JP3934689B2 - 半導体ダイと嵌合するパッケージの製造方法 - Google Patents

半導体ダイと嵌合するパッケージの製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、相互接続パッケージに関し、さらに詳しくは、半導体ダイと嵌合する相互接続パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信，試験，制御，電算などの分野で利用されるシステムは、電気信号の送信および処理のために半導体デバイスを一般に用いる。スピードおよび熱性能などのシステム・パラメータに影響を与える重要な要因には、半導体デバイスを収容または支持するパッケージや、さまざまなシステム・コンポーネント間の相互接続構造がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
システム・レベルの性能を改善する１つの方法として、マルチチップ・モジュールに回路を実装し、その後これらのモジュールを利用してシステムを製造する方法がある。このパッケージング方法の利点には、基板スペースの全体的な節減およびデバイス間の電気経路の短縮が含まれる。しかし、従来のマルチチップ・モジュール・パッケージング方法では、半導体デバイスおよび相互接続をモジュール内に入れるためにかなりの面積を依然必要とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
よって、マルチチップ・モジュール技術と整合性があり、かつマルチチップ・モジュールの寸法を低減する、半導体デバイスを相互接続する方法および手段を設けることは有利である。この方法および手段が相互接続長さを短くすることによりシステム性能を改善することはさらに有利である。
【０００５】
【実施例】
電気システムにあるさまざまなコンポーネントを相互接続することは、システム設計および動作における重要な段階である。本発明は、半導体チップまたはダイと嵌合するパッケージおよびこのパッケージを製造する方法を提供する。第１実施例では、嵌合する段階は、リードフレームの一部をプラスチックに封入し、半導体チップを少なくとも１つのリードフレームのリードに直接取り付けることによって達成される。つまり、半導体チップはリードフレーム・リードの端部に取り付けられ、パッケージの外部にある。さらに、パッケージに光経路を形成してもよく、この光経路は、チップがリードフレーム・リードに正しく取り付けられると、半導体チップ上の発光素子または受光素子と整合される。パッケージは、従来の表面実装または貫通穴(through-hole)技術によって基板または回路板に電気経路を設けることができる。さらに、光経路は、光ケーブルの取り付けのためのアラインメントおよび位置決め機構を含む。図面では、同じ要素を表すため同じ参照番号が用いられていることが理解される。
【０００６】
図１は、本発明の方法を利用して封入(encapsulate) されるパターニングされたリードフレーム１０の第１実施例を示す。リードフレーム１０は、複数のリード１１を有する用にパターニングされ、各リードは互いに隣接し合う第１端部１２と、互いに隣接し合う第２端部１３とを有する。端部１２，１３は先端(tip) ともいう。端部１２は第１結合要素１４を介して互いに結合され、端部１３は第２結合要素１６を介して互いに結合される。結合要素１４，１６は、リードフレームの製造およびパッケージの組立中に、デカルト座標系のｘ，ｙ，ｚ軸で端部１２，１３をそれぞれ保持する手段を提供する。結合要素１６は、組立ツーリング用の基準機構として機能する穴１７を有する。結合要素１４は、成形材料をリードフレームに固定するためのロック機構として機能する、すなわち成形材料／リードフレーム・ロック機構として機能する穴１９を有する。
【０００７】
さらに、第１結合要素１４は、金型キャビティのｚ軸でのリードフレーム位置の正確な位置決め機構として機能する。リードフレーム１０は、エッチング，パンチング，スタンピングなどの方法によってパターニングできる。端部１２におけるリードと結合要素１４とを分離する空間をテーパ型にすることにより、端部１２が結合要素１４から分離されると、端部１２はフレア型となる。結合要素１４を分離する方法は、図４を参照して説明する。
【０００８】
図２は、本発明の方法を用いて封入されるパターニングされたリードフレーム２０の第２実施例を示す。リードフレーム２０は、従来の表面実装または貫通穴技術により、図４の半導体チップ５１と基板または回路板（図示せず）との間で電気経路を設ける。さらに、リードフレーム２０は、ヒートシンクまたは熱拡散素子(heatspreader)として機能する任意の伝導面２１を有する。
【０００９】
リード２２は伝導面２１の一方の側から延在し、リード２３は伝導面２１の反対側から延在する。結合要素２４は、リード２２の端部２６に結合される。さらに、結合要素２７は、リード２３の端部２８に結合される。タイバー(tie-bar) １の端部２９は、結合要素２４によってリード２２の端部２６に結合される。タイバー３１の端部３２は、結合要素２７によってリード２３の端部２８に結合される。リード２２，２３は、伝導面２１と基板または回路板（図示せず）との間で電気経路となる。タイバー３１は、リードフレーム構造に機械的な強さを与える。結合要素２４，２７は、組立工程中にリードを保持し、穴３０，３３は組立ツーリング用の基準機構として機能する。伝導面２１の穴３４，３５は、成形材料／リードフレーム・ロック機構として機能する。さらに、伝導面２１は、リードフレーム製造およびパッケージ組立中にデカルト座標系のｘ，ｙ，ｚ軸でリード２２，２３を保持する機能を果たす。リードフレーム２０は、リードフレーム１０のパターニングで説明した同じ方法を用いてパターニングできる。
【００１０】
図３は、第１部分３６，第２部分３７および端部４４によって構成される相互接続パッケージ３５を示す。第１部分３６は主面３９を有し、成形材料３８によって封入されたパターニングされたリードフレーム１０によって構成される。第２部分３７は主面４２を有し、成形材料４１によって封入されたパターニングされたリードフレーム２０によって構成される。一例では、リードフレーム１０を封入する成形材料は、リードフレーム２０を封入する成形材料と同じである。別の例では、リードフレーム１０を封入する成形材料は、リードフレーム２０を封入する成形材料と異なる。リードフレーム１０，２０を封入する方法は当技術分野で周知であり、それにはトランスファー成形などの方法が含まれ、この方法によると、上部および下部型枠(mold chase)（図示せず）を閉状態にすることによって形成されるキャビティ内に、リードフレーム１０または２０の一部が配置される。型枠が閉状態になるとと、リードフレームは型枠の間でクランプされる。型枠は、当業者に周知である。
【００１１】
成形材料は金型キャビティ内に射出され、リードフレームのすべての部分を金型キャビティ内に封入する。成形材料は一般に熱硬化材料なので、この処理は高温で行われ、そのため、金型が開かれると、すなわち上部および下部型枠が開状態になると、成形材料は金型キャビティの構成を維持する。部分３６，３７はそれぞれこの方法を用いて個別に形成されることが示されているが、これは本発明を制限するものではないことが理解される。例えば、相互接続パッケージ３５は、単一パッケージとして形成できる。
【００１２】
各部分３６，３７の特徴は、界面３６，４２が自己整合するテーパ型インタロック面となるように構成されることである。さらに、チャネルまたは溝（図４および図５の要素５４）は、部分３６の主面３９の全長で形成できる。図３はさらに、リードフレーム１０が一方の面でパッケージ３５から出て、リードフレーム２０が別の面でパッケージ３５から出ることを示す。
【００１３】
主面３９は、接着材料４３によって主面４２に結合される。接着材料４３は、部分３６，３７を互いに接着させ、面３９に形成されたチャネル５４（図４および図５）を埋める。好ましくは、接着材料４３は、部分３６，３７で用いられる成形材料の光屈折率と協調して、チャネル５４に沿って光経路を形成する光屈折率を有する光結合材料または光透過接着材料である。相互接続パッケージ３５は、部分３６，３７が互いに接着されて示されているが、相互接続パッケージの他の実施例には、例えば、リード１０に基づいて成形された単一リードフレーム・リードや、互いに結合または接着された２つ以上のリードフレームが含まれる。図４は、リード１１，２２をトリミングおよび形成し、相互接続パッケージ３５の端部４４を除去した後の相互接続パッケージ３５の斜視図を示す。端部４４は、点線４５で除去される。相互接続パッケージ３５における点線４５の位置は本発明を制限するものではないことが理解される。リード１１，２２をトリミングおよび形成する方法は、当業者に周知である。端部４４を除去すると、エッジ部５０が形成される。一例として、端部４４の除去は、ダイアモンド・ソーなどの砥石車(abrasive cutting wheel)を利用して達成される。別の例では、端部４４は、研削盤(grinder) を用いてパッケージ３５の端部を研削除去することによって除去され、それによってエッジ部５０を形成する。さらに別の例では、レーザ・ビームを利用して、パッケージ３５から端部を切断できる。さらに別の例では、パッケージの端部を除去するために高圧ウォータ・ジェット・カッタが用いられる。端部４４の除去により、従来のリードフレーム製造方法に比べて、リードフレーム１０の端部１２のフレア部分にアクセスしやすくなる。
【００１４】
パッケージ３５の端部４４を除去する目的は、リードフレーム１０から結合要素１４を除去して、リード１１の両端部を露出することである。さらに、リードフレーム２０の結合要素２１の一部も除去される。リード１１の露出された端部１２および結合要素２１のエッジ部は、以下で説明する半導体チップ５１に対して電気接続を行うコンタクトとなる。
【００１５】
半導体チップ５１は、側面すなわち主面５２、５３を有し、相互接続パッケージ３５のエッジ部５０に結合される。一例として、チップ５１上の凸部（図示せず）は、リードフレーム１０の端部１２に結合または接着される。別の例では、リード１１，２２は、エポキシ（図示せず）などの導電性ダイ取り付け材料によって半導体チップ５１に電気的に接触する。このようなエポキシ材料は当業者に周知である。さらに、チップ５１の表面５２は、「アンダフィル(underfill) 」接着材料によってエッジ部５０に接着できる。この接着材料は、エッジ部５０と表面５２との間で機械的な接着を形成し、さらに半導体チップ５１から光チャネル５４への光伝送を向上させる光媒体を提供する。
【００１６】
ダイ表面５３は露出され、ヒートシンク５５を装着することができる。ヒートシンク５５を半導体チップ５１に装着する方法は、当業者に周知である。例えば、熱伝導性接着剤またははんだを利用して、表面５３をヒートシンクに装着できる。
【００１７】
図５は、パッケージ３５（図４）の背面からみた相互接続パッケージ３５の分解図を示す。背面図は、部分３６，３７の自己整合のため相互に直交する面においてテーパ構造をよりはっきりと示している。特に、図５は、テーパ部分５６がテーパ部分５７の上にスライドして、部分３６，３７を適切に整合させることを示す。さらに、接着材料４３が示され、この接着材料はチャネル５４を埋めて、図３で説明したように光伝送路を形成する。チャネル５４は部分３６に形成して示されているが、チャネル５４は部分３７に形成してもよいことが理解される。図５はさらに、光ファイバ・ケーブル・コネクタ（図示せず）のピンと協調して、光ファイバ・ケーブル・コネクタを相互接続パッケージ３５と整合させる穴５８を示す。従って、穴５８は、アラインメント補助として機能する。穴が好ましいが、これらは任意の形状である。さらに、穴５８はスロット，キー，スプラインなどさまざまな形でもよい。穴５８は、パッケージ３５と嵌合する際に、光ファイバ・ケーブル・コネクタの正しい配向を行うための配向構造５９を含んでもよい。適切な配向構造５９には、非対称的な形状のスプライン，キー，スロットなどが含まれ、それにより光ファイバ・ケーブル・コネクタと嵌合する際に一方方向の配向となる。アラインメント補助は１つの穴５８で示されているが、このアラインメント補助は２つ以上の穴５８にあってもよいことが理解される。さらに、アラインメント補助は、他の穴５８と異なる寸法の１つの穴５８を設けることにより、あるいは穴５８を非対称的にパターニングすることによって実現してもよいことが理解される。
【００１８】
図６は、接着材料４３によって互いに接着された部分６１，６２を有する相互接続パッケージ６０を示す。部分６１，６２は部分３６，３７と同様であり、テーパ部分６６，６７は、テーパ部分５６，５７とそれぞれ同様である。さらに、光ファイバはリードフレーム１０とともに封入されて、部分６１を形成する。光ファイバ６４は、光伝送チャネル５４と同じ機能を果たす。部分６１は、図５のアラインメント補助５８と同様なアラインメント補助として機能する穴６８を含む。リード２２を有するリードフレーム２０は封入されて、部分６２を形成する。
【００１９】
図７は、接着材料４３によって互いに接着された部分７２，７３からなる相互接続パッケージ７１を示し、部分７２は光ファイバ７５と嵌合するためのチャネル７４を含む。光ファイバ７５は光ファイバ６４と同じ機能を果たすが、光ファイバ７５は、部分６１の場合のようにリードフレーム１０とともに成形されない。つまり、光ファイバ７５は部分７２と７３との間に配置され、部分７２，７３を互い結合する前にチャネル７４と整合される。
【００２０】
チャネル７４の他に、部分７２はそこに封入されたリードフレーム１０を有し、リードフレーム１０はリード１１を有する。さらに、部分７２はそこに封入されたリードフレーム２０を有し、リードフレーム２０はリード２２を有する。部分７１、７２は部分３６，３７と同様であり、テーパ部分７６，７７は、図５のテーパ部分５６，５７とそれぞれ同様である。部分７１は、図５のアラインメント補助５８と同様なアラインメント補助として機能する穴７８を含む。
【００２１】
以上、相互接続パッケージおよびこの相互接続パッケージを製造する方法が提供されたことが明らかである。本発明は、直接接着方法を提供することにより、従来のワイヤボンド方法の必要を省く。さらに、光用途では、半導体チップは光伝送チャネルに対して直交に装着でき、そのため半導体チップからのレーザ光はチップ表面に対して直交の構成で半導体チップから出ることができる。従って、光はチャネルの真下に伝送される。本発明の他の利点には、マルチチップ・モジュール技術との整合性，マルチチップ・モジュールの小型化，および相互接続長さを短縮することによるシステム性能の向上が含まれる。
【００２２】
本発明の特定の実施例について図説してきたが、更なる修正や改善は当業者に想起される。従って、本発明は特定の形式に制限されず、特許請求の範囲は発明の精神および範囲から逸脱しない一切の修正を網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例により相互接続パッケージに製造されるパターニングされたリードフレームである。
【図２】本発明の実施例により相互接続パッケージに製造されるパターニングされたリードフレームである。
【図３】本発明の実施例による製造段階中の相互接続パッケージを示す。
【図４】本発明の実施例による製造段階中の相互接続パッケージを示す。
【図５】相互接続パッケージの裏側から見た図３および図４の相互接続パッケージの分解図である。
【図６】本発明による相互接続パッケージの別の実施例の裏側から見た分解図である。
【図７】本発明による相互接続パッケージのさらに別の実施例の裏側から見た分解図である。
【符号の説明】
１０ リードフレーム
１１ リード
１２ 第１端部
１３ 第２端部
１４ 第１結合要素
１６ 第２結合要素
１７，１９ 穴
２０ リードフレーム
２１ 伝導面
２２，２３ リード
２４ 結合要素
２６ 端部
２７ 結合要素
２８ 端部
２９ 端部
３０，３３ 穴
３１ タイバー
３２ 端部
３４，３５ 穴
３５ 相互接続パッケージ
３６ 第１部分
３７ 第２部分
３８ 成形材料
３９ 主面
４１ 成形材料
４２ 主面
４３ 接着材料
４４ 端部
５０ エッジ部
５１ 半導体チップ
５２，５３ 主面
５４ チャネル（溝）
５５ ヒートシンク
５６，５７ テーパ部分
５８ 穴
５９ 配向構造
６０ 相互接続パッケージ
６１，６２ 部分
６４ 光ファイバ
６６，６７ テーパ部分
６８ 穴
７１ 相互接続パッケージ
７２，７３ 部分
７４ チャネル
７５ 光ファイバ
７６，７７ テーパ部分
７８ 穴

Claims (1)

  1. 半導体ダイ（５１）と嵌合するパッケージ（３５）を製造する方法であって：
    複数のリード（１１）を含む第１のリードフレーム（１０）を提供する段階であって、各々のリード（１１）が第１の端部（１２）および第２の端部（１３）を有する段階；
    複数のリード（２２，２３）を含む第２のリードフレーム（２０）を提供する段階であって、各々のリード（２２，２３）が第１の端部（２６，２８）および第２の端部を有し、前記第２の端部が結合要素（２１）において終端する段階；
    前記第１のリードフレーム（１０）を封入する段階であって、前記第１のリードフレームの封入された部分（３６）は第１の主面（３９）を含む段階；
    前記第２のリードフレーム（２０）を封入する段階であって、前記第２のリードフレームの封入された部分（３７）は第２の主面（４２）を含む段階；
    前記第１および第２の主面（３９，４２）を一緒に結合して前記パッケージ（３５）を形成する段階であって、前記第１のリードフレーム（１０）の前記複数のリード（１１）の前記第２の端部（１３）および前記第２のリードフレーム（２０）の前記第１の端部（２６，２８）が前記パッケージ（３５）から出る段階；
    前記パッケージ（３５）の端部（４４）を除去してエッジ部（５０）を形成する段階であって、前記エッジ部（５０）は（ｉ）前記第１のリードフレーム（１０）の前記複数のリード（１１）の前記第１の端部（１２）を露出しかつ該第１の端部（１２）へのアクセスを提供し、かつ（ｉｉ）前記第２のリードフレーム（２０）の前記結合要素（２１）のエッジ部を露出しかつ該エッジ部へのアクセスを提供する段階；および
    前記半導体ダイ（５１）を前記パッケージ（３５）の前記エッジ部（５０）へと外部的に嵌合する段階であって、前記第１のリードフレーム（１０）の前記複数のリード（１１）の前記露出された第１の端部（１２）および前記第２のリードフレーム（２０）の前記結合要素（２１）の前記露出されたエッジ部は前記半導体ダイ（５１）への電気的接続を生成するためのコンタクトを提供する段階；
    を具備することを特徴とする、半導体ダイ（５１）と嵌合するパッケージ（３５）を製造する方法。
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