(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体素子実装基板および半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
【0011】
<半導体装置>
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す外観斜視図であって、半導体装置を斜め上方から見た斜視図である。
図2は、
図1に示す半導体装置から半導体素子を取り除いた状態を示す半導体素子実装基板の斜視図である。
【0012】
半導体装置1は、半導体素子実装基板2と、半導体素子実装基板2上に実装される半導体素子3とを備えている。半導体素子実装基板2は、上面に半導体素子3を実装する実装領域Rを有し、平面視して外縁が一方向に沿った二辺を有するとともに、二辺に沿って設けられた一対の貫通孔Hとを有する基板21と、基板21上であって実装領域Rと重ならない位置に設けられ、一対の貫通孔Hを個別に塞ぐ一対の入出力端子22と、一対の入出力端子22のそれぞれに設けられ、入出力端子22から貫通孔Hを通って下方に延在され、一方向に沿って配列された一対のリード端子群23と、一対のリード端子群23を個別に拘束する一対の保持部材24とを備えている。
【0013】
半導体素子3は、半導体材料を電気回路素子であって、例えばIC、光半導体素子、トランジスタ、ダイオードまたはサイリスタ等の電子部品である。半導体素子3は、リジッド基板、フレキシブル基板またはリジッドフレキシブル基板等のプリント基板からなる電子部品を組み合わせたものであってもよい。本実施形態においては、半導体素子3は台座4上に実装されている。
【0014】
台座4は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミック等の絶縁材料から成る。台座4上には、高周波信号が伝送されるモリブデンまたはマンガン等の金属を含む金属ペーストを焼結して成る配線が形成されている。更に、台座4上には、半導体素子3を搭載する導体層が形成されている。台座4は、例えば、インジウム、鉛、銀または錫等の金属を含む半田またはろう材等の接合部材を介して基板21の実装領域Rに接続される。
【0015】
基板21は、半導体素子3を実装するものである。基板21は、上面に半導体素子3を実装する実装領域Rを有し、平面視して外縁が一方向に沿った二辺を有するとともに、二辺に沿って設けられた一対の貫通孔Hとを有している。基板21は、平面視して外縁が略四角形状であって、四隅が面取りされている。そして、基板21は、平面視して四辺を有しており、隣接する辺同士が直交するように形成されている。
【0016】
基板21は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金から成る。基板21は、熱伝導率を
良好にして、実装領域Rに実装した半導体素子3から発生する熱を効率良く基板21に放散させる機能を備えている。なお、基板21の熱伝導率は、例えば15W/(m・K)以上450W/(m・K)以下に設定されている。
【0017】
また、基板21は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットに対して、従来周知の圧延加工または打ち抜き加工等の金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。なお、基板21の一辺の長さは、例えば10mm以上100mm以下に設定されている。また、基板21の厚みは、例えば0.5mm以上5mm以下に設定されている。
【0018】
また、基板21の表面は、酸化腐食の防止、あるいは実装領域Rに半導体素子3や台座4をろう付けしやすくするために、電気めっき法または無電解めっき法を用いて、ニッケルまたは金等の鍍金層が形成されている。基板21の実装領域Rは、半導体素子3や台座4を実装する領域のことをいう。なお、本実施形態では、基板21の形状を四角形状としているが、素子3を実装することが可能であって、対応する二辺があれば、四角形状に限られず、多角形状等であってもよい。
【0019】
基板21は、一対の貫通孔Hを有しており、対辺に沿って設けられている。貫通孔Hは、リード端子231を通すためのものである。貫通孔Hの一辺の長さは、例えば5mm以上90mm以下に設定されている。また貫通孔Hの深さは、基板21の厚みに相当する。
【0020】
入出力端子22は、基板21上であって貫通孔Hを塞ぐように設けられている。入出力端子22は、直方体状のセラミック部材221と、セラミック部材221の上下面に形成された電極222と、セラミック部材221の上面から下面にかけてセラミック部材221を貫通したビア導体223とを備えている。入出力端子22は、外部の電子機器と半導体素子3とを電気的に接続するものである。
【0021】
セラミック部材221は、直方体形状であって、平面視したときに矩形状に設定されている。セラミック部材221は、絶縁性の基板を複数層積層したものであって、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、セラミック部材221を平面視したときの一辺の長さは、例えば6mm以上95mm以下に設定されている。また、セラミック部材221の上下方向の厚みは、例えば、0.3mm以上3mm以下に設定されている。セラミック部材221の熱膨張率は、例えば、6.4×10
−6以上8.0×10
−6以下に設定されている。
【0022】
一対のセラミック部材221は、一対の貫通孔Hのそれぞれを個別に覆っている。そして、一対のセラミック部材221は、それぞれが基板21の二辺に沿って配置されている。一対のセラミック部材221は、基板21上で両社の一側面が対向するように向き合っている。
【0023】
電極222は、セラミック部材221の上下面に設けられている。セラミック部材221の上面に形成された電極222は、半導体素子3とボンディングワイヤを介して電気的に接続される。また、セラミック部材221の下面に形成された電極222は、リード端子231とろう材を介して電気的に接続される。電極222は、セラミック部材221の上下面に複数配列されており、セラミック部材221内のビア導体223と一対一の関係で設けられている。さらに、複数の電極221は、セラミック部材221の上下面に一方向に沿って対向するように配列されている。また、セラミック部材221の上面に形成された電極222は、平面視して矩形状に形成され、セラミック部材221の下面に形成された電極222は、平面視して円形状に形成されている。これにより、リード端子231を電極222にロウ付けする際のセラミック部材221の上下方向の方向性を容易に認識することができ、半導体装置を製造する際の歩留まりを向上できる。そして、電極222は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、銀または金等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。
【0024】
ビア導体223は、電極222とリード端子231とを電気的に接続するものである。ビア導体223の上端が、セラミック部材221の上面に形成された電極222と接続される。上端そのものが電極222であってもよい。また、ビア導体223の下端が、セラミック部材221の下面に形成された電極222と接続され、リード端子231の上端とろう材を介して電気的に接続されている。ビア導体223は、電極222と同様に、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、銀または金等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料を貫通部に充填した貫通導体からなる。
【0025】
リード端子231は、ろう材を介してセラミック部材221の下面に形成された電極222およびビア導体223と電気的に接続される。リード端子231は、ビア導体223
の個数に対応して複数設けられている。複数のリード端子231同士は、間を空けて設けられている。そして、各リード端子231同士は、電気的に絶縁されている。リード端子231は、入出力端子231の下面から貫通孔Hを通って下方に延在されている。リード端子231は、棒状であって、上端から下端までの長さが例えば5mm以上50mm以下に設定されている。また、リード端子231は、円柱形状であって、直径が例えば0.5mm以上2mm以下に設定されている。なお、リード端子231は、導電材料からなり、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を含有する合金から成る。
【0026】
複数のリード端子231は、一対の入出力端子22の下面のそれぞれに接続されている。そして、一つの入出力端子22に接続された複数のリード端子231は、一方向に沿って配列されている。ここで、一方向に沿って配列された複数のリード端子231のことを一つのリード端子群23という。
【0027】
保持部材24は、リード端子群23を拘束する。つまり、保持部材24は、複数のリード端子231をまとめて拘束するものである。保持部材24は板状であって、例えば、一辺の長さが5mm以上100mm以下であって、厚みが0.3mm以上3mm以下に設定されている。なお、保持部材24は、セラミック材料からなり、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、複数のリード端子231は、保持部材24のリード端子231側の表面に設けられた、メタライズ層Pにろう材を介して接合される。これにより、保持部材24は、リード端子群23を拘束することができる。なお、メタライズ層Pは、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、ニッケル、銅、銀または金等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなり、複数のリード端子231のそれぞれに対応するように設けられ、それぞれのメタライズ層Pは電気的に絶縁される。
【0028】
保持部材24は、平面視して貫通孔Hと重なる箇所に位置している。保持部材24自体は、平面視して、入出力端子22より小さく、さらに貫通孔Hよりも小さくなるように設けられている。保持部材24は、基板21の上面や下面に沿って平面方向に沿って延在せず、貫通孔Hからはみ出さないように配置されていることで、半導体素子実装基板2自体の占有面積を小さく抑えることができ、半導体装置1を外部回路基板に高密度に配置する
ことができる。さらに、リード端子231および保持部材24を貫通孔Hに挿入しやすくなり、入出力端子22を半導体素子実装基板2に載置するためのタクトタイムを短縮できる。また、リード端子231および保持部材24を貫通孔Hに挿入する際に、保持部材24が貫通孔Hに接触することによって生じる、半導体素子実装基板2や保持部材24のキズやカケ、リード端子231が保持部材24から剥がれることを抑制できる。
【0029】
また、保持部材24には、表面に複数の溝が設けられてもよい。複数の溝は、リード端子群23を構成する複数のリード端子231のそれぞれが対応するように設けられている。つまり、リード端子群23を構成する複数のリード端子231のそれぞれが対応する複数の溝に嵌っていてもよい。
【0030】
溝は、ライン状であってもよい。溝は、保持部材24の一端から他端にまで連続して一直線に形成されている。溝は、リード端子231が嵌るように半円柱状に凹んでいてもよい。そして、溝の内面にはメタライズ層Pが形成されている。メタライズ層Pは、溝にそれぞれ形成されている。隣接するメタライズ層P同士は、間を空けて設けられている。メタライズ層Pは、リード端子231をろう材を介して接続することができる。なお、溝は、例えば、半径が0.5mm以上2mm以下であって、リード端子231の太さに対応している。
【0031】
保持部材24は、一対のリード端子群23のそれぞれに設けられている。そして、一対の保持部材24は、一対のリード端子群23同士の間に設けられ、それぞれが対向している。一対の保持部材24は、両者同じ高さ位置に設けられている。一対のリード端子24は、同じ高さ位置に設けられていることで、半導体素子実装基板2を外部回路基板に一対のリード端子群23を差し込んで電気的に接続する際に、一対の保持部材24が外部回路基板に当接する。そして、一対の保持部材24がストッパーとしての役目を果たす。その結果、リード端子231が外部回路基板に対して位置ずれしにくく、かつ半導体素子1が外部回路基板に対して平行に配置される
。また、位置ずれしにくい状態でリード端子231が外部回路基板の所定位置に設けられた挿入部に誘導されて挿入されずに、リード端子231が挿入部ではない部位に当接することにより、リード端子231が折れ曲がったりするのを抑制することができる。
【0032】
一対の保持部材24は、一対のリード端子群23の間の領域に存在する。保持部材24
が、仮に一対のリード端子群23の間でない外側に配置された場合は、半導体装置1を外部回路基板に実装する際に、保持部材24の大きさに応じた実装領域を外部回路基板上に設ける必要が生じ、半導体装置1や他の電子部品を外部回路基板上に近接して高密度に実装し難くなる。さらに、外部回路基板上において他の電子部品等と接触しやすく、部品配置の自由度が低くなるとともに、半導体装置1を外部回路基板に実装する際に保持部材24が他の電子部品等に接触することにより、他の電子部品等が損傷したり、破損したりする
虞がある。つまり、一対の保持部材24を一対のリード端子23の間に設けることで、部品配置の自由度を向上させることができる。さらに、他の電子部品等が損傷することを抑制できるとともに、半導体装置1を外部回路基板に高密度に実装することができる。
【0033】
また、このように保持部材24を設けることで、一方のリード端子群23のリード端子231と、他方のリード端子群23のリード端子231とが接触し、それぞれのリード端子231が電気的に短絡することを抑制できる。即ち、一対の保持部材24が一対のリード端子群23の間の領域に存在することにより、外部回路基板に実装された半導体装置1に外力が加えられても、一対のリード端子群23の間の領域に配置された保持部材24の下端部が外部回路基板に当接することにより、それぞれのリード端子231が一対のリード端子群23の間の方向に変形することを抑制できる。よって、半導体装置1は、外力に
よってリード端子231が変形することによって生じる電気的な短絡を抑制できる。
【0034】
仮に、保持部材24がリード端子群23に設けられていない場合や、一対の保持部材24が一対のリード端子群23の間の領域に存在しない場合には、リード端子群23は外部回路基板に実装する際に、リード端子231と外部回路基板の接続部を起点として変形しやすい。また、リード端子群23は、外部回路基板に実装する際に一対のリード端子群23の間の方向に変形しやすくなり、それぞれのリード端子231が電気的に短絡する虞がある。そこで、本実施形態に係る半導体装置1および半導体素子実装基板2は、リード端子群23に保持部材24を設けることで、外部回路基板に実装する際にリード端子231が折れ曲がって変形したり、電気的に短絡したりするのを抑制することができる。
【0035】
本実施形態に係る半導体装置1および半導体素子実装基板2によれば、入出力端子21の下面と重なる箇所に貫通孔Hを設け、入出力端子21から貫通孔Hを通って下方に向かってリード端子群23を配置し、そのリード端子群23を拘束する保持部材24を設けることで、外部回路基板に対する占有領域を小さくすることが可能な半導体装置1および半導体素子実装基板2を提供することができる。さらに、半導体装置1および半導体素子実装基板2は、リード端子231が電気的に短絡することによる、半導体装置1の動作不良や故障を抑制することができる。
【0036】
なお、本発明は上述の形態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において種々の変更、改良等が可能である。例えば、複数のリード端子231は、長さ方向に対して垂直方向の断面形状が四角形でもよく、保持部材24に対向する複数のリード端子231の側面が面一に設けられてもよい。これにより、リード端子231は、リード端子231に対向する保持部材24の側面に対して平行に接合されやすくなる。
【0037】
<半導体装置の製造方法>
ここで、
図1または
図2に示す半導体装置および半導体素子実装基板の製造方法を説明する。まず、基板21やリード端子231を準備する。貫通孔Hを形成した基板21やリード端子231は、溶融した金属材料を型枠に鋳込ん
で固化させたインゴットに対して、金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。
【0038】
次に、入出力端子22や台座4を準備する。ここでは、セラミック部材221の材料が、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体等の場合の、入出力端子22の作製方法について説明する。なお、台座4については、セラミック部材221と同様の方法で作製することができる。
【0039】
具体的には、セラミック部材221の材料が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して泥漿状にしたものを準備する。そして、入出力端子22は、複数層が積層された構造であるため、複数の層に対応するグリーンシートを準備する。グリーンシートは、泥漿状にしたものをシート形状に加工して準備する。各グリーンシートを所定の形状となるようにレーザー、パンチ、打ち抜き金型またはカッター等の工具を用いて、焼成前に所定形状に加工し、ビア導体223に対応したスルーホールを形成したグリーンシートを得る。
【0040】
次に、焼成前の未硬化のグリーンシートに対して、例えば、スクリーン印刷法等の形成技術を用いて、電極222、配線パターンおよびビア導体223や、基板21が接合される接合部を形成する。その後、加工した複数のグリーンシートを積層した状態で同時焼成する。このようにして、入出力端子22を作製することができる。なお、電極222、配線パターンおよびビア導体223や、基板21が接合される接合部は、例えば、タングス
テン、モリブデンまたはマンガン等の高融点金属材料から成り、焼成後の電極222、配線パターンおよび基板21が接合される接合部の表面にニッケルから成るメッキ層が形成される。
【0041】
また、同様にして、保持部材24を準備する。保持部材24が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、泥漿状にしたものをシート形状に加工して特定の形状に成形する。次に、焼成前の未硬化のグリーンシートに対して、例えば、スクリーン印刷法等の形成技術を用いて、それぞれのリード端子231がろう材を介して接合されるメタライズ層Pを形成して焼結するとともに、メタライズ層Pの表面にニッケルから成るメッキ層が形成されることで得られる。なお、メタライズ層Pが設けられる位置に溝を設けてよく、保持部材24の複数の溝には、焼成前にスクリーン印刷法等の形成技術を用いてメタライズ層Pを形成しておく。
【0042】
次に、基板21の貫通孔Hから露出する入出力端子22の下面に対し、準備した多数のリード端子231をろう材を介して接続すると同時に、準備した保持部材24の各メタライズ層Pにろう材を付着させて、リード端子群23の各リード端子231と各メタライズ層Pとを接続して固定し、リード端子群23を形成することができる。そして、入出力端子22の下面の縁に形成された接合部にろう材を付けて基板21の上面と接続する。そして、基板21の貫通孔Hを塞ぐようにろう材を介して入出力端子22を接続する。このようにして、半導体素子実装基板2を作製することができる。
【0043】
そして、基板21の実装領域Rに対して、例えば、酸化アルミ二ウム質焼結体から成る台座4を接続する。台座4の上面には、予め金属ペーストを焼結して、ニッケル層および金層が順次設けられたメッキ層を形成して成る配線を形成しておく。そして、半導体素子3を、例えば金−錫半田やボンディングワイヤを介して台座4上の配線と接続する。このようにして、半導体装置1を作製することができる。