(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体電力スイッチングデバイスを製作および接続するための方法および装置を提供する。【解決手段】角度のある構成を自身の幅にわたって有する、好ましくは略Ｖ形状の鋸刃３８を用いて、隣接するダイ２０間の境界をソーイングすることによって、ウエハ３６を個別回路ダイにダイシングして、隣接するダイ２０を互いから切り離すと同時に、各切り離されたダイ２０の側部に斜面を設ける。別の実施形態は、化学エッチングプロセスによって、個別ダイの傾斜した側面に対する損傷を滑らかにする。別の実施形態は、デバイスの金属被覆された電極と同一の広がりを持ち、かつプリント回路基板の適所に配置してはんだ付けすることができる導電ランドをプリント回路基板に設けることによってデバイスをプリント回路基板に容易に実装することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの製作方法であって、
マトリックスに構成された複数の個別回路ダイを有するウエハを形成するステップと、
角度のある構成を自身の幅にわたって有する切削用丸鋸刃を用いて隣接するダイ間の境界をソーイングすることによって、前記ウエハを個別回路ダイにダイシングして、隣接する個別ダイを互いから切断し、かつ前記隣接するダイそれぞれに少なくとも１つの傾斜した側面を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記角度のある構成が、各側部から刃半径が増加する中央部へ傾斜する断面を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記傾斜のそれぞれが所定の角度である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記デバイスが、多数の半導体層と、カソードそれぞれの少なくとも１つと、アノードと、ゲート電極とを有する電力スイッチングデバイスであり、
前記傾斜のそれぞれが所定の角度である、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記所定の角度が約４５度であり、
前記方法が、シリコンエッチャント浴を用いて前記傾斜した側部をエッチングして、前記ソーイングプロセスによってもたらされた表面の凹凸を除去し、それによって前記斜面の表面を滑らかにするステップをさらに含む、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記カソード、アノードおよびゲート電極を画定するために、上部および底部外面に金属被覆を形成するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
薄く細長いリードフレームを前記アノード金属被覆にボンディングするステップと、
前記リードフレームをプリント回路基板ランドへ延ばして、前記リードフレームを前記ランドへボンディングするステップと
を含む方法であって、
前記リードフレームが、対向端部と、中間の熱応力を切り離す湾曲部とを有し、前記端部のそれぞれが、前記ランドおよび前記アノード金属被覆にボンディングされる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ボンディングが、
前記回路基板ランドおよび前記アノード金属被覆にはんだを付けるステップと、
前記リードフレームを、前記回路基板ランドおよび前記アノード金属被覆と接触させて配置するステップと、
前記はんだをリフローして、前記リードフレームを、前記回路基板ランドおよび前記アノード金属被覆にボンディングするステップと、
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記対向端部の少なくとも１つが浅いＶ形状をしており、前記Ｖ形状の底部が、前記Ｖ形状の長さ方向を横断し、前記はんだと接触するように配置される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記プリント回路基板に実装された前記スイッチングデバイスをカプセル化するステップをさらに含む方法であって、
前記カプセル化が、前記デバイスを囲むサイズで前記デバイスの高さより大きな高さを有する、中空で、全体としてしっかりして、上面のない、ポッティング剤のシェルを配置するステップと、
粘着力があって流動可能なポッティング剤を前記上面のないシェルに注入して前記チップをカプセル化するステップと
を含み、
前記ポッティング剤が、前記上面のないシェルの下を少なくとも部分的に流れ、前記上面のないシェルと前記プリント回路基板との間の境界を密閉する、
請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には半導体の製作および接続のための方法および装置に関し、特に、タービンエンジン用途の点火励起装置に有用な高電圧半導体電力スイッチングデバイスの製作および接続のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の相互参照）
セオドア Ｓ.ウィルモット(Theodore S.Wilmot)、ジョン Ｃ.ドリスコル(John C.Driscoll)およびリチャード Ｓ.ブルゾステック(Richard S.Brzostek)による、２００４年６月１５日出願の米国特許出願第１０／８６８,６２１号、「高温動作能力を有する固体タービンエンジン点火励起装置(A Solid State Turbine Engine Ignition Exciter Having Elevated Temperature Operational Capability)」。
【０００３】
現代のタービンエンジン点火励起装置、特に小型ガスタービン用途に用いられるものは、近年相当に発展した。すなわち、スパークギャップ（プラズマ）スイッチングデバイスおよび単純な弛張タイプ発振器チャージポンプから、デジタル制御されるＤＣ−ＤＣコンバータチャージポンプを備えた、より信頼ができて、より予測可能な固体スイッチングデバイスへと移行した。現行技術の固体点火励起装置の熱性能は、利用可能なサイリスタスイッチングテクノロジにより制限されてきた。可飽和リアクトルを備えた、多数の直列にスタックされた位相制御サイリスタを用いる設計もあれば、パルス電力用途のために特に設計されたスイッチングデバイスを用いるものもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、両方の性能とも、スイッチングデバイスの限界に関連するリーク電流に悩まされている。高温では、スイッチングデバイス内のリーク電流により、結果として電力損失が増加する。この状態が、さらなるリーク電流をもたらし、結果として、熱暴走状態およびデバイス障害に帰着する。
【０００５】
現行技術の最も進歩した励起装置は、パルスタイプのサイリスタを用いて、出力段階における可飽和磁性部品の必要性およびそのテクノロジに関連する限界を除去する。位相制御をベースにした設計に関する相当な改良の一方で、現行技術のパルスサイリスタをベースにした点火励起装置の熱性能はまだ、スイッチングデバイスのリーク電流によって制限されている。さらに、現行技術テクノロジには、点火励起装置の商業的可能性を制限する高価な半導体ダイ製造およびデバイスパッケージング技術が組み込まれている。
【０００６】
ウィルモット(Wilmot)らの出願における点火励起装置の実施形態は、周囲の温度が上昇した状態で低いリーク電流を示すように設計された半導体パルススイッチングデバイスを用いる。それは、ウィルモットらの出願およびドリスコル(Driscoll)らの特許出願で開示されている配置設計を有する。この配置設計は、励起装置製品における半導体パルススイッチングデバイスの製造および接続コストを大幅に低減する新規の製作および実装方法ならびに装置の利用をさらに容易とする。
【０００７】
そこで本発明では、周囲の温度が上昇した状態で低いリーク電流を示す半導体電力スイッチングデバイスを製作および接続するための方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の好ましい実施形態は、半導体スイッチングデバイスを製造するための製作方法に関する。一実施形態は、ウエハに形成される複数の個別回路ダイの切り離しに関連して、半導体チップを製作する方法に関し、この場合に、ウエハは、角度のある構成を自身の幅にわたって有する、好ましくは略Ｖ形状の鋸刃を用いて隣接するダイ間の境界をソーイングすることによって、個別回路ダイにダイシングして、隣接するダイを互いから切断すると同時に、各切り離されたダイの側部に斜面を設けるようにする。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、個別ダイの傾斜した側面の損傷をエッチングプロセスによって滑らかにすることができる方法に関する。
【００１０】
本発明のさらに別の実施形態は、デバイスの金属被覆された電極と同一の広がりを持ち、かつプリント回路基板の適所に配置してはんだ付けすることができる導電ランドをプリント回路基板に設けることによって、デバイスをプリント回路基板に容易に実装することができる方法に関する。
【００１１】
さらに別の実施形態は、独特なリードフレームであって、有害な熱応力を、たとえ除去しなくても実質的に低減し、かつリードフレームが装着される電極金属被覆およびプリント回路基板間の高さ差異にもかかわらず、確実なボンディングを保証する方法で、チップの反対側における別の電極金属被覆およびプリント回路基板にはんだ付けできるリードフレームに関する。
【００１２】
本発明のさらに別の実施形態は、励起回路製品をスパーク発生装置と相互接続するための出力コネクタに関し、この場合に、出力コネクタは、信頼ができて容易に取り付けられる密閉構造を含む構成を利用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、励起装置製品における半導体パルススイッチングデバイスの製造および接続コストを大幅に低減する新規の製作および実装方法ならびに装置の利用をさらに容易とすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、タービンエンジン点火システム用の励起回路、および特に航空機エンジン点火励起回路を実装するのにとりわけ有用な半導体パルススイッチングデバイスに関するが、本明細書で説明する製作方法および技術は、別の用途を有する他の半導体デバイスの製作および接続に適用可能である。しかしながら、本明細書に開示する方法および装置は、大電流が短期間流れる可能性のある高電力回路で使用するために特に構成されている。このような装置にとって一時的な高負荷状態は普通のことであり得るので、本明細書で説明する製作および接続方法ならびに装置は、高電流フローが発生する可能性のある多種多様な用途にわたって有用であり得る。
【００１５】
図１を参照すると、例示的なＰＳＤスイッチングデバイスが、全体として２０で示されている。このデバイスの高度に組み合わされたゲート−カソード構造によって、保護（可飽和リアクトル）ネットワークの必要なしに、高ｄｉ／ｄｔ電流パルスを直接スイッチングすることが可能になる。特に、ゲート構造２２が、カソード構造２４と組み合わされている。ゲート構造２２は２つの金属被覆パッド２６を有するが、これらの金属被覆パッド２６は、ゲート構造２２が接続されているプリント回路基板のランド（本図には図示せず）にはんだ付けするのが好ましい。カソード構造２４は、それが実装されるプリント回路基板との接続をまた容易にする金属被覆パッド２８を有する。コンパクトなダイ実装面積（好ましくは約０.３８平方インチ）および薄いベースジオメトリによって、円形構成を有する先行技術のパルスサイリスタ装置（直径約０.５インチ）と比較して、スイッチング速度が約４０％改善される。
【００１６】
図２は、好ましくは厚さがわずかに約０.０２４インチで、（Ｉ）領域が約０.０１８インチのＰＳＤスイッチングデバイスの断面図を示す。図２に示すように、スイッチングデバイス２０の側部は、図２では約４５°の斜面を有する。デバイスはほぼ正方形であるので、側部３０の４５°斜面は、製作におけるダイシングプロセスの間に達成される。図２に示す実施形態は、４５°の単一斜面の側部を有するが、デバイスは、図３に示すような代替（たとえば５７.４０°）または多数の斜角で製作してもよい。本実施形態において、デバイスの実質的な部分は、斜角３４と結合する面３２に沿って約５７°の斜角を有するが、この斜角３４は、はるかに浅く、水平に対して約３°〜約１０°の範囲内にあるのが好ましい。斜面の製作方法と特に関連するものではないが、デバイスの動作電圧がより高い、すなわち１８５０ボルトを実質的に超えるときには、二重斜面が望ましい場合もあること、および確実に動作するためには約４５°の単一斜面で十分であることは、指摘すべきである。約１８５０ＶＤＣ未満の動作電圧が利用される場合には、斜面を全く備えないことも可能であり、デバイスの側部は、デバイス２０の上面および底面の水平面に垂直であってもよい。
【００１７】
より重要なことだが、デバイス２０は、複数の個別ダイ２０を含む円形ウエハ３６を製造することによって、従来の技術を用いて製作するのが好ましい。従来のように、ウエハ３６は個別チップにダイシングされ、また本発明の一実施形態では、さらなる処理のために、丸鋸刃３８を用いて、隣接するダイを互いから切断する。そのために用いる鋸刃は注文生産され、また図２に示すような単一斜面３０かまたは図３に示すような二重斜面３２および３４のいずれかを形成するように構成された断面輪郭を有する。隣接するダイを均一に４５.０°の角度で切り離す鋸刃の断面が図５に示されているが、それは、ソーイングプロセスの間に、隣接するダイを互いから切り離すのと同様に、隣接するダイの側部４０の両方に４５.０°の角度を与えるように構成されている。別の実施形態においては、垂直角度３３の方向に９０°で示されるように、直線切断（業界標準）を用いて個別ダイを切り離す一方で、第２の斜面切断を用いて、電界が広がる斜面３５を形成する。同様に、刃４２の構成は、両側部から刃の中央へ二重の斜面構成を有し、この構成によって、図３に示すような二重の斜面側部３２および３４が形成される。図５および６の鋸刃は、その中央に単一の先端部を有するように示されているけれども、中央は比較的狭い先端部か、または望みどおりに、より幅広く削った中央部としてもよいことを理解されたい。この点に関して、図２および３の両方とも、デバイスの中央の方へ返るわずかに湾曲した部分４４を有する。側部に対して単一斜面か、二重斜面かまたは直線横断切断を利用するかは、チップの動作電圧、およびデバイス２０の操作性に影響を与え得る電界特性によって決定される。本発明の本実施形態に関して、本発明の重要な態様は、鋸刃が、適切な単一角度の斜面と同様に二重角度の斜面および場合によっては望みどおりに追加的な角度の斜面を形成する外部断面構成を有し得るということである。
【００１８】
鋸刃はダイヤモンドグリットであり、約１７ミクロンのグリットサイズが好ましい。刃は、典型的には直径が約２〜２.５インチ、厚さが約０.０６インチであり、一般に、約２０,０００ｒｐｍの速度で回転する。刃３８は、代わりの直径および特別の厚さが可能なように、一般には注文生産される。業界で用いられる標準の中心的なサイズがある。
【００１９】
デバイス２０の底面図を図７に概略的に示し、また右上隅は、図８および９のマイクロ写真で示す２つの側部の隅の一部を表わすように示してある。図８を見ると、図８は、２つの側部および交差する隅の形状を１５００倍率で示し、また研磨およびソーイング作業から現れる損傷と、エッチング後に結果として得られる表面との間の対比を示す。デバイスが用いられている回路の電圧レベルに依存して、動作中に生成される電界は、経時的にデバイスの信頼性に影響する可能性がある。側部３０に４５.０°の斜面を有する図２に示す実施形態に関して、鋸刃の動作によって側面に現れる損傷は、エッチングプロセスによって、解消できないにしても、ほぼ除去できることが分かった。この点に関して、容量比３３％の硝酸、２５％のフッ化水素酸、２０％の酢酸および２０％のリン酸で主に構成されるシリコンエッチャントにチップを浸漬することは、デバイス側部の４５.０°平面と垂直な損傷部分を効果的にはがす化学エッチング動作に帰着し、結果として表面は、図９に示すように鏡のように滑らかになる。代わりに、さらに別の実施形態において、シリコン結晶が（１,０,０）結晶方位を有する場合には、ＫＯＨ（水酸化カリウム）エッチングプロセスを用いて、５７.４°斜角と垂直な損傷を同様に滑らかにすることができる。また、超音波振動を用いている間に、化学エッチングプロセスを実施するのが好ましいことが分かった。これは、チップが超音波浴にある間に約１０〜約１００Ｈｚの比較的遅い速度でチップを穏やかに振動させることにより遂行され、それによって、チップ表面における泡の形成が防がれる。
【００２０】
本発明の別の実施形態によると、傾斜した側部３０を有するデバイス２０は、予めカプセル化することなく、プリント回路基板５０に実装することができる。デバイス２０がそのカソードおよびゲート金属被覆２６および２８を配置する側は、プリント回路基板５０と接触することになる側であるのが好ましく、また適切なランド（図示せず）が、デバイス２０の金属被覆２６および２８と同一の広がりを持つように配置される。はんだペーストの薄膜を、デバイス２０とプリント回路基板５０との間で、デバイス２０の金属被覆２６および２８の上に付けて、取り付け中にデバイス２０をはんだの上に押圧することができる。これによって、ゲートおよびカソードがプリント回路基板回路に接続される一方で、アノード金属被覆５２は、デバイス２０の上側になる。アノード金属被覆５２をプリント回路基板に接続するために、全体として５４で示されるリードフレームが、アノードをプリント回路基板５０のランドと相互接続するために設けられる。この相互接続を達成するために、はんだペーストの薄膜が、アノード金属被覆５２と左端部５６との間、およびプリント回路基板のランド５５とリードフレーム５４の反対端部５８との間に付けられる。
【００２１】
リードフレーム５４は、端部５６および５８間に中間部６０を有し、中間部６０は、チップ２０とプリント回路基板５０のランドとの間に延びる比較的大きな湾曲部を有する。比較的大きな湾曲部６０は、熱により誘発される力を低減するために設けられているが、これらの力は、過酷なタービンエンジン環境で直面する広範に変化する周囲温度において生じる様々な構成要素のＣＴＥ（熱膨脹係数）の不一致のために現れる可能性がある。リードフレームは、銅で製造するのが好ましく、また励起回路が動作しているとき、点火器のパルシング中に短期間、最大約１５００アンペアの電流を導通するのに十分な厚さを有する。デバイス２０の上面は、端部５８が接続されることになるプリント回路基板の表面とは異なる高さになる可能性があるので、端部５６および５８の両方とも、リードフレームの長手方向を横断する方向に曲げられ、また両方とも、浅いＶ形状をして、はんだリフロープロセス中にチップ２０に印加される力を最小限にする。すなわち、はんだが固まるとき、Ｖ屈曲部は、チップに印加される回転力および垂直力を最小限にして、チップゲートおよびカソードパッドに付帯するＰＣＢランド上のチップゲートおよびカソードパッドの整合を最大限にし、他方では同様に、はんだコラムの頂点と相互接続したゲートおよびカソードの変位性を最小限にする。
【００２２】
本発明の別の実施形態に従い、図１１〜１７を参照すると、全体として６６で示される出力コネクタが、出力コネクタ６６に接続されているケーブル（図示せず）を介して、パルストランスアセンブリ（詳細には図示せず）を、タービンエンジン点火励起システムにおける点火プラグと相互接続する。特に、出力コネクタ６６には、好ましくはアルミニウムで製作され、かつ保護用外側シールドを提供するコネクタブッシング６８が含まれる。ケーブルは、コネクタブッシング６８および同様に絶縁体７０に挿入されるが、この絶縁体７０は、絶縁体７０内に嵌合する拡大フランジ７６を備えた中間直径部７４を有する接触ピン７２を囲んでいる。絶縁体７０の外面は、１ペアのＯリング８０を収容するように構成された１ペアの環状溝７８を有し、これらのＯリング８０は、ブッシング６８の内部に対して絶縁体７０の外部を密閉するように動作する。これら２つの構成要素間に単にシリコンシーラーを注入する先行技術の手法と対照してみると、Ｏリングの使用は、より大きな密閉の信頼性を提供し、かつこれら２つの構成要素間にシリコーンを注入するよりも取り付けが簡単なことが分かった。絶縁体は、ウルテム(Ultem)２３００（ゼネラルエレクトリック(General Electric)によって製造されたガラス３０％入りポリエーテルイミド成形）で製作するのが好ましく、それによって、より高いレベルの耐熱性（華氏４００度の範囲）、優れた耐薬品性、高絶縁耐力、固有の耐燃性および極度の低発煙性がもたらされる。Ｏリング材料は、フルオロシリコーンが好ましい。
【００２３】
ポッティング材を用いて、パルストランスアセンブリおよびコネクタブッシング６８の回りにエンクロージャ８２を設けるのが好ましい。エンクロージャ８２は、プリント回路基板５０でふさがれる水平スロット８４を有し、またパルストランスアセンブリおよびブッシング６８のために密閉されたエンクロージャを提供する。エンクロージャは、Ｏリング８０の使用と組み合わされて、接触ピン７２を外部要素から完全に密閉する。図１３および１４に示すように、開口部８６が端部フランジ７６に設けられているが、この端部フランジ７６は、開口部８６と並んだスロット８８を有する絶縁体７０に対して横断方向にある。これによって、パルストランスアセンブリからの出力導体を接触ピン７２に接続することが可能となり、ピンおよびケーブルを通して点火器へ電流を導通することができる。
【００２４】
本発明の様々な実施形態を図示し説明してきたが、他の修正、置換および代替が当業者には明らかであることを理解されたい。このような修正、置換および代替は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに製作可能であり、添付の特許請求の範囲から判断すべきである。
【００２５】
本発明の様々な特徴は、特許請求の範囲に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電力スイッチングデバイス（ＰＳＤ）ダイ構成ならびにゲートおよびカソードの金属被覆ジオメトリを示す平面図である。
【図２】図１の線２−２にほぼ沿った部分に関し、かつＰＳＤダイ構成の一実施形態における斜面ジオメトリを示す断面図である。
【図３】図２に示すのと類似した取り出し部分に関するが、二重の斜面ジオメトリを備えた側部を有するデバイスを示す断面図である。
【図４】複数の個別ダイを自身に形成したウエハの理想的な斜視図であり、かつ個別ダイを切り離すと同時に傾斜した側部ジオメトリを有するチップを製作するための概略的な鋸刃を示す。
【図５】ウエハをダイシングし、かつ図２に示すような単一斜面を備えたデバイスを製作するために、角度のある構成を自身の幅にわたって有する切削用丸鋸刃の一部の断面図である。
【図６】図３に示すような二重斜面の側部を有するダイを製作するために二重斜角のＶ形状構成を有する切削用丸鋸刃の一部の断面図である。
【図７】図２に示すような単一斜面の側部を示す、自身の底部から見られたＰＳＤの略平面図である。
【図８】図５に示す構成を有する鋸刃でダイシングした後の側部のトポグラフィを示す、実際のＰＳＤの一部のマイクロ写真である。デバイスを示すマイクロ写真は、１５００倍の倍率を有し、ダイシングの損傷とエッチング除去との間の表面品質の差異を示す。
【図９】エッチング後の側部の質感を示す、図８に類似したチップの一部のマイクロ写真であり、マイクロ写真は、１３０倍の倍率を有する。
【図１０】プリント回路基板に実装されたＰＳＤを示し、特に、電極金属被覆をプリント回路基板のランドと相互接続するリードフレームを示す斜視図である。
【図１１】プリント回路基板に実装された励起回路用の出力コネクタの斜視図であり、コネクタは、スパーク発生装置まで延びるケーブルに接続可能である。
【図１２】出力コネクタの円筒状絶縁体構成要素の平面図である。
【図１３】出力コネクタの円筒状接触ピンの側面図である。
【図１４】円筒状絶縁体に取り付けられた接触ピンを示す断面図である。
【図１５】パルストランスアセンブリに施されたポッティング材料のエンクロージャを備えた出力コネクタの平面図である。
【図１６】図１５に示すポッティング材料のエンクロージャの正面図である。
【図１７】図１５に示すポッティング材料のエンクロージャの背面図である。
【符号の説明】
【００２７】
２０  ＰＳＤスイッチングデバイス、チップ、ダイ
２２  ゲート構造
２４  カソード構造
２６  金属被覆パッド、カソード金属被覆
２８  金属被覆パッド、ゲート金属被覆
３０  側部、単一斜面
３２  斜面
３３  垂直角度
３４  斜角、斜面
３５  斜面
３６  ウエハ
３８  丸鋸刃
４０  側部
４２  刃
４４  湾曲した部分
５０  プリント回路基板
５２  アノード金属被覆
５４  リードフレーム
５５  ランド
５６  左端部
５８  反対端部
６０  中間部、湾曲部
６６  出力コネクタ
６８  コネクタブッシング
７０  絶縁体
７２  接触ピン
７４  中間直径部
７６  フランジ
７８  環状溝
８０  Ｏリング
８２  エンクロージャ
８４  水平スロット
８６  開口部
８８  スロット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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