JP2011080796A - 半導体素子のパッケージおよびそのテストソケット - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣやＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体を用いた高周波パワーデバイス、高温動作デバイス等の半導体素子の開発が進められている。２００℃を越える温度で特性検査をおこなうと、パッケージの電極端子のＡｕメッキと冶具の電極のＡｕメッキが熱拡散によってＡｕ−Ａｕ接合を形成し、冶具からパッケージを取り外すことができなくなるという問題がある。
【解決手段】 パッケージ２１の電極端子２４と接するテストソケット１のテスト電極３の表面に、Ａｕに対するバリアとなる金属層（Ｐｔメッキ１３）を形成する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、高周波パワーデバイス、高温動作デバイス等の半導体素子に用いられるパッケージとその検査冶具に関する。

ＳｉＣやＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉやＧａＡｓに比べてバンドギャップが大きいだけでなく、絶縁破壊電圧、飽和電子速度、熱伝導度が大きいなどの特徴を持ち、これらの特徴を活かして、高周波パワーデバイス、高温動作デバイス等の半導体素子の開発が進められている。
これらの新材料を用いた半導体素子として、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴやＧａＮ−ＨＥＭＴがある。これらの素子構造は、従来のＳｉやＧａＡｓ系のＭＯＳＦＥＴやＨＥＭＴと同一なので、従来のパッケージ（たとえば、特許文献１）に実装することができ、温度や周波数が従来と同程度であれば、特に問題なく評価することができる。

実開平３−３７３７号公報 （図２）

しかし、これらの新材料による半導体素子の開発が進み高性能のものが得られると、実装・評価技術の開発が必要になると考えられている。たとえば、動作温度については、Ｓｉの限界を越える１５０℃以上、原理的には５００℃程度まで可能であるといわれており、２００℃以上の実装・評価技術は未知の技術領域である。
発明者らもこれらの半導体素子の高性能化を進めており、２００℃を越える温度で特性検査をおこなったところ、パッケージの電極表面のＡｕ（金）メッキと、パッケージを固定して外部のテスタと電気的な接続をおこなうための冶具（以下、テストソケットと呼ぶ）の電極表面のＡｕメッキが、熱拡散によってＡｕ−Ａｕ接合を形成し、冶具からパッケージを取り外すことができなくなるという問題があることが分かった。

この発明は上述のような問題を解決するもので、２００℃を越える温度で特性検査をおこなっても、パッケージとの固着が起こらないテストソケットを得ることを目的とする。

この発明のテストソケットにおいては、パッケージの電極と接するテストソケットの電極の表面に、Ａｕに対するバリアとなる金属層を形成する。

この発明のテストソケットにおいては、パッケージのＡｕメッキと接する箇所に、Ａｕに対するバリアとなる金属層を形成したので、２００℃を越える高温で特性検査をおこなっても、Ａｕの熱拡散によるＡｕ−Ａｕ接合が起こらない。このため、テストソケットとパッケージが固着することが無く、容易に取り外すことができる。

この発明の実施の形態１におけるテストソケットの斜視図である。 この発明の実施の形態１におけるパッケージの斜視図である。 この発明の実施の形態１におけるパッケージをテストソケットに装着した 斜視図である。 この発明の実施の形態１におけるパッケージとテストソケットの断面を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるコネクタ構造の電極端子を有するパッケージとテストソケットを示す図である。 この発明の実施の形態４におけるパッケージとテストソケットの断面を示す図である。 この発明の実施の形態１に対する比較例を示す図である。

実施の形態１.
この発明を実施するための実施の形態１を、図１〜図４を用いて説明する。
図２は、半導体素子、たとえばＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを実装したパッケージの斜視図である。図において、２１はパッケージ、２２は基板となるプレート、２３はキャップであり、半導体素子３１（図４に図示）はプレート２２にハンダを用いてダイボンドされ、保護のため、キャップ２３で覆われている。２４はＭＯＳＦＥＴのドレインが接続された電極端子（以下、リードと呼ぶ）、２５はＭＯＳＦＥＴのゲートが接続されたリードである。ＭＯＳＦＥＴのソースはプレートに接続されているので、プレートが電極端子となる。
プレート２２は、Ｃｕ、ＣｕＷなどの金属から成り、表面にＡｕメッキが施されている。リード２４、２５はＦｅ合金やＣｕなどから成り、表面にＡｕメッキが施されている。

図１は、図２の半導体素子を特性検査する際に、パッケージ２１を固定し、外部のテスタと電気的な接続をおこなうテストソケットの斜視図である。図において、１はテストソケット、２は基板、３と４は外部のテスタと半導体素子を電気的に接続するテスト電極、５と６は絶縁体、７はふた、８はリード押さえである。基板２は、Ｃｕ、ＣｕＷ、Ｆｅ合金などの金属から成り、半導体素子への電流供給媒体と温度を一定に保つための放熱媒体としての役目を持つ。

図3は、パッケージ２１をテストソケット１に装着した図である。パッケージ２１は、図3のようにテストソケット１の基板２の上に置かれ、上からふた７がかぶせられる。プレート２２と基板２を電気的、熱的に十分接触させるため、基板２とふた７を使って、パッケージ２１を上下から適当な圧力で押さえ込む。同時に、リード２４、２５もリード押さえ８に挟まれて押さえられ、テスト電極３と４に電気的に接触する。

図４は、図３のＡ−Ａ‘断面の概略図である。パッケージ２１のリード２４、２５は、Ｆｅ合金から成るリード本体２６の表面にＡｕメッキ２７が施されている。プレート２２の表面にもＡｕメッキ２７が施されている。
テストソケット１のテスト電極３、４は、絶縁体５、６の上にＣｕの薄膜による配線１１が形成され、その上にＡｕメッキ１２とＰｔメッキ１３が施された構成である。パッケージ２１のプレート２２が置かれる部分にも、Ａｕメッキ１２とＰｔメッキ１３が施されている。ふた７は、この例ではセラミックなどの絶縁体としたのでメッキは不要であるが、プレートと同様に金属とする場合は、ＡｕメッキとＰｔメッキを施す。
Ａｕメッキ１２とＰｔメッキ１３の厚さは、それぞれ、5０ｎｍから１０μｍ程度である。メッキ層が薄いと耐摩耗性やピンホールの問題があり、厚いと割れや剥離の問題、形成時間やコストの問題があるので、好ましくはＡｕが１μｍから５μｍ程度、Ｐｔが０．１μｍから０．５μｍ程度であり、この例では、Ａｕを３μｍ、Ｐｔを０．２μｍとした。

金属の表面にＡｕメッキを施すのは、Ｆｅ合金やＣｕなど金属単体では、酸化により接触抵抗が増加するためである。本実施形態のテストソケット１においては、さらにＡｕメッキ１２の上にＰｔメッキ１３を施し、テストソケット側のＡｕメッキ１２とパッケージ側のＡｕメッキ２７が接触しないようにしている。

比較のため、図４のテストソケット１を、Ｐｔメッキ１３（図４の黒色部）が無いテストソケット２０１に置き換えた図を図７に示す。図７において、図４と同一符合は、図４と同一または相当する部分を示す。

ＳｉやＧａＡｓ系のＭＯＳＦＥＴやＨＥＭＴでは、１５０℃程度が動作温度の上限なので、この図７の構成で特性検査をおこなっても、特に問題が起こることはない。しかし、２００℃で特性検査をおこなうと、テストソケット２０１とパッケージ２１が固着し、取り外すことができないという問題が発生する。これは、テストソケット２０１のＡｕメッキ１２とパッケージ２１のＡｕメッキ２７とが熱拡散によってＡｕ-Ａｕ接合を形成するためである。

これに対し、本実施形態のテストソケット１においては、先に説明したように、Ａｕメッキ１２の上にＰｔメッキ１３を形成しているので、Ｐｔメッキ１３がバリアとなり、Ａｕの熱拡散によるＡｕ-Ａｕ接合が起こらない。このため、テストソケット１とパッケージ２１が固着することが無く、容易に取り外すことができる。また、ＰｔはＦｅ合金やＣｕのように酸化しないため、酸化による接触抵抗の増加が起こらないので、電気特性の評価を２００℃の高温でおこなうことができる。

以上の説明では、半導体素子としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの例を示したが、ＧａＮ−ＨＥＭＴなど、他の高周波パワーデバイス、高温動作デバイスにも適用できる。

テストソケットとパッケージの形状として図１、図２のものを示したが、テストソケットとパッケージが接触する箇所にバリアとなる金属層を挿入することにより、Ａｕ−Ａｕ接合を防げるものであれば、形状に依らず適用できる。
たとえば、上記の例では、高周波特性を測定するため、幅の広いテスト電極の例を示したが、針状のプローブ電極にも適用できる。

テストソケットのＡｕメッキ１２の上にＰｔメッキ１３を形成する例を示したが、Ａｕメッキ１２を省いて、Ｃｕの薄膜による配線１１の上に、直接Ｐｔメッキ１３を形成してもよい。この場合は、Ｐｔの厚さを、０．５μｍから５μｍ程度の厚さにするとよい。また、Ｐｔはメッキに限らず、真空蒸着法など、他の方法で形成してもよい。その際、必要であれば、金属とＰｔの密着性を高めるため、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉなどの密着層を間に挿入してもよい。

ＡｕのバリアとしてＰｔ（白金）の例を示したが、Ａｕに対するバリアとなり、高温で酸化して接触抵抗が増加することの無い金属であれば、他の金属でもよい。たとえば、白金族元素のパラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）を用いることができる。パラジウムとロジウムは耐熱性が高い。ルテニウムは低接触抵抗のものが得られる。

本実施形態が適用できる温度範囲は、２００℃に限るものではなく、これより下の温度では従来と変わらず適用できる。上限については、Ａｕの熱拡散によるテストソケットとパッケージの固着防止という意味では、新材料の素子の動作限界といわれている５００℃程度まで、特に問題なく適用できる。ただし、現状では、本願の発明者らが知らない他の技術課題により制限される可能性があると推定される。

実施の形態２.
実施の形態１では、テスタによる特性検査の例を示したが、特性検査は、ＩＶ特性などの電気試験に限るものではない。例えばバーンインに適用することもでき、この場合は、テストソケットをバーンイン装置にそのまま入れればよい。また、バーンイン装置のテストソケットの電極表面を、実施の形態１のように、Ｐｔメッキに変えてもよい。
Ｐｔメッキ１３がバリアとなり、Ａｕの熱拡散によるＡｕ-Ａｕ接合が起こらないので、テストソケットとパッケージが固着することが無く、容易に取り外すことができる。また、ＰｔはＡｕと同様に酸化による接触抵抗の増加が起こらないので、バーンインを２００℃以上の高温でおこなうことができる。

実施の形態３.
実施の形態１では、リード構造の電極端子を有するパッケージに対するテストソケットの例を示したが、実施の形態３では、コネクタ構造の電極端子を有するパッケージに対するテストソケットの例を示す。
図５において、１０１はテストソケットの基板、１０２はテストソケットのコネクタ（メス側）、１２１は半導体素子を実装したパッケージ、１２２はパッケージのコネクタ（オス側）である。

図５の下部右側の図は、コネクタ１０２の構造を示す図で、１０３は空洞、１０４は絶縁体、１０６は信号側電極で、空洞側がＰｔメッキ１０６ａ、絶縁体側がＡｕメッキ１０６ｂからなる。１０５は接地側電極で、絶縁体側からＡｕメッキ１０７、Ｆｅ合金１０８、Ａｕメッキ１０９、Ｐｔメッキ１１０により構成される。
図５の下部左側の図は、コネクタ１２２の構造を示す図で、１２３は表面にＡｕメッキ１２３ａが施されたＦｅ合金の心線から成る信号側電極、１２５は空洞である。１２４は接地側電極で、心線側からＡｕメッキ１２６、Ｆｅ合金１２７、Ａｕメッキ１２８により構成される。

実施の形態１と同様に、テストソケットの電極部分がパッケージの電極部分と接する箇所に、Ｐｔメッキ１０６ａとＰｔメッキ１１０を形成したので、Ｐｔメッキがバリアとなり、Ａｕの熱拡散によるＡｕ-Ａｕ接合が起こらない。このため、テストソケットのコネクタ１０２とパッケージのコネクタ１２２が固着することが無く、容易に取り外すことができる。また、Ｐｔは酸化しないため、酸化による接触抵抗の増加も起こらないので、電気特性の評価を２００℃以上の高温でおこなうことができる。

実施の形態４.
以上の実施の形態では、テストソケットのテスト電極の表面をＰｔメッキとしたが、パッケージのリードの表面をＰｔメッキとしてもよい。図６は、この実施の形態におけるパッケージとテストソケットの構造を示す図で、図４と同一符号は、同一または相当する部分である。

パッケージ２０３のリード２４、２５は、Ｆｅ合金から成るリード本体２６の表面にＰｔメッキ２８が施されている。プレート２２の表面にもＰｔメッキ２８が施されている。
テストソケット２０２のテスト電極３、４は、絶縁体５、６の上にＣｕの薄膜による配線１１が形成され、その上にＡｕメッキ１２のみが施されている。

実施の形態１と同様に、テストソケット２０２の電極部分がパッケージ２０３の電極部分と接する箇所に、Ｐｔメッキ２８を形成したので、Ｐｔメッキ２８がバリアとなり、Ａｕの熱拡散によるＡｕ-Ａｕ接合が起こらない。このため、テストソケット２０２とパッケージ２０３が固着することが無く、容易に取り外すことができる。また、Ｐｔは酸化しないため、酸化による接触抵抗の増加も起こらないので、電気特性の評価を２００℃以上の高温でおこなうことができる。

ＡｕのバリアとしてＰｔ（白金）の例を示したが、Ａｕに対するバリアとなり、高温で酸化して接触抵抗が増加することの無い金属であれば、他の金属でもよい。たとえば、白金族元素のパラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）を用いることができる。さらにパッケージの場合は、製品に組み込む際のハンダ付性の考慮が必要なことがあり、たとえば、パラジウムはハンダ付性が良い材料としても適している。

上記の説明では、テストソケットとパッケージの組合せに利用する場合について述べたが、チップテスタのプローブと半導体ベアチップの組合せなど、他のＡｕメッキ同士が接触する場合にも利用できることはいうまでもない。

1 テストソケット
２ 基板
３、４ テスト電極
７ ふた
１２ Ａｕメッキ
１３ Ｐｔメッキ
２１ パッケージ
２２ プレート
２４、２５ リード（電極端子）
２６ リード本体
２７ Ａｕメッキ
２８ Ｐｔメッキ
３１ 半導体素子
１０２、１２２ コネクタ
１０６ａ、１１０ Ｐｔメッキ
２０１、２０２ テストソケット
２０３ パッケージ

Claims (8)

1. 表面にＡｕメッキが形成された電極端子を有し半導体素子が封止されたパッケージを固定して、該半導体素子の特性検査をおこなうテストソケットであって、
   前記パッケージを載置する基板と、
   この基板上に設けられ前記電極端子と接触して前記半導体素子に電流を供給する
   テスト電極と、
   この電極の表面に形成されたＡｕに対するバリア層とを備えたテストソケット。
2. 前記バリア層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓからなる群から選択されたひとつの金属の層である請求項１に記載のテストソケット。
3. 前記特性検査の温度が、２００℃以上である請求項１に記載のテストソケット。
4. 前記半導体素子が、ＳｉＣ系またはＧａＮ系の半導体素子である請求項１に記載のテストソケット。
5. 基板と、前記基板にダイボンドされた半導体素子と、
   前記半導体素子と外部を電気的に接続する電極端子とから成る半導体素子のパッケージであって、
   前記電極端子の表面にＡｕに対するバリア層が形成された半導体素子のパッケージ。
6. 前記バリア層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓからなる群から選択されたひとつの金属の層である請求項５に記載の半導体素子のパッケージ。
7. ２００℃以上の温度で特性検査をおこなう請求項５に記載の半導体素子のパッケージ。
8. 前記半導体素子が、ＳｉＣ系またはＧａＮ系の半導体素子である請求項５に記載の半導体素子のパッケージ。

Images