JPH10183340A - 半導体パワ−デバイス用セラミック部材の金属化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体パワ−デバイス・パッケ−ジ又は半導
体パワ−デバイス・モジュ−ル用セラミック部材の金属
化法を提供することである。 【解決手段】 イオン蒸着室において半導体パワ−デバ
イス用セラミック部材（例えば、蓋や熱基板）をアルミ
ニウム膜で金属化する方法であって、セラミック部材に
バイアス電圧をかけることによりイオン蒸着室内のセラ
ミック部材の周りにアルゴンイオン雲を形成させ、バイ
アス電圧によりセラミック部材へ複数の方向からアルミ
ニムイオンを加速できるようにイオン蒸着室にアルミニ
ウム蒸気の連続源を設け、アルゴンイオン雲を通過する
際にアルミニウム蒸気からアルミニウムイオンを生成さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック、ガラ
ス又はガラスセラミック部材の金属化法、特に、アルミ
ニウム蒸気の連続源を内蔵する不活性ガス充填イオン蒸
着室を使用して半導体パワ−デバイス用セラミック部材
にアルミニウム膜を蒸着する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディスクリ−ト半導体パワ−デバイスお
よび多重半導体パワ−デバイスを有するパワ−モジュ−
ルの超小型電子パッケ−ジは、金属薄膜を被覆したセラ
ミック部材を含む。その金属薄膜は、金属化セラミック
部材が上下面および貫通穴上にパタ−ン化金属を有する
半導体デバイス・パッケ−ジのような蓋（リッド）であ
るときのようにエッチングしたり、金属化セラミック部
材が数個のパワ−デバイスのモジュ−ルのような熱基板
（サ−マル・ベ−ス）であるときのように連続的にする
ことができる。その半導体パワ−デバイス性能はこれら
金属化セラミック部材の特性に左右される。

【０００３】既知問題点の一つは、厚さが典型的に数千
分の１インチである金属薄膜の金属とセラミックとの接
着の問題であって、接着が不均一で、不充分なことであ
る。例えば、セラミックに数ミクロンの厚さの無電解銅
をめっきして、次に銅を必要な厚さに電気めっきする銅
被覆法によるセラミックと銅の接着強度は数百ポンド／
平方インチ（セバスティアンのピン引張り試験結果）と
低く、後続の処理および信頼性のある操作には不適当で
ある。さらに、イオンビ−ムで金属を蒸着すると、被蒸
着金属の厚さが不均一になり易い（例えば、米国特許第
４、８２８、８７０号明細書参照）。

【０００４】別の接着法は、パワ−デバイス・パッケ−
ジの蓋を金属化する直接ボンド銅（ＤＢＣ）共融結合法
であった。ＤＢＣ結合法はＡＩＮのような高性能セラミ
ックには不適当であり、最新の設計には望ましくない。
その結合機構はＭｘＯｙの化学量論を要し、製造コスト
を増し複雑になる。

【０００５】本発明の用途であるパワ−パッケ−ジおよ
びモジュ−ルの別の構成部品は、電気的に絶縁される熱
基板である。熱基板（サ−マル・ベ−ス）は、最新のパ
ワ−デバイス用のパッケ−ジ部品であって、約０．０１
０−０．１００ｉｎ（０．０２５−０．２５ｃｍ）厚さ
の平板である。熱基板のコアはＡＩＮのような熱伝導性
セラミックであって、セラミック・コア全体が金属化さ
れる。図１に示すように、１個以上のパワ−デバイス構
成部品１０（例えば、パワ−スイッチ）は熱基板１２に
はんだ付けされ、その熱基板は熱交換器又は支持フレ−
ムであるプラットホ−ム１４上に取り付けられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミニウ
ムの被膜をコ−ティングするイオン蒸着（ＩＶＤ）法を
用いる。ＩＶＤ法は、アルミニウム又は他の金属の保護
被膜を航空機胴体部品及び鋼のような種々の構造用金属
に塗布するために用いられてきたが、該法は半導体産業
において半導体デバイスをパッケ−ジングするためにセ
ラミック部材の被覆に用いられなかった。

【０００７】本発明の目的は、セラミック部材を真空室
内の不活性ガスイオン雲で囲み、真空室に金属蒸気の連
続源を設けてセラミック部材の全露出表面を同時に金属
化する金属イオンを生成する真空室でセラミック部材を
金属化する新規方法を提供するために、半導体パワ−デ
バイス・パッケ−ジ又は半導体パワ−デバイス・モジュ
−ル用セラミック部材を金属化する方法を提供すること
にある。

【０００８】本発明の別の目的は、セラミック部材にバ
イアス電圧を印加することによりセラミック部材をイオ
ン蒸着室内のアルゴンイオン雲で囲み、イオン蒸着室に
アルミニウム蒸気の連続源を設けてバイアス電圧によっ
てアルミニウムイオンを複数の方向から同時にセラミッ
ク部材方向へ加速させるために利用できるように、イオ
ン蒸着室において半導体パワ−デバイス・パッケ−ジ又
は半導体パワ−デバイスモジュ−ル用セラミック部材を
アルミニウム膜で金属化する方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明により、イオン蒸
着室内の半導体パワ−デバイス用セラミック部材にバイ
アス電圧を印加することにより該部材を不活性ガスイオ
ン雲で囲む工程からなり、アルミニウムイオンをバイア
ス電圧により複数の方向から該部材方向へ加速させるこ
とができるようなイオン蒸着室内のアルミニウム蒸気の
連続源であって、該アルミニウムイオンが不活性アルゴ
ンガス雲をアルミニウム蒸気中のアルミニウム原子の通
過時にアルミニウム蒸気から形成されることを特徴と
し、、該アルミニウム蒸気を提供する工程がイオン蒸着
室内にアルミニウム源を提供し、該のイオン蒸着室のア
ルミニウムを加熱して蒸発させる工程からなることを特
徴とする、イオン蒸着室において半導体パワ−デバイス
用セラミック部材をアルミニウム膜で金属化する方法が
提供される。

【００１０】また、本発明により、（ａ）アルミニウム
膜を蒸着するセラミック部材の表面が露出するように、
セラミック部材を真空室に配置する工程；（ｂ）該真空
室にアルゴン雲を充填する工程；（ｃ）該真空室にアル
ミニウムを蒸発させる工程；及び（ｄ）前記セラミック
部材にバイアス電圧を印加して、アルゴンをイオン化さ
せてセラミック部材の周りにグロ−放電を形成させ、蒸
発アルミニウムをセラミック部材方向に向けさせかつグ
ロ−放電によりイオン化させることによってセラミック
部材の表面にアルミニウムの膜を蒸着させる工程からな
り、前記真空室の充填工程がアルゴンの分圧で真空室を
充填する工程からなることを特徴とするセラミック部材
にアルミニウム膜を蒸着する方法が提供される。。

【００１１】

【実施例】好適な実施例におけるアルミニウム膜は、セ
ラミック、ガラス又はガラスセラミック部材をイオン蒸
着室にアルミニウムを蒸着する部材表面が露出するよう
に配置し、該蒸着室全体をアルゴンで分圧充填し、該室
に蒸発アルミニウムの連続源を提供し、セラミック部材
にバイアス電圧を印加してアルゴンをイオン化させ該セ
ラミック部材の周りにアルゴンイオン雲を形成させて、
蒸発アルミニウムを該セラミック部材方向に向けグロ−
放電によりイオン化させ該部材の露出表面にアルンミニ
ウム膜を蒸着させる工程よって、セラミック、ガラス又
はガラスセラミック部材上に被覆される（以下、用語
「部材」及び「セラミック部材」はセラミック、ガラス
又はガラスセラミック部材を意味する）。

【００１２】アルミニウム及び不活性ガスのイオンが負
にバイアスをかけられた部材方向へ加速される際に、蒸
気中のアルミニウム原子とアルミニウム及び不活性ガス
イオンとの衝突によって、多くのアルミニウムイオンが
生成される。グロ−放電はセラミック部材を取り囲むの
で、アルミニウムイオンの大部分がセラミック部材の直
ぐ近くで生成される。従って、本法は方向性がなく、ア
ルミニウムが露出表面全体に同時に蒸着される。

【００１３】アルミニウム蒸気は、アルミニウム・ワイ
ヤ源を蒸着室に設け、アルミニウム・ワイヤをその源か
ら蒸着室の加熱るつぼ（抵抗加熱るつぼ）に供給してア
ルミニウムを蒸発させることによって連続的に供給され
る。千〜数千ボルト（例えば、約４０００ボルトまで）
が、蒸着室の部材（カソ−ド）とアノ−ド間にアルミニ
ウム膜が必要な厚さ、典型的に約５０−７５ミクロン）
になるまで連続的に印加される（例えば、２０００ボル
トの負バイアスを約４時間印加して、５０Ａ／秒以上の
蒸着速度で望ましい５０−７５ミクロンの厚さが得られ
る）。

【００１４】セラミック部材は半導体デバイス・プレ−
ト、例えば、複数の貫通穴や熱基板を有する蓋のアレ−
（配列）である。金属化される表面はアレ−の上下表面
及び貫通穴の内部を含む。

【００１５】パワ−デバイスはその上下表面に金属化の
パタ−ンを有する蓋を含む。図２は、蓋２２のアレ−を
形成するためにレ−ザ加工して印を付けたセラミック・
シ−ト２０から製造できる蓋を示す。蓋２２の一つを示
す図３Ａに示すように、蓋２２は貫通穴２４を備える。
蓋の上面（３Ｂ）及び下面（３Ｃ）は必要に応じて金属
２６でパタ−ン化される。そのパタ−ンは半導体デバイ
ス上のはんだ付け金属化のパタ−ンと一致する。デバイ
ス、ダイオ−ド、電極等を取り付ける後続の好適組立法
は、適当な融点をもった合金を使用した単又は多工程の
はんだ付け法である。この方法は、接点を外部電極に接
続させる伝統的なワイヤボンディングの必要性を省き、
従ってワイヤボンディングの応力下でのワイヤの疲労及
び脆い半導体ダイスの破壊をなくす。本発明は、パタ−
ン化する前の蓋の金属化法を改良し、蓋の後続加工工程
との適合性を良くする。上面から下面への導電性路を形
成する貫通穴を備える金属化蓋は外部電極に極めて低い
インダクタンスを与える。

【００１６】図４Ａ−図４Ｃは縦横断面（図４Ａ）にお
ける蓋２８を示し、後続のパタ−ン化（図４Ｂ）前及び
図３Ｃのパタ−ンの達成に向かう第１のパタ−ン化工程
後（図４Ｃ）の貫通穴３２の内部を含む蓋の表面を被覆
する本発明の金属化の詳細を示す。

【００１７】その方法は、熱基板コアにおいて脆いセラ
ミック板の応力除去用クッションとして作用する高純度
で低モジュ−ルの軟質で厚いアルミニウム層の提供にも
使用できる。これは、パワ−電子組み込みブロック（Ｆ
ＥＢＢ）のようなパワ−デバイス・モジュ−ルに使用す
る熱基板に特に有利である。図１に示すように、電源構
成部品は熱交換器又は支持フレ−ムであるプラットホ−
ム１４に取り付けられる熱基板１２へ装着される。熱基
板１２は本法によって金属化され、さらにニッケル被膜
をめつきして部品の取り付け用はんだ付け金属化を形成
する。アルミニウムの金属化によって提供される応力除
去用クッションは後続の取扱い及び組立てに関連した応
力の面でモジュ−ルの信頼性を増す。ここで提供される
２面のアルミニウム金属化は熱基板のネジによる下にあ
るプラットホ−ム１４への直結を促進する。

【００１８】セラミック部材上へのアルミニウムのイオ
ン蒸着は、セバスチアン引張試験においてその部材を最
初に破断さす十分高い数千ポンド／平方インチに金属接
着性を改善する。蒸着室でアルミニウムを蒸発させる前
に蒸着室の部材をスパッタ・クリ−ニングすることによ
って部材を浄化して接着性を改善する。

【００１９】セラミック部材は、アルミナ、窒化アルミ
ニウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、及び窒化ケイ素
のような適当なセラミック、ガラス、又はガラスセラミ
ックにすることができる。グロ−放電の形成にアルゴ
ン、そして部材の金属化にアルミニウムの使用が望まし
いが、他の適当な不活性ガス及び金属も使用できる。

【００２０】図５及び図６に示すように、本法はフレ−
ム３６に蓋又は熱基板（図２に示すような）のアレ−の
配置、及びアルミニウムの連続源を提供するためにＩＶ
Ｄ室３８のような真空室アルミニウム源４４から供給さ
れる加熱用るつぼ４２と共に、ラック４０に複数のフレ
−ム３６の配置を含む。市販のＩＶＤ室は数百の１１．
４ｃｍｘ１１．４ｃｍｘ０．０６４ｃｍ（４．５”ｘ
４．５”ｘ０．０２５”）のセラミック・アレ−を収納
できる。

【００２１】

【発明の効果】本法によって作成されたセラミック部材
は、高電力／高電流半導体デバイスを含むディスクリ−
トのパワ−パッケ−ジ及び多パワ−デバイス・モジュ−
ルの構造的信頼性及び電気性能に利点を与える。これま
で、かかるパッケ−ジ及びモジュ−ルは多ボンドワイヤ
を含み、高インダクタンスおよび低構造的信頼性であっ
た。高信頼性、高電流及び高スイッチング速度は無数の
用途（例えば、自動車用、高電力の工業及び軍事用電動
装置、電圧及び周波数変換器）に必要である。本法で作
成されたデバイスは、ＩＧＢＴ，ＭＣＴ，ＣＭＯＳ装置
のような種々の半導体デバイスに信頼性があり、低イン
ダクタンスの連結を提供するためにデバイスにおける整
合はんだ付け材料パタ−ンに直接はんだ付けされる給電
トラフを含む。部材に電圧バイアスをかけることによっ
てアルゴン蒸着室内の部材の周りにアルゴンイオン雲を
形成させ、該室内に連続アルミニウム蒸気源を提供する
半導体パワ−デバイスのようなセラミック部材（例え
ば、蓋や熱基板）をアルミニウム膜で金属化する方法で
あるので、バイアス電圧によって複数の方向から部材へ
アルミニウムイオンを加速させることができる、そして
それらのアルミニウムイオンはアルゴンイオン雲を通過
する際にアルミニウム蒸気から生成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による半導体パワ−デバイスの側面図
であって、デバイス構成部品と下部プラットホ−ム間の
熱基板を示す。

【図２】本発明による分離前の複数のセラミック・プレ
−ト・アレ−の平面図である。

【図３】Ａ．貫通穴を有し図１のアレ−を形成する一つ
のプレ−トの平面図である。 Ｂ．パタ−ン化した金属化プレ−ト上面の平面図であ
る。 Ｃ．パタ−ン化した金属化プレ−ト底面の平面図であ
る。

【図４】Ａ．貫通穴を有する蓋の縦横断面図であって、
図４及び図４Ｃに詳細を示す。 Ｂ．図４Ａに示した詳細の縦横断面図であって、パタ−
ン化前の金属化を示す。 Ｃ．図４Ａに示した詳細の縦横断面図であって、初パタ
−ン化後の金属化を示す。

【図５】図２に示したようなセラミック・プレ−トを保
持するフレ−ム前部の絵画を示す。

【図６】フレ−ムを付けたアレ−及び加熱るつぼを有す
るイオン蒸着室内部の詳細の部分絵画を示す。

【符号の説明】

１０ パワ−デバイス構成部品 １２ 熱基板 １４ プラットホ−ム ２０ セラミック・シ−ト ２２ 蓋（リッド） ２４ 貫通穴 ２６ 金属 ２８ 蓋 ３０ 金属化部 ３２ 貫通穴 ３６ フレ−ム ３８ ＩＶＤ室 ４０ ラック ４２ るつぼ ４４ アルミニウム源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィクトール エイ．ケイ．テンプル アメリカ合衆国、ニューヨーク州 12065、 クリフトン パーク、メイン ストリート 962 (72)発明者 ジェイムス アール．ミュレイ シニア アメリカ合衆国、ニューヨーク州 12822、 コリンス、センター ストリート 411

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン蒸着室内の半導体パワ−デバイス
   用セラミック部材にバイアス電圧を印加することにより
   該部材を不活性ガスイオン雲で囲む工程からなり、アル
   ミニウムイオンをバイアス電圧により複数の方向から該
   部材方向へ加速させることができるようなイオン蒸着室
   内のアルミニウム蒸気の連続源であって、該アルミニウ
   ムイオンが不活性アルゴンガス雲をアルミニウム蒸気中
   のアルミニウム原子の通過時にアルミニウム蒸気から形
   成されることを特徴とし、該アルミニウム蒸気を提供す
   る工程がイオン蒸着室内にアルミニウム源を提供し、か
   つ該イオン蒸着室のアルミニウムを加熱して蒸発させる
   工程からなることを特徴とする、イオン蒸着室における
   半導体パワ−デバイス用セラミック部材のアルミニウム
   膜での金属化法。
2. 【請求項２】 バイアス電圧が４０００ボルト以下であ
   ることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 セラミック部材がプレ−トのアレ−であ
   り、アルミニウム膜を蒸着するプレ−トの表面が上下面
   を有し、該プレ−トが複数の貫通穴を有し、アルミニウ
   ム膜を蒸着するプレ−トの表面が貫通穴内部を含むこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 【請求項４】 （ａ）アルミニウム膜を蒸着するセラミ
   ック部材の表面が露出するように、セラミック部材を真
   空室に配置する工程； （ｂ）該真空室にアルゴン雲を充填させる工程； （ｃ）該真空室にアルミニウムを蒸発させる工程；及び （ｄ）前記セラミック部材にバイアス電圧を印加して、
   アルゴンをイオン化させてセラミック部材の周りにグロ
   −放電を形成させ、蒸発アルミニウムをセラミック部材
   方向に向けさせかつグロ−放電によってイオン化させる
   ことによってセラミック部材の表面にアルミニウム膜を
   蒸着させる工程からなり、前記真空室の充填工程がアル
   ゴン分圧で真空室を充填する工程からなることを特徴と
   するセラミック部材へのアルミニウム膜の蒸着法。
5. 【請求項５】 アルミニウムを蒸発させる工程が、真空
   室にアルミニウム・ワイヤの連続源を設ける工程と該ア
   ルミニウム・ワイヤを該連続源から真空室の加熱るつぼ
   に供給してアルミニウムを蒸発させる工程からなり、セ
   ラミック部材が半導体デバイスのセラミックプレ−トの
   アレ−からなり、アルミニウム膜を蒸着させるプレ−ト
   の表面が上下面を有することを特徴とする請求項４記載
   の方法。
6. 【請求項６】 前記プレ−トが、半導体パワ−デバイス
   ・パッケ−ジ用蓋の一つと半導体パワ−デバイスのモジ
   ュ−ル用熱基板であり、バイアス電圧の印加工程が、ア
   ルミニウム膜が１００ミクロン又はそれ以下の厚さとな
   るまでバイアス電圧を印加する工程からなることを特徴
   とする請求項４又は５記載の方法。
7. 【請求項７】 真空室でアルミニウムを蒸発させる前
   に、セラミック部材をその場でアルゴン・プラズマによ
   ってスパッタ浄化する工程を特徴とする請求項６記載の
   方法。
8. 【請求項８】 （ａ）アルミニウム膜を蒸着する半導体
   デバイス・セラミックプレ−ト・アレ−の上下面が露出
   するように、該半導体デバイス・セラミックプレ−トの
   アレ−を真空室に配置する工程； （ｂ）該真空室に分圧アルゴン雲を充填する工程； （ｃ）該真空室にアルミニウム・ワイヤ源を設け、該ア
   ルミニウム・ワイヤを該源から真空室の加熱るつぼに供
   給してアルミニウムを蒸発させる工程；及び （ｄ）前記アレ−にバイアス電圧を印加して、アルゴン
   をイオン化させ、該アレ−の上下表面に５０−１００ミ
   クロンのアルミニウム膜が蒸着するまでアルミニウムを
   アレ−の少なくとも上下方向に向ける工程からなり、該
   バイアス電圧を印加する工程が、アルゴンをイオン化し
   て該アレ−の周りにグロ−放電を形成させ、該アレ−方
   向に向けたアルミニウムがグロ−放電によってイオン化
   される工程からなることを特徴とする半導体デバイス・
   セラミックプレ−ト・アレ−の上下面にアルミニウム膜
   を蒸着する方法。
9. 【請求項９】 アルミニウムの蒸着速度が５０Ａ／秒以
   上であることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記アレ−が、アルミナ、窒化アルミ
    ニウム、酸化ベリリウム、炭化ケイ素及び窒化ケイ素か
    らなる群から選んだ材料からなり、前記バイアス電圧の
    印加工程が、アルミニウム膜の厚さが５０−７０ミクロ
    ンになるまでバイアス電圧を印加する工程からなること
    を特徴とする請求項８記載の方法。
11. 【請求項１１】 半導体デバイス用セラミック部材を蒸
    発金属を有する不活性ガス充填真空室に配置する工程、
    前記セラミック部材にバイアス電圧を印加して、不活性
    ガスをイオン化させセラミック部材の周りにグロ−放電
    を形成させ、金属蒸気をセラミック部材の上下面方向に
    向け、かつグロ−放電によりイオン化させることによっ
    てセラミック部材の上下面に応力除去金属膜を蒸着させ
    る工程からなり、前記金属がアルミニウムであり、セラ
    ミック部材の上下面への膜の蒸着が不活性アルゴンガス
    及びアルゴン分圧に充填された真空室を使用して４時間
    で少なくとも１００ミクロンの速度で行なわれることを
    特徴とする、応力除去金属膜を半導体デバイス用セラミ
    ック部材の上下面に接着させる方法。
12. 【請求項１２】 バイアス電圧を印加する段階は、金属
    膜が５０〜１００ミクロンの厚さになるまでバイアス電
    圧を印加する段階を含む請求項１０記載の方法。