JPH08213510A - 熱伝導性を強化した半導体チップ・パッケージ - Google Patents

熱伝導性を強化した半導体チップ・パッケージ

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JPH08213510A
JPH08213510A JP7290802A JP29080295A JPH08213510A JP H08213510 A JPH08213510 A JP H08213510A JP 7290802 A JP7290802 A JP 7290802A JP 29080295 A JP29080295 A JP 29080295A JP H08213510 A JPH08213510 A JP H08213510A
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layer
substrate
package
semiconductor chip
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James W Wilson
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱伝導を強化したパッケージを提供すること
により、半導体チップのパッケージング技術を改善す
る。 【解決の手段】 対向する表面上１３、１５に２層の熱
伝導性かつ導電性の材料（たとえば銅）１７、１９を有
するセラミック基板１０を具備する半導体チップ・パッ
ケージとその製法が提供される。これらの層１７、１９
は、セラミック基板１０中に形成した貫通穴１１を充填
した金属２５により、熱的、電気的に接続されている。
チップ４１を回路２３に結合させるには、ワイヤ・ボン
ディング５１の使用が好ましい。パッケージはさらに、
チップ４１および回路２３を保護するため、パッケージ
のほぼ上部に２種類の量の封止材料６１、６３を塗布す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体チップ・パッ
ケージに関するものであり、詳細には１個または複数の
チップを取り付けたセラミック基板を利用する半導体チ
ップ・パッケージに関するものである。さらに詳細に
は、本発明は外部基板（たとえば印刷回路板）上に取り
付けるように設計された半導体チップ・パッケージに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】たとえばアルミナなどのセラミック基板
の回路を形成した表面上に１個または複数の半導体チッ
プを取り付けた半導体チップ・パッケージは当業界で周
知である。通常、このような半導体チップ・パッケージ
は、従来からセラミック・チップ・キャリアと呼ばれ、
印刷回路カード（または回路板）上に取り付けられる。
表面実装を用いる場合、セラミック・チップ・キャリア
は、回路を形成したセラミック基板表面のチップを実装
する周辺に形成した電気接点パッドに機械的かつ電気的
に接続するリード・フレームを有することがある。
【０００３】上記のような種類のセラミック・チップ・
キャリアは、単層のセラミック基板を有するものでも、
多層のセラミック基板を有するものでよい。前者の場
合、チップ・キャリアは、最初に従来の厚膜金属スクリ
ーニング技術を使用して、単一セラミック層の上面に回
路を形成して製造される。使用する金属は、たとえば銀
（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）の合金で、その融点は１
１４５℃、電気抵抗率は２０×１０-8Ω・ｍである。得
られる回路線は、例として通常厚みが１２．７μｍ
（０．５ｍｉｌ）、幅が７６．２μｍ（３ｍｉｌ）であ
る。回路形成後に得られるセラミック層は、たとえば銀
パラジウム合金が十分耐える８５０〜９５０℃の温度で
空気中で焼成する。次に、１個または複数の半導体チッ
プを従来のワイヤ・ボンディング技術を使用して、回路
を形成した表面上に取り付ける。
【０００４】多層セラミック基板の製造において、各セ
ラミック層は通常、従来の厚膜スクリーニング技術を使
用して回路を形成した後、これらの回路を形成したセラ
ミック層を、たとえば１９００℃の焼成温度で硬化さ
せ、積層する。これらの高温に耐えるように、回路を形
成した各層の回路は通常、融点が２６２５℃以上で、対
応する電気抵抗率が５．２×１０-8Ω・ｍ以上であるモ
リブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などの高融点金
属からなる。前と同様に、１個または複数のチップは、
従来のワイヤ・ボンディング技術を使用して、多層セラ
ミック基板の上に取り付ける。
【０００５】セラミック基板上の回路を外部基板（たと
えば回路板）に接続するために、リード・フレームまた
はエッジ・クリップを使用することができるセラミック
・チップ・キャリアの一例は、米国特許第５２４３１３
３号明細書に記載されている。この明細書に記載されて
いるように、キャップ（たとえば金属）が配置されたチ
ップを被覆し、回路の一部を保護する機能を有する。回
路の他の部分は封止材により保護される。
【０００６】上記のことから理解できるように、上記の
種類の電子パッケージは、効率よく作動するように、パ
ッケージの作動中にチップから発生する熱を効果的に除
去する必要がある。この要件は、現在の当業界の傾向で
ある、チップに供給する電力が大きくなるほど顕著にな
る。チップの熱を除去するための周知の方法のひとつ
に、ヒート・シンクの使用がある。ヒート・シンクは、
チップに（たとえば熱伝導性接着剤により）直接取り付
けることができる。上記の米国特許第５２４３１３３号
明細書では、金属キャップがヒート・シンクとしても機
能する。
【０００７】本発明によれば、効果的に熱を除去すると
ともに、必要があれば動作能力を追加することもでき
る、新規の半導体チップ・パッケージが提供される。
【０００８】このようなパッケージは、当技術分野にお
いて著しい進歩であると考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的は、熱
特性を強化したパッケージを提供することにより、半導
体チップのパッケージ技術を改善することにある。
【００１０】本発明の他の目的は、強化された動作能力
が可能なパッケージを提供することにある。
【００１１】本発明のさらに他の目的は、比較的低価格
で生産でき、特に大量生産に適したパッケージを提供す
ることにある。
【００１２】本発明のさらに他の目的は、容易に実施で
きるパッケージの製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
は、本発明の１実施例により達成される。この実施例で
は、第１および第２の対向する表面と、上記第１および
第２の対向する表面を相互接続する少なくとも１個の貫
通穴とを有するセラミック基板を具備する半導体チップ
・パッケージが提供される。第１の熱伝導層を上記セラ
ミック基板の第１の表面上に、第２の熱伝導層を上記基
板の第２の表面上に設ける。半導体チップを、第１の熱
伝導層の上に熱的に結合される形で設け、回路層を基板
の第１の表面上に、第１の熱伝導層から所定の距離を隔
てて設け、半導体チップを回路に電気的に接続する。半
導体チップにより発生した熱が第１の熱伝導層から第２
の熱伝導層へ移るように、第１および第２の熱伝導層を
熱的に結合するために、少なくとも１個の熱伝導部材を
基板の貫通穴の中に設ける。本発明はさらに、回路層を
外部基板に電気的に結合する手段を具備する。
【００１４】本発明の他の実施例によれば、半導体パッ
ケージの製造方法が提供される。この方法は、第１およ
び第２の対向する表面を有するセラミック基板を形成す
る工程と、第１および第２の対向する表面を相互接続す
るため、基板に少なくとも１個の貫通穴を設ける工程
と、貫通穴の中に熱伝導性部材を設ける工程と、第１お
よび第２の対向する表面上に、それぞれ貫通穴内の熱伝
導性部材により熱的に結合された第１および第２の熱伝
導層を形成する工程と、第１の熱伝導層の上に半導体チ
ップを置く工程と、上記基板の第１の表面上に、第１の
熱伝導層から間隔を置いた位置に回路の層を設ける工程
と、半導体チップを回路層に電気的に接続させる工程
と、回路層を外部基板に電気的に接続する手段を設ける
工程とを含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の１実施例による
セラミック基板１０を示す。基板１０は、少なくとも１
個（好ましくは数個）の貫通穴１１を有する。好ましい
実施例では、合計１２個の貫通穴１１を、たとえばドリ
ルにより、長さがそれぞれ約２８ｍｍの４つの側壁を有
する実質的に四角形の構造のセラミック基板に形成す
る。基板１０がこのような四角形の構造を有する場合、
厚み（図１では寸法"Ｔ"）は約０．６ｍｍである。基板
１０は、それぞれ対向する実質的に平坦な第１および第
２の表面１３および１５を有する。図示するように、基
板１０はセラミック材料のもので、好ましい例はアルミ
ナである。窒化アルミニウムなど、他の材料を使用する
こともできる。
【００１６】図２に、対向する平坦な表面１３および１
５にそれぞれ設けた第１および第２の熱伝導層１７およ
び１９を示す。両熱伝導層は、スパッタリング操作によ
りほぼ同時に形成することが好ましい。周知のように、
この工程は、プラズマから供給されるイオンの強力なイ
オン衝突により、ソースから原子を除去するものであ
る。この種のスパッタリング操作は、周知のものなの
で、詳細な説明は不要と考えられる。スパッタリング操
作の間に、当初の非常に薄いクロム層を対向する平坦な
表面１３および１５の上に付着させ、次にこれより厚い
銅の層を付着させ、その上に最終の非常に薄いクロムの
層を付着させる。好ましい実施例では、これらの金属の
厚みは、それぞれ０．１μｍ、８μｍ、および０．１μ
ｍとした。第３の実施例では、第１の熱伝導層１７の厚
み（"Ｔ１７"）は約８μｍであり、底部熱伝導層１９の
対応する厚み（"Ｔ１９"）も約８μｍである。好ましい
実施例では、第１層１７と第２層１９の厚みの比は約
１：１ないし約１：１０の範囲である。明らかに、層１
７および１９の材料の一部は貫通穴１１の内部に付着す
る。上記の例で、貫通穴１１内の熱伝導材料の厚みは、
約８μｍであった。図２で、金属の熱伝導層１７および
１９は、下層のセラミック基板１０の外周（縁）まで延
びていることがわかる。
【００１７】本発明の１実施例による半導体チップ・パ
ッケージを形成する次の工程では、金属の熱伝導層１７
および１９をフォトリソグラフィにかけて、両方の層に
ほぼ同時にフォトレジスト（図示せず）を塗布し、次に
露光および現像して、層１７および１９の最終製品中に
残る選択された部分を画定する。このようなフォトリソ
グラフィ操作は印刷回路板およびセラミック基板製造技
術では周知のものであり、詳細な説明は不要と思われ
る。フォトレジストの現像（除去）の後、層１７および
１９の所期の部分は保護されたままになり、現像されな
いレジストは除去されてこれらの層の除去すべき部分が
露出する。業界で通常行われているように、クロムと銅
に適したエッチャントとして、塩化第二鉄と過マンガン
酸カリを使用するエッチングを行って、層１７および１
９の所期の部分を除去する。
【００１８】図３で、層１７から少なくとも２つの部分
２１および２３が残り、下部層１９（基板１０の左縁に
最も近い）縁部は除去されている。部分２３は、１実施
例では、最終的に得られるパッケージの一部を形成し、
半導体チップ（下記）からの信号を伝達する数本の間隔
をおいた銅線を含む、回路層を表すことが好ましい。図
３には、１本の線だけが、間隔をおいた部分２３の一部
を形成するものとして示されている。部分２３は、残っ
たこれより大きい部分２１から電気的に分離されてい
る。下部層１９は、全体がほぼ四角形の、連続した層か
らなることが好ましい。１例では、回路２３は、導電部
２１から約０．２５ｍｍの距離（"Ｄ"）離れている。
【００１９】図４で、貫通穴１１を熱伝導材料２５で充
填する。好ましい実施例では、材料２５ははんだであ
り、層１７および１９を形成するスパッタリング操作に
続いて行う。周知のはんだ付け操作のひとつにウェーブ
・ソルダ操作があるが、他のはんだ付け操作も、この伝
導性材料で貫通穴１１を充填するのに使用することがで
きる。たとえば、各はんだエレメント（たとえばボー
ル）を各貫通穴１１に対応させて基板の表面上に置き、
リフローさせて貫通穴を充填する。代替実施例では、貫
通穴１１中に置いた材料２５は、他の金属（たとえば
銅）とし、貫通穴１１中にスタッドなどとして挿入して
もよい。好ましいはんだは、スズと鉛の比が１０：９０
のはんだで、超小型電子部品の業界では周知の材料であ
る。他のはんだ、たとえばスズと鉛の比が、１５：８５
または２０：８０のものも使用できる。本発明の広い態
様では、貫通穴１１中に付着させた金属の厚みを、たと
えば選択的スパッタリングまたは電気メッキにより、い
ずれもマスクを用いて増大させることもできる。このよ
うな実施例では、貫通穴１１の内壁上の金属の好ましい
厚みは約０．０８ｍｍである。下記に説明するように、
貫通穴１１中の伝導性材料は、パッケージング操作中
に、主として層１７から層１９へ熱を伝導させるように
設計する。したがって、材料２５は、これが十分行われ
るような厚みでなければならない。１実施例では、熱伝
導層１７および１９は、たとえば半導体チップが、チッ
プが置かれた層１７に電気的に結合する場合は、半導体
チップが接地されるように（下記）、電気的に接続され
ている。
【００２０】図５に、回路２３の上側の表面とセラミッ
ク基板１０の露出した下側の表面２９とに物理的に結合
する少なくとも１個の金属製クリップ２７を設けた状態
を示す。クリップ２７はばね状の材料で、好ましくは銅
である。代替材料としては、ジルコンまたは鉄を含有す
る銅合金、たとえばＣＤＡ１５１およびＣＤＡ１９４の
名称で知られる材料がある。クリップ２７はほぼＳ字型
で、図示するように係止する上部Ｃ型部分３１と、下側
の表面２９に突出した第２のＣ型部分３３がある。部分
３３は、印刷回路板（下記）上に置かれ、その上の回路
と電気的に接続するように特に設計された下部脚セグメ
ント３５を有する。本発明の好ましい実施例では、合計
２０８本のクリップ２７が用いられ、これらは基板１０
の外周のほぼ全体に延びて、回路２３および印刷回路板
上の各回路線とを接続する。図１ないし図８に示す実施
例がさらに右に延びる場合には、共通の内部２１から間
隔を置いた回路層が同様の厚みおよび幅を示すように、
回路２３は、基板１０の上側の表面に沿って外周全体に
延びる。このような装置では、下部層１９もほぼ同様に
延び、これにより位置２９で、セラミック基板の下面の
一部を露出させる。図６の中央線（"ＬＣ"）より右の部
分は、中央線の左の部分と同一（したがって鏡像）であ
ることが好ましい。したがって、詳細な説明および図示
は不要と考えられる。
【００２１】図６に、接着剤層４０により層１７の表
面、特に連続した部分２１の上に取り付けた半導体チッ
プ４１を示す。このための好ましい材料は熱伝導性接着
剤であり、好ましい例は、カリフォルニア州ランチョウ
・ドミングズ（Rancho Dominguez）のエイブルスティッ
ク・ラボラトリーズ（Ablestick Laboratories）から市
販されているエポキシ樹脂９６５ＩＬである。この材料
は、確実に電気的に接地するように、導電性でもあるこ
とが好ましく、そうであることが望まれる。
【００２２】図７では、チップ４１の接触部（４３）
は、外部回路２３の対応する部品（たとえばパッド）と
電気的に結合している。好ましい結合手段は、周知のワ
イヤ・ボンディング操作を使用して位置４３と回路２３
に取り付けた、導電性ワイヤ５１の使用である。この周
知の操作の間、ワイヤは熱および圧力を利用して接着す
る。ワイヤ・ボンディングは当業者には周知の操作であ
るため、これ以上の説明は不要と考えられる。１例で
は、合計２０８本のワイヤ５１が用いられ、それぞれが
接触位置４３と回路２３の部分（パッド）との各対を接
続する。
【００２３】上記のような寸法上の制約があるため、本
発明は、いくつかの接続が最小のスペースで達成できる
高密度の製品であることを保証する。
【００２４】図８では、第１の量の保護材（たとえば封
止材）６１で、クリップ２７の部分と、このクリップが
接続される回路２３の部分とを実質的に被覆した状態が
示されている。好ましい実施例では、クリップと回路と
クリップ・セグメントは、はんだで接続されている。こ
れは、本発明の１実施例では、間隔をおいて設けたクリ
ップ２７のストリップを、回路２３のあらかじめはんだ
を塗布した各熱伝導性の部分の上に配置することによっ
て行われる。次に構造を、はんだリフローさせるのに十
分な温度に加熱する。次いで保護材６１を加える。材料
６１の後に、好ましくはこれよりはるかに大量の封止材
料６３を塗布して、チップ４１、ワイヤ５１および回路
２３の重要部分を実質的に被覆させる。封止材として好
ましい材料は、カリフォルニア州デクスター・コーポレ
ーション・オブ・インダストリー（Dexter Corporation
of Industry）のデクスター・エレクトロニック・マテ
リアル・ディビィジョン（Dexter Electronic Material
s Division）のハイゾル（Hysol）ＦＰ４４５０である
（ハイゾルはデクスター・コーポレーションの商標）。
１実施例では、約０．５ｇの封止材６３を塗布する。さ
らに図８に示すように、クリップ２７を外部基板７９の
対応するパッド７７の上に置き、上述のように、印刷回
路板を形成することができる。しかし、本発明は本明細
書に記述するように、パッケージを印刷回路板上に置く
ことに限定されるものではなく、他の基板（セラミック
を含む）も容易に使用することができる。
【００２５】チップ４１を電気的に接地することが望ま
しい場合には、部分２１（および下部層１９）がこの機
能を果たすように、チップ４１の接地接点位置を層１７
の部分２１と（たとえばワイヤ・ボンディングにより）
電気的に接続することは、本発明の範囲内である。部分
２１および層１９が、本発明のこの態様では接地面とし
て機能することが理解されよう。層１９を回路２３に対
する能動接地面として利用する他の手段として、下部層
１９を、図９に示すように、セラミック基板１０の実質
的に外縁まで延ばすことができる。次に、クリップ２７
を下側の伝導性層１９と直接噛み合わせて、必要に応じ
て対応するパッドまたは上部に位置する回路２３の部分
を、接地することができる。層１９を延ばすことは、上
記のフォトリソグラフィを使用すれば、比較的簡単に行
うことができる。
【００２６】以上、パッケージの一部を形成する発熱チ
ップからの放熱を強化した半導体チップ・パッケージに
ついて説明を行った。本明細書に開示した放熱手段は、
構造が比較的簡単で、比較的容易に形成することができ
る。上述のことから理解できるように、チップ（４１）
が発生する熱は、チップを接着する熱伝導性接着剤を通
って下の層１７に伝達され、そこから貫通穴１１内の熱
伝導性金属を通って層１９に達し、そこから放熱され
る。上述のように、底部の熱伝導層１９は、導電性の接
地面としても機能し、本発明の能力が増大する。したが
って、本発明は当技術分野における著しい進歩と考えら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の一工程を示す図である。
【図２】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の図１に続く工程を示す図である。
【図３】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の図２に続く工程を示す図である。
【図４】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の図３に続く工程を示す図である。
【図５】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の図４に続く工程を示す図である。
【図６】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の図５に続く工程を示す図である。
【図７】本発明の１実施例による半導体チップ・パッケ
ージ製造の図６に続く工程を示す図である。
【図８】本発明の１実施例による工程により、完成した
半導体チップ・パッケージを下層の基板（たとえば印刷
回路板）に取り付けた状態を示す部分図である。
【図９】本発明の他の実施例によって製造し、下層の基
板に取り付けたチップ・パッケージを示す部分断面側面
図である。
【符号の説明】
１０ セラミック基板 １１ 貫通穴 １７ 上部熱伝導層 １９ 下部熱伝導層 ２１ 熱伝導部 ２３ 外部回路 ２５ 熱伝導部材 ２７ クリップ ４０ 熱伝導性接着剤 ４１ チップ ５１ ワイヤ ６１ 封止材 ６３ 封止材 ７７ パッド ７９ 外部基板

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１および第２の対向する表面と、上記第
    １および第２の対向する表面を相互接続する少なくとも
    １個の貫通穴とを有するセラミック基板と、 上記基板の上記第１の表面上に設けられた第１の熱伝導
    層と、 上記基板の上記第２の表面上に設けられた第２の熱伝導
    層と、 上記第１の熱伝導層の上に熱的に結合される形で設けら
    れた半導体チップと、 上記基板の上記第１の表面上に、上記第１の熱伝導層か
    ら所定の距離を隔てて設けられ、上記半導体チップに電
    気的に接続された回路層と、 上記基板の上記貫通穴の中に設けられ、上記半導体チッ
    プにより発生した熱が、上記第１の熱伝導層から上記第
    ２の熱伝導層へ移るように、上記第１および第２の熱伝
    導層を熱的に結合するための少なくとも１個の熱伝導部
    材と、 上記回路層を外部基板に電気的に結合する手段とを具備
    する、半導体チップ・パッケージ。
  2. 【請求項２】上記第１および第２の熱伝導層が金属から
    なり、上記第１の熱伝導層と上記第２の熱伝導層の厚み
    の比が、約１：１から約１：１０の範囲内であることを
    特徴とする、請求項１のパッケージ。
  3. 【請求項３】上記半導体チップを上記第１の熱伝導層に
    固定する熱伝導性を有する導電性接着剤をさらに有する
    ことを特徴とする、請求項１のパッケージ。
  4. 【請求項４】上記第１および第２の熱伝導層と上記熱伝
    導部材とが導電性であり、上記第２の熱伝導層が上記パ
    ッケージの接地面として機能することを特徴とする、請
    求項３のパッケージ。
  5. 【請求項５】上記第１および第２の熱伝導層と上記熱伝
    導部材とが導電性であり、上記第２の熱伝導層が上記パ
    ッケージの接地面として機能することを特徴とする、請
    求項１のパッケージ。
  6. 【請求項６】上記第２の熱伝導層が、上記基板の上記第
    １の表面上に設けた上記回路層に電気的に接続されてい
    ることを特徴とする、請求項５のパッケージ。
  7. 【請求項７】上記回路層を上記外部基板に電気的に接続
    する手段が、上記第２の熱伝導層を上記回路層に電気的
    に接続することを特徴とする、請求項６のパッケージ。
  8. 【請求項８】上記の電気的に接続する手段が、導電性ク
    リップ部材からなることを特徴とする、請求項６のパッ
    ケージ。
  9. 【請求項９】上記の電気的に接続する手段が、導電性ク
    リップ部材からなることを特徴とする、請求項１のパッ
    ケージ。
  10. 【請求項１０】第１および第２の対向する表面を有する
    セラミック基板を形成する工程と、 上記第１および第２の対向する表面を相互接続するた
    め、上記基板に少なくとも１個の貫通穴を設ける工程
    と、 上記貫通穴の中に熱伝導性部材を設ける工程と、 上記第１および第２の対向する表面上に、それぞれ上記
    貫通穴内の上記熱伝導性部材により熱的に結合された第
    １および第２の熱伝導層を形成する工程と、 上記第１の熱伝導層の上に半導体チップを置く工程と、 上記基板の上記第１の表面上に、上記第１の熱伝導層か
    ら間隔を置いた位置に回路層を設ける工程と、 上記半導体チップを上記回路層に電気的に接続する工程
    と、 上記回路層を外部基板に電気的に接続する手段を設ける
    工程とを含む、半導体チップ・パッケージを製造する方
    法。
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