JPS6142928A - 半導体パワ−・デバイス・パツケ−ジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は半導体のパッケージングに関するもので、詳細
に述べれば、全自動製造と次のより高いレベルのパッケ
ージングに取付ける前の試験とに適した半導体パワー・
デバイスのパッケージに関するものである。

Ｂ、開示の概要 自動化された環境において、テープの自動接着技術によ
り、ポリイミド・テープ、熱膨張整合材、およびビーム
・リードを用いて、低価格で半導体パワー・デバイス・
パッケージが作成される。熱膨張整合材は、半導体パワ
ー・デバイスと、ポリイミド・テープ上の金属を蒸着し
たパターンの間知こ含まｔＩ、、、パワー・デバイスと
、第２レベルのパッケージのヒート・シンクまたは取付
面の間の熱膨張の不整合を吸収する。パッケージの完成
前の、また次のより高いレベルのパッケージングに結合
さ′せる前の製造工程中に、半導体デバイスの完全な試
験を行うことができる。

Ｃ１従来の技術 本発明に近い従来技術の代表的なものは１９７６年４月
２７日に出願され（フランス優先権、１９７５年５月１
３日）、１９７７年８月２日に公示された「集積チップ
のキャリア・サポー１−の製造および基板への集積回路
チップの取付方法」（Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｍａｎｕ
ｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃａｒｒｉｅｒ　５ｕｐｐｏｒｔ
ｓｆｏｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｈｉｐｓ　ａｎｄ
　Ｍｏｕｎｔｉｎｇ　ｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１
ｒｃｕｉｔ　Ｃｈｉｐｓ　ｔｏ　ａ　５ｕｂｓｔｒａｔ
ａ）と題する米国特許第４０３８７４４号明細書、１９
８０年７月７日に出願され（１９７８年７月２６日出願
の米国特許第４２３４６６６号の分割）、１９８１年８
月１８日に公示された「半導体デバイスをキャリア・テ
ープに接着する方法」（Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｂｏｎｄ
ｉｎｇ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ
　ｔ。

Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｔａｐｅｓ）と題する米国特許第４２
８３８３９号明細書、１９８０年７月１０日に出願され
（１９７９年２月２８日出願の米国特許第４２４６５９
５号の分割）、１９８２年１０月２６日に公示された「
電子回路デバイスおよびその製法」（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　Ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　Ｍｅ
ｔｈｏｄ　ｏｆＭａｋｉｎｇ　Ｓａｍｅ）と題する米国
特許第４３５６３７４号明細書がある。さらに、１９７
３年４月１８日に出願され、１９７４年１２月２４日に
公示された「マイクロ電子装置の組立法Ｊ　　（Ｍｅｔ
ｈｏｄ　ｆｏｒＡｓｓｅｍｂｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｅｌ
ａｃｔｒｏｎｉｃ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ）と題する米国
特許、第３８５５６９３号も本発明に関連すると考えら
れたが、上記の技術よりは関連性が少いことが判明した
。

初期の半導体パッケージでは、シリコンまたはゲルマニ
ウムのパワー・デバイスが直接ヘッダにまたは半導体パ
ワー・デバイスをバラ、ケージのケースの外側と分離す
る熱膨張整合材に取付けられた。半導体デバイスを直接
ヘッダに取付ける場合。

半導体デバイスとヘッダの熱膨張率が異なることが知ら
れている。したがって、半導体デバイスとヘッダの熱膨
張率の差を吸収するためのインターフェースとして、熱
膨張整合装置が用いられた。

ただし、費用の点及び製造工程が複雑になるため、熱膨
張整合装置は通常大型、または大出力の半導体パッケー
ジにのみ用いられた。この種の小型パッケージの代表的
なものは、工業規格Ｔｏ−５パッケージ、この種の大型
パッケージの代表的なものは、工業規格ＴＯ−３パッケ
ージであった。

トランジスタ用のＴｏ−５およびＴｏ−３等のパッケー
ジでは、トランジスタのコレクタは通常直接全屈ケース
に、またはコレクタを金属ケースと分離する熱膨張整合
装置に、はんだまたは共融合金で接着された。エミッタ
およびベースのリードは通常パッケージに取付けた導電
性のピンまたはリードにワイヤで接着した。次にこれら
のパッケージを密封すると、封止材が通常エミッタおよ
びベースのリードをサポートする。これらのパッケージ
は比較的高価であるが、パッケージの原価の半導体デバ
イスの原価に占める割合は比較的小さい。

半導体デバイスの製造原価が著しく低下するにつれ、特
に過去２０年間に、半導体デバイス（現在ではほとんど
すべてがシリコン）自体の原価は、Ｔｏ−３パツケ一ジ
半導体の総原価中に占める割合が極めて小さくなってい
る。したがって、低原価のパッケージでは、プラスチッ
クス封入パッケージに移行している。プラスチックス封
入パッケージは、パワー半導体パッケージを含むすべて
の種類の半導体パッケージの価格を低下させたが、比較
的高出力の半導体デバイスのプラスチックス・パッケー
ジでは信頼性が問題であった。プラスチックス封入パッ
ケージは、低出力の半導体デバイスでは、動作中の絶対
温度上昇が高くないため、かなりの信頼性があった。

プラスチックス封入技術を用いてパッケージされたパワ
ー・デバイスの熱的性能を高めるためには通常金属性ヒ
ート・スプレッダが用いられる。

半導体デバイスはヒート・スプレッダに取付けられ、プ
ラスチックスにより、ヒー；−・スプレッダの、ヒート
・シンクに取付けるため露出させる部分を残して、半導
体デバイスを取付けた部分は封入される。金属半導体パ
ッケージ（この例ではトランジスタを用いた）における
ように、この部分全体が樹脂で封入される前に、半導体
デバイスとエミッタおよびベースのリードとの間に通常
ワイヤ・ボンディングを用いる。このようにして、ワイ
ヤ・ボンディングしたリードが、封入時にプラスチック
入内に設けられる。しかし、プラスチックス封人材、ヒ
ート・スプレッダおよびシリコンは、通常デバイスが用
いられる温度サイクルでは膨張・収縮率が異なる。これ
により、ワイヤ・ボンディングされたリードに応力が生
じ、これらのリードや接着部の端部が破損することが多
い。

したがって、これらのプラスチックス封入デバイスによ
り、完全にパッケージされたパワー半導体の価格は大幅
に下ったが、信頼性の問題が存在する。さらに上記のプ
ラスチックスによる封入技術は最も費用効果の高い量産
技術とはいえない。

それは、プラスチックスによる封入が完了するまで、ヒ
ート・スプレッダに取付後の半導体デバイスの試験を行
うことができないためである。デバイスの故障は、ヒー
ト・スプレッダに取付中に起る温度上昇により発生する
ことが多い、さらに。

完成したパッケージは印刷回路板、即ち次のよす高いレ
ベルのパッケージングに自動的に取付けることができな
い。

テープ・オートマチック・ボンディング（ＴＡｎ）技術
は、大量にパッケージングを行うこの生産工程を自動化
することができるため、広く用いられている。この技術
の３例が上記の米国特許第４０３８７４４号、第４２８
３８３９号および第４、３５６３７４号明細書に示され
ている。米国特許第４０３８７４４号明細書には、前も
って配線パターンを描いたポリイミド・フィルム上に、
金属を蒸着し、所要の配線パターン中に残留領域を残す
ために、選択した部分をエツジングすることにより、半
導体チップを取付ける技術を開示している。米国特許第
４２８３８３９号明細書は、テープは導体自体で、ポリ
イミド等の基材を用ムないＴＡＢ取付法を開示している
。米国特許第４３５６３７４号明細書は、ビーム・リー
ドを半導体デバイスと基板の間に取付け、ビーム・リー
ド自体はポリイミド・テープ上に形成させるＴＡＢ技術
を述べている。これらの技術は量産には向いているが、
従来技術では、ヒート・シンクの技術が高度に自動化さ
れたＴＡＢパッケージング技術と両立しないため、パワ
ー・デバイスのパッケージングには向いていなかった。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 このように、廉価に高出力半導体デバイス・パッケージ
を提供するには、高度に自動化され、大量生産が可能で
、かつ極めて信頼性の高いパッケージングされた半導体
パワー・デバイスを得るべく製造工程中に試験をするこ
とができるようなパッケージング技術が、必要であるが
、そのようなパッケージング技術は、今まで存在しなか
った。

Ｅ０問題点を解決するための手段 本発明の目的は、半導体パワー・デバイスのためにテー
プ・オートマチック・ボンディング（ＴＡＢ）技術が適
用できる小型パッケージを提供することである。

ポリイミド等のフィルムの帯状材すなわちテープを、複
数のパッケージの基材として用いる。このポリイミド・
フィルム上に、金属蒸着パターンを繰返し形成し、それ
ぞれの特定領域に、熱膨張整合材を繰返し取付ける０次
に、各熱膨張整合材に少く゛とも１つの半導体パワー・
デバイスを取付ける。実施例では、ビーム・リードによ
り半導体デバイスの部分を、パターン上の金属蒸着の部
分に接続する。ビーム・リードは第２のＴＡＢ技術によ
り取付けることもできる。

テープに取付け、接続した複数の半導体デバイスは自動
的に試験所に送られ、試験に不合格のデバイスは、以後
の工程から除外される。試験に合格したデバイスまたは
テープに複数のデバイスを取付けたアセンブリは、半導
体デバイスおよび熱膨張整合材のみを完全に封入する低
膨張のプラスチック材料を少量用いて不動態化する。こ
の複数のパッケージを含むテープは再試験され、各パッ
ケージはテープから切り離される。完全に試験を行った
パワー・デバイスを含む小型半導体パッケージは、次の
より高いレベルのパッケージング用基板に取付けること
ができる。

Ｆ、実施例 第１図は本発明による小型半導体パワー・デバイス・パ
ッケージの斜視図である。第１図に示すパッケージの構
造と、自動化された製造工程を説明するために、下部構
造および製造工程を示す第２図および第３図を参照する
と便利である。

第２図に、長い絶縁基材フィルム１を示す、このフィル
ムは、たとえばポリイミド・テープとすることができる
。既知のテープ・オートマチック・ボンディング（Ｔ　
Ａ　Ｂ　）技術により、フィルム１には、ＴＡＢ製造装
置による自動供給に適した複数のスプロケット２を設け
る。さらに、フィルム１には複数の開口部３，４および
５を設ける。第２図には開口部３，４および５の１組だ
けが示されているが、これらの開口部は第２図に示した
例と同じパターンで、繰返し設けるものとする。

次に、第３図は、開口部３，４および５の上にそれぞれ
金属蒸着パターン６．７および８を設けたフィルム１の
一部を示したものである。金属蒸着パターンはたとえば
銅で形成することができ、メッキおよびエツチング等の
既知の技術により、ポリイミド・フィルム１の上に形成
する。金属蒸着パターン６．７および８は、（テープの
半導体デバイス側に）熱膨張材およびビーム・リードを
はんだ付けまたは共融接着しくテープの反対側）を次の
より高いパッケージング・レベルにはんだ付け（または
他の接着技術）するのに都合の良いように、接着部分の
露出面の少くとも一部に金のフラッシングを行うと有利
である。

第１図は、金属蒸着パターン６．７および８を設けたフ
ィルム１の一部を示す、金属蒸着パターン８は、熱膨張
整合材に取付けられている。熱膨張整合材は、たとえば
銅・モリブデン・銅、または銅・インバー（Ｉｎｖａｒ
）　　・銅のクラッドを用いる。＋　Ｉｎｖａｒ　（Ｔ
ａｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍ＋ｅｎｔｓ　Ｉｎｃ、の登録
商機）はニッケル約３６％を含有する合金銅である。

熱膨張整合材は金属蒸着パターン８にはんだ付けされ、
その裏面にもはんだ付けすることができる。半導体パワ
ー・デバイスは、通常シリコン・デバイスであるが、熱
膨張整合材９にはんだ付けされ、熱膨張整合材９の反対
側の面は金属蒸着パターン８にはんだ付けされる。

したがって、熱膨張整合材９は、第４図に示すように、
片側のシリコン半導体パワー・デバイス１０の熱膨張と
、これとはかなり膨張率の異なる反対側のアルミニウム
等のヒート・シンク材の熱膨張を整合する。クラッドの
熱膨張整合材の寸法は、シリコン半導体パワー・デバイ
スと、次のより亮いレベルのパッケージングのヒート・
シンク（アルミニウム等）の膨張率により決定されるこ
とはいうまでもない。熱膨張整合材は、シリコン・パワ
ー・デバイスからの熱を、ヒート・シンクに伝導するよ
うに、熱の良導体であり、半導体パワー・デバイスの大
電流を通すように、電気の良導体Ｃな←ノればならなり
１゜ 第１図で、１１および１２は１対のビーム・リードを示
す。これは半導体パワー・デバイス１゜の領域を、それ
ぞれ金属蒸着パターン６および７に電気的に接続する。

たとえばトランジスタ植成におけるビーム・リードはベ
ースおよびエミッタのリードとすることができる。大電
流のパワー・デバイスでは、エミッタとベースのリード
は１寸法が異なり、トランジスタのベースのビーム・リ
ードよりエミッタのベース・リードの方をかなり大きく
することができる。

いうまでもなく、上記の小型パワー半導体デバイス・パ
ッケージの製造は完全に自動化されている。第２図およ
び第３図に示す金属蒸着パターンの繰返しを有する長い
フィルムを製造する場合、熱膨張整合材９と半導体パワ
ー・デバイス１０の接続はＴＡＢ技術により行う、さら
にビーム・リード１１および１２の蒸着は、他のテープ
基材上に形成することができ、これらのビーム・リード
は、ＴＡＢ技術によりこのパッケージに取付けることも
できる。

熱膨張整合材９．半導体パワー・デバイス１０およびビ
ーム・リード１１．１２を、金属蒸着した部分８．６お
よび７にそれぞれ取付けた後１部分的に完成したパッケ
ージを含むフィルムは、自動検査所へ移され、試験機の
適切な試験用プローブ（図示されていない）を、金属蒸
着したパターン６．７および８の一部（たとえば下側）
に電気的に接触させて、部分的にパッケージングした半
導体デバイス１０の特性を試験する。ＴＡＢ技術で良く
知られた適当な手段により、この試験で不合格になった
未完成パッケージに「フラグ」が付けられ、以後の製造
工程から除外する。試験に合格した未完成パッケージは
、少くとも半導体パワー・デバイスを封入するために、
比較的少量の膨張率の低いプラスチック材料を付着させ
るステーション（図示されていない）に移される。構成
によっては、このプラスチック材料で半導体パワー・デ
バイスだけを封入し、熱膨張整合材全体は封入しない０
重合封人材等のプラスチック材は第１図では１３で示し
、第１図に関しては、透明材料として示すが、この不動
態化材１３は透明でない場合が多い０重合不動態化材は
、シリカをフィラーとした高純度エポキシ樹脂とするこ
とができる。

不動態化材を付着させた後、はぼ完成したパッケージを
取付けたフィルム１は再び試験所（図示されていない）
に移され、はぼ完成した小型半導体パワー・デバイス・
パッケージの最終試験を行う、この試験に合格したパッ
ケージは長いテープ１から取り外され、第２図および第
３図に示すスプロケット２のない、第１図に示すパッケ
ージとなる。したがって、第１図に示す小型パワー半導
体パッケージは完全に試験され、次のより高いレベルの
パッケージングに取付けることができる。

第４図は次のより高いレベルのパッケージングに取付け
た本発明の小型パワー半導体デバイス・パッケージング
の拡大側面図である。理解を容易にするため、第１図に
用いた番号を第４図にも使用している。さらに、不動態
化材１３はこの図からは除外しているが、これは実際の
製品には使用される０本図は拡大図であるため、はんだ
または他の接着材の層も示しである。したがって、はん
だ層１６により、熱膨張整合材９と、金属蒸着部８が接
着され、はんだ層１７により、半導体パワー・デバイス
１０と、熱膨張整合材９が接着される。同様に、はんだ
Ｍ２Ｓはビーム・リード１２の一端を半導体デバイス１
０に接着するのに用いられ、はんだ層１８はビーム・リ
ード１２を金属蒸着部７に接着するのに用いられる。

本発明の小型パワー半一導体デバイス・パッケージを取
付ける５次のより高いレベルのパッケージングを２０乃
至２４で示す、金属蒸着した回路配線パターン２０およ
び２４は、メッキまたは他の付着技術により、比較的薄
い絶縁層２１に取付ける。配線パターン２０および２４
は、たｉえば銅とし、フィルム２１は、たとえばポリイ
ミドとすることができる。適当な接着剤の層２２は、フ
ィルム２１をアルミニウム等の適当なヒー１−・シンク
材２３に取付けるのに用いる。このように１本発明の小
型半導体パワー・デバイス・パッケージは、はんだＭ２
Ｏおよび３１により、配線パターン２０および２４等に
取付けられる。したがってアルミニウムのヒート・シン
ク材２３と、シリコン半導体パワー・デバイス１０の接
着媒体の故障を防止するため、アルミニウムのヒート・
シンク２３と、シリコン半導体パワー・デバイス１０の
膨張率の差を、熱膨張整合材９が吸収することが明らか
に理解できる。

本発明を説明するため、単一のパワー・トランジスタ・
パッケージが用いられたが、第１図のパッケージは、パ
ワー供給のための一対のパワー・ダイオードを取付けた
構成とすることもできることはいうまでもない、この構
成は、たとえば各ダイオードのカソードを熱膨張整合材
９にはんだ付けし、ダイオードのアノードをビーム・リ
ード１１および１２を用いて金属蒸着部分６および７に
個別に接続したものである。もちろん、他の部品または
半導体デバイスの組合せも、このパッケージング技術に
より可能である。

Ｇ１発明の効果 本発明により、廉価な高信頼性の高出力半導体デバイス
・パッケージが得られる。これは１本発明による高出力
半導体デバイス・パッケージが、高度に自動化して大量
生産することができるものになったからであり、また、
製造工程中に試験をすることができるものになったがら
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体パワー・デバイス・パッケージ
の斜視図である。第２図は、金属蒸着前の、本発明によ
るパッケージの基材フィルムの平面図である。第３図は
、金属蒸着後の、本発明によるパッケージの基材フィル
ムの平面図である。 第４図は、代表的な次のより高いレベルのパッケージン
グに設けた本発明によるパワー半導体パッケージの拡大
側面図である。 １・・・・絶縁基材フィルム、６．７，８・・・・金属
蒸着パターン、９・・・・熱膨張整合材、１０・・・・
半導体パワー・デバイス、１１．１２・・・・ビーム・
リード。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　岡　　１）　次　　生（外１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面上に少くとも２つの分離され、金属を蒸着し
   た部分を有する帯状誘電材と、 上記の金属を蒸着した部分の一方に取付けた熱膨張整合
   材と、 上記の熱膨張整合材に取付けた半導体パワー・デバイス
   と、 上記の半導体パワー・デバイスの電気接続部分を、上記
   の金属を蒸着した部分の他方に電気的に接続するビーム
   ・リードと、 を含む半導体パワー・デバイス・パッケージ。
2. （２）上記の金属を蒸着した各部分の下に、上記の帯状
   誘電材を貫通する開口を有する請求範囲第（１）項記載
   の半導体パワー・デバイス・パッケージ。