JP2009513026A - 半導体構造及び組み立て方法 - Google Patents

Abstract

半導体構造（１００，９００）は、一つの表面（１１１）を有する基板（１１０）を含み、更に基板表面の上に配置される一つ以上の半導体チップ（１２０）を含む。半導体構造は更に、基板表面の上に配置される電気絶縁構造（３４０）を含み、電気絶縁構造は、一つ以上の電気リード（３４１，３４２）と、そしてこれらの電気リードと一体成形される有機系要素（３４３）と、を含む。半導体構造は更に、電気絶縁構造及び基板表面を一体的に接続する半田要素（３５０）を含む。

Description

本発明は概して半導体装置に関し、特に半導体装置のパッケージングに関する。

半導体ダイまたは半導体チップを半導体装置パッケージに封止して、外部応力及び環境によってチップが損壊する現象を防止し、そして一つのシステムを実現して電気信号をチップに送信し、そしてチップから受信する。多くの異なるタイプの半導体装置パッケージが存在し、これらの半導体装置パッケージとして、デュアルインラインパッケージ、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）パッケージ、テープオートメーティッドボンディング（ＴＡＢ）パッケージ、マルチチップモジュール（ＭＣＭｓ）、及びパワーパッケージを挙げることができる。パワーパッケージの一のタイプが無線周波数（ＲＦ）パワーパッケージであり、ＲＦパワーパッケージは通常、半導体チップの半導体デバイスが約１０ワット超の電力を消費し、かつ約１００メガヘルツ（ＭＨｚ）超の周波数で動作する場合に使用される。ＲＦパワーパッケージは内部に、電力損失を低減し、かつＲＦ特性を向上させるためのエアギャップを持つことが多い。

現在の高出力ＲＦ半導体パッケージにはセラミック絶縁材料を使用し、セラミック絶縁材料は、セラミック絶縁材料の形状に起因して「ウィンドウフレーム」、または「フレーム」と呼ばれることが多く、そして金属ソース基板にロウ付けにより接合される、または半田接続される。しかしながら、セラミック絶縁材料は高価であり、かつ高度の機械的許容誤差が要求される。

別の高出力ＲＦ半導体パッケージが特許文献１に記載されており、この半導体パッケージにはポリマー絶縁材料またはポリマーフレームを使用する。しかしながら、このパッケージは、フレームと金属ソース基板のニッケル及び／又は金表面との間のポリマー／金属界面が本質的に脆いために信頼性上の問題が発生する恐れがある。密閉性は、フレームと金属ソース基板との間に機械的に堅牢で、一様なエポキシ接合部が形成され難いので悪い。更に、このパッケージは、この産業分野に強制適用されている新規の鉛フリー規制及び他のＲｏＨＳ規制（有害物質排出規制）に準拠する必要があるために、ポリマー／金属界面で機械的不良が発生する恐れも高くなる。更に、このパッケージは、最後のマウント条件の下で機械的完全性を損なう恐れもある。

更に別の高出力ＲＦ半導体パッケージが特許文献２に記載されている。しかしながら、この半導体パッケージでは、フレームに独自の高温ポリマー材料を使用し、この高温ポリマー材料は、半導体チップを基板に接着させる前に、金属ソース基板と一体成形される。パッケージをチップ接着工程の前に完成させると、半導体チップを金属ソース基板に接着させる、またはマウントするために高温を使用する必要があることから、フレームと金属ソース基板との間に機械的信頼性の問題が発生する。パッケージをチップ接着工程の前に完成させることによって更に、チップ接着処理に関連する選択肢が制限される。例えば、ポリマーが４００℃で溶融する、または劣化する場合、４００℃超で行なわれる金シリコンチップ接着プロセスを使用することができない。
米国特許第６，５１１，８６６号 米国特許第６，８６７，３６７号

従って、セラミック系パッケージよりも安価であり、かつ現在のポリマー系エアキャビティパッケージよりも信頼性を向上させた新規の高出力ＲＦ半導体パッケージが必要になる。

本発明の種々の実施形態は、無線周波数素子の半導体構造または半導体パッケージングシステムを含み、この場合、金属要素または金属層は樹脂と一体成形される、または埋め込まれて電気絶縁構造のベースを形成し、基板またはフランジへの電気絶縁構造の半田接着を容易にする。入力／出力リードも電気絶縁構造と一体成形される、または埋め込まれ、これにより部品コストを低減し、かつ寸法許容誤差を緩和し、更に複数のリード構造を可能にする。或る実施形態では、リード及び／又は金属要素はモールドロック構造を有することにより、樹脂−金属間の接着性を高める。金属要素は、エポキシではなく半田を使用して、電気絶縁構造と基板との間の接合部の形成を可能にすることにより、更に機械的に堅牢な構造を実現する。金属要素によって、低コストの樹脂材料を電気絶縁構造の樹脂部分に使用することも可能になる。

本発明の他の実施形態は、表面領域が基板に対向する構成の表面を有する金属要素を含むことができ、かつ表面領域がこれも基板に対向する構成の表面を有する電気絶縁構造の樹脂材料部分を含むこともできる。これらの実施形態では、金属要素の表面領域は樹脂材料部分の表面領域よりも小さい。以下に説明するように、表面領域のこの差によって、半田が溶出する問題、または半田が流入する問題を低減することができる、というのは、半田は金属要素に接着するが、電気絶縁構造の露出樹脂材料部分には接着しないからである。本発明の或る実施形態は、これらの特徴を組み合わせを含む、またはこれらの特徴の内の一つ以上の特徴をここに説明する他の特徴と組み合わせた形で含む。

更に、本発明の或る実施形態は、半導体構造または半導体パッケージングシステムの組み立てプロセスを含むことができ、この場合：（１）半導体チップを基板に接着させる、または接続し；（２）金属要素及びリードを含む電気絶縁構造を基板に半田接続し；（３）半導体チップをリードにワイヤボンディングにより接続し；そして（４）蓋体を電気絶縁構造の樹脂材料部分に接合して気密封止構造または少なくともグロスリークテストに合格する封止構造を形成する。この組み立てプロセスによって、半導体チップを基板に高温溶融樹脂材料を電気絶縁構造に設けることなく、高温で取り付けることができるので、多くの異なる低コスト樹脂材料の使用が可能になり、信頼性を高めることもできる。

次に、図を参照すると、図１は半導体パッケージングシステムまたは半導体構造１００の上面図を示し、そして図２は図１の切断線２−２に沿って眺めたときの半導体構造１００の断面図を示している。半導体構造１００は、表面１１１及び表面１１１と反対側の表面１１２を有する基板１１０を含む。或る実施形態では、基板１１０はフランジと表記される。同じ、または異なる実施形態では、基板１１０はヒートシンクまたはヒートスプレッダとして機能する。これらの実施形態の各々では、基板１１０は、例えば銅（Ｃｕ）、銅系複合材料、銅系薄板、アルミニウムシリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）、銅グラファイト、ダイヤモンド、及び／又は類似の材料のような熱伝導／電気伝導材料を含むことができる。銅系複合材料の例として、銅タングステン（ＣｕＷ）及び銅モリブデン（ＣｕＭｏ）を挙げることができ、そして銅系薄板の一例が銅モリブデン銅（ＣｕＭｏＣｕ）である。

基板１１０の表面１１１は、基板１１０の導電材料の上に設けられる層１１３を含むことができる。層１１３は金属層または半田付け可能な金属層とすることができる。層１１３が半田付け可能な金属層である場合、層１１３は基板１１０の半田付け可能な表面となる。一例として、層１１３はニッケル及び金から成る半田付け可能な表面とすることができる。この特定の実施形態では、層１１３は金層、及び金層と基板１１０の導電材料との間のニッケル層を含むことができる。別の実施形態では、層１１３はニッケルコバルト（ＮｉＣｏ）及び金（Ａｕ）を含むことができる。一例として、層１１３は基板１１０へのメッキにより形成することができ、そして表面１１２を含む基板１１０の他方の表面に配置することもできる。

基板１１０は適宜、マウント穴またはマウント凹部１１４を含むこともできる。図１は２つの凹部を示しているが、凹部の特定の個数は変えることができる。凹部１１４は基板１１０の反対側の端部１１５及び１１６に配置することができる。後で説明するように、凹部１１４を使用して半導体構造１００を、例えば回路基板のような別の基板に固定することができる。

半導体構造１００は少なくとも一つの半導体チップ１２０も含む。図１は４つの半導体チップを示しているが、半導体チップの特定の個数は変えることができる。半導体チップ１２０は基板１１０の表面１１１の上に配置される。一の実施形態では、半導体チップ１２０は、無線周波数デバイスまたは他の高周波数デバイスに適する一つ以上の材料により構成される。異なる、または同じ実施形態では、半導体チップ１２０は、高出力デバイスに適する一つ以上の材料により構成される。一例として、半導体チップ１２０は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または類似の材料を含むことができる。ほとんどの実施形態では、半導体チップ１２０は、半導体ダイと表記することもできる。

これらの半導体チップ１２０の各々は、少なくとも一つの半導体デバイス１２１を含む。従って、半導体デバイス１２１も基板１１０の表面１１１の上に配置される。半導体チップ１２０がシリコンにより構成される実施形態では、半導体デバイス１２１は横方向拡散金属酸化物半導体（ＬＤＭＯＳ）デバイスとすることができる。これらの半導体デバイス１２１の内の少なくとも一つの半導体デバイスが能動素子（すなわち、トランジスタ）であり、かつ単に一つ以上の受動素子（すなわち、抵抗体、キャパシタ、インダクタなど）ではないが、これらの半導体デバイス１２１の内の他の半導体デバイスは、例えば集積受動素子（ＩＰＤｓ）及び金属酸化物半導体キャパシタ（ＭＯＳＣＡＰｓ）のような整合素子とすることができる。異なる実施形態では、これらの半導体チップ１２０の内の一つ以上の半導体チップを、整合素子である一つ以上の非半導体素子に置き換える。これらの非半導体素子の例として、集積受動素子（ＩＰＤｓ）、及び導体配線部とセラミックス部との体積収縮量を整合させた低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）多層配線基板を挙げることができる。

これらの半導体チップ１２０の各々は、半田付け可能な表面１２２及び２２３を有することができ、これらの表面は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケルコバルト金（ＮｉＣｏＡｕ）、ニッケル金（ＮｉＡｕ）、または類似の材料により構成される。表面１２２及び２２３の全てを半田付け可能とすることができる、または表面１２２及び２２３の一部のみを半田付け可能とすることができる。半田相互接続が半導体構造１００に使用されない別の実施形態では、表面１２２には半田付け可能な部分がない。

半導体構造１００は、半導体チップ１２０と基板１１０の表面１１１との間に位置し、かつ半導体チップ１２０及び基板１１０の表面１１１を一体接続する接着剤２３０も含む。或る実施形態では、接着剤２３０は導電材料とすることができる。これらの実施形態では、接着剤２３０は半導体チップ１２０を基板１１０に電気的に接続することができ、基板１１０は半導体チップ１２０における半導体デバイス１２１の電気リードとして機能することができる。従って、これらの実施形態では、基板１１０は、基板１１０が半導体デバイス１２１のソース電極の電気リードとなる場合にソース基板またはソースフランジと表記することができる。また、これらの実施形態では、接着剤２３０は幾つかの不連続部分または個片化部分を含む。

一の実施形態では、接着剤２３０は、鉛系半田または非鉛系半田のようないずれかの適切なチップ接着材料またはダイ接着材料とすることができる。この実施形態では、接着剤２３０は、半田要素と表記することができる。一例として、適切な非鉛系半田は、金錫（ＡｕＳｎ）、金シリコン（ＡｕＳｉ）、または類似の材料を含む。この実施形態では、接着剤２３０は、表面１１１における層１１３の一部分と表面２２３とを半田接続して一体化する。半導体チップ１２０がシリコンにより構成される場合、接着剤２３０は、金シリコンのような低熱膨張率（ＣＴＥ）の材料により構成することができ、これによって接着剤の熱膨張率を半導体チップ１２０のＣＴＥ（熱膨張率）に一層近づけることができる。他の実施形態では、接着剤２３０は導電性エポキシ、または非導電性エポキシ、或いは熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーとすることができる。

接着剤２３０は、半導体チップ１２０の半田付け可能な表面の上に、または基板１１０の表面１１１の層１１３の上に、クラッディング法、メッキ法、スクリーン印刷法、または半田ボール法を使用して形成することができる。接着剤２３０はパーフォームとすることができる。以下に説明するように、接着剤２３０は、半導体構造１００の製造プロセスまたは組み立てプロセスの後の方の段階の間に使用される他の接着剤または半田の溶融温度及びリフロー温度よりも高い溶融温度及びリフロー温度を有することもできる。

図３は、組み立てプロセスの後の方の工程での半導体構造１００の分解上面図を示し、そして図４は図３の切断線４−４に沿って眺めたときの半導体構造１００の断面図を示している。半導体構造１００は更に、基板１１０の表面１１１の上に配置される電気絶縁構造３４０を含む。図３及び４に示すように、電気絶縁構造３４０は２つの電気リード３４１及び３４２を含む。しかしながら、一般的に、電気絶縁構造３４０は２つよりも多くの、または少ない電気リードを含むことができる。電気リード３４１及び３４２を使用して電気信号を、半導体チップ１２０の半導体デバイス１２１に送信し、そして半導体デバイス１２１から受信し、更に半導体構造１００に送り込み、そして半導体構造１００から送り出すことができる。一の実施形態では、電気リード３４１及び３４２はそれぞれ、半導体デバイス１２１のゲート電極及びドレイン電極のゲートリード及びドレインリードとすることができる。この実施形態では、基板１１０は半導体デバイス１２１のソース電極のソースリードとして機能することができる。

一例として、電気リード３４１及び３４２は導電材料を含むことができ、導電材料として、例えば銅、銅合金、及び基板１１０に関して前に列挙した他の導電材料を挙げることができる。更に、電気リード３４１及び３４２はニッケルを含む鉄系合金を含むことができ、鉄系合金として、例えば４２アロイを挙げることができ、４２アロイの組成としてニッケルを４２％含む。電気リード３４１及び３４２は更に、ＣＲＳ ホールディングス インコーポレイテッドが商標名Ｋｏｖａｒ（登録商標）で販売する、ニッケル及びコバルトを含む鉄系合金を含むことができる。

電気リード３４１及び３４２は半田付け可能な表面を含むこともでき、これにより、電気リード３４１及び３４２が、半導体構造１００の内部で行なわれるワイヤボンディングまたは他の相互接続に適するようになり、更に電気リード３４１及び３４２が、半導体構造１００の外部で行なわれるワイヤボンディングまたは半田接続に適するようになる。一例として、電気リード３４１及び３４２の半田付け可能な表面は、基板１１０の層１１３（図１及び２）、及び半導体チップ１２０の半田付け可能な表面１２２及び２２３に関して列挙された材料と同じ半田付け可能な材料を含むことができる。

電気絶縁構造３４０は更に、電気リード３４１及び３４２と一体成形される有機系要素３４３を含む。或る実施形態では、有機系要素３４３は図３に示すようにウィンドウフレームの形状を有することができる。これらの実施形態では、有機系要素３４３はフレームと表記することができ、そして電気絶縁構造３４０はフレーム構造と表記することができる。有機系要素は、例えばポリマー、熱可塑性材料、及び／又は熱硬化性材料のような電気絶縁材料により構成される。従って、或る実施形態では、有機系要素３４３は絶縁樹脂フレームと表記することもできる。

電気絶縁構造３４０は更に金属要素４４４を含み、この場合、有機系要素３４３は金属要素４４４と電気リード３４１及び３４２との間に配置される。金属要素４４４は電気絶縁構造３４０の底部またはベースに配置することができる。この実施形態では、金属要素４４４はベース金属要素と表記することもできる。有機系要素３４３は金属要素４４４と、電気リード３４１及び３４２と、を電気的に互いから電気的に分離する、または絶縁する。金属要素４４４は、有機系要素３４３と同じウィンドウフレーム形状、及び同じ装着接触面を有することができる。金属要素４４４は、電気絶縁構造３４０の半田付け可能な表面となるので、電気絶縁構造３４０を以下に説明するように、基板１１０に半田接着させることができる。

金属要素４４４は、電気リード３４１及び３４２に関して列挙された材料と同じ材料を含むことができ、そして電気リード３４１及び３４２のように、半田付け可能な表面を有することができる。金属要素４４４が単一の半田付け可能な表面を有する場合、半田付け可能な表面は基板１１０の表面１１１に対向する。一の実施形態では、金属要素４４４、及び電気リード３４１及び３４２は、同じ、またはほぼ同様の材料を含み、そして同じリードフレーム、または２つの個別のリードフレームにより形成される。金属要素４４４は、有機系要素３４３の成形プロセスの前に成形プレートの間に配置される個片部品とすることもできる。

有機系要素３４３は金属要素４４４と一体成形され、金属要素４４４がモールドロック４４５を含むことができるので、金属要素４４４への有機系要素３４３の接着性を高めることができる。モールドロック４４５は形状、サイズ、及び加工方法を変えることができる。例えば、モールドロック４４５は一つ以上の貫通穴を金属要素４４４の中に、図４に示すモールドロックの代わりに、またはモールドロックの他に含むことができる。モールドロック４４５は、送り込み方法で加工することもできる。図４には示されないが、電気リード３４１及び３４２は同じモールドロック加工方法、または異なるモールドロック加工方法で加工することにより、電気リード３４１及び３４２への有機系要素３４３の接着性を高めることができる。

有機系要素３４３は、射出成形プロセス、トランスファー成形、または他の成形プロセスを使用して有機系要素３４３を金属要素４４４、及び電気リード３４１及び３４２と一体成形することにより形成することができる。有機系要素３４３の内、電気リード３４１及び３４２の上に位置する部分は任意であり、そして半導体構造１００の或る実施形態では無くすことができる。

半導体構造１００は更に、基板１１０の表面１１１の上に位置する半田要素３５０を含む。半田要素３５０は、電気絶縁構造３４０及び基板１１０を一体接続する。更に詳細には、半田要素３５０は、金属要素４４４の半田付け可能な表面及び基板１１０の表面１１１の層１１３の一部分を半田接続して一体化させる。従って、半田要素３５０は、金属要素４４４と基板１１０との間に配置される。一例として、半田要素３５０は、接着剤２３０（図２）に関して列挙された材料と同じ半田材料だけでなく、この技術分野で公知の他の半田材料を含むことができ、そして同様の方法により形成することができる。半田要素３５０は、接着剤２３０よりも低い溶融温度及びリフロー温度を有することができる。

図３及び４に示すように、半田要素３５０は、有機系要素３４３のウィンドウフレームの形状と同様の形状を有することができる。リフローを施す前に、半田要素３５０は単一片により構成することができる、または半田要素３５０は、２つ以上の個別片により構成することができる。半田要素３５０が２つ以上の個別片を基にして形成される場合、リフロー工程では、これらの個別片を合体させて、半田要素３５０が単一の一体要素となるようにすることが好ましい。半田要素３５０はパーフォームとすることができる、または異なる実施形態では、半田要素３５０は、電気絶縁構造３４０を基板１１０と一体成形する、または接着させる前に、金属要素４４４の上に塗布することができる。この異なる実施形態では、半導体構造１００は、半導体構造１００の製造性を高めることができるパーフォームを持たない。

不図示の実施形態では、半田要素３５０は、電気絶縁構造３４０を基板１１０に接着させる前に、金属要素４４４の上に塗布することができる。この実施形態では、一例として、層１１３と同様の層を金属要素４４４の上に形成する、または金属要素４４４の代わりに形成することができ、そして金（Ａｕ）及び錫（Ｓｎ）から成る層を含むことができる。

図５は、組み立てプロセスの更に後の方の工程での半導体構造１００の上面図を示し、そして図６は図５の切断線６−６に沿って眺めたときの半導体構造１００の断面図を示している。図５及び６に示すように、電気絶縁構造３４０を基板１１０に半田接続する。半導体構造１００は更に、ボンディングワイヤ５６０を含み、ボンディングワイヤ５６０によって、半導体チップの半導体デバイス１２１と電気リード３４１及び３４２とを一体接続する。一例として、ボンディングワイヤ５６０は、この技術分野では公知の導電材料を含み、導電材料として、例えば金、アルミニウムシリコン、アルミニウムマンガン、銅、または類似の材料を挙げることができる。他の実施形態では、ボンディングワイヤ５６０を、例えば半田ボール、フリップチップ相互接続、テープオートメーティッドボンディング（ＴＡＢ）用フィルム、及び類似の構造のような他の電気相互接続構造に置き換える。

図７は、組み立てプロセスの次の工程での半導体構造１００の上面図を示し、そして図８は図７の切断線８−８に沿って眺めたときの半導体構造１００の断面図を示している。半導体構造１００は、基板１１０、半導体チップ１２０、及び電気絶縁構造３４０の上に位置する蓋体７７０を含む。蓋体７７０は、半導体チップ１２０及びボンディングワイヤ５６０を、物理的ダメージ及び環境的ダメージから保護する。蓋体７７０は、有機系要素３４３及び／又は電気リード３４１及び３４２に接続することができる。一例として、蓋体７７０は、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、セラミック、または他の非導電材料により構成することができる。蓋体７７０は、高い弧を描くボンディングワイヤを収容する凹部を含む多くの異なる構造を有することができる。

基板１１０、電気絶縁構造３４０の有機系要素３４３、電気絶縁構造３４０の電気リード３４１及び３４２、電気絶縁構造３４０の金属要素４４４、半田要素３５０、及び蓋体７７０が、少なくともグロスリークテストに合格した気密パッケージを形成し、このパッケージはエアギャップ８８０を有し、エアギャップ８８０に半導体チップ１２０及びボンディングワイヤ５６０が配置される。異なる実施形態では、半導体構造１００は、ハーメチックシールパッケージである。

一の実施形態では、半導体チップ１２０の半導体デバイス１２１は高出力無線周波数デバイスであるので、パッケージは高出力無線周波数パッケージである。同じ実施形態、または異なる実施形態では、エアギャップ８８０は、例えば窒素、または別の不活性ガスのような他の材料により構成することができる。

図９は、半導体構造または半導体パッケージングシステム９００の一部分の側面図を示している。半導体パッケージングシステム９００は、図１〜８において説明した高出力無線周波数パッケージと同様の構成とすることができるパッケージ９１０を含む。半導体パッケージングシステム９００は回路基板９２０も含む。一例として、回路基板９２０は、シャーシ、ヒートシンク、またはプリント回路基板（ＰＣ基板）とすることができる。半導体パッケージングシステム９００は更に、一つ以上の固定手段９３０を含み、これらの固定手段９３０を使用してパッケージ９１０を回路基板９２０に接続することができる。例えば、固定手段９３０は、基板１１０（図１）の凹部１１４に嵌合するネジとすることができる。

半導体パッケージングシステム９００は接着剤９４０も含む。一の実施形態では、接着剤９４０は、リード３４１及び３４２（図３及び４）を回路基板９２０に電気的に接続する半田とすることができる。一例として、接着剤９４０は、錫銀銅、錫銀、錫アンチモン、錫ビスマス、錫銅、金錫、金ゲルマニウム、または類似の材料を含む鉛フリー半田とすることができる。別の例として、接着剤９４０は、鉛錫銀のような鉛系半田とすることができる。これらの実施形態では、接着剤９４０は、鉛錫銀のような鉛系半田とすることができる。これらの実施形態では、接着剤９４０は、半田要素３５０（図６）及び接着剤２３０（図２）よりも低い溶融温度及びリフロー温度を有する。図９には示されないが、接着剤９４０または別の導電接着剤は、回路基板９２０とパッケージ９１０の基板１１０（図１）との間に配置して、基板１１０を回路基板９２０に電気的に接続することもできる。この実施形態では、この接着剤は更に、半田要素３５０（図６）よりも低い溶融温度及びリフロー温度を有することが好ましい。

図１０は、電気絶縁構造３４０（図３及び４）の異なる実施形態である電気絶縁構造１０４０の一部分の断面図を示している。電気絶縁構造１０４０は、電気絶縁構造３４０の金属要素４４４（図４）に代わって、金属要素１０４４を含む。金属要素１０４４は金属要素４４４に類似するが、金属要素１０４４が金属要素４４４よりも小さい装着接触面を有する点が異なっている。従って、基板１１０（図４）に対向する金属要素１０４４の表面は、これも基板１１０に対向する有機系要素３４３の表面の表面積よりも小さい表面積を有する（図４では、金属要素４４４が有機系要素３４３とほぼ同じ内周及び外周を有するので、基板１１０に対向する金属要素４４４の表面は、これも基板１１０に対向する有機系要素３４３の表面の表面積とほぼ同じ表面積を有する）。この実施形態では、有機系要素３４３の一部分１０４１は金属要素１０４４によって被覆されることがなく、かつ半導体チップ１２０（図４）への半田要素３５０（図３及び４）の半田溶出または半田流入を防止する半田堰き止め部として機能する。

図１０の金属要素１０４４と図４の金属要素４４４との間の別の差異は、金属要素１０４４がモールドロック１０４５を金属要素１０４４の２つの異なる表面の上に有することである。詳細には、図１０に示すように、金属要素１０４４はモールドロック１０４５を金属要素１０４４の２つの隣接表面の上に有する。金属要素１０４４の側部表面上の更に別のモールドロックによって、金属要素１０４４への有機系要素３４３の接着性を高めることができる。

図１１は、電気絶縁構造３４０（図３及び４）の別の実施形態である電気絶縁構造１１４０の一部分の断面図を示している。電気絶縁構造１１４０は、電気絶縁構造３４０の金属要素４４４（図４）に代わって、金属要素１１４４を含む。金属要素１１４４は金属要素４４４に類似するが、金属要素１１４４が金属要素４４４よりも小さい装着接触面を有する点が異なっている（金属要素１１４４はまた、図１０の金属要素１０４４よりも小さい装着接触面を有する）。この実施形態では、有機系要素３４３の一部分１１４１は金属要素１１４４によって被覆されることがなく、かつ半導体チップ１２０（図４）への半田要素３５０（図３及び４）の半田溶出または半田流入を防止する半田堰き止め部として機能する。更に、有機系要素３４３の一部分１１４２も金属要素１１４４によって被覆されることがなく、かつパッケージの外部への半田要素３５０（図３及び４）の半田溶出または「半田流出」を防止する別の半田堰き止め部として機能する。また、この実施形態では、金属要素１１４４は、リードフレームをトリミングする位置以外のパッケージの外側表面で露出することがない。

図１１の金属要素１１４４と図４の金属要素４４４との間の別の差異は、金属要素１１４４がモールドロック１０４５を金属要素１１４４の３つの異なる表面の上に有することである。詳細には、図１１に示すように、金属要素１１４４はモールドロック１１４５を金属要素１１４４の３つの隣接表面の上に有する。金属要素１１４４の側部表面上の更に別のモールドロックによって、金属要素１１４４への有機系要素３４３の接着性を高めることができる。

図１２は、半導体構造を組み立てる方法のフローチャート１２００を示している。一例として、フローチャート１２００の半導体構造は、図１〜８の半導体構造１００、図９の半導体パッケージングシステム９００、及びこれらの構造及びシステムの種々の実施形態の全てに類似する構成とすることができる。

フローチャート１２００は、表面を有する基板を設ける工程１２０１を含む。一例として、工程１２０１での基板は図１及び２に示す基板１１０と同様の構成とすることができ、そして工程１２０１での基板の表面は、図１及び２に示す基板１１０の表面１１１と同様の構成とすることができる。

フローチャート１２００は更に、半導体チップを基板の表面にマウントする、または表面の上にマウントする工程１２０２を含む。一例として、工程１２０２での半導体チップは図１及び２に示す半導体チップ１２０と同様の構成とすることができ、そして一つ以上の半導体デバイスを含むことができる。半導体チップ１２０を基板１１０にマウントするために使用される接着剤と同様に、半田要素または他の接着剤をマウント工程に使用することができる。工程１２０２はダイ接着工程と表記することもできる。一の実施形態では、工程１２０２は、約３７０℃の半田溶融温度またはエポキシ樹脂溶融温度よりも高い温度で行なわれる。同じ、または異なる実施形態では、工程１２０２は、約４１０℃の半田リフロー温度またはエポキシ樹脂の分解温度で行なわれる。

一つ以上の整合要素を半導体構造に使用する実施形態では、工程１２０２は、整合要素（群）を基板の表面にマウントする、または表面の上にマウントする工程を含むことができる。この実施形態では、整合要素（群）は、半導体チップ（群）をマウントする前に、マウントすると同時に、またはマウントした後にマウントすることができる。

フローチャート１２００は工程１２０３に進み、この工程において、電気絶縁構造を基板の表面の上に半田接続する。一例として、工程１２０３での電気絶縁構造は、図３及び４に示す電気絶縁構造３４０、及び／又はこの電気絶縁構造の種々の実施形態と同様の構成とすることができ、そして半田要素を使用して電気絶縁構造を基板の表面にマウントすることができる。一の実施形態では、工程１２０３は、約２８０℃の半田溶融温度よりも高い温度で行なわれる。同じ、または異なる実施形態では、工程１２０３は、約３２０℃の半田リフロー温度で行なわれる。

好適な実施形態では、工程１２０３は、工程１２０２よりも低い温度で行なわれ、そして工程１２０３は工程１２０２の後に行なわれる。この実施形態では、工程１２０２での高い温度においては、工程１２０３で電気絶縁構造に使用される半田が溶融することがない、または基板及び半導体チップに対する電気絶縁構造の位置が変化することがなく、半田が溶融する、または電気絶縁構造の位置が変化すると、半導体構造の信頼性及び電気特性に悪影響を及ぼす恐れがある。また、好適な実施形態では、工程１２０２及び１２０３を並行して行なうのではなく、順番に行なって、電気絶縁構造及び半導体チップを基板の表面上で更に正確に相対的に位置決めし、これにより、半導体構造の電気特性を向上させる。

好適な実施形態では、工程１２０３の後、フローチャート１２００は工程１２０４に進み、この工程において、半導体チップを電気絶縁構造に電気的に結合する。一例として、図５及び６を参照しながら説明したボンディングワイヤ５６０及び他の相互接続構造を工程１２０４を行なっている間に使用して、半導体チップの半導体デバイスを電気絶縁構造の電気リードに電気的に結合することができる。

フローチャート１２００は更に工程１２０５を含み、この工程では、蓋体を電気絶縁構造に取り付ける。一例として、工程１２０５での蓋体は、図７及び８に示す蓋体７７０と同様の構成とすることができる。一の実施形態では、蓋体で半導体チップを半導体構造の内部にハーメチックシールする、または少なくともグロスリークテストに合格するように気密封止する。同じ、または異なる実施形態では、工程１２０５においてエポキシまたは他の接着剤を使用して、蓋体を電気絶縁構造に接着させることができる、または工程１２０５において音波溶接法、超音波溶接法、熱溶接法、または他の溶接法を使用して、蓋体を電気絶縁構造に接着させることができる。別の実施形態では、工程１２０５において、蓋体を基板の表面に接着させることができる。更に別の実施形態では、工程１２０５は工程１２０３と同時に行なうことができる、または工程１２０５は工程１２０３の前に行なうことができる。

フローチャート１２００は更に工程１２０６を含み、この工程では、半導体構造を回路基板に取り付ける。一例として、工程１２０６での回路基板は、図９の回路基板９２０と同様の構成とすることができる。図１２に示すように、工程１２０６は工程１２０１〜１２０５の後に行なうことができる。

一の実施形態では、例えば図９に示す固定手段のような固定手段を使用して半導体構造を回路基板に取り付けることができる。同じ、または異なる実施形態では、図９に示す接着剤９４０のような接着剤を使用して、半導体構造の一つ以上の電気リードを回路基板に接合することができる。接着剤を、工程１２０６を行なっている間に使用する場合、工程１２０６は、約２１５〜２２０℃の半田溶融温度よりも高い温度で行なうことができる。同じ、または異なる実施形態では、工程１２０６は、約２４０〜２６０℃の半田リフロー温度で行なうことができる。好適な実施形態では、工程１２０６は、工程１２０２〜１２０５よりも低い温度で行ない、そして工程１２０６は工程１２０１〜１２０５の後に行なって、工程１２０２〜１２０５での高い温度においては、半導体構造を回路基板に接合するために使用される半田または他の接着剤が溶融することがないようにする。

これまでの記述を鑑みると、コストが低く、かつ信頼性が向上する新規の高出力無線周波数半導体構造及び半導体パッケージングシステム、または他の高周波数半導体構造及び半導体パッケージングシステムが記述されている。機械的かつ熱的に更に堅牢な構造及びパッケージングシステムは、他のパッケージ構造よりもコストが低く、信頼性が高いという利点をもたらす。

本発明について、特定の実施形態を参照しながら説明してきたが、この技術分野の当業者であれば、種々の変更を本発明の技術思想または技術範囲から逸脱しない限り加え得ることが理解できるであろう。このような変更の種々の例をこれまでの記述に示してきた。従って、本発明の実施形態の開示は本発明の技術範囲を例示するために行なわれるのであり、本発明を制限するために行なわれるのではない。本発明の技術範囲は、添付の請求項の記載に基づいて定められる技術的範囲にのみ限定されるものとする。例えば、この技術分野の当業者であれば、図３及び４に示す電気絶縁構造３４０の構成、構造、形状、及びサイズ、及び図４，１０，及び１１に示すモールドロック４４５，１０４５，及び１１４５はそれぞれ変わり得るのであり、かつこれらの実施形態の所定の実施形態についてのこれまでの議論が必ずしも、全ての可能な実施形態についての完全な記述を表わしている訳ではないことが容易に分かるであろう。同様に、半導体構造１００及び半導体パッケージングシステム９００の種々の要素の材料組成は、上に説明した詳細な組成から変わり得る。

全ての特定の請求項に記載される全ての要素は、当該特定の請求項に記載される発明に必須の要素である。従って、一つ以上の記載要素の置き換えは、記載発明を再構成するために行なわれるのであり、記載発明を修正するために行なわれるのではない。更に、効果、他の利点、及び問題解決法が特定の実施形態に関して記載されてきた。しかしながら、効果、利点、問題解決法、及び全ての効果、利点、または問題解決法をもたらし、またはさらに顕著にさせる要素または要素群は決して、これらの請求項のいずれかの請求項、または全ての請求項の必須の、必要な、または基本的な特徴、或いは要素であると解釈されるべきではない。

更に、本明細書に開示する実施形態及び限定事項は、実施形態及び／又は限定事項が、（１）請求項に明示的に記載されておらず；かつ（２）均等論に基づいて請求項における表現要素及び／又は限定事項の均等物となる、または均等物となる可能性のある場合に、寄与論に基づいて公衆に寄与されるものとはならない。

本発明の一の実施形態による半導体構造の上面図。 本発明の一の実施形態による、図１の切断線２−２に沿って眺めたときの図１の半導体構造の断面図。 本発明の一の実施形態による、組み立てプロセスの後の方の工程での図１の半導体構造の分解上面図。 本発明の一の実施形態による、図３の切断線４−４に沿って眺めたときの図３の半導体構造の断面図。 本発明の一の実施形態による、組み立てプロセスの後の方の工程での図３の半導体構造の上面図。 本発明の一の実施形態による、図５の切断線６−６に沿って眺めたときの図５の半導体構造の断面図。 本発明の一の実施形態による、組み立てプロセスの後の方の工程での図５の半導体構造の上面図。 本発明の一の実施形態による、図７の切断線８−８に沿って眺めたときの図７の半導体構造の断面図。 本発明の一の実施形態による半導体パッケージングシステムの一部分の側面図。 本発明の他の実施形態による電気絶縁構造の一部分の断面図。 本発明の他の実施形態による電気絶縁構造の一部分の断面図。 本発明の一の実施形態による半導体構造または半導体パッケージングシステムを組み立てる方法のフローチャート。

Claims (28)

1. 第１表面を有する基板と、
   基板の第１表面の上に配置される半導体チップと、
   基板の第１表面の上に配置される電気絶縁構造と、前記電気絶縁構造は電気リード、及び電気リードと一体成形される有機系要素を有することと、
   電気絶縁構造及び基板の第１表面を一体的に接続する半田要素とを備える半導体構造。
2. 前記基板は導電材料からなり、前記半導体チップに電気的に接続される、請求項１記載の半導体構造。
3. 前記電気絶縁構造は金属要素を備え、
   前記有機系要素は前記金属要素と一体成形され、
   前記有機系要素は前記金属要素と電気リードの間に配置される、請求項１記載の半導体構造。
4. 金属要素は半田要素に対向する半田付け可能な表面を有し、
   前記半田要素は金属要素の半田付け可能な表面に半田接続される、請求項３記載の半導体構造。
5. 金属要素は半田要素と電気リードとの間に、かつ半田要素と有機系要素との間に配置される、請求項３記載の半導体構造。
6. 有機系要素は電気リードを金属要素から電気的に絶縁する、請求項３記載の半導体構造。
7. 前記金属要素は、基板に対向し、かつ第１表面領域を有する表面を有し、
   有機系要素は、基板に対向し、かつ第２表面領域を有する表面を有し、
   第１表面領域は第２表面領域よりも小さい、請求項３記載の半導体構造。
8. 第２表面領域の一部分は、半田要素を堰き止める半田堰き止め部である、請求項７記載の半導体構造。
9. 半導体チップと基板の第１表面との間に配置され、かつ半導体チップ及び基板の第１表面を一体的に接続する接着剤をさらに備え、
   半田要素は第１溶融温度を有し、
   接着剤は第１溶融温度よりも高い第２溶融温度を有する、請求項１記載の半導体構造。
10. 導電材料により構成され、かつ第１表面を有するフランジと、
    少なくとも一つの半導体デバイスを有する少なくとも一つの半導体チップであって、半導体デバイスがフランジの第１表面の上に配置され、かつフランジの第１表面に電気的に接続される能動素子である構成の少なくとも一つの半導体チップと、
    フランジの第１表面の上に配置される少なくとも一つの整合要素と、
    少なくとも一つの半導体デバイスをフランジの第１表面に接続し、かつ鉛フリー半田を含む第１半田要素と、
    フランジの第１表面の上に配置されるフレーム構造であって、少なくとも２つの電気リードと、少なくとも２つの電気リードの下に配置されるベース金属要素と、少なくとも２つの電気リードとベース金属要素との間に配置され、かつ少なくとも２つの電気リード及びベース金属要素と一体成形される有機系電気絶縁要素と、を含むフレーム構造と、
    ベース金属要素をフランジの第１表面に接続する第２半田要素と、
    少なくとも一つの半導体デバイス及び少なくとも一つの整合要素を少なくとも２つの電気リードに電気的に接続する電気相互接続構造と、
    フランジ及びフレーム構造の上に配置されて、少なくともグロスリークテストに合格するように少なくとも一つの半導体チップ、少なくとも一つの整合要素、及び電気相互接続構造を気密封止する蓋体とを備える半導体パッケージングシステム。
11. フランジは少なくとも一つの半導体デバイスの第３電気リードであり、
    フランジは更に、導電材料を被覆する金属層を含み、金属層はニッケル及び金により構成される半田付け可能な表面を含む、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
12. ベース金属要素は半田付け可能な表面を含み、
    第２半田要素は、ベース金属要素の半田付け可能な表面、及びフランジの半田付け可能な表面に半田接続される、請求項１１記載の半導体パッケージングシステム。
13. フランジに対向する有機系電気絶縁要素の表面は第１表面領域を有し、
    フランジに対向するベース金属要素の表面は、第１表面領域よりも小さい第１表面領域を有する、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
14. ベース金属要素の表面は、有機系電気絶縁要素の表面の第１部分を被覆し、
    ベース金属要素の表面は、有機系電気絶縁要素の表面の第２部分の上には存在せず、
    有機系電気絶縁要素の表面の第２部分は、第２半田要素を堰き止める半田堰き止め部である、請求項１３記載の半導体パッケージングシステム。
15. ベース金属要素は、少なくとも一つのモールドロック構造を有する、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
16. 第１半田要素は第１溶融温度を有し、
    第２半田要素は第１溶融温度よりも低い第２溶融温度を有する、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
17. 回路基板と、
    少なくとも２つの電気リードを回路基板に電気的に接続する第３半田要素とをさらに備え、
    第３半田要素は第２溶融温度よりも低い溶融温度を有する、請求項１６記載の半導体パッケージングシステム。
18. フランジ、フレーム構造、第２半田要素、及び蓋体は、エアギャップを有する高出力無線周波数パッケージの少なくとも一部分を構成し、前記エアギャップに、少なくとも一つの半導体チップ、少なくとも一つの整合要素、及び電気相互接続構造が配置される、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
19. 前記フランジは、
    銅により構成される導電材料と、
    ニッケル及び金により構成される半田付け可能な金属層とからなり、
    第１半田要素は金及びシリコンを含み、
    少なくとも２つの電気リードは、銅、ニッケル、及び鉄から成るグループから選択される材料により構成される導電材料を含み、
    ベース金属要素は、銅、ニッケル、及び鉄から成るグループから選択される材料により構成される導電材料と、金及び錫により構成される半田付け可能な金属層と、を含み、
    有機系電気絶縁要素はポリマーを含み、
    第２半田要素は金及び錫を含む、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
20. ベース金属要素及び少なくとも２つの電気リードは、ほぼ同様の材料により構成される、請求項１０記載の半導体パッケージングシステム。
21. 半導体パッケージングシステムを組み立てるための方法において、
    導電材料により構成され、かつ第１表面を有するフランジを設ける工程と、
    第１半田を使用して、少なくとも一つの半導体デバイスを有する少なくとも一つの半導体チップをフランジの第１表面にマウントする工程と、
    少なくとも一つの整合要素をフランジの第１表面にマウントする工程と、
    第１半田を使用する工程の後に、第２半田を使用して、フレーム構造をフランジの第１表面にマウントする工程とを備え、フレーム構造は、少なくとも２つの電気リードと、少なくとも２つの電気リードの下に配置されるベース金属要素と、そして少なくとも２つの電気リードとベース金属要素との間に配置され、かつ少なくとも２つの電気リード及びベース金属要素と一体成形される有機系電気絶縁要素と、を含み、そして第２半田は鉛フリー半田を含み、前記方法は、
    蓋体をフレーム構造に取り付けて、少なくともグロスリークテストに合格するように少なくとも一つの半導体チップ、及び少なくとも一つの整合要素を気密封止する工程をさらに備える、方法。
22. フランジは第１の半田付け可能な表面を有し、
    少なくとも一つの半導体チップは第２の半田付け可能な表面を有し、
    第１半田は、第１の半田付け可能な表面の第１部分を第２の半田付け可能な表面に半田接続し、
    ベース金属要素は第３の半田付け可能な表面を有し、
    第２半田は、第１の半田付け可能な表面の第２部分を第３の半田付け可能な表面に半田接続する、請求項２１記載の方法。
23. 第１半田を使用する工程は第１リフロー温度で行われ、第２半田を使用する工程は第２リフロー温度で行われ、
    第１リフロー温度は第２リフロー温度よりも高い、請求項２１記載の方法。
24. 蓋体を取り付ける工程の後に、第３半田を使用して少なくとも２つの電気リードを回路基板にマウントする工程をさらに備え、
    第３半田を使用する工程は第３リフロー温度で行われ、
    第２リフロー温度は第３リフロー温度よりも高い、請求項２３記載の方法。
25. 有機系電気絶縁要素を少なくとも２つの電気リード及びベース金属要素と一体成形する前に、第２半田をベース金属要素の半田付け可能な表面に塗布する、請求項２１記載の方法。
26. 有機系電気絶縁要素を少なくとも２つの電気リード及びベース金属要素と一体成形した後に、かつ第２半田を使用する工程の前に、第２半田をベース金属要素の半田付け可能な表面に塗布する、請求項２１記載の方法。
27. 第２半田を使用する工程の前に、第２半田をベース金属要素の半田付け可能な表面に塗布する、
    請求項２１記載の方法。
28. 半導体構造を組み立てるための方法において、
    第１表面を有する基板を設ける工程と、
    半導体チップを基板の第１表面にマウントする工程と、
    前記マウントする工程の後に、電気絶縁構造を基板の第１表面に半田接続する工程とを備え、前記電気絶縁構造は電気リード、及び電気リードと一体成形される有機系要素を含む、方法。

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