導体装置における電子部品パッケージではセラミック基板上に電子部品を搭載し、金属製あるいはセラミックス製の蓋部材により電子部品搭載部を覆うと共に、上記電子部品を収容する収容空間を気密に封止している。また、封止に際し、基板表面にメタライズ層を形成し、上記メタライズ層と蓋部材とをろう材により接合している（例えば、特許文献１参照。）。上記ろう材による接合の際にセラミック基板とメタライズ層との間に熱応力が生じ、剥離が生じることがある。この剥離を防ぐために、特許文献１に示す電子部品パッケージでは、メタライズ層の外縁部の厚みを厚くし、セラミック基板とメタライズ層との間の接合強度を向上させて、蓋部材により電子部品を搭載したセラミック基板を気密に封止し、電子部品を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させている。

特開２００１−１２７１８０号公報（第６頁、図１）

上記のような半導体装置にあっては、基板と蓋部とを接合する際の熱応力による基板構成部材の剥離を考慮しているが、ろう材とメタライズ層との界面の接合強度、あるいはろう材と蓋部との接合強度は変化しないものと想定されている。また、剥離の起点が封止の外周部であり、封止内部からの剥離は考慮されていない。また、接合界面における接合強度を高めるために、接合幅を広く取る必要があり、電子部品パッケージの実装面積が増大するといった問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、外力に対して強度信頼性を損なうことなく、電子部品を搭載した基板を気密に封止し、かつ実装面積の小さい電子部品パッケージが実現できる装置を得ることを目的としている。

この発明に係る半導体装置は、電子部品を搭載する板部と、上記電子部品を覆う蓋部と、上記板部と上記蓋部とを接合し、上記電子部品を収容する収容空間を封止する接合部とを備えた半導体装置において、上記接合部に面した板部の接合面または上記接合部に面した蓋部の接合面のうち、少なくとも一方の接合面に角部を有する凹凸部を形成したものである。

この発明による半導体装置においては、板部と蓋部との接合面に角部を有する凹凸部を形成したので、接合幅を変化させずに接合面積を増大させる効果があり、接合強度が向上する。また、接合強度の向上に伴い接合幅の減少が可能となり、装置の小型化が可能となる。また、角部を設けることで、界面剥離が生じても角部で剥離の進展を留めることが可能となり、電子部品を搭載した基板を気密に封止することが可能となる効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面構成図である。図１において、半導体装置は、電子部品を搭載する板部１と、上記電子部品を覆う蓋部４と、板部１と蓋部４とを接合し、上記電子部品を収容する収容空間３を封止する接合部２とで構成されている。また、接合部２に面した板部１には凹凸があり、図１では凹形状をした接合面を備えている。接合部２に面した蓋部４にも凹凸があり、図１では板部１の凹形状の接合面と嵌合する凸形状の接合面を備えている。接合部２はこれら凸形状の接合面と凹形状の接合面との間に設けられ、板部１と蓋部４とで囲まれた収容空間３を気密性良く封止するように構成されている。接合部２を構成する部材は単一部材で構成されており、例えばニッケルの積層体等で構成されている。板部１の接合面に形成された凹部及び蓋部４の接合面に形成された凸部も共に単一部材で構成されている。

図２は本実施の形態による半導体装置の接合面を、従来の半導体装置の接合面と比較して説明する図である。従来の接合面は、電子部品の収容空間が気密性を保つ必要があることから、図２（ａ）に示すように、通常は接合面全体が平坦面であり、電子部品実装面と同一平面である。図２（ａ）において、板部材が曲げ変形や外力を受けると、最弱部である接合部２の界面を開口させる力が発生する。接合部２の界面を開口させる力は、例えば接合部２と板部１の接合面との界面の端部６に集中し、界面端部６を起点として界面剥離７が発生する。図２（ｂ）は界面剥離後の状態である。界面剥離７が発生すると、場合によって界面剥離７は進行し、最終的な破断に至り、半導体装置の気密性が損なわれることが懸念される。このため、接合面積を増大させて接合強度を高め、最終的な破断の起こりにくい構成とする必要があった。

本実施の形態では、図２（ｃ）に示すように、板部１の接合面および蓋部４の接合面にそれぞれ断面が三角形状の凹部および凸部を設けている。図２（ｃ）においては、板部１の接合面に凹部、蓋部４の接合面に凸部を設ける場合を示しており、板部１及び蓋部４の接合面間を接合部２により封止する。このようにすれば、接合幅は変化しないが、接合部２の垂直断面は辺８，９によって構成され、板部１と接合部２との界面及び接合部２と蓋部４との界面はそれぞれ２つの接合面で構成されるため、接合面積が増大する。換言すれば、従来構造の強度を保ったまま接合幅の減少が可能となり、装置の小型化が可能となる。

また、板部１と蓋部４との界面を開口させる主応力５は、従来の構造では、図２（ａ）に示すように接合面に垂直な方向に働くが、本実施の形態の構造では、図２（ｃ）に示すように、上記主応力５は、辺８、９に垂直な２つの方向に分解され、応力１０となって各接合面に働く。応力１０は主応力５より小さく、緩和されているため、界面剥離発生を抑制する効果が得られる。したがって、傾斜した辺８よりなる接合面は起点１１からの界面剥離の発生を抑制する効果を、傾斜した辺９よりなる接合面は起点１２からの界面剥離の発生を抑制する効果を有し、辺８と辺９との傾斜の度合いによって界面剥離の発生を抑制する効果の度合いが変化する。

また、図２（ｄ）に示すように、界面剥離１３が起きた場合でも、接合面は角部１４を有しているため、角部１４で界面剥離１３の進行方向が変化し、界面剥離１３の進行を留める効果が得られる。すなわち、界面剥離１３が角部１４に達する前の界面と界面剥離１３が角部１４に達した後の界面とが異なる平面となる構造を得ることができ、界面剥離１３の進行を角部１４の位置で留めることが可能となる。

なお、図２（ｄ）では、界面剥離１３は板部１と接合部２との接合面で起こるものを示したが、界面剥離は蓋部４と接合部２との接合面にも同様に発生する。本実施の形態では両接合面の形状を同様の形状としたため、蓋部４と接合部２との接合面に発生する界面剥離に対しても同様の効果がある。
また、本実施の形態では板部１の接合面に形成された凹部及び蓋部４の接合面に形成された凸部は共に単一部材で構成されているので、主応力に垂直である界面が無く、界面剥離の発生を抑制することができる。

実施の形態２．
図３は実施の形態２による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。図３において図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
本実施の形態２では、板部１の接合面および蓋部４の接合面にそれぞれ台形状の凹部および凸部を設けている。接合面の垂直断面形状を図３のように台形状にした場合、実施の形態１で述べた形状と比較して凹部の深さを浅く、凸部の高さを低くできる利点がある。また、傾斜した辺８よりなる接合面は起点１１からの界面剥離の発生を抑制する効果を、傾斜した辺９よりなる接合面は起点１２からの界面剥離の発生を抑制する効果を有し、さらに、台形状の角部１４，１５は界面剥離の進行を留める効果を有する。これらの効果は実施の形態１の場合と同様の効果であり、三角形状の場合と同様に動作する。

実施の形態３．
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は実施の形態３による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。図４において図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
本実施の形態３では、板部１および蓋部４の接合面に凹凸部を設ける際に、図４（ａ）（ｂ）に示すように、上記接合面の一方の端部に偏らせて断面が三角形状の凹凸部または断面が台形状の凹凸部を配置している。界面剥離の起点が接合面の一方の側であることが明らかである場合には、このように界面剥離の発生を抑制する効果を有する凹凸部を界面剥離が生じる端面に偏らせて配置しても良い。傾斜した辺８よりなる接合面は起点１１からの界面剥離の発生を抑制する効果を有し、角部１４，１５，１６は界面剥離の進行を留まらせる効果を有する。
なお、図４（ｃ）に示すように、端面に断面が長方形状の凹凸部を設けるようにしても良い。この場合、角部１４，１５，１６は界面剥離の進行を留まらせる効果を有する。

実施の形態４．
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は実施の形態４による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。図５において図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
界面剥離の進行を留まらせる効果のみが求められる場合は、凹凸部の位置は必ずしも接合面の端部に無くても良い。例えば、図５（ａ）に示すように、接合面の中央部に三角形状の凹凸部を設け、傾斜した辺８，９よりなる接合面が接合面の端部に位置していなくても良い。この場合、接合面の端部は水平であり、板部１と蓋部４との界面を開口させる主応力５が上記端部では接合面に垂直な方向に働くため大きな力が係り、起点１１、起点１２より界面剥離が発生する恐れがある。起点１１、起点１２より界面剥離が発生した場合、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、接合面の中央部に三角状の凹凸部があり、接合面の中ほどに角部１４，１５，１６を有しているため、上記界面剥離は角部１４，１５，１６で進行が留まる。これにより、外力等に対しても強度信頼性を損なうことなく、電子部品を搭載した基板を気密に封止することが可能となる。

図５（ｂ）（ｃ）は凹凸部の断面形状が台形状または長方形状のものであるが、このような構成に対しても界面剥離は角部１４，１５，１６，１７で進行が留まり、同様の効果がある。

実施の形態５．
図６（ａ）（ｂ）は実施の形態５による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。図６において図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
本実施の形態５では、実施の形態１または実施の形態２と同様、板部１の接合面および蓋部４の接合面にそれぞれ断面が三角形状または台形状の凹凸部を設けているが、本実施の形態の場合は、板部１の接合面の垂直断面形状が凸、蓋部４の接合面の垂直断面形状が凹になっている。
このようにしても、実施の形態１および実施の形態２と同様、界面剥離の発生を抑制することが可能となると共に、界面剥離の進行を留める効果がある。

また、実施の形態３および実施の形態４で示した構成のものに対しても、凹凸部が逆、すなわち板部１の接合面の垂直断面形状が凸、蓋部４の接合面の垂直断面形状が凹であってもよく、実施の形態３および実施の形態４に示したものと同様の効果がある。

実施の形態６．
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は実施の形態６による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。図７において図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
実施の形態１〜５における凹凸部は単独の凹凸であったが、図７に示すように複数の凹凸を形成してもよい。
このような構成においては、単独の凹凸の場合よりも界面剥離の進行を留まらせる点が多数になる。したがって界面剥離の進行を留める効果が上昇する。

実施の形態７．
図８（ａ）〜（ｆ）は実施の形態７による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。図８において図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
実施の形態１〜６における凹凸部は板部１と蓋部４との両方の接合面に設けられていたが、接合部２により板部１と蓋部４とを接合した際に界面剥離が起きる接合面が明らかである場合は、板部１の接合面および蓋部４の接合面のうち面剥離が起きる接合面のみに凹凸を形成し、界面剥離が起き難い接合面は平面であっても良い。界面剥離が起き難い接合面１８（平面）と界面剥離の起き易い接合面（凹凸が形成）とは接合部２により接合される。
なお、凹凸が形成された接合面において、界面剥離の発生を抑制する動作および界面剥離の進行を留める動作については、実施の形態１で述べた動作と同様である。

本発明の実施の形態１による半導体装置を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の接合面を、従来の半導体装置の接合面と比較して説明する図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態６による半導体装置の接合面を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態７による他の半導体装置の接合面を示す断面構成図である。

符号の説明

１ 板部、２ 接合部、３ 収容空間、４ 蓋部。

Claims (6)

1. 電子部品を搭載する板部と、上記電子部品を覆う蓋部と、上記板部と上記蓋部とを接合し、上記電子部品を収容する収容空間を封止する接合部とを備えた半導体装置において、上記接合部に面した板部の接合面または上記接合部に面した蓋部の接合面のうち、少なくとも一方の接合面に角部を有する凹凸部を形成したことを特徴とする半導体装置。
2. 凹凸部は単一部材によって構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
3. 凹凸部は垂直断面形状が三角形状を含む形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 凹凸部は垂直断面形状が台形を含む形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 凹凸部は垂直断面形状が矩形を含む形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 凹凸部は複数の凹凸部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

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