JP3016227B2 - 電子デバイスを包むためのパッケージ、該パッケージを組立てる方法、並びに該パッケージの組立てのためのキット - Google Patents

電子デバイスを包むためのパッケージ、該パッケージを組立てる方法、並びに該パッケージの組立てのためのキット

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子デバイスを包むためのパッケージ、例
えば、一般的には半導体パツケージに関し、更に詳しく
は、耐食性が改善された軽量非ハーメチツクパツケージ
に関する。また、本発明は、ようなパッケージを組立て
る方法及びかようなパッケージ組立てのためのキット
（部品一式）にも関する。
電子産業に於いて、シリコンベースの半導体デバイス
のような集積回路の急速な発展と広範な使用の結果、電
子デバイスを収容するためのパツケージの設計に増殖を
生じている。これらのパツケージは、ハーメチツクか非
ハーメチツクに広く分類することができる。
ハーメチツクパツケージは、一般的にセラミツク又は
金属部品から作られ、且つ通常ガラスでシールされる。
ハーメチツクパツケージの一例は、セラミツクデユアル
インラインパツケージ、CERDIPである。
非ハーメチツクパツケージは、一般的にセラミツク、
金属又はプラスチツク部品から作られ、且つ通常エポキ
シでシールされる。非ハーメチツクパツケージは又、こ
の電子デバイスの周にプラスチツク本体をモールドする
ことによつても作られる。
金属の非ハーメチツクパツケージには、金属ベースと
カバー部品があり、ウインドフレームはあつたりなかつ
たりする。リードフレームは、このベース部品とカバー
部品の間かベース部品とウインドフレームの間に配置さ
れる。これらのパツケージ部品は、エポキシのようなポ
リマー接着剤で互いに接着される。
エポキシでシールした非ハーメチツクパツケージは、
ハスコーに発行された米国特許第4,105,861号及びブツ
トに発行された米国特許第4,594,770号に開示されてい
る。銅又は銅合金が、その高い熱伝導性のために米国特
許第4,594,770号では好まれている。
金属に対するこのエポキシの接着強度を最大にするこ
とが望ましい。金属と接着剤の結合を改善する一つの方
法は、この金属サブストレートに対してより強い結合を
なす第２の材料でこの金属部品を被覆することである。
この第２の材料は、クラツド、メツキ、スパツタリン
グ、蒸着、その他この技術分野で知られている技法によ
つて付着させることができる。この結合は、酸化又はパ
ツシベーシヨンのような付着後の処理によつて更に強化
することができる。樹脂接着を改善するために銅ベース
のリードフレームを被覆することが、スズキ外に発行さ
れた米国特許第4,707,724号に開示されている。
モールドしたプラスチツクパツケージは、動作中多量
の熱を発生する大電力回路に対しては熱伝導度が不十分
である。銅のベース及びカバー部品は、航空宇宙のよう
な用途には付加する重量が大きすぎるかもしれない。
アルミベースの金属パツケージは、銅ベースの金属パ
ツケージに比べてかなりの利点を有するだろう。組立て
たパツケージの重量は、比較しうる銅パツケージのそれ
より約60％まで少い。この重量は、多数の電子デバイス
を使い且つ重量による不利益がかなりある航空宇宙、軍
事及び大気圏外空間の用途では重要である。
これまで、アルミ及びアルミ合金は、その腐食傾向の
ために、電子パツケージに対しては満足ではなかつた。
この組立てたパツケージは、米軍規格MIL−STD−883に
規定する塩水腐食試験に不合格である。
この塩水腐食試験は、重量で３％の塩化ナトリウムを
含む水溶液を使用する。この溶液を35℃に保持し、パツ
ケージを24時間浸漬する。取り出すと、アルミベースの
合金から作つたパツケージは無数の小さな腐食ピツトを
示す。比較するに、称呼成分でFe0.5％、Mg0.035％、P
0.18％残りが銅の銅合金197を使つて作つたパツケージ
は、同じ24時間塩水腐食試験の後に何も腐食ピツトを示
さない。
本発明の目的は、アルミ又はアルミベースの合金部品
から電子パツケージを製造することである。
本発明の利点は、アルミ又はアルミベースの合金部品
が改良された耐食性を有することである。
本発明の特徴は、この改良された耐食性が接着前にこ
のアルミ又はアルミベースの合金部品の少くとも一部を
陽極酸化することによつて与えられることである。
本発明の利点は、アルミ又はアルミベースの合金のパ
ツケージ部品が比較しうる銅又は銅合金部品より約60％
まで少い重量しかないことである。
本発明の利点は、このアルミ又はアルミベースの合金
部品が比較しうる銅又は銅合金ベースの部品より費用が
かからないことである。
本発明の利点は、この電子デバイスが、高い熱伝導度
を維持しながら、このパツケージ部品から電気的に絶縁
されてもよいことである。
本発明によれば、前記の目的、特徴及び利点が電子デ
バイスを包装するパツケージによつて得られる。このパ
ツケージは、アルミ又はアルミ合金のベース及びカバー
部品を含む。リードフレームは、このベース及びカバー
部品の間に配置され、両者に接着するようにされてい
る。陽極酸化層は、少くともこのベース及びカバー部品
の大気に暴された部分を覆う。このパツケージは樹脂で
シールされてもよい。改良されたシールは、このベース
及びカバー部品のシール領域を陽極酸化することによつ
て得られる。
従つて、アルミ又はアルミベース合金の部品を軽量非
ハーメチツクパツケージを請求する。改善された耐食性
は、このパツケージ部品の表面の少くとも一部に付けら
れた陽極酸化面によつて得られる。
接着を強化するために、この合金のシール面に、アル
ミ酸化物のような耐火性酸化物を形成することが知られ
ている。例えば、ブツトに発行された米国特許第4,542,
259号は、ガラスのシール性を強化するために銅合金CDA
63800上に耐火性酸化物被膜を形成することを開示して
いる。銅合金63800は、約２％乃至約12％のアルミを含
む銅ベースの合金である。
陽極酸化したアルミ表面は、耐火性アルミ酸化物表面
とは成分的に異なる。耐火性酸化物は、無水又は水無し
である。陽極酸化した表面は、水和アルミ酸化物を含
む。この水の濃度は、こん跡からアルミ酸化物（Al2O3
・H2O）とほぼ等しいモル濃度まで変わる。この陽極酸
化は、通常耐火性酸化物層を作るために使われるような
高温酸化ではなくて、電気化学的方法によつて付けられ
る。
メツキ、スパツタリング、又は蒸着のような化学的付
着技法とは違つて、陽極酸化は化学的変換法である。化
学的変換法は、ベース金属の化合物から成る表面被膜を
形成する。
本発明の本質的特徴のより良き理解は、以下の明細書
及び添付の図面から得られるであろう。
第１図は、本発明によつて製造された電子パツケージ
を示す。
第２図は、本発明によつて製造された、ウインドフレ
ーム型電子パツケージを示す。
第１図は、電子デバイス12を収容するようにされた電
子パツケージ10を示す。この電子デバイス12は、典型的
にはシリコンベースの半導体デバイスのような集積回路
である。このパツケージ10は、ベース部品14とカバー部
品16を含む。くぼみ18は、このベース部品14に任意に作
られている。第２くぼみ20は、このカバー部品16に任意
に作られている。これらのくぼみは、電子デバイス12を
囲むための空胴22を作る役割をする。これらのくぼみ
は、通常フライス削り又は化学エツチングによつて作ら
れる。その代りに、これらの空洞を作るために金属変形
法を使つてもよい。
このベース部品14及びカバー部品16は、アルミ又はア
ルミ合金から作られるのが好ましい。ASM（米国金属学
会）が３×××シリーズとして呼称するアルミ合金が好
ましい。これらの合金は、約1.5重量％までのマンガン
を他の合金元素と共に含む。これらの合金は、熱伝導性
が良く、１×××シリーズと呼称される合金（アルミが
99.00％超）より約20％高い強度を有する。最も好まし
いアルミ合金は、称呼成分が銅約0.12重量％、マンガン
約1.2重量％及び残りアルミであるアルミ合金3003であ
る。
リードフレーム24は、このベース部品14とカバー部品
16の間に配置されている。このリードフレーム24は、内
リード端26と外リード端28を含む。内リード端26は、例
えばボンデイグワイヤ30によつて電子デバイス12と電気
的に相互接続するようにされている。外リード端28は、
プリント基板のような外部装置と接続するようにされて
いる。
この電子デバイス12は、ダイ接着剤31によつてこのベ
ース部品14に接着されている。このダイ接着剤31は、電
子デバイス12の要求に依つて導電性でも電気絶縁性でも
よい。アルミ又はアルミ合金のベース部品14の熱膨張係
数は約230×10-7/℃乃至約274×10-7/℃であり、電子デ
バイスの熱膨張係数は約49×10-7/℃であるので、柔軟
なダイ接着システムを使用するのが好ましい。柔軟なダ
イ接着システムは、ダイ接着、パツケージのシール及び
デバイスの動作中に発生する熱膨張係数の不整合によつ
て生ずる応力を吸収するだろう。銀入りポリイミドダイ
接着システムは、比較的低い熱膨張係数のバツフアを備
えるのでこのパツケージに特に適している。
リードフレーム24をベース部品14及びカバー部品16に
シールするのは接着層32である。これらの接着層は、こ
の技術分野で知られているどの接着剤でもよく、普通は
ポリマー接着剤又はシールガラスである。
本発明は、ガラスでシールしたパツケージ及びポリマ
ーでシールしたパツケージの両方に適用可能であるが、
それは特にポリマーでシールしたパツケージにより強く
引かれ、それで以下その関係で説明する。
この接着剤層32は、適当な熱硬化性又は熱可塑性樹脂
のどれを含んでもよい。エポキシのような樹脂接着剤、
例えばカリフオルニア州ガーデナ市のアブレステイツク
研究所製のアブレステイツク550Kは、接着材料の適例の
一つである。このシーラントは、約145℃乃至約155℃の
範囲の温度で接着される。接着時間は、約１時間乃至約
２時間の範囲にある。
このベース部品14及びカバー部品16の少くとも一部の
陽極酸化層（34）がすぐれた結果を生ずることが分かつ
ている。厚さ約2.5ミクロン（100マイクロインチ）以下
と定義する薄い陽極酸化層も厚い陽極酸化層も両方と
も、24時間塩水腐食試験を受けたとき腐食を全く示さな
いアルミベースの電子パツケージを作る。この陽極酸化
層の好ましい厚さは、約0.25ミクロン（10マイクロイン
チ）乃至50ミクロン（2000マイクロインチ）である。最
も好ましい厚さは、約1.25ミクロン（50マイクロイン
チ）乃至約５ミクロン（200マイクロインチ）の範囲に
ある。
この陽極酸化層は、この技術分野で知られているどの
技法で付けてもよい。例えば、温度約20℃で約20容量％
の硫酸を含む水溶液は、陽極に荷電したアルミ又はアル
ミ合金サブストレートの表面上に満足な陽極酸化層を付
ける。この陽極酸化層は、ベース14及びカバー16部品に
くぼみ18,20を作る前又は後のどちらかで付ける。この
くぼみの表面36は、陽極酸化されていても裸のままでも
よい。
多孔度を減ずるためにシーリング法を使うのが好まし
い。典型的な陽極酸化シーリング法は、水又は蒸気シー
リングである。この方法は、陽極酸化した表面を約30分
乃至60分間加圧蒸気に暴すことを伴う。この陽極酸化し
た表面は水和して結晶ベーマイト（Al2O3・H2O）を形成
する。このベーマイトへの変換は、その結果として体積
増加を生じ、この陽極酸化した表面の孔を効果的に閉じ
る。他の満足なシーリング溶液には、酢酸ニツケル、蓚
酸鉄、二クロム酸塩及びモリブデン酸塩がある。
わずかではあるが熱伝導度の利益が、陽極酸化層を付
けない裸の金属で得られる。この裸金属は導電性であ
る。例えばバイポーラデバイスを収容するような、ある
種の電子的用途に対しては、導電性サブストレートは望
ましくない。これらのデバイスは、このパツケージから
電気的に絶縁されているのが好ましく且つ銀入りエポキ
シのような熱的及び電気的に伝導性のダイ接着剤を裸金
属に使用すると短絡を生ずる。本発明はこの問題を、こ
の伝導性ダイ接着剤とベース金属の間に陽極酸化の誘電
体層を配置しこのデバイスをパツケージから電気的に絶
縁することによつて解決する。
アルミ合金3003の熱伝導度は銅合金197のそれの約50
％にすぎないが、θJC値はほぼ等しくθJA値は約10％乃
至約15％高い範囲にあるだけである。この理由は、θJC
及びθJAへの最大の寄与因子がダイ接着剤材料であるこ
とであると信じられている。アルミサブストレートの熱
抵抗はθ値に対しては小さな寄与因子である。
上に議論したように、セラミツクスはプラスチツクパ
ツケージに対する金属パツケージの利点は、熱的性能で
ある。この熱的性能は、典型的にはθJC及びθJAとして
記録される。θJCは接合点とケースとの間の温度差の尺
度である。この接合点温度はダイ接着剤31で測定され、
ケース温度はパツケージベース14に沿つた点で測定され
る。同様に、θJAはこの接合点と周囲環境との間の温度
差の尺度である。第１表は、銅合金197又はアルミ合金3
003の部品をもつ48ピンのデユアルインラインでエポキ
シによつてシールされたパツケージの測定値を示す。
銅は、アルミの約３倍の密度を有する。従来の銅金属
パツケージより約60％少い重量のパツケージが、本発明
によれば熱的性能の最小限の損失だけで得ることができ
る。
本発明は、デユアルインラインパツケージに限定され
ない。リード端がこのデバイス外周の全ての４辺からこ
の電子デバイスに接近するQUADパツケージも陽極酸化表
面を有するアルミベースの部品を使つて組立ててよい。
第２図に示すようなウインドフレームパツケージも本
発明によつて作られる。ウインドフレームパツケージ50
は、ウインドフレーム52がリードフレーム24とカバー部
品16′との間に配設されていることを除いて上述のパツ
ケージと類似である。ウインドフレームパツケージは、
売り手がデバイスメーカに出荷するためにパツケージを
製造するときのように、電子デバイス12をダイ接着する
ことになつていてワイヤはこのパツケージの組立とは別
の時に接合される場合に望ましい。
このウインドフレーム52は、シーラント32に接着可能
な、何かいくらか剛い材料を含む。このウインドフレー
ムは、カバー部品16′又はリードフレーム24の熱膨張係
数に近い係数をもつのが好ましい。好ましいウインドフ
レーム材料は、銅、アルミ及びこれらの金属の合金であ
る。パツケージの重量を最少にするために、アルミ又は
アルミ合金が最も好ましい。強度を改善するためには、
アルミ合金3003のようなマンガン含有アルミ合金が このウインドフレームパツケージに於いては、リード
フレーム24がウインドフレーム52とベース部品14との間
に配置されている。耐食性を改善するため、陽極酸化層
34をベース部品14とウインドフレーム部品52に付けられ
ている。このリードフレーム24は、ウインドフレーム52
の第１側に及びベース部品14に、ガラス又はポリマー接
着剤のような適当な接着剤によつて接着される。このリ
ードフレーム24の接着に続いて、電子デバイス12が、例
えばダイ接着剤31によつて、接着され、ボンデイングワ
イヤ30によつてこのリードフレーム24の内側リード26に
電気的に接続される。次にカバー部品16がこのウインド
フレーム52の第２側にシーラント56で接着され、この電
子デバイス12を包装する。
このシーラント56は、比較的低い温度でこのウインド
フレーム52及びカバー部品16に接着するとこの技術分野
で知られているどれかの材料に選ばれる。所望の接着温
度は、このシーラント32又は電子デバイス12を劣化しな
いように十分に低い。このシーラントは、約150℃以下
の温度で接着するのが好ましい。このシーラントは、適
合する熱硬化性又は熱可塑性接着剤のどれでもよい。好
ましいシーラントは、エポキシのアブレステイツク550
である。
耐食性の改善のためにこのカバー部品16′を陽極酸化
層で被覆するのが好ましい。この陽極酸化層は、ベース
部品14、カバー部品16′及びウインドフレーム52の全部
又は一部の上に付けてもよい。このベース部品及びカバ
ー部品の全ての表面を完全に被覆することは望ましくな
いか又は必要でないかもしれない。
被覆される表面の範囲は変わる。最少限、大気に暴さ
れる全ての表面は腐食を防ぐため被覆すべきである。シ
ール領域、即ちシーラント32及び54と接触する表面は、
接着強度改善のために被覆してもよい。残りの表面領域
は、所望の電気的、熱的及び吸湿的性質に依つて被覆す
るのは任意である。
内部表面36及び54は、陽極酸化しないのが好ましいか
もしれない。電子デバイス12を直接アルミ又はアルミ合
金の表面36に接着することによつてより良い熱伝導性が
得られる。もし、この接着すべき表面36が陽極酸化され
ていないなら、この電子デバイスは、例えば接地のため
のように、このベース部品と電気的に接続されるかもし
れない。もし、この表面36が陽極酸化されていると、こ
の電子デバイスはこのパツケージから電気的に絶縁され
るかもしれない。
ゲツタ合金のような湿分捕捉面をこのカバー部品の内
面54に作つて残留湿分を捕捉し、副産物としてシール反
応をさせてもよい。
陽極炭化のない表面は種々の方法によつて用意するこ
とができる。陽極酸化がないことを望む表面部分は、こ
の陽極酸化溶液に浸す前に化学レジストを塗り又はメツ
キ屋のテープを貼つてもよい。この全表面を陽極酸化
し、所望の区域を機械的作業によつて陽極なしにしても
よい。例えば、フライス削り工程は、ベースくぼみ18を
作るのに有用である。
この陽極酸化のパラメータに変えることによつて、荒
れた陽極酸化層を作ることができる。粗面仕上げは接着
部品、特にポリマーシーラントの機械的固着力を増加す
る。本発明が特性の改善された電子パツケージを提供す
ることは明白である。このパツケージは、銅ベースのパ
ツケージより軽量で、プラスチツクベースのパツケージ
より熱伝導性がよい。アルミ表面の少くとも一部の陽極
酸化は耐食性を増し、接着強度を更に増す。
陽極酸化アルミ合金ベースのパツケージに対する接着
層の強度を評価するため加圧ポツト試験を使用した。こ
のパツケージはエポキシでシールされ、次に121℃、984
gm/cm2（14psi）で相対湿度100％に当てた。漏れ試験の
結果、200時間後接着剤の破損はなかつた。
陽極酸化及びシール溶液の化学成分及び作業パラメー
タを調整することによつて、異なつた色の表面を得るこ
とができる。これは、黒又は金仕上げがしばしば望まれ
る家電向用途には都合がよい。
本発明によれば、耐食性の改善されたアルミ又はアル
ミ合金を含む電子パツケージに特に適した多数の実施例
が用意されていることは明らかである。本発明をその実
施例との関連で説明したが、当業者には上記の説明を考
慮すれば多くの代案、改良及び変形が明白であることは
明らかである。従つて、そのような代案、改良及び変形
の全てを添付の請求の範囲の精神及び広い範囲内に含め
るつもりである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−174954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−147135（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−161052（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−18846（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−134250（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/06,23/02

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子デバイス（12）を包むためのパッケー
    ジ（10）であって、アルミ又はアルミ合金のベース部品
    （14）、 アルミ又はアルミ合金のカバー部品（16）、 該ベース部品（14）及び該カバー部品（16）が形成する
    空胴（22）、 該ベース部品（14）及び該カバー部品（16）の間に配置
    され且つそれらに接着されたリードフレーム（24）、並
    びに 該ベース部品（14）及び該カバー部品（16）の少くとも
    大気に露出された部分を被覆する陽極酸化層（34）を含
    み、該リードフレーム（24）は樹脂接着剤（32）によっ
    て、該ベース部品（14）の陽極酸化層（34）で被覆され
    た部分、及び該カバー部品（16）の陽極酸化層（34）で
    被覆された部分の双方に接着されていることを特徴とす
    るパッケージ。
  2. 【請求項２】陽極酸化層（34）の厚さが約0.25ミクロン
    （10マイクロインチ）から約50ミクロン（2000マイクロ
    インチ）までの範囲内にあることを特徴とする、請求の
    範囲第１項記載のパッケージ（10）。
  3. 【請求項３】陽極酸化層（34）の厚さが約1.25ミクロン
    （50マイクロインチ）から約５ミクロン（200マイクロ
    インチ）までの範囲内にあることを特徴とする、請求の
    範囲第２項記載のパッケージ（10）。
  4. 【請求項４】陽極酸化層（34）の表面が接着強度を改善
    するため荒されることを特徴とする、請求の範囲第２項
    記載のパッケージ（10）。
  5. 【請求項５】このベース部品（14）の及びこのカバー部
    品（16）のほぼ全表面が陽極酸化層（34）によって被覆
    されていることを特徴とする、請求の範囲第２項記載の
    パッケージ（10）。
  6. 【請求項６】該電子デバイス（12）に接着されるべきベ
    ース部品（14）の表面（36）が陽極酸化層（34）のない
    ことを特徴とする、請求の範囲第５項記載のパッケージ
    （10）。
  7. 【請求項７】該カバー部品（16）の表面の、該空胴（2
    2）内に閉じ込められた部分が陽極酸化層（34）のない
    ことを特徴とする、請求の範囲第５項記載のパッケージ
    （10）。
  8. 【請求項８】該ベース部品（14）及び該カバー部品（1
    6）が約1.5重量％までのマンガンを含むアルミベースの
    合金を含むことを特徴とする、請求の範囲第２項記載の
    パッケージ（10）。
  9. 【請求項９】該ベース部品（14）及び該カバー部品（1
    6）が約0.12重量％の銅及び約1.2重量％のマンガンを含
    むアルミベースの合金を含むことを特徴とする、請求の
    範囲第８項記載のパッケージ（10）。
  10. 【請求項１０】該電子デバイス（12）が該ベース部品
    （14）に接着され及び該リードフレーム（24）に電気的
    に接続され、並びに該リードフレーム（24）が該ベース
    部品（14）に及び該カバー部品（16）に接着されている
    ことを特徴とする、請求の範囲第４項記載のパッケージ
    （10）。
  11. 【請求項１１】電子デバイス（12）を包むために設計さ
    れた接着されてシールされるパッケージ（10）の組立て
    のためのキットにおいて、 アルミとアルミベースの合金とで成る群から選択された
    金属ベース部品（14）を備え、該ベース部品は第１の表
    面と、その反対側の第２の表面とを有し、該第１の表面
    は、ポリマー接着剤（32）を受けるために厚さが約0.25
    ミクロン（10マイクロインチ）から約50ミクロン（2000
    マイクロインチ）までの範囲内にある陽極酸化層（34）
    で被覆された少なくとも選択された部分を有し、また、 アルミとアルミベースの合金で成る群から選択された金
    属カバー部品（16）を備え、該カバー部品は前記ベース
    部品の前記第１の表面に接合するための接合表面とその
    反対側の表面とを有し、該接合表面は外側リング部分と
    該リング部分によってへりを取られた内側くぼみ部分
    （20）とを有し、前記リング部分は、ポリマー接着剤
    （32）を受けるために厚さが約0.25ミクロン（10マイク
    ロインチ）から約50ミクロン（2000マイクロインチ）ま
    での範囲内にある陽極酸化層（34）で被覆されているこ
    とを特徴とするキット。
  12. 【請求項１２】前記金属ベース部品（14）及び前記金属
    カバー部品（16）のすべての表面及び縁部が前記陽極酸
    化層（34）で被覆されている、請求の範囲第11項記載の
    キット。
  13. 【請求項１３】前記金属ベース部品（14）及び前記金属
    カバー部品（16）がアルミニウム合金3003から作られて
    いる、請求の範囲第12項記載のキット。
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