(57)【要約】  電位差が与えられる半導体パッケージは、金属フィラーを使用して結合した２または３以上の構成部品を有する。この金属フィラーは、金属部材が原子状態で分散している固溶体構造であり、金，銀および銅の合金を含んでもよい。金属フィラーの好ましい形態は、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕである。本発明によるところの金属フィラーは、半導体パッケージに最終的なショートをもたらす銀のマイグレーションを発生させずに、銀をベースにした金属フィラーの利点を与える。水が凝集して、パッケージ中への水分浸透および温度変化によって、半導体パッケージ内に水の連続層が形成されるとき、金属フィラー中の銀はイオン化されない。故に、銀堆積物の堆積およびパッケージの最終的なショートは生じない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの部品を含み、当該少なくとも２つの部品間に電位を印加するように構成された電子パッケージであって、前記２つの部品間に配され、前記２つの部品を結合する合金フィラーを有し、前記合金フィラーは金，銀および銅からなることを特徴とする電子パッケージ。
【請求項２】
前記金，銀および銅は、前記合金フィラー中に原子状態で分散していることを特徴とする請求項１に記載の電子パッケージ。
【請求項３】
前記合金フィラーは、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕを含むことを特徴とする請求項１に記載の電子パッケージ。
【請求項４】
フランジ，ウィンドウフレーム，少なくとも１つのリードおよび合金フィラーを含む半導体パッケージであって、前記合金フィラーは、前記ウィンドウフレームを前記フランジおよび前記少なくとも１つのリードに結合し、金，銀および銅からなることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項５】
前記金，銀および銅は、前記合金フィラー中に原子状態で分散していることを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージ。
【請求項６】
前記合金フィラーは、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージ。
【請求項７】
前記フランジと反対側の前記ウィンドウフレームに結合した複数のリードと、前記ウィンドウフレームにおける開口部内の前記フランジ上に実装されるチップと、前記チップ上に実装され、前記複数のリードおよび前記ウィンドウフレームに自身の周辺端部に沿って取り付けられる蓋と、をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージ。
【請求項８】
表面を有するヒートシンクであるフランジと、対向する第１の表面と第２の表面との間に開口部を有するウィンドウフレームと、複数のリードと、を含む半導体パッケージであって、前記ウィンドウフレームの第１の表面は、合金フィラーによって前記フランジの表面に結合しており、前記複数のリードは、前記合金フィラーによって前記ウィンドウフレームの第２の表面に結合しており、少なくとも１つのチップが前記ウィンドウフレームにおける開口部内の前記フランジ上に実装され、ワイヤが前記複数のリードに接着され、周辺端部を有する蓋は、前記リードおよび前記フランジと反対側の前記ウィンドウフレームの第２の表面にエポキシによって結合し、前記合金フィラーは６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕからなることを特徴とする半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
＜発明の分野＞
本発明は半導体パッケージに関し、さらに詳細にはフランジ、ウィンドウフレームおよびリードのような多様な部品が、金属フィラーを使用して結合されたパッケージに関する。
＜従来技術＞
複数のリードを実装し絶縁するウィンドウフレームにおける開口部内で、１または２以上の半導体チップがヒートシンクであるフランジ上に実装される半導体パッケージを提供することは、技術的に知られている。チップは、ＬＤＭＯＳ（横方向拡散金属酸化物半導体）型およびパッケージ型ＬＤＭＯＳパワートランジスタのパッケージであっても良い。ウィンドウフレームは、半導体パッケージ上にリードを実装し且つヒートシンクであるフランジおよびパッケージの他部分からリードを絶縁する働きをする。ウィンドウフレームは、半導体チップを取り囲む開口部を有している。チップは、ワイヤーボンドによって、そのようなリードに電気的に連結される。
【０００２】
上述のタイプの半導体パッケージにおいて、フランジ、ウィンドウフレームおよびリードを含む構成部品は、通常は金属フィラーを使用して結合される。通常は、かかる金属フィラーは銀をベースにしている。通常は、金属フィラーはフランジおよびリードをウィンドウフレームに結合する作用をする。半導体パッケージの部品を結合するために一般的に使用される、銀をベースにした金属フィラーの例として、７２Ａｇ２８Ｃｕ（ＣｕＳｉｌ）がある。
【０００３】
ＣｕＳｉｌのような銀をベースにした金属フィラーは、フランジおよびリードをウィンドウフレームに結合するのに効果的である。かかる金属は、高温および半導体パッケージ製造に伴う他の状態に耐えることができ、パッケージのその後の使用中に部品を引き続き結合することができる。しかし、特にはパッケージが密封容器内に収容されていないか、または密封蓋をもって収容されていない半導体パッケージについて、その後の使用中に問題が発生するかもしれない。金属フィラーは、露出した銀の供給源となる。水分がパッケージ中に入り込み、金属フィラー、フランジおよびリードとの間のウィンドウフレームの誘電面にわたって凝集し得る。負のフランジと正のリードとの間に印加される電位差をもって、銀のマイグレーションが生じることとなる。最終的には、かかる銀のマイグレーションは、正のリードと負のフランジとの間をブリッジし、電気ショートを引き起こすかもしれない。水分の連続層がリードとフランジとの間に形成されると、イオン化銀は、誘電性のウィンドウフレームを覆う凝集水を通って移動し、純金属の形でフランジに析出する。最終的に、銀析出物はフランジとリードとをブリッジし、電気ショートを引き起こすこととなる。
【０００４】
銀のマイグレーションは、長い間、電子産業において問題となっており、多くの場合、現在および将来の製品設計の変更を必要とする。銀のマイグレーションが生じないことを確実にする１つの方法は、銀を含まない金属フィラーを使用することである。他の選択肢としては、接着剤、絶縁保護コーティングおよびＰｄ、Ｙなどのような添加剤の使用が挙げられる。しかし、接着剤および絶縁保護コーティングは、通常３００度以上の高い処理温度に耐えることができない。銀を含まない金属フィラーまたは添加剤は、増大した脆性、高い処理温度および非均一な湿潤のような望ましい特性を満たさない傾向がある。
【０００５】
この理由のために、ＣｕＳｉｌは、未だにほとんどの用途に対する金属フィラーとして選ばれている。かかる材料は、高強度、高延性および平坦接合のような望ましい機械的性質ばかりでなく、理想的な伝導率も与える。しかし、銀のマイグレーションは、かかる材料において問題であることに変わりはない。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、銀のマイグレーションが問題とならない改良された電子パッケージを提供する。パッケージの部品は、銀をベースにした金属フィラーによって結合されるが、銀のマイグレーションを生じない。この金属フィラーは、一般に使用されるＣｕＳｉｌと本質的に同じ利点を与えるが、付随する銀のマイグレーションの問題を発生させない。
【０００７】
本発明によると、金属フィラーは金，銀および銅を含む合金からなっている。この合金は、金，銀および銅が原子状態で分散している固溶体構造である。結果として、パッケージを最終的にショートさせる堆積物を形成するように、銀は移動しない。本発明による金属フィラーの好ましい形態は、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕを含む。かかる合金は、銀をベースにした他の金属フィラーが使用されるとき、一般的に銀のマイグレーションが生じる動作条件下においてさえ、実質的に銀のマイグレーションは生じない。
【０００８】
本発明による半導体パッケージの１つの形態は、表面を有するヒートシンクであるフランジと、対向する第１の表面と第２の表面との間に開口部を有するウィンドウフレームと、複数のリードを含む。前記ウィンドウフレームの第１の表面は、合金フィラーによって前記フランジの表面に結合している。前記複数のリードは、前記合金フィラーによって前記ウィンドウフレームの第２の表面に結合しており、少なくとも１つの半導体チップは、前記ウィンドウフレームにおける開口部内の前記フランジ上に実装され、前記複数のリードにワイヤボンドを行う。蓋はパッケージ上に実装され、その周辺端部は、前記リードおよび前記フランジと反対側の前記ウィンドウフレームの第２の表面に、エポキシによって結合される。金属フィラーは６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕからなる。半導体パッケージの動作中に、正のリードと負のフランジとの間に電位差が与えられ、かかる電位差は誘電体であるウィンドウフレームにわたって存在する。水分が存在すると、かかる水分は蓋，リードおよびウィンドウフレームの間のエポキシシールを通って移動し、温度変化に応じて半導体パッケージ内に凝集するかもしれない。凝集した水分は、誘電体であるウィンドウフレームの表面にわたるリードからフランジへと伸長する層を、最終的に形成するかもしれない。それにも関わらず、原子状態で分散している金，銀および銅を有する金属フィラーの固溶体構造は、銀のマイグレーションの発生を抑制する。
【好ましい実施例の詳細な説明】
【０００９】
図１は、本発明による金属合金フィラーを有利に利用するタイプの半導体パッケージ１０を示している。図１の半導体パッケージ１０はヒートシンクであるフランジ１２を含み、当該フランジは、細長く平坦で、通常は平面構造であり、このフランジ上に実装されるウィンドウフレーム１４を有している。複数のリード１６が、フランジ１２の反対側のウィンドウフレーム１４上に実装されている。ウィンドウフレーム１４は、フランジ１２の一部分を露出する開口部１８を有する。半導体チップ２０は、開口部１８内のフランジ１２上に実装され、リード１６に電気的に連結している。かかる電気的連結は、ワイヤーボンド２２でなされても良く、２つのワイヤーボンドが図１に例として示されている。シングルチップ２０は例図の目的のために示されており、必要に応じて、複数のチップが開口部１８内に実装されても良い。リード１６およびウィンドウフレーム１４上に実装され、チップ２０を含む開口部１８を囲うこととなる蓋２４は、図１の他の構成物と間隔を介して示されており、内側の細部を示している。
【００１０】
図２は、図１の半導体パッケージ１０の幾つかの構成部品の分解図である。この構成部品はフランジ１２を含み、当該フランジは、相対的に薄く、通常は平面構成であり、相対的に平坦な上面２６を有している。開口部１８は、相対的に薄いウィンドウフレーム１４の対向する下面２８と上面３０との間に広がっている。ウィンドウフレーム１４は、その下面２８をフランジ１２の上面２６に接合することによって、フランジ１２上に実装される。リード１６は、フランジ１２とは反対側の、ウィンドウフレーム１４の上面３０上に実装される。
【００１１】
図３は、図１の半導体パッケージ１０の側面断面図である。図３に示されるように、ウィンドウフレーム１４は、多量の金属フィラー３２によってフランジ１２に結合されている。金属フィラー３２は、ウィンドウフレーム１４の下面２８とフランジ１２の上面２６との間に広がり、両者を共に結合することとなる。図３にも示されているように、リード１６は、多量の金属フィラー３４によってウィンドウフレーム１４に結合されている。金属フィラー３４は、リード１６とウィンドウフレーム１４の上面３０との間に広がり、リード１６をウィンドウフレーム１４の上面３０に結合している。金属フィラー３２および３４は、合成物等または他の合成物からなり得る。蓋２４は、下方の周辺端部３６を有する囲い構造である。蓋２４の下方の周辺端部３６は、多量のエポキシ３８によってリード１６およびウィンドウフレーム１４の上面３０に結合している。蓋２４およびエポキシ３８は、半導体パッケージ１０一面に標準的な非気密性シールを与える。
【００１２】
半導体パッケージ１０の使用中には、電源の正極はリード１６に結合され、電源の陰極はフランジ１２に結合される。半導体パッケージ１０は、通常は湿度を含む雰囲気中に位置づけられる。雰囲気からの水分はエポキシ３８に浸透し、外部雰囲気と平衡状態にある半導体パッケージ１０の内部の空洞４０内に湿度をもたらす。水分はエポキシ３８を通してゆっくりと運ばれるので、温度の急速降下は、空洞４０中の水分を空洞４０の内部面にわたって凝集させることとなる。このことは図４に示されており、水分４２の凝集層を図示している。
【００１３】
金属フィラー３２および３４がＣｕＳｉｌ（７２Ａｇ２８Ｃｕ）のような銀/銅の合金からなる、従来技術の半導体パッケージ１０の場合には、凝集した水分４２は露出した銀をイオン化し、イオン化銀が移動する伝達媒体を与える。イオン化銀は、フランジ１２によって形成される陰極で負電位に引かれる。
【００１４】
この過程は図５に示されており、水分４２の層の一部分が、リード１６から金属フィラー３２、誘電体であるウィンドウフレーム１４および金属フィラー３４を越えてフランジ１２に広がっているのを示している。金属フィラー３２は銀を含む。水分４２の層に隣接する第１の領域４４で、水分と接触する銀はＡｇ+にイオン化される。ウィンドウフレーム１４に隣接する第２の領域４６で、イオン化銀Ａｇ+は、負にバイアスされたヒートシンクであるフランジ１２に引き付けられる。金属フィラー３２に隣接する水分４２の層の第３の領域４８で、イオン化銀Ａｇ+はヒートシンクであるフランジ１２と接触するようになるので、Ａｇに変態する。銀は純金属として析出し、その効果は累積的である。さらなる銀が析出するにつれて、ヒートシンクであるフランジ１２によって形成される陰極と、リード１６によって形成される陽極と、の間の有効距離は減じられる。最終的には、銀の完全ブリッジがフランジ１２とリード１６との間に形成され、半導体パッケージ１０を電気的にショートさせる。上述のいわゆる銀デンドライトは、通常は、開口部１８内のウィンドウフレーム１４の内壁にわたった、さまざまな異なる領域で形成される。このことは、図６に示されており、幾つかの銀デンドライト５０が図示されている。
【００１５】
図７は、リード/ウィンドウフレームの界面の拡大断面図であり、金属フィラー３４はＣｕＳｉｌ（７２Ａｇ２８Ｃｕ）である。図７に示されるように、金属フィラー３４は、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）のリッチポケット（rich pocket）中に凝固している。金属フィラー３４の表面に近接する銀のポケットは容易にイオン化され、最終的には不必要な銀デンドライト５０を形成する。
【００１６】
本発明によると、パッケージ１０のような半導体パッケージおよび他の電子パッケージは、金、銀および銅からなる金属フィラーを使用して作られる。この金属フィラーは固溶体構造であり、構成金属は原子状態で分散している。このタイプの金属フィラーをもって、銀が水分存在下でイオン化する電位およびパッケージの構成部品に供給される電位差は、解消されるかまたは実質的に減じられる。金属フィラーの好ましい形態は、６０Ａｕ２０Ｃｕ２０Ａｇである。
【００１７】
図８Ａは、リード/ウィンドウフレームの界面の拡大断面図であり、金属フィラー３４は６０Ａｕ２０Ｃｕ２０Ａｇを含む。図８Ａで分かるように、銀、銅または金のリッチポケットは存在しない。金属フィラーの３つの構成成分は、通常は、金属フィラー構造内に均一に分布し、置換型合金を示している。置換型合金に関しては、合金の構成成分は原子レベルで均一に混じっている。図８Ｂ、図８Ｃおよび図8Ｄは、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）および銅（Ｃｕ）をそれぞれ示している。図示されているように、金属フィラーの３つの構成成分は金属フィラー構造内で均一に分布している。
【００１８】
図８Ａ〜図８Ｄに示される良好な結果に対する理由は、全てが明らかとなっているわけではない。もしかしたら、銅および金の構成成分に対する原子誘引のために、置換型合金中の銀はイオン化し難いのかもしれない。金属フィラー表面での単層の銀イオンはイオン化することができ、その表面上の少量の銀が移動した後、金/銅の層が障壁として働き、さらなる銀のイオン化を阻止することとなるのかもしれない。いずれにしても、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕのような、原子状態で分散している固溶体構造は、予め使用される金属フィラーの銀のマイグレーションを実質的に解消することが見出されている。
【００１９】
図８Ａ〜図８Ｄに関連して示され且つ説明されている良好な結果は、金属フィラー３４が６０Ａｕ２０Ｃｕ２０Ａｇからなり、リード１６が正にバイアスされるときに得られる。ウィンドウフレーム１４とフランジ１２との間の金属フィラー３２は、ＣｕＳｉｌからなり得る。リード１６が負にバイアスされる場合に、金属フィラー３２が６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕからなっているならば、銀のマイグレーションは大いに減じられ、または解消される。その場合には、金属フィラー３４はＣｕＳｉｌからなっても良い。
【００２０】
本発明の結果をさらに確認するために、一連の試験が行われた。図９に示されるように、試験される金属フィラー部材５２が誘電体基板５４上に実装され、この金属フィラー部材の末端は金のスタンダード（gold standard）５６から４０ミルの間隔があけられている。一滴の蒸留水がそのギャップにわたって配され、金属フィラー部材５２と金のスタンダード５６との間の空間をブリッジしている。図に示されるように、電圧バイアスが構成材５２および５６にわたって印加される。その後、３つの異なる金属フィラー（１００Ａｇ、７２Ａｇ２８Ｃｕ、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕ）が試験され、表１に示されている。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
異なる金属フィラーに加えて、表１は、印加された４つの異なる電圧（５ボルト、１０ボルト、２０ボルトおよび３０ボルト）を示している。金属フィラー中の銀がイオン化、移動、析出および図９に示される配置をブリッジするために必要とする総時間も、表１に示されている。表１に示されるように、金属フィラーが純銀（１００Ａｇ）のときは、短絡が生じる時間は５ボルトでの９分４５秒から２０ボルトでの５５秒に及んでいる。従来、幅広く使用された合金ＣｕＳｉｌ（７２Ａｇ２８Ｃｕ）の場合には、短絡までの時間は、５ボルトの場合における１８分から３０ボルトの場合における２分に及んでいる。本発明による好ましい合金である６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕの場合には、示されている電圧において短絡は生じない。どんな場合でも、電圧は６０分以上印加された。ほとんどの水分は約６０分で蒸発し、銀が移動する経路を残さない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の好ましい実施例の詳細な説明は、添付図を参照してなされる。
【図１】内側の細部を示すために蓋が取り外された状態における、本発明による半導体パッケージの斜視図である。
【図２】図１の半導体パッケージのフランジ、ウィンドウフレームおよびリードの分解斜視図である。
【図３】図１の半導体パッケージの側面断面図である。
【図４】図３と同様の側面断面図であるが、使用中に水分が半導体パッケージの内部に凝集し得る態様を示す図である。
【図５】図４の側面断面図の部分拡大図であり、凝集した水分がリードとフランジとの間のウィンドウフレームに広がり得る態様を詳細に示す図である。
【図６】図１の半導体パッケージの部分斜視図であり、水分が存在し、バイアス電圧が印加され且つ従来技術の銀をベースにした金属フィラーが、ウィンドウフレームにフランジとリードとを結合するために使用されているとき、銀の堆積物がウィンドウフレームにわたって形成される態様を示す図である。
【図７】図１の半導体パッケージのリード/ウィンドウフレームの界面の断面図であり、従来技術の銀をベースにした金属フィラーが、銀および銅の中に偏析し、好ましからざる銀のマイグレーションを引き起こすこととなる態様を示す図である。
【図８Ａ】図７と同様にリード/ウィンドウフレームの界面の断面図であるが、本発明による金属フィラーと、その構成要素と、を示す図である。
【図８Ｂ】図７と同様にリード/ウィンドウフレームの界面の断面図であるが、本発明による金属フィラーと、その構成要素と、を示す図である。
【図８Ｃ】図７と同様にリード/ウィンドウフレームの界面の断面図であるが、本発明による金属フィラーと、その構成要素と、を示す図である。
【図８Ｄ】図７と同様にリード/ウィンドウフレームの界面の断面図であるが、本発明による金属フィラーと、その構成要素と、を示す図である。
【図９】多様な金属フィラーのイオン化ポテンシャルを評価するテスト構成の概略図である。
【図１】
2007528590.tif 000004
【図２】
2007528590.tif 000005
【図３】
2007528590.tif 000006
【図４】
2007528590.tif 000007
【図５】
2007528590.tif 000008
【図６】
2007528590.tif 000009
【図７】
2007528590.tif 000010
【図８Ａ】
2007528590.tif 000011
【図８Ｂ】
2007528590.tif 000012
【図８Ｃ】
2007528590.tif 000013
【図８Ｄ】
2007528590.tif 000014
【図９】
2007528590.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月18日(2007.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの部品を含み、当該少なくとも２つの部品間に電位を印加するように構
成された電子パッケージであって、前記２つの部品間に配され、前記２つの部品を結合す
る合金フィラーを有し、前記合金フィラーは、前記合金フィラー中に原子状態で分散して
いる金，銀および銅の固溶体のみからなることを特徴とする電子パッケージ。
【請求項２】
少なくとも２つの部品を含み、当該少なくとも２つの部品間に電位を印加するように構
成された電子パッケージであって、前記２つの部品間に配され、前記２つの部品を結合す
る合金フィラーを有し、前記合金フィラーは６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕよりなることを特
徴とする電子パッケージ。
【請求項３】
フランジ，ウィンドウフレーム，少なくとも１つのリードおよび合金フィラーを含む半
導体パッケージであって、前記合金フィラーは、前記ウィンドウフレームを前記フランジ
および前記少なくとも１つのリードに結合し、前記合金フィラー中に原子状態で分散して
いる金，銀および銅の固溶体のみからなることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項４】
フランジ，ウィンドウフレーム，少なくとも１つのリードおよび合金フィラーを含む半
導体パッケージであって、前記合金フィラーは、前記ウィンドウフレームを前記フランジ
および前記少なくとも１つのリードに結合し、６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃｕよりなることを
特徴とする半導体パッケージ。
【請求項５】
前記フランジと反対側の前記ウィンドウフレームに結合した複数のリードと、前記ウィ
ンドウフレームにおける開口部内の前記フランジ上に実装されるチップと、前記チップ上
に実装され、前記複数のリードおよび前記ウィンドウフレームに自身の周辺端部に沿って
取り付けられる蓋と、をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体パッケージ
。
【請求項６】
表面を有するヒートシンクであるフランジと、対向する第１の表面と第２の表面との間
に開口部を有するウィンドウフレームと、複数のリードと、を含む半導体パッケージであ
って、前記ウィンドウフレームの第１の表面は、合金フィラーによって前記フランジの表
面に結合しており、前記複数のリードは、前記合金フィラーによって前記ウィンドウフレ
ームの第２の表面に結合しており、少なくとも１つのチップが前記ウィンドウフレームに
おける開口部内の前記フランジ上に実装され、ワイヤが前記複数のリードに接着され、周
辺端部を有する蓋は、前記リードおよび前記フランジと反対側の、前記ウィンドウフレー
ムの第２の表面にエポキシによって結合し、前記合金フィラーは６０Ａｕ２０Ａｇ２０Ｃ
ｕからなることを特徴とする半導体パッケージ。
【国際調査報告】
2007528590.tif 000016