JP2011165745A

JP2011165745A - セラミックパッケージ

Info

Publication number: JP2011165745A
Application number: JP2010024189A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamaguchi; 和宏山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】安価でかつＰｂフリーの接合材を使用してシールリングを接合する際、シールリングにカバーを溶接する時の熱、及びセラミックパッケージをマザーボードに接合する時の加熱による、シールリング取付け部の再溶融を防止することが出来るとともに、気密が損なわれることがない、セラミックパッケージを得ることを目的とする。
【解決手段】半導体ベアチップを気密封止するセラミックパッケージであって、セラミック回路基板と、上記セラミック回路基板に載置された金属シールリングから構成され、上記金属シールリングは、上記セラミック回路基板上に、３００℃未満で焼結するナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子からなる接合材によって焼結結合されたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体ベアチップが気密封止されるセラミックパッケージに関する。

一般に、半導体デバイスは、半導体ベアチップを保護するため気密封止や樹脂封止によりパッケージ化されている。高周波回路においては、樹脂による電気特性劣化を避けるために気密封止構造が採られている。

気密封止を構成できるパッケージ材料として選べる材料は、組織が緻密であり高気密性を保てるセラミックまたは金属に限られ、構成部材を減らす観点から、回路を形成したセラミック回路基板がパッケージベースとして使用される。

セラミック回路基板を半導体ベアチップの容器として気密封止化する方法は二つある。一つは、セラミック回路基板にキャビティを形成し、カバーをセラミック回路基板に直かに取付ける方法である。もう一つは、気密空間を形成するために所定の高さの金属製のシールリング（または封着リング）をセラミック回路基板に取り付け、シールリングにカバーを取付ける方法である。

カバーをセラミック回路基板に直かに取付ける方法のうち、溶接はセラミック側が高温により破損するため不可能である。また、２００℃以上の加熱が必要なはんだ接合では、キャビティ内の空気膨張によりはんだ接合時に溶融はんだ部から空気が逃げ、その流路がリークパスとなって残り易く、高気密化が困難である。このため、適用可能な方法は接着となるが、接着では高気密性の維持は望めない。

一方、シールリングを設ける方法では、セラミック基板は直に高温には晒されないためカバーを抵抗溶接やレーザー溶接等の溶接法により取付けることが可能であり、高気密接合が可能である。従って、セラミック回路基板をベースとするパッケージでは、シールリングを設ける構成が最も高気密性を保持できるとされている。

シールリングとセラミック基板の取付け方法は、セラミック基板の耐熱性により異なる。
１５００℃程度で焼成される高温焼成セラミック（ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ-ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ：略称ＨＴＣＣ）では、一般に９００℃程度の処理温度となるＡｇ（銀）ろう付けが可能なため、堅牢なシールリング接合が可能である（例えば、特許文献１参照）。

セラミックパッケージに半導体ベアチップを組み入れる工程で加わる熱やカバーの溶接において発生する熱に対して、Ａｇろう付けはなんら影響を受けないため、ＨＴＣＣは使い勝手が良いセラミックパッケージとして多用されてきた。
しかし、ＨＴＣＣはその焼成温度が高いため、回路導体として使用できる金属がＷやＭｏなどの高融点、高抵抗金属に限られることから、銅損が大きいという問題がある。特に、高周波回路における銅損は回路出力の低下として影響が大きい。

このことから、低抵抗金属を導体として適用できる低温焼成セラミック（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ-ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ：略称ＬＴＣＣ）を、セラミック基板に適用する場合が多い。ＬＴＣＣは焼成温度が９００℃未満であるため、Ａｇ、Ｃｕ等の融点が１０００℃強の低抵抗金属を用いることが可能であり、銅損は最少に抑えることが出来る利点がある。
しかし、焼成温度がＡｇろうとほぼ同じ温度であるため、シールリング取付けにＡｇろうを用いると、ＬＴＣＣ自体を構成するガラス成分が軟化して変形してしまうのでＡｇろうは使うことができず、低温ろう材を用いることとなる。低温ろう材は各種あるが、安価かつＰｂ（鉛）フリーに適合するろう材は、ＳｎＡｇＣｕ系に代表されるＳｎ（錫）主成分であって融点が２００〜２５０℃程度のはんだに限られる。

特開２００６−１７３２８７

ＬＴＣＣ基板にシールリングをはんだで取付けて構成したＬＴＣＣパッケージは、半導体ベアチップを封入した上でカバーを溶接する。溶接の熱によってシールリング取付けはんだが再溶融して気密性が得られない場合があり、溶接条件、シールリングの熱容量、セラミック回路基板の熱伝導性等、複数の条件をパラメータとする非常にシビアな設計が必要となっている。

また、ＬＴＣＣパッケージは一つの電子デバイスとしてプリント基板のようなマザーボードに搭載されるが、そのマザーボードとの接続においては、ＬＴＣＣパッケージに取付けられたリード線をはんだ付けする、またはＬＴＣＣパッケージにＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を設けてはんだ付けする等、リフロー法による一括接続が行われることとなる。このため、ＬＴＣＣパッケージ全体がはんだ付け温度に晒されるため、シールリング取付けはんだが再溶融し、気密が損なわれるという問題がある。

また、シールリング取付け用のはんだとマザーボードとの接続用のはんだとの、溶融温度に差を付けることにより、シールリング取付け用のはんだの再溶融を抑止するという考え方はある。しかし、安価なＳｎ主成分のはんだの種類の中ではほとんど温度差を付けられず、融点が若干違う程度では再溶融を防止することが困難である。

この発明によるセラミックパッケージは、安価でかつＰｂフリーの接合材を使用してシールリングを接合する際、シールリングにカバーを溶接する時の熱、及びセラミックパッケージをマザーボードに接合する時の加熱による、シールリング取付け部の再溶融を防止することが出来るとともに、気密が損なわれることがない、セラミックパッケージを得ることを目的とする。

この発明によるセラミックパッケージは、半導体ベアチップを気密封止するセラミックパッケージであって、セラミック回路基板と、セラミック回路基板に載置された金属シールリングから構成され、金属シールリングは、セラミック回路基板上に、３００℃未満で焼結するナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子からなる接合材によって焼結結合されたことを特徴とする。

この発明によれば、シールリングとセラミック回路基板の接合材として、３００℃未満で焼結するナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子からなる低温焼結金属を用いたことにより、当該接合材の再溶融を防止出来、かつ気密が損なわれることのないセラミックパッケージを得ることができる。

この発明に係る実施の形態１によるセラミックパッケージの構造を示す断面図である。この発明に係る実施の形態１によるセラミックパッケージの製造工程を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１によるセラミックパッケージの構造を示す断面図である。図において、セラミックパッケージ１０はマザーボード１１にＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）実装されるＢＧＡ型セラミックパッケージの例を示している。セラミックパッケージ１０は、セラミック回路基板１と、金属シールリング（以下、シールリング）４と、カバー９とから構成され、半導体ベアチップ２が収容される。

セラミック回路基板１の一方の面には、半導体ベアチップ２を取付けるための導体からなる部品ランド３と、シールリング４を取付けるための導体からなるシールリングランド５とが設けてある。セラミック回路基板１の他方の面には、バンプ６を接合するための導体からなる複数のバンプランド７が設けてある。マザーボード１１は例えばガラス基材銅張積層基板のような樹脂基板から構成され、表面にバンプ６を接合するための導体からなる複数のバンプランド１２が設けられるとともに、電気部品（図示せず）及び電気部品を実装するための部品ランド（図示せず）や配線パターン等が設けられている。セラミック回路基板１の部品ランド３には半導体ベアチップ２が載置され、セラミック回路基板１上に設けられた図示しない配線回路やランドについて半導体ベアチップ２が配線される。セラミック回路基板１のバンプランド７は、複数のバンプ６を介してマザーボード１１のバンプランド１２に接合される。セラミック回路基板１の上面には、シールリング４が接合されている。シールリング４は、接合材８を介して、シールリングランド５に接合されている。シールリング４の上面には、カバー９が溶接される。

セラミック回路基板１は、９００℃未満で焼結するガラスとアルミナ等を組成とするグリーンシートに、ＡｇまたはＣｕを主成分とする導体ペーストを印刷して、部品ランド３、シールリングランド５及び複数のバンプランド７等の配線回路が形成されている。セラミック回路基板１は、グリーンシートに導体ペーストを印刷して配線回路が形成された後、グリーンシートと導体ペーストを８００℃以上９００℃未満の温度で同時に低温焼成することで、低温焼成セラミック基板が構成される。

次に、セラミックパッケージ１０の製造工程について説明する。図２は、この発明に係る実施の形態１によるセラミックパッケージの製造工程を示す図であり、（ａ）はセラミック回路基板１にシールリング４を載せる工程、（ｂ）はセラミック回路基板１とシールリング４を接合する工程、（ｃ）はセラミックパッケージ１０をマザーボード１１にＢＧＡ実装する工程、（ｄ）はセラミックパッケージ１０がＢＧＡ実装された状態のマザーボード１１を、それぞれ示す図である。

まず、図２（ａ）工程において、セラミック回路基板１は、シールリングランド５に未焼結の接合材８が配置された後、未焼結の接合材８の上にシールリング４が載せられる。

続いて、図２（ｂ）工程において、シールリング４が載置されたセラミック回路基板１は、２００〜３００℃で低温焼成されることにより、シールリング４とシールリングランド５とが接合材８により接合される。

接合材８は、例えばＡｇ（銀）粒子の含有されたナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子を、ペースト状または粉末を加圧成型してペレット状に形成したＰｂフリーの低温焼結金属であり、例えば低温焼結Ａｇが用いられる。ここで、例えばＡｇ粒子のような金属粒子のサイズは、ナノレベル（数十〜１００ナノメートル：ｎｍ）、マイクロレベル（数マイクロメートル：μm）のいずれであっても良いが、従来のはんだ付けによるシールリング取付けにおける熱負荷と同等の熱負荷に抑えるために、焼結温度が３００℃未満となるように調整したものを用いる。接合材８は、未焼結の状態では個別に存在したＡｇ粒子のような金属粒子が、拡散融着しているため、例えばバルクＡｇのような金属体と同等と考えて良く、緻密な組織を得られるので、高気密性を得ることが可能となる。

次に、図２（ｃ）工程において、半導体ベアチップ２を接着剤やはんだでセラミック回路基板１に取付けるが、接着硬化温度やはんだ温度に加熱されても、焼結した接合材８はバルクＡｇ相当となっているためはんだのように再溶融することが無く、半導体ベアチップ２の取付け工法の自由度も大きくなる。

半導体ベアチップ２搭載後、シールリング４の上面にカバー９を載せ、抵抗溶接、レーザー溶接等の溶接法によりカバー９をシールリング４に接合して、セラミックパッケージ１０が完成する。

シールリング４とカバー９は、ＬＴＣＣとの線膨張係数が近いことから、一般には鉄ニッケルコバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金（例えば、ＫＯＶＡＲ（登録商標））が用いられ、この溶接の際には、溶接部分は鉄ニッケルコバルト合金の融点１４５０℃に達する。鉄ニッケルコバルト合金は、金属としては熱伝導率が低いため、接合材８の位置では温度が数百℃に下がる。なお、シールリング４をはんだで接合する場合は、はんだが３００℃で再溶融してしまうために、カバー９とはんだ接合部との距離を取るべくシールリングを高くしたり、熱拡散させるためシールリングのリング幅を広げたりして凌ぐ工夫が必要であった。しかし、例えば低温焼結Ａｇのような接合材８の融点は、バルクＡｇと同等の約９５０℃であるため、このような工夫は特に必要無い。

セラミックパッケージ１０は、プリント基板のようなマザーボード１１に搭載され、マザーボード１１と電気的に接続される。ＢＧＡ接続の場合は、バンプ６を介してセラミックパッケージ１０がマザーボード１１にはんだ付けされる。かくして、図２（ｄ）工程に示すように、セラミックパッケージ１０がマザーボード１１にＢＧＡ実装される。バンプ６自体がはんだで形成されたはんだボールであっても、金属ボールをはんだ付けするものであっても良いが、いずれにしてもセラミックパッケージ１０とマザーボード１１との接合ははんだ付けであって、全体加熱するため焼結した接合材８もはんだ融点以上の温度に晒される。しかし、上記した通り焼結した接合材８は再溶融することが無いので、シールリング４で囲われた空間の気密性が保たれることとなる。

なお、実施の形態１では、接合材８を構成する低温焼結金属として、低温焼結Ａｇを用いた例について説明したが、３００℃未満で焼結する金属粒子であれば他の焼結金属であっても適用可能であり、Ａｇ粒子を含有した低温焼結Ａｇには限られない。また、ＢＧＡ型接続構成の場合を例として説明したが、セラミック基板とシールリングとで気密構造を取る形態であれば、マザーボードのような接続において、はんだ付け以上の加熱をする場合に気密性を維持する効果は同様である。

以上により、カバー溶接時の熱、及びセラミックパッケージをマザーボードに接合する際の加熱による、シールリング取付け部の再溶融を防止出来、かつ気密が損なわれることのないセラミックパッケージ構造を得ることができる。

また、焼結した接合材８は、同一組成の金属バルクの溶融温度（例えばＡｕ：１０６３℃、Ａｇ：９６１℃、Ｃｕ：１０８４℃）にまで加熱されない限り再溶融しないため、はんだ付け温度程度でシールリング接合部が再溶融して気密が損なわれるようなことが無く、ＨＴＣＣで用いられているＡｇろうに匹敵する、堅牢な接合が得られる。

さらに、接合材８は、はんだ付け温度と同等の処理温度での接合が可能であるため、ＬＴＣＣには従来構成でシールリングをはんだ付けする場合と同等以上の熱負荷が掛からず、セラミックパッケージの信頼性に影響を及ぼさないという優れた効果がある。

この発明は、低温焼成セラミック基板の気密性を損なわないシールリング接合方法を得るために用いるのが良い。また、高温焼成セラミック基板への適用も可能であり、Ａｇろうのような高温処理が必要なくなるので、高温焼成セラミック基板へのダメージも非常に小さく抑える効果がある。

１セラミック回路基板、２半導体ベアチップ、３部品ランド、４シールリング、５シールリングランド、６バンプ、７バンプランド、８接合材（低温焼結金属）、９カバー、１０セラミックパッケージ、１１マザーボード。

Claims

半導体ベアチップを気密封止するセラミックパッケージであって、
セラミック回路基板と、
上記セラミック回路基板に載置された金属シールリングから構成され、
上記金属シールリングは、上記セラミック回路基板上に、３００℃未満で焼結するナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子からなる接合材によって焼結結合されたことを特徴とするセラミックパッケージ。
上記接合材は、銀粒子からなることを特徴とする請求項１記載のセラミックパッケージ。
焼結前の上記接合材は、ペレット状またはペースト状に成形されたナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子からなることを特徴とする請求項１記載のセラミックパッケージ。