JP2018511175A - チップ配置、および接触接続部を形成する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、チップ配置（１０）、および、特にパワートランジスタなどのチップ（１８）と導体材料トラック（１４）との間に接触接続部（１１）を形成するための方法に関する。導体材料トラックは非導電性基板（１２）上に形成され、チップは基板上または導体材料トラック（１５）上に配置される。チップのチップ接触面（２５）および導体材料トラック（２８）の各々に、銀ペースト（２９）または銅ペーストが塗布される。チップ接触面上の銀ペーストまたは銅ペースト内、および、導体材料トラック上の銀ペーストまたは銅ペースト内に、接触導体（３０）が埋められる。銀ペーストまたは銅ペーストに含有された溶媒は、加熱によって少なくとも部分的に気化する。接触接続部は、レーザエネルギを用いて銀ペーストまたは銅ペーストを焼結することによって形成される。

Description

本発明は、チップ配置、および、チップ（特に、パワートランジスタなど）と導体材料トラックとの間に接触接続部を形成するための方法に関する。導体材料トラックは非導電性基板上に形成され、チップは基板上または導体材料トラック上に配置される。

従来技術から公知のチップは、ハウジング付きで実現されることもあれば、露出した半導体部品として実現されることもある。これらのチップは、通常、ダイ、むき出しのダイ、または、むき出しのチップと呼ばれる。この種のチップはハウジング無しで加工され、基板またはプリント回路基板に直接適用される。そうすることにより、チップのチップ接触面と導体材料トラックとの間の直接接触が形成され得る。他のチップのチップ接触面は、接触導体、すなわち、いわゆるボンドワイヤを介して、他の導体材料トラックに接続され得る。この種の接触接続部は、通常、パワートランジスタ上にも形成される。その文脈では、たとえば、パワートランジスタまたはチップの下側チップ接触面は、導体材料トラック上に配置され、実質的にその全面にわたって、そこに接続される。接触した下側チップ接触面とは反対のチップの上側チップ接触面は、チップの隣に延びる別の導体材料トラックに、複数のボンドワイヤを介して、たとえば超音波ボンディングまたは半田付けによって接続される。このチップ配置によって、十分に大きな導体断面が、大電流の伝送に確実に利用可能となる。また、この種の用途には、アルミニウム製の比較的太いボンドワイヤが使用され得る。

特に、パワートランジスタ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、およびパワーモジュール用のダイオードなど）の場合、たとえば、１５ｋＷ〜１５０ｋＷの出力範囲の高い熱応力および電気的応力が生じる。これらの応力は、接触接続部およびチップ配置の部品の破損につながりやすい。さらに、たとえば車両または風力発電所において当該チップ配置を用いた場合、大きな温度変動に起因して、チップ配置の耐用年数がさらに縮まる可能性がある。たとえば、これらの応力に起因して、接触接続部が切断または分離される可能性がある。さらに、接触導体と導体材料トラックまたはチップ接触面との間の半田接続は、接触接続部を永久的に損傷しないようにするには最大１７５℃までしか加熱できない。さらに、この種のチップ配置は、作製するのに比較的費用がかかる。なぜなら、大電流を伝送するために、チップ接触面と導体材料トラックとの間に複数の接触導体を配置しなければならないからである。

ゆえに、本発明の目的は、作製が簡単でありながら、改善された耐久性を示す接触接続部を有するチップ配置、および、そのような接触接続部を形成する方法を提案することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する接触接続部を形成するための方法によって、および、請求項１４の特徴を有するチップ配置によって、達成される。

特にパワートランジスタなどのチップと、導体材料トラックとの間に接触接続部を形成するための本発明に係る方法において、導体材料トラックは非導電性基板上に形成され、チップは基板上または導体材料トラック上に配置される。チップのチップ接触面および導体材料トラックの各々に、銀ペーストまたは銅ペーストが塗布される。チップ接触面上の銀ペーストまたは銅ペースト内、および、導体材料トラック上の銀ペーストまたは銅ペースト内に、接触導体が埋められる。銀ペーストまたは銅ペーストに含有された溶媒は、加熱によって少なくとも部分的に気化する。接触接続部は、レーザエネルギを用いて銀ペーストまたは銅ペーストを焼結することによって形成される。

基板は、プラスチック材料またはセラミック材料から成るものであってもよく、電子部品または半導体部品を接続するための導体材料トラックが、最初に基板に形成されてもよい。これは、従来技術で十分に理解された方法によって行なわれ得る。次いで、チップが、非導電性基板上に直接配置されるか、または導体材料トラック上に配置される。チップが導体材料トラック上に配置される場合、チップは、導体材料トラックに電気的に接続される。基板または導体材料トラックから離れる方向に面するチップの上側には、チップとの接触部を形成するための、少なくとも１つの上側チップ接触面が形成される。接触接続部の形成によって、チップ接触面は、チップに対して隣接する導体材料トラック、または別の導体材料トラックに、接触導体を介して接続されることになる。この目的のために、液状またはペースト状の銀ペーストまたは銅ペーストが、チップに対して隣接する導体材料トラックに塗布される。上側チップ接触面にも、ペーストまたは金属ペーストが塗布される。ペーストは、塗布装置を用いて自動的に塗布されてもよい。次いで、接触導体が、チップ接触面上のペースト内、および、導体材料トラック上のペースト内に埋められる。その結果、各々の場合において、接触導体がペーストによって少なくとも部分的に包囲される。銀ペーストまたは銅ペーストは溶媒を含有し、この溶媒は、加熱によって少なくとも部分的に気化する。これにより、塗布されたペーストの体積が減少する場合がある。加熱の程度に応じて、溶媒は、蒸発または沸騰によって気化し得る。接触接続部の最終的な形成は、レーザエネルギまたはレーザ焼結を用いて銀ペーストまたは銅ペーストを焼結することによって行なわれ、レーザビームは、直接的または間接的に、接触接続部の領域に向けられる。銀ペーストに含有された銀粉または銀粒子は、少なくとも部分的に融解または焼結して一体となり、接触導体とチップ接触面との間、および接触導体と導体材料トラックとの間の電気的な接続を形成することになる。銅ペーストも同じ方法で焼結される。チップ接触面、導体材料トラック、および（該当する場合は）接触導体への銀ペーストまたは銅ペーストの塗布、および、後続の焼結は、並行して、または順々に行なわれ得る。チップ接触面と導体材料トラックのいずれに先にペーストが設けられ、またはいずれが先に焼結されるかは重要ではない。チップ接触面上または導体材料トラック上における接触部の形成を先に終わらせ、次いで、第２の接触部を形成するためのペーストを塗布および焼結させることも可能である。方法ステップの順序に関して、ペーストを塗布する前に、まずチップ接触面上または導体材料トラック上に接触導体を設けてもよい。次いで、接触導体を有するチップ接触面または導体材料トラックにペーストを塗布し、同時に接触導体をペースト内に埋める。

接触接続部を作る際に、半田の代わりに銀ペーストまたは銅ペーストを使用することによって、接触接続部は実質的により長持ちする。焼結されたペーストは、大きな温度変動および高い動作温度に対して、実質的により高い耐性がある。たとえば、チップの動作温度は、焼結された銀ペーストによって、最大３００℃まで実現可能である。さらに、大電流を伝送可能にするためにチップ端子表面と導体材料トラックとの間に多数の接触接続部を形成することは、もはや必要ない。本発明に係る方法は、接触導体の断面に大きく影響されないため、接触導体および接触接続部の数を実質的に減らすことが可能である。これにより、チップ配置の作製は、全体として費用効果がより高いものになる。

撚り線、好ましくは扁平なリッツ線、特に好ましくは銅または銅合金から成る撚り線または扁平なリッツ線が、接触導体として使用され得る。撚り線は、特に可撓性がある。このことが意味するのは、ソリッドワイヤ状の接触導体とは異なり、チップ接触面上または導体材料トラック上のそれぞれの接触部において、大きな温度差によって潜在的に生じ得る剪断応力または引っ張り応力が生じ得ないということである。ワイヤまたはボンドワイヤとは対照的に、扁平なリッツ線は断面が比較的大きく、それゆえに、大電流を伝送することができる。

また、撚り線には、少なくとも部分的に、銀ペーストまたは銅ペーストが入り込み得る。撚り線をペースト内に埋めることによって、ペースト（銀粒子または銅粒子）が撚り線に入り込むことができるので、焼結の際に、特に密着した接続が銀粒子または銅粒子と撚り線との間に形成され得る。撚り線は、その毛管効果により、ペーストを吸収することもできるので、チップ接触面の領域および導体材料トラックの領域において、撚り線が銀粒子または銅粒子で満たされ得る。

さらに、１つのチップ接触面につき、撚り線が１つだけ用いられることが想定され得る。これは、撚り線または扁平なリッツ線が、チップ接触面の寸法に近い比較的大きな幅を有し得ることによって可能になる。この場合、複数の接触導体を使用することが、もはや必要なくなるであろう。チップ接触面と導体材料トラックとを接続するために撚り線を１つだけ使用する場合、特に迅速に、ひいては費用効果の高い態様で、当該方法を実施することができる。

発熱体に接して、または発熱体上に基板を配置することによって、銀ペーストまたは銅ペーストの加熱が実現され得る。次いで、基板、ひいては導体材料トラック、およびチップ接触面が、ペーストの溶媒が気化するまで加熱され得る。これにより、ペーストを外部加熱するための炉または同様の装置の使用を完全に省くことができる。

さらに、基板は、加熱の際にクランピング手段によって支持されることが想定され得る。これにより、一方では、基板を正確に位置決めすることが可能になる。他方では、クランピング手段が発熱体を有すること、または発熱体自体を形成することが可能になる。このように、溶媒を気化するために銀ペーストまたは銅ペーストを加熱することが、なお一層簡単になる。

当該方法の過程では、銀ペーストまたは銅ペーストは、溶媒が完全に気化する前に焼結され得る。これにより、銀ペーストまたは銅ペーストが焼結される前に完全に乾燥することを防止することができる。完全に無溶媒の、または完全に乾燥したペーストは、乾燥工程または動きに起因して破損しやすく、それは接触接続部の損傷につながる場合がある。

接触導体は、焼結の際に、チップ接触面上、および／または導体材料表面上に、押圧装置によって押付けられ得る。この方法によって、特に密着した接触を、接触導体とチップ接触面または導体材料トラックとの間に形成することができる。さらに、焼結された銀ペーストまたは銅ペーストを冷却する際に、望ましくないひび割れの形成を避けることができる。

上記方法の別の実施形態では、接触導体は、焼結の後に切断され得る。たとえば、接触導体はコイルまたは巻き枠に収納され、チップ接触面および導体材料トラックへ自動的に供給されてもよい。その際に、まず、接触導体の端部をチップ接触面上に置き、接触導体の一部分を導体材料トラック上に配置してもよい。または、その逆であってもよい。銀ペーストまたは銅ペーストを焼結して接触接続部を形成した後に、上記部分において接触導体を切断または切離し、接触導体の自由端部を、別の接触接続部の形成のために再度利用可能としてもよい。

チップ接触面は、チップ表面に銅片を適用することによって形成され得る。その場合、チップ表面は、シリコンなどの半導体材料から成るものであってもよい。銅片を適用することによって、チップ表面のメタライゼーションは特に簡単になる。銅片は、接触導体との電気的接触の形成を容易にすることもできる。

さらに、導体材料トラック、および／またはチップ接触面に、接触メタライゼーションが施され得る。接触メタライゼーションは、比較的薄くすることができ、かつ、銀ペーストもしくは銅ペースト、または溶融した銀ペーストもしくは銅ペーストによって、チップ接触面および導体材料トラックの濡れ性を実質的に改善することができる。

接触メタライゼーションは、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタ蒸着、亜鉛メッキ、または無電解メッキによって形成され得る。

接触メタライゼーションは、銀、ニッケル、銅、金、パラジウム、アルミニウム、またはこれらの金属のうちの１つの別の合金から成るものであり得る。たとえば銀から成る接触メタライゼーションは、比較的薄く形成することができ、より良好な電流密度分布を可能にするとともに、チップの冷却などに際して特に好ましい熱エネルギの熱散逸も可能にする。さらに、焼結の際に、銀ペーストまたは銅ペーストは、接触メタライゼーションの銀と特に良好に融合可能である。

特にパワートランジスタなどのための本発明に係るチップ配置は、チップと、導体材料トラックが形成された非導電性基板と、接触導体とを備え、チップは、基板上、または導体材料トラック上に配置されている。チップのチップ接触面および導体材料トラックの各々に、銀ペーストまたは銅ペーストが塗布されている。チップ接触面上の銀ペーストまたは銅ペースト内、および、導体材料トラック上の銀ペーストまたは銅ペースト内に、接触導体が埋められている。銀ペーストまたは銅ペーストに含有された溶媒は、加熱によって気化している。レーザエネルギを用いて銀ペーストまたは銅ペーストを焼結することによって、接触接続部が形成されている。

本発明に係るチップ配置の有利な効果に関しては、本発明に係る方法の利点についての記載を参照する。チップ配置の他の有利な実施形態は、請求項１を引用する従属請求項から明らかになる。

以下の記載において、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を、より詳細に説明する。

方法ステップにおける、第１の実施形態のチップ配置の概略的な断面図である。 接触接続部が完成した後の、図１のチップ配置の概略的な断面図である。 第２の実施形態のチップ配置の概略的な断面図である。 第３の実施形態のチップ配置の概略的な断面図である。

図１は、接触接続部１１を作製する際のチップ配置１０を概略的な断面図で示したものである。チップ配置１０は非導電性基板１２を含み、その表面１３上には、複数の異なる導体材料トラック１４および１５が形成される。導体材料トラック１４および１５は、絶縁ギャップ１６によって互いに隔てられているため、互いに電気的に絶縁されている。銀または銀合金から成る接触メタライゼーション１７が、導体材料トラック１４および１５の各々に形成され、または施される。代替的には、接触メタライゼーション１７は、ニッケル、銅、金、パラジウム、アルミニウム、またはこれらの金属のうちの１つの別の合金から成るものであってもよい。半導体材料から成るチップ１８が、導体材料トラック１５上に形成される。導体材料トラック１５から離れる方向に面するチップ１８の背面１９には、銀または銀合金から成る接触メタライゼーション２３が施される。導体材料トラック１５の方に面するチップ１８の前面２０には、接触バンプ２１が施される。接触バンプ２１は、チップ１８を導体材料トラック１５に接続する。したがって、背面側チップ接触面２５および前面側チップ接触面２６が、チップ１８上に形成される。チップ１８のチップ接触面２６は、電気的に接続によって、導体材料トラック１５の導体表面２７と接触している。導体材料トラック１４の導体表面２８、および、チップ１８のチップ接触面２５の各々には、規定された量の銀ペースト２９が塗布されている。接触導体３０は、銅から成る扁平なリッツ線３１として実現され、その端部３２および３３が銀ペースト２９内に埋められる。銀ペースト２９は、端部３２および３３を実質的に包囲している。

図２から分かるように、銀ペースト２９は、その中に含まれた溶媒の大部分が気化した後に、焼結された。焼結は、銀ペースト２９ならびに端部３２および３３の各々にレーザエネルギが導入されることによって、行なわれた。この方法によって、接触接続部１１の第１の接触部３４は、銀ペースト２９および端部３２によって導体表面２８上に形成され、接触接続部１１の第２の接触部３５は、銀ペースト２９および端部３３によってチップ接触面２５上に形成された。銀ペースト２９の銀粒子（図示せず）は端部３２および３３に入り込み、焼結処理によって焼結し、または部分的に融解して一体となった。扁平なリッツ線３１のフィラメント（図示せず）および導体表面２８と、扁平なリッツ線３１のフィラメント（図示せず）およびチップ接触面２５とによって、特に密着した接続が形成されている。このように、焼結された銀ペースト２９は、接触領域３６および３７において固化する。

図３は、第２の実施形態のチップ配置３８を示す。チップ配置３８は、銀ペースト２９が焼結した後に切断された扁平なリッツ線３９を含む点において、図２に示すチップ配置とは異なる。したがって、扁平なリッツ線３９の端部４０は、接触領域４１から突出し、扁平なリッツ線３９の部分４２が、チップ１８との接触部４３を形成するように機能する。

図４は、第３の実施形態のチップ配置４４を示す。チップ配置４４は、導体材料トラック４５および４６を含み、その間にチップ４７が配置される点において、図２に示すチップ配置とは異なる。チップ４７は、チップ４７の前面５０に２つの前面側チップ接触面４８および４９を形成し、チップ４７の背面５１は、基板５２上に直接置かれる。チップ接触面４８は、扁平なリッツ線５５として実現される接触導体５３を介して、導体材料トラック４５の導体表面５７に接続される。チップ接触面４９は、扁平なリッツ線５６として実現される接触導体５４を介して、導体材料トラック４６の導体表面５８に接続される。

上述の実施形態の例において、銀ペーストの代わりに銅ペーストを用いてもよい。

Claims (14)

1. 特にパワートランジスタなどのチップ（１８、４７）と、導体材料トラック（１４、４５、４６）との間に接触接続部（１１）を形成するための方法であって、前記導体材料トラックは非導電性基板（１２、５２）上に形成され、前記チップは前記基板上または導体材料トラック（１５）上に配置され、
   前記チップのチップ接触面（２５、４８、４９）および前記導体材料トラック（１４、４５、４６）の各々に、銀ペースト（２９）または銅ペーストが塗布され、
   前記チップ接触面上の前記銀ペーストまたは前記銅ペースト内、および、前記導体材料トラック上の前記銀ペーストまたは前記銅ペースト内に、接触導体（３０、５３、５４）が埋められ、
   前記銀ペーストまたは前記銅ペーストに含有された溶媒は、加熱によって少なくとも部分的に気化し、
   前記接触接続部は、レーザエネルギを用いて前記銀ペーストまたは前記銅ペーストを焼結することによって形成されることを特徴とする、方法。
2. 撚り線、好ましくは扁平なリッツ線（３１、５５、５６）、特に好ましくは銅または銅合金から成る撚り線または扁平なリッツ線が、接触導体（３０、５３、５４）として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記撚り線には、少なくとも部分的に、前記銀ペースト（２９）または前記銅ペーストが入り込んでいることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. １つのチップ接触面（２５、４８、４９）につき、撚り線が１つだけ用いられることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
5. 発熱体に接して、または発熱体上に前記基板（１２、５２）を配置することによって、前記銀ペースト（２９）または前記銅ペーストの加熱が実現されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記基板（１２、５２）は、加熱の際にクランピング手段によって支持されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記銀ペースト（２９）または前記銅ペーストは、前記溶媒が完全に気化する前に焼結されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記接触導体（３０、５３、５４）は、焼結の際に、前記チップ接触面（２５、４８、４９）上、および／または前記導体材料トラック（１４、４５、４６）上に、押圧装置によって押付けられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記接触導体（３０、５３、５４）は、焼結の後に切断されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記チップ接触面（２５、２６、４８、４９）は、チップ表面に銅片を適用することによって形成されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記導体材料トラック（１４、４５、４６）、および／または前記チップ接触面（２５、２６、４８、４９）に、接触メタライゼーション（１７、２３）が施されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記接触メタライゼーション（１７、２３）は、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタ蒸着、亜鉛メッキ、または無電解メッキによって形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記接触メタライゼーション（１７、２３）は、銀、ニッケル、銅、金、パラジウム、アルミニウム、またはこれらの金属のうちの１つの合金から成ることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
14. チップ（１８、４７）と、導体材料トラック（１４、４５、４６）が形成された非導電性基板（１２、５２）と、接触導体（３０、５３、５４）とを備え、前記チップは、前記基板上、または導体材料トラック（１５）上に配置された、特にパワートランジスタなどのためのチップ配置（１０、３８、４４）であって、
    前記チップのチップ接触面（２５、４８、４９）および前記導体材料トラック（１４、４５、４６）の各々に、銀ペースト（２９）または銅ペーストが塗布され、
    前記チップ接触面上の前記銀ペーストまたは前記銅ペースト内、および、前記導体材料トラック上の前記銀ペーストまたは前記銅ペースト内に、前記接触導体が埋められ、
    前記銀ペーストまたは前記銅ペーストに含有された溶媒は、加熱によって気化し、
    レーザエネルギを用いて前記銀ペーストまたは前記銅ペーストを焼結することによって、接触接続部（１１）が形成されることを特徴とする、チップ配置。

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