特許第6116488号(P6116488)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6116488
(24)【登録日】2017年3月31日
(45)【発行日】2017年4月19日
(54)【発明の名称】塊状端子を備える半導体パッケージ
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/12 20060101AFI20170410BHJP
   H01L 23/28 20060101ALI20170410BHJP
【FI】
   H01L23/12 501T
   H01L23/12 501W
   H01L23/28 A
【請求項の数】19
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2013-555572(P2013-555572)
(86)(22)【出願日】2012年2月23日
(65)【公表番号】特表2014-509455(P2014-509455A)
(43)【公表日】2014年4月17日
(86)【国際出願番号】US2012026378
(87)【国際公開番号】WO2012116218
(87)【国際公開日】20120830
【審査請求日】2015年2月21日
(31)【優先権主張番号】13/351,579
(32)【優先日】2012年1月17日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/445,630
(32)【優先日】2011年2月23日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【上記1名の代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
(72)【発明者】
【氏名】ダーヴィン アール エドワーズ
(72)【発明者】
【氏名】シヴァ ピー ガーラム
(72)【発明者】
【氏名】マスード ムルツザ
(72)【発明者】
【氏名】マシュー ディー ロミグ
(72)【発明者】
【氏名】早田 和宣
【審査官】 原田 貴志
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許第07476981(US,B1)
【文献】 特開2001−250884(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 23/12
H01L 23/28
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体デバイスであって、
直方体のプラスチックパッケージであって、前記パッケージの1つの側が第2の端子を囲む第1の端子を有し、前記第1の端子が第2の端子からギャップによって間隔を空けられている、前記直方体のプラスチックパッケージ、
を含み、
前記第1の端子が、塊状構造を有する固体銅ストライプと、銀と混合されたはんだの被覆に溶接される外部表面と、粒子状構造を有する銀の層に接する内部表面とを含み、
前記第2の端子が、塊状構造を有するの層と、銀と混合されたはんだの被覆に溶接される外部表面と、半導体チップが接着される内部表面とを含む、半導体デバイス。
【請求項2】
請求項1に記載のデバイスであって、
前記半導体チップを前記第1の端子の焼結された銀ナノ粒子の層にボンディングするワイヤと、
チップとワイヤとを封入し、前記第1の端子と第2の端子との間のギャップを充填するポリマー化合物と、
を更に含む、デバイス。
【請求項3】
半導体デバイスを製造するための方法であって、
焼結されたボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の第1の層をキャリアストリップ上に形成することであって、前記第1の層が第1のパッドと第2のパッドとにパターニングされ、第1のパッドのセットが各第2のパッドを囲み、前記第1のパッドが第2のパッドからギャップによって間隔を空けられる、前記形成することと、
前記第1のパッドと前記第2のパッドとの焼結されたボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の前記第1の層上に垂直に、塊状金属のパターニングされた層を形成することと、
前記第1のパッドの前記塊状金属の層上に垂直に、焼結されたボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の第2の層を形成することと、
各第2のパッドの前記塊状金属層上に端子を有する半導体チップを接着して取り付けることと、
を含む、方法。
【請求項4】
請求項3に記載の方法であって、
各チップの前記端子から前記第1のパッドのそれぞれのセットのボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の前記第2の層までの前記ギャップにわたってボンディングワイヤをわたすことと、
チップとワイヤとをポリマー化合物内に封入し、同時に前記化合物によって前記ギャップを充填し、その後前記化合物を硬化させることと、
前記第1及び第2のパッドの前記第1の層と、前記第1及び第2のパッドの間の前記ギャップ内の前記硬化された化合物とから前記キャリアストリップを分離することであって、それにより、アセンブルされたチップの硬化されたボードの表面を露出させる、前記分離することと、
を更に含む、方法。
【請求項5】
請求項4に記載の方法であって、
前記分離することの後、前記第1及び第2のパッドの前記露出された第1の層をはんだ合金で被覆して、その後前記はんだ合金をリフローし、それにより、前記第1の層の前記はんだ付け可能な金属を前記はんだ合金に溶かし、前記合金を塊状金属の前記層と連結すること、を更に含む、方法。
【請求項6】
請求項5に記載の方法であって、
囲んでいる第1のパッドのそれぞれのセットを伴う各第2のパッドを封入された半導体デバイスとして単体化するために、前記硬化されたボードをソーイングすることを更に含む、方法。
【請求項7】
請求項3に記載の方法であって、
前記ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属が、銀、金、ニッケル及びパラジウムを含むグループから選択される、方法。
【請求項8】
請求項3に記載の方法であって、
前記塊状金属が、銅、銀、亜鉛、ニッケル、インジウム、カドミウム、コバルト、ロジウム、高温はんだ及び金属充填接着剤を含むグループから選択される、方法。
【請求項9】
請求項3に記載の方法であって、
焼結されたボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の第1の層を形成することが、
キャリアのストリップ上にボンディング可能及びはんだ付け可能な金属のナノ粒子を含むペーストを堆積することであって、前記堆積されたペーストが第1及び第2のパッドにパターニングされ、第1のパッドのセットが各第2のパッドを囲み、前記第1のパッドが前記第2のパッドからギャップによって間隔を空けられる、前記堆積することと、
ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の固体層のパッドを作成するために、前記ナノ粒子を焼結することと、
を含む、方法。
【請求項10】
請求項9に記載の方法であって、
堆積することが、インクジェット、ステンシル印刷、スクリーン印刷及びニードルディスペンスを含むグループから選択される、方法。
【請求項11】
請求項9に記載の方法であって、
焼結することが、250℃から400℃の範囲内の温度を含む、方法。
【請求項12】
請求項3に記載の方法であって、
塊状金属の層を形成することが、
ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の焼結されたナノ粒子の前記パッドにマスクを整合することと、
前記第1及び第2のパッドの焼結されたナノ粒子の前記パッド上に金属マイクロ粒子と金属ナノ粒子との混合物を含むペーストを堆積することと、
前記マスクを除去することと、
ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の焼結された粒子の前記パッド上にスタックされた塊状構造の固体層をつくるために、前記金属マイクロ粒子及びナノ粒子を焼結することと、
を含む、方法。
【請求項13】
請求項12に記載の方法であって、
堆積することが、ステンシル印刷、スクリーン印刷、インクジェット及びニードルディスペンスを含むグループから選択される、方法。
【請求項14】
請求項12に記載の方法であって、
焼結することが、250℃から400℃の範囲内の温度を含む、方法。
【請求項15】
請求項3に記載の方法であって、
焼結されたボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の第2の層を形成することが、
前記第1のパッドの塊状金属の前記パッド上にボンディング可能及びはんだ付け可能な金属のナノ粒子を含むペーストを堆積することと、
塊状金属の前記層上にスタックされたボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の固体層を作成するために、前記ナノ粒子を焼結することと、
を含む、方法。
【請求項16】
請求項15に記載の方法であって、
堆積することが、インクジェット、ステンシル印刷、スクリーン印刷及びニードルディスペンスを含むグループから選択される、方法。
【請求項17】
請求項15に記載の方法であって、
焼結することが、250℃から400℃の範囲内の温度を含む、方法。
【請求項18】
請求項3に記載の方法であって、
前記キャリアストリップが、小孔のない、乾燥した、非酸化性の材料で作られる、方法。
【請求項19】
請求項18に記載の方法であって、
前記キャリアストリップが、テフロン(登録商標)、ポリマー材料、ポリマー被覆された金属、ステンレス鋼、セラミック、銅、クロムめっきされた銅、ニッケルめっきされた銅及びAlloy42TMのような鉄ニッケル合金のグループから選択される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、一般に半導体デバイス及びプロセスに関し、より具体的には、はんだ付け及びボンディングによって信頼できる接触を可能にする、半導体パッケージの塊状(agglomerate)端子を接触させるための構造及び製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスは、半導体チップ内のトランジスタなどの構成要素間、及び半導体チップと印刷回路基板(PCB)などの外部実装との間の伝達のために、主に金属を使用する。半導体チップ内で、金属線及び相互接続が、銅、アルミニウム、チタン、及びタングステンなどの、スパッタリング、蒸着、及びめっきがなされた金属フィルムを堆積することによって、並びに、フォトリソグラフィ、エッチング、及び化学機械研磨(CMP)手法を用いることを含む、堆積された金属を所望の電気要素にパターニングすることによって、形成され得る。
【0003】
半導体チップとPCBとの間で、伝達は、一般にリードフレームリードと呼ばれる別の金属構造を通じて行われる。リードフレームは、その上に半導体チップが取り付けられるチップパッドにスタンプ又はエッチングされた銅、アルミニウム、及び鉄ニッケル合金などの金属シートから、所望のリード構成に形成される。銅又は金のワイヤが、チップ端子をリードフレームリードに電気的に接続する。
【0004】
前述の金属構成要素は様々な金属要素でつくられ得るが、それらの共通の特徴は、様々なサイズ及びクリアな粒界によって分けられた配向の金属粒子によって特徴付けられる、それらの多結晶構造である。粒子状構造は、金属トレース、ライン、プラグ、リード、及びチップパッドにわたって延在する。粒子間にボイドは存在しない。
【0005】
アセンブルされた半導体チップ及びボンドワイヤを環境障害及び処理障害から保護するために、通常、チップ及びボンドワイヤはリードフレームの一部と共にプラスチックパッケージ内に封入される。リードフレームリードの或る部分が、はんだ接合によってPCBに接続されることになるプラスチックハウジングから露出される。はんだ材料は、通常、金属合金であり、印刷又は電解めっきによってPCBのパッケージにつけられ得る。
【0006】
はんだ印刷は、液体内に浮遊するはんだ粒子のペーストを作業表面上に塗布するために、ステンシル及びスクイージーを使用することを含む。続いて、はんだ粒子を液状に溶かすために、ペーストをはんだ粒子の融点より高い温度でリフローする。冷却すると、はんだは固体となり、半導体デバイスパッケージを物理的及び電気的にPCBに接続する。はんだは、たとえ固体であっても、特に複数のリフロープロセス後は、多結晶形の金属間化合物と構成金属の均一混合物で構成される。はんだ本体は、適切な温度及び環境条件下で処理される場合、通常、ボイドをまったく含まないか又はほとんど含まない。
【0007】
リードフレームを用いる半導体デバイスパッケージは、一般に、誘電基板を用いるパッケージに比べて費用効果が高い。それでも尚、リードフレームのコストはそのパッケージの材料総費用の大きな要因である。近年、比較的費用のかかるリードフレームをなくし、それをより費用効果が高い代用品で置き換える、半導体パッケージに関する製造プロセスが提案されている。
【0008】
このプロセスは、短いリード状のストライプを形成するために、金属粒子及び液体のペーストをキャリアボード上に塗布するステップを含む。このステップに続き、金属粒子の融点温度より低い温度で、各ストライプ内に金属粒子を焼結する。粒子は、たとえその固体状態を維持していても、まとまって連続的な固体領域となり、従来のリードフレームに置き換えるために、及び金又は銅を用いるサーモソニックワイヤボンディングのプロセスのために適した金属構造を形成する。例として、250℃〜400℃の温度での制御された雰囲気中で燃焼させて、高収率ワイヤボンディングに適した表面を作成するために、有機浮遊媒体中の銀粉が使用されてきた。燃焼の間、浮遊媒体材料は燃え尽きて灰を残さず、銀は高密度金属塊に焼結する。キャリアボードはステンレス鋼であってよく、これは、モールディング後容易に剥がされ、クリーン且つはんだ付けが可能な表面が残る。
【発明の概要】
【0009】
従来のリードフレームの置換として焼結された金属端子を備える、モールディングされた半導体パッケージが、クアドフラットパック・ノーリード(QFN)デバイス又はスモールアウトライン・ノーリード(SON)デバイスなどのリードレスデバイスとして用いられる場合、これらの端子は、パッケージ内部にワイヤをボンディングするため、及びパッケージ外部にはんだを取り付けるために、適していなければならない。出願人は、金属粉の焼結によって形成されるはんだ接合を金属構造に取り付けるための様々なプロセスを調査し、初期に多数の問題に遭遇した。金属構造が銀でつくられた場合、従来のはんだ又は鉛フリー合金のいずれかを含むはんだバンプは、バンプがしばしばモールディングされたプラスチックに接する程多くの銀を溶解させる傾向が強かった。この接触は機械的に失われ、強度及び信頼性の試験に不合格であった。金属構造が銅でつくられた場合、銅表面は、キャリアボードから剥がした後あまりに急速に酸化するため、はんだバンプが銅構造を適切に湿潤させられず、結果として生じるはんだ接合は脆弱であり信頼性がなかった。
【0010】
出願人は、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の焼結されたナノメートルサイズ粒子の最上層と最下層の間に挟まれた、ミクロンサイズ及びナノメートルサイズの金属粒子の焼結された塊状金属層を含む金属多層構造を見いだしたとき、従来のリードフレームを置換するための半導体パッケージ端子として用いられる焼結された金属構造上に信頼できるボンディング及びはんだコンタクトを形成する問題を解決した。塊状金属に好ましい選択肢は銅を含み、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属に好ましい選択肢は銀を含む。低コスト及び自己パターニングの金属堆積手法の好ましい選択肢は、インクジェット、スクリーン印刷、及びステンシル印刷を含む。
【0011】
例示の実施形態において、約30μm〜40μmの厚みの塊状層が銅のマイクロ粒子及びナノ粒子で焼結され、約1μm〜6μm厚みの最上層及び最下層が銀のナノ粒子で焼結される。銀の最上層は、アセンブルされた半導体チップに銅ワイヤを接続するために信頼できるボンディングを容易にし、銀の最下層は、塊状銅層に対する信頼できるはんだ接合を形成するために、最下層上に堆積されたはんだ被覆がリフローされるときに溶解される。
【0012】
別の実施形態は、従来のリードフレームを置換し、プラスチック半導体パッケージの焼結端子を製造するための、高収率低コスト方法である。ステンレス鋼又はAlloy42でつくられた箔などの再使用可能なキャリアボードを選択した後、銀のナノ粒子を含むペーストのパッドの第1のセット及びパッドの第2のセットが箔上にインクジェットされる。この堆積に続き、ナノ粒子を約250℃〜400℃の温度で、約1μm〜6μmの厚みの固体銀層に焼結する。次のプロセスステップにおいて、マスクが、焼結された銀のナノ粒子のパッドと整合される。銀パッドの頂部で、銅のマイクロ粒子及びナノ粒子の混合物を含むペーストが、パッドの第1のセット及びパッドの第2のセット上にスクリーン印刷される。この堆積に続き、マイクロ粒子及びナノ粒子を約250〜400℃の温度で、約30μm〜40μmの厚みの塊状銅層に焼結する。パッドの第1のセットの塊状銅層の頂部で、銀のナノ粒子の第2の層がインクジェット及び焼結されて(層厚みは約1μm〜6μm)、パッケージとなるべき端子の多層スタックが完了する。
【0013】
次に接着性ポリマーを用いて、半導体チップはパッドの第2のセットの塊状銅上に接続される。半導体チップは、銅ボンディングワイヤを用いて、パッドの第1のセットのそれぞれの第2の銀層に電気的に接続される。チップ、ワイヤボンド、及び金属層スタックはポリマー化合物内に封入され、ポリマー化合物は、重合されて、アセンブルされたチップの硬化されたボードを作成する。キャリア箔は(ピーリング、プッシング、又はツイスティングによって)アセンブル構造から分離され、再使用され得る。
【0014】
露出された銀端子上にはんだ合金が被覆され、リフローされるとき、パッドの第1及び第2のセットの焼結層の銀は完全にはんだに溶かされ、銀のマイグレーションのいかなるリスクもなくなる。したがってはんだは、凝集銅層の完璧な湿潤を確立し、パッケージ端子に対する信頼できるはんだ接合を作成することができる。
【0015】
最後に、硬化されたボードをソーイングして、外部PCB上にはんだ付けする準備の整った、単体化された半導体デバイスパッケージを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】塊状及び粒子状構造を有する焼結された多層金属端子を備え、端子がボンディング及びはんだ被覆に適した、プラスチックパッケージ半導体デバイスの概略断面図を示す。
【0017】
図2】塊状及び粒子状構造を備える焼結された金属層のスタックを含むパッケージ端子の拡大マイクロ写真を示す。
【0018】
図3】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図4】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図5】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図6】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図7】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図8】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図9】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
図10】マイクロ粒子及びナノ粒子の焼結された塊状層を含む垂直にスタックされた金属構造を備える半導体デバイスを製造するためのプロセスの、或るステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【0019】
図1は、本発明の例示の実施形態として全般的に100で示す、パッケージされた半導体デバイスを図示する。プラスチックパッケージ130が、接着層102を用いて(高分子力によって)金属ストライプ110aに取り付けられる半導体チップ101を収容する。ストライプ110aの構造は塊状構造であるが、代替として、ストライプ110aは主に粒子状構造を有していてもよい。チップ101は、端子(ボンドパッド)101aを有し、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属ストライプ120に電気的に接続される。ストライプ120は好ましくは粒子状構造を有するが、代替として、ストライプ120は塊状構造を有していてもよい。
【0020】
本明細書で用いられるように、ストライプは、周辺領域の材料とは異なる材料の細長い帯であり、その外形は線形又は不規則であってよく、その厚みは、その横寸法にわたってほぼ一定であってもよく、又は先細の部分を含んでよく、その特徴において、ストライプは層と同等である。
【0021】
例示のデバイス100のパッケージは、プラスチック化合物130によって形成される場合、このましくは平坦な表面を有する直方体の外形を有する。プラスチック化合物130によって形成されるパッケージの厚み131は、約0.5mmから1.0mmまでの範囲であってよい。デバイス端子を含む直方体の平坦な表面は、図1では132と示されている。例示の実施形態において、複数の第1の端子150が第2の端子151を囲む。第1の端子150の長さは好ましくは約0.1mmから0.3mmまでの範囲であり、第2の端子151の長さは好ましくは約0.5mmから2.0mmまでの範囲であるが、これらよりも長くても又は短くてもよい。第1の端子150は、第2の端子151からギャップ152によって間隔が空けられている。
【0022】
本明細書で用いられるように、塊状構造は、焼結ステップによって達成された様々なサイズの粒子のクラスタ化された組成物を示す。ストライプ110aは、好ましくは同じ金属のナノメートルサイズ粒子で焼結されたミクロンサイズの金属粒子の固体層である。塊状構造の焼結されたストライプの例示が、図2の断面図内に625倍の倍率で再現されている。例として、金属は、銅、銀、亜鉛、ニッケル、インジウム、カドミウム、コバルト、ロジウム、高温はんだ、及び金属充填接着剤を含むグループから選択され得、好ましい選択は銅である。ストライプ110bは、ストライプ110aと同じステップで製造されるため(以下を参照のこと)、ストライプ110aと同じ金属及び同じ塊状構造を含む。
【0023】
更に本明細書で用いられるように、粒子状構造は、焼結ステップによって達成された小さい分離粒子の組成物を示す。ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属ストライプ120は、焼結されたナノメートルサイズ粒子の固体層である。例として、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属は、銀、金、ニッケル、及びパラジウムを含むグループから選択され得、好ましい選択は銀である。
【0024】
他の実施形態において、層120は、より厚くてよく、ナノメートルサイズの金属粒子を用いてミクロンサイズの金属粒子を焼結することによってつくられる塊状構造を有してよい。
【0025】
図1は、粒子状構造のボンディング可能及びはんだ付け可能な金属ストライプ120が、塊状構造の110bで示す第1の金属ストライプに接し、そのため、金属ストライプ120が塊状の金属ストライプ110bの頂部にあり、ストライプ120及び110bが金属層の垂直スタックを形成するようになっていることを示す。したがって、第1の端子150は垂直の多層金属スタックを含む。
【0026】
図1は、それぞれ、チップ101及び金属ストライプ120に、相対するストライプ表面でストライプ110a及び110bに溶接されるはんだの被覆140を示す。はんだ被覆の外部表面は、はんだをストライプ110a及び110bに溶接するためのリフロープロセス中の液体はんだ合金の表面張力によって決定されるような、凸状の輪郭を示す。はんだの開始金属合金に加えて、被覆140は、それらのマトリクス内にはんだ付け可能な金属を含む。はんだ合金の開始組成物が何であろうと、取り付けプロセスフローにおいて液相に入った後、はんだ合金は、塊状構造のストライプの基礎として当初堆積され及び焼結されたはんだ付け可能な金属ストライプを部分的又は完全に溶解させる。このプロセスによって、はんだ合金は、塊状構造のストライプに対する密接な溶接されたコンタクトを確実に形成する。
【0027】
溶解されたはんだ付け可能な金属ストライプの残りとして、平坦な表面132は、元のはんだ付け可能な金属ストライプの寸法及び深さを有するインデントを示す。図1の各端子はインデントを有する。例として図1は、インデント長さとしての141で示し、インデント深さとして142で示す、第1の端子150のインデントを図示する(詳細は以下のプロセスの説明を参照)。
【0028】
図1のデバイス100は、ワイヤボンド160によって第1の端子に電気的に接続されるチップ101を有する。好ましいボンディングワイヤは銅又は銅合金でつくられるが、代替として、金又はアルミニウム、或いはそれらの合金でつくられてもよい。ボールボンディング技術が用いられる場合、ボールボンド161は好ましくはチップに接続され、第2の金属ストライプ120(例えば銀)へのスティッチボンド162は第1の端子150と接する(図2を参照のこと)。代替として、ウェッジボンディングが用いられ得る。別の代替相互接続方法は、ストライプ120に強力に接続される金属でつくられた金属バンプ又はスタッドを用いる、フリップチップボンディングを含み、バンプの金属の例ははんだ及び銅を含む。前述のように、ストライプ120は好ましくは粒子状又は塊状の構造の銀層に焼結され、銀は著しくボンディング可能であるものと知られている。
【0029】
デバイス100の封入化合物130は、チップ101、ボンディングワイヤ160、第1の金属ストライプ110a及び110b、並びに第2の金属ストライプ120を保護し、第1の端子150と第2の端子151との間のギャップ152を充填し、端子を備えるパッケージ側に平坦な表面132を形成する。好ましい材料は、無機充填剤を備えたエポキシベース化合物など、トランスファーモールディングに適した熱硬化モールディング化合物である。
【0030】
図2は、スティッチボンド162の取り付け後であるが、はんだ被覆の取り付け前である、例示の第1の端子150を高倍率(625倍)で見た断面である。塊状金属ストライプ110bは焼結された銅でつくられ、その横方向伸張部のほとんどが約40μmの厚み111を有し、塊状構造を明確に示している。他の実施形態において、厚み111は約20μm〜200μmであってよい。図2は、焼結プロセス(250℃〜400℃で30分〜60分間、プロセスフローは以下を参照のこと)においてナノメートルサイズの銅粒子によって共にクラスタ化される、約2μm〜7μmの直径を有しその大部分が直径約5μmである、複数の銅粒子を示す。ミクロンサイズの粒子とナノメートルサイズの粒子の混合のため、結果として生じる金属構造はハイブリッド構造と呼ばれることがある。本明細書に示された以外の粒子サイズ分布でも、金属ストライプ110bを形成することができる。塊状構造又はハイブリッド構造にわたって分散された様々な直径の小さなボイドが時折観察される場合があるが、これらのボイドは、例えば厚み111を通して伸びる開口の連続的な連鎖を形成することはない。銅ストライプ110bの上面及び下面は、粒子状構造の銀ストライプ120及び401である(偶発ボイドを含む)。ストライプは約5μmの厚み142を有するが、他の実施形態において、この厚み142は約1μm〜7μmであってよい。粒子状構造の銀ストライプは、約250℃〜400℃で30分〜60分間のプロセス(以下のプロセスフローを参照のこと)において、共に焼結されるナノメートルサイズの銀粒子から形成される。
【0031】
図3図10は、従来のリードフレームなしで半導体デバイスを製造するための例示方法におけるプロセスステップを示す。この方法の例示の実装のプロセスステップが示されている。図3に示されるプロセスの第1のステップは、厚み310の適切なキャリア301を確保することを含む。キャリア301は、高温(400℃〜500℃)処理及びモールディングに対して安定したプラットフォームを提供するが、同時に、用いられる金属及びポリマー化合物に対して非粘着性である、再利用可能な基板材料でつくられるものとする。キャリア材料は、製品の金属及びポリマー化合物に対して低い分子間力しか有さないものとし、キャリア材料は、多孔質でなく、破壊され得る一時的なボンドのみを提供するものとする。キャリア材料は、最終製品の取り外しを容易にするために、離型剤で被覆してもよい。結果として、最終製品のリフトオフが可能であり、キャリアは再利用可能である。好ましい材料は、テフロン、ポリイミド、ステンレス鋼、銅、クロムめっきされた銅、ニッケルめっきされた銅、及びAlloy42TMなどの鉄ニッケル合金を含むが、これらに限定されない。厚み310は選択される材料に依存し、例として、Alloy42の場合の厚み310は0.25mmであってよく、この場合、キャリア301は箔に類似する。しかしながら、他の実施形態において、キャリア301はより厚くてよいため、ボードに類似する。
【0032】
プロセスフローの次のステップにおいて、パッケージの露出リードとして動作する導電パターンがキャリア上に堆積される。図4に示されるプロセスステップにおいて、厚み142の第1のパターニングされた金属層が、選択されたキャリア301上に堆積され、パターンは導電ストライプ401及び402を含む。好ましい堆積される材料は、液体中で混合されるナノメートルサイズの金属粒子のペーストであり、こうした粒子は本明細書ではナノ粒子と呼ぶ。代替として、ペーストはミクロンサイズの粒子とナノメートルサイズの粒子の混合物であってよく、時にはハイブリッド混合物と呼ばれる(結果として主に塊状構造が生じる)。金属はボンディング可能及びはんだ付け可能である必要があり、銀、金、ニッケル、及びパラジウムを含むグループから選択され、好ましい金属は銀である。堆積の方法は、インクジェット、ステンシル印刷、スクリーン印刷、及びニードルディスペンシングを含むグループから選択され、このステップに好ましい方法は、それが粗さが3μm未満のより平坦なストライプを生成できることため、インクジェットである。選択された手法により、堆積されたペーストを第1のパッド401及び第2のパッド402にパターニングして、第1のパッド401のセットが各第2のパッド402を囲むようにすることができる。ペーストは、主に平坦な表面を有するパッドを生じさせるべきであるため、ペーストの液体は低い内部粘着性を有することが好ましい。第1のパッド401は、第2のパッド402からギャップ152によって間隔が空けられる。図4に示す例示の実施形態において、第2のパッド402は第1のパッド401より大きな横寸法を有するが、他の実施形態においては、この寸法は等しくてもよく、又はパッド402がパッド401より小さくてよい。
【0033】
代替として、ペーストはミクロンサイ粒子並びにナノメートルサイズ粒子を含み得、結果として生じる層が塊状構造の特徴を有するようにし得る。
【0034】
堆積後、例えば銀のナノ粒子などの金属ナノ粒子は、金属要素の融点温度よりも低い温度、好ましくは約250〜400℃で、約30分〜60分間焼結される。焼結によって、金属粒子は互いに固着し、固体金属体にまとまる。結果として生じる焼結されたパッド、例えば固体銀は、その粒子状構造を保持し得る。パッド401及び402は偶発ボイドを含み得る。パッド厚み142の範囲は1μm〜7μmである。
【0035】
図5に示される次のプロセスステップにおいて、マスク501が、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属(前述のように、銀が好ましい)の焼結されたナノ粒子の第1のパッド401及び第2のパッド402と整合される。堆積手法としてスクリーン印刷又はステンシル印刷が用いられる場合、この手法はマスクを伴う。次に、焼結されたナノ粒子のパッド401及び402上にペーストが堆積され、このペーストはミクロンサイズの金属粒子(いわゆるマイクロ粒子)及びナノメートルサイズの金属粒子(いわゆるナノ粒子)の混合物を含む。サイズが大きく異なるこれらの金属粒子の混合物は、ハイブリッド混合物と呼ばれることがある。この金属は、良好な導電性を有する必要があり、銅、銀、亜鉛、ニッケル、インジウム、カドミウム、コバルト、ロジウム、高温はんだ、及び金属充填接着剤を含むグループから選択され、好ましい選択は銅である。堆積された層の厚み111は20μm〜200μmであり、好ましくは約40μm〜60μmである。これまでの符号を用いて、パッド401上のハイブリッド層は110bと示され、パッド402上のハイブリッド層は110aと示される。堆積後、マスクは除去される。堆積の方法は、ステンシル印刷、スクリーン印刷、及びインクジェットを含むグループから選択され、このステップに好ましい方法はスクリーン印刷である。
【0036】
マスクの除去後、例えば銅ハイブリッド粒子などの金属ハイブリッド粒子が、用いられる金属の融点温度より低い温度、好ましくは約250℃〜400℃の温度で、約30分〜60分間焼結される。結果として生じる焼結されたパッドは、例えば固体銅などの固体金属であり、塊状構造を有する。パッド401及び402は偶発ボイドを含み得る。一般に、焼結温度が高いほど、ボイドは少なくなる。ボイドは連続的な経路を形成しないため、モールディング化合物(以下を参照のこと)が銀層402とのインターフェースに到達し得ない。
【0037】
図6は、次のプロセスステップを示す。第3のパターニングされた金属ストライプ120が、厚み142で塊状層110b上に堆積される。層120の横方向伸張部は、パッド110bの頂部をほぼ覆っている。好ましい堆積される材料は、液体中で混合される金属ナノ粒子のペーストである。この金属は、ボンディング可能及びはんだ付け可能である必要があり、銀、金、ニッケル、及びパラジウムを含むグループから選択され、好ましい金属は銀である。堆積の方法は、インクジェット、ステンシル印刷、及びスクリーン印刷を含むグループから選択され、このステップに好ましい方法はインクジェットである。
【0038】
堆積後、例えば銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子は、約250℃〜400℃の温度で約30分〜60分間焼結される。結果として生じる焼結されたパッドは、例えば銀固体などの固体金属であり、その粒子状構造を保持し得る。パッド120は、小さな偶発ボイドを含み得る。パッド厚み142の範囲は、好ましくは1μm〜7μmである。図6が示すように、結果として生じる垂直スタック650は、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属(例えば銀)の2つのより薄い粒子状ストライプ120及び401の間に挟まれたような、塊状ストライプ110b(例えば銅)を有する。
【0039】
図7に示される次のプロセスステップにおいて、ウェハソーイングステップからチップを更に接合する未硬化エポキシ又は接着フィルムの層102を用いることによって、端子(ボンドパッド)101aを備えた半導体チップ101が塊状金属層110aに接着して取り付けられる。代替として、チップ取付け層は、はんだなど、導電性及び熱伝導性を備えるように選択され得る。その後、チップ取付け化合物102は、約150℃〜250℃の温度で硬化(重合)され得る。
【0040】
図8は次のプロセスステップを示す。ボンディングワイヤ160が、チップ端子101aから、第1のパッドのスタック650の最上層として配置されるボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の第2の層120までわたる。好ましいボンディングワイヤは銅でつくられるが、代替の選択肢は金及びアルミニウムを含む。ワイヤ160は、第1のパッド401と第2のパッド402の間のギャップ152にわたってかかる。ボールボンディング手法が用いられる場合、ボール161が好ましくはチップ端子101aに取り付けられ、スティッチ162が層120に取り付けられる。代替のボンディングプロセスが、チップ端子101a上及び層120上の両方にボールを形成し、チップ端子101a上又は層120上のいずれかにワイヤスティッチを伴う。ウェッジボンディング手法が用いられる場合も、層120はスティッチボンドを有する。典型的なボンディング温度は約100℃〜250℃である。代替として、フリップチップボンディングが用いられる場合、粒子状構造又は塊状構造を有する層に対する強力な接続を容易にするように金属バンプ(例えばはんだ)が選択される。
【0041】
図9に示される次のプロセスステップにおいて、チップ101及びボンディングワイヤ160がポリマー化合物130内に封入される。同時に、このプロセスステップは、第1のパッド401及び第2のパッド402の間のギャップ152を埋め、キャリア301上に化合物の表面132をつくる。封入ステップは、再利用可能キャリアの個々のストリップ上で、又はアセンブリがリールツーリール(reel-to-reel)処理用にセットアップされている場合はリールツーリール形式で、実行可能である。好ましい封入技術は、約170℃〜180℃の温度を伴うトランスファーモールディング手法である。好ましい熱硬化化合物は、150℃〜200℃での数時間の重合(硬化)を必要とする。代替として、モールディング化合物は、エポキシ又は熱可塑性のいずれかの即時硬化化合物であってよい。化合物の硬化後、デバイスパッケージはその直方体の外形を維持する。
【0042】
封入化合物130が硬化された後、アセンブリは図10に示されるプロセスステップを実現し、それぞれ、第1の層(パッド)401及び402の表面401a及び402aから、並びに、パッド間のギャップ152における硬化された化合物130から、キャリア301を分離する。このキャリア除去ステップは、封入されたアセンブリに対しキャリア301をピーリング、プッシング、又はツイスティングする手法によって実行され得る。例として、図10はキャリア301のピーリング手法を示す。キャリア301は、リフトオフの後、その後の再利用に備え得る。キャリア除去のプロセスステップは、焼結された固体金属ストライプ401及び402の金属表面401a及び402aを露出させる。分離後、再利用可能なキャリアは、プロセスフローを始めるためにリサイクルされる前に、離型化合物のクリーニング又は塗布などのコンディショニングステップを必要とする場合がある。
【0043】
表面401a及び402aは、リードレスパッケージにしばしば好ましいように、外部部品への圧接によって電気的に接続され得るか、又は、ボールグリッドアレイタイプのパッケージに適用可能なように、次のはんだ処理ステップを施すことが可能である。ニッケル、パラジウム、及び金に実施されるような、電解はんだめっき手法又は無電解プロセスを用いて、はんだの被覆がつけられる。代替として、はんだペーストをパッド上にスクリーニングすることができる。次にはんだ被覆は、選択されるはんだ合金に応じて、好ましくは約200℃〜260℃のはんだリフロー温度まで加熱される。はんだは、液体のとき、層401及び402のはんだ付け可能な金属を溶解し、この金属が銀の場合、はんだ合金によって完全に溶解されて、銀と混合された合金は、パッド110a及び110bの塊状金属を確実に湿潤させ、それらと連結することが可能となる。銀の溶解により、銀のマイグレーションのいかなるリスクもなくなる。パッド110a及び110bが塊状銅でつくられる場合、少量の銅もはんだ内で溶解され得、はんだに対するパッド110a及び110bの信頼性の高いコンタクトが強化される。このようにして、凝集金属構造を有するパッケージ端子に対する信頼性の高いはんだ接合が確立される。
【0044】
経済効率性の理由から、図3図10で概説した製造プロセスフローは、複数のチップが同時に処理可能なように、ストリップ形式のキャリアを選択することによって実行されることが好ましい。この場合、硬化されたポリマー封入を伴うストリップは、キャリア除去後にこの特徴を保持する硬いボードに類似する。この場合、プロセスフローの最終ステップは、第2のパッド151上にアセンブルされ、第1のパッド150のそのそれぞれのセットによって囲まれた各チップを、封入された半導体デバイス100として単体化するために、この硬化されたボードをソーイングするステップを含む。単体化の好ましい方法はソーイングである。これは、従来の半導体デバイスとは異なり、デバイス100が金属性リードフレームを含まないため、ソーイングステップにおいて、ブレードが、硬化されたプラスチック材料のみを通過し得ることを意味し得る。
【0045】
マルチチップ又はスタックされたチップを備える製品、並びに単一チップでパッケージされた製品に、前述の同じ原理が適用され得る。第1及び第2の端子がどちらも塊状構造を有するように粒子を有するペーストから焼結されるパッケージに対して、並びに、第1及び第2の端子がどちらも粒子状構造を有するように粒子を伴うペーストから焼結されるパッケージに対しても、この原理が適用される。それらは、半導体チップがフリップチップ手法によって、ボンディング可能及びはんだ付け可能な金属の焼結されたストライプに取り付けられるパッケージにも適用される。
【0046】
当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明された実施形態に対する改変が可能であること、及び、多くの他の実施形態が可能であることを理解されよう。
図1
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