JP2010050422A - Heat-resistant semiconductor package and method of manufacturing package - Google Patents
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Abstract
【課題】高耐熱性パッケージを実現するために、溶媒を含有した樹脂を使用しない、Alのワイヤボンディングを使用しない、放熱体を形成する、ハーメチック封止を行う、そして製造方法が比較的簡単であるなどの条件を満足させる手段を提供する。
【解決手段】多層セラミック基板2に形成された導電層パターンに、半導体チップ1の活性表面側に形成されたバンプを接合し、リッド4による封止をした半導体パッケージにおいて、リッドの中央部は半導体チップの背面側に形成された金属層6を介して半田付けされ、リッドの端部は多層セラミック基板上に形成されたシール金属層5に溶接されたことを特徴とする半導体パッケージ。
【選択図】図1[PROBLEMS] To realize a high heat-resistant package without using a resin containing a solvent, without using Al wire bonding, forming a radiator, performing hermetic sealing, and a relatively simple manufacturing method. A means to satisfy certain conditions is provided.
In a semiconductor package in which bumps formed on the active surface side of a semiconductor chip are bonded to a conductive layer pattern formed on a multilayer ceramic substrate and sealed with a lid, the center portion of the lid is a semiconductor A semiconductor package characterized in that it is soldered via a metal layer 6 formed on the back side of the chip, and an end of the lid is welded to a seal metal layer 5 formed on a multilayer ceramic substrate.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、高温動作を可能にする耐熱性のあるパワー半導体用パッケージ及びパッケージの製造方法に関する。 The present invention relates to a heat-resistant power semiconductor package that enables high-temperature operation and a method for manufacturing the package.
パワー半導体としては、Siに比べて損失が二桁小さいと言われるSiCが注目されている。SiC半導体がSi半導体に置き換われば電力変換機器の損失が減少するので省エネルギー対策として極めて有効である。またSiC半導体は約400℃に達する高温でも動作が可能であるため、冷却システムを不要とすることによる省エネルギーも期待できる。高温動作を可能にするためのパッケージング技術の要件として以下に幾つかの点があげられる。(1)接着剤やモールドなどに通常使用される有機樹脂は耐熱性が無いため使用できないこと。(2)Alによるワイヤボンディングは特にAu系との金属間反応による劣化があるために使用し難いこと。(3)外気接触を遮断するためにハーメチック(完全気密)封止すること。(4)半導体は発熱体であるため少なくともチップの一方の面から熱放散できる構造であること。(5)半導体装置の構造及び製造方法が簡単で比較的安価に提供できること。なお(2)について、パワー半導体は動作電流が数十AになるためAu線より径を大きく出来るAl線が通常使用される。 As a power semiconductor, SiC, which is said to have a loss that is two orders of magnitude smaller than Si, has attracted attention. If the SiC semiconductor is replaced with the Si semiconductor, the loss of the power conversion device is reduced, which is extremely effective as an energy saving measure. Further, since the SiC semiconductor can operate at a high temperature reaching about 400 ° C., energy saving can be expected by eliminating the need for a cooling system. Several requirements are listed below as packaging technology requirements for enabling high temperature operation. (1) Organic resins usually used for adhesives and molds are not heat resistant and cannot be used. (2) Wire bonding with Al is difficult to use due to deterioration due to intermetallic reaction with Au. (3) Seal hermetic (completely airtight) to block contact with outside air. (4) Since the semiconductor is a heating element, it must have a structure that can dissipate heat from at least one surface of the chip. (5) The structure and manufacturing method of the semiconductor device is simple and can be provided at a relatively low cost. Regarding (2), since the operating current of the power semiconductor is several tens of A, an Al wire having a diameter larger than that of the Au wire is usually used.
(1)から(5)の要件を満足したパッケージング技術は未だ無いと思われるが、(3)の気密封止を少し犠牲にした従来技術は非特許文献に開示されている。基本的には、セラミック基板をSiCチップサイズにくり貫いた領域にSiCチップを埋め込んで接着剤で固定する。固定は主にSiCチップの側面に塗られた接着剤に拠っている。SiCチップの表裏面の露出した部分にはCu層によるヒートシンクを形成したり、Cu層による配線板を形成して、SiCチップが外気に露出する部分を無くす。上記SiCチップを固定する接着剤には耐熱性があり、SiCと熱膨張係数の近いセラミック樹脂としてResbond919(商品名)が指定されている。これによりSiCチップはセラミック樹脂とCu層により外気との接触が遮断される。しかしセラミック樹脂の溶媒成分を完全に揮発させることは難しく、揮発に伴い分子レベルの動きが生じる。この動きに伴って外気中の水分子やガス分子も出入りすると言われており、セミハーメチック封止と呼ばれる。SiCチップの厚さは600−700ミクロンであり、同程度の厚さのセラミック基板を使用することになるが、SiCチップを接着剤で固定した後の基板の取り扱いは適当な支持基板に貼り付けて行う必要がある。基板の表面と裏面の加工があるため支持基板への取り付け、取り外しが発生し、セラミック基板への機械的なストレスにより基板の割れ、固定接着剤のクラック発生が予測される。このような製造方法では大口径のセラミック基板を使用することが難しく(5)の生産性の面で問題がある。 Although it seems that there is still no packaging technology that satisfies the requirements (1) to (5), the conventional technology with a slight sacrifice of the hermetic sealing of (3) is disclosed in non-patent literature. Basically, a SiC chip is embedded in a region where the ceramic substrate is cut to the size of the SiC chip and fixed with an adhesive. The fixing is mainly based on an adhesive applied to the side surface of the SiC chip. A heat sink made of a Cu layer is formed on the exposed portions of the front and back surfaces of the SiC chip, or a wiring board made of the Cu layer is formed to eliminate a portion where the SiC chip is exposed to the outside air. The adhesive for fixing the SiC chip has heat resistance, and Resbond 919 (trade name) is designated as a ceramic resin having a thermal expansion coefficient close to that of SiC. As a result, the SiC chip is blocked from contact with the outside air by the ceramic resin and the Cu layer. However, it is difficult to completely volatilize the solvent component of the ceramic resin, and movement at the molecular level occurs with volatilization. It is said that water molecules and gas molecules in the outside air come and go with this movement, which is called semi-hermetic sealing. The thickness of the SiC chip is 600-700 microns, and a ceramic substrate of the same thickness will be used, but the substrate after the SiC chip is fixed with an adhesive is attached to an appropriate support substrate. Need to be done. Due to the processing of the front and back surfaces of the substrate, attachment to and removal from the support substrate occurs, and it is predicted that the substrate will crack and the adhesive will crack due to mechanical stress on the ceramic substrate. In such a manufacturing method, it is difficult to use a large-diameter ceramic substrate, and there is a problem in terms of productivity (5).
なお半導体チップを基板に複数個配置してモジュールを構成し、モジュール基板を気密可能な容器に収める方法もある(特許文献)。この方法では製作工程が多くなりやや煩雑になる。 There is also a method in which a plurality of semiconductor chips are arranged on a substrate to form a module, and the module substrate is housed in an airtight container (Patent Document). This method increases the number of manufacturing steps and is somewhat complicated.
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、パワー半導体を高温で動作させるための耐熱性パッケージングの構造及び製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a heat-resistant packaging structure and a manufacturing method for operating a power semiconductor at a high temperature.
耐熱性パッケージングを実現するためには、溶媒を含有した樹脂を使用しない、Alのワイヤボンディングの代わりに融点の高い金属を使用したバンプ接合をする、放熱体を形成する、ハーメチック封止を行う、そして製造方法が比較的簡単であるなどの条件を満足させることになる。 To realize heat-resistant packaging, do not use a resin containing solvent, perform bump bonding using a metal with a high melting point instead of Al wire bonding, form a heat sink, perform hermetic sealing And the manufacturing method is relatively simple.
上記目的を達成するために本発明は以下の構造及び製造方法を採用する。
請求項1:
多層セラミック基板に形成された導電層パターンに、半導体チップの活性表面側に形成されたバンプを接合し、リッドによる封止をした半導体パッケージにおいて、リッドの中央部は半導体チップの背面側に形成された金属層を介して半田付けされ、リッドの端部は多層セラミック基板上に形成されたシール金属層に溶接されたことを特徴とする。
請求項2:
半導体チップの背面側に形成された金属層の上面がシール金属層の上面より高い位置にあることを特徴とする。
請求項3:
半導体チップの上面に形成された金属層がAuあるいはCu、Ni、Auを順次積層したものであることを特徴とする。
請求項4:
リッド中央部の半田付けが金共晶半田で為されたことを特徴とする。
請求項5:
半導体チップの活性表面側にバンプを形成するステップと、多層セラミック基板に形成された導電層パターンに前記半導体チップをバンプ接合するステップと、フォトリソグラフィー法と電解めっき法を使用して前記半導体チップの背面側にCu層を形成するステップと、多層セラミック基板にバンプ接合された複数の半導体チップの高さを均一にするために前記Cu層を研磨あるいは研削するステップと、フォトリソグラフィー法と電解めっき法を使用して前記Cu層上にNiとAuを順次形成するステップと、多層セラミック基板を切断してパッケージを個片化するステップと、リッド中央部を半導体チップの背面側に形成された前記金属層に半田付けするステップと、リッド端部を予め多層セラミック基板上に形成されたシール金属層に溶接するステップとを含むことを特徴とする。
請求項6:
Cu層をAu層とし、NiとAuを順次形成するステップを削除したことを特徴とする。
請求項7:
多層セラミック基板の上層を削除して形成したキャビティーを有し、キャビティー内の導電層パターンに半導体チップの活性表面側に形成されたバンプを接合し、リッドによる封止をした半導体パッケージにおいて、リッドの中央部は半導体チップの背面側に形成した金属層に半田付けされ、リッドの端部はキャビティー外部の多層セラミック基板上に形成されたシール金属層に半田付けされたことを特徴とする。
請求項8:
請求項5に記載の半導体パッケージの製造方法において、リッド中央部とリッド端部を金共晶半田を使用して同時に半田付けすることを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention employs the following structure and manufacturing method.
Claim 1:
In a semiconductor package in which bumps formed on the active surface side of a semiconductor chip are bonded to a conductive layer pattern formed on a multilayer ceramic substrate and sealed with a lid, the center portion of the lid is formed on the back side of the semiconductor chip. The end of the lid is welded to a sealing metal layer formed on a multilayer ceramic substrate.
Claim 2:
The upper surface of the metal layer formed on the back side of the semiconductor chip is located higher than the upper surface of the seal metal layer.
Claim 3:
The metal layer formed on the upper surface of the semiconductor chip is characterized in that Au or Cu, Ni, and Au are sequentially laminated.
Claim 4:
The center of the lid is soldered with gold eutectic solder.
Claim 5:
Forming bumps on the active surface side of the semiconductor chip; bump-bonding the semiconductor chip to a conductive layer pattern formed on the multilayer ceramic substrate; and photolithography and electroplating. A step of forming a Cu layer on the back side, a step of polishing or grinding the Cu layer to make the height of a plurality of semiconductor chips bump-bonded to the multilayer ceramic substrate uniform, a photolithography method and an electroplating method The step of forming Ni and Au on the Cu layer in sequence using a metal, the step of cutting the multilayer ceramic substrate into individual packages, and the metal formed on the back side of the semiconductor chip with the lid center part A step of soldering to the layer, and a sealing metal layer in which the lid end is previously formed on the multilayer ceramic substrate Characterized in that it comprises the step of welding.
Claim 6:
The Cu layer is an Au layer, and the step of sequentially forming Ni and Au is eliminated.
Claim 7:
In a semiconductor package having a cavity formed by removing the upper layer of the multilayer ceramic substrate, bonding a bump formed on the active surface side of the semiconductor chip to the conductive layer pattern in the cavity, and sealing with a lid, The center of the lid is soldered to a metal layer formed on the back side of the semiconductor chip, and the end of the lid is soldered to a seal metal layer formed on a multilayer ceramic substrate outside the cavity. .
Claim 8:
6. The method of manufacturing a semiconductor package according to claim 5, wherein the lid center portion and the lid end portion are soldered simultaneously using gold eutectic solder.
本発明によれば、高温動作を可能とするパワー半導体、特にSiC半導体のパッケージングを生産性良く実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize packaging of a power semiconductor capable of high-temperature operation, particularly SiC semiconductor, with high productivity.
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の半導体パッケージの一つの構造例を図1に示す。図1(a)はSiC−MOSFET1を多層セラミック基板2にバンプ接合した様子を示す略外視図であり、図1(b)はリッド3を示す略外視図である。一般にSiC−MOSFETは活性表面側にゲート電極とソース電極が形成され、その背面側にドレイン電極が形成される。実施例においてバンプが形成されるのは活性表面側にあるゲート電極とソース電極である。背面側のドレイン電極面から大きく放熱されるような構造を採ることが望ましい。バンプの材質としてはAuあるいはCuが一般的であり、電解めっきで形成しても良いし、Auワイヤを用いたスタッドバンプを形成することも出来る。バンプを形成したSiC−MOSFETを多層セラミック基板の導電層パターン3に熱圧着あるいは超音波熱圧着で接合する。Auバンプの場合には導電層パターンはAuを使用し、Cuバンプの場合には導電層パターンはCuであることが望ましい。Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
One structural example of the semiconductor package of the present invention is shown in FIG. FIG. 1A is a schematic external view showing a state in which the SiC-MOSFET 1 is bump-bonded to the multilayer
多層セラミック基板にはシール金属層4が形成される。シール金属層5はリッドと溶接されて気密封止されるが、セラミック基板と熱膨張係数(CTE)をできるだけ合わせて、かつ厚く形成するのが好ましい。また上記熱膨張係数は半導体のそれに近いのが望ましい。本実施例ではシール金属層にFe−Co−Ni系金属(CTE:5.1ppm/℃)を使用しNiとAuで表面仕上げを行った。シール金属層5とリッドは後述するようにパラレルギャップシーム溶接、あるいは電子ビーム溶接を使用するが、この場合シール金属層の厚さは0.8mmから1mm程度あるのが望ましい。リッド3の材料は半導体チップへの熱歪を小さくするためには半導体の熱膨張係数に近いものが望ましい。Fe−Co−Ni系金属を使用し、酸化や腐食防止のためにNiとAuで表面仕上げを行った。Fe−Ni−Co系金属以外にはCuMo金属やCuW金属を使用しても良い。なおこれらの材料は一般的に熱伝導が良くない。熱歪を犠牲にしてリッドからの熱放散を良くする観点からCuあるいはCuとCの複合材を使用することも可能である。セラミックの材質としては、AlN(CTE:4.5ppm/℃)がSiC(CTE:4.0ppm/℃)の熱膨張係数に近く好適な材質である。半導体チップが小型化でき半導体パッケージも小型化できる場合には熱歪は大きな問題にならないのでAl2O3(CTE:7ppm/℃)の使用も可能である。 A sealing metal layer 4 is formed on the multilayer ceramic substrate. The seal metal layer 5 is welded to the lid and hermetically sealed, but it is preferable that the seal metal layer 5 be formed to be as thick as possible by matching the ceramic substrate and the coefficient of thermal expansion (CTE) as much as possible. The thermal expansion coefficient is preferably close to that of a semiconductor. In this example, Fe—Co—Ni-based metal (CTE: 5.1 ppm / ° C.) was used for the seal metal layer, and surface finishing was performed with Ni and Au. The seal metal layer 5 and the lid use parallel gap seam welding or electron beam welding as will be described later. In this case, the thickness of the seal metal layer is preferably about 0.8 mm to 1 mm. The material of the
SiC−MOSFETのドレイン電極側には金属層6が形成されており、この金属層の上面の高さはシール金属層5の上面の高さより高くなるように設定される。リッド3はその中央部がドレイン電極の金属層6に接触して放熱体を構成させるので、上記の高さに応じた座繰り7を入れてある。金属層は後に説明するように厚く形成できるのが良い。例えば電解めっきであればAuあるいはCuが好適である。Cuの場合にはその上にNiとAuを薄く形成して酸化、腐食を防止する。リッドとの接触は半田付けで為されている。半田はAuGe(例えばGe12%、融点356℃)あるいはAuSi(例えばSi3.15%、融点363℃)などの高融点半田が適当であるが、AuTeなど他の金共晶半田であっても良い。リッド端部は金属層5に溶接されて完全な気密封止となる。 A metal layer 6 is formed on the drain electrode side of the SiC-MOSFET, and the height of the upper surface of the metal layer is set to be higher than the height of the upper surface of the seal metal layer 5. The center of the
本発明による半導体パッケージの使い方としては、半導体パッケージと回路部品などをパワーモジュール基板に実装して電源スイッチや電源ブリッジ、電力整流器などを構成する。このとき本発明の半導体パッケージはリッド部をモジュール基板に接触させて熱放散させるために、リッド上面は図1(b)に示すように平坦な領域が必要である。またゲートやソースの信号電極は多層セラミック基板の裏面側8から取り出すことになるので、スルーホールを介して多層セラミック基板の裏面で取り出すのが良い。外部端子としてのリード付けはスポット溶接で行うことができる。以上はパワーモジュール基板への実装の一例を示したものでこれに限定されることはない。従って本発明の半導体パッケージにおいては、多層セラミック基板へのスルーホール形成や基板裏面での電極引き出しや、外部接続のためのリード端子やピン端子の取り付け方は限定されない。 As a usage of the semiconductor package according to the present invention, a semiconductor package and circuit components are mounted on a power module substrate to constitute a power switch, a power supply bridge, a power rectifier and the like. At this time, in order for the semiconductor package of the present invention to dissipate heat by bringing the lid portion into contact with the module substrate, a flat region is required on the upper surface of the lid as shown in FIG. Further, since the gate and source signal electrodes are taken out from the back surface side 8 of the multilayer ceramic substrate, they are preferably taken out from the back surface of the multilayer ceramic substrate through the through holes. Lead attachment as an external terminal can be performed by spot welding. The above is an example of mounting on a power module substrate, and the present invention is not limited to this. Therefore, in the semiconductor package of the present invention, there are no limitations on how to form through holes in the multilayer ceramic substrate, draw out electrodes on the back surface of the substrate, or attach lead terminals or pin terminals for external connection.
次に本発明による上記半導体パッケージの製造工程について説明する。図2(a)から(i)にその工程断面図を示す。(a)は導電層パターン3と基板表裏の導電層パターンを繋ぐスルーホール8、およびシール金属層5が形成された多層セラミック基板2を示す。シール金属層はFe−Ni−Co系金属にNiとAuの表面処理が施されている。シール金属層の厚さ(高さ)として約0.8mmを選定した。(b)は、この基板に半導体チップ、本実施例の場合にはSiC−MOSFET1をバンプ接合した断面を示す。バンプは予めSiC−MOSFETに形成されている。バンプを電解めっきで形成する場合にはウェーハ製作工程の中でAuバンプあるいはCuバンプを形成することが出来る。Auワイヤを使用したスタッドバンプを形成する場合にはウェーハ製作工程が完了し、チップ化した後に形成することができる。バンプ金属は特に限定されないが、Auは表面が酸化されにくく延性もあるので熱圧着で容易に接合できるので好ましい。この場合導電層パターンもAuで表面処理されていることが望ましい。バンプの厚さは30μm程度あれば十分であるが、バンプの面積は動作電流値により設計すべきである。特にパワー半導体は数十Aを流すので、バンプ面積が小さいと発熱と同時に金属マイグレーションを起し、亀裂、断線を引き起こすので注意が必要である。SiC−MOSFETのチップ厚さは約700μm程度である。 Next, the manufacturing process of the semiconductor package according to the present invention will be described. 2A to 2I are sectional views of the steps. (A) shows the multilayer
(c)の工程では、フォトレジストを被覆する。シール金属層、SiC−MOSFETなどによる段差は前記数値によると0.8mm程度あるので、この段差を被覆してそしてフォトレジストが平坦化されることが望ましい。厚膜形成用のフォトレジストとしてTMMR(東京応化製)があり、約700μmの厚い膜を形成できる。本工程ではレジストパターンのアスペクト比に拘らないのでスピンコーティングで二度塗りを行いフォトレジストの平坦化を行った。二度塗りによる最終的な厚さは約1mmであり、段差部は十分に被覆された。ガラスマスクを通して紫外線露光を行い、TMMR専用現像液(PMシンナー)でSiC−MOSFETの上面を穴あけする。(d)の工程において、基板全面に電解めっき用の電極である金属薄膜11を蒸着し、図に示すようにSiC−MOSFETの穴あけ部以外にフォトレジスト膜12を形成する。フォトレジストはTMMRを使用し100μm程度の厚さに形成した。In the step (c), a photoresist is coated. According to the above numerical value, the level difference due to the seal metal layer, SiC-MOSFET, etc. is about 0.8 mm. Therefore, it is desirable to cover this level difference and flatten the photoresist. There is TMMR (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) as a thick film forming photoresist, which can form a thick film of about 700 μm. In this step, since the aspect ratio of the resist pattern is not concerned, the photoresist was flattened by applying twice by spin coating. The final thickness by double coating was about 1 mm, and the stepped portion was sufficiently covered. UV exposure is performed through a glass mask, and the upper surface of the SiC-MOSFET is punched with a TMMR developer (PM thinner). In the step (d), a metal
(e)の工程では、Auの電解めっきを行う。めっき液としてはシアン系金めっき液を使用し、約300μmの厚さにAu層を形成した。SiC−MOSFETのチップ厚さは約0.7mmであるためチップの高さは約1mmとなり、シール金属層5の高さ0.8mmより高くなる。(f)の工程では、フォトレジストなどが被覆された状態のままSiC−MOSFETの高さを揃えるためにAu層を一定量を研磨、あるいは研削する。研磨量は多層セラミック基板にバンプ接合された複数のSiC−MOSFETの高さバラツキとチップ傾きによる金属層6の非平坦性を無くすように決めることになる。例えば傾きが数十μm、SiC−MOSFETのチップ厚さバラツキが50μm程度ある時は100μm程度を研磨すれば十分である。但し研磨に当たってはシール金属層を研磨しないように研磨量を設定することが必要である。従って研磨が終了した時のSiC−MOSFETの高さはシール金属層より常に高くすることが重要である。シール金属層よりどの程度高くするかは後述するようにリッドの形状を決めることになるので、予め見積もることも必要である。上記数値例ではSiC−MOSFETの高さはシール金属層より約100μm高くなる。研磨あるいは研削は、Si基板の研磨に使用しているバックグラインダをしても良いし、近年精密な研削平坦化法として技術開示されている切削平坦化装置(エレクトロニクス実装学会誌、Vol.11、NO.3、2008、p218)を使用することができる。平坦化を行った多層セラミック基板の断面を(f)に示す。フォトレジストを有機溶剤で溶解し除去した断面を(g)に示す。次に多層セラミック基板を切断してSiC−MOSFETのパッケージングを個片化する。これを(h)に示す。切断はブレードダイサーあるいはレーザによる切断を行うことも可能である。 In the step (e), electrolytic plating of Au is performed. A cyan gold plating solution was used as the plating solution, and an Au layer was formed to a thickness of about 300 μm. Since the chip thickness of the SiC-MOSFET is about 0.7 mm, the height of the chip is about 1 mm, which is higher than the height of the seal metal layer 5 of 0.8 mm. In the step (f), a predetermined amount of the Au layer is polished or ground in order to make the height of the SiC-MOSFET uniform while being covered with a photoresist or the like. The polishing amount is determined so as to eliminate the non-flatness of the metal layer 6 due to the height variation of the plurality of SiC-MOSFETs bump-bonded to the multilayer ceramic substrate and the chip inclination. For example, when the inclination is several tens of μm and the SiC-MOSFET chip thickness variation is about 50 μm, it is sufficient to polish about 100 μm. However, when polishing, it is necessary to set the polishing amount so as not to polish the seal metal layer. Therefore, it is important that the height of the SiC-MOSFET when polishing is finished is always higher than that of the seal metal layer. Since how much higher than the seal metal layer will determine the shape of the lid as will be described later, it is also necessary to estimate in advance. In the above numerical example, the height of the SiC-MOSFET is about 100 μm higher than the seal metal layer. Polishing or grinding may be performed by a back grinder used for polishing a Si substrate, or a cutting flattening apparatus that has been technically disclosed as a precise grinding flattening method in recent years (Journal of Electronics Packaging Society, Vol. 11, No. 3, 2008, p218) can be used. A cross section of the flattened multilayer ceramic substrate is shown in FIG. A cross section obtained by dissolving and removing the photoresist with an organic solvent is shown in FIG. Next, the multilayer ceramic substrate is cut to separate the packaging of the SiC-MOSFET. This is shown in (h). Cutting can be performed by blade dicer or laser.
リッド4は(i)の工程図に示すように、SiC−MOSFETの上面がリッド4に半田付けできるようにし、またリッドの端部はシール金属層4に接合できるように形状を決めることが必要である。前述のように金属層を含めたSiC−MOSFETの高さをシール金属層より高くするように設定するので、リッド4には座繰り14が必要である。座繰りの量は上記数値例の場合、約100μm強となる。半田は前述のように融点の高い金共晶半田が好ましく、AuGe(Ge12%)あるいはAuSi(Si3.15%)が好適である。次にリッド端部をシール金属層5に溶接する。溶接にはパラレルギャップシーム溶接、電子ビーム溶接などを使用することで完全気密性と耐熱性が確保できる。 As shown in the process diagram of (i), the lid 4 must be shaped so that the upper surface of the SiC-MOSFET can be soldered to the lid 4 and the end of the lid can be joined to the seal metal layer 4. It is. As described above, since the height of the SiC-MOSFET including the metal layer is set to be higher than that of the seal metal layer, the lid 4 needs the
以上説明した製造工程では、(e)の工程においてAuを300μmの厚さに形成した。Auは高価な金属であることを考えるとCuに置き換えるのが好ましい。めっき浴としてCuS04・5H20とH2S04の混合液をベースにすることで、前述のフォトレジストを使用してCuの厚めっきができる。Cuを300μmの厚さに形成した後、(f)の工程においてCu層を研磨する。フォトレジストを溶解した後、(c)から(d)の工程と同じようにフォトレジストによる穴あけと電解めっき用電極である金属薄膜を形成し、NiとAuを順次めっき形成する。Ni厚は1μm程度、Au厚は2〜3μm程度あれば金共晶半田による半田付けは問題なくできる。その後、多層セラミック基板を切断し((h)の工程)、リッドの溶接を行って((i)の工程)気密封止が完成する。 In the manufacturing process described above, Au was formed to a thickness of 300 μm in the process (e). Considering that Au is an expensive metal, it is preferable to replace it with Cu. By using a mixed solution of CuS04 · 5H20 and H2S04 as a plating bath, Cu can be thickly plated using the aforementioned photoresist. After forming Cu to a thickness of 300 μm, the Cu layer is polished in the step (f). After dissolving the photoresist, a hole with the photoresist and a metal thin film as an electrode for electrolytic plating are formed in the same manner as in the steps (c) to (d), and Ni and Au are sequentially formed by plating. If the Ni thickness is about 1 μm and the Au thickness is about 2 to 3 μm, soldering with gold eutectic solder can be performed without any problem. Thereafter, the multilayer ceramic substrate is cut (step (h)) and the lid is welded (step (i)) to complete hermetic sealing.
次に本発明の半導体パッケージの別の構造例を以下に説明する。リッド4と個片化した多層セラミック基板2の略外視図を図3の(a)(b)に示す。リッド4は図1(a)と同様に半導体チップ(SiC−MOSFET)に接合する部位に座繰り14を形成してある。材質及び表面仕上は既に記述した通りである。(b)に示す多層セラミック基板は上層のセラミックを除去してキャビティー15を形成してある。キャビティー内のセラミック基板面には導電層パターン3が形成され、SiC−MOSFET1がバンプ接合される。またSiC−MOSFET1の上面には金属層6が形成されており、リッドの座繰り部14が半田付けされる。キャビティー15の外側のセラミック基板にはシール金属層5が形成され、シール金属層にリッド端部が半田付けされて気密封止される。本実施例における半田付けの場合には(b)に示すようにシール金属層5は数μm厚の金属薄膜で十分である。例えばセラミック基板にWペーストを塗布してこれを高温で焼結させ、その上にNiとAuを順次電解めっきすることで金属薄膜を形成できる。後の製造工程で説明するが、リッドの半田付けはSiC−MOSFETとシール金属層の二箇所であるため、同じ半田を使用して同時に半田付けすることになる。 Next, another structural example of the semiconductor package of the present invention will be described below. 3A and 3B are schematic external views of the lid 4 and the multilayer
半田は出来る限り融点の高い金共晶半田を使用するのが好ましく、前述のようにAuGe(例えばGe12%、融点356℃)あるいはAuSi(例えばSi3.15%、融点363℃)が使用できる。なおリッド4の材質は前述のようにFe−Ni−Co系、CuW系、CuMo系の金属にNiとAuの表面仕上げを行った金属が選定できる。また本実施例は半田付けを使用するのでセラミック系の材料にNiとAuの表面仕上げを行ったリッドも使用可能である。特にAlNは熱伝導度が高く、熱膨張係数も半導体に近いので好適なセラミック材料である。 As the solder, gold eutectic solder having a melting point as high as possible is preferably used. As described above, AuGe (for example,
図4の(a)から(f)に本実施例の製造工程を示す。(a)の工程では、2は多層セラミック基板を示し、その上層を除去してキャビティー15を形成する。キャビティー15の外側にはシール金属層5が形成され、キャビティー15内部には導電層パターン3が形成される。なお導電層パターン3はスルーホール8を介して多層セラミック基板の裏面側に引き出すようにしてある。(b)の工程では、SiC−MOSFET1がバンプ接合される。(c)の工程では、厚く形成できるフォトレジスト10を使用してSiC−MOSFET1の上面を穴あけし、フォトレジストの全面に電解めっき用の電極となる金属薄膜11を形成する。さらにSiC−MOSFETの上面にのみめっきされるようにフォトレジストを形成する。(d)の工程で、Auの電解めっきを行う。めっきの厚さは図1(e)で説明した理由により厚く形成するのが好ましい。次に基板を研磨あるいは研削した後、フォトレジストを溶解して(e)の断面図を得る。研磨後の金属層6の高さは既に説明した理由によりシール金属層5より高く設定することが必要である。(f)の工程では、リッド4を金共晶半田を使用してSiC−MOSFET1とシール金属層5に同時に半田付けして気密封止を完成する。 4A to 4F show the manufacturing process of this embodiment. In the step (a),
以上説明したように、本発明のパッケージングの耐熱性は少なくとも300℃以上あることが了解できる。また耐熱性の上限温度を決めているのは半田であり、より融点の高い金共晶半田を選定すれば耐熱性はさらに向上できる。 As described above, it can be understood that the heat resistance of the packaging of the present invention is at least 300 ° C. or higher. In addition, the upper limit temperature of heat resistance is determined by the solder, and the heat resistance can be further improved by selecting a gold eutectic solder having a higher melting point.
1 SiC−MOSFET
2 多層セラミック基板
3 導電層パターン
4 リッド
5 シール金属層
6 金属層
7 多層セラミック基板裏面
8 スルーホール
9 バンプ
10 フォトレジスト
11 薄膜金属
12 フォトレジスト
13 Au層
14 座繰り
15 キャビティー1 SiC-MOSFET
2 Multilayer
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