JP4094075B2 - ワイヤボンドなしモジュールパッケージおよび製造方法 - Google Patents

ワイヤボンドなしモジュールパッケージおよび製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、1つまたはそれ以上の半導体チップを含みおのおののチップ上に数多くの半導体装置を備えたモジュールパッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
数多くの用途において、半導体ダイは複数の半導体装置を含むモジュールの形で製造される。これらのモジュールは次に特定の用途に適合させるために何らかの望ましい形式でパッケージングされる。モジュールをパッケージングするためには、種々の半導体装置および/またはダイを相互接続しかつ次に該半導体装置および/またはダイを外部リードに接続する必要があり、これら外部リードを通してパッケージが回路内に電気的に接続できる。生じ得る主たる問題は外部リードへの相互接続および接続は一般にワイヤボンディングによって形成されることである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ワイヤボンディング工程は低速であり、高価でありかつかなり低い歩留りにつながる。この分野で知られているように、ワイヤボンディング用マシンは非常に高価でありかつ製造されるおのおのの異なるモジュールおよび/またはパッケージに対して再プログラムされなければならない。また、ワイヤボンディング用マシンは半導体ダイをそれらがボンディングされる際に損傷する傾向が強い。ワイヤボンドはパッケージングの間に容易に破壊されかつ、それらが半導体ダイおよび/またはモジュールの表面の上に配置されなければならないため、最終的なパッケージの寸法をかなり増大させる。
【0004】
一例として、電力用パッケージにおいては、並列に接続された10〜30もの装置(devices)を有することはまれなことではない。一般に、前記装置のおのおのは複数エレメント(multi−element)装置であり、装置ごとに数多くの接続、またはワイヤボンドを必要とする。また、電力用パッケージは一般に複数の接続を含むある形式の制御および/または電子スイッチを含む。典型的な電力用パッケージは数10から数100のワイヤボンドを含み、そのおのおのはワイヤボンダが半導体ダイを損傷する機会を与える。1つの動作に対してワイヤボンディングマシンのパラメータは設定されかつ最適化されるが、力、エネルギ、取付具(fixture)のアライメント、カッタの残留物の集積、あるいは他のパラメータのわずかな変動が半導体ダイが損傷される条件を生じ得る。
【0005】
ワイヤボンディングを必要としない技術を開発することがいくつかの観点から有利であろう。
【0006】
従って、本発明の目的はワイヤボンドなしまたはワイヤボンドレス(wirebondless)モジュールパッケージを提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、ワイヤボンドの必要性を除去するためにモジュールパッケージを製造する新規なかつ改善された方法を提供することにある。
【0008】
本発明のさらに他の目的は、従来のパッケージよりも小型でありかつよりがんじょうな新規かつ改善されたワイヤボンドなしモジュールパッケージを提供することにある。
【0009】
本発明のさらに他の目的は、標準的な半導体プロセス技術を使用して製造される新規なかつ改善されたワイヤボンドなしモジュールパッケージを提供することにある。
【0010】
本発明のさらに他の目的は、前記プロセスにヒートシンクを含む新規なかつ改善されたワイヤボンドなしモジュールパッケージを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記および他の問題は本発明のワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法において少なくとも部分的に解決されかつ上記および他の目的は実現される。このワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法は、プリフォームにその中に画定された空洞を提供する段階、前記空洞を複数の別個の領域に分割する誘電体仕切りを前記空洞に提供する段階、そして第1の導電性材料の複数の部分を、前記複数の領域のおのおのに1つ、配置する段階を含み、前記誘電体仕切りは前記第1の導電性材料のおのおのの部分を前記第1の導電性材料のすべての他の部分から電気的に隔離する。半導体ダイが次に前記第1の導電性材料の第1の部分の上に前記複数の領域の1つに実装されかつ誘電体層が前記複数の領域のおのおのにおける第1の導電性材料の複数の部分の上に配置され、該誘電体層はそこをとおりかつ第1の導電性材料の一部の面を露出しかつ半導体ダイへの接続を露出するよう配置された開口を有する。第2の導電性材料の一部が次に前記誘電体層の上に配置され、前記接続を前記半導体ダイおよび前記第1の導電性材料の一部の露出された面に接触させかつ外部端子および半導体ダイと外部端子の間の相互接続を画定する。
【0012】
好ましい実施形態では、前記プリフォームは多孔性(porous)シリコンカーバイドからモールドされかつ前記誘電体仕切りはその中に形成された複数のポケットを備えた窒化アルミニウムのモールドされたあるいはプレスによる基板として提供される。前記基板は前記プリフォームの空洞内に配置されかつ前記プリフォームおよびポケットはアルミニウムを浸透される。前記半導体ダイはアルミニウムの上に実装されかつ該ダイと外部接続の間に相互接続が形成される。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に図1〜図9を参照すると、本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける種々のステップが示されている。特に図1を参照すると、プリフォームまたは予備的形成品15が示されており、該プリフォーム15はその中に形成された中央に位置するほぼ四角形の空洞16を有する。この特定の例では、プリフォーム15は多孔性シリコンカーバイド(SiC)をよく知られたプロセスで所望の形状にモールドすることにより形成される。また、この特定の実施形態では、説明される概略的な寸法に関して完全に理解するために、プリフォーム15はほぼ1インチ(約25.4mm)幅、2インチ(約50.8mm)長さおよび0.055インチ(約1.40mm)の厚さである。空洞16に加えて、プリフォーム15は空洞16のおのおのの側にそこを通って伸びている実装孔17が形成されている。この特定の実施形態では単一の空洞が示されているが、もし必要であれば、付加的な空洞を形成できかつ空洞16について説明したのと同様に使用できることが以下の説明から理解できるであろう。
【0014】
次に図2を参照すると、空洞16を複数の別個の領域に分割するために空洞16内に複数の誘電体仕切りが形成されている。この特定の例では、該仕切りはプリフォーム15の空洞16内に適合するよう誘電体基板20を形成することによって提供される。基板20は、セラミック様の窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ベリリウム(BeO)、その他のような絶縁材料からよく知られたプロセスによりモールドされまたはプレス加工され、かつ別個の領域21,22,23および24を含み、これらの領域のすべては基板20の壁または仕切りによりお互いから電気的に隔離または絶縁されている。基板20は(図2に示されるように)空洞16内にまさつ係合され、前記別個の領域21〜24は基板20に生成されたほぼ外側に開いたくぼみまたはポケットでありかつ実質的に任意の所望の形状を持つことができることに注目すべきである。
【0015】
基板20を空洞16にまさつ係合した後、構造全体はモールド中に置かれかつ液体アルミニウム合金によって浸透され該液体アルミニウム合金は次に冷却されて該アルミニウムを凝固する。技術的に知られているように、前記浸透プロセスは多孔性シリコンカーバイドの隙間を充填しそれによって新しく形成された金属マトリクス複合体(metal matrix composite:MMC)が非常に良好な熱導体となるようにする。また、前記浸透は基板20を空洞16に固定的に係合させかつ領域21〜24のおのおのに導電性の面を形成する。当業者によく理解されるように、領域21〜24のおのおのにおける導電性のアルミニウム面はお互いから電気的に絶縁されているが、窒化アルミニウムは比較的薄くかつ熱を伝達できるため、MMCベースプレート(プリフォーム15を含む)は構造全体のヒートシンクとして動作する。
【0016】
図3を参照することにより分かるように、領域22,23および24は基板20のエッジと実質的に同じレベルにアルミニウムによって満たされかつ領域21は2つの浅い空洞26および27を画定するようにアルミニウムによって満たされる。浅い空洞26を含む、空洞16の基板20および基板20におけるアルミニウムの関係を示す断面図が図4に与えられている。浅い空洞26および27は共にアルミニウム領域21に形成されかつ、従って、お互いに電気的に絶縁されていない。
【0017】
次に図5に移ると、半導体ダイ30および31が、ソルダリング、導電性接着剤、その他のような、任意の都合のよい手段により、それぞれ、浅い空洞26および27内に実装されている。この特定の例では、ダイ30および31の下部または後部面は物理的にかつ電気的に領域21におけるアルミニウムの面に結合されている。この場合、浅い空洞26および27は半導体ダイ30および31の上部面が実質的に領域21におけるかつ領域22〜24におけるアルミニウムの上部面と同じ高さとなるような深さで形成される。従って、構造全体の上部面は実質的に平坦になる。
【0018】
この特定の実施形態では、ダイ30は高電力IGBTスイッチを形成するために並列に接続された複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)セル、および該スイッチの状態を決定するよう設計されたエミッタ検知回路を含む。ダイ30の下部(反対側)面は回路の1つの端子、特にコレクタ、である。上部面はエミッタ接続、ゲート接続および前記検知回路を有する。ダイ31はパワーダイオードを形成するために並列に接続された複数のダイオードを含み、ダイ31の下部(反対側)面は前記複数のダイオードの一方の端子でありかつ上部面は反対側の端子である。
【0019】
誘電体材料の層35がすべてのダイおよび空洞15内のアルミニウムを覆うように空洞15の上に被着されまたは配置される。すぐ後に説明するように、層35は仕上げ構造(finished structure)に留められかつそれが後の操作の間に損傷されないような特性に選択されるべきである。典型的な例として、層35は標準的なフォトレジストまたはポリイミドのフォトレジストを含むことができまた形成することができる。これらの材料は所望の層に比較的容易に形成できかついったん層が形成されると容易に操作することができる。
【0020】
図6に示されるように、領域21〜24のアルミニウムの一部の面を露出しかつ半導体ダイ30および31への接続を露出するように層35を通して複数の開口が形成される。特に、この例では、開口36,37,38および39は、それぞれ、領域23,24,21および22のアルミニウムの面の一部を露出するよう形成される。一対の間隔を開けた開口41および42が領域23のアルミニウムの一部および領域24のアルミニウムの一部の面を露出するように層35を通して形成される。第2の対の開口43および44が開口41および42と間隔をあけた関係でかつエミッタ検知回路へのおよび前記IGBTのおのおのに対するゲート回路へのダイ30上の接続に対しそれぞれ上に横たわる関係で形成される。複数の開口45(8個)がIGBTのおのおののエミッタに対する接続を露出するようダイ30の上に横たわって層35を通り形成される。また、開口46がダイ31の上部面への接続を露出するように層35を通って形成される。層35およびそこを通る開口は種々のプロセス技術によって形成することができ、該プロセス技術はそれらに限定されるものではないがもし層35がフォトレジスト材料であればマスキングし、露光または露出を行い、かつ露光または露出された領域を除去するよく知られたかつ比較的単純なプロセスを含む。
【0021】
すぐ後により詳細に説明するように、開口36〜39はモジュールのための外部端子を画定しかつ、従って、比較的大きく、そのため比較的大きな電気的接続がそこに対して形成できる。また、図5に戻ると分かるように、領域23のアルミニウムは開口41を開口36に接続しかつ領域24のアルミニウムは開口42を開口37に接続する。さらに、後に明らかになるように、領域22のアルミニウムは接続パッド、ならびに外部端子として作用する。
【0022】
図7に示されるように、本プロセスにおける次のステップは層35の適切な表面領域およびそこを通る開口を露出した状態となるよう層35の上に導体のめっきマスク50を配置することを含む。特に、マスク50は層35の開口41および43およびそれらの間に延在する層35の部分を露出する開口51、層35の開口42および44ならびにそれらの間に延在する層35の部分を露出する第2の開口52、そして層35を通る開口45,46および39の一部ならびにそれらの間の層35の一部を露出する大きな第3の開口53を有する。相互接続金属、例えば、アルミニウム、銅、その他が次に、それらに限定されるものではないが蒸着、電気めっき、無電解めっき(electro−less plating)、その他を含む、任意の都合のよいプロセスによって露出した表面領域の上に被着される。マスク50および外側の金属が次に除去されて図8に示される電気的相互接続を残す。
【0023】
図8を参照することによって分かるように、相互接続金属の条片またはストリップ55がマスク50内の開口51によって形成され、相互接続金属のストリップ56が開口52によって形成されかつ相互接続金属の比較的大きなパッチ(patch)57が開口53によって形成される。ストリップ55は開口43を通してダイ31上の検知回路を領域23のアルミニウムに電気的に接続し、その一部は露出されて開口36における外部端子を画定する。ストリップ56はダイ30の上のIGBTのゲートを開口44を通して領域24のアルミニウムに電気的に接続し、その一部は露出されて開口37における外部端子を画定する。パッチ57は開口45を通してダイ30の上のIGBTのエミッタを開口46を通してダイ31の上のダイオードの上部端子(アノード)と相互接続し、かつさらに、前記エミッタおよびダイオードを領域22のアルミニウムに接続し、該領域22の一部は開口39内に外部端子を画定するために露出されている。
【0024】
次に図9を参照すると、複数のリード60〜63が、それぞれ、開口36〜39の露出されたアルミニウムに取り付けられる。リード60〜63は、それらに限定されるものではないが、スポット溶接、ソルダリング、その他を含む、任意の都合のよいプロセスによって取り付けることができる。この例では、リード60〜63は別個に形成されているものとして図示されておりかつモジュールパッケージの製造後に取り付けられるが、リードは単一のリードフレームとして形成することもできあるいは前の工程で前記相互接続金属の一体的な部分として形成することもできる。
【0025】
図10には本構造を理解するのを容易にするために前記モジュール回路の電気回路が示されている。リード60は、領域22のアルミニウムを通して、相互接続金属パッチ57に電気的に接続され、該相互接続金属パッチ57は次にダイ31の上のダイオードの一方の側(アノード)にかつダイ30の上のIGBTのエミッタに接続されている。リード61は領域21のアルミニウムに電気的に接続され、該アルミニウムはまたダイ31の上のダイオードの下部または反対側(カソード)におよびダイ30の下部または反対側(IGBTのコレクタ)に接続されている。リード62は領域24のアルミニウムに接続され、該アルミニウムは相互接続金属リンク56を通してダイ30の上のIGBTのゲート回路に電気的に接続されている。また、リード63は領域24のアルミニウムに接続され、該アルミニウムは相互接続金属リンク55を介してダイ30の上のIGBTのエミッタ検知回路に電気的に接続されている。
【0026】
図9に示されるすべての接続が提供されると、パッケージは、もし必要であれば、保護のために好適に封入されあるいはより大きな制御回路へと導入することができる。ここではプロセスおよびワイヤボンドなしモジュールパッケージを説明する目的で特定の構造および特定の回路につき説明したが、当業者には1個から多数の複数の半導体ダイまでを含む広範囲のモジュールを製造するためにこの新規な製造プロセスを使用できることが理解できるであろう。
【0027】
【発明の効果】
実装用孔17を使用することにより、パッケージは、もし必要であれば、より大きなヒートシンクに固定することができかつプリフォーム15のアルミニウムを含浸したシリコンカーバイドはパッケージから熱を除去するための調法な経路を提供する。さらに、パッケージ全体が何らのワイヤボンディングその他を必要とすることなく標準的な半導体プロセス技術を使用して製造できる。提供される端子および相互接続は回路または部品に対する損傷なしに比較的容易に形成できかつ大型かつ頑丈であり、従ってそれらは適切に必要な電流を伝達できかつパッケージへのかつパッケージ内での信頼性ある接続および相互接続を提供できる。また、被着されたリードは従来技術のワイヤボンド方式のリードに対して寄生インダクタンスを低減する形状となっている。
【0028】
本発明の特定の実施形態を示しかつ説明したが、当業者にはさらに他の修正および改善をなすことができる。従って、この発明は示された特定の形式に限定されるものではなくかつ添付の特許請求の範囲によってこの発明の精神および範囲から離れることのないすべての変形をカバーすることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図2】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図3】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図4】図3の4−4線に沿った断面図である。
【図5】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図6】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図7】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図8】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図9】本発明に係わるワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造するプロセスにおける1つの工程での状態を示す説明的斜視図である。
【図10】図9のモジュールの等価回路を示す電気回路図である。
【符号の説明】
15 プリフォーム
16 空洞
17 実装孔
20 誘電体基板
21,22,23,24 個別領域
26,27 浅い空洞
30,31 半導体ダイ
35 誘電体材料層
36,37,38,39 開口
41,42 一対の開口
43,44 第2の対の開口
45,46 開口
50 導電体めっきマスク
51,52,53 開口
55,56 ストリップ
57 パッチ
60,61,62,63 リード

Claims (5)

  1. ワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法であって、
    その中に画定された空洞(16)を備えたプリフォーム(15)を提供する段階、
    前記空洞(16)内に前記空洞(16)を複数の別個の領域(21,22,23,24)に分割する誘電体仕切り(20)を提供する段階、
    第1の導電性材料の複数の部分を前記複数の領域(21,22,23,24)のおのおのに1つずつ、提供する段階であって、前記誘電体仕切り(20)は前記第1の導電性材料の各部分を前記第1の導電性材料のすべての他の部分から電気的に絶縁する、前記段階、
    前記複数の領域(21,22,23,24)の1つの中に半導体ダイ(30,31)を実装する段階、
    前記複数の領域(21,22,23,24)の各々の中の前記第1の導電性材料の複数の部分の上に誘電体層(35)を設ける段階であって、該誘電体層(35)は該誘電体層(35)を通って画定されかつ前記第1の導電性材料の部分の表面を露出しかつ前記半導体ダイ(30,31)への接続部を露出するよう配置された開口(36〜46)を有する、段階、
    前記複数の導電性材料の部分の内の少なくとも1つに外部端子(36,37,38,39)を提供する段階、そして
    前記ダイ(30,31)から前記外部端子(36,37,38,39)の内の少なくとも1つへの電気的接続(55,56,57)を画定するために前記複数の領域の上部に金属層を被着する段階、
    を具備することを特徴とするワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法。
  2. ワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法であって、
    その中に画定された空洞(16)を備えたプリフォーム(15)を提供する段階、
    前記空洞(16)内に前記空洞(16)を複数の別個の領域(21,22,23,24)に分割する誘電体仕切り(20)を提供する段階、
    第1の導電性材料の複数の部分を、前記複数の領域(21,22,23,24)のおのおのに1つずつ、提供する段階であって、前記誘電体仕切り(20)は前記第1の導電性材料の各部分を前記第1の導電性材料のすべての他の部分から電気的に絶縁する、前記段階、
    前記複数の領域(21,22,23,24)の1つの中に半導体ダイ(30,31)を実装する段階、
    誘電体層(35)を前記複数の領域(21,22,23,24)のおのおのにおける前記第1の導電性材料の複数の部分の上部に提供する段階であって、前記誘電体層(35)はそこを通って画定されかつ前記第1の導電性材料の一部の面を露出させかつ前記半導体ダイ(30,31)への接続部を露出させるよう配置された開口(36〜46)を有する、前記段階、そして
    前記半導体ダイへの接続部および前記第1の導電性材料の一部の露出された面に接触して前記半導体ダイ(30,31)および外部端子(36,37,38,39)の間の相互接続を画定するよう前記誘電体層の上部に第2の導電性材料の部分を提供する段階、
    を具備することを特徴とするワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法。
  3. ワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法であって、
    その中に画定された空洞を備えたシリコンカーバイドのモールドされたプリフォームを提供する段階、
    その中に画定された複数のポケットを有するセラミック基板を提供しかつ該基板を前記空洞内に前記空洞を複数の別個の領域に分割するように配置する段階、
    前記モールドされたプリフォームをアルミニウムによって浸透させかつ前記複数の別個の領域のおのおのにアルミニウムを被着する段階であって、前記基板のポケットは前記別個の領域のおのおのにおけるアルミニウムを他の別個の領域のすべてにおけるアルミニウムから電気的に絶縁する、前記段階、
    前記複数の領域の1つにおけるアルミニウムの上に半導体ダイを実装する段階、
    前記複数の領域のおのおのにおけるアルミニウムの上部に誘電体層を提供する段階であって、該誘電体層はそこを通って画定された開口を有し、該開口は前記アルミニウムの面を露出しかつ前記半導体ダイへの接続部を露出するよう配置される、前記段階、そして
    前記半導体ダイへの接続部および前記アルミニウムの露出された面に接触するよう前記誘電体層の上部に導電性材料の部分を提供する段階、
    を具備することを特徴とするワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法。
  4. ワイヤボンドなしモジュールパッケージであって、
    その中に画定された空洞(16)を備えたプリフォーム(15)であって、該プリフォームは第1の材料で形成されるもの、
    前記空洞(16)内に配置されかつ前記空洞(16)を複数の別個の領域(21,22,23,24)に分割する誘電体仕切り(20)であって、該誘電体仕切りは前記第1の材料と異なる第2の材料で形成されるもの、
    前記複数の別個の領域(21,22,23,24)のおのおのに1つずつ配置された、第1の導電性材料の複数の部分であって、前記誘電体仕切り(20)は前記第1の導電性材料のおのおのの部分を前記第1の導電性材料のすべての他の部分から電気的に絶縁するもの、
    前記複数の領域(21,22,23,24)の1つにおける前記第1の導電性材料の第1の部分の上部に実装された半導体ダイ(30,31)、
    前記複数の領域(21,22,23,24)の各々の中の前記第1の導電性材料の複数の部分の上に形成された誘電体層(35)であって、該誘電体層(35)は該誘電体層(35)を通って画定されかつ前記第1の導電性材料の部分の表面を露出しかつ前記半導体ダイ(30,31)への接続部を露出するよう配置された開口(36〜46)を有するもの、
    前記第1の導電性材料の前記複数の部分に電気的に結合された外部端子(36,37,38,39)、そして
    前記半導体ダイおよび前記外部端子の間に延在し、それらの間に相互接続(55,56,57)を提供する金属被着部(55,56,57)、
    を具備することを特徴とするワイヤボンドなしモジュールパッケージ。
  5. ワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法であって、
    その中に画定された空洞を備えたプリフォームを提供する段階、
    前記空洞内に前記空洞を複数の別個の領域に分割する誘電体仕切りを提供する段階、
    第1の導電性材料の複数の部分を前記複数の領域のおのおのに1つずつ、提供する段階であって、前記誘電体仕切りは前記第1の導電性材料の各部分を前記第1の導電性材料のすべての他の部分から電気的に絶縁する、前記段階、
    前記複数の領域の1つの中に半導体ダイを実装する段階、
    前記複数の領域(21,22,23,24)の各々の中の前記第1の導電性材料の複数の部分の上に誘電体層(35)を設ける段階であって、該誘電体層(35)は該誘電体層(35)を通って画定されかつ前記第1の導電性材料の部分の表面を露出しかつ前記半導体ダイ(30,31)への接続部を露出するよう配置された開口(36〜46)を有する、段階、そして
    前記ダイから少なくとも1つの外部端子への電気的接続を画定するために前記複数の領域の上部に金属層を被着する段階、
    を具備することを特徴とするワイヤボンドなしモジュールパッケージを製造する方法。
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