(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント回路ボードにパワー半導体デバイスを実装するために前記デバイスを封入するパッケージであって、前記パッケージが、上側表面と下側表面を有する誘電セラミック板と、当該セラミック板を貫通するグリッドアレイ孔と、ダイパッド、ソースパッド、ゲートパッドを含む前記セラミック板の上側表面にのみ配置した複数の導電性金属コンタクトパッドとを具え、前記パッドは前記パワー半導体デバイスに電気的接続を提供し、前記孔を導電性金属で充填したパッケージにおいて、前記金属を充填した孔が前記導電性金属コンタクトパッドに接続されて、前記パッドから前記セラミック板の下側表面へ導電路を提供し、はんだボールのアレイを具え、各ボールが前記セラミック板の下側表面において導電路に接触して、前記導電性金属コンタクトパッドと前記プリント回路ボード間の接続ターミナルを全て前記誘電セラミック板の下側表面上で提供し、前記セラミック板に周辺において密封可能に接触しているサイドウォールと、前記サイドウォールに密封可能に接続された蓋を具え、前記蓋が前記サイドウォールと前記セラミック板と共に、前記パワー半導体デバイスと導電性金属コンタクトパッドを封入する密封されたキャビティを構成することを特徴とするパッケージ。
【請求項２】
請求項１に記載のパッケージにおいて、前記セラミック板が方形であり、前記セラミック板がアルミナを含むことを特徴とするパッケージ。
【請求項３】
請求項１に記載のパッケージにおいて、前記金属コンタクトパッドが銅を含み、前記孔を充填する金属が銅ペーストを含むことを特徴とするパッケージ。
【請求項４】
請求項３に記載のパッケージにおいて、前記孔の各々を充填している前記金属が、銅のポストを具えることを特徴とするパッケージ。
【請求項５】
請求項１に記載のパッケージにおいて、前記はんだボールが鉛−錫はんだを含み、前記サイドウォールと前記蓋の各々がニッケル−鉄−コバルト合金を含むことを特徴とするパッケージ。
【請求項６】
請求項１に記載のパッケージにおいて、前記セラミック板の下側表面と、前記はんだボールの周囲に下側充填材料を設けたことを特徴とするパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスパッケージに関し、特にボールグリッドアレイを用いたプリント回路ボード上にパワー半導体デバイスを実装したパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワー集積回路には許容損失の要求があるため、パワーエレクトロニクス産業界では現在、集積回路産業基準に適合しないチップパッケージを使用している。プリント回路ボード（ＰＣＢｓ）上の表面実装用のパッケージデザインは、一般的に方形の大きな外付けコンタクトパッドを含んでいる。このパッドは、パッケージ内におけるアルミナの膨張係数（ＣＴＥ）に合うように、通常銅タングステン合金か、あるいは他の似たような導電材料から作られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記パッドに用いられる銅／タングステン合金の膨張係数は、プリント回路ボードの膨張係数に正確には合致していない。従って、パッド／回路ボード間をジョイントするはんだの疲弊がパワースイッチの組立や動作に重要な問題となっており、集積回路産業界でもこの問題を解決する決まった方法を見い出せていない。このことは、他の解決法が見つかっている低パワー集積回路についてはあまり大きな問題ではないが、動作温度がより高く、部品サイズがより大きいパワースイッチにとっては深刻な問題である。
【０００４】
集積回路産業は、より小さなフットプリントを用いることができるＰＧＡ（ピングリッドアレイ）を採用しているが、このピングリッドアレイは、はんだの疲弊問題を直接に解決するものではない。近年では、アレイの膨張係数をプリント回路ボードの膨張係数により近いものにすることによってパッケージとボード材料の間のはんだの疲弊の問題に直接的に取り組むようにしたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を組み込んだ集積回路を採用している。
【０００５】
伝統的に、セラミックパッケージ技術を用いて、セラミックの高い信頼性と熱伝導性、及び多彩な用途に起因する高性能集積回路デバイスをサポートするようにしている。この材料は、シリコンに比較的近い膨張係数（ＣＴＥ）を有する。セラミックの熱伝導特性は、第１レベルの内部被覆には利点があるが、パワーデバイス用のプリント回路ボードへの第２レベルの実装には問題がある。
【０００６】
パワーデバイスでは、デバイスのボトムからトップまで電流が流れる。このため、ダイ取付パッドがパッケージの外側にアクセス可能でなくてはならない。ワイヤボンドが、慣習上、ダイのトップからパッケージの外側にアクセス可能な別のパッドまで電流を流すのに用いられているが、ワイヤボンディングは、両端部においてワイヤとパッド間に抵抗のある接合部を使用する必要がある。抵抗接合部を流れる電流は熱を生じさせる。パワーデバイスにおいては、ワイヤボンド接合部で高くなった抵抗が電流を減らし、それによってパワー出力が制限され、不適切な熱損から生じるオーバーヒートによりデバイスに故障が起きる危険性が高い。
【０００７】
米国特許番号第５，４０６，１２０号の明細書には、セラミック基体にろう付けされた大きな熱損失面を用いた気密封止した半導体セラミックパッケージと、ダイとの電気的接続を図るワイヤボンド方法と、気密封止を介してバイアス接続を図る方法と、封止パッケージにセラミックサイドウォールを使用する旨が開示されている。ジョーンズの特許における電流路は、銅、または銀でメッキされた他の良好な導電材を用いて通電を図るようにしている。この電流路の内側表面は耐火金属でメタライズされている。結果としてできたパッケージは、構成が複雑であり、全体の形状とプリント回路ボードの実装が標準的でなく、パワーデバイスをプリント回路ボードに簡易にかつ信頼性を持って実装するに際して明らかに問題がある。
【０００８】
米国特許番号５，７２６，４９３号の明細書は、半導体デバイス用のボールグリッドアレイ構造を開示している。この明細書では、デバイスは密封用樹脂で密封されており、導電性のピンをこの樹脂に通して電極部材として使用している。
【０００９】
米国特許番号５，８３４，８３９号の明細書は、はんだボールと、半導体ダイとボンドワイヤを被覆し、パッケージ基体の下側表面から突出部を形成するカプセルとを有する半導体パッケージを開示している。
【００１０】
米国特許番号５，９０９，０５８号の明細書は、非パワー集積回路用の、半導体パッケージと、主にターミナルの数を増やしパッケージのサイズを小さくする半導体実装部とを開示している。
【００１１】
集積回路用として利点のあるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）の接続構造を、パワー半導体デバイスのプリント回路ボードへのアタッチメントにまで延ばすことが望まれる。本発明は、この利点を実現するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パワー半導体デバイスをプリント回路ボードへ実装するパッケージに関し、当該パッケージが、上側表面と下側表面を有する誘電セラミック板と、当該板を貫通させたグリッドアレイ孔と、前記セラミック板の前記上側表面に設けた複数の導電性の金属コンタクトパッドであって、前記パワー半導体デバイスへ電気的な接続を図るコンタクトパッドと、前記孔を充填する導電性金属とを具え、前記金属を充填した孔が前記導電性の金属コンタクトパッドに接続されていると共に、前記セラミック板の前記下側表面へ前記パッドから導電路を提供し、はんだボールアレイを具え、各ボールが前記セラミック板の前記下側表面において導電路に接続されており、前記プリント回路ボードへ接続ターミナルを提供し、周囲においてセラミック板に密封可能に接続されたサイドウォールを具え、前記サイドウォールへ密封可能に接続された蓋を具え、当該蓋が前記サイドウォールと前記セラミック板と共に、前記パワー半導体デバイスと導電性金属コンタクトパッドとを封入する密封キャビティを構成することを特徴とする。
【００１３】
好適には、プリント回路ボードにパワー半導体デバイスを実装するパッケージが、上側および下側表面を有する誘電セラミック板と、当該板を貫通するグリッドアレイ孔を具える。パワー半導体デバイスに電気的な接続を提供する複数の導電性金属コンタクトパッドが前記セラミックプレートの上側表面に設けられており、前記孔は導電性の金属で充填されている。孔を充填する金属は導電性の金属コンタクトパッドに接続されており、当該パッドから前記セラミック板の下側表面へ導電路を提供する。
【００１４】
はんだボールアレイは、各ボールが前記セラミック板の下側表面において路に接続されており、プリント回路ボードへの接続ターミナルを提供している。サイドウォールは前記セラミック板に周辺において密封可能に接続されており、蓋がサイドウォールに密封可能に連結されている。この蓋は、サイドウォールとセラミック板と共に、前記パワー半導体デバイスと導電性の金属コンタクトパッドを封入する密封キャビティを構成する。
【００１５】
本発明のパッケージによれば、非パワーデバイスに通常用いられるボールグリッドアレイを用いてパワースイッチを高い信頼性をもってプリント回路ボードに容易に実装することが可能になる。本発明のパッケージは抵抗を小さくし、その結果現在使用されているパワーデバイスパッケージに比してオーバーヒートを生じにくくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
パワーボールグリッドアレイパッケージは、銅の導電路を用いて上側面から下側面へ電流を流している。ボード実装技術は、鉛−錫はんだでできたはんだボールを、下側充填材と結合させて、前記路とボードの間のギャップを埋めている。導電路は銅、アルミニウム、その他の良質な導電材料で作ることができる。銅やアルミニウムは熱を放出し、抵抗が大変小さい良質の導電材料である。導電路をはんだボールグリッドアレイへ接続するために、ダイ装着パッドとワイヤボンドパッドを、直接接着した銅かあるいはろう付けした活性金属としても良い。パワーデバイスパッケージトレースはすべて高導電性の金属でできている。したがって、パッケージ全体の抵抗と全体のフットプリントが標準ＳＭＤパッケージに比して小さくなる。パッケージは、ニッケル５２％、鉄４０％、コバルト８％からなるコバール（商標）、あるいは、同様の物理的、熱的、電気的特性を有する他の材料でできた蓋でシーム密封して、軍事産業用、宇宙産業用、防衛産業用に高い信頼性を要求する政府の要求に合った密封基準を維持している。
【００１７】
図１（ａ）〜（ｄ）は、ペースト状の導電路を有するパッケージサブアッセンブリの製造プロセスを示す図である。図１（ａ）に示すように、アルミナまたは同様の熱膨張特性を有する他の材料でできたセラミック板５が用いられており、サブアッセンブリの内容物を外部から絶縁している。セラミック板５は、予め孔１０がパンチされたものを購入しても良く、あるいはレーザドリルを用いて順次孔を形成するようにしても良い。
【００１８】
次いで図１（ｂ）に示すように、温度状態の変化による物理的なストレスを最小にするべく、銅、あるいはセラミック板５の熱膨張係数にマッチする熱膨張係数を有する銅に類似する金属でできた高導電性のメタルペーストで孔１０を充填することによって、導電路１５を形成する。銅のシールリング２０は、セラミック板５の周辺部に溶接された活性金属であり、図１（ｃ）に示すように、コバールシールリングを後の工程で形成する。ダイとワイヤボンド用のコンタクトパッドを構成する銅のプレート２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、金属導電路１５に溶接された活性金属である。例えば、プレート２５Ａは、ＭＯＳＦＥＴダイ用のコンタクトパッドとして使用でき、プレート２５Ｂはゲートコンタクトパッドとして使用でき、プレート２５Ｃはオン−オフ制御用パッドとして使用できる。
【００１９】
図１（ｄ）に、コバールシールリング３０を示す。このリングはパッケージのサイドウォールを提供するものであり、銅のシールリング２０に、例えば銅−銀（２８−７２）合金で封止されている。この合金を約８００°Ｃでリフローして確実に密封する。サブアッセンブリ全体は、通常、ニッケルと金でメッキされており、外部環境に対する安定を図っている。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明によるパッケージサブアッセンブリを形成方法の他の例を示す。図２（ａ）は、図１（ａ）と同様であり、アルミナまたは他の誘電材料でできたセラミック板５は、予め孔１０がパンチされているものを購入しても良いし、順次ドリルで孔をあけるようにしても良い。図２（ｂ）および２（ｃ）に示すとおり、銅でできた固体の柱（ポスト）を孔１０に挿入することによって導電路１５を形成する。銅でできたプレート２５Ａ〜２５Ｃがセラミック板５の上にポスト５０の端部に接触してセットされている。ポスト５０はプレート２５Ａ〜２５Ｃにろう付けされているか、あるいは直接接着されている。銅のシールリング２０はセラミック板５の周辺にろう付けされた活性金属であり、後のコバールシールリングの処理を容易にする。
【００２１】
図２（ｄ）に示すとおり、コバールシールリング３０を具えるサイドウォールが合金を用いて銅のシールリング２０に溶接されている。
【００２２】
図３に、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す工程、あるいは図２（ａ）〜図２（ｄ）に示す工程によって製造したサブアッセンブリの実装ボードを示す。はんだボール３５が導電路１５に接着して、プリント回路ボード４５とパッケージ１００の接触を図っている。実装パッケージを物理的に補強して安定にするために、下側充填材料４０がボード表面４５とセラミック板５との間のはんだボール３５の周辺のギャップに設けられている。コンタクトパッド２５Ａ〜２５Ｃへ半導体パワーデバイス（図示せず）を接続させるのに続いて、好ましくはコバール合金でできた蓋５５をシーム密封する。パッケージは、ＪＡＮＳ、ＪＡＮＴＸ、ＪＡＮＴＸＶの要求に合致するように１×１０−８ｔｏｒｒに密封して、軍事用、宇宙用、防衛用のアプリケーション用の高い信頼性を確実なものにしなくてはならない。
【００２３】
以下の計算式は、標準ＳＭＤ２パッケージ用の抵抗と本発明の図に示したパッケージの抵抗を比較するものである。
【００２４】
ＳＭＤ２
ＳＭＤ２  ＲＤＳ抵抗は、パッケージのソースとドレイン間の抵抗を計算したものである。この比較の目的のために、二本の直径０．０１５インチのアルミニウムワイヤを用いてダイのトップとソースパッドを接続した。ダイは、高温はんだ合金を用いて実装されている。電気固有抵抗の単位はΩ・インチとする。
【数１】
0004886104.tif 000002
【００２５】
ボンドワイヤ抵抗の計算（単位ｃｍ）
【数２】
0004886104.tif 000003
【００２６】
１５／８５  銅／タングステン  パッドの抵抗の計算
【数３】
0004886104.tif 000004
【００２７】
１５／８５  銅／タングステン  ソースパッドの抵抗の計算
【数４】
0004886104.tif 000005
【００２８】
ＳＭＤ２パッケージ全体の抵抗の計算
【数５】
0004886104.tif 000006
【００２９】
パワーボールグリッドアレイ
本発明のパワーボールグリッドアレイは、より大きいソースパッドを用いることにおいて、標準ＳＭＤ２パッケージを越える利点がある。これによって、より多くのワイヤを所定の領域に取り付けることができる。この構成では４本の直径０．２０インチのワイヤを用いており、パッケージはＲＤＳ（オン）を減少するように構成されている。
【００３０】
パッケージの大きさは０．５８平方インチとする。このパッケージサイズは、サイズ６のＭＯＳＦＥＴを処理することができる。パッドの大きさは大きなパッドについては０．３００×０．４８０、ソースパッドについては０．１００×０．３００である。ゲートパッドはこの計算では用いられない。銅のパッドの厚さは０．０１０インチであり、導電路は直径０．０１３インチである。セラミックは厚さ０．０２０のものを使用した。各パッドの導電路の数は、ダイ実装パッドについては４５本、ソース実装パッドについては１２本である。
【００３１】
導電路１本の抵抗の計算
【数６】
0004886104.tif 000007
【００３２】
全ての実装導電路の並列抵抗の計算
【数７】
0004886104.tif 000008
【００３３】
ダイ実装領域及びソースの抵抗の計算
【数８】
0004886104.tif 000009
【００３４】
全ワイヤ抵抗の計算
【数９】
0004886104.tif 000010
【００３５】
全ボールグリッドアレイの抵抗の計算
【数１０】
0004886104.tif 000011
【００３６】
本発明のパワーボールグリッドアレイについて計算したこの抵抗値は、ＳＭＤ２について計算した抵抗値の約１／４であり、ほぼ１ミリオーム減少している。
【００３７】
プリント回路ボードにパワー半導体デバイスを実装するパッケージが、上側表面および下側表面を具えるセラミック板と、この板を貫通するグリッドアレイ孔を具える。パワー半導体デバイスに電気的接続を提供する複数の導電性メタルコンタクトパッドが、セラミック板の上側表面に設けられており、導電性の金属で孔を充填している。金属を充填した孔は、導電金属コンタクトパッドに接続されて、パッドからセラミック板の下側表面まで導電路を提供する。はんだボールのアレイは、各ボールがセラミック板の下側表面において導電路に接触しており、プリント回路ボードへの接続ターミナルを提供する。サイドウォールはセラミック板に周辺部分で密封可能に接続されており、このサイドウォールに蓋が密封可能に接続されている。この蓋は、サイドウォールとセラミック板と共に、パワー半導体デバイスと導電金属コンタクトパッドを封入する密封されたキャビティを構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、セラミック板を介したペースト状の導電路を有するパッケージサブアッセンブリの製造プロセスを示す図である。
【図２】  図２は、セラミック板を介した導電路における導電ポストを用いたパッケージサブアセンブリの製造プロセスを示す図である。
【図３】  図３は、一のボールグリッドアレイ孔を有するプリント回路ボードに接続された本発明のパッケージを示す断面図である。
【符号の説明】
５      セラミック板
１０    孔
１５    導電路
２５Ａ〜２５Ｃ    コンタクトパッド
２０    銅のシールリング
３０    コバールシールリング
３５    はんだボール
４０    下側充填材料
４５    プリント回路ボード
５０    ポスト
５５    蓋
１００    パッケージ
【図１】
0004886104.tif 000012
【図２】
0004886104.tif 000013
【図３】
0004886104.tif 000014