JP2979086B2 - 金属ラミネートおよびそれを用いた熱圧着電子パワーチップ構造 - Google Patents
金属ラミネートおよびそれを用いた熱圧着電子パワーチップ構造Info
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Description
【発明の詳細な説明】 関連出願 この出願は、米国特許出願第375,569号（出願日1989
年７月３日）「パッケージの蓋を貫通するリードを有す
る大電流ハーメチックパッケージおよびパッケージした
半導体チップ」と関連している。本出願人に譲渡された
米国特許出願第375,569号をこの明細書で援用するが、
それはパッケージした半導体チップの頂部に薄いホイル
（foil）コネクタを通す方法を教示する。
年７月３日）「パッケージの蓋を貫通するリードを有す
る大電流ハーメチックパッケージおよびパッケージした
半導体チップ」と関連している。本出願人に譲渡された
米国特許出願第375,569号をこの明細書で援用するが、
それはパッケージした半導体チップの頂部に薄いホイル
（foil）コネクタを通す方法を教示する。
発明の背景 発明の分野 この発明は、一般に薄型小形の電子パワー装置パッケ
ージングに関し、特に、このような装置およびパッケー
ジングの物理的パラメータ（すなわち、重量、体積、抵
抗およびインダクタンス）の有益な減少をさらに大きく
するために、このような装置用の実質的にインダクタン
スのない電気リードまたは接続部を形成する方法に関す
る。
ージングに関し、特に、このような装置およびパッケー
ジングの物理的パラメータ（すなわち、重量、体積、抵
抗およびインダクタンス）の有益な減少をさらに大きく
するために、このような装置用の実質的にインダクタン
スのない電気リードまたは接続部を形成する方法に関す
る。
以下の教示は主として単一装置の実現に向けられてい
るが、集積回路のような同様な装置のバッチ作製に簡単
に拡張することができる。
るが、集積回路のような同様な装置のバッチ作製に簡単
に拡張することができる。
従来技術 電子パワーチップ装置に高インダクタンスのワイヤを
使用することを避ける従来知られているリードまたはコ
ネクタ技術は、「金バンプ技術」と称される技術を使用
している。上記装置に複数の金接点を、チップの選ばれ
た接点パッド上の複数の金属金（gold）の導電性デテン
ト（dentent）の形態で使用する。この技術は、米国特
許第4,750,666号の教示にしたがって実施される。この
特許の発明では、金デテント（「バンプ」という）は、
装置のアルミニウム接点パッドに直接結合される金の半
球体として特徴づけられている。最近、本発明者のうち
２人が行った研究によれば、前述したような金デテント
−装置パッド接点を用いるタイプの金（Au）−アルミニ
ウム（Al）界面に、異常が存在することがわかった。そ
の特定されたストレイタム（stratum）の形態のアルミ
ニウムは、所望のチップ表面上に金属アルミニウムの薄
層を被着することにより半導体チップを金属化（メタラ
イズ）する現在の慣用技術から生じる。ある状況下で、
金−アルミニウム界面の金属間（Au−Al）区域にいくつ
かの金属間化合物相:Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAlおよ
びAuAl2が生成する（AuAl2は「パープルプレーグ」と呼
ばれる）。このAuxAly生成およびそれに伴うカーケンド
ル（Kirkendall）ボイド生成は、アルミニウム・バイメ
タル（二金属）配線技術で1975年以来知られている問題
である。パープルプレーグの生成機構を詳しく理解する
ために、相当な量の研究が行われてきた。臭化物、ふっ
化物、塩化物などの不純物により180℃以上の温度で誘
引される腐食がパープルプレーグ生成を促進し、その結
果Au−Al界面で早期の結合破損が生じる。パープルプレ
ーグおよびボイド生成に起因する結合破損を減らすため
に、塩素、臭素およびふっ素を厳密に制御する。パープ
ルプレーグ生成は金属−金族拡散現象により説明され、
したがって、それはあらゆる金−アルミニウム界面に存
在しそうである。最終の安定な化合物の生成速度は、反
応温度および最初の二元（Au−Al）フィルム中の金とア
ルミニウムの割合に依存する。最初の相互作用は約100
℃での熱処理中に起こり、Au5Al2を生成する短い中間段
階を経過しながら、Au2Alの中間層を生成する。すべて
のアルミニウムを使い尽くすまで、この過程が支配的で
ある。もしもアルミニウム層の厚さが金の厚さより大き
いと、230℃への加熱が低温で生成したAu2AlをAuAl2に
変換する。逆に、アルミニウム層の厚さが金の厚さより
小さい場合には、最終的は、初期の低温で生成したAu2A
lからAu4Alのような金含量の多い化合物になる。あらゆ
る場合に、発展中の化合物層の厚さは焼鈍時間の平方根
に比例する。これは、すべての相互作用が拡散で限定さ
れていることを示唆する。通常の金ワイヤボンディング
では、（ある長さの金ワイヤを残して導電通路を確保し
なければならないので）いつも余分な金が得られ、そし
て金がいつも余分に存在するところでは、反応が続き、
パープルプレーグ生成が臨界的になる。正常な作動条件
では、パワーチップの温度は約150℃を越えてはなら
ず、そして汚染されていない条件ではパープルプレーグ
は問題を呈さない。しかし、温度が長期間200℃を越え
たり、前述したタイプのハロゲン化物が存在すると、チ
ップ接点がおそらく破損（故障）する。
使用することを避ける従来知られているリードまたはコ
ネクタ技術は、「金バンプ技術」と称される技術を使用
している。上記装置に複数の金接点を、チップの選ばれ
た接点パッド上の複数の金属金（gold）の導電性デテン
ト（dentent）の形態で使用する。この技術は、米国特
許第4,750,666号の教示にしたがって実施される。この
特許の発明では、金デテント（「バンプ」という）は、
装置のアルミニウム接点パッドに直接結合される金の半
球体として特徴づけられている。最近、本発明者のうち
２人が行った研究によれば、前述したような金デテント
−装置パッド接点を用いるタイプの金（Au）−アルミニ
ウム（Al）界面に、異常が存在することがわかった。そ
の特定されたストレイタム（stratum）の形態のアルミ
ニウムは、所望のチップ表面上に金属アルミニウムの薄
層を被着することにより半導体チップを金属化（メタラ
イズ）する現在の慣用技術から生じる。ある状況下で、
金−アルミニウム界面の金属間（Au−Al）区域にいくつ
かの金属間化合物相:Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAlおよ
びAuAl2が生成する（AuAl2は「パープルプレーグ」と呼
ばれる）。このAuxAly生成およびそれに伴うカーケンド
ル（Kirkendall）ボイド生成は、アルミニウム・バイメ
タル（二金属）配線技術で1975年以来知られている問題
である。パープルプレーグの生成機構を詳しく理解する
ために、相当な量の研究が行われてきた。臭化物、ふっ
化物、塩化物などの不純物により180℃以上の温度で誘
引される腐食がパープルプレーグ生成を促進し、その結
果Au−Al界面で早期の結合破損が生じる。パープルプレ
ーグおよびボイド生成に起因する結合破損を減らすため
に、塩素、臭素およびふっ素を厳密に制御する。パープ
ルプレーグ生成は金属−金族拡散現象により説明され、
したがって、それはあらゆる金−アルミニウム界面に存
在しそうである。最終の安定な化合物の生成速度は、反
応温度および最初の二元（Au−Al）フィルム中の金とア
ルミニウムの割合に依存する。最初の相互作用は約100
℃での熱処理中に起こり、Au5Al2を生成する短い中間段
階を経過しながら、Au2Alの中間層を生成する。すべて
のアルミニウムを使い尽くすまで、この過程が支配的で
ある。もしもアルミニウム層の厚さが金の厚さより大き
いと、230℃への加熱が低温で生成したAu2AlをAuAl2に
変換する。逆に、アルミニウム層の厚さが金の厚さより
小さい場合には、最終的は、初期の低温で生成したAu2A
lからAu4Alのような金含量の多い化合物になる。あらゆ
る場合に、発展中の化合物層の厚さは焼鈍時間の平方根
に比例する。これは、すべての相互作用が拡散で限定さ
れていることを示唆する。通常の金ワイヤボンディング
では、（ある長さの金ワイヤを残して導電通路を確保し
なければならないので）いつも余分な金が得られ、そし
て金がいつも余分に存在するところでは、反応が続き、
パープルプレーグ生成が臨界的になる。正常な作動条件
では、パワーチップの温度は約150℃を越えてはなら
ず、そして汚染されていない条件ではパープルプレーグ
は問題を呈さない。しかし、温度が長期間200℃を越え
たり、前述したタイプのハロゲン化物が存在すると、チ
ップ接点がおそらく破損（故障）する。
このようなわけで、カーケンドルボイド生成を伴う多
数の種々の金属間化合物相は、金−アルミニウム相互接
続技術において重大な問題となる。この問題の解決策
は、以下に説明するように、まったく予期しないことに
は、半導体パワー装置のコンパクトな薄い構成をさらに
進展する方法を提供する。
数の種々の金属間化合物相は、金−アルミニウム相互接
続技術において重大な問題となる。この問題の解決策
は、以下に説明するように、まったく予期しないことに
は、半導体パワー装置のコンパクトな薄い構成をさらに
進展する方法を提供する。
発明の概要 この発明は、パープルプレーグと称される金−アルミ
ニウム金属間多相問題を解決する。高温では、金属間相
を形成する金とアルミニウムとの反応は、金属間相の厚
さが余りに大きくなると、結合劣化につながることが知
られている。この現象は、アルミニウムが大きく欠乏し
てチップへの界面がもはや薄いアルミニウム膜を介さ
ず、金属間相に直接接触するようになった場合にも、生
じる。これは、金バンプ技術のプロセス（特に、横方向
電気抵抗を減少させる目的で銅ホイルを頂部のアルミニ
ウム金属化層に付着する場合）を、不純物として存在す
るハロゲン化物のレベルに応じて200−300℃の温度に限
定する。この発明は、新規な直接的熱圧着によるホイル
接続技術を用いることにより、金バンプ技術への依存を
なくす。
ニウム金属間多相問題を解決する。高温では、金属間相
を形成する金とアルミニウムとの反応は、金属間相の厚
さが余りに大きくなると、結合劣化につながることが知
られている。この現象は、アルミニウムが大きく欠乏し
てチップへの界面がもはや薄いアルミニウム膜を介さ
ず、金属間相に直接接触するようになった場合にも、生
じる。これは、金バンプ技術のプロセス（特に、横方向
電気抵抗を減少させる目的で銅ホイルを頂部のアルミニ
ウム金属化層に付着する場合）を、不純物として存在す
るハロゲン化物のレベルに応じて200−300℃の温度に限
定する。この発明は、新規な直接的熱圧着によるホイル
接続技術を用いることにより、金バンプ技術への依存を
なくす。
着想としては、この発明の技術は、実装されたパワー
ユニットまたはモジュールの場合のように、パッケージ
の蓋を通過して半導体装置に達する銅接続部について案
出されたけれども、それに限定されない。半導体装置は
ここでは集積回路チップとして記載するが、個別のパワ
ー装置であってもよい。けい素（シリコン）チップの下
部または底部にはクロム−ニッケル−銀の層、上部また
は頂部には装置の接点パッドを構成するアルミニムの層
を設ける。以下の説明に従って作製する薄い銅を主成分
とするホイルを、けい素チップのアルミニウムパッドに
直接熱圧着する。銅ホイルをまずクロム（Cr）フィルム
で、ついで金フィルムで、それぞれ数千オングストロー
ム程度の厚さに被覆する。銅ホイルの厚さは１−10ミル
とすればよい。複合ホイルを所望の形状にエッチングま
たは打ち抜きする。この形状は、チップへの圧直後の熱
膨張の差を減らすためにボイドまたはスロットを含む形
状（レース状構成）とするのがよい。特別な周縁フレー
ム設計を用いて、ホイル積層体に複数のリーフ（leaf）
またはウィング（wing）を形成し、チップへの圧着後に
余分なホイルが物理的チップ境界を越えて張り出すよう
にする。結合を達成するには、ホイルをチップの１つま
たは複数の頂部アルミニウムパッド（金属化層）に位置
合わせし、約325℃で約0.5−１時間熱圧着する。金フィ
ルムで被覆した銅ホイルの場合、これにより通常、銅ホ
イル上の金フィルムがアルミニウム−ホイル界面でAuxA
ly金属間化合物に変換される。しかし、この発明によれ
ば、アルミニウム計画的に過剰に供給し、反応により完
全に使い尽くされないようにし、そしてすべての金を安
定なAuAl2相に変換する。アルミニウム（チップ上の金
属化層）の残りの境界層は、金属間化合物が直接けい素
チップに接触するのを防止し、一方、銅ホイル上の最初
に堆積したクロムフィルムはバリヤ層を形成し、これが
（残っている）アルミニウムフィルム中への銅の拡散を
防止し、こうしてアルミニウム−銅金属間化合物の形成
とけい素の銅ドーピングを回避し、けい素への良好なオ
ーム接触を保存する。
ユニットまたはモジュールの場合のように、パッケージ
の蓋を通過して半導体装置に達する銅接続部について案
出されたけれども、それに限定されない。半導体装置は
ここでは集積回路チップとして記載するが、個別のパワ
ー装置であってもよい。けい素（シリコン）チップの下
部または底部にはクロム−ニッケル−銀の層、上部また
は頂部には装置の接点パッドを構成するアルミニムの層
を設ける。以下の説明に従って作製する薄い銅を主成分
とするホイルを、けい素チップのアルミニウムパッドに
直接熱圧着する。銅ホイルをまずクロム（Cr）フィルム
で、ついで金フィルムで、それぞれ数千オングストロー
ム程度の厚さに被覆する。銅ホイルの厚さは１−10ミル
とすればよい。複合ホイルを所望の形状にエッチングま
たは打ち抜きする。この形状は、チップへの圧直後の熱
膨張の差を減らすためにボイドまたはスロットを含む形
状（レース状構成）とするのがよい。特別な周縁フレー
ム設計を用いて、ホイル積層体に複数のリーフ（leaf）
またはウィング（wing）を形成し、チップへの圧着後に
余分なホイルが物理的チップ境界を越えて張り出すよう
にする。結合を達成するには、ホイルをチップの１つま
たは複数の頂部アルミニウムパッド（金属化層）に位置
合わせし、約325℃で約0.5−１時間熱圧着する。金フィ
ルムで被覆した銅ホイルの場合、これにより通常、銅ホ
イル上の金フィルムがアルミニウム−ホイル界面でAuxA
ly金属間化合物に変換される。しかし、この発明によれ
ば、アルミニウム計画的に過剰に供給し、反応により完
全に使い尽くされないようにし、そしてすべての金を安
定なAuAl2相に変換する。アルミニウム（チップ上の金
属化層）の残りの境界層は、金属間化合物が直接けい素
チップに接触するのを防止し、一方、銅ホイル上の最初
に堆積したクロムフィルムはバリヤ層を形成し、これが
（残っている）アルミニウムフィルム中への銅の拡散を
防止し、こうしてアルミニウム−銅金属間化合物の形成
とけい素の銅ドーピングを回避し、けい素への良好なオ
ーム接触を保存する。
適切な熱圧着後、ホイルの余分な周縁のリーフ区域を
チップ周縁の上に曲げるか折り返し、リーフ区域をそれ
が延びている抜け根の今や圧着されたホイル部分にほぼ
重ねる。折り返したリーフは、すべての薄形のパッケー
ジ用途において蓋貫通コネクタ用の応力緩和接点を構成
する。折り返したリーフは（上記米国特許出願第375,56
9号のように）リーフ状接点として蓋を貫通させるか、
またはセラミックの蓋に直接切り込んだ孔内に設けた銅
の球体に接触させてもよい。この後者の技術は、the P
roceedings of the 40th IEEE ETCT誌（May 199
0）に報告されたシー・エー・ニューゲバウア等の論文
「MCTパワーパッケージング」に記載されている。
チップ周縁の上に曲げるか折り返し、リーフ区域をそれ
が延びている抜け根の今や圧着されたホイル部分にほぼ
重ねる。折り返したリーフは、すべての薄形のパッケー
ジ用途において蓋貫通コネクタ用の応力緩和接点を構成
する。折り返したリーフは（上記米国特許出願第375,56
9号のように）リーフ状接点として蓋を貫通させるか、
またはセラミックの蓋に直接切り込んだ孔内に設けた銅
の球体に接触させてもよい。この後者の技術は、the P
roceedings of the 40th IEEE ETCT誌（May 199
0）に報告されたシー・エー・ニューゲバウア等の論文
「MCTパワーパッケージング」に記載されている。
新規と考えられるこの発明の特徴は添付の特許請求の
範囲に明示してある。しかし、この発明自体の構成およ
び作動方法については、その目的および効果ともども、
添付の図面を参照した以下の説明から、よく理解できる
であろう。
範囲に明示してある。しかし、この発明自体の構成およ
び作動方法については、その目的および効果ともども、
添付の図面を参照した以下の説明から、よく理解できる
であろう。
図面の簡単な説明 第１図はこの発明の多層ホイルを一部破断して示す斜
視図である。
視図である。
第２図はパッケージの一部で金属化チップに圧着した
ホイルを示す断面図である。
ホイルを示す断面図である。
第３図はこの発明にしたがって作製したホイルネット
ワークを有する半導体チップの平面図である。
ワークを有する半導体チップの平面図である。
第４図は装置ゲート近くのホイル重なりを示す部分的
斜視図である。
斜視図である。
第５図は第３図の製品の一部を矢印５−５方向に見た
断面図である。
断面図である。
好適な実施例の説明 高温で金属間相を形成するアルミニウムと金の層間の
反応は、温度およびハロゲン化物の含有レベルにしたが
って分子組成が変わる。アルミニウムと金を用いて、た
とえばけい素半導体チップの上に電気接続部を形成する
場合、金属間相の厚さが余りに大きくなるか、アルミニ
ウムが欠乏して薄いアルミニウム膜を通してのチップと
の金界面がなくなると、金接点層は層剥離を起こしやす
い。この発明は、この問題を解決し、半導体パワー装置
用のインダクタンスのない永久的に結合した、高密度の
電流を通すことのできる接点を初めて提供する。
反応は、温度およびハロゲン化物の含有レベルにしたが
って分子組成が変わる。アルミニウムと金を用いて、た
とえばけい素半導体チップの上に電気接続部を形成する
場合、金属間相の厚さが余りに大きくなるか、アルミニ
ウムが欠乏して薄いアルミニウム膜を通してのチップと
の金界面がなくなると、金接点層は層剥離を起こしやす
い。この発明は、この問題を解決し、半導体パワー装置
用のインダクタンスのない永久的に結合した、高密度の
電流を通すことのできる接点を初めて提供する。
第１図は、この発明によるホイル導体10の破断した、
つまり「層を引きはがした」部分を斜視図にて示す。平
坦な導体10は、基体となる銅ホイル12を金の外側層（ま
たはプライ）14間にはさんだ構成である。後で説明する
理由で、クロムの層16を銅層12と金属14との間に介在さ
せる。当業者であればすぐに分かるように、ホイル導体
10の本質的な構成は銅−クロム−金積層体であり、金層
は事実上初期技術の金バンプ（ここでは図示せず）に取
って代わっている。積層体を製造するには、まず銅ホイ
ル12を金属フィルム、最初クロムで、つぎに金でスパッ
タリングなどの手段により被覆する。各フィルムの厚さ
は数千オングストローム程度である。銅ホイルの厚さは
１−10ミルとすればよい。
つまり「層を引きはがした」部分を斜視図にて示す。平
坦な導体10は、基体となる銅ホイル12を金の外側層（ま
たはプライ）14間にはさんだ構成である。後で説明する
理由で、クロムの層16を銅層12と金属14との間に介在さ
せる。当業者であればすぐに分かるように、ホイル導体
10の本質的な構成は銅−クロム−金積層体であり、金層
は事実上初期技術の金バンプ（ここでは図示せず）に取
って代わっている。積層体を製造するには、まず銅ホイ
ル12を金属フィルム、最初クロムで、つぎに金でスパッ
タリングなどの手段により被覆する。各フィルムの厚さ
は数千オングストローム程度である。銅ホイルの厚さは
１−10ミルとすればよい。
第２図は、この発明の導体10を、部分的に封止した半
導体チップ30の上に重ねた状態にて示す側面図である。
チップ30は、けい素から構成すればよく、その上面の選
択区域においてアルミニウム18で金属被覆されており、
このアルミニウムが装置の接点パッドとなる。けい素チ
ップ30の底部には金属化層20を設ける。この金属化層20
は多層金属皮膜（たとえば、金／けい素上の金、アルミ
ニウム／けい素上のアルミニウムまたはクロム上のニッ
ケル上の銀）から構成して、チップを、クロム−ニッケ
ル−銀から構成されるカップまたはパッケージベース32
と適合させる。第２図に示す構造はこの発明のすでに熱
圧着した製品を示し、17で示す領域は、本質的にAuAl2
からなる金−アルミニウム金属間化合物層である。この
発明の重要な特徴がこの接合に具体化されている。すな
わち、以前には金属間化合物17と底部クロム層16との間
に存在した金層14が完全に使い尽くされている。同時
に、アルミニウム層18は、金属間化合物層17とけい素チ
ップ30との間にはさまれて残る。アルミニウム層のアル
ミニウムの重量は、金属間化合物層中の金のAuAl2化学
量論的当量より大きい。前述したようなクロム上の金の
コーティング中、半導体装置30上のアルミニウム化パッ
ド18の既知の厚さに厳密に基づいた計算を行う必要があ
る。この計算を行って、金属間化合物層17の形成時に、
金属間化合物層17と底部クロム層16との間の金が完全に
消費されて、底部クロム層16が金属間化合物層17と並置
関係になるように、金コーティングの正確な厚さを求め
る。それに伴なって、また計画的に、アルミニウムの薄
い層18が金属間化合物層17とけい素チップ30との間には
さまれて残る。金属間金−アルミニウム組成の高金相に
は金が残らず、その代わり、バリヤのアルミニウム境界
層が金属間化合物17とけい素30との間に存在し、それ以
上の反応を防止するように、この製造工程を行う。金属
間化合物17と銅ホイル12との間のクロム層16は、銅−ア
ルミニウム金属間化合物が生成しないようにするため
の、同様の金属境界層を構成する。
導体チップ30の上に重ねた状態にて示す側面図である。
チップ30は、けい素から構成すればよく、その上面の選
択区域においてアルミニウム18で金属被覆されており、
このアルミニウムが装置の接点パッドとなる。けい素チ
ップ30の底部には金属化層20を設ける。この金属化層20
は多層金属皮膜（たとえば、金／けい素上の金、アルミ
ニウム／けい素上のアルミニウムまたはクロム上のニッ
ケル上の銀）から構成して、チップを、クロム−ニッケ
ル−銀から構成されるカップまたはパッケージベース32
と適合させる。第２図に示す構造はこの発明のすでに熱
圧着した製品を示し、17で示す領域は、本質的にAuAl2
からなる金−アルミニウム金属間化合物層である。この
発明の重要な特徴がこの接合に具体化されている。すな
わち、以前には金属間化合物17と底部クロム層16との間
に存在した金層14が完全に使い尽くされている。同時
に、アルミニウム層18は、金属間化合物層17とけい素チ
ップ30との間にはさまれて残る。アルミニウム層のアル
ミニウムの重量は、金属間化合物層中の金のAuAl2化学
量論的当量より大きい。前述したようなクロム上の金の
コーティング中、半導体装置30上のアルミニウム化パッ
ド18の既知の厚さに厳密に基づいた計算を行う必要があ
る。この計算を行って、金属間化合物層17の形成時に、
金属間化合物層17と底部クロム層16との間の金が完全に
消費されて、底部クロム層16が金属間化合物層17と並置
関係になるように、金コーティングの正確な厚さを求め
る。それに伴なって、また計画的に、アルミニウムの薄
い層18が金属間化合物層17とけい素チップ30との間には
さまれて残る。金属間金−アルミニウム組成の高金相に
は金が残らず、その代わり、バリヤのアルミニウム境界
層が金属間化合物17とけい素30との間に存在し、それ以
上の反応を防止するように、この製造工程を行う。金属
間化合物17と銅ホイル12との間のクロム層16は、銅−ア
ルミニウム金属間化合物が生成しないようにするため
の、同様の金属境界層を構成する。
所望の厚さのホイルと計算した厚さのクロムおよび金
コーティングを用いて（すなわち、金の使用量を金属間
化合物17の形成に完全に使い尽くされるほどの少量とし
て）、導体10を製造した後、銅ホイルをエッチングまた
は打ち抜きして第３図に示すテンプレート形状40とす
る。この全体輪郭は３つの別個の部分、つまり金属フレ
ーム42、１つ以上の接点領域、たとえば領域41、44（以
下島という）、および延長区域46（以下「ウィング」ま
たは「リーフ」という）を含む。リーフ46はフレーム42
と島41、44との間の一体のコネクタである。テンプレー
ト自体には、特に主接点領域に、種々の穴またはアパー
チャ48があり、この結果、「レース状構成」と呼ばれる
ものとなる。前述したように、ホイル導体10（第１図お
よび第２図）は、特に島44で表わされる区域において、
ガードリング領域38と称されるチップ30の周囲を除いて
は、チップ30表面のアルミニウム化パッド18に直接結合
する必要がある。レース状構成の目的は、ホイル導体を
チップ金属化層に接合した後の熱膨張の相違を小さくす
るためである。第３図では見えないが、アルミニウム化
パッド18はホイル導体の島44のすぐ下にある。装置30の
右上隅に示されている小さな島41は、代表的なMCT（MOS
制御サイリスタ）のゲートを形成する。少なくとも１つ
のリーフ46が島をフレーム42と接続するが、島同士は別
々であり、互いに電気的に分離されていることがわか
る。切断線39がフレーム42の近くのリーフ46上の点に仮
想線で示されており、ここで最終的にはリーフをフレー
ムから切り離す。チップパッケージングの最終組立中、
フレーム42を第３図に示す全体の残りから除去する。破
線で示す円形領域34は、この特定の実施例では、ホイル
表面上でビームに当てられる鋼球体の位置を表わし、銅
球体が最終的にパッケージしたチップを覆う誘電体の蓋
（図示せず）を通して電気的連絡を行う。フレーム42を
除去し終ったら、リーフ46を、その付け根にある接点領
域の島の境界の上に折り返す。第３図では、たとえば左
上四半部に現れるリーフ46を破線で示す輪郭49の上に折
り返す。すべてのリーフ46をこのように取扱い、その方
法を第４図および第５図にもっと明瞭に示す。
コーティングを用いて（すなわち、金の使用量を金属間
化合物17の形成に完全に使い尽くされるほどの少量とし
て）、導体10を製造した後、銅ホイルをエッチングまた
は打ち抜きして第３図に示すテンプレート形状40とす
る。この全体輪郭は３つの別個の部分、つまり金属フレ
ーム42、１つ以上の接点領域、たとえば領域41、44（以
下島という）、および延長区域46（以下「ウィング」ま
たは「リーフ」という）を含む。リーフ46はフレーム42
と島41、44との間の一体のコネクタである。テンプレー
ト自体には、特に主接点領域に、種々の穴またはアパー
チャ48があり、この結果、「レース状構成」と呼ばれる
ものとなる。前述したように、ホイル導体10（第１図お
よび第２図）は、特に島44で表わされる区域において、
ガードリング領域38と称されるチップ30の周囲を除いて
は、チップ30表面のアルミニウム化パッド18に直接結合
する必要がある。レース状構成の目的は、ホイル導体を
チップ金属化層に接合した後の熱膨張の相違を小さくす
るためである。第３図では見えないが、アルミニウム化
パッド18はホイル導体の島44のすぐ下にある。装置30の
右上隅に示されている小さな島41は、代表的なMCT（MOS
制御サイリスタ）のゲートを形成する。少なくとも１つ
のリーフ46が島をフレーム42と接続するが、島同士は別
々であり、互いに電気的に分離されていることがわか
る。切断線39がフレーム42の近くのリーフ46上の点に仮
想線で示されており、ここで最終的にはリーフをフレー
ムから切り離す。チップパッケージングの最終組立中、
フレーム42を第３図に示す全体の残りから除去する。破
線で示す円形領域34は、この特定の実施例では、ホイル
表面上でビームに当てられる鋼球体の位置を表わし、銅
球体が最終的にパッケージしたチップを覆う誘電体の蓋
（図示せず）を通して電気的連絡を行う。フレーム42を
除去し終ったら、リーフ46を、その付け根にある接点領
域の島の境界の上に折り返す。第３図では、たとえば左
上四半部に現れるリーフ46を破線で示す輪郭49の上に折
り返す。すべてのリーフ46をこのように取扱い、その方
法を第４図および第５図にもっと明瞭に示す。
テンプレートを適切に成形した後、これを第３図に示
すようにチップの頂部の金属化層の上に位置決めし、20
0℃以上の温度で熱圧着するのが好ましい。代表的な圧
着方法は、約325℃の温度で1000−6000psiの圧力で0.5
時間行う。通常約3000psiの圧力が好適である。この結
果、銅ホイル上の金フィルムは、アルミニウム−ホイル
界面で所望の安定な金属間AuAl2に完全に変換される。
その後、前述した通常の加工を行い、第４図および第５
図に示す最終アセンブリを完成する。
すようにチップの頂部の金属化層の上に位置決めし、20
0℃以上の温度で熱圧着するのが好ましい。代表的な圧
着方法は、約325℃の温度で1000−6000psiの圧力で0.5
時間行う。通常約3000psiの圧力が好適である。この結
果、銅ホイル上の金フィルムは、アルミニウム−ホイル
界面で所望の安定な金属間AuAl2に完全に変換される。
その後、前述した通常の加工を行い、第４図および第５
図に示す最終アセンブリを完成する。
第４図は、この発明のホイル導体10を、ポリイミド層
33が島区域全体の上に重ねられている最終組立状態にて
示す斜視図である。ポリイミド層33は、（折り返したリ
ーフ46を除いては）ホイル10を蓋から電気的に絶縁す
る。折り返したリーフ46は、金属球体（破線で示す）ま
たは他の適当な蓋貫通コネクタと接触すると押し下げら
れるので、適応性を向上させる。ここで、リーフ46が主
接点パッドコネクタ44およびゲート接点パッドコネクタ
41の上に折り返されているのが分かる。
33が島区域全体の上に重ねられている最終組立状態にて
示す斜視図である。ポリイミド層33は、（折り返したリ
ーフ46を除いては）ホイル10を蓋から電気的に絶縁す
る。折り返したリーフ46は、金属球体（破線で示す）ま
たは他の適当な蓋貫通コネクタと接触すると押し下げら
れるので、適応性を向上させる。ここで、リーフ46が主
接点パッドコネクタ44およびゲート接点パッドコネクタ
41の上に折り返されているのが分かる。
第５図は、第３図に示す構造を矢印５−５に沿って見
た断面図として示すことにより、第４図に示す構造をさ
らに明瞭にするための図である。前述したように、アル
ミニウム化パッド18はけい素チップ30の周縁まで延在せ
す、こうしてガードリング領域38を確立する。ガードリ
ング領域38の目的は、大規模またはバッチ式形成処理の
結果として隣り合うチップが接触することによる短絡を
防止するためである。しかし、このような因子は、バッ
チ式形成処理に関連したもので、この発明の範囲内に入
る対象ではない。
た断面図として示すことにより、第４図に示す構造をさ
らに明瞭にするための図である。前述したように、アル
ミニウム化パッド18はけい素チップ30の周縁まで延在せ
す、こうしてガードリング領域38を確立する。ガードリ
ング領域38の目的は、大規模またはバッチ式形成処理の
結果として隣り合うチップが接触することによる短絡を
防止するためである。しかし、このような因子は、バッ
チ式形成処理に関連したもので、この発明の範囲内に入
る対象ではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グラスコック，ホーマー・ホプソン, ザ・セカンド アメリカ合衆国、12302、ニューヨーク 州、スコティア、サイプレイス・ドライ ブ、43番 (72)発明者 パイク，キューング・ウック アメリカ合衆国、12065、ニューヨーク 州、クリフトン・パーク、ロングウッ ド・ドライブ、27番 (72)発明者 マクミュレン，ジェームス・ギルバート アメリカ合衆国、12137、ニューヨーク 州、パターソンビル、ピー・オー・ボッ クス447、アールディー・ナンバー１ （番地なし) (56)参考文献 特開 昭63−21843（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−114255（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−8084（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−69022（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−84127（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/60 301 H01L 21/603 H01L 21/60 311
Claims (9)
- 【請求項１】半導体基板に圧着される金属ラミネートに
おいて、 前記基板上の導電性の第１金属層と、 前記第１金属層上に形成された金属間化合物層と、 片側が前記金属間化合物層に圧着された導電性の第２金
属層と、 前記第２金属層の反対側に圧着された第３金属層を含
み、 前記第２金属層は前記第３金属層が前記金属間化合物層
と直接接触しないように分離し、前記第１金属層は前記
金属間化合物が前記基板と直接接触しないように分離す
ることを特徴とする金属ラミネート。 - 【請求項２】前記第１金属層はアルミニウムを含み、前
記金属間化合物層は均一な単一相の金属間化合物を含む
請求項１記載の金属ラミネート。 - 【請求項３】前記第２金属層はクロムを含む請求項１記
載の金属ラミネート。 - 【請求項４】前記第３金属層は銅ホイールを含む請求項
１記載の金属ラミネート。 - 【請求項５】前記金属間化合物層は金とアルミニウムの
金属間化合物である請求項２記載の金属ラミネート。 - 【請求項６】前記金属間化合物層はAuAl2を含む請求項
５記載の金属ラミネート。 - 【請求項７】半導体チップと、 前記チップ上のアルミニウム層と、 前記アルミニウム層上の金−アルミニウム金属間化合物
層と、 前記金属間化合物層上のクロム層と、 前記クロム層上の銅ホイールを含み、 前記クロム層は少なくとも前記銅ホイールの片側の被覆
となることを特徴とする熱圧着電子パワーチップ構造。 - 【請求項８】前記金−アルミニウム金属間化合物層の金
はAuAl2を含む請求項７記載の熱圧着電子パワーチップ
構造。 - 【請求項９】前記金−アルミニウム金属間化合物層は、
AuAl2として存在し、前記アルミニウム層のアルミニウ
ム重量は前記金属間化合物層の金のAuAl2化学量論的等
量よりも大である請求項７記載の熱圧着電子パワーチッ
プ構造。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US603,495 | 1990-10-26 | ||
| US07/603,495 US5184206A (en) | 1990-10-26 | 1990-10-26 | Direct thermocompression bonding for thin electronic power chips |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05503397A JPH05503397A (ja) | 1993-06-03 |
| JP2979086B2 true JP2979086B2 (ja) | 1999-11-15 |
Family
ID=24415689
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP51838791A Expired - Fee Related JP2979086B2 (ja) | 1990-10-26 | 1991-10-24 | 金属ラミネートおよびそれを用いた熱圧着電子パワーチップ構造 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5184206A (ja) |
| EP (1) | EP0513273B1 (ja) |
| JP (1) | JP2979086B2 (ja) |
| KR (1) | KR100201679B1 (ja) |
| CA (1) | CA2071496C (ja) |
| DE (1) | DE69123727T2 (ja) |
| WO (1) | WO1992008248A1 (ja) |
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| US5184206A (en) * | 1990-10-26 | 1993-02-02 | General Electric Company | Direct thermocompression bonding for thin electronic power chips |
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| JPH07105586B2 (ja) * | 1992-09-15 | 1995-11-13 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | 半導体チップ結合構造 |
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- 1990-10-26 US US07/603,495 patent/US5184206A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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|---|---|
| EP0513273B1 (en) | 1996-12-18 |
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