JP4833972B2 - 半導体構成部品を組み付ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体構成部品の形成に係り、詳しくは、半導体構成部品の部分を一体に組み付けることに関する。

半導体ダイをパッケージするため、半導体ダイはヘッダに連結される。ヘッダは、少なくとも以下の、１）リードを備えた窓枠と、２）半導体ダイを支持するフランジとを組み付けることにより形成される。はんだは、窓枠をフランジに連結する。ヘッダを形成するため、作業者は、手作業で部品を共に整列させてから、加熱炉を通過する平面コンベヤベルト上にそれらを置いているが、それには、通常、５０分程費やしてしまう。加熱炉は、はんだを加熱して、窓枠をフランジに接着させる。更に、加圧して、接着するようにしてもよい。

炉内プロセスを用いることにより、得られるヘッダは、不都合なことに平面であることから、放熱しにくい。窓枠は、炉内プロセス中に加えられる圧力からパッケージに作用する機械的応力によって、破損することがある。そうした破損により、後に形成されるパッケージに封止不良が生じる虞がある。更に、このプロセスは、時間を費やす。従って、サイクル時間を低減し、放熱性を向上させ、窓枠の破損が抑制されるヘッダの形成方法が求められている。

本発明を、実施形態に従い説明するが、添付の図面には制限されない。図中、類似の部材番号は、類似の構成部品を示す。

図中の要素は、簡単かつ明確にするために図示され、必ずしも、実寸に従い図示されていないことは、当業者には、明らかである。例えば、図中の幾つかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解に役立つように、他の構成部品よりも誇張されているかもしれない。

ツール１０は、半導体部品や構成部品の部材を組み付けるために用いられる。一実施形態において、部材は、絶縁材料を含み、窓枠、並びにフランジである。窓枠がリードを含むか、或いは、リードを備えた更に別の部材を使用してもよい。図２〜図４に示すように、フランジ５２は、半導体ダイ５４を支持しており、一実施形態において、リード５８を備えた窓枠５６は、はんだ６０によりフランジに連結されている（０、１，２，３等の任意の数の半導体ダイがフランジ５２上に存在する。二つの半導体ダイ５４が例示目的のために図示されている）。一実施形態において、後処理中のリード５８は、ワイヤボンディングにより半導体ダイ５４に電気的に接続される。各半導体ダイ５４は、二つのリード５８（窓枠５６の両側にある一組のリード）に連結される。フランジ５２、窓枠５６及びリード５８を組み合わせてヘッダが形成される。そのヘッダは、半導体ダイ５４をパッケージする後処理中に基部や取付板として使用される。図２及び図３に示すフランジ５２は、切欠５３等の特徴を有していてもよい。この切欠は、後処理中に、フランジと後で形成されるヘッダとを、パネルや嵌め合わせコネクタに連結し易くする点で望ましい。更に、フランジ５２は、後処理中に、放熱させる。同様に、窓枠５６も、後処理中に、ヘッダを、パネルや嵌め合いコネクタに連結し易くする。ツール１０及びこれとの連結に用いられる半導体構成部品については、図面を参照した後に、その理解を一層深めることができる。

はんだ６０、フランジ５２及びリード５８が窓枠５６とは別の部材の一部である場合、図１のツール１０を用いることにより、窓枠５６、はんだ６０、フランジ５２及びリード５８を組み付けて、ヘッダを形成することができる。ツール１０は、圧力を加えて各部品を嵌め込み、加熱してはんだを溶融する。このようにして、ツール１０は、嵌め合いとはんだリフローとを同時に行うことにより、半導体ダイ５４を備えたヘッダを形成する。一実施形態において、最上部に窓枠５６を備えた積層体の頂部に圧力が加えられ、最下部にフランジ５２を備えた積層体の底部に熱が加えられる。

ツール１０の全体を支持すると共に、フレーム１８を整列システム３１及びツール１０の他の部分に連結するのは、台座１２である。台座は、金属やプラスチック等のあらゆる適切な材料からなる。一実施形態では、台座は床上に配置される。

図１に示すようにツールを据え付けることにより二つの半導体構成部品を組み付けることができるが、一又は二以上の半導体構成部品が組み付けられるように、ツール１０の構成を変更してもよい。半導体部品は、台座上に着座されると共に、ツール１０を用いて種々の部品を組み付けられてヘッダになる。図１において、要素２６は、半導体ダイを備えた第一部品及び第一台座（第一部品及び台座）を含み、要素２８は、半導体ダイを備えた第二部品及び第二台座（第二部品及び台座）を含む。両部品及び台座２６，２８は、加熱板２０内に形成されたキャビティ２２、２４内に配置されている。第一部品及び台座２６は、第一キャビティ２２内に配置され、第二部品及び台座２８は、キャビティ２４内に配置されている。一実施形態において、両部品及び台座の最上面は、キャビティ及び加熱板２０の最上面と面一である。加熱板２０は、金属（例えば、アルミニウム）等のあらゆる導電材料からなるが、セラミックヒータ要素であってもよい。加熱板２０は、支持体を提供するように、フレーム１８内に着座されている。加熱板２０の直下には、組み付け中に使用されるヒータが設けられている（図１には見えない）。

ガスは、組み付け中に、フレーム１８内に流入されて、ツール１０に提供される。注入ガス管１４及び排出ガス管１５は、フレーム１８を介して、ガス源１６とツール１０とに連結されている。しかしながら、当業者は、他の方法でツール１０にガスを提供すると共に、ツール１０から除去できることを認識すべきである。一実施形態において、供給ガスは、Ｎ_２Ｈ_２やＡｒ等の希ガス又は混合ガスである。そのガスを使用して、部品の周囲に不活性雰囲気を形成し、はんだを酸化させる全ての物や酸素を排除する。

整列システム３１は、整列ヘッダ又は整列部３４、３６、３８、４０を備えたプレート３２を含む。整列部３４、３６は、図２のフランジ５２及び位置７０と接触する。図４に示すように、フランジが取付機構を有しない場合、整列部３８は、フランジ５２と位置７２において接触する。フランジが取付機構５１を備える場合、図２に示すように、整列部４０は、取付機構５１の中央の切欠５３と接触する。半導体部品が取り付け機構５１を備える場合、整列部３８の存在が組付体に影響を及ぼさないことから、整列部３８を取り除く必要はない。しかし、部品が取付機構５１を備えない場合、整列部４０は、部品との交差を回避するために取り除くべきである。整列部４０は、手作業や機械によって、取り除くことができる。例えば、手でねじを回して、プレート３２から外すことができる。

整列部３４、３６は、整列部３８よりも大きく図示され、これらは、整列部４０よりも大きく図示されているが、これは必須ではない。幾つかの制限を伴って、任意の大きさのものを用いてもよい。第一に、整列部４０は、それを切欠５３内に嵌め合わせると共に取付機構５１に損傷を与えないようにするため、切欠５３の寸法よりも小さい寸法にすべきである。第二に、整列部３４、３６は、リード５８に損傷を及ぼす虞のある寸法にすべきではない。第三に、全ての整列部は、他の整列部と共にプレート３２上の所望の位置に形成可能な寸法にすべきである。すなわち、存在する他の整列部のスペースを占有するような寸法にすべきではない。

整列プレート３２は、上記の各機構を整列するだけではなく、加圧してヘッダを形成するためにも用いられる。上述したように、整列部は、いずれもヘッダの外周の一部と接触する。各部品はキャビティ内に設けられるため、整列プレート３２は、プレートが各部分と接触して整列部がキャビティ内に突出するまでの間、下降することができる。固定板４６に連結される固定機構４４を介して、整列プレート３２に力が加えられる。固定板４６は、台座１２及び固定機構４４の内部のモータ（図示せず）を介して整列プレート３２上に下降する。なお、固定機構は、ロッドの外側にワイヤやスプリングを備えた金属ロッドである。固定板４６からの力は、整列プレート３２を介して各部品へと分配される。ダイヤル式インジケータ、歪みゲージ、圧力センサ又はコンピュータ等の圧力計５０によって、付与された力の大きさが測定され、好ましくは、その大きさが、ツール１０の使用者に表示される。

図２は、図１のツール１０を用いて組み付け可能な部品２８の一実施形態を示す。部品２８は、取付機構５１を備えたフランジ５２、フランジ５２上に形成されたリード５８を備えた窓枠５８、及びフランジ５２上の半導体ダイ５４を含む。図２に示す実施形態において、二つの半導体ダイ５４が、フランジ５２の主部（つまり、取付機構５１以外のフランジのあらゆる部分）上に形成される。半導体ダイ５４には、トランジスタ、他のデバイス、相互接続部等を形成するクリーンルーム雰囲気の下で、既にウエハの部品として前処理されている。半導体ダイは、ダイを形成するためにウエハから個別化される。半導体ダイ５４を形成するのに用いられるプロセスが任意の処理として使用されることは、重要ではない。半導体ダイ５４は、例えば、はんだ、エポキシ樹脂又はテープを用いて、フランジ５２に接合されている。

フランジ５２は、銅や銅合金等のあらゆる材料からなる。図２に示すように、フランジ５２は、フランジ５２の短い方の側面に取付機構５１を有している。取付機構５１は、切欠５３により互いに分離されている。その切欠は、図２に示す部分円等の任意の形状にすることができる。窓枠５６は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やＡｌ_２Ｏ_３等の任意の絶縁材料からなり、リード５８を含むか、或いは含まなくてもよい。リード５８は、銅や銅合金等の導電材料からなる。窓枠５６がリード５８を含まない場合、リードを含む別の部材が存在することになる。リード５８を備えた製造窓枠５６を購入するよりも、より一層効果的に節約できることから、窓枠５６と、別のリードを備えた部材とを購入した方が望ましい。組み付け時に、リード５８は、フランジ５１の長い方の側面を超えて延びている。窓枠５６の短い方の側面は、切欠５３とは重複せず、その代わりに、リード５８の大部分を除く窓枠の全てが、フランジ５１の真上に設けられている。更に、窓枠５６の中央には、半導体ダイ５４とフランジ５２の一部を露出させるための孔が設けられている。更に、フランジ５２の取付機構５１が露出されており、その場合に、窓枠５６が存在する。

図３は、読者の理解を助けるため、部品２８を構成する各部材が、互いの上に配置された場合、どのようにして配置されるかを示す図である。つまり、各部材が、示唆を目的として、互いに間隔を空けて配置されている。フランジ５２は、既に取り付けられた半導体ダイ５４と共に台座６１上に配置されている。一実施形態において、台座６１は湾曲している。台座６１にとって望ましい湾曲は、形成される部品２８に応じて定められる。一実施形態において、約０．２５４ｍｍ（１０ミル）の凹面から約０．２５４ｍｍ（１０ミル）の凸面に至るまで様々な曲面を備えた台座が使用される。図３に示すように、曲面台座としては、曲面部分が凹面であり、かつフランジ５２と接触することが望ましい。凹面状の曲面台座を備えることにより、形成される部品の湾曲を調整することができる。一実施形態において、ヘッダは、約０．２５４ｍｍ（１０ミル）の凹面から約０．２５４ｍｍ（１０ミル）の凸面に至るまで様々な曲面を有している。完全に平面ではない曲面を有することにより、ヘッダは、より多くの熱を放熱し、パッケージに及ぼす機械的応力を減少させ、パッケージ上に形成される封止部に欠陥を生じさせる窓枠のクラックを防止する。

台座６１の望ましい曲面は、形成される半導体構成部品に応じて定められる。図６は、使用される適切な台座を決定するための一実施形態のフローチャート８０を示す。まず、フローチャート８０は、８１で開始され、８２で曲面を備えた台座が選択される。湾曲は、台座を湾曲の全く無い０にすることもできる。次に、８４では、台座を使用してヘッダが形成される。８６では、ヘッダのトポグラフィが測定され、８８では、所定のトポグラフィと比較される。所定のトポグラフィは、放熱評価及び有限モデリング、又は顧客仕様によって決定される。トポグラフィが（所定の許容範囲内で）適合した場合、８９でフローチャートが終了する。しかし、ヘッダのトポグラフィが所定のトポグラフィに対して十分に近似しない場合、新たに台座が選択され、新たにヘッダが形成されると共に、新ヘッダのトポグラフィが測定され、所定のトポグラフィと比較される。つまり、ヘッダのトポグラフィが所望のものでない場合、処理８２、８４、８６及び８８が繰り返される。

フランジ５２上にはんだ６０が配置される。一実施形態において、はんだ６０には、約２８０〜約３５０℃の低温はんだが使用される。別の実施形態において、はんだ６０には、最大約８５０℃の高温の蝋付けが使用される。はんだ６０は、スズ−鉛組成物又は無鉛材料（例えば、スズ−銀組成物）等のあらゆる適切な材料からなる。はんだ６０上には、絶縁材料５６が配置される。一実施形態において、絶縁材料５６は、頂面と底面とが金属処理されたセラミック又は有機材料である。金属処理は、Ｎｉ等のあらゆるはんだ材料にすることができる。一実施形態において、絶縁材料５６は窓枠と称されている。図３に示す窓枠は、リード５８を有している。後のワイヤボンディング処理中に、リード５８は、ワイヤボンドを介して半導体ダイ５４と電気的に接続される。窓枠がリード５８を含まない場合、追加の部材がリード５８を含むようにしてもよい。この場合、リードを備えた部材は、窓枠上に設けられ、それらの間に、はんだを有している。リードを備えた部材は、一実施形態において、図１のツール１０を用いて窓枠をフランジ５２に接合すると同時に、窓枠に対して連結される。

図４は、別例の半導体構成部品２６を示す。半導体構成部品２６は、図２の半導体構成部品２８のように取付機構５１を含まない。取付機構５１を含まないため、整列部４０と対向する図５に示すような整列部３８が使用される。図５に示すように、一実施形態において、半導体構成部品２６の長さが図２に示す半導体構成部品２８の切欠５３間の距離よりも長いため、整列部３８は、整列部４０よりも互いに離間して配置されている。しかし、半導体構成部品２６の長さを任意の寸法にしてもよく、その長さは、図５に示す半導体構成部品２８の切欠５３間の距離よりも短くしても差し支えない。図４に示すように、整列切欠３８は、半導体構成部品２６の外周に沿う位置７２と接触する。図４において、整列切欠３８は、フランジ５１の短い方の側面と接触する。図２及び図４に示すもの以外の他の構成の半導体構成部品を使用することができる。

図５は、整列プレート３２上の整列部３４，３６，３８及び４０の配置についてその一例を示すが、他の配置であってもよい。前述したように、特定の整列部が、部品の特定の部分と整列する。図５の左側の配置１００では、整列部３４、３８のみが存在しているため、図４に示す部品２６に最も適している。図５の右側の配置１１０では、部品２８の切欠５３と整列する整列部４０が設けられているため、図２に示す部品２８に最も適している。従って、整列プレート３２上の右側の配置１１０が図２の部品２８と共に使用される場合、整列部３８は使用されずに、整列部４０、３６のみが使用される。必要な圧力を得るため、部品上の選択点に整列され、かつ圧力が加えられるように、整列部を設計することができる。

半導体ダイのその後のパッケージ処理を可能にするヘッダを形成するため、はんだを加熱することにより、部材を機械的に、かつ化学的に連結するツールが提供されたことは明らかである。この結果、従来の加熱炉を使用して形成されたものよりも信頼性の高い部品を得ることができる。更に、サイクル時間が改善される。黒鉛固定具による従来の加熱炉処理に代えてツール１０を用いた場合、サイクル時間を約５０分から約２分に短縮できた。更に、ツール１０の使用により、処理に必要な作業者の数を減らすことができ（ツール１０では一人必要であるが、加熱炉の運転には四人必要である）、ヘッダを形成する装置に必要な（平方フィートで表された）面積を縮小でき（図１に示すように二つの部材を形成するように装備される場合、約９．２９ｍ^２（１００平方フィート）の面積を要するツール１０と比較して、加熱炉では約３７．１６ｍ^２（４００平方フィート）の面積を要する）、必要なガスの量が減少し（加熱炉では約１６．６１Ｎｍ^３／ｈ（６２０ＳＣＦＨ）のガスが使用されるのに対し、約０．２６８Ｎｍ^３／ｈ（１０ＳＣＦＨ）のガスを要する）、必要な電気の量が減少する（ツール１０では約０．５ＫＷ、加熱炉では約１５ＫＷ）。これらの減少によって、製造コストを節約できる。

改善されたサイクル時間は、加熱炉を使用する場合、はんだ温度がピークに達してリフローされるまでに要する時間が、ツール１０を用いる場合と比べて非常に長いという事実に、少なくとも一部起因している。一実施形態において、ピーク温度が約３３０℃、リフロー温度が約２８０℃、クランプ圧が約３．６３ｋｇ（８ポンド）である場合、加熱炉がリフロー領域に達するには、約３０分の時間を要する。

前述の明細書において、本発明を、特定の実施形態を参照して説明してきた。しかし、当業者にとって、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱せずに、様々な改変及び変更が可能であることは、明白である。前述された方法と装置とを使用してあらゆる種類のパッケージを形成することができる。例えば、この方法と装置を用いて、ダイを放熱板に接着してから高温蝋付けを行うことにより、セラミックリング及びリードを放熱板に接着する空気キャビティパッケージを形成することができる。従って、本明細書及び図面は、制限的な意味ではなくむしろ例示的な意味として取り扱うべきであり、そのような全ての改変を本発明の範囲に含めることを意図している。材料ハンドリングの排除を自動的に行えるように、ツール１０を構成することが望まれる。

更に、説明及び特許請求の範囲中の用語「前」、「後」、「頂」、「底」、「上」、「下」等は、必要に応じて便宜的に使用されるものであり、必ずしも恒久的な相対位置を示すものではない。本明細書に記載される発明の実施形態が、本明細書に記載されるか、それ以外の配置で取り扱えるように、そのように使用される用語を、適切な条件の下で置き換えて使用することができる。

利点、他の有益性及び課題の解決策を、特定の実施形態に関して上述してきた。しかし、利点、有益性、課題の解決策及び任意の利点、有益性又は解決策が生じるか、より一層顕著にするあらゆる要素は、必要であり、重要であり、必須である特徴、或いは、いずれか又は全ての請求項の要素として解釈すべきではない。本明細書にて使用される用語「備える」、「含む」又はそれらのあらゆる他の変形は、列挙された処理、方法、物品又は構成部品を備えた装置がそれらの構成部品のみを含むのではなく、明確には列挙されていない他の要素又は上述した処理、方法、物品又は装置に固有の他の要素を含むように、包括的な含有物を対象にすることを意図している。本明細書にて使用される「一つ」は、一つ以上として定義される。本明細書にて使用される用語「複数」は、二つ以上として定義される。本明細書にて使用される用語、「更に別の」は、少なくとも第二以上として定義される。本明細書にて使用される用語「連結」は、必ずしも直接的でなく、必ずしも機械的ではないが、連結されているものとして定義される。

本発明の一実施形態に従う半導体構成部品の部材の組み付けに使用されるツール。 本発明の実施形態に従う半導体構成部品の平面図。 本発明の実施形態に従う組み付け前の図２の半導体構成部品の整列部分と組み付けのためその部分が配置される台座。 本発明の実施形態に従う別の半導体構成部品の平面図。 本発明の実施形態に従い図１のツールで使用される整列システムの底面図。 本発明の実施形態に従って台座を選択するためのフローチャート。

Claims (3)

1. 半導体構成部品を組み付ける方法であって、
   第一曲面台座を提供するステップと、
   前記第一曲面台座上に第一部材を配置するステップであって、前記第一部材が半導体ダイを備えるステップと、
   前記第一部材上に第二部材を配置するステップと、
   前記第一部材と前記第二部材との間に接着剤を提供するステップと、
   前記第一部材を前記第二部材に嵌合させるため、第一プレートにより前記第一部材と前記第二部材とに圧力を加えるステップと、
   第二プレートにより熱を加えて接着剤をリフローし、評価用半導体構成部品を形成するステップであって、加熱が加圧と同時に行われるステップと、
   前記評価用半導体構成部品のトポグラフィを測定するステップと、
   前記評価用半導体構成部品のトポグラフィを所定のトポグラフィと比較するステップと、
   第二曲面台座を選択するステップであって、前記第二曲面台座が前記第一曲面台座とは異なる湾曲を有しているステップと、
   前記第二曲面台座を提供するステップと
   を備える方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記第一曲面台座上に前記第一部材を配置するステップは、更に、フランジを備えた前記第一部材を配置するステップを含み、
   前記第一部材上に前記第二部材を配置するステップは、更に、絶縁体を備えた前記第二部材を配置するステップを含み、
   前記接着剤を提供するステップは、更に、はんだからなる前記接着剤を提供するステップを含む方法。
3. 半導体構成部品を形成する方法であって、
   キャビティを備えた加熱板を提供するステップと、
   前記キャビティ内に第一曲面台座を配置するステップと、
   前記第一曲面台座上に半導体ダイを備えたフランジを配置するステップと、
   前記フランジ上にはんだを配置するステップと、
   前記はんだ上に窓枠を配置するステップと、
   整列ヘッダを下降させて前記窓枠及び前記フランジに接触させるステップであって、前記整列ヘッダが前記窓枠への前記フランジの整列を確保する整列部を備えるステップと、
   前記整列ヘッダにより前記窓枠と前記フランジとに圧力を加えるステップと、
   前記加熱板により熱を加えてはんだをリフローすることにより、前記フランジ、前記はんだ及び前記窓枠を連結して評価用半導体構成部品を形成するステップと、
   前記評価用半導体構成部品のトポグラフィを測定するステップと、
   前記評価用半導体構成部品のトポグラフィを所定のトポグラフィと比較するステップと、
   第二曲面台座を選択するステップであって、前記第二曲面台座が前記第一曲面台座とは異なる湾曲を有しているステップと、
   前記第二曲面台座を提供するステップと
   を備える方法。

Images