JPS6239825B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置の製造方法にかかり、特に
高電力消費の半導体装置の製造方法の改良に関す
るものである。

近年の半導体装置は、特に計算機等に使われる
ものは高速の演算スピードを要求されるようにな
り、半導体素子の高集積化、高消費電力化がなさ
れるようになつてきている。これに伴つて、１つ
の半導体素子が発する熱量も多大なものとなり、
これを搭載するケースも、放熱特性の良いものが
要求されるようになつてきた。ケースの放熱特性
を上昇させるためには２つのアプローチの仕方が
ある。１つは熱伝導率の高い材料を選択するこ
と、他の１つは放熱の容易な構造にすることであ
る。熱伝導率の高い材料として先づ金属が挙げら
れるが、金属は一般に熱膨張率も高く、他の材料
との整合性を考慮すると選択の範囲は狭まり、結
局高価なものとなつてしまう。また、ベリリア
（BeO）や炭化硅素（SiC）のように電気絶縁性
で熱伝導率が高く且つ熱膨張率の低い材料もある
が、今のところ高価であつたり、粉末に毒性があ
る等の問題があり、使用の範囲が限定される。一
方、放熱の容易な構造としてはヒート・パイプや
放熱フイン等がある。しかし、ヒート・パイプは
構造が複雑になり、末だ十分な信頼性を有するに
は至つてはいない。現在、最も容易で比較的高い
放熱特性が得られる構造はフイン付のケースであ
る。

これまでの放熱フイン付きのケースは、例えば
第１図のような形態が代表的である。即ち、セラ
ミツク基板１の下面に外部リードピン２が配列さ
れ、反対の面に放熱フイン３が取り付けられたも
のである。一般に放熱フインは、外部リードピン
の植立されている面とは反対側に取り付けられ
る。これは、半導体装置をプリント基板に実装し
た時に、送風によりフインから放熱し易くする為
である。しかし、従来のこの種の構造には放熱と
いう点で極めて不利な欠陥を有する。それは第２
図に断面図で示したように、半導体素子４から発
生した熱は、半導体素子が固着されているセラミ
ツク基板１に伝わり、それがフイン３に伝導され
て放熱されるという経路をとる為、伝導路が長く
なり熱抵抗が大きくなるという点である。従つ
て、放熱性を改善する為には、第３図のように、
半導体素子４を外部リードピン２が囲んだ面に固
着し、その固着面からセラミツク基板を挾んで直
接にフインに熱を逃がす必要がある。しかし、こ
のパツケージ構造を得る為には、半導体素子の封
止法を改善する必要がある。セラミツク・ケース
の従来からある封止法は、セラミツク製キヤツプ
をエポキシ系樹脂で接着したり、シリコーン系あ
るいはエポキシ系樹脂を流し込んだりする簡単な
ものから、セラミツク製キヤツプにガラス粉末を
塗布し融かして接着するフリツトシール、ハンダ
で金属板を固着するハンダシール、Au／Sn合金
で金属板を固着するAu／Snシール、そして最も
一般的に使われているシームウエルド等がある。

樹脂を使つて封止する方法はいずれも耐湿性や
耐熱性に乏しく、高信頼度を要求される半導体装
置の封止法としては不適当である。フリツトシー
ル法は、比較的低融点のガラス粉末を用いて封止
するが、それでも400〜500℃に加熱しなければな
らず、この温度に特性変動をきたさない半導体素
子は限られ、特に最近の論理素子は高集積化とと
もに高温には弱く、一般的なシール法ではない。
ハンダシールは、比較的安価に容易にできるが、
融点が200℃前後と低く、また熱疲労し易いた
め、信頼性に欠ける欠点がある。Au／Snシール
は、300〜350℃の加熱で良好な封止が可能である
が、Auを使用している為、高価になり、また、
半導体素子をセラミツク基板にハンダで固着して
いる半導体装置には適用できない。封止の際に半
導体素子の温度が上がらず、信頼度も高く、低コ
ストでできるのがシームウエルド法である。これ
は第４図に示したように、半導体素子４の外周囲
に金属リング５をセラミツク基板１に密着して設
け、この上に金属キヤツプ６を重ね、一対のロー
ラー電極７，７′を押し当てながら電流を流す
と、リング５とキヤツプ６との接触面で発熱し、
両者を融かして接着するものである。発熱は局部
的であり半導体素子の温度は上昇しないので高温
に弱い素子や半導体素子をセラミツク基板にハン
ダで固着した半導体装置にも適用できる。また、
リングやキヤツプはFe／Ni合金などで作られ、
これの融けたものでシールされる為ハンダや
Au／Snの低融点ロウ材に比べて熱疲労が少な
く、信頼性も高い。

しかし、シームウエルドの欠点は、金属ローラ
ーを回転できる広いスペースが必要である点であ
り、第３図のように、外部リードピンに囲まれた
領域でシームウエルドすることは困難である。

本発明は、上記のように半導体素子の封止を外
部リードピンに囲まれた状態で行なう場合に、改
良した方法で封止することにより、従来の問題を
解消し、高信頼性且つ低熱抵抗のパツケージを実
現するためになされたもので、セラミツク基板上
の半導体素子を囲む位置に金属リングを設け、半
導体素子を覆い且つ金属リングに重なる大きさの
金属キヤツプを重ね、しかる後に両者の重なる部
位にレーザービームを照射して封止することを特
徴とするものである。

レーザービームは指向性が良く隔れた所から照
射しても広がりが殆んどないため、微細加工に適
し、特に機械的な加工では治工具類が屈かない領
域の加工でも離れた所から容易に行なえる特徴を
有する。本発明は、レーザービームのこの特徴
を、半導体装置の低熱抵抗構造を有するパツケー
ジ、即ち、第３図のように、半導体素子を外部リ
ードピンが囲んだ面に固着した構造を有する半導
体装置の製造に利用したものである。

以下に、本発明の実施例を図面を使つて詳細に
説明する。

半導体装置をTAB（Tape Automated
Bonding）法により組み立てる場合に本発明を適
用した一例を第５図に示す。TAB法は第５図ａ
のように、絶縁性フイルム８の中央部に貫通孔９
を開け、この貫通孔上にリード１０を支持枠１１
に支えられて突出させる。一方、半導体素子４の
電極は突起状に形成し、リード４の先端は、この
突起電極の位置に合致するように揃えてある。リ
ードと突起電極とは、両者を位置合わせして重ね
た後、ほぼ半導体素子と大きさの等しい治具によ
り熱と圧力を加えることにより、全リードを同時
に接続することができる。以上のようにして接続
した状態を示したものが第５図ａである。リード
４の末端にはパツド１２が設けられており、ここ
に電極端子を押し当てることにより半導体素子を
動作させ、所定の性能を発揮するか否かチエツク
することができる。チエツクの結果、正常な半導
体素子は、第５図ｂのように、支持枠１１を残し
て絶縁フイルムから切り離され、例えば第５図ｃ
に示したようなPIP（PIug―in―Packageプラグ
インパツケージ）１３に組み込まれる。半導体素
子４は、PlPの中央に開けられた凹部１４の底に
固着（＝マウント）される。半導体素子には第５
図ｂのようにリード１０が接続されているので、
半導体素子をピンセツト等で把んで凹部１４の底
と擦り合わすことができず、通常のAu／Siマウ
ントや、Au／Snマウントはむずかしい。TAB法
によつて組み立てる場合、マウントは半導体素子
の裏面にAu等を蒸着し、PlPの凹部１４の底には
AuやSn等をメタライズしておき、ハンダで行な
うのが最もよい。銀ペースト等でマウントするこ
とも勿論可能であるが、熱抵抗が高くなるので消
費電力の高い半導体素子の場合は不利である。以
上のようにして半導体素子をマウントした後、リ
ード１０の末端を、PIPの外部端子１５に接続す
る。両者は、例えば、リード１０と外部端子１５
をAuやSnでめつきしておき、熱と圧力を加えれ
ば、全リードを同時に接続することができる。外
部端子１５はそれぞれ外部リードピンに導通され
ている。ｃ図では、繁雑を避けるために、手前の
外部リードピンは省略して描いてある。半導体素
子４及びそれに接続されたリード１０を収納した
凹部（＝キヤビテイ）１６の外周には金属リング
５が設けられ、ここに第３図のように金属キヤツ
プ６を重ね、レーザービームを照射して両金属を
溶かして溶接する。金属リングにコバールを、金
属キヤツプに厚さ２〜３μｍのNiめつきした100
μｍ厚のコバール板を用いた場合、溶接に必要な
出力は、準連続Nd：YAGレーザーで100〜
200W、速度は15mm／秒である。このようにして
シールした半導体装置は、外部リードピンの植立
された面とは反対の面にAu等でメタライズして
おけば、塔載する半導体素子の消費電力や耐熱性
によつて、必要に応じて第３図のように放熱フイ
ン３を設けることが可能である。半導体素子の最
高ジヤンクシヨン温度Tj（max）が125℃、使用
外気温度Taが70℃、消費電力Ｐが5Wとすると、
要求される熱抵抗ＲΘは、 ＲΘ＝Ｔｊ−Ｔａ／Ｐ＝１２５−７０／５＝11℃／Ｗ 以下となり、第２図のような従来の構造では到底
実現できず、第３図の形態が必要となり、従つて
シームウエルド法による気密シールはできなくな
る。しかもTAB法では、前記のようにマウント
はハンダを用いるのが一般的であるので、封入は
フリツト・シールやAn／Snシールのように温度
を上げることができない。本発明によれば、上記
の困難を解消し、低熱抵抗且つ高気密性を有する
信頼度の高い半導体装置を作ることができる。

本発明の実施は上記の例に限られない。例え
ば、第６図のようなDIP（DuAl―in―line
Package）にも適用することができる。通常の
DIPは、外部リードピン２の向きとは反対側の面
（背面）に半導体素子が塔載され、主にシームウ
エルド法によつて封入されるが、第６図のよう
に、外部リードピンの向いた面（腹面）に半導体
素子を塔載し、熱放散性を上げる為に背面に放熱
フインや放熱スタツド（図示せず）を設ける場合
はシームウエルドは困難である。本例に於いても
レーザービームによる封止により低熱抵抗パツケ
ージが実現できる。

また第７図のように多層のセラミツク基板１の
腹面に半導体素子を複数個載置し、個々の半導体
素子を箱形のキヤツプ６で封入する場合でも本発
明の適用が可能である。本例の場合、セラミツク
基板の背面には放熱フイン３を取り付け、基板全
体を冷却できるようになつている。外部リードピ
ンは、基板１の側面に取り付けられ、プリント板
等に実装できるようになつている。

以上、詳細に説明したように、本発明によれ
ば、消費電力の高い半導体素子や最大許容ジヤン
クシヨン温度の低い半導体素子等、低熱抵抗セラ
ミツク・ケースに組み立てられる必要のある半導
体素子を、外部リードピンに囲まれた面、即ち、
半導体装置としてプリント基板等に実装する際
に、プリント基板等と向かい合う面に塔載し封入
することができるので、この面とは反対の面には
放熱フインや放熱スタツド等のヒート・シンクを
取り付けることができ、高性能で且つ信頼性の高
い半導体装置を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の半導体装置の斜視
図および断面図、第３図は本発明に関わる半導体
装置の断面図、第４図はシームウエルド法を説明
する断面図、第５図は本発明をPIPに適用した場
合を説明する斜視図、第６図は本発明をDIPに適
用した場合の斜視図、第７図は本発明をハイブリ
ツド基板に適用した場合の斜視図である。 なお図中、１……セラミツク基板、２……外部
リードピン、３……放熱フイン、４……半導体素
子、５……金属リング、６……金属キヤツプ、
７，７′……ローラー電極、８……絶縁性フイル
ム、９……貫通孔、１０……リード、１１……支
持枠、１２……パツド、１３……PIP、１４……
凹部、１５……外部端子、１６……キヤビテイで
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 外部リードピンを配列したセラミツク基板の
   前記外部リードピンが導出された側の面上に半導
   体素子を搭載し、前記半導体素子の外周に前記セ
   ラミツク基板に密着して金属リングを設け、前記
   半導体素子を覆い且つ前記金属リングに重なる大
   きさの金属キヤツプを重ね、前記金属リングと前
   記金属キヤツプと重なる部分にレーザー・ビーム
   を照射することにより両者を接合し、前記半導体
   素子が搭載された面とは反対の面の前記セラミツ
   ク基板上に放熱部材を取り付けることを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。