(57)【要約】【課題】パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール及びその調製方法を提供する。【解決手段】パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール及びその調製方法において、セラミックモジュールはセラミック基板１０及び一体式金属ダム層２０を有する。セラミック基板１０の上表面に一体式金属ダム２０を設置することで、チップ接着エリア４０を取り囲む凹型チャンバー２１を構成し、半導体チップの気密性パッケージを実現する。セラミック基板１０の下表面に散熱層３３を設置することで、半導体チップが発する熱を迅速に外部へと伝導する。本製品は生産技術が簡単で、製品の一致性が高い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールであって、
セラミック基板及び一体式金属ダム層を有し、
前記セラミック基板の下表面には、導電回路パターン層、絶縁層及び散熱層を設置し、
前記絶縁層は、前記導電回路パターン層を完全に覆い、
前記散熱層は、前記導電回路パターン層の無い領域に位置し、
前記導電回路パターン層と前記散熱層とは間を隔てて配置されており、
前記散熱層の厚みは、前記導電回路パターン層及び前記絶縁層の厚みの合計よりも薄くなく、
前記セラミック基板の上表面には、正極用接合パッド、負極用接合パッド及び多数のチップ接着エリアを設置し、
前記各チップ接着エリアはすべて、連接層及びチップ接着層を有し、
前記連接層と前記チップ接着層は、相互に間隔をあけて配置されており、
前記セラミック基板には垂直導通孔を設置し、
前記垂直導通孔は、前記チップ接着エリアと前記導電回路パターン層の間、前記導電回路パターン層と前記正極用接合パッドの間、及び、前記導電回路パターン層と前記負極用接合パッドの間を電気的に接続し、
前記一体式金属ダム層は、前記セラミック基板の上表面上に設置され、
前記一体式金属ダム層は、１個或いは多数の前記チップ接着エリアの周囲を取り囲み、
前記一体式金属ダム層と前記チップ接着エリアとは間隔をあけて分離されており、
前記一体式金属ダム層の厚みは、前記チップ接着エリアの厚みよりも厚い
ことを特徴とする、パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール。
【請求項２】
前記セラミック基板は、酸化アルミニウムセラミック、窒化アルミニウムセラミック、窒化シリコンセラミック或いは炭化シリコンセラミックである
ことを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール。
【請求項３】
前記導電回路パターン層と散熱層は共に電気メッキ銅材質であり、
散熱層の厚みは、前記導電回路パターン層の厚みよりも厚い
ことを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール。
【請求項４】
前記一体式金属ダム層は、電気メッキ銅材質である
ことを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール。
【請求項５】
前記正極用接合パッド及び前記負極用接合パッドは、前記セラミック基板の上表面周辺に位置し、且つ、前記一体式金属ダム層とは間隔をあけて配置されている
ことを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール。
【請求項６】
前記垂直導通孔は、外部金属充填或いは電気メッキ銅充填を用いて形成されている
ことを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール。
【請求項７】
請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法であって、
以下のステップ
（１）セラミック基板を準備し、前記セラミック基板に貫通孔を開ける
（２）前記セラミック基板の上下表面に対して、金属化を行う
（３）上下表面が金属化された前記セラミック基板に対して、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、正極用接合パッド、負極用接合パッド、連接層、チップ接着層、一体式金属ダム底層、導電回路パターン層、散熱底層、垂直導通孔を形成する
（４）前記セラミック基板の上下表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、前記一体式金属ダム底層及び前記散熱底層のそれぞれの厚みを増やし、一体式金属ダム層及び散熱層を得る
（５）前記セラミック基板に対して、離型及びエッチングを行う
（６）前記セラミック基板の下表面に絶縁材質を塗り、絶縁層を形成する
を含む
ことを特徴とする、パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法。
【請求項８】
さらに以下のステップ
（７）前記正極用接合パッド、前記負極用接合パッド、前記連接層、前記チップ接着層、前記一体式金属ダム層及び前記散熱層の表面上に、金メッキ又は銀メッキを行う
を含む
ことを特徴とする、請求項７に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法。
【請求項９】
請求項１に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法であって、
以下のステップ
（１）セラミック基板を準備し、前記セラミック基板に貫通孔を開ける
（２）前記セラミック基板の上下表面に対して、金属化を行う
（３）上下表面が金属化されたセラミック基板に対して、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、正極用接合パッド、負極用接合パッド、連接層、チップ接着層、一体式金属ダム底層、導電回路パターン層、散熱底層、垂直導通孔を形成する
（４）前記セラミック基板の上下表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、前記一体式金属ダム底層及び前記散熱底層のそれぞれの厚みを電気メッキにより増やし、一体式金属ダム層及び散熱層を得る
（５）前記セラミック基板の上表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、前記一体式金属ダム層の一部の厚みを電気メッキにより増やし、位置限定用階段面及び階段層を得る
（６）前記セラミック基板に対して、離型及びエッチングを行う
（７）前記セラミック基板の下表面に絶縁材質を塗り、絶縁層を形成する
を含む
ことを特徴とする、パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法。
【請求項１０】
さらに以下のステップ
（８）前記正極用接合パッド、前記負極用接合パッド、前記連接層、前記チップ接着層、前記一体式金属ダム層及び前記散熱層の表面上に、金メッキ又は銀メッキを行う
を含む
ことを特徴とする、請求項９に記載のパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体パッケージ技術に関し、特に、パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール及びその調製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路、電力電子の応用において、オプトエレクトロニクス転換、パワー変換に用いられる半導体パワー部材は、大パワー発光ダイオード、レーザー、モーター制御、風力発電、ＵＰＳ等各種領域に幅広く応用されている。近年、電力電子系統の空間と重量に対する要求に対応するため、パワー半導体モジュールの小型化はすでに発展のトレンドとなっている。
【０００３】
パワー半導体モジュールのパッケージ過程においては、単一チップのパワーが小さく、集積度が低く、機能が十分に完全でないという問題を解決するため、高集積度、高性能、高信頼性を有する多数のチップを、シリアル／パラレル方式によって、モジュール内にパッケージしてマルチチップのＣＯＢ（チップオンボード）を実現する必要がある。
【０００４】
マルチチップＣＯＢは、モジュールを流れる電流密度を増加させるので、チップのパワー消耗も増加するため、モジュールの熱伝導性能を高める必要がある。また、作動電圧が高まるに従い、モジュールの絶縁性能も高める必要があるため、低電気抵抗率のレイアウト導体材料、低誘電率、高熱伝導率の絶縁材料をパッケージキャリアとして選択する必要があるが、セラミックモジュールはちょうどこの技術発展のニーズに適合している。
【０００５】
パワー半導体パッケージ中において、セラミックモジュール（或いはセラミックベース）は、半導体チップ及びその他のマイクロ電子部材の重要な搭載基板である。また、セラミックモジュールは主に、チャンバー、機械サポート保護、電気的相互接続（絶縁）、熱伝導／熱放散、補助出光等の機能を担う。現段階で、パワー半導体パッケージに応用されるセラミックモジュールには、ＨＴＣＣ／ＬＴＣＣ及びＤＢＣセラミック基板等がある。
【０００６】
ＨＴＣＣは、高温焼成セラミック多層基板とも呼ばれ、ＬＴＣＣは、低温焼成セラミック多層基板とも呼ばれる。これらの技術では、厚膜印刷技術を用いて回路パターン製作を行うため、回路パターン表面は比較的ラフ（Ｒａは約１〜３μｍ）で、位置合わせが不正確である。しかも、多層セラミックのスタッキング、高温焼成等の技術に起因して、セラミックモジュールのサイズは不正確で、跳ね上がりが高い。また、これらの技術で用いられるセラミック材料は、配合が複雑で熱伝導率が低く、しかも専用の成型モールドが必要で、製造サイクルは長く、コストも高い。
【０００７】
一方、ＤＢＣセラミック基板は、直接接合セラミック基板とも呼ばれる。この技術は、高温接合の方式を用いて銅箔をセラミック上下表面に焼成し、回路パターン設計に基づき、エッチング方式で回路パターンを調製するものである。この技術では、ＤＢＣセラミック基板はその表面において凹型密封チャンバーを構成することができないため、真空気密パッケージを実現できず、しかも、垂直導通孔を調製して上下回路パターンの相互接続を実現することもできない。よって、マルチチップのシリアル／パラレルレイアウトは比較的困難である。
【０００８】
前述の問題は、これらのセラミック基板のパワー半導体パッケージ中における応用を深刻に制約している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の先行技術には、パワー半導体パッケージ中におけるセラミック基板の応用を深刻に制約するという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、サイズが不正確で、跳ね上がりが高く、放熱が悪く、凹型密封チャンバーが無く、且つマルチチップ集積に不便であるという従来のセラミック基板の問題を効果的に解決できるパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュール及びその調製方法に関する。
【００１１】
本発明によるパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールは、セラミック基板及び一体式金属ダム層を有する。セラミック基板の下表面には、導電回路パターン層、絶縁層及び散熱層を設置し、絶縁層は、導電回路パターン層を完全に覆い、散熱層は、導電回路パターン層の無い領域上に位置し、導電回路パターン層と間を隔てて配置される。散熱層の厚みは、導電回路パターン層及び絶縁層の厚みの合計よりも薄くない。セラミック基板の上表面には、正極用接合パッド、負極用接合パッド及び多数のチップ接着エリアを設置する。各チップ接着エリアはすべて、連接層及びチップ接着層を有する。連接層とチップ接着層は、相互に間隔をあけて配置される。しかもセラミック基板には垂直導通孔を設置し、垂直導通孔は、チップ接着エリアと導電回路パターン層の間、及び、導電回路パターン層と正極用接合パッド、負極用接合パッドの間を電気的に接続する。一体式金属ダム層は、セラミック基板の上表面上に設置され、一体式金属ダム層は、１個或いは多数のチップ接着エリアの周囲を取り囲み、チップ接着エリアとの間には間隔が設けられている。一体式金属ダム層の厚みは、チップ接着エリアの厚みよりも厚い。
【００１２】
本発明によるパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法は、以下のステップを含む。
（１）セラミック基板を準備し、セラミック基板に貫通孔を開ける。
（２）セラミック基板の上下表面に対して、金属化を行う。
（３）上下表面が金属化されたセラミック基板に対して、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、正極用接合パッド、負極用接合パッド、連接層、チップ接着層、一体式金属ダム底層、導電回路パターン層、散熱底層、垂直導通孔を形成する。
（４）セラミック基板の上下表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、一体式金属ダム底層及び散熱底層のそれぞれの厚みを電気メッキにより増やし、一体式金属ダム層及び散熱層を得る。
（５）セラミックモジュールに対して離型、エッチングを行う。
（６）セラミック基板の下表面に絶縁材質を塗り、絶縁層を形成する。
【００１３】
本発明によるパワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの他の調製方法は、以下のステップを含む。
（１）セラミック基板を準備し、セラミック基板に貫通孔を開ける。
（２）セラミック基板の上下表面に対して、金属化を行う。
（３）上下表面が金属化されたセラミック基板に対して、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、正極用接合パッド、負極用接合パッド、連接層、チップ接着層、一体式金属ダム底層、導電回路パターン層、散熱底層、垂直導通孔を形成する。
（４）セラミック基板の上下表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、一体式金属ダム底層及び散熱底層のそれぞれの厚みを電気メッキにより増やし、一体式金属ダム層及び散熱層を得る。
（５）セラミック基板の上表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、一体式金属ダム層の一部の厚みを電気メッキにより増やし、位置限定用階段面及び階段層を得る。
（６）セラミックモジュールに対して離型、エッチングを行う。
（７）セラミック基板の下表面に絶縁材質を塗り、絶縁層を形成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、従来の技術に比べ、顕著な長所と効果を備える。具体的には、以下の通りである。セラミック基板の上表面に一体式金属ダムを設置することで、チップ接着エリアを取り囲んで凹型チャンバーを構成し、半導体チップの気密性パッケージを実現することができる。また、セラミック基板の下表面に散熱層を設置することで、半導体チップが発する熱を迅速に外部へと伝導でき、散熱性能を高めることができる。導電回路パターン層及び垂直導通孔を設置することで、セラミック基板の下表面にマルチチップのシリアル／パラレル連接を実現する。本発明は、パワー半導体のマルチチップＣＯＢを実現でき、熱電分離が良好で、気密性が高く、熱抵抗が低く、構造が緊密である等の長所を備え、しかも生産技術は簡単で、製品の一致性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の立体模式図である。
【図２】本発明の実施形態の仰視図である。
【図３】本発明の実施形態の局部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（一実施形態）
図１〜図３に示す通り、本発明の実施形態の具体的構造は、セラミック基板１０及び一体式金属ダム層２０を有する。
【００１７】
セラミック基板１０の下表面には、導電回路パターン層３１、絶縁層３２、散熱層３３を設置する。絶縁層３２は、導電回路パターン層３１を完全に覆う。散熱層３３は、導電回路パターン層３１の無いエリアに位置し、導電回路パターン層３１と間を隔てて配置されている。散熱層３３の厚みは、導電回路パターン層３１及び絶縁層３２の厚みの合計よりも薄くない。本実施形態中において、導電回路パターン層３１と散熱層３３は共に電気メッキ銅材質である。散熱層３３の厚みは、導電回路パターン層３１の厚みよりも厚い。絶縁層３２は、白色或いは緑色のインク材質で、絶縁層３２の厚みは、散熱層３３の厚みよりも薄い。
【００１８】
セラミック基板１０の上表面には、正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５及び多数のチップ接着エリア４０を設置する。各チップ接着エリア４０はすべて、連接層４１及びチップ接着層４２を有する。連接層４１とチップ接着層４２とは、相互に間隔をあけて配置されている。本実施形態中において、正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５は、セラミック基板１０の上表面周辺に位置し、しかも一体式金属ダム層２０とは間隔をあけて配置されている。多数のチップ接着エリア４０は、アレー式配列を有する。
【００１９】
しかも、セラミック基板１０には垂直導通孔３６を設置し、垂直導通孔３６は、チップ接着エリア４０と導電回路パターン層３１の間、及び、導電回路パターン層３１と正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５の間を電気的に接続する。即ち、連接層４１とチップ接着層４２は、対応する垂直導通孔３６を通して、導電回路パターン層３１とそれぞれ導通接続する。また、正極用接合パッド３４と負極用接合パッド３５は、対応する垂直導通孔３６を通して、導電回路パターン層３１とそれぞれ導通接続する。こうして、シリアル／パラレル回路パターン構造を形成する。本実施形態中において、垂直導通孔３６は、外部金属充填或いは電気メッキ銅充填を用いて形成される。しかも、セラミック基板１０は、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）セラミック、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミック、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）セラミック或いは炭化シリコン（ＳｉＣ）セラミックである。酸化アルミニウムセラミックは、価格が安く、窒化アルミニウムセラミックは、散熱効果が良好で、窒化シリコンセラミックは、強度が高く、炭化シリコンセラミックは、価格が適当で散熱効果が良好であるが、これらに限定されない。
【００２０】
一体式金属ダム層２０は、セラミック基板１０の上表面上に設置され、一体式金属ダム層２０は、１個或いは多数のチップ接着エリア４０の周囲を取り囲み、一体式金属ダム層２０とチップ接着エリア４０との間には間隔が設けられ分離されている。一体式金属ダム層２０の厚みは、チップ接着エリア４０の厚みよりも厚い。本実施形態中において、一体式金属ダム層２０は、電気メッキ銅材質である。一体式金属ダム層２０は、多数の凹型チャンバー２１を有する。多数の凹型チャンバー２１もまた、アレー式配列を有する。多数のチップ接着エリア４０は、対応する凹型チャンバー２１中に位置する。しかも、凹型チャンバー２１の周縁には、窪んだ階段面２０２が形成されている。
【００２１】
本発明はさらに、パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの調製方法を開示し、それは以下のステップを含む。
（１）セラミック基板１０を準備し、セラミック基板１０上に貫通孔を開ける。
（２）セラミック基板１０の上下表面に対して、金属化を行う。
（３）上下表面が金属化されたセラミック基板１０に対して、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５、連接層４１、チップ接着層４２、一体式金属ダム底層２０１、導電回路パターン層３１、散熱底層３０１、垂直導通孔３６を形成する。
（４）セラミック基板１０の上下表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、一体式金属ダム底層２０１及び散熱底層３０１の厚みをそれぞれ電気メッキにより増やし、一体式金属ダム層２０及び散熱層３３を得る。
（５）セラミックモジュールに対して離型、エッチングを行う。
（６）セラミック基板１０の下表面に絶縁材質を塗り、絶縁層３２を形成する。
【００２２】
さらに、以下のステップ（７）を含んでいてもよい。
（７）セラミックモジュールの各金属層の表面上に金メッキ又は銀メッキ（図示なし）を行う。即ち、正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５、連接層４１、チップ接着層４２、一体式金属ダム層２０、散熱層３３の表面に対して金メッキ又は銀メッキを行う。
【００２３】
本発明はさらに、パワー半導体ＣＯＢ用セラミックモジュールの他の調製方法を開示し、それは以下のステップを含む。
（１）セラミック基板１０を準備し、セラミック基板１０上に貫通孔を開ける。
（２）セラミック基板１０の上下表面に対して、金属化を行う。
（３）上下表面が金属化されたセラミック基板１０に対して、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、これにより、正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５、連接層４１、チップ接着層４２、一体式金属ダム底層２０１、導電回路パターン層３１、散熱底層３０１、垂直導通孔３６を形成する。
（４）セラミック基板１０の上下表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、一体式金属ダム底層２０１及び散熱底層３０１のそれぞれの厚みを増やし、一体式金属ダム層２０及び散熱層３３を得る。
（５）セラミック基板１０の上表面に、再度、ドライフィルム接着、露光、リソグラフィー、電気メッキを行い、一体式金属ダム層２０の一部分の厚みを電気メッキにより増やし、位置限定用階段面２０２及び階段層２０３を得る。
（６）セラミックモジュールに対して離型、エッチングを行う。
（７）セラミック基板１０の下表面に絶縁材質を塗り、絶縁層３２を形成する。
【００２４】
さらに、以下のステップ（８）を含んでいてもよい。
（８）セラミックモジュールの各金属層の表面上に金メッキ又は銀メッキ（図示なし）を行う。即ち、正極用接合パッド３４、負極用接合パッド３５、連接層４１、チップ接着層４２、一体式金属ダム層２０、散熱層３３の表面に対して金メッキ又は銀メッキを行う。
【００２５】
前述した本発明の実施形態は本発明を限定するものではなく、よって、本発明により保護される範囲は後述される特許請求の範囲を基準とする。
【符号の説明】
【００２６】
１０  セラミック基板
２０  一体式金属ダム層
２１  凹型チャンバー
２０１  一体式金属ダム底層
２０２  階段面
２０３  階段層
３１  導電回路パターン層
３２  絶縁層
３３  散熱層
３４  正極用接合パッド
３５  負極用接合パッド
３６  垂直導通孔
３０１  散熱底層
４０  チップ接着エリア
４１  連接層
４２  チップ接着層
【図１】
2019021921.tif 000003
【図２】
2019021921.tif 000004
【図３】
2019021921.tif 000005