ダウンホールツール

专利摘要:
ダイと、ダイの表面に取り付けられた結合用パッドと、結合用パッドに取り付けられた結合用ワイヤーと、結合用ワイヤーを結合用パッドへ接続するための、結合用パッドに形成されたボールと、ダイを封入する封入用樹脂とを含み、封入用樹脂はキャビティを備え、ボールおよび結合用パッドの接続部分がキャビティ内で樹脂から露出され、キャビティを覆うふたが封入用の上に形成される、半導体デバイスである。
公开号:JP2011508412A
申请号:JP2010538932
申请日:2008-11-25
公开日:2011-03-10
发明作者:朗 大塚；昌八 宮前；仁朗 武田
申请人:シュルンベルジェ ホールディングス リミテッドＳｃｈｌｎｍｂｅｒｇｅｒ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ；
IPC主号:H01L23-08

专利说明:

[0001] 本発明は、半導体デバイス、半導体デバイスの製造、及びダウンホールツール用のシステムに関する。]
背景技術

[0002] 近年、半導体デバイスの多くは、プラスチック封入パッケージ法（以下では、単にＰＥＭと称する）で包装されている。]
[0003] 米国特許第６，４２９，０２８号明細書は、プラスチックパッケージから半導体ダイを取り外し、次いで、高信頼性密封パッケージ内にダイを再び組み立てる方法を開示している。この方法は、既に存在するダイを特殊な分解及びエッチング処理を用いて取り外し、ダイを再び取り付け、及び、ダイワイヤーを「ボンド—オン—トップ—オブ—ボンド」技術で密封パッケージか異なるタイプのパッケージかのいずれかに再結合させることによって、取り外したダイをもっと信頼性を高めるために用いられる。この構造により、エンドユーザーが既に封入された時代遅れのダイおよび異なるタイプのパッケージに新たな技術を使用することができるといえる。]
[0004] しかしながら、ＰＥＭには、半導体デバイスは、ほぼ１５０℃以上の高温で深刻な問題点があることがわかる。加えて、ダイを再び取付け及び全ての新しいダイワイヤーを再び結合させるのに適切な条件を設定することは困難である。例えば、原プラスチックパッケージのダイワイヤーが取り外されるときに、取り外したダイの結合用パッドに新しいダイワイヤーを取り付ける必要がある。しかしながら、一度、結合用パッドの面からダイワイヤーが取り外されると、結合用パッドの表面は平坦ではない。かくして、結合用パッドの面を平坦にする余分の処理などが必要であるかもしれない。]
[0005] 本発明は、上述の状況を考慮して、単純な方法で、商業用在庫品の半導体デバイスの高温操作限度を延ばす目的をもってなされた。]
[0006] 本発明によれば、半導体デバイスであって、ダイと、ダイの表面に取り付けられた結合用パッドと、結合用パッドに取り付けられた結合用ワイヤーと、結合用ワイヤーを結合用パッドへ接続するための、結合用パッドに形成されたボールと、ダイを封入する封入用樹脂とを含み、封入用樹脂はキャビティを備え、ボールおよび結合用パッドの接続部分がキャビティ内で樹脂から露出され、キャビティを覆うふたが封入用の上に形成される、半導体デバイスを提供する。]
[0007] 本発明によれば、半導体デバイスの製造方法であって、ダイと、ダイの表面に取り付けられた結合用パッドと、結合用パッドに取り付けられた結合用ワイヤーと、結合用ワイヤーを結合用パッドに取り付けるための、結合用パッドに形成されたボールと、ダイを封入して埋設する封入樹脂と、を含む半導体デバイスの上面側にキャビティを形成するステップと、キャビティを覆うふたを封入用樹脂の上に取り付けるステップを含む方法を提供する。]
[0008] 本発明によれば、ダウンホールツールのためのシステムであって、ツール本体と、ツール本体内に収容され、半導体デバイスを有する回路基板を含む電気モジュールと、を含み、ダイと、ダイ表面に取り付けられた結合用パッドと、結合用パッドに取り付けられる結合用ワイヤーと、結合用ワイヤーを結合用パッドに接続するための、結合用パッドに取り付けられたボールと、ダイを封入する封入用樹脂と、を含み、該封入用樹脂はキャビティを備え、ボールおよび結合用パッドの接続部分がキャビティ内で樹脂から露出され、キャビティを覆うふたが封入用樹脂の上に形成される、ダウンホールツールのためのシステムを提供する。]
[0009] 上記及び他の本発明の目的、利点、及び特徴は、添付の図面に関連してなされる以下の記載からより明らかになるだろう。]
図面の簡単な説明

[0010] 原半導体パッケージの一例の断面図である。
本発明による半導体デバイスの製造方法のフローチャートである。
本実施形態の半導体デバイスの断面図である。
本実施形態の半導体デバイスの断面図である。
図３に示す半導体デバイスの平面図である。
本発明の例示的な操作状況を概略的に表す断面図である。
本発明による地層流体のダウンホール分析のためのシステムの実施形態の概略図である。
地層流体のダウンホール分析のための圧力及び体積制御ユニットを有する流体分析モジュールを伴う本発明によるツールストリングの一つの好適な実施形態を概略的に示す。] 図３
実施例

[0011] 今、本発明を、例示的な実施形態を参照してここに記載する。当業者は、本発明の教示を用いて、たくさんの他の実施形態を成し遂げることができること、および、発明は例示目的で示した実施形態に限定されないことを認識するであろう。
図面の説明では、同じ構成要素には、同じ参照番号が付与され、繰り返しの説明を省略していることに気付くべきである。]
[0012] 図１は、ＰＥＭでパッケージされた半導体デバイスの一例の断面図である。半導体デバイス２００は、商用在庫品の半導体デバイスであるのがよい。
半導体デバイス２００は、ダイパッド２０２と、ダイ２０４と、複数の結合用パッド２０６と、複数のボール２０８と、複数の結合用ワイヤー２１０と、複数のリード２１２と、封入用樹脂２１４とを備える。各結合用パッド２０６は、ダイ２０４の上面に取り付けられている。各結合用パッド２０６及びリード２１２は、各結合用ワイヤー２１０及びボール２０８を介して夫々接続されている。封入用樹脂２１４は、ダイパッド２０２、ダイ２０４、結合用パッド２０６、ボール２０８、及び、各結合用ワイヤー２１０及びリード２１２の各々の一部を封入し、且つこれらを埋設する。封入用樹脂２１４は、エポキシ樹脂および難燃剤として機能する臭素等のような化学物質を含むプラスチックからなるのがよい。ボール２０８は、金で形成されるとよい。結合用パッド２０６はアルミニウムで形成されるのがよい。] 図１
[0013] 高温におけるＰＥＭデバイスを伴う半導体デバイスの障害の主な理由は、各ダイパッド２０６及びボール２０８の、点線円で示す接続部分２２０のまわりに封入用樹脂２１４を構成するプラスチックが存在することによる機械的な応力、及び、封入用樹脂２１４を構成するプラスチックに難燃剤として含まれる化学材料による金属間反応の加速である。結合用パッド２０６とボール２０８の間の電気接触は、アルミニウム結合用パッド２０６及び金ボール２０８の界面で起こる化学反応に因り空隙が或る水準以上に成長した後、機械的応力によって容易に失われることがある。]
[0014] かくして、本願発明者らは、原半導体デバイスの上記の問題を解決する、新たな半導体デバイスを形成するアイデアを発見した。その方法を以下詳述する。
図２は、本発明による半導体デバイスを製造する方法のフローチャートを示す。
まず、商業的規格品の原半導体デバイスを獲得する（Ｓ１０）。本実施形態では、商業的規格品の原半導体デバイスは、図１に示す半導体デバイス２００であるのがよい。] 図１ 図２
[0015] 次いで、原半導体デバイス２００の構造を検査して、封入用樹脂２１４にキャビティを形成する領域を決定する（Ｓ２０）。結合用パッド２０６及びボール２０８の接続部分２２０のまわりのプラスチックを除去する必要があり（図１参照）、同時に封入用樹脂の或る側領域を残す必要がある。なぜなら、この領域が新たに形成される半導体デバイスのパッケージの側壁を形成するからである。Ｘ線透過像を用いて、ダイ２０４の寸法、結合用パッド２０６の位置等のような原半導体デバイスの構造を検査するのがよい。次いで、キャビティを形成する領域を構造に基づいて決定する。このステップでは、封入用樹脂２１４にキャビティを形成するための深さを構造に基づいて決定するのがよい。] 図１
[0016] 続いて、ボール２０８及び結合用パッド２０６の接続部分２２０を露出させるように（図１も参照）、封入用樹脂２１４の一部を除去することにより、半導体デバイス２００の上面側２１４ａから封入用樹脂２１４にキャビティを形成する。] 図１
[0017] その後、封入用樹脂２１４にふたを取り付けて、キャビティをおおう（Ｓ４０）。ステップＳ３０で封入用樹脂２１４の側壁に十分な領域を残すことによって、ふたを高温でも、封入用樹脂２１４にしっかりと固定することができる。これらのステップにより、本実施形態の半導体デバイスが得られる。]
[0018] 図３乃至５を参照して、プロセスをさらに詳細に説明する。図３及び４は、本実施形態の半導体デバイスの断面図である。
図３に示すように、封入用樹脂２１４の一部を除去して、封入用樹脂２１４に半導体デバイス２００の上面側２１４ａからキャビティ１０２を形成する。図５は、図３に示す本実施形態の半導体デバイス１００を示す平面図である。] 図３ 図５
[0019] 封入用樹脂２１４を、上面側２１４ａから部分開封法によって除去する。本実施形態の部分開封法は、米国特許第６，４２９，０２８号に開示された方法の一部と類似している。米国特許第６，４２９，０２８号では、ダイが原パッケージから完全に取り出されるが、本実施形態によれば、原半導体デバイス２００のダイ２０４は、そのまま、封入用樹脂２１４内に残される。封入用樹脂２１４は、封入用樹脂２１４を選択的に除去することのできるエッチング溶液を用いて局部エッチングを受ける。局部エッチングにより、封入用樹脂２１４の一部が除去されて、キャビティ１０２を形成する。このとき、側壁及び底部を形成する封入用樹脂２１４の残部は残される。ガラス製スポイト又はピペットが、目標領域に方向ジェット流を生じさせるために用いられるとよい。目標領域は、図２にステップＳ２０として記載されているように、原半導体デバイス２００の構造に基づいて決定される。エッチングは、ダイ２０４の表面、及び、ボール２０８及び結合用パッド２０６の接続部分２２０が露出されるまで行われる。本実施形態では、ダイパッド２０２が、封入用樹脂２１４内に残されるのがよい。この構造により、ダイ２０４をダイパッド２０２及び封入用樹脂２１４で固定することができる。] 図２
[0020] エッチング溶液は、９０％赤色発煙酸か９０％黄色発煙硝酸の何れかの加熱（９０℃）ジェット流であるのがよい。封入用樹脂２１４を構成する或る種類のプラスチックについては、２０％硫酸を硝酸に加えるのがよい。エッチング溶液の混合割合は、プラスチックのタイプや、封入用樹脂の厚さにより適切に決定されるとよい。
エッチング時間を減らすため、局部エッチングの前に、まず、上面側の研削／平削り作業を行って、ダイ領域の直上の封入用樹脂２１４を薄くするとよい。]
[0021] 局部エッチングが完了した後、キャビティ１０２の内側を、例えば、アセトンを用いてすすぎ洗いする。次いで、封入用樹脂２１４の残余を除去するため、キャビティ１０２の内側を、Ｎ−メチル−２−ピロリドンでさらにすすぎ洗いする。続いて、半導体デバイス１００をアセトンで再びすすぎ洗いするとよい。]
[0022] 加えて、例えば、封入用樹脂２１４が、９０％赤色発煙酸か９０％黄色発煙硝酸の何れかの加熱ジェット流（９０℃）によりエッチングされる時に、同じ酸の常温（２５℃）ジェット流によるすすぎ洗いを局部エッチングの後及びアセトンによるすすぎ洗いの前に行うのがよい。]
[0023] 次いで、半導体デバイス１００を乾燥する。続いて、ふた１０６を封入用樹脂２１４の上面２０４ａに密封用の接着剤１０４で取り付けて、図４に示すように、キャビティ１０２を覆う。ふた１０６は、セラミック部材、金属部材、ガラス材料またはこれらに類似のもので形成されるのがよい。接着剤１０４は、エポキシ接着剤のような熱硬化性樹脂からなるのがよい。接着剤１０４としてエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂を使用することにより、ふた１０６を高温、例えば、１００時間、２１０℃で、封入用樹脂２１４に固定することができる。キャビティ１０２をふた１０６および接着剤１０４で密封する前に、キャビティ１０２内に乾燥不活性ガスを満たすとよい。] 図４
[0024] 本実施形態によれば、半導体デバイス１００の封入用樹脂２１４の底部は、原半導体デバイス２００の底部と同じである。さらに、半導体デバイス１００のダイパッド２０２、ダイ２０４、結合用パッド２０６、ボール２０８、結合用ワイヤー２１０及びリード２１２は、原半導体デバイス２００のそれらと代わらない。]
[0025] しかしながら、本実施形態の半導体デバイス１００では、キャビティ１０２が形成され、封入用樹脂２１４が結合用パッド２０６とボール２０８の接続部分２２０の周囲に存在しないため、この構造は、高温時であっても、余分な機械的な応力及び封入用樹脂２１４の化学反応の加速を回避することができる。乾燥環境において、パッケージ内への湿気の侵入を避ける低湿度環境で、この構造はセラミック及び金属カンパッケージと同様の寿命及び信頼性を持つことができる。かくして、本実施形態により、商業在庫品の半導体デバイスの高温操作限度を２００乃至４００時間ほぼ１５０℃以上に延ばした半導体デバイス１００が得られる。]
[0026] 本実施形態により、この半導体デバイス１００が、わずかな開発期間、低開発費、及び低単価で得られる。さらに、この半導体デバイス１００は、パッケージによる制限なしに得られる。]
[0027] 本発明の半導体デバイスは、例えば、Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒのモジュラー型動的地層測試器における一又はそれ以上の流体分析モジュールを用いるダウンホール流体分析のような領域で油田探査及び開発に適用できる。]
[0028] 図６は、本発明の例示的な操作環境の断面概略図であり、ここで、作業車１０がボーリング穴又はドリル穴１２を有する坑井用地に位置し、ダウンホール装置２０がボーリング穴内でワイヤーライン２２の端に吊り下げられる。図６は、本発明の使用の一つの可能な形態を表し、本発明による他の使用環境も考えられる。典型的には、ボーリング穴１２は、水、泥ろ液、地層流体などのような流体の組み合わせを収容する。例示的な配置では、図６に概略的に示すように、ダウンホール装置２０及びワイヤーライン２２は、典型的には、作業車に関して構成かつ配置されている。] 図６
[0029] 図７は、本発明によるダウンホール分析及び地層流体のサンプリングのためのシステム１４の例示的実施形態であり、例えば、作業車１０が坑井用地に配置されている（図６参照）。図７において、ボーリング穴システム１４は、地層を試験するために及び地層からの流体の組成を分析するために使用されるダウンホール装置２０を含む。ダウンホール装置２０は、典型的には、地層表面のウインチ１６に巻かれた多導体搬出ケーブル又はワイヤーライン２２の下端から、ボーリング穴内で吊り下げられている。搬出ケーブル２２は、典型的には、図６に示す作業車１０内に含まれ、例えば、ダウンホール装置２０に適切な電子装置及び処理システムを有する地上電気制御システム２４に電気的に結合されている。] 図６ 図７
[0030] 図８も参照すると、ダウンホール装置２０は、該ダウンホール装置２０に必要及び所望の機能を与えるための、図７及び図８に概略的に示す、様々な電子構成要素及びモジュールを収納する細長い装置本体２６を含む。装置本体２６内に収容された電子モジュールは、上記のように半導体デバイス１０を有する回路基板を含む。装置本体２６は、温度が長時間、大変高い、例えば、ほぼ１５０℃以上であるボーリング穴１２内に吊り下げられるが、半導体デバイス１００が商業在庫品の半導体デバイスの高温操作限度を伸ばすように形成されているため、電子モジュールは適切に作動する。] 図７ 図８
[0031] 選択的に延びる流体流入アセンブリ２８及び選択的に延びるツール固定部材３０が、それぞれ、ツール本体２６の両側に配置されている。流体流入アセンブリ２８は、隣接した地層との圧力又は流体連通を確立するようにボーリング穴壁の選択された部分を選択的に密封又は隔絶するために作動する。流体流入アセンブリ２８は単一のプローブモジュール２９及び／又はパッカーモジュール３１であるのがよい。ダウンホールツールの例は、前述の米国特許第３，７８０，５７５号及び第３，８５９，８５１号、及び米国特許第４，８６０，５８１号に開示されており、これらの内容はそれらの全体がここに援用される。一又はそれ以上の流体分析モジュール３２がツール本体２６内に設けられる。地層及び／又はボーリング穴から得られた流体は、流体分析モジュール３２を経由して、流管３３の中を流れ、次いで、ポンプアウトモジュール３８の口から排出される。変形例として、流管３３内の地層流体は、地表に移送するために地層から得られた流体を受けて保持するための、１、２と３／４、又は６ガロンのサンプルチャンバー及び／又は４５０ｃｃ多サンプルモジュールのような一又はそれ以上の流体収集チャンバー３４，３６に差し向けられてもよい。流体分析モジュール３２には、センサーアレイを有する圧力及び体積制御ユニット（ＰＶＣＵ）７０が配置されている。]
[0032] 流体流入アセンブリ、一又はそれ以上の流体分析モジュール、流路と収集チャンバー、及びダウンホールツール２０の他の操作要素は、地表電子制御システム２４（図７参照）のような電子的制御システムにより制御される。好ましくは、電子制御システム２４、及び、例えば、ツール本体２６内に配置された他の制御システムは、ツール２０内に、地層流体の特性用のプロセッサー能力を含む。] 図７
[0033] 本発明のシステム１４は、その様々な実施形態では、好ましくは、ダウンホールツール２０と操作的に接続された制御プロセッサー４０を含む。制御プロセッサー４０は図７に電気制御システム２４の要素として示されている。好ましくは、本発明の方法は、例えば、制御システム２４が配置されたプロセッサー４０内で走るコンピュータプログラムに具体化される。操作中、プログラムは、データを、例えば、流体分析モジュール３２から、ワイヤーラインケーブル２２を経て受信し、かつ、ダウンホールツール２０の作動要素に制御信号を送信するように結合される。] 図７
[0034] コンピュータプラグラムは、プロセッサー４０と関連したコンピュータ使用可能な記憶媒体４２に記憶されてもよいし、或いは、外部のコンピュータ使用可能な記憶媒体４４に記憶され、かつ、必要に応じて使用するためにプロセッサー４０に電子的に接続されてもよい。記憶媒体４４は、ディスクドライブに収まる磁気ディスク、又は光学的に読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭ、又は、切り替え電気通信ラインに結合された遠隔記憶デバイスを含む他の種類の読み取り可能なデバイス、又は、ここに記載の目的および目標に適した将来の記憶媒体のような現在知られている記憶媒体の一又はそれ以上であってもよい。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく修正及び変更されてもよいことは明らかである。]

权利要求:

請求項1
半導体デバイスであって、ダイと、前記ダイの表面に取り付けられた結合用パッドと、前記結合用パッドに取り付けられた結合用ワイヤーと、前記結合用ワイヤーを前記結合用パッドへ接続するための、前記結合用パッドに形成されたボールと、前記ダイを封入する封入用樹脂とを含み、前記封入用樹脂はキャビティを備え、前記ボールおよび前記結合用パッドの接続部分が前記キャビティ内で前記樹脂から露出され、前記キャビティを覆うふたが封入用の上に形成されることを特徴とする半導体デバイス。
請求項2
請求項１記載の半導体デバイスであって、前記ふたはセラミック部材、金属部材、プラスチック部材又はガラス部材で形成されていることを特徴とする半導体デバイス。
請求項3
請求項１記載の半導体デバイスであって、前記ふたは、前記封入用樹脂に、熱硬化性樹脂からなる接着剤により取り付けられていることを特徴とする半導体デバイス。
請求項4
請求項１記載の半導体デバイスであって、前記封入用樹脂は、エポキシ樹脂を含むプラスチックからなることを特徴とする半導体デバイス。
請求項5
請求項１記載の半導体デバイスであって、前記封入用樹脂は、エポキシ樹脂及び難燃剤として機能する化学材料を含むプラスチックからなることを特徴とする半導体デバイス。
請求項6
請求項１記載の半導体デバイスであって、前記結合用パッドは、アルミニウムで形成されていることを特徴とする半導体デバイス。
請求項7
請求項１記載の半導体デバイスであって、前記結合用パッド及び前記結合用ワイヤーを接続する前記ボールは金で形成されていることを特徴とする半導体デバイス。
請求項8
半導体デバイスの製造方法であって、ダイと、前記ダイの表面に取り付けられた結合用パッドと、前記結合用パッドに取り付けられた結合用ワイヤーと、前記結合用ワイヤーを前記結合用パッドに取り付けるための、前記結合用パッドに形成されたボールと、前記ダイを封入して、前記ダイを埋設する封入樹脂と、を含む半導体デバイスの上面側にキャビティを形成するステップと、前記キャビティを覆うふたを前記封入用樹脂の上に取り付けるステップを含むことを特徴とする方法。
請求項9
請求項８記載の半導体デバイスの製造方法であって、前記封入用樹脂に前記ふたを取り付けるステップでは、前記ふたを接着剤により前記封入用樹脂に取り付けることを特徴とする方法。
請求項10
請求項８記載の半導体デバイスの製造方法であって、前記キャビティを形成するステップの前に、前記原半導体デバイスの構造に基づいて、前記キャビティを形成するための領域を決定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
請求項11
ダウンホールツールのためのシステムであって、ツール本体と、前記ツール本体内に収容され、半導体デバイスを有する回路基板を含む電気モジュールと、を含み、ダイと、前記ダイ表面に取り付けられた結合用パッドと、前記結合用パッドに取り付けられる結合用ワイヤーと、前記結合用ワイヤーを前記結合用パッドに接続するための、前記結合用パッドに取り付けられたボールと、前記ダイを封入する封入用樹脂と、を含み、該封入用樹脂はキャビティを備え、前記ボールおよび前記結合用パッドの接続部分が前記キャビティ内で樹脂から露出され、前記キャビティを覆うふたが封入用樹脂の上に形成されることを特徴とするシステム。
請求項12
請求項１１記載のシステムであって、前記ふたは、セラミック部材、金属部材、プラスチック部材又はガラス部材で形成されることを特徴とするシステム。
請求項13
請求項１１記載のシステムであって、前記ふたは、熱硬化性樹脂からなる接着剤により前記封入用樹脂に取り付けられていることを特徴とするシステム。
請求項14
請求項１１記載のシステムであって、前記封入用樹脂は、エポキシ樹脂を含むプラスチックからなることを特徴とするシステム。
請求項15
請求項１１記載のシステムであって、前記封入用樹脂は、エポキシ樹脂及び難燃剤として機能する化学材料を含むプラスチックからなることを特徴とするシステム。
請求項16
請求項１１記載のシステムであって、前記結合用パッドは、アルミニウムで形成されることを特徴とするシステム。
請求項17
請求項１１記載のシステムであって、前記結合用パッド及び前記結合用ワイヤーを接続する前記ボールは、金で形成されることを特徴とするシステム。