JP2016503969A - チップパッケージアッセンブリ - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも１つの半導体チップ（２）を取り付け、取り外すチップパッケージアッセンブリ（１）及びその使用法に関し、該チップパッケージアッセンブリ（１）は、フランジ（３）と基板（４）とを有し、前記少なくとも１つのチップ（２）と前記基板（４）とは、前記フランジ（３）の１つの面に配置されている。前記フランジ（３）は導電性かつ熱伝導性の材料から成っている。

Description

本発明は、少なくとも１つの半導体チップを取り付けるチップパッケージアッセンブリ及びその使用であって、フランジと基板とを有し、前記少なくとも１つのチップと前記基板とは、前記フランジの１つの面に配置されている、チップパッケージアッセンブリ及びその使用に関する。
本発明は、例えば垂直接合電界効果トランジスタ（ＶＪＦＥＴ）を含む半導体チップを取り付け、封止するために使用することができるチップパッケージアッセンブリを説明している。特に高出力ＲＦ半導体デバイスは、ＶＪＦＥＴ構造により構成することができる。チップパッケージは例えば、米国特許第６３１８６２２号明細書、米国特許第６９６７４００号明細書、米国特許第６４６５８８３号明細書、米国特許第７２５６４９４号明細書により公知である。
米国特許第６３１８６２２号明細書には、付加的な基板に取り付けられる高出力チップのアッセンブリが記載されている。半導体チップは、ボンディングワイヤによって主基板に電気的に接続されている。リボンコネクタは、外部の電気的接続部用に使用される。アッセンブリの内部構造を保護するために付加的なキャップが使用される。米国特許第６９６７４００号明細書には、基板、チップ、接着手段、カバー及びスペーサを含むＩＣチップパッケージが記載されている。基板の端面においてビアが、外部の電気的接続のために使用されていて、ボンディングワイヤはビアを貫通して通されている。これにより、半導体チップを電気的にパッケージの外側に良好に接続することができるようになる。
上述したアッセンブリからは２つの大きな問題が生じている。複数の基板を一緒に接続する問題と、熱伝達の問題である。高出力デバイスでは使用中、莫大な量の熱が実際に発生する。このような熱は、デバイスの臨界温度を超過しないように、また最悪のケースでは臨界温度を超過した温度によってデバイスが破壊されることがないように、周囲に伝達する必要がある。例えば外部の冷却ブロックを使用することにより熱伝達を改善するといった可能性は記載されていない。
米国特許第６４６５８８３号明細書には、高周波数用の高出力トランジスタチップが、導電性かつ伝熱性フランジにその背面で連結されていることが記載されている。米国特許第７２５６４９４号明細書に記載されたチップパッケージは、チップの背面にヒートスプレッダを有している。フランジ又はヒートスプレッダの上面に取り付けられた基板に電気的に接続される、トランジスタのゲート及びドレイン用の電気的なコネクタがある。上述のアッセンブリは良好な熱特性を示しているが、グランドからのフランジ又はヒートスプレッダの電気的絶縁が必要とされる用途のためにだけ限定的に使用することができる。この電気的絶縁は、例えばチップの底面に位置するドレインコネクタを有したＶＪＦＥＴチップの使用に伴い必要とされる。
本発明の課題は、特に、チップの底面にトランジスタのドレインコンタクト接続部を有したチップのための、高い効率で半導体チップから熱を除去するチップパッケージアッセンブリを提供することである。チップの底面とは、例えばソースコンタクトや外部のデバイスへのチップの電気的接続部のような別の電気的コンタクトを備えた面とは反対の面である。底面とは、チップが取り付け構造上に配置される面である。本発明のさらなる課題は、チップパッケージアッセンブリを提供し、チップをこのアッセンブリに取り付け、かつこのアッセンブリから取り外すことのできる使用法を提供することである。半導体チップがエラーを示した場合、このチップを除去し、かつ／又は適切に作動するものと交換することが容易であるべきである。
上記課題は、請求項１に記載のチップパッケージアッセンブリ及び請求項１５に記載の使用法により解決される。
本発明による、少なくとも１つの半導体チップを取り付けるチップパッケージアッセンブリは、フランジと基板とを有し、前記少なくとも１つのチップと前記基板とは、前記フランジの１つの面に配置されている。この場合、フランジは前述の取り付け構造である。フランジは導電性かつ熱伝導性の材料から成っている。これは、この材料は、絶縁体のような別の材料と比較して低い電気抵抗及び熱抵抗を有していることを意味している。
本発明によるチップパッケージアッセンブリの利点は、フランジによる、少なくとも１つの半導体チップからの熱除去の効率の高さにある。このチップは、チップの底面にトランジスタのドレインコンタクト接続部を有することができ、この面にはさらにフランジを熱的に連結することができる。このアッセンブリは使用し易く、組み立てやすく、パーツ数が少なく、低コストで、高周波数用途に使用できる。
フランジの導電性・伝熱性材料は、金属、特に熱伝導率の高い金属、特に銅を有することができる、又は金属、特に熱伝導率の高い金属、特に銅から成っていて良い。銅製のフランジは、高い熱伝導率を示し、例えばチップの高出力用途において生じる熱をチップから良好に伝達することができる。使用中もチップを冷却し、臨界温度以下に維持することにより、チップの損傷及びエラーは阻止される。
基板は高周波数において低損失の材料を含むことができる。基板は例えば、プリント配線板（ＰＣＢ）材料から形成することができる。この材料は、高周波数用途において多くの信号を吸収しない。即ち、高い周波数を有する放射はこの材料を損失なく又は殆ど損失なく通過することができる。ＰＣＢ材料は安価であり、扱いやすく、機械的に安定していて、電気的コンタクトのような別の電子的又は電気的構成部分をその上に容易に配置することができる。
少なくとも１つのチップは、その底面に、トランジスタのドレインコンタクト接続部を有している。底面とはフランジに面した側であり、特に少なくとも１つのチップのその他の電気的コンタクトを有した面とは反対側である。本発明によるチップパッケージアッセンブリによれば、底面にトランジスタのドレインコンタクト接続部を有したチップを、同じ面においてフランジもしくは冷却装置に取り付けることもできる。
少なくとも１つのチップ及び／又は基板を、はんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペーストを使用して、フランジの１つの面に取り付けることができる。これにより、少なくとも１つのチップ及び／又は基板をフランジに簡単かつ安価に配置することができる。
少なくとも１つのチップのコネクタ、特にフランジに面した側とは反対の前記少なくとも１つのチップの面にあるコネクタは、ボンディング、特にワイヤ及び／又はリボン線によるボンディングによって基板に接続することができる。これにより、少なくとも１つのチップと基板との間の簡単かつ良好な電気的な接続が得られる。
チップパッケージアッセンブリは、高周波数要求用の電気的なアウトレットを有していて良く、該電気的なアウトレットは、外部機器、特に増幅器プリント回路基板に接続可能である。これにより、チップパッケージアッセンブリを高周波数用途で使用しやすくなる。
基板は、電気的にコンタクトするための、特に前記少なくとも１つのチップと電気的にコンタクトした状態で、少なくとも１つの外部機器と電気的にコンタクトするための、端面金属被覆部分を有していて良い。端面金属被覆部分は、基板の側面に配置されていて、かつ／又は、前記少なくとも１つの外部機器に接続するためにはんだ付けにより形成されていて良い。電気的コンタクトのための基板の金属被覆部分の端面を側面に配置し、はんだ付けすることにより、外部機器をコンタクトに電気的に接続するのが容易になる。このような配置により、チップを外部機器に電気的に接続するのが容易になる。端面金属被覆部分は電気的な接続のためにアクセスしやすい。
チップパッケージアッセンブリは、少なくとも１つのチップのコネクタとフランジとの間に電気絶縁体を有していて良い。これにより、特に銅製のフランジのように、熱伝導率の良いフランジに関して、チップコンタクトのフランジを超えて生じる短絡が阻止される。
チップパッケージアッセンブリは少なくとも１つの冷却装置、特に冷却ブロックを有することができる。その他の能動的な又は受動的な冷却装置を、チップパッケージアッセンブリのフランジに伝熱的に接続することができる。例えば、水冷回路又は空気ファンを有した装置を使用することができる。これにより、大量の廃熱を伴う高出力用途であっても少なくとも１つのチップを良好に冷却することができる。チップパッケージアッセンブリは、少なくとも１つのチップと基板とを備えたフランジを冷却装置に取り付ける手段を有していても良い。この手段は例えばねじであって良い。
少なくとも１つのチップのコネクタと冷却装置との間に電気絶縁体を配置することができる。これにより、コネクタ間の及び／又は冷却装置を介した短絡を阻止することができる。
チップパッケージアッセンブリは、フランジと冷却装置との間に、特にプレート状の誘電基板を有することができる。この誘電基板は、少なくとも１つのチップと基板が配置されているフランジの１つの面とは反対の、フランジの面に電気的な絶縁のために配置することができる。
チップパッケージアッセンブリはさらに、少なくとも１つのチップとコネクタとを保護する封止体を有していて良い。この封止体は取り外し可能であって良い。これにより、例えば使用されたチップがエラー機能を有した場合に、アッセンブリからチップを簡単に交換することができる。
チップパッケージアッセンブリは、少なくとも１つのチップと、基板と、フランジとを冷却装置に取り付けるために誘電スリーブを貫通するねじを有していて良い。これにより、ねじに起因する電気的短絡なしに、チップパッケージアッセンブリを容易、迅速、かつ確実に組み立てることができる。
本発明によるチップパッケージアッセンブリを使用する方法は、特に少なくとも１つのチップを基板から取り外すためのチップパッケージの取り外しを含む。これは、チップパッケージアッセンブリ自体について前述したようにパーツを配置することによっても可能である。これにより、特に少なくとも１つのチップがエラーを示した場合に、これを他の正常に作動するチップと交換することができる。
説明した本発明によるチップパッケージアッセンブリを使用する方法に関連する利点は、チップパッケージアッセンブリに関連して上述した利点と同様のものである。以下に、本発明をさらに、添付の図面に示された実施態様を参照して説明する。
本発明による少なくとも１つの半導体チップ２を取り付けるチップパッケージアッセンブリ１の実施態様を示した図である。 図１のチップパッケージアッセンブリ１を冷却装置（図示せず）に取り付ける手段を示した図である。
図１には、少なくとも１つの半導体チップ２を取り付けるための、本発明によるチップパッケージアッセンブリ１の実施態様が示されている。このチップパッケージアッセンブリ１は、半導体チップ２、特に、チップの上面２ａに例えばゲート及びソースのためのトランジスタ接続部を有し、チップの底面２ｂにドレイン接続部を有した半導体チップ２を有している。チップパッケージアッセンブリ１はさらにフランジ３を有しており、このフランジ３の１つの面上にチップ２と基板４とが配置されている。このフランジ３は冷却装置として働き、良好な熱伝導率を有している。
チップ２は使用中に廃熱を出す。高出力用途では、廃熱はチップ２の温度を上昇させ、チップ２を損傷する恐れがある。従って、廃熱を除去し、環境へと伝達し、チップ２を冷却し、かつ／又はチップの温度を臨界温度以下に維持しなければならない。臨界温度以上では、チップ２の電子デバイスはエラーを示し、かつ／又は損傷される恐れがある。チップ２と良好に伝熱接触しているフランジ３は、チップ２の廃熱を吸収し、この廃熱を直接環境へと、又は付加的な冷却装置（簡略化のために図示せず）へと伝達する。フランジ３を形成する、又はフランジ３が有する適当な材料は、熱伝導率が高い金属、例えば銅である。
チップ２とフランジ３との間の良好な機械的かつ熱的接続のために、チップ２を取り付ける材料５は、はんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペーストである。これらの材料を使用して、チップ２及び／又は基板４を、フランジ３の１つの同じ面上に取り付けることができる。チップ２とフランジ３との間に電気絶縁体９を配置することができる。電気絶縁体９は、プレート上の絶縁材料から形成することができる。この電気絶縁体９は、少なくとも１つのチップ２の電気コネクタ間の短絡、及びチップ２とフランジ３との間の電気的な接続を阻止する。
基板４はフランジ３に、チップ２と同じ面で配置されていて、チップ２を配置することができる穴を有することができる。基板４上の電気アウトレット７はチップ２を電気的に接続するために使用される。チップ２と基板４とを電気的に接続する１つの方法はボンディング、例えばワイヤ及び／又はリボン線６によるボンディングである。電気アウトレット７は、基板の端面金属被覆部分８まで延在することができる。この部分８は基板４の側面に配置されていて、はんだ付けすることができる。基板の端面金属被覆部分８は、例えばこの部分８にはんだ付けされたワイヤによって、外部のデバイスと電気接続するのに適している。基板の端面金属被覆部分８と、チップ２の接続部に接続するために例えばワイヤ及び／又はリボン線６によってボンディングされた電気アウトレット７とを介して、チップ２を外部のデバイス（簡略化のために図示せず）に電気的に接続することができる。
接点接続部とボンディングされたワイヤ及び／又はリボン線６とを備えたチップ２の上面には、チップ２と接続部とを機械的かつ電気的に保護するために封止体１３を配置することができる。封止体１３又はカバーは、導電性ではないポリマから形成することができる。封止体１３は、必要な場合にチップ２を交換することができるようにアッセンブリ１から取り外し可能に配置され、接続されていて良い。
図２に示されたように、チップパッケージアッセンブリ１は、このチップパッケージアッセンブリ１を付加的な冷却装置（簡略化のために図示せず）に取り付けるための手段１０，１１を有することができる。冷却装置は例えば、フィン構造を備えたプレート又は水冷式の熱交換機であって良い。可能な取り付け用手段はねじ１０であって、このねじは冷却装置にねじ込むことができ、そのねじ頭で基板４とフランジ３とは互いに、かつ付加的な冷却装置に対して押し付けられ、又は締め付けられる。誘電基板１１をフランジ３と冷却装置との間に配置することができ、これによりフランジ３は冷却装置から電気的に絶縁されている。電流がフランジ３において誘導されるならば、高周波数用途においては絶縁が必要となり得る。絶縁により、誘導電流による誘導損失は減じられる。基板４と、フランジ３と、絶縁体１２と、冷却装置とをサンドイッチ構造で配置することができ、このような構造は、クランプ１０により互いに押し付けられて位置固定される。
誘電スリーブ１１はフランジ３からねじ１０を電気的に絶縁するために使用することができる。スリーブ１１は、ワッシャヘッドを備えたカップ状の形を有していて良い。チップパッケージアッセンブリ１は手段１１，１２によってサンドイッチ状の形で互いに締め付けられて、冷却装置へと機械的に安定的に固定され、又は取り付けられる。
フランジ３、外部の冷却装置、ねじのような導電性の部分を互いに絶縁することにより、アッセンブリ１のパフォーマンスを向上させることができ、高周波数用途において使用できるようになる。
上述した本発明自体の実施態様の特徴と先行技術により公知の実施態様の特徴とは組み合わせることができる。上述したアッセンブリ１の部材の様々な材料及び形状も可能である。例えばフランジ３を銅の代わりに鋼又は別の材料、特に金属により形成することができる。アッセンブリ１を固定する手段１０，１１のために凹部を有した、基板４及びフランジ３のＨ型の形状は、例えば８の形を有していても良い。アッセンブリ１をまとめてクランプするために、外部の冷却装置の代わりに、ねじ１０と関連してナットを使用しても良い。
チップパッケージアッセンブリ１を使用する方法は、チップ２をフランジ３に、例えばはんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペースト５を用いて取り付けることを含んでいる。チップ２とフランジ３との間に電気絶縁体９を配置することができる。チップ２の周りに、フランジ３の同じ面で基板４が、例えばやはりはんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペースト５を用いて配置されている。チップ２と、基板４の電気アウトレット７とは、例えばボンディングワイヤ及び／又はリボン線６によるボンディングによって互いに電気的に接続されている。電気アウトレット７は基板４の側面まで延在することができ、この側面は、増幅器のような外部の電気デバイスと良好に電気接触するためにはんだ付けすることができる。チップ２をフランジ３上に配置し、基板４上に直接配置しないことにより、チップ２とフランジ３との間の熱伝達は良好になる。
封止体１３はチップ２の上面と、基板４のアウトレット７へと通じている電気的な接続体６の上とに配置することができる。封止体１３は、取り外し可能なキャップの形であって良い。選択的にチップ２を注型コンパウンド内に封入することができる。このコンパウンドは、半導体チップを封止するために半導体工業で使用される通常のポリマであって良い。
手段１０，１１によってクランプすることができる、又は基板４に接着することができる、取り外し可能な封止体１３を使用することにより、チップ２の交換が簡単になる。チップパッケージアッセンブリ１は取り外し可能で、特に少なくとも１つのチップ２を基板４から取り外すことができる。例えば、取り付けられたチップ２が使用中にエラー機能を示した場合、このチップ２を別の正常に作動するチップと交換することができる。封止体１３を取り外した後に、ボンディング材料６を除去し、チップ２をフランジ３から剥がし、新しいチップ２をフランジ３上に配置し、例えばはんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペースト５を用いて位置固定する。チップ２の接続部と基板４上の電気アウトレット７とは互いに電気的にボンディングされる。そして、封止体１３を、図１及び図２に示したように、アッセンブリ１に、例えばチップ２の上面に取り付ける。
その他の付加的なステップが可能である。例えば、接着剤又ははんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペーストを除去するために、部材のクリーニングステップを行うことができる。本発明による方法のステップは、別の時間的順序で行われても良い。先行技術により公知のステップもまた、上述した本発明による方法のステップとは選択的に又はこれに付加的に行うことができる。
１ チップパッケージアッセンブリ
２ 半導体チップ
２ａ チップの上面
２ｂ チップの底面
３ フランジ
４ 基板
５ チップを取り付ける材料
６ ボンディング材料
７ 電気アウトレット
８ 基板の端面金属被覆部分
９ 少なくとも１つのチップのコネクタとフランジとの間の電気絶縁体
１０ 少なくとも１つのチップと基板とを備えたフランジを冷却装置に取り付ける手段、特にねじ
１１ 少なくとも１つのチップと基板とを備えたフランジを冷却装置に取り付ける手段、特に誘電スリーブ
１２ フランジと冷却装置との間の誘電基板
１３ 封止体

Claims (15)

  1. 少なくとも１つの半導体チップ（２）を取り付けるチップパッケージアッセンブリ（１）であって、フランジ（３）と基板（４）とを有し、前記少なくとも１つのチップ（２）と前記基板（４）とは、前記フランジ（３）の１つの面に配置されているチップパッケージアッセンブリ（１）において、
    前記フランジ（３）は導電性かつ熱伝導性の材料から成っていることを特徴とする、チップパッケージアッセンブリ。
  2. 前記フランジ（３）の前記材料は、金属、特に熱伝導率の高い金属、特に銅を含む、又は金属、特に熱伝導率の高い金属、特に銅である、請求項１記載のチップパッケージアッセンブリ。
  3. 前記基板（４）は高周波数において低損失の材料を含み、特に前記基板（４）はプリント配線板材料から成っている、請求項１又は２記載のチップパッケージアッセンブリ。
  4. 前記少なくとも１つのチップ（２）は、その底面（２ｂ）にトランジスタのドレインコンタクト接続部を有していて、前記底面（２ｂ）は前記フランジ（３）に面した側であって、特に、前記少なくとも１つのチップ（２）の別の電気的コンタクトを備えた面（２ａ）とは反対側である、請求項１から３までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  5. 前記少なくとも１つのチップ（２）及び／又は前記基板（４）は、はんだ、共晶合金、導電接着剤、及び／又は焼結ペースト（５）を使用して、前記フランジ（３）の前記１つの面に取り付けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  6. 前記少なくとも１つのチップ（２）のコネクタ、特に前記フランジ（３）に面した側とは反対の側にある前記少なくとも１つのチップ（２）のコネクタは、ボンディング、特にワイヤ及び／又はリボン線（６）によるボンディングによって前記基板（４）に接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  7. 高周波数要求用の電気アウトレット（７）を有していて、該電気アウトレット（７）は、外部機器、特に増幅器プリント基板に接続可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  8. 前記基板（４）は、電気的にコンタクトする、特に前記少なくとも１つのチップ（２）と電気的にコンタクトした状態で、少なくとも１つの外部機器と電気的にコンタクトする、端面金属被覆部分（８）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  9. 前記端面金属被覆部分（８）は、前記基板（４）の側面に配置されていて、かつ／又は、前記少なくとも１つの外部機器に接続するようにはんだ付けされている、請求項８記載のチップパッケージアッセンブリ。
  10. 前記少なくとも１つのチップ（２）の前記コネクタと前記フランジ（３）との間に電気絶縁体（９）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  11. 少なくとも１つの冷却装置、特に冷却ブロックを有していて、かつ／又は、前記少なくとも１つのチップ（２）と前記基板（４）とを備えた前記フランジ（３）を前記冷却装置に取り付ける手段（１０，１１）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  12. 前記少なくとも１つのチップ（２）の前記コネクタと前記冷却装置との間に電気絶縁体（１２）を有している、請求項１１記載のチップパッケージアッセンブリ。
  13. 特にプレートの形の、前記フランジ（３）と前記冷却装置との間の誘電基板（１２）を有していて、かつ／又は前記少なくとも１つのチップ（２）と前記基板（４）とが配置されている、前記フランジ（３）の前記１つの面とは反対側の前記フランジ（３）の面に配置された誘電基板（１２）を有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  14. 前記少なくとも１つのチップ（２）とコネクタとを保護する封止体（１３）、特に取り外し可能な封止体（１３）を有していて、かつ／又は前記少なくとも１つのチップ（２）と、前記基板（４）と、前記フランジ（３）とを前記冷却装置に固定する、誘電スリーブを貫通するねじを有している、請求項１から１３までのいずれか１項記載のチップパッケージアッセンブリ。
  15. 特に前記少なくとも１つのチップ（２）を基板（４）から取り外すために、特に少なくとも１つのチップ（２）を別のチップ（２）に交換するために、チップパッケージを取り外すことを特徴とする、チップパッケージアッセンブリ（１）を使用する方法。
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