JP2006505951A - 銅／ダイヤモンドの複合材料を有する半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

ＬＤＭＯＳタイプのパワートランジスタ用半導体パッケージは金属性基板を有し、当該基板上には、直接マウントされるチップと、チップに隣接してマウントされるリードフレーム絶縁体と、前記絶縁体上に設けられ結合ワイヤーで前記チップに電気的に接続される複数のリード線とを有する。前記基板は、純銅層からなる互いに対向した面を有する本体部を含み、前記本体部内部は少なくとも部分的に銅／ダイヤモンドの複合材料からなり、チップとの電気的接続だけでなく熱拡散部として機能し、改善された熱除去と低熱膨張を与えるようになる。前記本体部全体が銅／ダイヤモンドの複合材料からなっても良いし、または内部に銅／ダイヤモンドの複合材料からなる部分を有する銅／タングステンの複合材料からなっても良い。前記銅／ダイヤモンドの複合材料は、銅基質中のダイヤモンド粒子からなる。前記銅／ダイヤモンドの複合材料の製造方法では、ダイヤモンド粒子が分子または無機化合物の多層膜で被覆されて乾式加工成形剤とともに混合され、圧縮本体部を形成するように圧力下でチップに圧縮成形される。前記本体部は銅の上に配置され、前記成形剤を蒸発または分解させたりするように真空環境下または水素雰囲気下で加熱され、前記被覆されたダイヤモンド粒子を結合または部分焼結させるように真空環境下または水素雰囲気下で加熱され、その後、銅が融解するように水素雰囲気下で銅の融点を少し上回る温度に加熱され、銅は前記結合または部分焼結したダイヤモンド粒子中に引き込まれる。続いて、前記圧縮本体部は冷却され所望の形状に切断される。

Description

本発明は半導体パッケージに関し、特にチップの電気的接続はもとより熱拡散部としても機能する金属性、導電性基板上にトランジスタまたは他のチップが絶縁リードフレームとともにマウントされるパッケージに関する。

トランジスタまたは他のチップが、絶縁リードフレームとともに金属性基板上に直接マウントされるという半導体パッケージが技術的に知られている。チップと絶縁リードフレームをマウントすることに加えて、チップに更なる電気的接続を与える基板は、所望の熱除去機能を付与するために熱拡散部として機能する。チップはＬＤＭＯＳ（lateral diffusion metal oxide semiconductor）タイプ及びＬＤＭＯＳパワー・トランジスタをパッケージしたタイプのものであり得る。常により一層の熱除去が求められるため、種々の異なる物質、金属、複合材料が基板を製造するために使用されている。基板物質は、チップ及びリードフレームの絶縁体との熱膨張率と適合するような低い熱膨張率を有するように選択されなければならない。銅／タングステンの複合材料が、かかる基板を製造する為によく使用されている。

銅／タングステンの複合材料のような物質は、半導体パッケージからの熱除去に適していることが分かっているが、特に前述の構造の動作中における熱除去能力に関して、前述のまたは他の従来のデザインには、まだ改善の余地が残っている。

本発明は、改善された半導体パッケージ構造、及びかかる構造の製造方法を提供する。更に、本発明はチップと絶縁リードフレームをマウントするための改善された基板構造を提供する。上述の基板構造は、従来構造を超える改善された熱除去を付与し、低い熱膨張率をも有することが望ましい。

本発明に係る半導体パッケージは、金属性基板と当該基板上に直接マウントされるチップとを含み、前述の基板は一対の銅層が形成される互いに対向する面を有する本体部を含み、チップは一対の銅層のうちの一方の層上にマウントされ、また上述の本体部は少なくとも部分的に銅／ダイヤモンドの複合材料からなっている。ダイヤモンドは極めて高い熱伝導率と低い熱膨張を有しており、銅とともに基質を形成すると改善された基板を提供することができる。

本発明に係る第１の実施例では、本体部全体が銅／ダイヤモンドの複合材料からなっている。第２の実施例では、本体部は、内部に銅／ダイヤモンドの複合材料からなる部分を有する銅／タングステンの複合材料からなっている。いづれにしても、半導体パッケージはチップに隣接した一対の銅層のうちの一方の層と接合する絶縁リードフレームを含む。上述のリードフレームは、結合ワイヤーでチップと結合させる複数のリード線を含む。前述の本体部は、一様な平面構造であり且つ互いに向かい合う面間で一様に均一の厚みを有していることが望ましい。一対の銅層は相対的に薄く、一様な平面構造からなる。

銅／ダイヤモンドの複合材料は、銅基質中のダイヤモンド粒子からなっている。ダイヤモンド粒子は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔａ、Ｚｒのうちの一または二以上の材料で被覆され得る。より好ましい実施例では、ダイヤモンド粒子はＣｒ層、Ｗ層、Ｃｏ層及びＣｕ層で被覆される。

本発明によれば、半導体基板での使用のための銅／ダイヤモンドの複合材料のより好ましい製造方法において、ダイヤモンド粒子は分子または無機化合物の多層膜で被覆される。被覆された粒子は、乾式加工成形剤（dry-processing binder）とともに混合され、圧縮本体部を形成するように加圧下においてチップに圧縮成形される。上述の圧縮本体部は、銅の一部の上部または下部に配置され、成形剤を蒸発させたり分解させたりするように真空環境下または水素雰囲気下で加熱される。その後、圧縮本体部は被覆されたダイヤモンド粒子が結合または部分焼結するように、真空環境下または水素雰囲気下で加熱される。圧縮本体部は、その後、銅が融解するように銅の融点を少し超える温度まで水素雰囲気下で加熱され、結合または部分焼結したダイヤモンド粒子中に銅を引き込ませる。続いて圧縮本体部は冷却され、所望のサイズに切断される。切断に続いて、銅層が例えばろう付けで圧縮本体部の互いに向かい合う面に接着される。

前述の第２の実施例に係る基板を製造するために、銅／タングステンの複合材料が提供される。前述の圧縮本体部と銅／タングステンの複合材料とは、圧縮本体部が銅／タングステンの複合材料と一体化するように、銅の融点以上に加熱される。結果として、銅／ダイヤモンドの複合材料からなる部分を有する銅／タングステンの複合材料からなる基板が得られる。

圧縮本体部を冷却するステップは、ただ本体部を室温に冷却することからなる。または、上述のステップは圧縮本体部を部分冷却するステップと、圧縮本体部周囲を低圧雰囲気にするステップと、銅から溶解水素を除去するために十分な時間、圧縮本体部を銅の融点以上に再加熱するステップと、を含んでも良い。

図１は、本発明に係る半導体パッケージ１０の第１の実施例を示している。パッケージ１０は、チップ１４がマウントされる相対的に均一な厚さを有する一様な平面基板１２を含む。チップ１４はトランジスタまたは他の半導体デバイスを含み得る。また、基板１２上にチップ１４と近接してマウントされるものが、結合ワイヤー１９でチップ１４に電気的に接続させる複数のリード線からなるリードフレーム１８の絶縁体１６である。

図１に示された半導体パッケージ１０は、金属性、熱伝導性及び導電性のフランジの上面に、チップが直接マウントされるタイプのものである。フランジは基板１２で形成される。以下で説明される本発明の原理は、半導体パッケージの他のタイプにも同様に適用される、という事が当業者に理解されるであろう。

図１で示されるタイプの半導体パッケージ１０では、基板１２はチップ１４の電気的接続を形成する。更に重要なことには、基板１２は半導体パッケージ１０からの熱除去として機能する熱拡散部を形成する。基板１２は、互いに対向する広い面２６，２８の各々の上に設けられる一対の純銅層２２、２４を有する本体部２０を含む。

本発明によれば、本体部２０は銅基質中にダイヤモンド粒子を有する銅／ダイヤモンドの複合材料を含む。ダイヤモンドは極めて高い熱伝導性を有しており、この特性は銅／ダイヤモンドの複合材料からなる本体部２０の形成に活用される。かかる複合材料は、ダイヤモンドの割合（銅のダイヤモンドに対する体積比）により、熱伝導性、熱膨張、導電性の独特な組み合わせを与える。更に、ダイヤモンド粒子の相対的な原価高は、図３に関連して以下に説明されている本発明に係る複合材料のより好ましい製造方法で抑制される。

図３の方法に関連して以下に説明されるように、銅層２２と２４は例えばろう付けなどで本体部２０の前述の広い面２６と２８に接着され、本体部２０が完成する。銅層２２と２４は、基板１２をより平坦にラッピングし易くさせる。その理由は、純銅層２２と２４は本体部２０のダイヤモンド含有複合材料よりもラッピングし易いからである。更に、チップ取り付け前にパッケージに付与されるめっき被覆での欠陥に起因する本体部２０の複合材料中の露出した微細孔及びダイヤモンドとを、純銅層２２と２４は覆い隠す。

図２は本発明に係る他の実施例を示している。図２では、図１の基板１２は基板３０と置き換えられている。図１の基板１２のように、基板３０は互いに対向する広い面３８、４０上に接着された銅層３４、３６を有する本体部３２を有している。しかし、図１の本体部２０全体が銅／ダイヤモンドの複合材料からなっているのに対して、図２の本体部３２は部分的にのみ銅／ダイヤモンドの複合材料からなっている。更に具体的には、基板３０の本体部３２は銅／タングステンの複合材料からなり、内部に銅／ダイヤモンドの複合材料からなる部分４２を有する。本体部３２は、図１の本体部２０と同様に良好な熱除去を備えた図２の実施例を与える。同時に、銅／タングステンの複合材料は安上がりであり、機械加工し易い。機械加工の容易さは、ボルト孔がフランジに付与されなければならない場合に特に重要である。コスト削減は、より高い熱伝導性が最も効果的に利用されるチップ１４の大体真下の領域にのみ、銅／ダイヤモンドの複合材料を使用することで実現できる。銅／タングステンの複合材料中からなる部分４２として銅／ダイヤモンドの複合材料を形成することで、一体化された本体部の熱膨張は主に、銅／タングステンの複合材料の熱膨張率で制御される。

前述のように、本発明に基づく銅／ダイヤモンドの複合材料で基板の少なくとも一部を形成することにより、改善された熱除去ができるフランジを有する半導体パッケージを提供することができる。この事は、先行技術の構造での基板として通常使用される銅／タングステンの複合材料、他の複合材料及び物質と比較した時に言えることである。ダイヤモンドは、極めて高い熱伝導率を有する。ダイヤモンドは極めて低い熱膨張をも有し、チップとリードフレームの絶縁体との熱膨張率と適合する低熱膨張率を有する銅／ダイヤモンドの複合材料を与える。基板の熱膨張率が高過ぎると、チップまたはリードフレームの絶縁体は、基板にろう付けされる際に亀裂が入ってしまう。

しかし、ダイヤモンドは高価であり、且つその複合材料を形成するプロセスが難しい。

図３に示されているように、本発明に係る銅／ダイヤモンドの複合材料のより好ましい製造方法では、複合材料物質の製造においてダイヤモンドに関する上述の問題点を克服するように設計されなければならない。ダイヤモンド自体の原価高に加え、ダイヤモンド含有複合材料はプロセスが高価になることが多い。また、ダイヤモンドは加熱されるとグラファイトに変質する傾向にあり、銅に接着し難くなる。ダイヤモンド含有物質は、実用的な形に形成することが難しい。またダイヤモンドは、複合材料の熱膨張率減少のために要求される接点での効率的な熱移動と強固な機械的強度とを可能にする態様で、銅と結合させることが難しい。

図３に示されたより好ましい方法では、半導体パッケージの基板での使用のための銅／ダイヤモンドの複合材料の形成において伴う種々の不利な点を克服することができる。

図３の方法の第１ステップ５０で、ダイヤモンド粒子は異なる分子または無機化合物の多層膜で被覆される。平均粒子サイズが２０μｍから１２０μｍの間である人工または天然のダイヤモンドパウダーを、異なる分子または無機化合物の多層膜で被覆することが望ましい。使用される被覆方法は、流動層化学気相堆積法である。自触媒の（無電極の）水性化学めっき法の使用を選択しても良い。被覆物の副層は一つの方法でも、副層各々が他の方法で蒸着されても良い。被覆物の個々の層は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔａ、Ｚｒを含む群から選択される分子または化合物からなり得る。本発明に係るダイヤモンド被覆のより好ましい実施例では、ダイヤモンド粒子が最初にＣｒ層で被覆され、続いて順にＷ層、Ｃｏ層、Ｃｕ層で被覆される４層システムを含む。各層の厚みは３０ｎｍから２μｍの間である。

図３に示される第２のステップ５２では、被覆されたダイヤモンド粒子は乾式加圧成形剤（dry-pressing binder）とともに混合される。当該粒子は銅パウダーとともに混合しても良い。

図３に示される第３のステップ５４では、前述の粒子は高圧下でチップに圧縮成形される。かかる圧力は、１５，０００から５０，０００ポンド／平方インチの間であることが望ましい。

図３に示される第４のステップ５６では、圧縮の結果得られた本体部が純銅の一部の上面に配され、加熱炉中に入れられる。

図３に示される第５のステップ５８では、乾式加圧成形剤（dry-pressing binder）を蒸発させたり、または熱分解させたりするように、本体部は真空環境下または湿水素雰囲気下で加熱される。全ての銅酸化物を還元させたり、銅またはダイヤモンド被覆上の炭化残渣をＣＯまたはＣＯ₂に転化させたりする為に、本体部は湿水素雰囲気下で少なくとも１０分間少なくとも７００℃にさらされるように加熱され続ける。

図３に示される第６のステップ６０では、被覆されたダイヤモンドを結合または部分焼結させるように、圧縮本体部は真空環境下または水素雰囲気下で加熱される。このステップでは、圧縮本体部は真空環境下または水素雰囲気下で少なくとも１０分間、９５０℃に加熱されることが望ましい。上述の工程は、被覆されたダイヤモンドの結合または部分焼結をもたらし、結果として接点で相互接着するようになる。

図３に示される第７のステップ６２では、部分的に焼結されたダイヤモンド構造中に融解した銅が引き込まれように、本体部は銅の融点を少し上回る温度にまで湿水素雰囲気下、または乾水素雰囲気下で加熱される。上述の工程は、１２００℃の温度でなされることが好ましい。本体部は少なくとも２分間、この温度で保持される。銅が融解すると、銅は毛管力により部分焼結されたダイヤモンド成形体中に引き込まれる。被覆システムが効果的であると、銅は完全に前述の成形体に浸透し、微細孔フリーの複合材料本体部ができる。

図３に示される第８のステップ６４では、本体部は室温に冷却され加熱炉から取り除かれる。ステップ６４に続く選択的ステップでは、本体部は約９００℃に冷却され、その後、加熱炉雰囲気は少なくとも１×１０^-4ｔｏｒｒの真空レベルまで排気される。その後、金属から溶解水素を除去するために、本体部は真空環境下で銅の融点以上に再加熱され、少なくとも１５分間保持される。

図３に示される第９のステップ６６では、本体部は所望の形状に切断され、図１または図２に示されるパッケージ構造で使用可能になる。上述の形削りは、放電加工（ＥＤＭ）または（ダイヤモンド研磨剤を使用した）研磨剤フリーラッピングまたは両者の組み合わせで行われる。

図３に示される第１０のステップ６８では、図１の層２２、２４、図２の３４、３６に対応する銅層が、例えばろう付けによって基板の本体部の互いに対向する広い面に接着される。

図２の第２の実施例の場合には、２つの複合材料を有する本体部３２を形成するために、さらなる工程が必要とされる。この場合には、銅／ダイヤモンドの複合材料からなる部分４２は、再融解させることで周囲の銅／タングステンの複合材料に接着され、銅基質が各物質中に流れ込み、混合されるようになる。

本願で開示されている実施例は、あらゆる面で例示されているものであり限定的でないものとして考慮されるべきものであり、それ故、上記の詳細な説明よりはむしろ添付の特許請求の範囲で示されている本発明の範囲、及び請求項の意図及び均等の範囲内とにある全ての変更が本願に含まれることを意味している。

本発明に係る半導体パッケージの第１の実施例の平面図である。 本発明に係る第２の実施例の基板の、部分的に分断され且つ透視図で示された斜視図である。 本発明に係る銅／ダイヤモンドの複合材料のより好ましい製造方法の一連のステップを示したブロック図である。

Claims (19)

1. 互いに対向する複数の面を持つ本体部を有し、複数の純銅層を有する金属性基板を含む半導体パッケージであって、前記本体部が少なくとも部分的に銅／ダイヤモンドの複合材料からなることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記本体部全体が、銅／ダイヤモンドの複合材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記本体部が、内部に銅／ダイヤモンドの複合材料からなる部分を含む銅／タングステンの複合材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記複数の銅層の一つの層上に設けられたチップと、前記チップに隣接する前記一対の銅層の一方の層上に設けられた複数の絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた複数のリード線と、前記チップに前記リード線を結合する複数の結合ワイヤーと、を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
5. 前記本体部が、互いに対向する面間で一様に均一な厚みを有する一様な平面構造からなり、前記一対の銅層は相対的に薄く、一様な平面構造からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
6. 前記銅／ダイヤモンドの複合材料は、銅基質中のダイヤモンド粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
7. 前記ダイヤモンド粒子は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔａ、Ｚｒのうちの一または二以上の材料で被覆されることを特徴とする請求項６に記載の半導体パッケージ。
8. 前記ダイヤモンド粒子は、Ｃｒ層、Ｗ層、Cｏ層、Ｃｕ層で被覆されることを特徴とする請求項６に記載の半導体パッケージ。
9. 半導体パッケージであって、
   金属性基板と、前記基板上に設けられたチップと、前記チップに隣接した前記基板上に設けられたセラミックのリードフレーム絶縁体と、前記リードフレーム絶縁体上に設けられ前記チップに電気的に接続される金属リード線とを含み、前記基板は、少なくとも部分的に銅基質中のダイヤモンド粒子からなる複合材料で構成された、一様平面状の本体部からなることを特徴とする半導体パッケージ。
10. 前記本体部は、互いに対向する面間で相対的に均一な厚みからなり、前記本体部の前記互いに対向する面上に形成される一対の純銅層を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体パッケージ。
11. 前記本体部全体が、銅基質中のダイヤモンド粒子からなる複合材料で構成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体パッケージ。
12. 前記本体部が、内部に銅基質中のダイヤモンド粒子からなる部分を有する銅／タングステンの複合材料からなることを特徴とする請求項９に記載の半導体パッケージ。
13. 銅／ダイヤモンドの複合材料の製造方法であって、
    特定の分子または無機化合物の多層膜でダイヤモンド粒子を被覆するステップと、
    前記被覆された粒子を乾式加工成形剤とともに混合するステップと、
    圧縮本体部を形成するように、前記粒子を加圧下でチップに圧縮成形するステップと、
    前記圧縮本体部を銅の一部に隣接して配置し、前記成形剤を蒸発または分解させるように真空環境下または湿水素雰囲気下で加熱するステップと、
    前記圧縮本体部を、前記被覆されたダイヤモンド粒子を結合または部分焼結させるように真空環境下または水素雰囲気下で加熱するステップと、
    前記圧縮本体部を、銅が融解するように銅の融点を少し上回る温度に水素雰囲気下で加熱し、結合または部分焼結させた前記ダイヤモンド粒子中に前記銅を引き込むステップと、
    前記圧縮本体部を冷却するステップと、
    前記圧縮本体部を所望の形状に切断するステップと、
    を備えていることを特徴とする銅／ダイヤモンドの複合材料の製造方法。
14. 前記圧縮本体部の互いに対向する面上に、純銅層を形成するステップを更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 銅／タングステンの複合材料を与えるステップと、
    前記圧縮本体部を前記銅／タングステンの複合材料と一体化させるように、前記圧縮本体部と前記銅／タングステンの複合材料とを銅の融点以上に加熱するステップと、
    を更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記圧縮本体部の前記冷却ステップが、
    前記圧縮本体部を部分冷却するステップと、
    前記圧縮本体部周囲を低圧雰囲気にするステップと、
    前記圧縮本体部を、前記銅から溶解水素を除去するために十分な間、銅の融点以上に再加熱するステップと、
    を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 特定の分子または無機化合物の多層膜でダイヤモンド粒子を被覆する前記ステップが、流動層化学気相堆積法または自触媒水性化学めっき法を使用して前記ダイヤモンド粒子を被覆することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 分子または無機化合物の多層膜でダイヤモンド粒子を被覆する前記ステップが、前記ダイヤモンド粒子をＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔａ、Ｚｒのうちの一または二以上の材料で被覆することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
19. 分子または無機化合物の層でダイヤモンド粒子を被覆する前記ステップが、前記ダイヤモンド粒子をＣｒ層、続いて順にＷ層、Ｃｏ層、Ｃｕ層で被覆することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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