(57)【要約】熱効率が良く、物理的コンプライアンスを有する超高真空容器を造るための半導体ダイと共に使用する、開示された新しいボンディングおよび相互接続技術と、それによってできる新しい容器がある。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ダイがパッケージの内面に接着される高真空容器の製造方法であって、
ダイの第１表面に複数のボンディングパッドを生成する工程と、
ダイの第１表面と異なる材料からなるパッケージの内面に複数の整合ボンディングパッドを生成する工程と、
ボンディングパッドの組合せの間に約１５０℃より低い融点を有するダイボンド材を配置する工程と、
表面とボンディングパッドとを相互に合わせる工程と、
光電陰極をダイの第２表面と対向する関係に配置する工程と、
光電陰極とダイの第２表面との間にスペーサを配置する工程と、
光電陰極、スペーサおよびダイを、ろう付けサイクルついで超高真空処理サイクルを通じて、ともに接触関係にして配列することにより、密閉された真空容器とする期間中、支持する工程と
からなる高真空容器の製造方法。
【請求項２】
押しつぶし型シールを用いて容器を密閉する工程と、
シール材が固体状態の間に、パッケージ断面の間にあるシール材を押しつぶす工程と
を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
超高真空工程のサイクルの中で、容器本体をダイボンド材の融点より高く押しつぶし型シール材の融点より低い温度に昇温している間に密閉するステップを行う工程を含む請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
真空シール材がインジウムであり、ダイボンド材がインジウムとチタンの合金である請求項２に記載の製造方法。
【請求項５】
容器本体を１１８〜１５６℃の間の温度で保持する間に容器を密閉する工程を含む請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】
導電性のあるボンディングワイヤを、パッケージ内面のボンディングパッドとダイの第１表面との間で接続する工程を含む請求項３に記載の製造方法。
【請求項７】
容器パッケージを密閉する前にパッド間でワイヤをボンディングする工程を含む請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
パッド間のダイボンド材が溶融段階にある間に密閉するステップを行う工程を含む請求項２に記載の真空容器の製造方法。
【請求項９】
半導体ダイと、
容器用セラミックハウジングと、
ハウジングの中に配置され、ハウジングの内壁上のパッドおよびダイ表面上の適合パッドによってハウジングへ複数の電気的接続を有するダイであって、ダイと対向し平行な関係にあるハウジングの中に据付られている光電陰極と、
パッド間のダイボンド材と、
光電陰極と光電陰極に対向する関係にあるダイの表面との間にあるスペーサと、
ハウジング内で隔離された超高真空空間と
からなる撮像装置としての超高真空容器。
【請求項１０】
光電陰極が、押しつぶし型真空シール材によってハウジングへ接続される請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１１】
真空シール材がインジウムであり、ダイボンド材がインジウムとチタンの合金である請求項１０に記載の超高真空容器。
【請求項１２】
光電陰極、スペーサおよび陽極ダイアセンブリが、密閉された容器の中で、物理的に接触している請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１３】
スペーサが、ガラス材からなる請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１４】
スペーサの厚さが、約２乃至１２ミルの間である請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１５】
導電性ワイヤが、ワイヤボンドパッド間を接続する請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１６】
ダイボンド材が、インジウムとチタンの合金である請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１７】
ダイボンド材が、インジウムとチタンの二相共晶である請求項１６に記載の超高真空容器。
【請求項１８】
ダイが電子敏感型撮像装置であり、光電陰極が真空密閉要素を供えるように配置される請求項９に記載の超高真空容器。
【請求項１９】
光電陰極によって発せられた電子が、電子敏感型撮像装置に直接衝突するように、光電陰極と電子敏感型撮像装置が、容器の中で対向関係にある請求項１８に記載の超高真空容器。
【請求項２０】
光電陰極とダイとの間のスペーサ厚さが、約８ミルである請求項１８に記載の超高真空容器。
【請求項２１】
容器のセラミックハウジング上とダイの対向面上にある非電気的能動適合パッド
を含む請求項９に記載の超高真空容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率が高く、物理的コンプライアンスを有するアッタチメントと、高真空容器中にある半導体ダイおよび／または半導体ダイアセンブリのための相互接続技術を通じて改良された真空装置または真空容器の製造に関し、特に、容器の構成要素の平面性、平行性が要求されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、超高真空容器（ＵＨＶ：  Ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｖａｃｕｕｍ）の中で用いられる真空ハウジング内でダイをマウンティングするのに好適な真空性に優れるダイボンディング技術を示すものである。また、本発明は、開示されたダイボンド構造が、光電陰極やＣＭＯＳ陽極のような正確に整列された平面構造を生成し得る方法を示すものである。本発明がきわだって有用となる応用は、例えば、特許文献１（ＣＣＤｓ）や特許文献２（ＣＭＯＳ）で開示されるように、半導体ダイ（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）が映像システムの中で直接電子衝突されるような真空環境下でＣＣＤＳ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）またはＣＭＯＳとともに使用されたときである。本発明は、また、ハイブリッドＲＯＩＣ（ｒｅａｄ  ｏｕｔ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を、光電陰極に基準にした真空容器内のセラミックのような熱的に適合しない基板に貼り付けることにも適用できる。
【特許文献１】米国特許第４，６８７，９２２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２８５，０１８  Ｂ１号明細書
【０００３】
従来の技術では、例えば、特許文献３が示すように、不適合材間で中間台座が使用されている。台座は、完成品に歪みを誘発する熱膨張係数（ＴＣＥ）の相違を抑えるために、中程度の熱膨張係数と使用範囲を限定することの両方を利用したものである。完成品に誘発された歪みは、ろう付け材の線寸法からわかるろう付け材の溶融時間以降の、温度変化による熱膨張係数の相違が起こった時間にほぼ比例する。従来の技術では、ろう付け材は、容器真空工程サイクルを通して、固体での形状が維持できるかどうかで選ばれていた。代表的なろう付け材とその融点は、AuSnの２８０℃以下、AuGeの３６１℃である。半導体装置を含んだ光電陰極を基にした最新のセンサーは、概して、超高真空（ＵＨＶ）状態で密閉されている。これらの状態を得るためには、容器部品からの発生する残留ガスを除去するために、容器部品は、真空下で２００℃を超える温度で焼成されるのが一般的である。ろう付け材は、容器のなかで半導体装置の位置を正確に固定するために、固定具を用いて配列される。固定具はあとで取り除かれ、容器はＵＨＶ密閉サイクル中ずっと稼動される。真空密閉工程中、半導体装置が動かないようにするためには、従来の技術では、高温ろう付け材が必要である。高温のろう付け材の欠点は、常温まで冷却されたときに大きな歪みを完成品の中に固定する。従来の技術における別の取り組みとしては、歪みを最小限にするために、ろう付け材の最大長さを単に最小化するものがある。０．０５０インチろう付けパッドは、AuSnろう付け材を使用して、まずまずの成果をあげてきた。特許文献４は、面積の小さいろう付け材を利用するＵＨＶの応用に好適な従来技術のパッケージを示している。しかしながら、この取り組みにも欠点が存在する。小さいパッドの使用は、半導体装置とその下にある基板との間の熱伝達を阻害する。電子衝撃ＣＭＯＳ映像センサーやＲＯＩＣを基にしたＣＭＯＳ陽極の場合、チップ内の浪費から生じるセンサーの熱は、センサーの性能を低下させる結果を招くであろう。従来の技術のこれらの問題点は、ＵＨＶ容器中の真空領域内におけるダイの効果的な据え付けを可能にする物理的コンプライアンスを有する真空性能に優れるダイボンディング技術を通じて解消および／または著しく改善される。
【特許文献３】米国特許第６，２８１，５７２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，５０７，１４７号明細書
【０００４】
特許文献３に一例が示される従来技術のＵＨＶ容器において、半導体装置と真空外被との間の電気的結合は、半導体ダイの露出表面から真空パッケージの下側まで伸びているワイヤボンドの使用を通じて確保されている。ワイヤボンドの使用は、半導体装置と熱膨張係数の合わないパッケージとの間の複数の電気的結合を確保するのに大変良く確立され、信頼性の高い方法である。この取り組みの欠点は、上にのる半導体ダイの突出した外形の外に横たわるパッドの環状リングに新たなパケージ空間を必要とすることである。物理的コンプライアンスを有する低融点ろう付け材の使用を通じて、接続パッドは半導体ダイの下に移動され、それによって、パッケージ空間と使用が予定されている領域の節約となる。
【０００５】
陽極ろう付け材の精度と繰り返し性は、真空外被におけるダイの平面性を規定する。従来技術では、ダイの位置決めの平面性と精度は、陰極の陽極へのギャップに影響を与え、その結果センサーの性能にも影響を与える。マイクロチャンネルプレートを利用するイメージインテンシファイアの場合、ギャップの制御の問題は、陰極と次の容器要素すなわちマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）との間で物理的なスペーサの使用を通して解決されてきた。特許文献５において、ロジューは、スペーサを光電陰極に貼り付ける方法を開示している。冷間接着は、光電陰極アセンブリと真空外被との間で影響を受けるので、ＭＣＰの場合、スペーサは次のセンサー領域に配置される。陰極の接触によって生じるＭＣＰの内部幾何学配置の変形については、ロジューは詳しく述べていない。しかしながら、ロジューの図面から、ＭＣＰは、光電陰極から加えられる力によって変形していると推定される。ＭＣＰは、大変薄く、限られた範囲内でたいへん柔軟な素子である。従って、端部のみで支持された場合、数ミル変形し、壊れることはないにしても、光電陰極の配列に影響を与えている。この取り組みは、ＭＣＰが端部のみで支持されているイメージインテンシファイアに対しては比較的有効に機能しているが、電子衝撃能動ピクセルセンサー（ＥＢＡＰＳ）のような、ろう付けで支持されている表面が存在するデバイスでは、かかっている荷重によって、重大な内部損傷の原因になっている。ロジュ−のもう一つの欠点は、ＭＣＰと光電陰極との間にスペースを与える仕組みが、ＭＣＰの表面と出力窓の表面が、平行を保ちながら可能な限り近づけて配置されることを、確実にできない点である。大変注意深く、精巧な配置方法によって、入力と出力のギャップ間隔を均一に保ってきたが、公差は必然的に不均一を招くものである。
【特許文献５】米国特許第６，８４７，０２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の技術の欠点を最小化あるいは解消するものであり、台座を用いてきたこれらの実例において、この高価な部品を排除するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、半導体装置を基礎となる基板に貼り付ける際に、真空容器の処理工程で予想される温度においても延性を保っているインジウム（融点：１５６℃以下）または他の低融点（約２００℃より低い）金属または合金を利用する。低融点接着材を選択するのは、容器を真空にする工程において、材料が再溶融するであろうことを意味する。パッドは、ろう付け材の幾何学形状を規定し、ろう付け材の冶金特性を制御するため、一般的に、半導体装置または他の基板とろう付け材との中間材として使用される。再溶解の問題は、２つの解決法のうち、１つを用いて解決される。第１の取り組みは、中央に配置された従来のろう付け材が用いられた小さいパッド（長さが最大で０．０５０インチ）を用いることであるが、このパッドは、低融点金属が用いられた１つまたは複数のパッドに囲まれている。第２の取り組みは、半導体装置と下にある基板とに施されたマッチングパターンの中に、小さい、そして好ましくは丸いパッドの列を生成することであり、この第２の方法の方が好ましい。パッド、冶金特性、幾何学形状、数およびろう付け材の量の好適な選択を通じて、真空工程によって、ろう付け材が溶解し、ろう付け材の表面張力によって発生した力によって、ダイは容器内に好適に配列されるであろう。実際、前述の取り組みは、この分野における従来の技術で得られるものよりも、半導体装置の配置における再現性が良く、また平面性も良くなることにつながっている。表面張力は、ろう付け材が溶融している状態で逆さまにした場合でも、位置を変えることなく、ダイを支持するのに十分な力を生み出す。さらに、実験によれば、インジウムろう付け材を使用することによって、開示したように、AuSnろう付け材から得られたものを単純に測定することで予測されるものよりも長いものも使用可能となる。これは、インジウムに延性が残っており、それによって、熱膨張率不適合によって誘発される残留歪みのうちのいくらかを開放することによっても説明できる。複数の小さいパッドの使用は、ダイと基礎となる基板との間における熱伝達の問題もまた、解決するために使用され得る。個々のろう付け材は小さいものであるが、ろう付け材は、ダイ全面の大部分を覆うようにしっかりと詰め込むことができ、その結果、効率的な熱伝達を促進する。この取り組みは、２cm角を越えるダイで効果が確認されている。
【０００８】
半導体装置への電気的接合は、好適な冶金特性を通じて得ることができる。この技術は、熱膨張係数の重大な不適合を調整するものであり、室温と液体窒素雰囲気における温度との間の複数の温度サイクルを通じて信頼性があることが証明されてきた。この技術は、さらに、ワイヤボンディングと違い、新しい接続方法は露出面が効果的に平面であるという、近くに焦点を定めた容器に対して多大な利点がある。これは、過度に歩留を損ねることなく、上に横たわっている容器壁を半導体表面に近づけることができる。これは、つまり、より高性能のイメージセンサーに帰着するのである。これは、半導体装置がＣＣＤまたはＣＭＯＳ映像素子のような近くに焦点を合わせた真空映像センサーのときに、特にいえることである。この場合、陰極半導体ギャップまたはＭＣＰ半導体ギャップは、映像素子の解像度とハロー（Ｈａｌｏ）と呼ばれる性能パラメータに影響を与える。容器ギャップは、容器の２つのバイアスされたプレートの間、一般的には、陰極側の光電陰極若しくはマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と陽極側の半導体装置との間における最高電界の存在によって制限されることが一般的である。設計ギャップは、半導体装置の板の上側にある如何なる突起の高さと陽極ろう付け材の公差を含むパッケージの平行度の公差との和に対して最大設計電界を生み出すギャップを付加することによって求められ得る。例えば、２００Ｖ／ｍｉｌの最大電界と１０００Ｖの電位降下を得ようとした場合、最大電界設計ギャップは５ｍｉｌとなるであろう。一般的なワイヤボンドは、陽極の表面の上をおよそ３ｍｉｌの差で伸びている。一般的な固定用ろう付け材の平行度の公差は、最大２ｍｉｌである。つまり、高い生産歩留を得るためには、最大１０ｍｉｌの設計ギャップが必要である。しかしながら、本発明に従ってボンディングされた半導体ダイを考慮すると、最大空間は、我々が始めた５ｍｉｌのギャップが残っている。陽極の表面からはみ出す突起は１ｍｉｌ以下である。平行度の公差は、０．５ｍｉｌ以下が実証されている。つまり、高い生産歩留のための設計ギャップは、５．５ｍｉｌまで低下させることができる。これは、ハロー効果の改善だけでなく解像度の著しい改善にもつながら、初めての桁違いの変化である。このように、本発明は、これらの容器における解像度が改善されることの将来性とともに、近くに焦点を当てた高性能の容器に貢献するものである。
【０００９】
類似の電気配線の取り組みが、集積回路産業によって、フリップチップパッケージングとボールグリッドアレー（ＢＧＡ：ｂａｌｌ  ｇｒｉｄ  ａｒｒａｙ）を使用して研究されている。しかしながら、ＢＧＡを使用して開発された技術は、有機材料を利用するものである。米国特許第６，６５６，７６８号明細書は、ＢＧＡパッキングの取り組みを開示している。有機物は、ろう付けペースト状接合剤類やろう付けフラックス類、そして最終的には、完成素子の機械的、熱的性能を向上させる下詰め材類へとさまざまな方法へ進化している。しかしながら、本発明が対象とする真空容器の光電陰極は、有機物の使用によって、有機物のもつその働きで、悪い影響を受けるため、有機物は、ＵＨＶ工程の環境では使用することができない。有機物は、ＵＨＶ工程で必要とされる上昇させた温度で分解してガスを発生させる傾向がある。このようなガス発生は、容器環境を破壊するであろう。つまり、有機化合物の使用の必要性が、その働きにより制限されることは、本発明のもう一つの利点となる。
【００１０】
本発明のさらなる目標は、標準的なプロセスと設計基準を使用して設計される商業的に有用なセラミックパッケージを使用可能であることである。これには、例えば、京セラの「多数層セラミック設計ガイドライン」（１９９５  ＣＡＴ／２Ｔ９５０４ＴＨＡ／１２４４Ｅ）に示されるような標準的な多数層セラミックパッケージが含まれる。セラミックパッケージの製造に関する技術は他にも存在し、本発明でおそらく使用することができる。
【００１１】
複数ダイボンドパッドは、半導体の陽極を基礎となる基板に固定する際に使用することができる。好ましい実施形態として、少なくとも３個の別個のパッドが使用される。ダイはろう付けして固定される。低融点、低蒸気圧、延性のある材料がろう付け材として使用される。インジウムとその合金は良好なろう付け材である。パッドは、意図された基板、一般的にはセラミックパッケージのそれと合致する基板回路の中に半導体装置上に配置されるのが一般的である。好適なろう付けパッドを実現するために、次に示す材料の層が示されている。
SiOxNy  ３０００オングストローム以下（この層の厚さとｘ／ｙ比は重要ではない。）
クロム  ２０００オングストローム
金  ５００オングストローム
【００１２】
好適なろう付けパッドを実現するために、別の材料の層が示されている。
SiOxNy  ３０００オングストローム以下（この層の厚さとｘ／ｙ比は重要ではない。）
チタン  ２００オングストローム
白金  ５０００オングストローム
金  ５００オングストローム
【００１３】
SiOxNy層は、絶縁体と第２障壁層として働き、シリコン基板の上に配置されたとき特に有用である。クロムと白金の層は、ろう付け材の障壁材として働く。最後の金の層は、濡れ性媒介剤として働く。これは、高歩留で有機物フリー、フラックスフリーのろう付けを可能にするものである。過度に厚い金の層は、接合の信頼性を阻害し得ることは留意されるべきことである。二元系状態図によれば、脆い金属間化合物は、ろう付けしている最中に、インジウムと金が溶融状態で混ざり合い、そして凝固したときに形成されたもので、おそらくAuIn2である。この相は、比較的純度の高いインジウムのマトリックス中にあって、ほぼ立方晶をしており、脆いようである。結晶率が臨界値を超えた場合、ろう付け材は、もはや延性を有さず、基板の破壊が発生するであろう。金は、半導体ろう付けパッドとパッケージダイボンドパッドの両方から混入する。半導体装置とパッケージとの間のろう付けは、ほぼ円柱状に設計されるのが一般的である。つまり、両面における固定された堆積厚さとろう付け材の平衡状態を確かなものとするように、インジウムろう付け材中の金の割合は、単位面積当たりのインジウムの質量とボンドの厚さはほぼ反比例する。標準的な金被覆された京セラのダイボンドパッドと開示された半導体ボンドパッドを実際に使用したところ、ろう付け厚さが４ｍｉｌ未満では信頼性に欠けるが、６ｍｉｌ以上では、非常に強固であることが証明された。ろう付けパッドの直径が、その厚さと等しいかそれより大きいとき、付随的なものである半導体の位置決め性能が満足される。現在のところ、１０ｍｉｌまたはそれを超える大きさのパッドが、厚さ６ｍｉｌを達成し使用されている。
【００１４】
このろう付けの取り組みは、機械的な精密さが非常高いＥＢＡＰＳを用いた探知機の製造を可能にする独創的な方法として適用され得る。ＥＢＡＰＳセンサーは、冷間インジウムシールで密閉されることが一般的である。光電陰極の感度を守るため、インジウムの融点よりも低い温度で、このシールは影響を受けるに違いない。本発明では、低融点（インジウムの融点よりも低い）で低蒸気圧のろう付け材が、冷間インジウムシールとともにＥＢＡＰＳセンサーまたは類似の幾何学形状を有する他のいかなる部品の陽極に使用され得ることを示している。さらに、アセンブリは、ろう付け材とインジウムの融点の中間の温度であってもシールされ得る。シールは、インジウムが固体状態で、ダイ接着ろう付け材が液体状態または半液体状態で形成される。この方法で、光電陰極−スペーサの組合せが圧縮され、溶融したろう付け材が必要とされているように流れ、ろう付け材で背面が覆われている陽極は光電陰極と平行を保ってハウジング中に配置されるように、スペーサは光電陰極と陽極アセンブリとの間に固定され得る。スペーサは、陽極の能動領域の上に開放領域を有する環状の絶縁体であることが一般的である。スペーサには、陰極の能動領域と容器の空いている残りの部分との間のコンダクタンスを改善するためにギャップとチャンネルを含んで良い。スペーサは、陰極、陽極の一方または両方と物理的に結合されていても良い。結合の方法の一つとして、スペーサを望まれた容器部品にろう付けすることがある。陰極に真空容器におけるシールの影響を与えた後、アセンブリは冷却され、陰極と陽極の相対的な物理的位置の中に固定される。このように、この製造の取り組みにより、陰極と相対的な関係にある陽極の位置を、二つの表面の平行度を保って制御することができる。
【００１５】
本発明は、さらに、In：５２％、Sn：４８％程度の組成で融点が約118℃のインジウム−スズ合金がこの取り組みの要求を満足することを示す。この取り組みの利点として、低コストで再現性の高い製造技術であり、シール工程における光電陰極−スペーサ陽極アセンブリ間にかかる力の最高値が小さく、操業上の品質がより高く、冷却後の物理的特性が強固であり、そして陽極とパッケージとの間の熱伝達に優れることがある。アセンブリは、ダイろう付け材が溶融している間、注意して取り扱わなければならない。ダイろう付け材が一旦凝固すれば、アセンブリは衝撃と振動に対して大変耐久性のあるものとなる。また、この製造技術によって、従来の技術での取り組みにおいては存在していた応力なしに容器を造ることができ、そのため機械的に強固なセンサーを造ることができる。また、この取り組みは、ワイヤボンドアセンブリでも使用され得ることも留意すべきである。ワイヤボンドは、十分なコンプライアンスを有することから、溶融したダイろう付け材を必要な分、圧縮することができる。
【００１６】
この技術は、いかなるギャップ感受性の強い素子や平面真空素子に対して等しく有用である。得るところが大きい特殊な素子としては、米国特許第６,７４７,２５８  Ｂ２（Ｂｅｎｚ）号明細書で開示されるようなＥＢＣＣＤセンサーおよびＭＣＰを含むセンサーがある。
ベンツの場合、ＭＣＰの出力側にある絶縁フィルムの存在によって、ＭＣＰとＣＭＯＳの陽極との間で直接コンタクトが形成されるのである。つまり、この発明の目的として、ベンツのＭＣＰ−ＣＭＯＳセンサーは、真空フォトダイオードのように扱われ得るのである。言い換えれば、この発明で開示されているように、一つのユニットが、それによって正確に、重要なセンサー部品のすべての位置を一つの工程で規定するベンツのＣＭＯＳ陽極が支持されるならば、陰極とＭＣＰとの間に横たわっているスペーサは、ＭＣＰと陽極を変形しやすい（溶融または半溶融の）ダイボンド材に押し込むであろう。この発明を使用せずに、陰極−ＭＣＰスペーサの使用は、シール工程におけて、部品間で受け入れがたい大きい力の発生につながるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（図面の詳細な説明）
図１は、本発明に用いて好適な半導体装置１０を示している。この装置は、電子衝撃型ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）、電子衝撃型ＣＭＯＳ（ＥＢＣＭＯＳ）、電子衝撃能動型ピクセルセンサー（ＥＢＡＰＳ）、電子敏感型ＲＯＩＣのようなイメージセンサーを想定されているが限定するものではない。ＥＢＣＣＤおよびＥＢＡＰＳ装置の場合、半導体装置は図１中に示されたのと反対側の薄い層の中にある。これらの装置において、半導体装置は一般的にシリコンまたはガラスの支持構造体に接合される。これは、例えば、米国特許第４,６８７,９２２号明細書またはこのような素子の改善された電子衝撃映像に関する出願中の米国出願第１０／７９５，０４０号で説明されるように、半導体装置の背面の厚さを薄くすることを容易にする。これらの事例のうち、１０は、この接合された構造体または半導体装置を表している。米国特許第６,０２０,６４６号明細書は、ＵＨＶ互換の集積回路ダイアセンブリの製造方法を示している。符号５および９はともに、異なった大きさのろう付けパッドを表している。ろう付けパッド９は、相互接続配線１３を下にして配置され、それによって、相互配線ろう付けパッド５とともにダイの反対側にあるボンドパッドと電気的に接続する。ろう付けパッド９は、相互接続配線１３および相互接続ろう付けパッド５と電気的に分離されている。シリコン基板の場合、パッドと相互接続端子は一般的に、厚さが最高でも３０００オングストロームのSiOxNy層の上に設けられる。パイレックス（登録商標）の上にマウントされたＥＢＣＣＤまたはＥＢＡＰＳの場合、SiOxNy層の範囲は、一般的に、装置の前面と側面でシリコンの見えるところを下にして配置された電気配線１３までで良い。電気配線１３は、一般的には、順に、厚さ：５００オングストロームのチタン層、２００００オングストロームのアルミニウム層、５００オングストロームのクロム層からなる。ボンドパッド５および９は、一般的には、クロム：２０００オングストロームおよび金：５００オングストロームからなる。半導体装置は、約１ｃｍ角である。
【００１８】
純水なインジウムは、固相シールを施そうとしている場合に、好適なろう付け材である。混合相シール（ＭＰＳ）を施そうとしている場合には、インジウムとチタンの共晶組成が良い。ＭＰＳを施す間、陽極のろう付け材は溶融しており、一方、真空密封シール材への陰極は固体のまま残っている。銀、アルミニウム、ガリウムなどの他の材料も、それら相互で、またはインジウムと組み合わせて、低融点、低蒸気圧で延性のあるろう付け材として有用である。他の材料として、蒸気圧が幾分高く、その結果、ＵＨＶには十分な配慮を払って使用されるべきであるビスマス、カドミウムのようなろう付け材またははんだ付け材も良く知られている。
【００１９】
ろう付けパッドの幾何学的形状は、大変広い許容度で、さまざまな形状を取りえる。しかし、一般的には、信頼性の高い接合とするように、いくつかの指針がある。まず第一に、パッドの大きさの下限は、ろう付け材の厚さと等しいかまたは大きいものである。ろう付け材としてのインジウムと標準的な京セラのパッド金属被覆材を用いた場合、規格上のろう付け厚さ：５〜８ｍｉｌが目標とされる。これは、インジウムの量がパッケージ公差を埋め合わせるのに合致する点で機能的に有用な範囲である。言い換えれば、ろう付け材の厚さが、製造上で生じるギャップの目標に合わせるために、ギャップを埋めており、それによってパッケージの公差を緩和しているのである。それ故、ろう付けパッドの最小の大きさは、目標とするろう付け材の上限で規定される。相互配線５は、直径が大よそ１０ｍｉｌである。実際、直径：１０ｍｉｌの最小の大きさのパッドが、５〜８ｍｉｌの厚さで使用されている。目立った問題もなく、いろいろな大きさのパッドが、個々のダイで混在して使用されている。一般的に、パッドの配列は、熱膨張係数によって誘発される歪みをパッド間で均等化させるように対称になっている。パッド９は、電気的に分離されている円弧であるが、これらは、主として物理的機能と熱伝達の機能を有する。バッド９は、一般的に電気相互配線パッド５よりも大きい。パッドの配列９は、その大きさは５０〜１００ｍｉｌの範囲であり、定まった位置にあり、半導体ダイアセンブリ１０から熱を逃がし良く機能しているようである。
【００２０】
目標の５ｍｉｌ以上のろう付け材の厚さは、真空工程における付随効果を有する。半導体ダイのベースとパッケージとの間のギャップが大きいほど、ＵＨＶ容器工程で必要とされる真空焼成サイクル時に、これらの表面をより効果的に真空引きすることを容易にする。
【００２１】
ろう付けパッドへの電気的結合は、それぞれ分離した金属配線１３を介して成立される。この配線は、SiOxNy層とパッドの最初の金属層との間に配置される。電気配線は、一般的に、５００オングストロームの厚さのチタン層、２００００オングストロームのアルミニウム、５００オングストロームのクロムからなる。電気配線は、一般的に、ボンドパッドからダイのまわりのボンディング背面へ配線される。インジウムがろう付け材として使用されたとき、配線へのろう付け材の溶接はみられず、マスキング層を追加することも必要ない。その代わりとして、特定のダイのボンドパッドレイアウトを反映するように、この同様の金属化配置は、ボンドパッドの物理的な位置を再配分するため、一般のセラミックパッケージの中で使用され得る。
【００２２】
図２に関しては、米国特許第６,５０７,１４７号明細書に好適な形態の容器本体１７が詳細に記載されている。容器に対する有用なパッケージと部品の一般的な設置方法に関するこの特許における開示は、この文献によってここに具体化される。この特許は、ダイと相互接続の取り組みについて、ここでの開示について触れていない。一体化したセラミック本体が、好適な取り組みを表しているが、ここに示されるダイおよび相互接続技術は、米国特許第２００３／００６６９５１号公報に開示されるような強化型ハイブリッドソリッドステートセンサー用の、より従前からあるろう付けされた金属／セラミック超高真空容器アセンブリと互換するものである。相互接続パッドは２１とダイボンドパッド２５は、京セラの複数層セラミックパッケージ設計ガイドライン（１９９５  ＣＡＴ／２Ｔ９５０４ＴＨＡ／１２４４Ｅ）や他の複数層セラミックパッケージ供給者からの同様の設計ガイドラインで示される製造方法で、標準的な複数層セラミックパッケージ毎に生成される。ダイボンドパッド２５は、一般的に、内部で相互に電気的に結合され、パッケージの反対側から一つのピンの上に引き出される。相互接続パッド２１は、パッケージの反対側にある分離したピンに個々に配線される。２７が金属化されたパッドとなる。
【００２３】
円形でないパッドもうまく使用されているが、ダイボンドパッドと相互接続パッドの好適な形状は円形である。ダイボンドパッド２５は、熱を半導体装置からパッケージの壁へ効果的に逃がすため、非常に高密度で詰め込まれている。図２において、相互接続パッド２１によって描き出された外形は約１ｃｍ角であり、半導体ダイの大きさにほぼ一致する。
【００２４】
半導体ダイ１０は、それぞれの接続パッド間でろう付け材を配置することによってパッケージ１７とともに組み立て、ろう付けサイクルを通じて物理的に積み上げられた部品を動作させている。インジウムがろう付け材として使用される際、部品が物理的に配列されともに押し付けられたとき、アセンブリはともに支持し合うであろう。他の配列あるいは定着は必要としない。一旦、外観でいくつかが接着すると、ろう付け材の表面張力が、ＸとＹと両方向で調整され、Ｚ方向で部品を一緒に引っ張る。
【００２５】
ろう付け工程において、インジウムのプリフォームが、金属化パッド２７の上に配置される。これにより、インジウムは溶融しパッド２７と濡れる。このインジウム層は、最終的に光電陰極に対する真空容器をシールすることに使用されるであろう。
【００２６】
図３は、相互接続ろう付けを含むボンドされたダイのシールさされていない状態での断面概略を示したものである。この図の中で、半導体装置１０は延性ろう付け材２９を介してパッケージ１７にろう付けされる。パッド５用に列挙された金属化配合比およびパッド２１（図２参照）用の京セラ標準相互接続パッド金属化配合比を使用するとき、ろう付け厚さが最低でも４ｍｉｌに達するように、ろう付け材の量は選択される。層３３（図４参照）は、SiOxNy層であり、一般的には厚さが３０００オングストロームであり、相互接続配線を電気的に分離する働きをするものである。ほとんどすべての絶縁体がこの目的に使用され得るが、ピンホールの最小化と応力の最小限にすることが容易であり、利用する必要のある領域から容易にエッチングされることから、SiOxNyが選択された。
【００２７】
センサーがろう付け工程を経た後、センサーは真空焼成され、活性化された光電陰極４１の方へ密閉される。シールは、光電陰極４１を、あらかじめ表面２７を濡らしておいたインジウム層４５に押し当てられて完成される。光電陰極４１が半導体装置１０に近接していることは、１０の上面から離れてワイヤボンドを必要とする例を超える、この取り組みの利点を示す。同様に、パッケージ１７に３ｍｉｌオーダーの標準平面度公差があることで、パッケージの深さを測定し、ろう付け２９で使用されるろう付け材の量を調整することによって、１０と４１との間のギャップを埋めることができる利点が明確になるのである。
【００２８】
図４は、半導体ダイアセンブリ１０の断面図であり、低融点ろう付け材２９を介してはめ込まれた半導体アセンブリ１０の断面図である。ろう付けは、パッケージパッド２１と半導体ダイアセンブリ電気相互接続パッド５との間で形成される。電気相互接続パッド５は、配線１３を介した層３７によって示される半導体回路に接続される。パッド５と配線１３の電気的分離は、SiOxNy層３３を介して確保される。図４にはスケールが入っていないが、薄いフィルムは、明確化のために拡大されている。
【００２９】
図５は、相互接続ろう付けおよび陰極と陽極との間のスペーサ５１を含むボンドされたダイの一定の縮尺ではない概略断面図である。この図において、半導体装置１０は、In52Sn48のような延性のあるろう付け材２９を介してパッケージ１７にろう付けされる。パッド５用に列挙された金属化配合比およびパッド２１（図２参照）用の京セラ標準相互接続パッド金属化配合比を使用するとき、ろう付け厚さが最低でも４ｍｉｌに達するように、ろう付け材の量は選択される。層３３（図４参照）は、SiOxNy層であり、一般的には厚さが３０００オングストロームであり、相互接続配線を電気的に分離する働きをするものである。ほとんどすべての絶縁体がこの目的に使用され得るが、ピンホールの最小化と応力の最小限にすることが容易であり、利用される必要のない領域から容易にエッチングされることから、SiOxNyが選択された。層３７は、能動回路と相互接続を含む半導体装置のその部分を表す。
【００３０】
センサー本体がろう付け工程を経た後、センサーは真空焼成に供される。本体が焼成された後、ろう付け材料２９の融点以上真空外被のシール材４５融点以下で保持される。ついで本体は、活性化された光電陰極４１の方へ引き込まれ密閉される。シールは、光電陰極４１を、あらかじめ表面２７を濡らしておいたインジウム層４５に押し当てられて完成される。ついでシールされた容器アセンブリは、ろう付け材２９の融点以下にまで冷却される。
【００３１】
図６は、ダイの電気的接続を真空パッケージ１７に接続するためにワイヤボンド５３を使用する本発明の変形を示す。図６Ａに示されるこの場合、部品の組み立て工程で、スペーサ５１はセンサーの陽極１０に接着される。６Ｂにおいて、陰極は、真空密閉に影響するインジウムのシールリングに至らしめられた。図示されるように、陰極と陽極との間の接触面は、溶融したダイボンド材とワイヤボンドの両方の変形を招く。図示されていないが、もしそうでなければ光電陰極のアクテュブピクセルを覆うスペーサの中心は、光電子が通過できるように、開放状態であることに注意すべきである。
【００３２】
現在、より好適な形態が示され議論される場合、本発明の範囲および従属項の適用範囲をこえることなく変更と修正がなされ得ることは、当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、半導体装置の概略説明図であって、底面のボンドパッドの位置と配置を示すものである。
【図２】図２は、セラミック真空容器本体内におけるボンドパッドの接続パターンの概略説明図である。
【図３】図３は、延性のあるろう付け接点の概略断面であって、半導体装置とそのパッケージを示すものである。
【図４】図４は、パッケージされた真空容器内の接合されたダイの概略断面図の一部である。
【図５】図５は、真空パッケージ内の接合されたダイの断面概略である。；陰極と陽極の間のギャップを規定および設定するために追加のスペーサが導入されている。
【図６】図６Ａは、密閉される直前のダイボンド材が溶融状態にある映像センサーの概略図である。図６Ｂは、密封直後のセンサーを示す。
【図１】
2009503857.tif 000002
【図２】
2009503857.tif 000003
【図３】
2009503857.tif 000004
【図４】
2009503857.tif 000005
【図５】
2009503857.tif 000006
【図６Ａ】
2009503857.tif 000007
【図６Ｂ】
2009503857.tif 000008
【国際調査報告】
2009503857.tif 000009