JP3847236B2 - Semiconductor element storage package and semiconductor device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波の電気信号を送受信する半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージ、およびその半導体素子収納用パッケージを用いて成る半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気信号を送受信する半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、一般に、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子の搭載部が形成された基体と、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属材料から成り、基体の半導体素子搭載部から下面にかけて被着導出された複数の入出力用配線導体(第1配線導体)およびグランド用配線導体と、この配線導体と電気的に接続するようにして基体の下面に形成された複数個のグランド用パッドおよび入出力用パッドと、基体の搭載部より上面もしくは側面にかけて導出されている出入力用配線導体(第2配線導体)と、この出入力用配線導体(第2配線導体)に一端が接続されるとともに他端が外部に導出されているコネクターとにより構成されている。
【0003】
かかる半導体素子収納用パッケージは、その搭載部に電気信号を送受信する半導体素子がAu−Snろう材あるいは半田等の接合材を介して搭載固定されるとともに、半導体素子の電極が入出力用配線導体(第1配線導体)、グランド用配線導体および出入力用配線導体(第2配線導体)にボンディングワイヤや接続用リボン、半田等の導電性接続材を介して接続され、その後、必要に応じて蓋体等で半導体素子を封止することによって半導体装置となる。
【0004】
また前記半導体装置は基体の下面に形成されているグランド用パッドおよび入出力用パッドを外部電気回路基板の回路導体に半田バンプ等を介し接続させることによって内部に収容する半導体素子が外部電気回路に接続され、同時にコネクターに同軸ケーブル等を介し外部の通信装置等の外部機器を接続させることによって半導体素子と外部機器とが接続するようになっている。
【0005】
なお、前記半導体装置に使用されている半導体素子は複数の電気信号を合成して一つの電気信号に変換する、或いは一つの電気信号を分離して複数の電気信号に変換する機能を有しており、第1配線導体を介して入力される複数の周波数帯域が低い電気信号は半導体素子で合成されて一つの周波数帯域が高い電気信号となり、この周波数帯域の高い電気信号は第2配線導体を介してコネクターに伝送されるとともにコネクターより外部の通信装置等の外部機器に伝送され、またコネクターを介して外部機器より伝送された周波数帯域の高い電気信号は半導体素子で複数の周波数帯域が低い電気信号に変換され、各々の周波数帯域の低い電気信号は第1配線導体を介して外部電気回路に伝送されることとなる。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−164466号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、光通信や無線通信等の機器は電気信号が高周波領域に達するとともに、高速で伝送させることが要求されるようになってきており、従来の半導体素子収納用パッケージは基体を形成する酸化アルミニウム質焼結体の比誘電率が約10(室温、1MHz)と高いことから、基体に設けた第1配線導体、第2配線導体を伝わる電気信号の伝送速度が遅く、高周波の電気信号を高速で伝送させるという要求を満足させることができなかった。
【0008】
またこの酸化アルミニウム質焼結体から成る基体はその線熱膨張係数が4×10-6/℃〜7.5×10-6/℃であるのに対し、外部電気回路基板は一般にガラスエポキシ樹脂等の樹脂材で形成されており、その熱膨張係数が約15×10-6/℃程度であり、大きく相違することから、この熱膨張係数の相異に起因する熱応力が、基体下面の入出力用パッドと外部電気回路基板の回路導体とを接続している半田バンプ等に作用した場合、半田バンプ等に破断が生じ、半導体素子と外部電気回路との間で電気信号を正常に入出力させることができなくなってしまうという欠点もあった。
【0009】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は配線導体に電気信号を高速で伝送させることを可能とするとともに内部に収容する半導体素子を外部電気回路に確実に接続することができる半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、40GHz〜80GHzの電気信号を送受信する半導体素子が搭載される搭載部を有する基体と、該基体の前記搭載部より下面にかけて導出されている複数個のグランド配線導体および第1配線導体と、前記基体の下面に形成され、前記グランド配線導体および第1配線導体に電気的に接続している複数個のグランド用パッドおよび入出力用パッドと、前記基体の搭載部より上面にかけて導出されている第2配線導体と、前記基体に取着され、前記第2配線導体に電気的に接続されるコネクターと、を含んで構成される半導体素子収納用パッケージにおいて、前記基体がLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成され、前記基体の第2配線導体が形成された面と側面の間の角部には、前記コネクターの一部を収容する切欠きが設けられ、前記コネクターは、下面が前記基体に取着されるとともに該下面に対向する上面が外部に露出するように前記切欠きに収容されることを特徴とするものである。
【0011】
また本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージと40GHz〜80GHzの電気信号を送受信する半導体素子とを有し、前記基体の搭載部に前記半導体素子を固定するとともに該半導体素子の各電極を前記第1配線導体および第2配線導体に電気的に接続し、該半導体素子を気密封止して成る半導体装置において、前記コネクターは金属の線材及び該線材の周囲を取り囲む絶縁体から成り、前記第2配線導体は前記半導体素子の気密封止領域の外部へ導出される導出部を有し、前記コネクターの線材の一端部を絶縁体より露出させるとともに、該線材の露出部と前記第2配線導体の導出部とを接続したことを特徴とするものである。
【0012】
本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置によれば、基体をLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成し、かかるガラスセラミック焼結体の比誘電率が約5(室温、1MHz)と低いことから、基体に形成される第1配線導体、第2配線導体を伝わる電気信号の伝送速度を極めて速いものとなすことができる。
【0013】
また本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置によれば、基体を形成するLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体の線熱膨張係数が約12×10-6/℃であり、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材で形成されている外部電気回路基板の線熱膨張係数に近似することから外部電気回路基板に半導体装置を実装させた後、熱が作用したとしても外部電気回路基板と半導体装置の基体との間には大きな熱応力が発生することはなく、その結果、半導体装置の基体下面の入出力パッドと外部電気回路基板の回路導体とを半田バンプ等を介して確実、強固に接続することができ、半導体素子を外部電気回路基板に高い信頼性をもって接続することが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1は本発明の半導体素子収納用パッケージの一実施例を示し、1は基体、2aは第1配線導体、2bはグランド配線導体、3aは入出力用パッド、3bはグランド用パッド、4は第2配線導体、5はコネクターである。これら基体1、第1配線導体2a、グランド配線導体2b、入出力用パッド3a、グランド用パッド3b、第2配線導体4およびコネクター5により半導体素子6を収納するための半導体素子収納用パッケージ7が基本的に構成される。
【0015】
前記基体1は、Li2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成されており、その上面に半導体素子6を搭載するための搭載部1aを有し、該搭載部1aに半導体素子6がガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【0016】
前記基体1は、例えば、リチウム珪酸ガラスとクォーツ、クリストバライトなどのフィラー成分にアクリル樹脂を主成分とするバインダー及び分散剤、可塑剤、有機溶媒を加えて泥漿物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってグリーンシート(生シート)となし、しかる後、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約850℃〜1100℃の温度で焼成することによって製作される。
【0017】
また前記基体1は、半導体素子の搭載部1aから下面にかけて複数個の第1配線導体2aおよびグランド用配線導体2bが形成されており、該各配線導体2a、2bは半導体素子の電気信号入出力用、接地用の各電極を、入出力用パッド3aやグランド用パッド3bに接続するための導電路として作用し、搭載部1a側の一端には半導体素子6の電気信号入出力用、接地用の各電極が導電性接続材を介して電気的に接続される。
【0018】
前記第1配線導体2aおよびグランド用配線導体2b、入出力用パッド3aおよびグランド用パッド3bは、銅、銀、金、パラジウム等の金属材料から成り、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤等を添加して成る金属ペーストを基体1となるセラミックグリーンシートの表面に所定パターンに印刷しておくことによって形成される。
【0019】
この第1配線導体2aおよびグランド用配線導体2bの基体1下面側の一端は、それぞれ対応する入出力用パッド3aおよびグランド用パッド3bと電気的に接続しており、これらの入出力用パッド3a、グランド用パッド3bを外部電気回路の所定の信号用や接地用等の回路導体に接続することにより、半導体素子6の電気信号入出力用、接地用の各電極が外部電気回路と電気的に接続される。
【0020】
また前記基体1は、半導体素子の搭載部1aから上面や側面等にかけて第2配線導体4が形成されており、該第2配線導体4は半導体素子6の電極をコネクター5に接続するための導電路として作用し、搭載部1a側の一端には半導体素子6の電極が導電性接続材8を介して電気的に接続される。
【0021】
前記第2配線導体4は、上述の第1配線導体2a等と同様に、銅、銀、金、パラジウム等の金属材料から成り、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤等を添加して成る金属ペーストを基体1となるセラミックグリーンシートの表面に所定パターンに印刷しておくことにより形成される。
【0022】
この第2配線導体4の基体1外表面側の一端はコネクター5と電気的に接続しており、このコネクター5を同軸ケーブル等を介して通信装置等の外部機器に接続することにより半導体素子6と外部機器との間で高周波信号の送受信が行われる。
【0023】
前記コネクター5は、半導体素子収納用パッケージ7の第2配線導体4を同軸ケーブル等を介して外部機器に接続するための接続体として作用し、例えば、銅のリード線等の金属の線材の周囲を、酸化アルミニウム質焼結体等の絶縁体で取り囲んだ構造である。
【0024】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、基体1の搭載部1aに半導体素子6を搭載するとともに、ガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤を介して固定し、しかる後、半導体素子6の各電極を第1配線導体2aおよびグランド配線導体2bに例えばボンディングワイヤ8を介して接続し、最後に蓋体10を基体1上面に封止材を介して接合させ、半導体素子6を気密に封止することによって半導体装置11となる。
【0025】
この半導体装置11は、基体1下面の入出力用パッド3aおよびグランド用パッド3bが外部電気回路基板の所定の信号用や接地用等の回路導体に半田バンプ等の外部端子を介して接続され、これによって半導体素子6の信号用、接地用の各電極は外部電気回路と電気的に接続される。
【0026】
また、この半導体装置11に取着されているコネクター5に同軸ケーブル等の外部接続用の導線を接続することにより、半導体素子6の電極が通信装置等の外部機器に接続される。
【0027】
そしてかかる半導体装置11は、外部電気回路から供給される複数の周波数帯域が低い(5〜10GHz)電気信号を第1配線導体2aを介して半導体素子6に入力させ、半導体素子6でこれら入力された電気信号を合成して、一つの周波数帯域が高い(40〜80GHz)電気信号とするとともにこれを第2配線導体4を介してコネクター5に出力し、該コネクター5を介して外部の通信装置等の外部機器に伝送する、或いは、外部の通信装置等の外部機器から伝送された一つの周波数帯域が高い(40〜80GHz)電気信号をコネクター5及び第2配線導体4を介して半導体素子6に入力し、半導体素子6で入力された周波数帯域が高い(40〜80GHz)電気信号を複数の周波数帯域が低い(5〜10GHz)電気信号に変換するとともに、これらの個々の周波数帯域が低い電気信号を第1配線導体2aを介して外部電気回路に供給することとなる。
【0028】
本発明の半導体素子収納用パッケージおよびこれを用いた半導体装置においては、基体1をLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成しておくことが重要である。
【0029】
前記基体1を、Li2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成すると、かかる焼結体の比誘電率が約5(室温、1MHz)と低いことから基体1に形成される第1配線導体2a、第2配線導体4を伝わる電気信号の伝送速度を極めて速いものとなすことができる。
【0030】
また前記基体1を、Li2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成すると、かかる焼結体の線熱膨張係数が約12×10-6/℃であり、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材で形成されている外部電気回路基板の線熱膨張係数に近似することから外部電気回路基板に半導体装置を実装させた後、熱が作用したとしても外部電気回路基板と半導体装置の基体1との間には大きな熱応力が発生することはなく、その結果、半導体装置の基体1下面の入出力パッド3aと外部電気回路基板の回路導体とを半田バンプ等を介して確実、強固に接続することができ、半導体素子を外部電気回路に高い信頼性をもって接続することが可能となる。
【0031】
また上述のガラスセラミック焼結体はその焼成温度が850〜1100℃と低いことから、基体1と同時焼成により形成される第1配線導体2a等を比抵抗が2.5Ω・cm(20℃)以下と低い銅や銀、金で形成することができ、その結果、第1配線導体2a等に電気信号を伝搬させた場合、電気信号に大きな減衰が生じることはなく、電気信号を正確かつ確実に伝搬させることも可能となる。
【0032】
前記基体1は、Li2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を850〜1100℃の温度で焼成し、フィラー成分であるクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの結晶相をそのまま生成させる、或いはリチウム珪酸ガラスのシリカとフォルステライトとを反応させてエンスタタイトの結晶相を生成させた焼結体となすことによって製作される。
【0033】
なお、前記基体1を形成する焼結体は、リチウム珪酸ガラスを20〜80体積%、フィラー成分を20〜80体積%の割合とするのは、リチウム珪酸ガラスの量が20体積%より少ない、言い換えればフィラー成分が80体積%より多いと液相焼結することができずに高温で焼成する必要があり、その場合、第1配線導体2a等を銅や銀、金等の融点が低い金属材料で形成しようとしてもかかる金属材料は融点が低いことから焼成時に溶融してしまって第1配線導体2a等を基体1と同時焼成により形成することができなくなり、またリチウム珪酸ガラスの量が80体積%を超える、言い換えればフィラー成分が20体積%より少ないと焼結体の特性がリチウム珪酸ガラスの特性に大きく依存し、材料特性の制御が困難となるとともに焼結開始温度が低くなるため第1配線導体2a等との同時焼成が困難となってしまうためである。
【0034】
また前記基体1に使用するLi2Oを5〜30質量%、好適には5〜20質量%の割合で含有するリチウム珪酸ガラスを用いることが重要であり、このようなリチウム珪酸ガラスを用いることによりリチウム珪酸を析出させることができる。なおLi2Oの含有量が5質量%より少ないと、焼結時にリチウム珪酸の結晶の生成量が少なくなって高強度化が達成できず、30質量%より多いと誘電正接が100×10-4を超えるため配線基板用の基体1としての特性が劣化する。
【0035】
また、この焼結体中にはPbを実質的に含まないことが望ましい。これはPbが毒性を有するため、Pbを含有すると製造工程中での被毒を防止するための格別な装置及び管理を必要とするために焼結体を安価に製造することができないためである。なお、Pbが不純物として不可避的に混入する場合を考慮すると、Pbの量は0.05質量%以下であることが望ましい。
【0036】
更に前記焼結体の屈伏点が400〜800℃、特に400〜650℃であることも、リチウム珪酸ガラス及びフィラー成分から成る混合物を形成する場合に添加する有機バインダー、溶剤の焼成時における効率的な除去及び基体1と同時に焼成される第1配線導体2a等との焼成条件のマッチングを図るために重要である。屈伏点が400℃より低いとリチウム珪酸ガラスが低い温度で焼結を開始するために、例えば、銅や銀等の焼結開始温度が600〜800℃の金属材料を用いた第1配線導体2a等との同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するために有機バインダー、溶媒が分解揮散できなくなって、焼結体中に残留し、焼結体の特性に悪影響を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が800℃より高いと、リチウム珪酸ガラスを多くしないと焼結しにくくなるためであり、高価なリチウム珪酸ガラスを大量に必要とするために焼結体のコストを高めることにもなるためである。上記特性を満足するリチウム珪酸ガラスとしては、例えば、SiO2−Li2O−Al2O3、SiO2−Li2O−Al2O3−MgO−TiO2、SiO2−Li2O−Al2O3−MgO−Na2O−F、SiO2−Li2O−Al2O3−MgO−Na2O−ZnO、SiO2−Li2O−Al2O3−K2O−P2O5、SiO2−Li2O−Al2O3−K2O−P2O5−ZnO−Na2O3、SiO2−Li2O−MgO、SiO2−Li2O−ZnO等の組成物が挙げられ、このうち、SiO2はリチウム珪酸を形成するために必須の成分であり、ガラス全量中60〜85質量%の割合で存在し、SiO2とLi2Oとの合量がガラス全量中65〜95質量%であることがリチウム珪酸結晶を析出させるうえで望ましい。
【0037】
一方、フィラー成分としては、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種を20〜80体積%、特に30〜70体積%の割合で配合することが望ましい。このようなフィラー成分の組み合わせにより焼結体の焼結を促進することができ、中でもクォーツ/フォルステライト比が0.427以上であれば、比誘電率が高いフォルステライトを焼結中の比誘電率の低いエンスタタイトに変えることができる。
【0038】
上記のリチウム珪酸ガラス及びフィラー成分は、リチウム珪酸ガラスの屈伏点に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。即ち、リチウム珪酸ガラスの屈伏点が400〜600℃と低い場合、低温での焼結性が高まるためフィラー成分の含有量は50〜80体積%と比確定多く配合できる。これに対して、リチウム珪酸ガラスの屈伏点が650〜800℃と高い場合、焼結性が低下するためフィラー成分の含有量は20〜50体積%と比較的少なく配合することが望ましい。このリチウム珪酸ガラスの屈伏点は第1配線導体2a等の焼成条件に合わせて制御することが望ましい。
【0039】
更にリチウム珪酸ガラスは、フィラー成分が無添加では収縮開始温度は700℃以下で、850℃以上では溶融してしまい、第1配線導体2a等を基体1に同時焼成により被着形成することができない。しかし、フィラー成分を20〜80体積%の割合で混合しておくと、焼成温度を上昇させ、結晶の析出とフィラー成分を液相焼結させるための液相を形成させることができる。このフィラー成分の含有量の調整により基体1と第1配線導体2a等との同時焼成条件をマッチングさせることができる。更に、原料コストを下げるために高価なリチウム珪酸ガラスの含有量を減少させることができる。
【0040】
例えば、第1配線導体2a等として銅を主成分とする金属材料により構成する場合、配線層6の焼成は600〜1100℃で行われるため、同時焼成を行うには、リチウム珪酸ガラスの屈伏点は400〜650℃で、フィラー成分の含有量は50〜80体積%であるのが好ましい。また、このように高価なリチウム珪酸ガラスの配合量を低減することにより焼結体のコストも低減できる。
【0041】
このリチウム珪酸ガラスとフィラー成分との混合物は、適当な成形用の有機バインダー、溶剤等を添加した後、所望の成形手段、例えばドクターブレード法、圧延法、金型プレス法等によりシート状等の任意の形状に成形後、焼成する。
【0042】
焼成にあたっては、まず、成形のために添加した有機バインダー、溶剤成分を除去する。有機バインダー、溶剤成分の除去は通常700℃前後の大気雰囲気中で行われるが、第1配線導体2a等として銅を用いる場合には、水蒸気を含有する100〜700℃の窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は700〜850℃程度であることことが望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いと有機バインダー、溶剤成分の除去が困難となるため、成形体中のリチウム珪酸ガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【0043】
焼成は850〜1100℃の酸化雰囲気中で、あるいは第1配線導体2a等と同時焼成する場合には非酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度90%以上まで緻密化される。この時の焼成温度が850℃より低いと緻密化することができず、一方1100℃を超えると第1配線導体2a等との同時焼成で第1配線導体2a等が溶融してしまう。なお、第1配線導体2a等として銅を用いる場合には、850℃〜1050℃の非酸化性雰囲気で行われる。
【0044】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【0045】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置によれば、基体をLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成し、かかるガラスセラミック焼結体の比誘電率が約5(室温、1MHz)と低いことから、基体に形成さる第1配線導体、第2配線導体を伝わる電気信号の伝送速度を極めて速いものとなすことができる。
【0046】
また本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置によれば、基体を形成するLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体の線熱膨張係数が約12×10-6/℃であり、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材で形成されている外部電気回路基板の線熱膨張係数に近似することから外部電気回路基板に半導体装置を実装させた後、熱が作用したとしても外部電気回路基板と半導体装置の基体との間には大きな熱応力が発生することはなく、その結果、半導体装置の基体下面の入出力パッドと外部電気回路基板の回路導体とを半田バンプ等を介して確実、強固に接続することができ、半導体素子を外部電気回路基板に高い信頼性をもって接続することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体素子収納用パッケージおよびこの半導体素子収納用パッケージを用いた半導体装置の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・基体
1a・・・・搭載部
2a・・・・入出力配線導体
2b・・・・グランド配線導体
3a・・・・入出力用パッド
3b・・・・グランド用パッド
4・・・・・出入力配線導体
5・・・・・コネクター
6・・・・・半導体素子
7・・・・・半導体素子収納用パッケージ
8・・・・・ボンディングワイヤ
10・・・・蓋体
11・・・・半導体装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element storage package for storing a semiconductor element that transmits and receives a high-frequency electrical signal, and a semiconductor device using the semiconductor element storage package.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a package for housing a semiconductor element for housing a semiconductor element that transmits and receives an electrical signal is generally made of an electrically insulating material such as an aluminum oxide sintered body, and a base having a semiconductor element mounting portion formed on an upper surface thereof. A plurality of input / output wiring conductors (first wiring conductors) and ground wiring conductors that are made of a metal material such as tungsten, molybdenum, manganese, copper, silver, etc. , A plurality of ground pads and input / output pads formed on the lower surface of the base so as to be electrically connected to the wiring conductor, and input / output wiring led out from the mounting portion of the base to the upper surface or the side surface A conductor (second wiring conductor) and a connector having one end connected to the input / output wiring conductor (second wiring conductor) and the other end led to the outside; It is more configuration.
[0003]
In such a package for housing a semiconductor element, a semiconductor element that transmits and receives an electrical signal is mounted and fixed to the mounting portion via a bonding material such as an Au—Sn brazing material or solder, and the electrode of the semiconductor element is an input / output wiring conductor. (First wiring conductor), ground wiring conductor and input / output wiring conductor (second wiring conductor) are connected via a conductive connecting material such as a bonding wire, a connecting ribbon, and solder, and then as necessary. A semiconductor device is obtained by sealing the semiconductor element with a lid or the like.
[0004]
In the semiconductor device, a ground pad and an input / output pad formed on the lower surface of the base are connected to a circuit conductor of an external electric circuit board through a solder bump or the like, so that a semiconductor element accommodated in the semiconductor device is an external electric circuit. At the same time, an external device such as an external communication device is connected to the connector via a coaxial cable or the like, so that the semiconductor element and the external device are connected.
[0005]
The semiconductor element used in the semiconductor device has a function of synthesizing and converting a plurality of electric signals into one electric signal, or separating one electric signal into a plurality of electric signals. In addition, a plurality of low frequency band electrical signals input through the first wiring conductor are combined by the semiconductor element to become one high frequency frequency electrical signal. The high frequency band electrical signal passes through the second wiring conductor. The high frequency signal transmitted from the connector to the external device such as an external communication device is transmitted from the connector to the external device such as a communication device. The signals are converted into signals, and the electric signals having low frequency bands are transmitted to the external electric circuit via the first wiring conductor.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-164466
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, devices such as optical communication and wireless communication have come to be required to transmit electric signals at high speed and reach high frequencies, and conventional semiconductor element storage packages form a base. Since the relative permittivity of the aluminum oxide sintered body is as high as about 10 (room temperature, 1 MHz), the transmission speed of the electrical signal transmitted through the first wiring conductor and the second wiring conductor provided on the substrate is low, and the high-frequency electrical signal It was not possible to satisfy the demand for transmission at a high speed.
[0008]
To Also base made of aluminum oxide sintered body whose coefficient of linear thermal expansion is 4 × 10 -6 /℃~7.5×10 -6 / ℃ , external electric circuit board is generally glass epoxy resin Since the thermal expansion coefficient is about 15 × 10 −6 / ° C. and greatly different, the thermal stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient is If it acts on a solder bump that connects the input / output pad and the circuit conductor of the external electric circuit board, the solder bump will break, and an electric signal is normally input between the semiconductor element and the external electric circuit. There was also a drawback that it was impossible to output.
[0009]
The present invention has been devised in view of the above-mentioned drawbacks, and its purpose is to enable an electrical signal to be transmitted at high speed to a wiring conductor and to securely connect a semiconductor element accommodated in an external electrical circuit. An object of the present invention is to provide a semiconductor element storage package and a semiconductor device using the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A package for housing a semiconductor element according to the present invention includes a base having a mounting portion on which a semiconductor element for transmitting and receiving an electrical signal of 40 GHz to 80 GHz is mounted, and a plurality of ground wirings extending from the mounting portion to the lower surface of the base A plurality of ground pads and input / output pads formed on a lower surface of the base body and electrically connected to the ground wiring conductor and the first wiring conductor; and mounting the base body In a package for housing a semiconductor element, comprising: a second wiring conductor led out from a portion to an upper surface; and a connector attached to the base and electrically connected to the second wiring conductor. substrate and 20 to 80 vol% deformation point is 400 to 800 ° C. a lithium silicate glass containing 5 to 30 mass% of Li 2 O, quartz, Chris At least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite and forsterite obtained by firing a formed body containing 20 to 80% by volume of a filler component comprising at least one of barite, tridymite, enstatite and forsterite. Formed with a sintered body containing a seed crystal phase, a corner between the side surface of the substrate on which the second wiring conductor is formed is provided with a notch for accommodating a part of the connector, The connector is accommodated in the notch so that a lower surface is attached to the base and an upper surface facing the lower surface is exposed to the outside .
[0011]
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element storage package having the above-described configuration and a semiconductor element that transmits and receives an electrical signal of 40 GHz to 80 GHz. The semiconductor element is fixed to the mounting portion of the base body, and In the semiconductor device in which each electrode is electrically connected to the first wiring conductor and the second wiring conductor and the semiconductor element is hermetically sealed, the connector includes a metal wire and an insulator surrounding the wire. And the second wiring conductor has a lead-out portion led out to the outside of the hermetic sealing region of the semiconductor element, and exposes one end portion of the wire of the connector from the insulator, and the exposed portion of the wire and the The second wiring conductor is connected to the lead-out portion .
[0012]
According to the semiconductor element storage package and the semiconductor device of the present invention, the base material contains 20-30% by volume of lithium silicate glass containing 5-30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400-800 ° C., quartz, cristobalite. At least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing 20 to 80% by volume of a filler component consisting of at least one of tridymite, enstatite, and forsterite Since the glass ceramic sintered body has a low relative dielectric constant of about 5 (room temperature, 1 MHz), the first wiring conductor and the second wiring conductor formed on the base body. The transmission speed of the electric signal transmitted through can be made extremely fast.
[0013]
Moreover, according to the semiconductor element storage package and the semiconductor device of the present invention, 20 to 80% by volume of lithium silicate glass having a yield point of 400 to 800 ° C. containing 5 to 30% by mass of Li 2 O forming the base body, Of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing 20 to 80% by volume of a filler component composed of at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite The sintered body containing at least one crystalline phase has a linear thermal expansion coefficient of about 12 × 10 −6 / ° C., and the linear thermal expansion coefficient of the external electric circuit board formed of a resin material such as glass epoxy resin. After mounting the semiconductor device on the external electric circuit board, even if heat is applied, Large thermal stress is not generated between the semiconductor device and the base of the semiconductor device, and as a result, the input / output pads on the bottom surface of the base of the semiconductor device and the circuit conductor of the external electric circuit board are securely connected via solder bumps, It is possible to connect firmly and the semiconductor element can be connected to the external electric circuit board with high reliability.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of a package for housing a semiconductor device according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a base, 2a denotes a first wiring conductor, 2b denotes a ground wiring conductor, 3a denotes an input / output pad, 3b denotes a ground pad, The
[0015]
The base body 1 contains 20-30% by volume of lithium silicate glass containing 5-30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400-800 ° C., and is at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite. It is formed of a sintered body containing at least one crystal phase of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite obtained by firing a formed body containing a filler component of 20 to 80% by volume. It has a mounting portion 1a for mounting the
[0016]
The substrate 1 is made of, for example, lithium silicate glass and a filler component such as quartz, cristobalite, etc. by adding a binder mainly composed of an acrylic resin, a dispersant, a plasticizer, and an organic solvent. The green sheet (raw sheet) is formed by adopting the method and the calender roll method. After that, the green sheet is appropriately punched and laminated, and fired at a temperature of about 850 ° C. to 1100 ° C. It is manufactured by doing.
[0017]
The base 1 is formed with a plurality of
[0018]
The
[0019]
One end of the
[0020]
The base 1 has a
[0021]
The
[0022]
One end of the
[0023]
The
[0024]
Thus, according to the above-described package for housing a semiconductor element, the
[0025]
In this
[0026]
Further, by connecting an external connection conductor such as a coaxial cable to the
[0027]
The
[0028]
In the package for housing a semiconductor element of the present invention and the semiconductor device using the same, 20 to 80% by volume of lithium silicate glass containing a base 1 containing 5 to 30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400 to 800 ° C. Quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing 20 to 80% by volume of a filler component consisting of at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite It is important to form the sintered body containing at least one crystal phase.
[0029]
The base 1 contains 20 to 80% by volume of lithium silicate glass containing 5 to 30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400 to 800 ° C., and at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite. And forming a sintered body containing at least one crystal phase of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite obtained by firing a formed body containing a filler component of 20 to 80% by volume. Since the relative dielectric constant of such a sintered body is as low as about 5 (room temperature, 1 MHz), the transmission speed of the electrical signal transmitted through the
[0030]
Further, the substrate 1 is composed of 20 to 80% by volume of lithium silicate glass containing 5 to 30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400 to 800 ° C., and at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite and forsterite. Formed with a sintered body containing at least one crystal phase of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing a filler component of 20 to 80% by volume Then, the linear thermal expansion coefficient of the sintered body is about 12 × 10 −6 / ° C., which approximates the linear thermal expansion coefficient of an external electric circuit board formed of a resin material such as glass epoxy resin. Even if heat is applied after the semiconductor device is mounted on the electric circuit board, there is a large gap between the external electric circuit board and the base 1 of the semiconductor device. As a result, the input /
[0031]
In addition, since the sintering temperature of the glass ceramic sintered body is as low as 850 to 1100 ° C., the specific resistance of the
[0032]
The base body 1 contains 20-30% by volume of lithium silicate glass containing 5-30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400-800 ° C., and is at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite. The formed body containing 20 to 80% by volume of the filler component is fired at a temperature of 850 to 1100 ° C., and the crystal phases of the filler components quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite are generated as they are. Alternatively, it is produced by reacting lithium silicate glass silica and forsterite to produce a sintered body in which an enstatite crystal phase is generated.
[0033]
In addition, the sintered compact which forms the said base | substrate 1 makes lithium silicate glass 20 to 80 volume%, and makes a filler component into the ratio of 20 to 80 volume%. The quantity of lithium silicate glass is less than 20 volume%, In other words, if the filler component is more than 80% by volume, liquid phase sintering cannot be performed and it is necessary to fire at a high temperature. In this case, the
[0034]
In addition, it is important to use a lithium silicate glass containing 5 to 30% by mass, preferably 5 to 20% by mass of Li 2 O used for the substrate 1, and such a lithium silicate glass is used. Can precipitate lithium silicic acid. If the Li 2 O content is less than 5% by mass, the amount of lithium silicic acid crystals produced during sintering is reduced and high strength cannot be achieved. If it exceeds 30% by mass, the dielectric loss tangent is 100 × 10 − Since it exceeds 4 , the characteristic as the base | substrate 1 for wiring boards deteriorates.
[0035]
Further, it is desirable that this sintered body does not substantially contain Pb. This is because Pb has toxicity, and if it contains Pb, it requires special equipment and control for preventing poisoning during the manufacturing process, and thus a sintered body cannot be manufactured at low cost. . In consideration of the case where Pb is inevitably mixed as an impurity, the amount of Pb is desirably 0.05% by mass or less.
[0036]
Furthermore, the fact that the yield point of the sintered body is 400 to 800 ° C., particularly 400 to 650 ° C., indicates that the organic binder added when forming a mixture composed of lithium silicate glass and a filler component and the efficiency during firing of the solvent This is important in order to match the firing conditions with the
[0037]
On the other hand, as a filler component, it is desirable to mix at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite in a proportion of 20 to 80% by volume, particularly 30 to 70% by volume. Sintering of the sintered body can be promoted by such a combination of filler components. In particular, if the quartz / forsterite ratio is 0.427 or more, the relative dielectric constant during sintering of forsterite having a high relative dielectric constant is obtained. It can be changed to low enstatite.
[0038]
It is desirable that the amount of the lithium silicate glass and filler component is appropriately adjusted according to the yield point of the lithium silicate glass. That is, when the yield point of lithium silicate glass is as low as 400 to 600 ° C., the sinterability at low temperatures is enhanced, so the content of the filler component can be blended with a certain amount of 50 to 80% by volume. On the other hand, when the yield point of lithium silicate glass is as high as 650 to 800 ° C., the sinterability is lowered, so the content of the filler component is desirably 20 to 50% by volume, which is relatively small. It is desirable to control the yield point of this lithium silicate glass according to the firing conditions of the
[0039]
Furthermore, the lithium silicate glass has a shrinkage start temperature of 700 ° C. or lower when no filler component is added, and melts at 850 ° C. or higher, and the
[0040]
For example, when the
[0041]
The mixture of the lithium silicate glass and the filler component is added to an appropriate organic binder for molding, a solvent, etc., and then formed into a sheet or the like by a desired molding means such as a doctor blade method, a rolling method, a die pressing method, etc. After forming into an arbitrary shape, firing.
[0042]
In firing, first, the organic binder and solvent component added for molding are removed. The removal of the organic binder and the solvent component is usually performed in an air atmosphere at around 700 ° C., but when copper is used as the
[0043]
Firing is performed in an oxidizing atmosphere of 850 to 1100 ° C., or in a non-oxidizing atmosphere when cofiring with the
[0044]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention.
[0045]
【The invention's effect】
According to the semiconductor element storage package and the semiconductor device of the present invention, the base material contains 20-30% by volume of lithium silicate glass containing 5-30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400-800 ° C., quartz, cristobalite. At least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing 20 to 80% by volume of a filler component consisting of at least one of tridymite, enstatite, and forsterite Since the glass ceramic sintered body has a low dielectric constant of about 5 (room temperature, 1 MHz), the first wiring conductor and the second wiring conductor formed on the substrate are The transmission speed of the transmitted electric signal can be made extremely fast.
[0046]
Moreover, according to the semiconductor element storage package and the semiconductor device of the present invention, 20 to 80% by volume of lithium silicate glass having a yield point of 400 to 800 ° C. containing 5 to 30% by mass of Li 2 O forming the base body, Of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing 20 to 80% by volume of a filler component composed of at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite The sintered body containing at least one crystalline phase has a linear thermal expansion coefficient of about 12 × 10 −6 / ° C., and the linear thermal expansion coefficient of the external electric circuit board formed of a resin material such as glass epoxy resin. After mounting the semiconductor device on the external electric circuit board, even if heat is applied, Large thermal stress is not generated between the semiconductor device and the base of the semiconductor device, and as a result, the input / output pads on the bottom surface of the base of the semiconductor device and the circuit conductor of the external electric circuit board are securely connected via solder bumps, It is possible to connect firmly and the semiconductor element can be connected to the external electric circuit board with high reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor element housing package and a semiconductor device using the semiconductor element housing package of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base | substrate 1a ... Mounting
Claims (2)
前記基体がLi2Oを5〜30質量%含有する屈伏点が400〜800℃のリチウム珪酸ガラスを20〜80体積%と、クォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種から成るフィラー成分を20〜80体積%の割合で含む形成体を焼成して得られたクォーツ、クリストバライト、トリジマイト、エンスタタイト、フォルステライトの少なくとも1種の結晶相を含有する焼結体で形成され、前記基体の第2配線導体が形成された面と側面の間の角部には、前記コネクターの一部を収容する切欠きが設けられ、前記コネクターは、下面が前記基体に取着されるとともに該下面に対向する上面が外部に露出するように前記切欠きに収容されることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。A base having a mounting portion on which a semiconductor element for transmitting and receiving electrical signals of 40 GHz to 80 GHz is mounted; a plurality of ground wiring conductors and first wiring conductors extending from the mounting portion to a lower surface of the base; and the base A plurality of ground pads and input / output pads electrically connected to the ground wiring conductor and the first wiring conductor, and a second lead extending from the mounting portion of the base to the upper surface. In a package for housing a semiconductor element comprising a wiring conductor and a connector attached to the base and electrically connected to the second wiring conductor,
The substrate contains 20-80% by volume of lithium silicate glass containing 5-30% by mass of Li 2 O and having a yield point of 400-800 ° C., and is composed of at least one of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, and forsterite. Formed of a sintered body containing at least one crystal phase of quartz, cristobalite, tridymite, enstatite, forsterite obtained by firing a formed body containing a filler component in a proportion of 20 to 80% by volume, A notch for accommodating a part of the connector is provided at a corner between the surface of the substrate where the second wiring conductor is formed and the side surface, and the lower surface of the connector is attached to the substrate and the A package for housing a semiconductor element, wherein the package is housed in the notch so that an upper surface facing the lower surface is exposed to the outside .
前記コネクターは金属の線材及び該線材の周囲を取り囲む絶縁体から成り、前記第2配線導体は前記半導体素子の気密封止領域の外部へ導出される導出部を有し、前記コネクターの線材の一端部を絶縁体より露出させるとともに、該線材の露出部と前記第2配線導体の導出部とを接続したことを特徴とする半導体装置。A package for housing a semiconductor element according to claim 1 and a semiconductor element for transmitting and receiving an electrical signal of 40 GHz to 80 GHz. The semiconductor element is fixed to a mounting portion of the base and each electrode of the semiconductor element is connected to the first electrode. In a semiconductor device that is electrically connected to one wiring conductor and a second wiring conductor and hermetically sealing the semiconductor element,
The connector is composed of a metal wire and an insulator surrounding the wire, and the second wiring conductor has a lead-out portion led out to the outside of the hermetic sealing region of the semiconductor element, and one end of the wire of the connector A semiconductor device, wherein the exposed portion of the wire is connected to the lead-out portion of the second wiring conductor.
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