JPS62501882A - 積層半導体アセンブリ - Google Patents

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】 積層半導体アセンブリ 〔発明の分野〕 この発明は、半導体のアセンブリ、特に多数の層または積層で作られたスタック のためのハウジングを含む半導体の複数スタックのアセンブリに関するものであ る。

〔発明の背景〕

エレクトロニクスのパッケージを作るには、多数の基本的な問題がある。多数の 問題とは、部品の総点数を少なくすること、アセンブリを簡単化すること、多機 能をより少ない構成要素に組み込むこと、およびコンパクトなアセンブリを提供 することである。これら問題がパワー・エレクトロニクスの組み立て時に顕著な のは、そのようなシステムに特有の高エネルギー運動量のためである。

この問題の１つの解決策は、多機能を非常に少ない構成要素に一体化するサブア センブリを作り出すことである。電子構成要素は、例えば印刷回路板のようなサ ブアセンブリに適当に接着される。印刷回路板は、従って構成要素間に多数の電 気的相互接続を提供する。

しかしながら、この解決策は、中位のレベルの電流に制限されかつパワー・エレ クトロニクスには有用でない。

他の解決策は、非パッケージ半導体と呼ばれ得るもの、すなわち常習的な個別の ハウジングまたは端子が設けられていない半導体ウェーハを利用して特殊なハウ ジングやアセンブリ或はその両方を作り出すことである。

電子構成要素がその慣用のパッケージをはぎとった形態でアセンブリに含まれる ので、アセンブリは簡単化されることができかつもっとコンパクトになるだろう 。部品の総点数も同様に少なくされる。この解決策は、１９７０年１２月２９日 付の米国特許第３．５５１，７５８号および１９７２年６月１４日付の米国特許 第３，６４９，８８１号に例示されている。

この解決策に伴う他の問題は自明かもしれない。例えば、半導体ウェーハを含む 構成要素には、事実上どんなシステムの全ての構成要素と同様に、許容値にバラ ツキがある。更に、アセンブリ中の大体対応する場所に異なる型式の構成要素が 用いられる時に、異なる構成要素はたいてい異なる寸法を有する。

これに適させるには、許容値のせい或は構成要素の不同性のせいでアセンブリは そのような異なる寸法に適合するようなものでなければならない。

上述した米国特許はそのようなことが達成され得る手段を例示するが、そこでの 解決策は比較的大きなサイズのユニットや速成生産法には容易に実施されない。

この発明は、上述した問題の１つ以上を解決することに向けられる。

〔発明の要約〕

この発明の主な目的は、半導体および他の電子構成要素の新しく改良した電気的 アセンブリを提供することである。特に、この発明の目的は、電子構成要素のス タックの寸法上の相違を容易に補償する新しく改良したアセンブリを提供するこ とである。

この発明によれば、間隔を置いて平行な関係にある半導体ウェーハから成る少な くとも２つのスタックを備えた半導体または他の電子構成要素の電気的アセンブ リが提供される。複数のハウジング区分は、各スタック毎に１つづつ設けられる 。各ハウジング区分は、導電性の材料または絶縁性の材料を互に所定の関係に積 み重ねた薄いシートから成る。これらシートのうち少なくとも何枚かは、関連ス タックまたは他の電子構成要素中の所定の１つの半導体ウェーハを受容する形状 にされた切抜きを有している。そのような各ハウジング区分が関連スタックの半 導体を収容するように、シートを一緒に保持するための手段が設けられる。シー トの少なくとも幾つかき一体のリボン状で曲げやすいタブは、ハウジング区分を 相互接続するために設けられ、かつバス−バーとして都合良く用いられ得る。

なお、バス・バーは、ろう付は接続のような製造された接続の必要性を避けるた めに、隣接するスタック中の所望の点を電気的に相互接続する。タブは、スタッ クの長さ沿いにスタック間の寸法上の相違と適応するために、他のタブとは大体 無関係に変形可能である。

ハウジング間の場所で個別に変形し得るタブ付きの薄いシートまたは層を使用す るので、寸法上の相違は許容される。この発明の一実施例によれば、複数の層ま たはシートは、半導体を受容する切抜きを中心にして互に接着されることができ 、かつタブによって定められる、スタック間の区域では接着されない。

非常に望ましい実施例では、各ハウジング区分中の層は、半導体を受容する切抜 きから半径方向外側に延びる少なくとも１つの冷却材マニホールドを定める整列 した孔を有する。そして層またはシートのうちの幾つかは、対応する層中の孔ま で延びる冷却路切抜きを有している。望ましいのは、冷却路切抜きの形状が曲が りくねっていることである。

層は利用した異種または同種の材料で作られた積層シートから成り得る。

非常に望ましい実施例では、タブの長さはハウジング区分間の所望間隔よりも少 し大きい。これはタブを張力よりもむしろ圧縮で変形させ、構成の良好な一様さ を提供しかつタブが導電路の一部を形成する場合にそのような導電路が張力下で の拡張の結果として不当に狭くされたり或は破られたりしないことを保証する。

その他の目的や利点は、添付図面についての以下の詳しい説明から明らかになる だろう。

〔図面の説明〕

第１図はこの発明で作られたアセンブリの斜視図であり、 第２図はアセンブリの二部の展開図であり、第３図は第１図の大体線３−３沿い に切った拡大部分断面図であり、そして 第４図はアセンブリの部分平面図である。

〔望ましい実施例の説明〕

この発明で作られたアセンブリの例示的な実施例は図面に示され、かつ第１図を 参照すればハウジング１゜を含むことが分る。このハウジング１ｏは、半導体と 電子構成要素の少なくとも一方を収容することが分る。

例示したようなハウジング１０は、間隔をあけて並置された３つのハウジング区 分１２．１４および１６で作られている。これらハウジング区分１２．１４およ び１６は、大体平行でありかつ一体で狭くしかもリボン状のウェブすなわちタブ １８ζこよって相互接続されている。

幾つかのウェブすなわちタブ１８はハウジング区分と一体のバス・バーとして用 いられ、異なるハウジング区分１２．ｉ４および１６の種々の点を電気的に相互 接続する。これは、導線のような別々の導体またはバスの必要性を避けると共に 、導体またはバスとハウジング区分を形成する要素との間のろう付けによるよう な接続を作る必要性も避ける。

ハウジング区分は更に大体平らな層または°シート２０を積み上げて作られ、そ の若干または全部はハウジング区分１２．１４および１６のうちの２つ以上の部 品を形成し得る。ハウジング区分１２，１４および１６の外側でシート２０に設 けた切抜き２４は材料を節約するためである。切抜き２４はまたガスのような熱 交換流体の通路を定めることができ、これによりそのようなガスはハウジング区 分１２．１４および１６の外部のまわりに循環させられてアセンブリの動作中に 発生した熱を運び去ることができる。

第１図は３つのハウジング区分１２．１４および１６を示すが、この発明は少な くとも２つのハウジング区分を有することを口論む。ハウジング区分の数の上限 は設計者にまかされる。

各ハウジング区分１２，１４．１６は１つ以上の冷却材出入口２６を有する。こ の冷却材出入口２６は、例えば油のような液体冷却材を利用してハウジング中に 収容された電子構成要素の動作時ハウジング内に発生した熱を運び去ることがで きるように、アセンブリを通る冷却材流路を作る如く相互接続され得る。

層またはシート２０の厚さは特別重要である。層またはシート２０は、ウェブす なわちタブ１８の区域ｌこおいて普通の平板状態から容易に変形できるように充 分薄いことが重要である。変形可能性はシートが作られる材料の特徴であるので 、絶対寸法は与えられ得ない。そして、ご承知のように、シート２０は異種材料 で作られ得る。全ての場合に、シート２０のうちのいくらかは導電性材料（これ は熱的にも伝導性であることが望ましい）で作られるが、シート２０の他のいく らかは電気絶縁性材料（これは比較的高い熱伝導率を持つことが望ましい）で作 られる。成る場合に、シートまたは層２０は、任意適当な手段によって一緒に接 着された同種または異種の材料の２枚以上のシートで形成されることができる。

そのために圧接を用いても良く、そしてシートが金属で形成される場合にこれら はろう付けされ得る。アセンブリ中に使用した電子構成要素の製造業者の仕様に おける電気的かつ／または熱的接続のための要求に合致するように、圧接は層を 接着する際にも用いられ得る。

ハウジング１０内に収容された電子構成要素の正確な電気的配置は、アセンブリ の企図した使用次第で違うので、この発明の一部を形成しない。しかしながら、 各ハウジング区分１２，１４．１６は、電子構成要素たいていは半導体ウェーハ すなわち個別の慣用ハウジングおよび端子パッケージング無しの半導体のスタッ クを収容する。導電性の種々のシート２ｏはウェーハ上の電極または端子に所望 の接続を作るのに役立ち、かつハウジング区分の１つ１２．１４または１６にお ける電気信号（入力または出力）は導電性のタブすなわちつ第２図は、代表的な １つのハウジング区分例えば１４において電子構成要素がどのように配設され得 るかを展開した形態で示す。代表的なスタックの長さがそこに収容されるべき電 子構成要素の数に依存し、これがアセンブリの適用される用途に依存するために 、第２図はスタック全体を示すものではないことを理解されたい。これを理解し た上で、スタックについて説明する。一番上のシート４０は絶縁材料で作られ得 る。このシートはその中央に切抜き４２が設けられ、この切抜き４２は半導体ウ ェーハなどを位置決めするのに利用され得る。このシートは比較的大きなサイズ で互いに向かい合っている孔４４を含む。これら孔４４は、第２図の他の場所に ４６で示したような０リング・シールを受けてハウジング区分１４のための冷却 材マニホールドの一部を形成することができる。ウェブ１８に和尚する絶縁タブ ４８は絶縁シート４０上に設けても良いし或は設けなくても良い。シート４ｏが 導電シートまたは導電層でサンドイッチにされかつウェブ１８を介して他のハウ ジング区分への電気接続を有する場合に、タブ４８は電気絶縁のために用いられ 得る。

要素４０の下に積層要素５ｏがあり、これは導電性で熱伝導性の材料で作られた ２枚のシート５２および５４から形成され得る。アセンブリが適用される用途次 第では、必要な電気容量を提供するのに２枚のシーク中の特定位置に所望の厚さ を提供するには、２枚以上のシートが必要かもしれない。

両方のシート５２および５４に孔４４と整列し得る孔５６を設けて冷却材マニホ ールドの連続性を提供する。

シート５２と５４は、ウェブすなわちタブ１８に相当する場所５８以外、−緒に ろう付けされ得る。

アセンブリ中の次の要素６０は２枚の導電シート６２および６４で構成され得る 。これらシート６２および６４はその間に絶縁シートを有していても或は有して いなくても良く、矢張りアセンブリが適用されるべき用途次第である。両方のシ ート６２および６４には、孔４４および５６と整列し得る孔６６が設けられ、も って冷却材マニホールドの連続性を提供する。更に、シート６２および６４の各 々は孔６６と６６の間に延びる曲がりくねった形状の切抜き６８を含むことがで き、これによりマニホールド間に冷却材流路を定める。

シート６２と６４も、ウェブすなわちタブ１８に相当する場所７０を除けば、両 者間に絶縁層が配置されない時に一緒にろう付けされ得る。シート６２および６ ４をスタック中の隣接シート例えばシート５４またはシート６４の下のシートに 接続する際もろう付けを用いることができる。

両方のシート６２および６４並びにこれらの切抜き６８は協働して大体直径方向 に延びる指状部７２を定める。この指状部の中央に孔７４があり、そして下側の シート６４は図示のように導体のトンネルを定める直線状の切抜き７６を含むこ とができる。

スタック中の次の要素８０は、２枚の導電シート８２および８４で形成される。

これらシート８２および８４は冷却材マニホールドの連続性を定める孔８６を有 し、曲がりくねった切抜き８８は冷却材通路として働くために孔８６を相互接続 し、そして直径方向に延びる指状部９０は孔７４に対応する中央孔９２を有する 。その上、上側のシート８２は、切抜き７６と協働して導体のトンネルを定める のに役立つ直線状の切抜き９６を含む。

絶縁された直線状の導体１００は、切抜き７６および９６で受けることができ、 かつ孔７４および９２の中に配置される導電材料のボタンまたは端子１０２に終 る。弾力性のゴム・プラグ１０４は、ボタン１ｏ２の上方の孔７４の中に配置さ れ得る。その結果、プラグ１０４は要素５０を支えかつその弾力性のためにボタ ン１０２を下方に偏倚させる。このように、プラグ１０４は偏倚バネとして働く 。

要素８０の直下には、導電材料で作られた要素１１０がある。この要素１１０Ｊ こは、冷却材マニホールドの連続性として役立つ対向孔１１２および中央の大き な孔１１４が設けられる。この孔１１４は、その中央にボタン１０２が配置され かっこのボタン１０２が要素１１０から電気的に絶縁され得るように充分大きい 。

スタック中の要素１１０の下には例えば半導体ウェーハ１２０がある。この半導 体ウェーハ１２０（′ｉその上面に制御電極１２２を有し、この制御電極１２２ は孔１１４を介してボタン１０２と整列している。その結果、スタックが組み立 てられる時に、ボタン１０２は電極１２２と電気的接触をなし、従って導体１０ ０へ印加された電気信号は半導体１２０の導電状態を制御する。

電極１２２を取り囲む電極１２４は、要素１１０と電気的接触していることが理 解される。

ウェーハ１２０の下側は別な電極１２６を定める。

ウェーハ１２０は、絶縁材料で作られた要素４０（もう一度思い出されたい）で 受けられる。この要素４０の厚さは、ウェーハ１２０の厚さに一致する。或は、 所要の厚さを提供するのに足りるまで何枚かの要素４０を利用しても良い。

要素４０の下ζこは別な要素５０があり、これはウェーハ１２０の電極１２６と 電気的接触することが理解される。

第２の要素５０の下には、要素６０と同様な構成の要素１３０があり得る。しか しながら、この要素１３０は、その直径方向指状部、１３２が異なるタブ１３４ と素６０の場合には、絶縁導体１０’Ｏのためのトンネルを提供する指状部７２ が一番左のタブと整列し従ってハウジング区分１６中の成る構成要素と電気的接 続するためにハウジング区分１６まで延びる。逆に、要素１３０の場合には、指 状部１３２は一番左のタブ１３４と整列し従って同様な絶縁導体を収容する手段 を提供し、これはハウジング区分１２才で延びてその中の構成要素に接続される 。

要素１３０は、もちろん、冷却材通路の連続性を定める孔１３６を含むと共に冷 却材流路を形成する曲がりくねった切抜き１３８を含む。

要素１６０の下には要素１４０を配置できる。この要素１４０は、その中央切抜 き１４２が小直径の半導体ウェーハ１５０（例えばダイオードであり得る。）を 受ける小さな直径のものであることを除けば、要素４０と同様なもので良い。以 上の説明から理解されるように、要素４０，６０，８０．ｔｌｏ、１３０および １４０またはその少々の変形は、種々の形式の半導体構成要素を収容するために ハウジング区分１２．１４および１６の各々全体を通じて所望通り反復され得る 。他の電子構成要素も収容され得ることが理解されよう。抵抗材料のウェーハや ディスク状コンデンサは、同一の原理を利用して各ハウジング区分中の所望の点 に置かれ得る。

第３図および第４図について、この発明の詳細な説明する。前述したように、種 々の要素４０，５０，６０゜８０．１１０，１３０および１４０は種々の場所で 圧接、ろう付けなどによって一緒に保持され、そしてスタック全体はそのために 代表的に用いられる慣用手段（図示しない）によって圧縮状態に置かれ得る。圧 接やろう付けのパターンは例えば第４図に示されている。特に、密封のため、電 子構成要素の周辺から半径方向外側に１５２で示したような連続ボンドが設けら れ得る。

１５４で示したようなボンディング・パターンは、出入口２６での漏洩を避ける ために出入口２６と整列して孔のまわりに同様に使用され得る。ボンド１５４の ようなボンドが用いられない場合に１．０リングのシール４６は同様にシーリン グを行う。

ウェブすなわちタブ１８にはどんなボンディングも無いことはかなり重要である 。その結果、各シートのタブすなわちウェブ１８は他とは無関係に変形可能であ る。シートが薄いので、そのような変形を行うのにほんの少しの努力しか要らな い。従って、第３図から分るように、ハウジング区分１４と１６の間に延びるタ ブ１８は、ハウジング区分１４および１６内に収容された電子構成要素のスタッ クの高さ即ち長さの差に適合するように自由に曲がる。特に、６枚のシートはタ ブ１８の区域中の１５８，１６０および１６２並びに１６４．１６６および１６ ８で示したようζこ多少一様に曲がる。

成る場合には、タブ１８は縮まろうさしかつそれらは例えば１７０　、１７２お よび１７４で示すとおりである。

整列を達成しかつ寸法差を補償するための縮みの現象は、少なくとも若干のシー トにおいて、空所（これに向ってタブが少し延びれる）を生じるために例えば空 所１７５および１７６で示したようにタブが存在しない所があることを示唆する 。第３図に示したように、１７４で示したタブの曲がりは１７５で示した空所に 延びるが、１７０で示した曲がりは１７６で示した空所に延びる。

一般的に、タブすなわちウェブ１８の長さをハウジング区分１２．１４および１ ６間の所望間隔より少し長くすることが望ましい。その理由は、そのようなタブ が第３図の説明に関して上述したように変形しかつ縮み得るからである。もしこ れがなされるならば、タブは張力状態よりもむしろ圧縮状態に常に置かれ、これ は上述した利点を有する。

以上の説明から理解されるようｌこ、この発明によって作られた電子構成要素の アセンブリは、コンパクトさおよび簡単さを達成する際に従来構成とくらべて多 数の利点を持っている。その上、例えばタブ１８が構造的機能を提供するのみな らず、選択的に選ばれてハウジングへ組み込まれる電子回路の一部として関係し 、もって比較的高い電力導電路を提供しながら別々のバス・バーおよびこれに関 連した接続の必要性を除く点で、多機能が構成要素に組み合わされる。

隣接するスタック即ち隣接するハウジング区分に°おける寸法上の差は、許容値 のバラツキのせいであれ或は異なる寸法の異なる構成要素を使用したせいであれ 、容易に適合される。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも２つの半導体スタックおよびこれらスタックのハウジングを備え 、 前記スタックは、互に間隔を置いて並置されるが、総体的に平行な関係にあり、 前記ハウジングは、一連の積み重ねられても薄く、総体的に平らで電気的かつ熱 的に伝導性の層および前記スタックを取り囲む電気的に絶縁性の層から成り、こ れら層のうちの幾つかは前記スタックの半導体を受容するための切抜きを有しか つこの切抜きを中心として一緒に接着され、前記層が前記スタックの長さ沿いに 前記スタック間に生じる寸法上の相違に適応するために前記スタック間の区域で 個々に変形可能であり得るように前記層は更に前記区域中で接着されない、半導 体の電気的アセンブリ。
2. ２．前記ハウジングはスタック毎に１区分の複数区分から成り、これら区分は前 記層の少なくとも幾つかにおいて前記区分と一体の狭いタブによって相互接続さ れ、前記区域は前記タブによって定められる請求の範囲第１項記載のアセンブリ 。
3. ３．前記タブの少なくとも幾つかは、導電性でありかつ前記スタック間に延びる 一体のバスを定める請求の範囲第２項記載のアセンブリ。
4. ４．各前記区分中の前記層は、関連した区分中で前記切り抜きから半径方向外側 に延びる少なくとも１つの冷却材マニホールドを定める整列した孔を有し、そし て前記層の幾つかは、対応する層中の孔まで延びる冷却路切抜きを有する請求の 範囲第２項記載のアセンブリ。
5. ５．前記冷却路切抜きが曲がりくねっている請求の範囲第４項記載のアセンブリ 。
6. ６．前記層の幾つかは、異種材料の積層シートから成る請求の範囲第１項記載の アセンブリ。
7. ７．間隔を置いて平行な関係にある半導体ウェーハから成る少なくとも２つのス タックと、 各スタック毎に１つづつの複数のハウジング区分であって、各ハウジング区分が 導電性の材料と絶縁性の材料とを所定の関係に積み重ねた薄いシートから成り、 これらシートのうち少なくとも何枚かが関連スタック中の所定の１つの半導体ウ ェーハを受容する形状にされた切抜きを有するものと、 各区分が関連スタックの半導体を収容するように前記シートを一緒に保持する手 段と、 前記シートの少なくとも幾つかと一体になっておりかつ前記ハウジング区分を相 互接続するリボン状で曲げやすいタブであって、前記スタックの長さ沿いに前記 スタック間の寸法上の相違に適応するために大体他のタブとは無関係に変形可能 であるものと、を備えた半導体の電気的アセンブリ。
8. ８．前記シートの少なくとも幾つかが前記タブのある所以外で一緒に接着される 請求の範囲第７項記載のアセンブリ。
9. ９．前記タブの長さは、前記ハウジング区分間の所望間隔よりも少し大きい請求 の範囲第８項記載のアセンブリ。
10. １０．前記タブは、前記ハウジング区分間に延びるパスを提供するために導電性 である請求の範囲第７項記載のアセンブリ。