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JPH06112339A - Ceramic package - Google Patents

Ceramic package

Info

Publication number
JPH06112339A
JPH06112339A JP4260313A JP26031392A JPH06112339A JP H06112339 A JPH06112339 A JP H06112339A JP 4260313 A JP4260313 A JP 4260313A JP 26031392 A JP26031392 A JP 26031392A JP H06112339 A JPH06112339 A JP H06112339A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
aln substrate
aln
film conductor
lsi
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4260313A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koji Yamakawa
晃司 山川
Kaoru Koiwa
馨 小岩
Yasushi Iyogi
靖 五代儀
Yasuaki Yasumoto
恭章 安本
Nobuo Iwase
暢男 岩瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP4260313A priority Critical patent/JPH06112339A/en
Publication of JPH06112339A publication Critical patent/JPH06112339A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/161Cap
    • H01L2924/1615Shape
    • H01L2924/16152Cap comprising a cavity for hosting the device, e.g. U-shaped cap

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Lead Frames For Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To furnish a ceramic package of high density, high-speed correspondence, high radiation, simple form and high reliability which is fit LSI of high integration, high speed and large power consumption, and others. CONSTITUTION:A semiconductor element 12 is mounted on an AlN base 11 and connected electrically to a surface thin-film conductor 13 formed on the surface of the AlN base 11. A lid 15 made of ceramic of high heat-conductivity and sealing the semiconductor element 12 airtightly is joined to the AlN base 11. The surface thin-film conductor 12 is constituted of a metal material of which the main constituent is Al. A joining layer 16 for sealing the AlN base 11 and the lid 15 is constituted of glass.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はAlN基板を備えたセラ
ミックパッケージに係り、特に半導体素子との電気的な
接続を行うための薄膜導体およびAlN基板と封止用リ
ッドとの接合層を改良したセラミックパッケージに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic package provided with an AlN substrate, and in particular, has improved a thin film conductor for electrically connecting to a semiconductor element and a bonding layer between the AlN substrate and a sealing lid. Regarding ceramic packages.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、BiCMOSやECLに代表され
るように、LSIの高集積化、高速化、大消費電力化、
大型チップ化等が進み、LSIを搭載するパッケージが
高密度化、高速対応化、高放熱化される傾向にある。こ
のようなパッケージの高密度化、高速対応化、高放熱化
は、ワークステーション、ミニコンピュータ、大型コン
ピュータ等の高速大規模情報処理分野での要求が強く、
特にスーパーコンピュータの実装技術においては必要不
可欠の技術となっている。最近ではコンピュータやワー
クステーションのパーソナル化に伴い、上記要求に加え
てより簡易性、高信頼性の要求も強い。
2. Description of the Related Art In recent years, as represented by BiCMOS and ECL, high integration of LSI, high speed, high power consumption,
With the progress of large-sized chips and the like, there is a tendency that a package mounting an LSI has higher density, higher speed, and higher heat dissipation. High density, high speed, and high heat dissipation of such packages are strongly demanded in the field of high-speed large-scale information processing such as workstations, minicomputers, and large computers.
In particular, it is an indispensable technology in the mounting technology of supercomputers. Recently, along with the personalization of computers and workstations, in addition to the above requirements, there is a strong demand for simplicity and high reliability.

【0003】このような要求に対し、セラミックパッケ
ージはLSIを気密封止する時の信頼性が高く、耐湿性
に優れ、かつ放熱性もよいことから、コンピュータのC
PUやCMOS、ECLゲートアレイ等に使用されてい
る。特に高集積、高速、大消費電力、大型チップのLS
Iに対しては、高熱伝導性のAlNセラミック材料を用
いた多層配線基板(AlN基板)を備えたパッケージが
開発されている。AlNは熱膨張率がSiと近似し、S
iを主体とするLSIを搭載した際の熱応力が少いこと
も長所である。
In response to such requirements, the ceramic package is highly reliable when hermetically sealing an LSI, has excellent moisture resistance, and has a good heat dissipation property.
Used in PU, CMOS, ECL gate array, etc. High integration, high speed, large power consumption, large chip LS
For I, a package including a multilayer wiring substrate (AlN substrate) using an AlN ceramic material having high thermal conductivity has been developed. The coefficient of thermal expansion of AlN is similar to that of Si, and S
Another advantage is that the thermal stress when mounting an LSI mainly composed of i is small.

【0004】AlN基板の作製は、これまでW等の導体
をAlNセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷
したものを積層し、これを一体焼成することで多層配線
基板とする厚膜法によることが多かったが、最近この厚
膜法のみでは対応できない問題が生じてきた。
Up to now, the AlN substrate has often been manufactured by a thick film method in which a conductor such as W is screen-printed on an AlN ceramic green sheet, which is laminated and integrally fired to form a multilayer wiring substrate. However, recently, a problem has arisen that cannot be dealt with only by the thick film method.

【0005】一つの問題はLSIの多ピン、狭ピッチ化
に伴う導体配線パターンの微細化である。すなわち、L
SIとの接続部が100μmピッチ以下のものが見られ
るようになり、前記の厚膜法ではパターン形成が難しく
なってきている。また、LSIとの接続方法もLSIの
狭ピッチ化に伴い、ワイヤボンディング法だけでなく、
TAB法やフリップチップ接続が必要となり、2段以上
のキャビティ付パッケージへのボンディングや厚膜パタ
ーン上への接続が困難となってきている。
One problem is the miniaturization of the conductor wiring pattern accompanying the increase in the number of pins and narrow pitch of LSI. That is, L
It has become possible to see that the connecting portion with the SI has a pitch of 100 μm or less, and it becomes difficult to form a pattern by the thick film method. Also, the connection method with the LSI is not limited to the wire bonding method as the LSI pitch becomes narrower.
The TAB method or flip chip connection is required, and bonding to a package with two or more cavities or connection to a thick film pattern has become difficult.

【0006】もう一つの問題点として、LSIのASI
C化に伴うパッケージのカスLSIへの対応が挙げられ
る。すなわち、ゲートアレイやスタンダードセル等のA
SIC・LSIの開発期間が短縮化され、品種も多くな
ってきていることから、パッケージも短期開発、作製が
要求されている。しかしながら、厚膜法のみでパッケー
ジを作製する場合には印刷から焼成までの工程が長く、
容易にパターン変更をすることができない。また、パッ
ケージのパターン精度が細かくなるにつれて、セラミッ
クパッケージを焼成する際のセラミックの収縮率をより
厳密に制御する必要があるが、1%以下の精度での制御
はプロセス上困難であった。
Another problem is the LSI ASI.
One example is how to deal with the package LSI with the change to C. That is, the gate array, standard cell, etc.
Since the development period of SIC / LSI has been shortened and the number of varieties has been increasing, short-term development and manufacture of packages are required. However, when the package is made only by the thick film method, the process from printing to firing is long,
The pattern cannot be changed easily. Further, as the pattern accuracy of the package becomes finer, it is necessary to more strictly control the shrinkage rate of the ceramic when firing the ceramic package, but it is difficult to control with a precision of 1% or less in the process.

【0007】そこで、これらの問題を解決すべくAlN
基板表面に薄膜導体パターンを形成したセラミックパッ
ケージが開発され、実用化されている。これは例えばA
lN基板上に、Ti、Cr等の下地層、Mo、W、C
u、Ni、Pt等の中間金属層、およびAu等の表面導
体層からなる薄膜多層構造を形成したものである。
Therefore, in order to solve these problems, AlN
A ceramic package in which a thin film conductor pattern is formed on the surface of a substrate has been developed and put into practical use. This is for example A
Underlayer such as Ti, Cr, Mo, W, C on 1N substrate
This is a thin film multilayer structure formed of an intermediate metal layer such as u, Ni and Pt and a surface conductor layer such as Au.

【0008】図4にこのような従来構成のセラミックパ
ッケージを示し、図5にその封止用リッドの接合部の構
成を拡大して示している。
FIG. 4 shows a ceramic package having such a conventional structure, and FIG. 5 shows an enlarged structure of the joint portion of the sealing lid.

【0009】図示のセラミックパッケージでは、内層配
線1aを有するAlN基板1に、半導体素子であるLS
I2が搭載され、AlN基板1の表面に形成した薄膜導
体3に、LSI2がボンディングワイヤ4によって電気
的に接続されている。また、AlN基板1の表面には、
LSI2を気密封止する高熱伝導性セラミック製の封止
用リッド5が接合層6を介して接合されている。
In the illustrated ceramic package, an LS which is a semiconductor element is mounted on an AlN substrate 1 having an inner layer wiring 1a.
The I2 is mounted and the LSI 2 is electrically connected to the thin film conductor 3 formed on the surface of the AlN substrate 1 by the bonding wire 4. In addition, on the surface of the AlN substrate 1,
A sealing lid 5 made of high thermal conductive ceramic that hermetically seals the LSI 2 is bonded via a bonding layer 6.

【0010】セラミックパッケージの薄膜導体3は図5
に示すように、Ti、Cr等の下地層3a、Mo、W、
Cu、Ni、Pt等の中間金属層3b、およびAu等の
表面導体層3cからなる薄膜多層構造とされている。ま
た、AlN基板1と封止用リッド5との接合層6は、例
えば同様の薄膜多層構造からなるメタライズ層7および
AuSn半田等のろう材層8等によって構成されてい
る。
The thin film conductor 3 of the ceramic package is shown in FIG.
As shown in, the underlayer 3a such as Ti or Cr, Mo, W,
It has a thin film multi-layer structure including an intermediate metal layer 3b such as Cu, Ni and Pt and a surface conductor layer 3c such as Au. The bonding layer 6 between the AlN substrate 1 and the sealing lid 5 is composed of, for example, a metallization layer 7 having a similar thin film multilayer structure, a brazing material layer 8 such as AuSn solder, and the like.

【0011】なお図4中、9はAlN基板1の内層配線
1aに接続された入出力用ピン、10は封止用リッド5
の外面に設けられた放熱用フィンである。
In FIG. 4, 9 is an input / output pin connected to the inner layer wiring 1a of the AlN substrate 1, and 10 is a sealing lid 5.
Is a fin for heat radiation provided on the outer surface of.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな従来構成のセラミックパッケージにおいて、上記薄
膜導体は、多層膜成膜、レジストコーティング、レジス
トパターニング、多層膜エッチング、レジスト除去の工
程を経て所定のパターンとなるが、多層膜成膜の工程が
長く、エッチング用のエッチャントもそれぞれの膜に応
じたものを使用する必要があるため、パターニングの時
間も多くかかる。また、表面導体層に貴金属を使用する
ため高価となり、かつこの表面導体層を厚く形成するた
めに例えばAuメッキが必要となり、さらに工程数が増
加する。
By the way, in the conventional ceramic package as described above, the thin-film conductor is subjected to a predetermined process through steps of multilayer film formation, resist coating, resist patterning, multilayer film etching and resist removal. Although a pattern is formed, it takes a long time for patterning because the step of forming a multilayer film is long and it is necessary to use an etching etchant corresponding to each film. Further, since a precious metal is used for the surface conductor layer, it becomes expensive, and for example, Au plating is required to form the surface conductor layer thickly, which further increases the number of steps.

【0013】また、上記セラミックパッケージを気密封
止するために、AlN基板表面にAuSn半田等のろう
材で封止用リッドを接合するためのメタライズが必要で
ある。本メタライズは、上記薄膜多層構造あるいはW、
Moの同時焼成厚膜、Ag、Au、Cu等の厚膜ペース
ト印刷膜によって形成されるが、これらのメタライズを
施すためには、それぞれの印刷焼成、スパッタ、エッチ
ング等メタライズ工程が必要なばかりでなく、メタライ
ズ領域がAlN基板表面に独自に必要であり、AlN基
板上に薄膜導体の形成領域を狭くする原因となる。
In order to hermetically seal the ceramic package, metallization is required to join the sealing lid to the surface of the AlN substrate with a brazing material such as AuSn solder. This metallization is based on the thin film multilayer structure or W,
It is formed by a co-fired thick film of Mo and a thick-film paste printed film of Ag, Au, Cu, etc. However, in order to perform metallization of these, it is only necessary to carry out the respective metallizing steps such as printing baking, sputtering, and etching. However, a metallized region is required independently on the surface of the AlN substrate, which causes the formation region of the thin film conductor to be narrowed on the AlN substrate.

【0014】さらに従来のセラミックパッケージでは、
最後に上述したようにAuメッキをするためのメッキ引
出し線を多層配線基板内に形成している。このため高周
波信号を多層配線基板内で通過させようとすると、この
メッキ引出し線がオープンスタブとして作用し、4分の
1波長の長さで反共振状態を引き起こし、信号の反射を
引き起こすことによって信号が伝送できなくなる等の問
題もある。
Further, in the conventional ceramic package,
Finally, as described above, the lead wire for plating for Au plating is formed in the multilayer wiring board. Therefore, when an attempt is made to pass a high frequency signal through the multilayer wiring board, this plated lead wire acts as an open stub, causing an anti-resonance state with a length of 1/4 wavelength and causing signal reflection. However, there is also a problem in that it cannot be transmitted.

【0015】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、高集積、高速、大消費電力のLSI等
に適合する高密度、高速対応、高放熱、簡易形、高信頼
性のセラミックパッケージを提供することを目的とす
る。すなわち、薄膜導体形成のためのメッキおよびこの
ための引出線形成を不要として、薄膜導体形成を容易か
つ安価に行えるようにするとともに、高周波特性の向上
を図り、かつ封止用リッドの接合部についてのメタライ
ズを省略して高放熱で、しかも信頼性の高いセラミック
パッケージを実現しようとするものである。
The present invention has been made to solve such a problem and has a high density, a high speed, a high heat dissipation, a simple form, and a high reliability suitable for a highly integrated, high speed, large power consumption LSI or the like. It is intended to provide a ceramic package. That is, it is possible to easily and inexpensively form a thin film conductor by eliminating the need for plating and forming a lead wire for forming a thin film conductor, improve the high frequency characteristics, and improve the sealing lid joint part. It aims to realize a highly reliable and highly reliable ceramic package by omitting the metallization.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、AlN基板と、このAlN基板の表面に
形成され前記AlN基板上に搭載される半導体素子と電
気的に接続される薄膜導体と、前記AlN基板に接合さ
れ前記半導体素子を気密封止するセラミック製の封止用
リッドとを備えたセラミックパッケージにおいて、前記
薄膜導体をAlを主成分とする金属材料で構成するとと
もに、前記AlN基板と前記封止用リッドとの接合層を
ガラスで構成したことを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention is electrically connected to an AlN substrate and a semiconductor element formed on the surface of the AlN substrate and mounted on the AlN substrate. In a ceramic package comprising a thin film conductor and a ceramic sealing lid which is joined to the AlN substrate and hermetically seals the semiconductor element, the thin film conductor is made of a metal material containing Al as a main component, and The joining layer between the AlN substrate and the sealing lid is made of glass.

【0017】本発明において、AlN基板の表面は表面
粗さRa20nm〜0.5μm程度に研磨してあること
が望ましい。また、薄膜導体となるAlを主成分とする
金属材料には、ストレスマイグレーションやエレクトロ
マイグレーションを抑制するために、SiやCu等を1
W%程度微量添加してもよい。
In the present invention, the surface of the AlN substrate is preferably polished to have a surface roughness Ra of about 20 nm to 0.5 μm. Further, in the metal material containing Al as a main component, which is a thin film conductor, Si, Cu or the like is added in order to suppress stress migration and electromigration.
You may add a trace amount about W%.

【0018】さらにまた、封止用リッドは例えばAlN
等の高熱伝導性セラミック製として半導体素子搭載後に
AlN基板に接合するとともに、接合層のガラスには低
融点ガラス等を適用して接合をHeやNなどの不活性
雰囲気中で400℃前後の温度にて行うことが望まし
い。ガラスは予め封止用リッドの接合面に印刷方式等で
形成しておくことが望ましい。
Furthermore, the sealing lid is, for example, AlN.
Made of high thermal conductive ceramics such as, for example, bonded to the AlN substrate after mounting the semiconductor element, and a low melting point glass or the like is applied to the glass of the bonding layer to bond at around 400 ° C. in an inert atmosphere such as He or N 2 . It is desirable to carry out at temperature. It is desirable to form the glass on the bonding surface of the sealing lid in advance by a printing method or the like.

【0019】なお、AlN基板上への半導体素子の搭載
は、例えばAgガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹
脂、AuSn半田、PbSn系高温半田等を用いたダイ
ボンディングにより行うことが望ましい。また、半導体
素子としてはLSI等を適用し、このLSI等とAlN
基板表面の薄膜導体とはAlまたはAuのボンディング
ワイヤを用いたワイヤボンディング等にて電気的に接続
することが望ましい。
The semiconductor element is preferably mounted on the AlN substrate by die bonding using Ag glass, epoxy resin, polyimide resin, AuSn solder, PbSn high temperature solder, or the like. An LSI or the like is applied as the semiconductor element, and the LSI or the like and AlN
It is desirable to electrically connect to the thin film conductor on the substrate surface by wire bonding using a bonding wire of Al or Au.

【0020】[0020]

【作用】本発明において、このような構成のセラミック
パッケージは、以下の方法で作製される。
In the present invention, the ceramic package having such a structure is manufactured by the following method.

【0021】まずAlN基板として、WまたはMo等の
多層内層配線を有するAlN同時焼成回路基板(多層配
線基板)を作製する。このAlN基板の表面に、内層配
線と接続する薄膜導体として、Alを主成分とする金属
材料の薄膜配線(Al薄膜配線)を形成する。このAl
薄膜配線の形成は、例えばスパッタリング、蒸着、イオ
ンプレーティング等で膜形成を行った後、このAl薄膜
にフォトリソグラフィー技術を用いたエッチング等でパ
ターニングを施すことによって行える。
First, as an AlN substrate, an AlN co-firing circuit substrate (multilayer wiring substrate) having multi-layer inner layer wiring such as W or Mo is prepared. On the surface of the AlN substrate, a thin film wiring (Al thin film wiring) of a metal material containing Al as a main component is formed as a thin film conductor connected to the inner layer wiring. This Al
The thin film wiring can be formed, for example, by forming a film by sputtering, vapor deposition, ion plating or the like, and then patterning this Al thin film by etching or the like using a photolithography technique.

【0022】なお、入出力用ピン等の外部リードは、前
記W、Mo等の所定の露出部上にメタライズを施し、ラ
ンドを形成した後、このランド上に位置合せしてろう接
合する。
External leads such as input / output pins are metallized on predetermined exposed portions of W, Mo, etc. to form lands, which are then aligned and brazed to the lands.

【0023】次に、以上の方法で作製したAlN基板上
に、半導体素子であるLSI等をダイボンディングによ
り搭載し、このLSI等を薄膜導体にワイヤボンディン
グ法またはTAB法等によって電気的に接続する。その
後、AlN基板に、セラミック製の封止用リッドをガラ
スによって接合し、気密封止を行う。
Next, the semiconductor device LSI or the like is mounted on the AlN substrate manufactured by the above method by die bonding, and the LSI or the like is electrically connected to the thin film conductor by the wire bonding method or the TAB method. . Then, a ceramic sealing lid is bonded to the AlN substrate with glass to hermetically seal.

【0024】以上の工程により、Al薄膜配線が形成さ
れ、ガラス封止されたAlN基板を備えるセラミックパ
ッケージが作製される。
Through the above steps, the Al thin film wiring is formed, and the ceramic package including the glass-sealed AlN substrate is manufactured.

【0025】このような本発明のセラミックパッケージ
では、AlN基板表面の薄膜導体形成時にメッキの必要
がなく、低抵抗でボンディング製の良好な薄膜導体パタ
ーンを容易に形成できる。また、このとき、メッキ引出
し線が不要となるので、高周波の信号伝送が可能で高周
波特性も優れている。さらに、メタライズ層を形成する
ことなく、ガラスを用いてAlN基板とセラミック製の
封止用リッドとを直接接合しているため、AlN基板上
で接合層と薄膜導体とが接触しても何等支障がなく、A
lN基板上における薄膜導体の形成領域を広くすること
ができ、かつ接合部が薄膜導体上にまで拡張され、その
面積が増大することによって、AlN基板から封止用リ
ッドへ放出される熱の量が増加してAlNの有効高熱伝
導性が最大限発揮され、放熱性が向上する。しかも、こ
の接合部で、Al薄膜配線の表面は薄膜表面に酸化膜が
形成されるため、ガラスとの接着性が従来のAl配線な
どに比べて優れており、高い接合強度で気密封止を行う
ことができ、信頼性も向上する。
In such a ceramic package of the present invention, there is no need for plating when forming the thin film conductor on the surface of the AlN substrate, and it is possible to easily form a good thin film conductor pattern with low resistance and made by bonding. Further, at this time, since the plated lead wire is not required, high frequency signal transmission is possible and high frequency characteristics are excellent. Furthermore, since the AlN substrate and the ceramic sealing lid are directly bonded using glass without forming a metallized layer, even if the bonding layer and the thin film conductor come into contact with each other on the AlN substrate, there is no problem. There is no
The amount of heat radiated from the AlN substrate to the sealing lid can be increased by widening the formation area of the thin film conductor on the 1N substrate, and by expanding the area of the joint to the thin film conductor. Is increased to maximize the effective high thermal conductivity of AlN and improve heat dissipation. Moreover, since the oxide film is formed on the thin film surface of the Al thin film wiring at this bonding portion, the adhesiveness with glass is superior to the conventional Al wiring and the like, and the hermetic sealing is performed with high bonding strength. It can be done and reliability is improved.

【0026】[0026]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0027】(実施例1)図1はキャビティアップタイ
プのセラミックパッケージの構成を示し、図2はそのリ
ッド封止接合部の構成を拡大して示している。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows a structure of a cavity-up type ceramic package, and FIG. 2 shows an enlarged structure of a lid sealing joint portion thereof.

【0028】本実施例のセラミックパッケージでは、内
層配線11aを有するAlN基板11に、半導体素子で
あるLSI12が搭載され、AlN基板11の表面に形
成した薄膜導体13に、LSI12がボンディングワイ
ヤ14によって電気的に接続されている。また、AlN
基板11の表面には、LSI12を気密封止する高熱伝
導性セラミック例えばAlN製の封止用リッド15が接
合層16を介して接合されている。19はAlN基板1
1の内層配線11aに接続された入出力用ピン、20は
リッド15の外面に設けられた放熱用フィンである。
In the ceramic package of the present embodiment, the LSI 12 which is a semiconductor element is mounted on the AlN substrate 11 having the inner layer wiring 11a, and the LSI 12 is electrically connected to the thin film conductor 13 formed on the surface of the AlN substrate 11 by the bonding wire 14. Connected to each other. Also, AlN
On the surface of the substrate 11, a sealing lid 15 made of high thermal conductive ceramic such as AlN for hermetically sealing the LSI 12 is bonded via a bonding layer 16. 19 is an AlN substrate 1
Input / output pins connected to the inner layer wiring 11a of No. 1 and heat radiation fins 20 provided on the outer surface of the lid 15.

【0029】この構造において本実施例では、薄膜導体
13がAlを主成分とする金属材料で構成されるととも
に、AlN基板11と封止用リッド15との接合層16
がガラスで構成されている。そして、接合層16は薄膜
導体13の上に亘ってAlN基板11上に配置されてい
る。
In this embodiment, in this structure, the thin film conductor 13 is made of a metal material containing Al as a main component, and the bonding layer 16 between the AlN substrate 11 and the sealing lid 15 is formed.
Is made of glass. The bonding layer 16 is arranged on the AlN substrate 11 over the thin film conductor 13.

【0030】このような本実施例のセラミックパッケー
ジの製造は以下の方法で行う。
The ceramic package of this embodiment is manufactured by the following method.

【0031】まずW、MoペーストをAlNグリーンシ
ートに形成したバイアホール11bに充填し、そのシー
ト上に内層配線11aとなる配線パターンを印刷する。
なお、配線パターンの印刷の際にはメッキ引出線用のパ
ターンは設けない。次いでAlNグリーンシートを加圧
加熱にて積層し、脱脂工程で有機物を除去した後に、1
800〜1900℃程度で焼成し、これによりAlN基
板(AlN同時焼成回路基板)11を製造する。
First, W and Mo pastes are filled in the via holes 11b formed on the AlN green sheet, and a wiring pattern to be the inner layer wiring 11a is printed on the sheet.
When printing the wiring pattern, the pattern for the lead wire for plating is not provided. Then, the AlN green sheets are laminated by pressure and heating, and the organic substances are removed in the degreasing step, and then 1
The AlN substrate (AlN co-firing circuit substrate) 11 is manufactured by firing at about 800 to 1900 ° C.

【0032】Al主体の薄膜導体13は、スパッタリン
グ、蒸着、イオンプレーティング等の方法により形成す
る。この場合、AlN基板11の表面はあらかじめ表面
粗さRa20nm〜0.5μm程度に研磨する。これに
より、薄膜形成プロセスが容易となり、入出力用ピン1
9の接合強度の信頼性が向上する。なお、焼成後のAl
N基板の表面粗さが小さい場合には、直接薄膜導体13
を形成してもよい。また、薄膜導体13の形成前に、A
lN基板11を中性洗剤、純水、イソプロピルアルコー
ル等で超音波洗浄し、油成分、付着物などを除去する。
The Al-based thin film conductor 13 is formed by a method such as sputtering, vapor deposition, or ion plating. In this case, the surface of the AlN substrate 11 is previously polished to have a surface roughness Ra of about 20 nm to 0.5 μm. This facilitates the thin film formation process, and the input / output pin 1
The reliability of the bonding strength of No. 9 is improved. Note that Al after firing
If the surface roughness of the N substrate is small, the thin film conductor 13
May be formed. In addition, before forming the thin film conductor 13, A
The 1N substrate 11 is ultrasonically cleaned with a neutral detergent, pure water, isopropyl alcohol, etc. to remove oil components, deposits and the like.

【0033】成膜するAl薄膜には、Al薄膜配線のス
トレスマイグレーションやエレクトロマイグレーション
を抑制するためにSiやCu等を微量添加してもよい。
成膜したAl薄膜は王水系、弗酸を用いたウェットエッ
チング、あるいは塩素、弗素を用いたドライエッチング
によりパターンを形成する。マスキング材料にはレジス
トを用いる。リフトオフ法を使用する場合には、薄膜形
成前にレジストでパターニングを行い、その後薄膜形成
を行ってパターンを形成する。Al薄膜は0.2〜5μ
m、望ましくは1μm前後の厚さに形成する。
A small amount of Si, Cu or the like may be added to the Al thin film to be formed in order to suppress stress migration and electromigration of the Al thin film wiring.
A pattern is formed on the formed Al thin film by wet etching using aqua regia, hydrofluoric acid, or dry etching using chlorine or fluorine. A resist is used as the masking material. When the lift-off method is used, patterning is performed with a resist before forming a thin film, and then a thin film is formed to form a pattern. Al thin film is 0.2-5μ
m, preferably about 1 μm in thickness.

【0034】AlN基板11の入出力用ピン19の接合
部には、厚膜法、薄膜法等の方法によりメタライズを施
す。厚膜法を使用する場合は、通常のセラミックパッケ
ージを作製する場合と同様に、同時焼成金属であるW、
Moの裏面側の露出部上にNi無電解メッキを行い、熱処
理にて密着性を向上させる。その上に、ろう材を介在さ
せ、コバールあるいはCu合金製の入出力用のピン19
を接合する。
The joint portion of the input / output pins 19 of the AlN substrate 11 is metallized by a thick film method, a thin film method or the like. When the thick film method is used, the co-firing metal W,
Ni electroless plating is performed on the exposed portion of the back side of Mo, and heat treatment improves the adhesion. An input / output pin 19 made of Kovar or Cu alloy with a brazing material interposed
To join.

【0035】薄膜法では、Al薄膜上へ入出力用ピン1
9を接合することが難しいために、Al薄膜とは異なっ
た金属薄膜の形成が必要であり、例えばTi/Ni/A
uやTi/Cu等の金属薄膜を形成し、円形状や長方形
状等所定の形状にパターニングしてランドとする。この
後、得られたランド上に、予めろう材を仮止めした入出
力用ピン19を、治具を用いて真空中あるいは不活性雰
囲気中でろう接合する。
In the thin film method, the input / output pin 1 is formed on the Al thin film.
Since it is difficult to bond 9 to 9, it is necessary to form a metal thin film different from the Al thin film. For example, Ti / Ni / A
A metal thin film such as u or Ti / Cu is formed and patterned into a predetermined shape such as a circular shape or a rectangular shape to form a land. After that, the input / output pins 19 to which the brazing material has been temporarily fixed in advance are brazed to the obtained land using a jig in a vacuum or in an inert atmosphere.

【0036】なお、本発明のセラミックパッケージは、
ろう材の種類によって、接合プロセスが異なる。Ag−
Cu等を用いて800℃を超える温度で接合する場合に
は、Alの融点を超えるために入出力用ピン19を接合
した後に薄膜導体13の形成を行う。一方、AuSn、
Ag−Cu−In等を用いてAlの融点以下の温度で接
合する場合には、予め薄膜導体13のパターンを形成し
た後に、入出力用ピン19を接合してもよい。
The ceramic package of the present invention is
The joining process differs depending on the type of brazing material. Ag-
When using Cu or the like to join at a temperature higher than 800 ° C., the thin film conductor 13 is formed after joining the input / output pins 19 because the melting point of Al is exceeded. On the other hand, AuSn,
When Ag-Cu-In or the like is used for joining at a temperature equal to or lower than the melting point of Al, the input / output pin 19 may be joined after the pattern of the thin film conductor 13 is formed in advance.

【0037】以上の方法で作製したAlN基板11に、
LSI12を搭載する。LSI12はAlN基板11上
にAgガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、AuS
n半田、PbSn系高温半田等を用いてダイボンディン
グする。LSI12とAlN基板11表面の薄膜導体1
3とは、Al、Au等のボンディングワイヤを用いたワ
イヤボンディング法にて電気的に接続する。
On the AlN substrate 11 manufactured by the above method,
The LSI 12 is mounted. The LSI 12 is made of Ag glass, epoxy resin, polyimide resin, AuS on the AlN substrate 11.
Die bonding is performed using n solder, PbSn high temperature solder, or the like. Thin film conductor 1 on the surface of LSI 12 and AlN substrate 11
3 is electrically connected by a wire bonding method using a bonding wire such as Al or Au.

【0038】LSI12を搭載した後に、AlN等の高
熱伝導性セラミックからなる封止用リッド15を、接合
層16となる低融点ガラスを用いて接合し、気密封止す
る。封止はHeやNなどの不活性雰囲気中で400℃
前後の温度にて行う。ガラスは予め封止用リッド15に
印刷方式等で形成しておく。
After the LSI 12 is mounted, the sealing lid 15 made of high thermal conductive ceramic such as AlN is bonded by using the low melting point glass as the bonding layer 16 and hermetically sealed. Sealed at 400 ° C in an inert atmosphere such as He or N 2.
Perform at around temperature. Glass is formed on the sealing lid 15 in advance by a printing method or the like.

【0039】さらに具体的に説明すると、本実施例では
上述したような方法により作製したAlN基板11の表
面を、研磨材を用いて平均表面粗さRa=0.4μmに
研磨した。そして、通常のセラミックパッケージを作製
する場合と同様に、同時焼成金属であるW、Moの裏面
側露出部上にNiを無電解メッキによりメタライズし、
その上にAuSnろう材を介在させてコバール製の入出
力用ピン19を接合した。
More specifically, in this embodiment, the surface of the AlN substrate 11 manufactured by the above-mentioned method was polished with an abrasive to have an average surface roughness Ra = 0.4 μm. Then, as in the case of producing a normal ceramic package, Ni is metallized by electroless plating on the exposed surface of the back side of W and Mo that are co-firing metals,
An input / output pin 19 made of Kovar was joined thereon with an AuSn brazing material interposed.

【0040】入出力用ピン19接合後のAlN基板11
を、中性洗剤、純水、イソプロピルアルコールにて表面
洗浄した後に、スパッタリング、蒸着法等の成膜法にて
研磨したAlN基板11の表面に薄膜導体13の全面成
膜を行った。膜厚は約3μmであった。続いて厚膜のポ
ジレジストを用いて所望のパターンにレジストをパター
ニングし、エッチングにより薄膜導体(Al薄膜配線)
13を形成した。エッチングは、りん酸、硝酸、塩酸、
酢酸の混酸を使用し、室温にて行った。なお、薄膜導体
13はAlN基板11の内層配線11aとバイアホール
11bにて接続されている。
AlN substrate 11 after connection of input / output pins 19
The surface of the thin film conductor 13 was washed with a neutral detergent, pure water, and isopropyl alcohol, and then a thin film conductor 13 was formed on the entire surface of the AlN substrate 11 polished by a film forming method such as sputtering or vapor deposition. The film thickness was about 3 μm. Subsequently, the resist is patterned into a desired pattern using a thick film positive resist, and a thin film conductor (Al thin film wiring) is formed by etching.
13 was formed. Etching is phosphoric acid, nitric acid, hydrochloric acid,
It was performed at room temperature using a mixed acid of acetic acid. The thin film conductor 13 is connected to the inner layer wiring 11a of the AlN substrate 11 via the via hole 11b.

【0041】そして、作製したAlN基板11上にLS
I12を、Agポリイミド樹脂を用いてダイボンディン
グした。LSI12と薄膜導体13とはAlのボンディ
ングワイヤを用いたワイヤボンディング法にて電気的に
接続した。LSI12を搭載した後に、AlNからなる
封止用リッド15を低融点ガラスの接合層16で封止し
た。封止はNの不活性雰囲気中で400℃にて行っ
た。ガラスは、予め封止用リッド15に印刷方式等で形
成し、さらに乾燥、融解させた後使用した。
Then, LS is formed on the produced AlN substrate 11.
I12 was die-bonded using Ag polyimide resin. The LSI 12 and the thin film conductor 13 were electrically connected by a wire bonding method using an Al bonding wire. After mounting the LSI 12, the sealing lid 15 made of AlN was sealed with the bonding layer 16 of low melting point glass. The sealing was performed at 400 ° C. in an inert atmosphere of N 2 . The glass was formed on the sealing lid 15 in advance by a printing method or the like, further dried and melted before use.

【0042】以上の工程により、Al薄膜配線が形成さ
れ、ガラス封止されたAlNパッケージを作製した。な
お、パッケージの放熱性を向上するために封止用リッド
15に設けられたねじにAl製の放熱用フィン20をね
じ込み取付けた。
Through the above steps, an Al thin film wiring was formed and a glass-sealed AlN package was manufactured. In addition, in order to improve the heat dissipation of the package, the heat dissipation fin 20 made of Al was screwed and attached to the screw provided on the sealing lid 15.

【0043】本実施例によれば、AlN基板11内にメ
ッキ引出線を設けることなく、薄膜導体13形成時のメ
ッキを省略できた。したがって簡単なプロセスで、低抵
抗かつボンディング性が良好な薄膜導体13が得られ、
しかも引出線の省略により高周波特性のよいセラミック
パッケージを得ることができた。さらに、AlN基板1
1および封止用リッド15の接合部にメタライズ層を形
成する必要がないため、工程が大幅に削減できるととも
に、接合層16を薄膜導体13上にまで拡張して放熱性
および信頼性も高められた。
According to the present embodiment, it is possible to omit the plating when forming the thin film conductor 13 without providing a plating lead wire in the AlN substrate 11. Therefore, the thin film conductor 13 having low resistance and good bonding property can be obtained by a simple process,
Moreover, a ceramic package having good high frequency characteristics could be obtained by omitting the lead wire. Furthermore, the AlN substrate 1
Since it is not necessary to form a metallized layer at the joint portion of the sealing lid 15 and the sealing lid 15, the number of steps can be significantly reduced, and the joint layer 16 can be extended to above the thin film conductor 13 to improve heat dissipation and reliability. It was

【0044】(実施例2)図3に本実施例の構成を示
す。本実施例では同図に示すように、フラットパッケー
ジの形態で作製した。前記実施例1と同様の構成部分に
は図3の対応部分に同一符号を付して、その説明を省略
する。
(Embodiment 2) FIG. 3 shows the configuration of this embodiment. In this embodiment, as shown in the figure, it is manufactured in the form of a flat package. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals in FIG. 3, and the description thereof will be omitted.

【0045】本実施例では、内層配線11aが形成され
たAlN基板11の表面にスパッタリング、蒸着法等の
薄膜法にてAl薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術
により薄膜導体13を形成した。薄膜導体13はバイア
ホール11bを介して内層配線11aに接続されてい
る。入出力用のリード21はAlN基板11表面の外縁
部におけるW、Moの露出部上にニッケル無電解メッキ
を施して後、AuSnろう材により接合した。接合はN
2雰囲気中で400℃にて行った。
In this embodiment, an Al thin film is formed on the surface of the AlN substrate 11 on which the inner layer wiring 11a is formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition, and the thin film conductor 13 is formed by the photolithography technique. The thin film conductor 13 is connected to the inner layer wiring 11a through the via hole 11b. The input / output leads 21 were electroless plated with nickel on the exposed portions of W and Mo at the outer edge of the surface of the AlN substrate 11, and then joined by an AuSn brazing material. Joining is N
It was conducted at 400 ° C. in 2 atmospheres.

【0046】そして、AlN基板11上にLSI12を
搭載し、ワイヤボンディングした後にセラミック製の封
止用リッド15を低融点ガラスからなる接合層16を介
して接合した。
Then, the LSI 12 was mounted on the AlN substrate 11, and after wire bonding, the ceramic sealing lid 15 was bonded via the bonding layer 16 made of low melting point glass.

【0047】本実施例でも、AlN基板11内にメッキ
引出線を設ける必要がなく、高周波特性のよいパッケー
ジを得ることができた。また、低抵抗かつボンディング
性が良好な薄膜導体13が得られ、しかも放熱性および
信頼性が向上されるとともに工程も削減した。
Also in this embodiment, it is not necessary to provide a plating lead wire in the AlN substrate 11, and a package having good high frequency characteristics can be obtained. Further, the thin film conductor 13 having low resistance and good bonding property was obtained, and further, the heat dissipation and reliability were improved and the number of steps was reduced.

【0048】なお、上記の各実施例では、キャビティア
ップタイプおよびフラットタイプのパッケージについて
述べたが、その他のパッケージ構造、例えばチップキャ
リア等でもパッケージ構造および材料が同様であれば本
発明が適用できる。
In each of the above embodiments, the cavity-up type and flat type packages have been described, but the present invention can be applied to other package structures such as a chip carrier as long as the package structure and the material are the same.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、高集積、高速、大消費電力LSI用として好適な高
密度、高速対応、高放熱、簡易形、高信頼性のAlNセ
ラミックパッケージにおいて、薄膜導体形成のためのメ
ッキおよびそのためのメッキ引出線を不要として、高周
波特性のよいパッケージを得ることができる。また、A
lN基板と封止用リッドとの接合部でのメタライズを省
略して、工程を大幅に削減できるとともに、この接合部
を前記薄膜導体上にまで拡張でき、高放熱で信頼性の高
いセラミックパッケージが実現される。
As described above in detail, according to the present invention, a high density, high speed, high heat dissipation, simple heat dissipation, and high reliability AlN ceramic suitable for high integration, high speed, and large power consumption LSIs. In the package, the plating for forming the thin film conductor and the plating lead-out wire for forming the thin film conductor are not required, and the package having good high frequency characteristics can be obtained. Also, A
By omitting the metallization at the joint between the 1N substrate and the sealing lid, the number of steps can be greatly reduced, and the joint can be extended to the thin film conductor, resulting in a highly reliable ceramic package with high heat dissipation. Will be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1の全体構成を示す概略断面
図。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の要部拡大図。FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG.

【図3】本発明の実施例2の全体構成を示す概略断面
図。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a second embodiment of the present invention.

【図4】従来例を示す概略断面図。FIG. 4 is a schematic sectional view showing a conventional example.

【図5】図4の要部拡大図。5 is an enlarged view of a main part of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 AlN基板 12 LSI 13 薄膜導体 15 封止用リッド 16 接合層 11 AlN substrate 12 LSI 13 thin film conductor 15 sealing lid 16 bonding layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 恭章 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 岩瀬 暢男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Kyoaki Yasumoto, Inventor, Komukai Toshiba Town, No. 1, Komukai-shi, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside the Toshiba Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor, Norio Toshiba Town No. 1 Toshiba Corporation Research Institute

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 AlN基板と、このAlN基板の表面に
形成され前記AlN基板上に搭載される半導体素子と電
気的に接続される薄膜導体と、前記AlN基板に接合さ
れ前記半導体素子を気密封止するセラミック製の封止用
リッドとを備えたセラミックパッケージにおいて、前記
薄膜導体をAlを主成分とする金属材料で構成するとと
もに、前記AlN基板と前記封止用リッドとの接合層を
ガラスで構成したことを特徴とするセラミックパッケー
ジ。
1. An AlN substrate, a thin film conductor formed on the surface of the AlN substrate and electrically connected to a semiconductor element mounted on the AlN substrate, and an airtight seal for the semiconductor element joined to the AlN substrate. In a ceramic package including a ceramic sealing lid that stops, the thin film conductor is made of a metal material containing Al as a main component, and a bonding layer between the AlN substrate and the sealing lid is made of glass. Ceramic package characterized by being configured.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0889522A3 (en) * 1997-07-01 1999-12-08 DaimlerChrysler AG Ceramic housing and method of manufacturing it
JP2000058692A (en) * 1998-08-14 2000-02-25 Toyo Commun Equip Co Ltd Package for electronic components
CN109256373A (en) * 2018-09-29 2019-01-22 中国电子科技集团公司第四十三研究所 I/F converting system 3 D stereo encapsulating structure and packaging method

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