JPH10501656A - 半導体デバイス及びその量産方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体デバイスが、デバイスのパッケージの底部分を形成する半導体基板と、デバイスの上部または蓋部分を形成するセラミックプレートを含む。基板が、その上側表面上に、当該基板の外側エッジに沿って電極と間隔をあけて配置された金属層を備えている。セラミックプレートが、その下側面上に外側エッジに沿って配置された銅泊を備え、該銅泊は基板金属層に重ねて接着される。セラミックプレートは、それを貫通する開口を備え、該開口はパッケージの内側で銅泊によってシールされ、ホイルは各々基板電極の１つと接着される。製造方法においては、積層接続蓋のアレイと積層接続基板のアレイとを形成し、各アレイは上述した層及びホイルを含み、前記アレイを互いに接着してデバイスのアレイを形成し、相互接着アレイを切断して個々のデバイスを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体デバイス及びその量産方法 発明の背景 この発明は半導体デバイスに関し、特に、その組立及びパッケージングに関す る。 例えばパワーデバイスのような半導体デバイスは、一般に、パッケージに収納 された半導体チップと、そのチップの表面上の電極と、そのチップから延びるタ ーミナルリードに接続するためのコネクターとを含む。 米国特許第５，０２８，９８７号には、本発明が利用されるタイプの半導体デ バイスの一従来例が示されており、この特許の主題は本出願において参照される 。 この発明において、パッケージは、半導体チップがその内側の底に接続される カップ形のベースと、ベースの内壁に接続されるセラミック製の開放蓋と、チッ プ上の電極に接続され、チップから直接蓋の開口を通って延び、デバイス端子と して機能するターミナルリードとを含んでいる。 本出願人によって、１９９２年１月２１日に出願された、同時係属出願（半導 体デバイス及びその組立方法）においては、この発明の１つに類似したデバイス が記載されているが、それは、チップ電極に接続されたターミナルリードに代え て、セラミック製の蓋の内面に接続された薄い金属ホイルが使用されている。こ の金属ホイルは蓋の開口の底穴の下に配置され密閉し、また、上に配置されてチ ップ電極に直接接続される。デバイス電極への外部電気的接続は、開口及び電気 接点に延びるターミナルリード及びその下に配置されたホイルによって達成され る。このように、デバイスは、ベースの底壁と蓋の内壁との間に固く挟まれ、非 常に強く、小さく、パッケージの上方及び下方の表面からの放熱するための熱伝 導率に優れているという特徴を有するチップを備えている。 本発明は、以上のように述べたデバイスよりも更に優れたデバイスを提供する ものである。 発明の概要 半導体デバイスは、その表面に電極を備えたタイプとして一般に知られている 半導体基板を備えている。基板は、従来のものより大きく、基板の外表面上のエ ッジ及び基板全体に配置された接着性の材料を含む。この接着剤は電極から離れ て配置される。基板は、デバイスパッケージの底部分を含む。 パッケージの上部は、その底面に接続された金属層を含むセラミック製の開口 蓋を含む。金属ホイルのようないくつかの金属層は、蓋の開口の下に配置され密 閉し、上に配置され基板表面電極と直接接続される。他の金属層歯、蓋の底面の 周辺辺りに延び、基板の周辺の接着可能な金属と接続される。ターミナルリード は、蓋開口に延び、下敷きホイルと接続され得る。 本発明に係るデバイスの製造方法においては、開口の集積アレイを含むセラミ ックウエハー組立体と、電極化された基板の集積アレイを含む半導体ウエハー組 立体と接触した金属層蓋とを収納する工程を含む。この基板は、更に、好ましく は基板電極と同一厚さの接着性金属層を含む。各蓋は、それぞれの基板と正確に 位置合わせされ、すべての蓋はその上に金属層を備え、すべての基板に同時に接 着される。これらの互いに接着された組立体は、個々の接着デバイスを得るため に、切断される。 以後に示す１つの実施例においては、セラミックウエハー組立体はあらかじめ 切断され、金属ホイルの薄板によって単独で保持される。このようにすることに より、以後に示すように、両者の熱膨張係数の相違による問題が防止される。 図面の説明 図１は、本発明に係る半導体デバイスの平面図を示す。 図２は、図１の２−２線における断面図を示す。 図３は、縮小図であり、図１及び図２に示したデバイスの蓋部分の底面または 内部を示す平面図を示す。 図４は、デバイスの半導体基板の上表面の平面図である。 図５は、図３に類似するが、蓋のセラミックウエハー組立体を示す。 図６は、図５に示したセラミックウエハー組立体の逆の表面（外面）を示す。 図７は、図４に類似するが、基板の半導体ウエハー組立体を示す。 図８及びず９は、それぞれ図１及び図２に類似し、本発明の他の実施例を示す 。 発明の好ましい実施例の説明 本発明に係る個々の半導体デバイス１０が図１から図４に示されている。 デバイス１０は、デバイスパッケージの底部分を形成する半導体基板１２と、 上部分を形成するセラミック蓋１６とを備えている。基板１２の周辺部分１８（ 図２）を除き、基板としては、例えば本実施例においてはサイリスタのような周 知の半導体デバイスを含む種々のドープ部分を含んだ従来のものを使用できる。 基板１２の部分を決める半導体デバイスの能動部分は、全て基板の中央セクショ ン２０（図２）の中に形成される。サイリスタのアノード及びゲート電極２４は 基板の上表面２８に配置され、カソード電極２６は基板下面に配置される。 これらの電極は、どのように組み立てられるかによって、例えば、接着性金属 がコーティングされたドープト・ポリクリスタリン・シリコンを含むことができ る。 従来の手法からの発展として、基板１２は中央セクション２０を越えて良好に 延びる周辺部分１８を有する。例えば、基板１２の厚みが０．４ｍｍで、方形の 中央セクション２０のサイズが１０ｘ１２ｍｍで、周辺部分１８の幅が１．２ｍ ｍに設定される。接着性金属層３２は、基板の上表面２８上の周辺部分１８の外 縁に沿って配置される。好ましくは、層３２は電極２４と同一の素材及び厚みを 持ち、同時に形成される。電極２４と層３２の形成に際しては、周知の配置及び パターン工程が用いられる。 層３２はデバイスパッケージの外表面を形成し、従って、パッケージの外表面 と内部電極２４との電気的絶縁を行い、本実施例においては、例えば層３２は電 極２４に対して０．６ｍｍの間隔を持って配置されている。 デバイスパッケージ１４の蓋１６は、複数の開口３６を有する周知の材料、例 えば、アルミナ・シリコン・ニトロイドの平板３４を備えている。多数の金属層 がセラミック板の表面に接着される。そして、例えばアルミニウムのような種々 の金属が、例えば、本実施例においては、スパッタリングによってセラミック板 に接着形成されても良く、セラミック板上の全ての金属層は厚さ０．１２ｍｍの 銅箔を含む。銅箔のセラミック板への形成技術に関しては、上述した米国特許第 ５，０２８，９８７号に引用された参考文献に記載され、周知である。 セラミックプレートの縁４２に全体に沿って延びるホイル４０が、該プレート の下表面３８（図２）に接着され、追加のホイル４４（図３）は各々開口３６の 各々の底穴を通って延びる。ホイル４４は、開口３６をデバイスパッケージの内 側に対して密閉する。 蓋１６のエッジホイル４０は基板１２の接着性金属層３２を覆い接着される。 ３つの蓋ホイル４４の各々は、各々の基板電極２４に対して位置決めされて接着 される。３つのホイル４８（図１）はセラミックプレート３４の上表面４６に接 着され、各々が開口３６の１つの周辺に配置される。ホイル４８の個々は、対応 する開口と位置決めされた穴を有する。 この実施例においては、３つのターミナルリード５０（１つの水１及び図２に 示す）、例えば、銅製のピンが開口の１つの中に各々延び、開口の下に敷かれた ホイル４４の露出面に接着される。これらのリード５０は、又、プレート３４の 上表面上のホイル４８とも接続される。好ましくは、リード５０はホイル４４、 ４８に対して半田付けされる。 一方、図示しないが、ターミナルリード５０は省略され、リード無しデバイス の使用においては、その上にデバイスが設置される、ターミナルボードから突出 するターミナルリードのようなものが、開口３６の中に延び、内部ホイル４４と 電気的に接続される。このようなリード無しデバイスにおいては、上ホイル４８ は省略される。上述した米国特許第５，０２８，９８７号に示された周知の種々 のデバイスと比較すると、本発明のデバイスは、ターミナルリードを備えていて もいなくても、半導体基板を内蔵する分離したパッケージ部分を含まず、従って 、少ない部品で低コストになる。蓋１６が基板１２に直接接続されているため、 非常に小さく強いデバイスが提供できる。また、蓋の基板への直接接続により、 パ ッケージ１４の上部を通って優れた熱伝導パスが形成される。従って、実用にお いては、上部及び下部のヒートシンクを使用することにより、熱がパッケージの 上面及び底面の両方から放出されることになる。 デバイス１０の組立工程において、図３に示された個々の蓋１６及び図４に示 された個々の基板１２は、周知の手段によって形成され、これらの蓋及び基板は 互いに、半田付け、熱圧着、金・アルミニウム反応接着等の従来の方法によって 接着され得る。金・アルミニウム反応接着としては、金の薄膜が蓋ホイル４０及 び４４の底面に配置し、基板の電極２４と接着層３２としては、アルミニウムま たは他の金属、例えば、アルミニウム薄膜によってカバーされた上述したドープ ト・ポリクリスタリン・シリコン等が使用される。 本発明の特徴は、これらがバッチ処理を用いて低コストで組み立てられるとい うことにある。これは、図５から図７に示されている。 図５及び図６は、積層接続された蓋１６のアレイを含むセラミックウエハー組 立体５０の上部及び下部表面を示す。個々の蓋１６は基板１２に接着されて完全 になる、各蓋１６はそれを通過する開口３６及びそこに接着されるセラミックホ イル４０及び４４を含む。本発明の実施例においては、組み立てられるデバイス はリード無しタイプ（すなわち、図１及び図２に示されたリード５０を含まない ）であり、（図１のホイル４８のような）ホイルが蓋１６の上表面に備えられて いない。リード１６は、波線５２で示すように、近接するリード１６と、スペー ス５２を持って行、列に位置決めされる。 セラミックウエハー組立体５０の製造において、セラミックの穴付きプレート は周知の手段によって形成され、薄い銅箔がセラミックプレートの１つの主面に 直接接着される。そして、周知のホトリソグラフィック技術によって、図５に示 すように、ホイルは個々のホイル４０及び４４にパターンニングされる。もし、 組み立てられている半導体デバイスがリード５０（図１）を含むタイプであれば 、セラミックプレートの他の主面に直接接着され、図１のホイル４８に対応する ホイル４８の反復パターン（図示せず）が同様にパターンニングされる。 図５は、セラミックプレートのそこ面３８上の蓋周辺接着層４０が、個々の蓋 １６を囲む連続層または薄板を含む様子が示されている。この利点は、少なくと もある程度は以後に示す。 図７には、積層接続基板１２のアレイを含む半導体ウエハー組立体６０の上表 面２８が示されている。この組立体の底面は、単に底面全体を覆う連続電極２６ を含んでいるだけであるため図示しない。 組立体６０に含まれた各基板１２は、蓋１６に接続されて準備が完了する。従 って、各基板１２は基板の表面２８に、必要な半導体デバイス特性、電極２４及 び２６、接着性周辺層３２を形成するドープト領域を含んでいる。又、蓋１６と 同様に、個々の基板１２の間にはスペース５２が形成される。半導体基板のアレ イを含む半導体ウエハーの製造に関しては、周知であるため、ここでは述べない 。すでに述べたように、周辺接着層３２は、好ましくは電極２４と同一材質であ り、電極と同一プロセスで同時に形成される。２つの組立体５０及び６０は、そ の後、蓋と基板を正確に位置決めした状態で互いにクランプされ、異なる接触金 属面の間の全てのボンドが、上述したような、個々の蓋と基板を互いに接着する ような周知の接着技術によって形成される。 ２つのウエハー組立体５０及び６０の接着の後は、異なる半導体デバイス（リ ードを除く）は、互いに接続される以外は、基本的に完成されたことになる。し かしながら、デバイス電極２４は蓋開口３６を介してアクセスされる状態にある ため、好ましくは、種々のデバイスのテストを、接着された組立体のダイシング の前に行う。 この利点は、デバイスのハンドリングを減少され、従って、経済的に行えるこ とにある。このテストの結果は、例えばインクのようなもので各デバイスに記す ことができる。 そして、もし図８に示すようなタイプのデバイスがつくられたら、種々のター ミナルリード５０は蓋開口３６に挿入され、ホイル４４に接着される。再び、バ ッチリードローディング工程を使用することによってコストの低減が図れる。 最後に、個々のデバイス、または種々の選択されたパターンのデバイスのグル ープが、ソーイング（鋸で着るような動作）及びスライシングのような、周知の 手段によって接着組立体から切りとられる（すなわち、セラミック及びシリコン ウエハーをソーイングし、剃刀の歯のようなもので金属層３２及び４０をスライ シングする）。ソーイングは、図５から図７に示すように、スペース５２に沿っ て行われる。 上述したように、あるケースにおいては、ウエハー組立体５０上の金属層４０ の薄板パターンによって利点が生じる。これは、ウエハー組立体５０のセラミッ ク材料の熱膨張係数が、ウエハー組立体６０のそれと著しく異なる場合に生じる 。このようなケースにおいては、２つの組立体の接着の際に熱が必要であるため 、異なる熱膨張係数により、互いに種々の組立部品が正確に位置決めされなくな る。 又、組立体がまだ冷やされて、異なる比率で接触する間に固まるボンド中に機 械的なストレスを発生させることができる。 このような状況は、ウエハー組立体５０が酸化アルミニウムであり、組立体６ ０の半導体材料がシリコンである場合に生じ、これらの材料の熱膨張係数は約５ ０パーセント異なる。（逆に、セラミックが酸化アルミニウムであり、シリコン との熱膨張係数の差が１パーセントにすぎない場合には、上述したような熱的な 問題を生じない） 熱的不一致の問題を解消するために、ウエハー組立体５０のセラミックプレー ト部分を、２つの組立体５０及び６０を接着する前に、スペース５２に沿って切 断する。薄板金属層４０はカットされないが、金属薄板は個々の蓋（切断時に除 去されるセラミック材料の量によって分離されている）のアレイと保持される。 例えば、鋸を使うと、蓋のスペース５２は３．５ミル（０．１ｍｍ）にできる。 ２つの組立体５０及び６０を接着している間に、蓋１６の隙間が膨張不一致を吸 収し、これによって上述した問題が解消される。 図８及び図９には、図１及び図２に示したデバイスの変更態様が示されている 。この実施例においては、蓋６４のセラミックプレート６２は基板１２より横方 向のサイズが小さく、プレート６２のエッジ６５が基板１２のエッジ３０の内側 で終わっている。また、プレート６２の底面上の接着層６６は、プレートエッジ ６５から側面外側に延び、基板１２の接着層３２に重なった銅箔を含んでいる。 この実施例の利点は、例えば、厚さ０．１ｍｍ，膨張長さ２ｍｍの薄い金属ホイ ル６６の柔軟性により、蓋と基板の表面同士の正確な一致を確保しつつ、デバイ ス部品の大きな寸法誤差が許容できることにある。しかしながら、柔軟長尺ホ イル６６が個々のデバイスの製造において利点をもたらしている間、このホイル ６６の使用は蓋と基板のウエハー組立体を使ったバッチ製造工程においては通常 好ましくない。１つの理由は、スペースを保持するため、蓋組立体上の蓋の間の スペース５２はできる限り小さくなり、したがって、これらを基板層３２に接着 するのに必要であるように、ホイル６６の上表面に対して圧力を加えるために蓋 の間に接着ツールを挿入することが困難になることである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体デバイスが、上部及び下部表面を有する半導体基板と；前記上面に当 該表面の外側エッジから間隔をあけて配置された電極と；前記上面に前記外側エ ッジの長さ全体に渡り、前記電極と間隔をあけて配置された接着性金属層と；前 記デバイスのパッケージの上部分を形成する蓋とを備え、 前記蓋が、上及び下面を有するとともにこれらの面の間を当該蓋を通過して延 びる開口を備え、金属ホイルが蓋の下面に接着され；前記ホイルが前記開口の個 々の底穴を通って延び、これを密閉し；前記ホイルが各々前記電極の上に横たえ 、接着され； 更に、前記蓋下面の外側エッジの全長に渡って形成された接着層を備え、前記 蓋下面が前記基板上の接着層の上に該接着層と接着され、前記基板が前記デバイ スのパッケージの下側部分を形成する。 ２．前記請求項１のデバイスにおいて、前記接着層が、前記蓋エッジの周辺全域 に前記蓋下面の外側エッジを越えて側面外側に延びる部分を有する金属ホイルを 備えている。 ３．デバイスのパッケージの下側部分を形成する半導体基板とパッケージの蓋を 形成するセラミックプレートを含むタイプの半導体デバイスの製造方法であり、 前記基板が外側エッジによって接着される上面を備え、当該上面上に電極を備え 、前記外側エッジの全長に渡って近接し、前記電極から離れて配置された接着金 属層を備え；前記セラミックプレートが外側エッジによって接着される下面を備 え、その下面上に金属層が、各々前記電極の１つに重なり接着された金属層と、 前記外側エッジの全長に渡って近接配置され、前記基板の接着金属層に重なって 接着されたた接着金属層とを備え； この方法は、各々が前記接着金属層及び金属層を含んだ積層接続蓋の組立体を 形成する工程と；各々が前記接着金属層及び電極を含んだ積層接続基板の組立体 を形成する工程と；前記組立体を前記蓋と基板とを個々に面接触状態で位置決め する工程と；前記基板と蓋の間に全てのボンドを同時に形成して、相互接続デバ イスを成形する工程と；前記接着された相互接続組立体を切断して、デバイスを 切り放す工程とを含む。