JPS62291051A - 気密半導体パツケ−ジとその形成方法 - Google Patents

気密半導体パツケ−ジとその形成方法

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JPS62291051A
JPS62291051A JP62106524A JP10652487A JPS62291051A JP S62291051 A JPS62291051 A JP S62291051A JP 62106524 A JP62106524 A JP 62106524A JP 10652487 A JP10652487 A JP 10652487A JP S62291051 A JPS62291051 A JP S62291051A
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JP
Japan
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semiconductor package
semiconductor
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package
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English (en)
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ビクター・アルバート・ケイス・テンプル
アレクサンダー・ジョン・ヤーマン
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General Electric Co
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General Electric Co
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 3、発明の詳細な説明 本発明は、一般に半導体チップに形成されたデバイス用
のパッケージに関し、特にこのような1つ以上のチップ
形デバイスを密閉するための経済的な半導体材料製の熱
放散性パッケージに関する。
このパッケージは密閉されるデバイスの熱膨張係数にほ
ぼ合った熱膨張係数を有するようにすることができる。
また、半導体パッケージ材料中に導電性コンタクト領域
を形成するか、またはその代りに半導体材料を貫通する
適当な気密結合部または接続部を形成することによって
、密閉したデバイスを外部に接続することができる。デ
バイス電極のパターンと整合するように導電性領域のパ
ターンを形成して、デバイス電極と導電性コンタクト領
域との間の接触面積を最大にすることができる。
発明の背景 従来、半導体デバイスは半導体基板に形成されて、プラ
スチック・パッケージ内に封入されている。プラスチッ
ク・パッケージは半導体チップを密閉するために例えば
シリコーンまたはプラスチック材料で充填されて、準不
浸透性のチップ・パッケージを構成している。場合によ
っては、チップを別の基板上に取り付けることにより、
取扱いを容易にすると共に、チップに対する機械的強度
を増大させて、チップが衝撃または他の機械的なストレ
スに耐え得るようにしている。このような基板はセラミ
ックス、ガラスおよび低膨張合金で作られている。一般
に、チップは基板に固着され、チップとチップの周囲の
基板上に設けられた接続パッドとの間の接続はワイヤボ
ンディングにより行われている。チップに対する外部接
続は基板に設けられた接続パッドに接続することによっ
て行なわれていた。
しかしながら、上述したパッケージには多くの欠点があ
った。例えば、高電力デバイスを有するチップでは重大
な熱放散の問題が生じる。基板材料がチップ材料と異な
る場合には、熱応力がチップと基板との間に発生し、こ
れによりチップのひび割れや変形が生じてデバイスの性
能悪化や故障を生じる場合があった。従来のパッケージ
においでは、チップから発生する熱はチップの単一面の
一部分のみから放散されていた。これはチップの1つの
面のみが熱伝導性のヒートシンクに接触しているからで
ある。熱を発生するチップからの熱放散が不十分である
場合には、半導体デバイスが良好に動作しなくなり、デ
バイスに漏洩電流が発生したり熱破壊が生じることがあ
った。更に、密閉チップ・パッケージ内が温度が高くな
ると、しばしば密閉材料の劣化やひび割れが生じ、パッ
ケージ内に空気または水分が侵入することがあった。
特に熱放散性が貧弱であるパッケージにおいては、熱が
蓄積して、チップと基板との間に一般的に使用されてい
るはんだ接合部を溶融するほどになることがあった。更
に、パッケージが放射線環境内で使用され、かつ内部に
例えば金のワイヤまたは高原子番号の他のワイヤを用い
たワイヤ接続部を有する場合には、特にX線を吸収しや
すく、このためワイヤが蒸発してデバイスの故障を生じ
させることがあった。
=  12 一 本発明の目的は、機械的衝撃に十分耐えることができる
改良された密封半導体エンクロージャまたはパッケージ
を提供することにある。
本発明の他の目的は、デバイス電極とパッケージの端子
とを相互接続するのに従来必要であったワイヤボンディ
ングをしなくてすむ気密半導体パッケージを提供するこ
とにある。
本発明の更に別の目的は、密閉されるチップの熱膨張係
数にほぼ等しい熱膨張係数を有する半導体材料を使用し
て、パッケージ内の熱応力が最小になるようにした全て
半導体の気密パッケージを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、熱放散特性を改良した、半導
体チップおよび電力素子用の気密半導体パッケージを提
供することにある。
本発明の更に他の目的は、2つ以上の表面から熱を効率
よく放散する気密半導体パッケージを提供することにあ
る。
本発明の別の目的は、放熱にも使用することができる外
部電極を有する気密半導体パッケージを提供することに
ある。
本発明の他の目的はパッケージの一部をグレーディング
抵抗として使用することかできる半導体パッケージを提
供することにある。
本発明は、チップ形半導体デバイスを気密に密閉するた
めの、はとんど完全に半導体材料で形成されたエンクロ
ージャすなわちパッケージを提供する。好適実施例にお
いては、パッケージは高導電性半導体基部と、この基部
」二に配設されて基部と封11〕係合する高抵抗性ポリ
シリコンまたは酸素ドープ・ポリシリコンの側壁スペー
サと、この側壁スペーサに封止係合する半導体カバーと
を有する。側壁スペーサと基部との組合せは中央部にチ
ップ受入れ開口部を画成する。1つ以上の導電性コンタ
クト・ワッシャを密閉されたチップ形デバイスの上面の
上に設けて、このデバイスの端子を半導体カバーの適当
な部分に接続するインタフェースを構成することができ
る。
例えば特定のチップ形デバイスのアノード、カソードま
たはゲート電極への接続は多くの方法によって行なうこ
とができる。デバイスの1つの電極は例えば高導電性コ
ンタクト・ワッシャによって半導体パッケージの一部に
接続することができる。一実施例においては、半導体パ
ッケージの特定の部分を高濃度にドープして、高導電性
コンタクト・ワッシャと整合するように前記特定部分を
貫通する導電性領域を設定することができる。高導電性
コンタクト・ワッシャは密閉されたチップ形デバイスの
所望の電極に直接接続される。別の実施例においては、
高導電性のコンタクト・ワッシャまたは密閉されたデバ
イスの電極と整合するパッケージの部分に開口部が形成
される。この開口部は例えばレーザー穿孔によって形成
できる。
この開口部は導電性材料で再充填して封止することによ
り、パッケージを貫通する気密な導電性通路を形成する
。光応答デバイスを対象とする更に別の実施例において
は、パッケージの一部を貫通する孔を形成して、密閉さ
れた光応答デバイスの選択された光反応領域に光信号を
照射できるようにする。別の実施例においては、密閉さ
れせたデバイスがマイクロ波信号のような他の電磁信号
に応答することができる場合、パッケージにこの電磁信
号をデバイスに結合する手段が設けられる。
別の実施例においては、半導体パッケージの基部および
カバー部材の外面を構造化銅のような熱伝導性インタフ
ェース材料の層で被覆して、例えば液冷式金属ヒートシ
ンクのような外部放熱媒体へのパッケージの固着を容品
にし、これによりパッケージ内に封入されたデバイスに
よって発生される熱を更に放散して、デバイスとパッケ
ージとの間の熱応力を防止または低減することができる
更に別の実施例においては、半導体パッケージを少なく
とも部分的にゴム取付部またはハウジング内に密閉して
、衝撃吸収保護機能を付加させることができる。
更に他の代りの実施例においては、半導体デバイスを含
むチップをパッケージの基部部祠として使用し、側壁を
例えばチップ面上にガラスまたは酸化物層を堆積して成
形することによって形成することができる。半導体カバ
ー部材はデバイスの露出している部分を密閉するように
上記側壁に対して設けられる。前述したように、デバイ
スの電極に対する接続は半導体パッケージの中に高導電
性領域を形成することによって行うことができる。
この領域はデバイスの適当な電極と整合させて電気的に
接触させることができる。この代りとして、デバイスの
適当な電極と電気的に接続するようにパッケージの1つ
以上の部分を貫通する気密な導電性通路を設けることが
できる。
電極と整合するパッケージの部分は、代りの実施例にお
いては、パッケージの1つ以−にの部祠上に設けられた
金属のような導電性材料の層を含んでおり、これにより
パッケージの内部および外部のデバイス内接続およびデ
バイス間接続を行うことができる。一実施例においては
、金属は蒸着または化学堆積法によって堆積して、所望
のパターンにエツチングすることができる。
本発明の気密半導体パッケージはチップ形デバイスに対
するエンクロージャを構成するもので、デバイスの熱発
生速度にほぼ等しいかまたはそれより大きい速度で容易
に熱を吸収する能力を有しており、チップ形デバイスか
らパッケージへ、次いでパッケージから外部環境への熱
の放散を促進改善する。また、この改良された半導体パ
ッケージはデバイス電極からパッケージを通って選択さ
れた外部端子に接続するためのワイヤボンドおよびコン
タクト・フィンガの必要性を低減または除去し、パッケ
ージの気密性が害なわれる恐れのある箇所の数を低減す
る。更に、従来使用されていた金のワイヤボンド接続を
省略することができ、このため故障の生じ易い箇所を少
なくすることができる。また、パッケージは密閉された
チップおよびその関連する接続部を周囲の放射線から保
護して、潜在的な別の故障源を排除する。
本発明の新規な特徴は特許請求の範囲に記載されている
通りであるが、本発明自身の構成および動作の方法、な
らびに他の目的および利点は添付の図面を参照した次の
詳細な説明からよりよく理解されよう。
本発明は、種々の異なる半導体材料から製造される広い
範囲の半導体素子に適用し得るものである。現在人手し
得る大多数の半導体素子はシリコン・デバイスまたはシ
リコン・チップ内に形成されたデバイスであり、そのた
め本発明が適用される通常の用途はほとんどシリコン基
板に形成されたデバイスと考えられる。更に、以下の説
明ではこのようなシリコン>4t、導体デバイスを対象
として好適実施例の説明を行なっているが、これらは本
発明の幾つかの好適実施例を示したものに過ぎず、本発
明の用途を制限するものではないことに留意されたい。
更に、デバイスおよびパッケージの両方が同じ半導体材
料で形成されている場合に特に好適な結果が達成される
ものであるが、本発明はデバイスの半導体材料がパッケ
ージの半導体材料と異なっている場合をも含むものであ
る。しかしながら、パッケージの熱膨張係数がチップ形
デバイス(チップに形成されたデバイス)の熱膨張係数
に非常に接近しているかまたは整合していることがパッ
ケージとデバイスとの間の熱応力を避けるために重要な
ことである。
第1図、第1a図、第2図、第3図、第4図、第5図、
第6図、第7図、第8図および第9図において、本発明
の説明を理解するために、対応する部品は同じ符号で示
されている。第1図に示すように、本発明による半導体
パッケージ10は半導体チップ形デバイス12を内部に
気密に密閉する。図示例においては、デバイス12はシ
リコン・デバイスであり、デバイスの−1−面14に横
方向に間隔をおいて配置された第1、第2および第3の
メタライズ電極13a、13b、および13cを有する
。全半導体パッケージ10の構成部品は以下に詳細に説
明するが、好適実施例においては、これらの部品は半導
体材料で構成され、この半導体材料はデバイスの材料と
本質的に同じであり、これにより例えばデバイスからパ
ッケージへの熱の伝達を改良し、また相異なる材料で形
成した場合に比べてデバイス12とパッケージ10との
間に生じる熱応力を最小する。この例では、パッケージ
10ならびにデバイス12を構成するチップはシリコン
半導体から形成される。
本発明の半導体パッケージ10は基部部材15、側壁部
材20およびカバー部月30で構成される。
基部部材15は実質的に平坦であり、円形またはディス
ク形の形状を有する。基部15は典型的には5乃至30
ミルの範囲の厚さを有するシリコン・ウェーハである。
好適実施例においては、基部15は例えば高抵抗性ポリ
シリコン(HRPS)と呼ばれる約106オーム・am
の高い抵抗率を有するポリシリコン・ウェーハから形成
することができる。他の好適実施例においては、基部1
5は例えば約108オーム・amの抵抗率を有する酸素
ドープ・ポリシリコン(ODPS)から形成することが
できる。
基部15の中央部分はチップ形の半導体デバイス12を
受け入れるようになっている。半導体デバイス12の側
面26より外側の基部15の周辺部分の上面16は露出
しており、この」二面16はパッケージ10の側壁部材
20を受けて、それと封止係合する。側壁20は例えば
HRPSまたはOD’PSのような高い抵抗率を有する
半導体月利の円形または円筒形のワッシャ35で形成す
ることができる。第1図に示されている本発明のパッケ
ージ・システムの断面図では、このワッシャ形の側壁2
0の一部がパッケージ10の左右の両側部に示されてい
る。従って、側壁20か、はぼ平坦な下面21および」
二面22、ならびにほぼ円筒状の外面23および内面2
4を持つ環状の形状を有することを理解されたい。好適
実施例においては、側壁20の下面21は基部15の周
辺部分の下面16に接触して気密シールを形成するよう
に係合する。側壁20の」二面22はカバー30の下面
28に接触して気密シールを形成するように係合する。
カバー30.側壁20および基部15は例えば共融結合
、熱圧縮結合、はんだ結合等によって互いに気密封止す
ることができる。代りに、対応する面をメタライズした
場合には、電子ビーム溶接を使用することによりパッケ
ージ10を気密封止することができる。
半導体の側壁20の外面23はパッケージの横方向の範
囲を定め、側壁20の内面24は基部15と組み合わさ
って半導体デバイス12を受け入れる四部を構成する。
好適実施例においては、側壁20は、半導体デバイス1
2を構成するチップの厚さよりも大きい厚さを有する。
側壁20の典型的な厚さは15乃至40ミルの範囲であ
る。別の好適実施例においては、側壁の厚さは半導体デ
バイスのチップとコンタクト・ワッシャ25(後で説明
する)の厚さの和にほぼ等しい厚さにする。
半導体デバイス12は典型的には実質的に平坦な半導体
基板すなわちチップに形成される。図示の例においては
、メタライズ電極13a乃至13Cがチップの」二面1
4」二に配置され、このため電極13a乃至13cは基
部15の平面にほぼ平行な平面内に配置されている。
また、カバー部材30はシリコン・ウェーハのような半
導体材11、例えば前述したH RP Sまたは0DP
Sのような1導体材料で形成することができる。カバー
部材30はほぼ平坦であって、はぼ平行なF面28およ
び一七面29を有する。図示の実施例においては、カバ
ーは円形またはディスク形であり、その厚さは5乃至1
5ミルの範囲である。カバー部材30の下面28の周辺
部分は側壁ワッシャ20の上面22に接触して係合する
ように設計され、パッケージ10内に半導体デバイス1
2を密閉して気密封止する。
好適実施例においては、パッケージ10は外部のデバイ
ス(図示せず)と内部のデバイス12との間で信号を結
合する手段を含む。図示の実施例においては、カバー部
材30に1つ以上の外部端子31が設けられる。また、
カバー30は外部端子31と内部のデバイス12の電極
13との間で信号を結合する手段を含む。第1図に示す
例においては、メタライズ電極13a、13bおよび1
3cは例えばデバイスのアノード、カソードおよびゲー
ト電極をそれぞれ構成する。同様に、カバー部材30は
第1、第2および第3の外部端子31a、31bおよび
31cを有し、これらの端子はデバイス12の対応する
電極13a、13bおよび13cにそれぞれ接続される
ようになっている。外部端子31a、31bおよび31
cを電極13a、13bおよび13cにそれぞれ相互接
続する手段は、この例においては、3つの対応する高導
電性領域32a、32bおよび32cで構成される。こ
れらの高導電性領域は半導体デバイス12の対応する電
極13a、13bおよび13cとそれぞれ整合したカバ
ー30の部分中に形成される。これらの高導電性領域は
多くの方法で形成することができ、パッケージ10を形
成するカバー30、側壁20おにび基部15の最終組立
ての前に形成することが好ましい。これらの高導電性領
域を作るためには、例えばカバー30の中の選択された
領域の導電率をその領域の表面のみでなく、その選択さ
れた領域のカバーの下面28からカバーの上面29まで
の全断面にわたって変更して、カバー30を貫通する導
電性の領域にする。
カバー30中に導電性領域32a乃至32Cを形成する
第1の好適方法は、カバー30を絶縁酸化物層で被覆し
、半導体デバイス12の電極13a乃至13cに対応し
て導電性にすべきカバー30中の領域を選択し、この導
電性にすべき領域の上の酸化物層を貫通する窓をあけ、
この窓を介して選択された領域の導電率を増大する処理
を行うことである。
本技術分野に専門知識を有する者に知られているように
、選択された領域の導電率はこの領域のドーピング濃度
を増大することによって増大させることができる。一実
施例においては、この領域の不純物濃度を1022ドー
パント/Cc以上の濃度まで増大することができる。半
導体の不純物濃度は、例えばジョン・ウィリ・アンド・
サンズ(J。
hn Wlley and 5ons )社により19
68年に発行されたグラブ(Grove )の著書[フ
ィジックス・アンド・チクノロシイ・オブ・セミコンダ
クタ・デバイシズ(PI+yslcs and Tec
hnology ofSeII]ic。
nductor Devices ) Jの35−78
頁に記載されているように、半導体に不純物を拡散する
ことによって増大することができる。代りとして、カバ
ー30の選択された領域32の導電率および不純物濃度
は、ジョン・ウィリ・アンド・サンズ社により1981
年に発行されたスズ(Sze)の著書[フィジックス・
オブ・セミコンダクタデバイシズ(Physics o
f Soo+jconductor Devices)
 J第2版、64−66頁に記載されているように、イ
オン注入に続いて拡散を行なう処理のような他の周知の
方法によっても変更することができる。
更に別の好適実施例においては、カバー30の選択され
た領域32の導電率は、例えばカバーを貫通する導電性
通路を形成することによって変更することができる。例
えばレーザーによってカバー部材30を貫通する孔を形
成し、それからこの孔を銅のような導電性月利で再充填
する。適当な技術が、[ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス(Journal of’ AppHe
d Pbyslcs) J第53巻(1982年12月
>9154−9164頁に所載のチーアール・アンソニ
(TRAnthony)による論文「レーザー穿孔およ
び拡散によるダイオードの形成」および「ジャーナル・
オブ拳アプライド・フィジックス」第52巻(1981
年8月)5340−5349頁に所載の論文「半導体つ
ニ一ハを貫通する電気相互接続部の形成」に記載されて
いる。更に別の技術は米国特許第4,170゜490号
に開示されている熱勾配帯域溶融法を用いる技術である
次に、第1a図を参照すると、第1図の点線内に囲んで
示した部分の拡大分解図が示されている。
導電性領域32aの内面は金属、例えば銅のような導電
性材料27で被覆して、カバー30の導電性領域32と
半導体デバイス12の電極13との間の低抵抗電気的接
続を容易にする。導電性材料27に例えば再流動可能な
はんだを設けて、カバー30の導電性領域32とデバイ
ス12の対応する電極13との間のはんだ結合による接
続を容易にすることができる。再流動可能なはんだは加
熱してから冷却することにより、例えばデバイスの電極
13とカバー30の対応する領域32との間にはんだ結
合部を形成して、両者を電気的および機械的に接続する
。更に、導電性材料27と同様な導電性材料をカバー3
0の下面すなわち内面28」二または基部15の」二面
16上にメタライズ導電路として被着させて、チップ内
およびチップ間接続を形成することができる。
カバー30は側壁20の」二面22に取り付けられ、基
部151−に前もって配置された半導体デバイス12を
密閉して気密封止する。カバー30の導電性領域32a
、32bおよび32cはデバイスの電極13a、13b
および13cとそれぞれ物理的および電気的に接続され
て、密閉されたデバイス12がカバー30を通って外部
と電気的に接続できるようする。第1図に示していない
が、好適実施例においては、導電領域32a乃至32C
は圧接によってデバイスの電極13a乃至13Cにそれ
ぞれ直接接続することができる。この種の直接接続は、
カバー30の導電性領域32a532bおよび32cが
所要の低い抵抗の電気的接続を形成するために好ましい
圧力範囲内の圧力でデバイスのそれぞれの電極13a、
13bおよび13cに接触するように、パッケージのそ
れぞれの部材の寸法の5′1容差を非常厳密に定める必
要がある。パッケージの部材の寸法の許容差があまりに
大きすぎると、例えば接触圧力が不十分になって、接触
抵抗が好ましくない高い値になる。また、圧力があまり
に大きすぎると、パッケージ10やデバイス12にひび
割れが生じたり歪みが生じることがある。いづれの場合
にもパッケージされたデバイスは仕様に合わないことに
なる。
小さな寸法上の不整合は、パッケージ内にコンタクト・
ワッシャ25を設け、このコンタクト・ワッシャを適当
な圧力が得られるように適当な寸法にしてパッケージの
他の部材と組み合わせることにより克服すなわち調節す
ることができる。代りの方法として、この問題は例えば
第1図に示す別の好適実施例によって克服することがで
きる。
この実施例においては、コンタクト・ワッシャ25は弾
性圧縮可能な高導電性のコンタクト・ワッシャであり、
デバイスの電極13をパッケージ10の対応する導電性
領域32に対して導電的かつ弾性的に接続する。図示の
3つの電極を有する実施例においては、3つのコンタク
ト・ワッシャ25a、25bおよび25cが半導体デバ
イス12の電極13a、13bおよび13cとカバー3
0の導電性領域32a、32bおよび32cとの間にそ
れぞれ配置される。コンタクト−ワッシャ25は例えば
圧縮可能な弾性および高導電率を有するように構造化銅
で形成することかできる。図示の実施例においては、カ
バー30の導電性領域32a、32bおよび32cはデ
バイスの電極13a s 13 bおよび13cの上方
にそれらと整合して設けられ、すなわちこれらの電極か
ら離間してそれらと整列している。前述した再流動可能
なはんだを設けた導電性材料27を」二記実施例にも用
いて、カバーの領域32を対応するコンタクト・ワッシ
ャ25に機械的および電気的に接続することができる。
基部15、側壁20およびカバー30から成る前述した
組立体による別の利点は、側壁をグレーディング(gr
ading )抵抗として使用できることである。第1
図に示すように、側壁20はカバー30および基部15
の側縁を越えて横方向に突出している。側壁のこの横方
向への突出部は例えば−31= レーザビームによって調節して、カバー30および基部
15を通るデバイス用の適当なグレーディング抵抗を形
成することができる。この構造はサイリスタに適用した
場合に特に有利であり、動作抵抗を緊密に整合させた最
終デバイスを形成するのに有益である。基部15の」二
面およびカバー30の下面28に伝導性通路を設けて、
デバイス12の適当な電極13をパッケージ10の側壁
20によるグレーディング抵抗と並列に接続することが
できる。
別の実施例(図示せず)においては、カソードのような
単一の電極13のみがデバイス12の」二面に形成され
、アノードのような単一の電極がデバイス12の下面に
形成される。この場合、カバー部材15および基部部材
30は高導電性の半導体材料で形成され、適当な抵抗率
を有するスペーサとして構成された側壁20によって互
いに分離される。特に、側壁(スペーサ)20の抵抗率
は適当なグレーディング抵抗を形成するように選択され
る。この場合、側壁は特定のサイリスタ用のグレーディ
ングまたは整合抵抗として作用して、このデバイスに供
給される電流の内の一部を選択または制御して基部15
、側壁20およびカバー30を通ってアノードおよびカ
ソード電極間に流し、これにより例えば2つ以上のサイ
リスタを互いに整合させて並列に連結台することができ
る。
更に、第1図および第3図に示すように、スペーサすな
わち側壁20は正常な雰囲気状態下でブレークダウンを
避けるのに十分な長さの表面通路を基部15およびカバ
ー30間、即ちアノードおよびカソード電極間に与える
ようにすべきである。
本発明による全て半導体の気密パッケージ10の部分断
面斜視図が第2図に示されている。チップ形デバイス1
2が基部15−1−に配設され、側壁20より囲まれ、
カバー30により閉止されている。カバー30の中の選
択された領域32はデバイスの電極の一部分の形状に対
応する形状に形成された導電性パターンを有している。
パッケージが組み立てられたとき、領域32はコンタク
ト・ワッシャ25と係合して電気的に接続され、このコ
ンタクト−ワ・ソシャ25はデバイス12のに山jに設
けられている対応する電極と電気的に接触する。図示の
例では、デバイス12の上面には半円形または湾曲した
形状のカソード電極41か設けられている。デバイス1
2のに面の中央部分にはゲート領域を含み、このゲート
領域七にはゲート・メタライズ層44が設けられている
。デバイスの両電極41および44はコンタクト・ワッ
シャ25によってカバー30の導電性領域32aおよび
32bにそれぞれ接続される。図示するように、カソー
ド電極41の形状はカバー30中に形成されている導電
性領域32とほぼ同じ形状を有し、ていて、導電性領域
32b近くで終端しており、これによりデバイス12の
電極41とパッケージの端子31との間の電気的接触が
最大になる。
また、ゲート電極44はカバー30の導電性領域32b
に接続され、この導電性領域はまた側壁20の」二面2
2−Lのメタライズした導電路46に接触する。導電路
46はカバー 30と側壁20との間に延在し、側壁の
グレーディング抵抗に対する接続部として使用されるか
、または代りにゲート電極に対する外部のコンタクト・
パッドとして使用される。
多くの例においては、デバイス12はカバー30とデバ
イス12との間の10乃至15%の位置ずれを許容する
のに十分な寸法の接触領域を有する。しかしながら、別
の実施例においては、デバイス12およびその電極と正
確な対応関係にカバー30および導電性領域32を配置
することが必要である。この場合には、カバー30は意
図する位置の1乃至2ミル以内に正確に位置付けること
ができる。
第3図の別の好適実施例においては、デバイス12は基
部15、側壁20およびカバー30よりなる気密半導体
パッケージ10内に配置されている。こ\で「気密(ハ
ーメチック)」という用語の意味を正確に理解すること
は最良のことと思われる。特に、例えば光バイブの挿入
が可能なようにカバー30を貫通して以下に説明する開
口部50が設けられた場合でも、パッケージ10はデバ
イス12を気密に封+にしているということができる。
これはデバイス12の重要な表面、即ち高電圧阻止接合
部の表面が気密封止されるからである。
このため、高電圧接合部はこの接合部およびその性能を
劣化させるような汚染から保護される。これらのパッケ
ージに適応される用語「気密」はこの阻止接合部を汚染
から保護することを言うものである。
第3図の実施例においては、デバイス12は光トリガ・
サイリスタ12のような光応答電極13を有する光応答
デバイスである。前述したように、カバー30はデバイ
スの電極13と適当な外部素子31との間の信号を結合
する手段を有する。この実施例においては、カバーはエ
ツチングまたはドリルにより、光トリガ・サイリスタ1
2の光応答電極13または受光領域上に光を照射できる
ようにする開口部50が形成される。第3図に示すよう
に、光は光パイプまたは石英棒54を介して密閉された
デバイス12に供給され、この光パイプまたは石英棒5
4はカバー30の外側の」二面29に例えばエポキシ樹
脂(図示せず)によって固定または固着されている。光
パイプ54はデバイス12の光応答領域−にに光が当る
ように適当に位置付けられ調節されている。図示しない
別の実施例においては、光応答デバイス12は発光ダイ
オードのような発光素子に置き換えて、光バイブ54に
より内部で発生した信号を外部に結合することもできる
第4図は光応答デバイス12に使用される本発明の全て
半導体の気密パッケージ10の別の好適実施例を示して
いる。光応答デバイス12は基部15上に配設され、側
壁20によって囲まれている。しかしながら、この実施
例においては、側壁20の厚さはデバイス12およびコ
ンタクト中ワッシャ25の合計の厚さよりも大きく、デ
バイス12の」二面の」二方に特別なほぼ平坦な半導体
プレー 1−60が配置される。このプレート60は信
号を外部の信号源または受信器とデバイスの電極13と
の間でパッケージを介して結合する手段を有している。
図示の実施例では、光制御または光トリガ用ゲート電極
13cの他に、例えば通常のメタライズされたソースお
よびドレイン電極13aおよび13bを有する。外部信
号は前述した方法で電極13aおよび13bに供給され
る。電tai13aおよび13bに対応するプレート6
0の第1および第2の選択された領域62aおよび62
bは、例えば熱勾配帯域溶融法を用いてこの領域の不純
物濃度を増大することによって、または貫通する導電性
通路を形成することによって導電性にすることができる
同様に、光トリガ電極13cに対応するプレート60の
部分または領域は電磁信号を適当な電極に結合するよう
に適当に調節される。この場合、供給されるトリガ信号
は光信号であり、従って、電極13cは光伝導性でなけ
ればならない。第3図のように、光伝導性窓50がカバ
ー30を貫通してあけられ、かつ第2の窓64がプレー
ト60を貫通してあけられて、外部で発生した光はデバ
イスの電極13cに当るようになっている。更に別の実
施例においては、光ファイバーのような光ペイプ68が
プレート60の窓64を通って挿入されて、パッケージ
10を介して送る光が低損失で伝導するようにしている
。光バイブロ8はカバー30およびプレート60内に固
定配置されて気密封止され、パッケージ10の気密性を
保つ。光バイブロ8は例えばエポキシ樹脂またはRTV
封止封止上ってパッケージ10に取り付けられ、パッケ
ージ10の熱膨張係数に非常に接近または整合1.た熱
膨張係数を有するホウ素ガラス(図示せず)によってパ
ッケージ10内に封+1−される。
カバー30が側壁20およびプレート60」−に配設さ
れ、半導体パッケージ10内にプレート60およびデバ
イス12を気密封1にする。第4図に示すように、カバ
ー30の一部は光バイブロ8を挿入して永久的に位置決
めできるようにエツチングにより除去されている。
第3図および第4図に示すパッケージは例えば光制御電
極にアクセスするための貫通ずる開口部を有しているが
、パッケージはデバイスの−n止接合部の領域を気密に
保つ。μ旧1−接合部は逆バイアス状態でデバイスの逆
バイアス電位を支持する接合部である。阻止接合部に対
する気密封止は、阻止接合部の完全性を損ったり、また
は部分的に短絡するような不純物による接合部の汚染を
防止する。この接合部が損傷されると、デバイス12は
仕様通りに動作することができず、早期不良になって、
このデバイスおよび関連するデバイスの重大な損傷を生
じることがある。
第5図は本発明の半導体気密パッケージ10の他の好適
実施例の断面図である。複数のデバイス12が111−
の半導体パッケージ内に配置され、基部15」−に適当
な相互接続パターンで形成されたメタライズ導電路70
によって相互接続されている。第5図に示すように、パ
ッケージ10は基部15、デバイス12a、12bx 
12c、12d。
12e1プレート60aおよび60b1側壁20および
カバー30を有する。本発明の全て半導体のパッケージ
内に配設された前の例の半導体チップすなわちデバイス
12は本例では5つの分離したデバイス、即ち左端およ
び右端に設けられているダイオード12aおよび12e
5このダイオード12aおよび12bに近接して設けら
れている電界効果トランジスタ(FET)12bおよび
12d、および中央に設けられている集積回路12Cに
よって置き換えられている。これらのデバイスは基部1
5−Lに配設されているメタライズ層70により相互接
続することができる。この実施例においては、基部15
はデバイス12a乃至12eを所望の関係で相互接続す
るための所望のパターンに構成されているメタライズ層
70のような導電手段を白°する。図示のように、この
メタライズ層70はダイオード12aのアノードおよび
FET12bのドレインを相互に接続すると共に、外部
の電気エネルギー源Aに接続する。基部のメタライズ層
70は側壁20および基部15間を気密に保ちながらパ
ッケージ10の外表面まで延在して、これによりメタラ
イズ層70を半導体パッケージ10を貫通して延出させ
外部端子を内部のデバイスに接続する。また、図示の半
導体パッケージ・システムでは相互接続ワイヤ69を使
用して、例えばFETのゲートをコンタクト・パッドに
、およびICをコンタクト・パッドに相互接続する。ダ
イオード、FETおよびICの−[−面はそれぞれ外部
との接続のためにメタライズ層またはメタライズ電極を
有している。また、例えば第5図の左端に示すように、
第4図に関連して前述したのと同様な部分的に導電性の
プレート60 aが使用され、これによりダイオード1
2aおよびFET12bのカソードを例えばパッケージ
10のカソード端子にプレート60の導電性領域および
カバー30の対応する導電性領域32を介して相互接続
する。
第6図は本発明の別の好適実施例による半導体気密パッ
ケージ10を図示している。この図において、パッケー
ジ10の半導体基部15中の1つ以」二の選択された領
域71が例えば前述した技術により導電性にされていて
、この領域により信号が基部15を介してデバイス12
の適当な電極に結合され得る。
第7図は本発明の半導体気密パッケージ10の更に別の
好適実施例を示し、この図において同じ構成部品には前
述したものと同じ符号が付されている。特に、この実施
例においては、第3図に示す基部15の代りにデバイス
12のチップ自身または基板がパッケージ10の基部と
して使用され、更に側壁すなイ〕ちスベーザ20がガラ
ス予備成形体、またはデバイス12の下面14上に堆積
した封止用ガラス層によって本来の位置に形成されてい
る。
デバイスの電極13への接触はデバイス12の1−面1
4Fにメタライズ層Mを堆積することによって行なわれ
、メタライズすべきでないデバイスの領域を覆っている
金属または余分な金属を除去して、デバイスのメタライ
ズ端子を残す。金属は典型的にはアルミニウムであり、
例えば0. 5乃至1ミルの範囲の厚さに形成される。
ニュージャージ州、レイクウッド所在のガラス・シール
・プロダクト社(Glass 5eal Produc
ts )から入手し得る予め成形されているガラスのよ
うなガラス層70をメタライズ端子」二に設けることが
できる。
子め成形されたガラスまたは堆積されたガラス70はデ
バイス12の上面14を覆い、デバイスのメタライズ端
子の側壁を囲む。必要な場合には、それから窓をガラス
70の中にあけて、メタライズ端子を露出させ、このメ
タライズ端子をそれからはんだ用金属で被覆し、そして
例えば再流動可能なはんだ(以下の第9図参照)によっ
て予めメッキする。密閉されたデバイスへの外部接続は
カバー30を介して行なわれる。カバー30を貫通する
導電性通路として示されている各デバイス端子に対応す
る導電性領域32は例えば再流動可能なはんだ(第9図
参照)によってそれぞれの内面が予めメッキされ、これ
によりデバイス端子との電気的および機械的接続を作る
ことができる。カバー30をデバイスに取り付けたとき
、この組立体を典型的には350℃乃至400℃の温度
に加熱してから冷却することによりガラスを溶固させて
、デバイスの」二面14に対してガラス70を気密封止
し、またはんだを流動させてカバーの導電性領域32と
デバイスのメタライズ端子と間をそれぞれはんだ接続す
る。
第8図は本発明の他の実施例を示し、この例ではカバー
30がガラス70ならびにはんだ付は用金属層73およ
び75と組み合わさってデバイス12を封止する。デバ
イス12の端子または電極13ははんだイ・3け用金属
層78でメタライズされ、再流動可能なはんだ(図示せ
ず)が予めメッキされ、これによりはんだ金属接続部を
形成する。金属層78は、再流動可能なはんだ(図示せ
ず)によって予めメッキされたメタライズ層77を介し
て、カバー中に設けられている対応する導電性通路32
に電気的および機械的に接続される。また、予め成形さ
れたガラスまたは酸化物70がデバイス12の表面14
に付着されている。ガラスまたは酸化物70の露出部7
2の一部は金属層73で覆われ、再流動可能なはんだ7
6が予めメッキされる。同様に、カバー30の下面28
にはまた金属層75が設けられる。カバー30をデバイ
ス12に取り付けた後、例えば350乃至400℃の温
度に加熱し、次いで冷却する。この結果、カバ−30と
デバイス12との間にはんだ結合が形成され、これによ
りカバー30はデバイス12の1−面に対して気密封止
される。同様に、カバー30の導電性領域32aおよび
32bの内面はデバイス12の電極13aおよび13b
と導電するようにはんだ結合される。
「はんだ付は用金属」と言う用語を用いたが、周知のよ
うに全ての金属または材料が完全にはんだ付けできるも
のではない。はんだ付けできない金属にはんだ付けでき
る金属層すなわちはんだ付は用金属層を設けることが必
要な場合もある。第9図に示す例においては、アルミニ
ウムのメタライズ電極13は最初にクロム層90で被覆
し、それから銅の第2の層92で被覆する。銅は直接ア
ルミニウムに付着しないが、クロム層は銅およびアルミ
ニウムの両者に何着し、したがって銅をアルミニウムに
接続するために使用される。このように電極13ははん
だ付は用金属で被覆される。
また同様にカバー端子すなわち導電性通路32も銅のよ
うなはんだ付は用金属で被覆される。電極13および導
電性領域32の一方または両者は再流動可能なはんた7
6によって予めメッキする。
適当に加熱した時、電極13および導電性領域32は構
造的に互いに結合され、かつ電気的に接続される。はん
だ付は可能なチップ・メタライズ・システムを用いて、
カバー30を貫通する導電性領域32とデバイス12の
メタライズ電極13との間に低抵抗接続部を形成するの
が有利である。
以−に、好適実施例の半導体気密パッケージ1゜を説明
したが、本発明はこれに限定されるものでないことを理
解されたい。本技術分野に専門知識を有する者にとって
は、開示したパッケージ・システムを種々変更できるこ
とは容易に明らがであろう。特に、種々の電極領域を側
壁20.カバー30および基部15の上面および下面ま
たはそれらを貫通して形成することができ、必要により
種々の電極パターンおよびメタライズ層を設けることも
できる。複数のスペーサ(25)および他の分離部材を
パッケージの内部に設けて電気的接続および適当な分離
を行ない、全体としてバッヶージを堅固なものにするこ
とができる。パッケージ・システムは基部15、側壁2
0およびカバー30でF&成するものとして例示したが
、第7図に示すような別の実施の態様では半導体の基部
またはカバーを設け、側壁を基部またはカバーと一体的
に形成することにより、2つの部材でパッケージを構成
することができる。これは、全ての高電圧接合部の終端
部がキャップの下に位置していてデバイスの縁まで延在
しないようにデバイスが設計されている場合に特に有利
である。この実施例では、より厚い半導体基板を使用す
ることができ、またデバイスを受け入れる凹部を例えば
基板の中にエツチングによって形成することができる。
本発明の好適実施例を図示し説明したが、本発明はこれ
に限定されないことは明らかである。本技術分野に専門
知識を有する者にとっては、本発明の真の精神および範
囲から逸脱することなく、種々の修正、変更、変形、置
換え等を行なうことができよう。従って、本発明は特許
請求の範囲に基いて限定される。
=  48 −
【図面の簡単な説明】
第1図は不発明による半導体パッケージの断面図であり
、 第1a図は、第1図の点線で囲んで示す部分の拡大分解
図であり、 第2図は本発明による半導体パッケージの別の好適実施
例の部分断面斜視図であり、 第3図は光応答デバイスを1・1人する本発明のす導体
パッケージの別の好適実施例の断面図であり、第4図は
光応答デバイスを封入する本発明のゝト導体パッケージ
の更に別の好適実施例の断面図であり、 第5図はパターン形成した基部をaする本発明の半導体
パッケージの別の好適実施例の断面図であり、 第6図は複数のチップよりなるデバイスを単一のパッケ
ージ内で相互接続した本発明の他の好適実施例の断面図
であり、 第7図は半導体チップ自身が半導体パッケージの基部を
形成している本発明の更に他の好適実施例の断面図であ
り、 第8図はカバーが金属および酸化物層の組合せによって
基部に固定されている本発明の更に他の好適実施例の断
面図であり、 第9図は本発明のパッケージのカバー部材と密封された
デバイスの電極との間を相互接続する方法を例示する断
面図である。 10・・・半導体パッケージ、12・・・半導体デバイ
ス、15・・・基部、20・・・側壁、30・・・カバ
ー。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、信号端子を有する半導体素子とデバイス用の半導体
    パッケージであって、 第1の上面を有する実質的に平坦な半導体基部と、 前記基部の前記第1の上面に封止係合する第1の下面、
    および第2の上面を有し、前記基部と組み合わさって半
    導体デバイスを受け入れる凹部を画成する側壁と、 前記凹部を密閉するために前記側壁の前記第2の上面に
    封止係合する第1の下面を有する半導体カバーとを有し
    、 前記基部、前記側壁および前記カバーの内の1つには外
    部信号源と前記密閉される半導体デバイスの信号端子と
    の間で信号を結合する手段が設けられている半導体パッ
    ケージ。 2、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記結合手段が前記基部、前記側壁および前記カ
    バーの内の1つの中の選択された部分を有し、該選択さ
    れた部分が前記半導体デバイスの端子に整合していて、
    この端子に供給される信号を伝導するように処理されて
    いる半導体パッケージ。 3、特許請求の範囲第2項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記選択された部分が前記端子に直接接触してい
    る半導体パッケージ。 4、特許請求の範囲第2項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記選択された部分が光伝導性である半導体パッ
    ケージ。 5、特許請求の範囲第2項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記選択された部分が導電性である半導体パッケ
    ージ。 6、特許請求の範囲第5項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記選択された部分が縮退状態にドープされてい
    る半導体パッケージ。 7、特許請求の範囲第5項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記選択された部分が10^2^0ドーパント/
    立法センチメートル以上の不純物濃度を有する半導体パ
    ッケージ。8、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッ
    ケージにおいて、前記結合手段が前記基部、前記側壁お
    よび前記カバーの内の少なくとも1つ中の、前記半導体
    デバイスの選択された端子に整合した領域に貫通して形
    成された導電性通路を含んでいる半導体パッケージ。 9、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージにお
    いて、前記側壁が環状の形状を有し、高抵抗率の半導体
    材料で構成されている半導体パッケージ。 10、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記基部、前記側壁および前記カバーの内の少
    なくとも1つが前記半導体デバイスの端子のパターンと
    同様なパターンを有する導電路を含んでいる半導体パッ
    ケージ。 11、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記半導体デバイスが阻止接合部を有し、前記
    端子が光応答端子であり、前記結合手段が前記基部、前
    記側壁および前記カバーの内の少なくとも1つを介して
    前記半導体デバイスの前記光応答端子に光信号を伝達し
    、前記カバーが前記半導体デバイスの前記阻止接合部を
    気密に密閉している半導体パッケージ。 12、特許請求の範囲第11項記載の半導体パッケージ
    において、前記結合手段が前記基部、前記側壁および前
    記カバーの内の少なくとも1つを貫通して気密封止され
    ている半導体パッケージ。 13、特許請求の範囲第11項記載の半導体パッケージ
    において、前記結合手段が光信号を前記半導体デバイス
    に結合する石英棒を含んでいる半導体パッケージ。 14、特許請求の範囲第11項記載の半導体パッケージ
    において、前記結合手段が前記半導体デバイスの阻止接
    合部に隣接していない領域において前記半導体パッケー
    ジを貫通し、前記半導体デバイスの阻止接合部が前記半
    導体パッケージ内に密閉されている半導体パッケージ。 15、特許請求の範囲第10項記載の半導体パッケージ
    において、前記導電路がメタライズ・パターンを有する
    半導体パッケージ。 16、特許請求の範囲第15項記載の半導体パッケージ
    において、前記導電路が前記パッケージの外面まで延在
    している半導体パッケージ。 17、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記パッケージは第1および第2のデバイスを
    密閉し、更に前記基部、前記側壁および前記カバーの内
    の少なくとも1つがその内面に配置された少なくとも1
    つの導電路を有し、誘導電路が前記第1および第2のデ
    バイスを相互接続している半導体パッケージ。 18、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記側壁が前記デバイスの2つの端子間に結合
    され、かつグレーディング抵抗を構成している半導体パ
    ッケージ。19、特許請求の範囲第1項記載の半導体パ
    ッケージにおいて、前記半導体デバイスは前記基部内に
    形成され、前記側壁が前記基部の上に堆積されたガラス
    層によって構成されている半導体パッケージ。 20、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記基部、前記側壁および前記カバーの内の少
    なくとも1つが高抵抗率のポリシリコンから形成されて
    いる半導体パッケージ。 21、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記基部、前記側壁および前記カバーの内の少
    なくとも1つが酸素ドープ・ポリシリコンから形成され
    ている半導体パッケージ。 22、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記基部、前記側壁および前記カバーが気密エ
    ンクロージャを形成している半導体パッケージ。 23、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記カバーおよび前記基部が導電性であり、前
    記側壁が抵抗性であり、前記結合手段が前記カバーまた
    は前記基部の一方の中に設けられている半導体パッケー
    ジ。 24、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記側壁が前記基部の前記第1の面および前記
    カバーの前記第1の面に溶固させたガラス層で構成され
    ている半導体パッケージ。 25、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記側壁が、前記基部の前記第1の面上に設け
    られたガラス層と、このガラス層上に設けられた再流動
    可能なはんだの第1層と、前記カバーの前記第1の下面
    に設けられた再流動可能なはんだの第2層とで構成され
    、前記ガラスおよび前記はんだが加熱されたときに前記
    基部と前記カバーとの間にはんだ結合部を形成する半導
    体パッケージ。 26、特許請求の範囲第25項記載の半導体パッケージ
    において、前記ガラスおよび前記はんだ層が前記デバイ
    スの周辺部に設けられ、加熱されたときに前記デバイス
    に対して前記カバーを気密封止する半導体パッケージ。 27、特許請求の範囲第1項記載の半導体パッケージに
    おいて、前記結合手段が前記デバイスの対応する端子に
    関連した内部導電面を有する導電性領域を有し、前記端
    子が低い電気抵抗の接続を行うように前記領域の前記内
    部導電面にはんだ結合されている半導体パッケージ。 28、全て半導体の気密パッケージを形成する方法であ
    って、 実質的に平坦な半導体基部を設け、 前記基部に熱的に適合性のある側壁スペーサを設けて前
    記側壁の内部の前記基部上にデバイス受け入れ用の開口
    部を形成し、 前記開口部に半導体デバイスを配置し、 半導体カバー部材を前記側壁スペーサに取り付けて前記
    デバイスを密閉する各ステップを有する気密パッケージ
    形成方法。 29、特許請求の範囲第28項記載の方法において、前
    記側壁スペーサを設ける前記ステップが、前記デバイス
    上の本来の位置に酸化物を成長させ、次いで前記開口部
    をエッチングするステップを含む方法。 30、特許請求の範囲第29項記載の方法において、前
    記カバーを取り付ける前記ステップがカバー側壁組立体
    を加熱して前記カバーに対して前記酸化物を溶固させる
    ステップを含む方法。 31、特許請求の範囲第28項記載の方法において、前
    記側壁スペーサを設ける前記ステップが予め成形された
    ガラスを前記基部に設けるステップを含む方法。 32、特許請求の範囲第31項記載の方法において、前
    記の組立体を加熱して前記基部および前記カバーに対し
    て前記ガラスを溶固させるステップを含む方法。 33、特許請求の範囲第28項記載の方法において、前
    記側壁スペーサを設け、前記カバーを取り付ける前記ス
    テップが、更に 予め形成されたガラスを前記デバイスの表面に設け、 再流動可能なはんだを前記ガラスの上面に設け、再流動
    可能なはんだを前記カバーの下面に設け、前記の組立体
    を加熱することにより、前記基部に対して前記ガラスを
    溶固させると共に、前記ガラスと前記カバーとの間には
    んだ結合部を形成するステップを含む方法。34、特許
    請求の範囲第33項記載の方法において、前記組立体を
    350℃乃至400℃の温度に加熱する方法。 35、特許請求の範囲第28項記載の方法において、前
    記デバイスがその上面にデバイス電極を有しており、更
    に前記デバイス電極に対応する前記カバー中の選択され
    た部分を処理して該選択された部分を導電性にするステ
    ップを含む方法。 36、特許請求の範囲第35項記載の方法において、前
    記選択された部分が熱勾配帯域溶融法によって導電性に
    される方法。 37、特許請求の範囲第35項記載の方法において、前
    記選択された部分が注入法によって導電性にされる方法
    。 38、特許請求の範囲第35項記載の方法において、前
    記選択された部分が拡散によって導電性にされる方法。
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