CN100470794C - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体器件，包括：板；半导体元件，安装于该板的主表面中的一个之上；多个无源元件，设置于该半导体元件的附近；以及散热片，安装于该板的上方并经由导热材料连接至该半导体元件的背面。该散热片与该导热材料接触的表面的表面粗糙度在整个表面上是不均匀的。

Description

半导体器件
技术领域
本发明大体涉及半导体器件，特别是涉及具有散热器的半导体器件，该散热器配置成从半导体元件散热。
背景技术
在安装于电子设备的半导体器件中，由于半导体元件的运转，在半导体器件中会产生热量，该热量经由诸如导热树脂或银膏等导热层从半导体元件的背面传递至散热器，从而被散发出去。
但是，由于现在的电子设备具有高功能性或高可操作性，因此要求应用于电子设备的半导体器件也要具有高功能性或高可操作性。半导体器件中的半导体元件消耗的电力也要增加，所以半导体元件产生的热量值会增加。
因此，通过上述的导热树脂、银膏等难以将半导体元件产生的热量充分地传递至散热器。
为此，人们已经提出使用一种导热率高于导热树脂、银膏等的焊料合金，从而使半导体元件产生的热量传递至散热器以被有效地散发出去。
例如，在日本特开2003-124438号公报中公开了一种半导体器件，该半导体器件具有绝缘衬底、固定到绝缘衬底上的热沉、以及通过焊料固定到热沉上的半导体元件。在该热沉的上表面上设置半导体元件放置面和沟槽，其中半导体元件放置面的构造基本与半导体元件的背面的构造相同，半导体元件放置面为放置半导体元件的位置，沟槽围绕在半导体元件放置面的周围。通过设置于半导体元件放置面上用于填充沟槽的焊料来固定半导体元件。在半导体元件放置面上和沟槽中保留再度熔化的焊料。
另一方面，半导体器件正在向低压运转发展。因此，半导体器件处理的信号可能受到电力噪声或串扰噪声的干扰。
因此，在电子设备中，在半导体器件的电源与地线之间设置旁路电容器，从而减少由于外部噪声的进入所导致的半导体器件的运转错误。通常，这样的旁路电容器设置于印刷电路板上，该印刷电路板为安装半导体元件的支撑板。
该支撑板可称作内插板(interposer)。
另一方面，可在印刷电路板上设置热敏电阻器，从而可以监测半导体元件所产生的热量值。
但是，在具有诸如热敏电阻器的无源元件或诸如电容器的电容元件的半导体器件中，如果使用焊料合金作为半导体元件与散热器之间的热结合体以将半导体元件所产生的热量传递至散热器，那么当在将半导体器件安装到支撑板的过程中加热时，可能会产生焊料合金的熔化。
因此，导致熔化后的焊料合金在散热器的表面上流动，从而在诸如电容器或热敏电阻器的无源元件的附近流动，并与无源元件的电极接触。结果，可能导致半导体器件的电源与地线之间的短路。
在日本特开2003-124438号公报所讨论的实例中，如果在沟槽中应用金属镀层，则由于不良润湿，焊料可能从沟槽流到外部。
发明内容
因而，本发明的目的是提供一种解决了上述的一个或多个问题的、新颖实用的半导体器件。
本发明的另一更具体的目的是提供一种半导体器件，该半导体器件具有的结构可以有效地防止用于将半导体元件产生的热量传递至散热器的诸如焊料合金的导热材料在该散热器表面上流动。
本发明的上述目的可通过一种半导体器件实现，该半导体器件包括：板；半导体元件，安装于该板的主表面中的一个上；多个无源元件，设置于该半导体元件的附近；以及散热片(heat radiation plate)，安装于该板的上方并经由导热材料连接至该半导体元件的背面，其中该散热片与该导热材料接触的表面的表面粗糙度在整个表面上是不均匀的。
该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分的表面粗糙度可以小于该散热片的表面的不同于第一部分的部分的表面粗糙度。该导热材料可以在该散热片的表面的不同于第一部分的部分中不流动。该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分朝向安装于该板上的半导体元件的背面，该第一部分的尺寸可以等于或大于该半导体元件的背面的尺寸，并且该散热片的表面的不同于第一部分的部分可以位于该第一部分的外部。
形成该散热片的表面的第一部分的材料可以不同于形成该散热片的表面的不同于第一部分的部分的材料。
该散热片可由金属制成；对该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分采用喷砂工艺(blasting process)；并且该第一部分的表面粗糙度可以小于该不同于第一部分的部分的表面粗糙度。
根据本发明的实施例，能够提供一种半导体器件，该半导体器件具有的结构可以有效地防止用于将该半导体元件产生的热量传递至该散热器的诸如焊料合金的导热材料在该散热器的表面上流动。
从以下结合附图的详细说明中，本发明的其它目的、特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明第一实施例的半导体器件的剖视图；
图2为设置于图1所示的半导体器件上的散热器的剖视图；
图3为沿图2的箭头方向观察的、图2所示散热器的形成空间部分的表面的俯视图；
图4为沿图2的箭头方向观察的、图1至图3所示散热器的修改实例的形成空间部分的表面的俯视图；
图5为本发明第二实施例的半导体器件的剖视图。
具体实施方式
以下将参照图1至图5描述本发明的实施例。
【第一实施例】
参照图1至图4讨论本发明的半导体器件的第一实施例。
此处，图1为本发明第一实施例的半导体器件的剖视图。图2为设置于图1所示的半导体器件上的散热器的剖视图。图3为沿图2的箭头方向观察的、图2所示散热器的形成空间部分的表面的俯视图。图4为沿图2的箭头方向观察的、图1至图3所示散热器的修改实例的形成空间部分的表面的俯视图。
参照图1，在本发明第一实施例的半导体器件10具有的结构中，半导体元件1通过倒装片连接安装于印刷电路板(线路板)上。
换句话说，在本实施例的半导体器件10中，半导体元件1安装于作为支撑板的印刷电路板2的主表面中的一个(即上表面)上，其中半导体元件1的、其上形成有表面凸点的表面朝下。该支撑板可称为内插板。
印刷电路板2形成所谓的球栅阵列(以下称为“BGA”)型半导体器件，其中用于连接至外部的球形凸点4设置于印刷电路板2的另一个主表面(即下表面)上。
但是，本发明并不限于上述实例，而是可应用于平面栅格阵列(以下称为“LGA”)型半导体器件。
在半导体元件1与印刷电路板2之间填充底层填料，并使其固化(未示出)，由此加强半导体元件1与印刷电路板2之间的连接。
在散热器20的形成空间部分的表面22与安装于具有上述结构的印刷电路板2上的半导体元件1的背面5(图1中的上表面)之间，设置作为导热材料的焊料合金6。因此，在半导体元件1的背面5上应用诸如金(Au)镀层的金属镀层，从而使焊料合金6润湿扩展(wet-spread)。
另一方面，诸如去耦电容器等的无源元件8安装于印刷电路板2上，并位于半导体元件1的周围。无源元件8设置于印刷电路板2上，并且无源元件8的电极暴露在印刷电路板2上。
通过这样的去耦电容器能够减少导致半导体器件10运转错误的外部噪声的进入。如果必要的话，除了去耦电容器之外，可以在印刷电路板2上安装电阻器、线圈等。
散热器20的形成空间部分的表面22与半导体元件1的背面5之间的间隙约为100-200μm。半导体元件1与散热器20通过设置于散热器20的形成空间部分的表面22与半导体元件1的背面5之间的焊料合金6热连接。
半导体元件1产生的热量通过焊料合金6有效地传递至散热器20。
焊料合金6的导热率高于导热树脂、银膏等，从而半导体元件1所产生的热量能够有效地传递至散热器。
此处，焊料合金6在设置焊料合金6的表面粗糙度较小的表面上润湿扩展。焊料合金6在表面粗糙度较大的表面上不润湿扩展。
除图1之外，参照图2至图4讨论散热器20的结构。
如图1和图2所示，作为散热部分的散热器20包括设置于两侧的凹形空间部分21，半导体元件1与空间部分21接触。散热器20安装于印刷电路板2上，从而半导体元件1和无源元件8包括在空间部分21内部。
形成空间部分的表面22形成于空间部分21的上表面处。形成空间部分的表面22基本为均匀表面，并且不会由于形成沟槽部分等而处于凹或凸的状态。
通过烧结诸如铝碳化硅(AlSiC)等的粉末形成散热器20。
这样的散热器20是通过在指定模具中以指定压力烧结形成的，其中在该模具中设置诸如铝碳化硅(AlSiC)等的粉末，并且在经由焊料合金6与半导体元件1形成热连接的区域中设置铝膜，该铝膜作为粉末材料之一且能够容易地适用于粉末材料。
在散热器20的表面上应用镍金(NiAu)镀层24。替代镍金镀层24，也可以应用镍镀层。
这能够确保焊料连接部分23中的焊料合金6的润湿扩展。
散热器20的形成空间部分的表面22为均匀表面。由铝膜制成的焊料连接部分23设置于形成空间部分的表面22的中央。
在以下描述中，未形成焊料连接部分23的形成空间部分的表面22的区域，即在形成空间部分的表面22中的焊料连接部分23的外侧区域，称为焊料未连接部分25(参见图3)。
焊料合金6设置于半导体元件1的背面5与形成空间部分的表面22处的焊料连接部分23之间，从而实现半导体元件1与散热器20之间的热连接。
如上所述，焊料连接部分23设置于形成空间部分的表面22的中央。更具体地，焊料连接部分23设置于形成空间部分的表面22的一部分上，该部分与设置于印刷电路板2上的半导体元件1的背面5相对应。设置焊料连接部分23的区域稍微延伸至朝向半导体元件1的背面5的区域的外部。
另一方面，由于焊料合金6润湿扩展至设置于印刷电路板2上的无源元件8，因此必须通过防止焊料合金6与无源元件8的电极接触，来防止在半导体器件的电源与地线之间产生短路。因此，设置焊料合金6的焊料连接部分23的最外部分应该位于印刷电路板2上的无源元件8的位置的内部。
由此，在本实施例中，散热器20包括形成焊料连接部分23的铝层，并且通过烧结诸如铝碳化硅(AlSiC)等的粉末而形成散热器20。
因此，除了形成焊料连接部分23的铝膜之外，散热器20的表面为多孔状，并且其表面粗糙度较大。另一方面，由于焊料连接部分23由铝膜制成，焊料连接部分的表面粗糙度较小。
如上所述，在散热器20的形成空间部分的表面22上形成镍金镀层24。形成空间部分的表面22的表面粗糙度根据镀层底部的材料而定。
在本实施例中，焊料未连接部分25的表面粗糙度与焊料连接部分23的表面粗糙度之间的差值等于或大于0.5μm。
焊料合金6在表面粗糙度较小的区域中润湿扩展，而在表面粗糙度较大的区域中不润湿扩展。因此，当焊料合金6在焊料连接部分23中润湿扩展时，焊料合金6在焊料未连接部分25中不润湿扩展。
焊料连接部分23的结构并不限于图3所示的基本矩形的结构。
例如，如图4所示，以基本半弧形或半椭圆形向外部延伸的延伸部分27-1至27-4可设置于焊料连接部分23的四个角的每一个附近。
即使焊料合金6在焊料连接部分23的外部润湿扩展，焊料合金6也会在延伸部分27-1至27-4中流动。因此，由于焊料合金6润湿扩展至设置于印刷电路板2上的无源元件8而不与无源元件8的电极接触，所以能够防止在半导体器件的电源与地线之间产生短路。
由此，在本实施例中，对于散热器20的表面的每个区域而言，改变了形成与作为导热材料的焊料合金6接触的散热器20的表面的材料，从而改变了上述表面每个区域的表面粗糙度，并由此控制了焊料合金6的流动。
焊料合金6必须在最外部分位于无源元件8在印刷电路板2上的安装位置内部的(诸如朝向设置于印刷电路2上的半导体元件1的背面5的位置)、形成空间部分的表面22的部分充分润湿扩展，以使半导体元件1产生的热量传递至散热器。另一方面，焊料合金6必须在形成空间部分的表面22的除上述部分之外的部分不润湿扩展。
在本实施例中，由铝膜形成的焊料连接部分23设置于最外部分位于无源元件8在印刷电路板2上的安装位置内部的(诸如朝向设置于印刷电路2上的半导体元件1的背面5的位置)、形成空间部分的表面22的部分。焊料连接部分23的表面粗糙度小于位于焊料连接部分23的周围且由烧结体形成的区域的表面粗糙度，以使焊料合金6可以在焊料连接部分23上润湿扩展，而在位于焊料连接部分23周围的焊料未连接部分25上不润湿扩散。
在这种结构的情况下，能够防止焊料合金6在散热器20的表面上流动以及在无源元件8的周围流动。因此，由于焊料合金6润湿扩展至设置于印刷电路板2上的无源元件8而不与无源元件8的电极接触，所以能够防止在半导体器件的电源与地线之间产生短路。
【第二实施例】
下面，参照图5讨论本发明的半导体器件的第二实施例。
此处，图5为本发明第二实施例的半导体器件的剖视图。在图5中，以相同的附图标记表示与图1-4所示的部分相同的部分，并省略其说明。
本发明第二实施例的半导体器件30由单一金属材料制成。可以选择性地改变金属材料的表面粗糙度，从而防止焊料合金6在散热器表面上的流动。
换句话说，在本实施例中，散热器40由铜(Cu)、铝(Al)、铜钨合金(CuW)或氮化铝(AlN)等形成的金属体制成。
通过利用指定的掩模可以选择性地对散热器40的形成空间部分的表面22采用喷砂工艺，因此经由焊料合金在半导体元件与散热器之间形成热结合的区域的表面粗糙度小于其它区域的表面粗糙度。
在本实施例中，表面粗糙度较大的区域的表面粗糙度与表面粗糙度较小的区域的表面粗糙度之间的差值等于或大于0.5μm。
对选择性地采用喷砂工艺的散热器40的表面应用镍金镀层24。替代镍金镀层24，可以应用镍镀层。通过这种镀层工艺能够防止金属散热器40表面的氧化。
由此，在本实施例中，散热器40可以由单一材料制成，并且可以选择性地改变散热器40的表面粗糙度，由此防止焊料合金6的不必要流动。
换句话说，在本实施例中，在散热器40的形成空间部分的表面22中，最外部分位于印刷电路板2上设置无源元件8的位置的内部的部分(诸如朝向安装于印刷电路板2的半导体元件1的背面5的部分)的表面粗糙度较小，因此焊料合金6能够润湿扩展。由于其它区域的表面粗糙度较大，焊料合金6不会在其它区域流动。
这样，就能够防止焊料合金6在散热器40的表面上流动以及向外流动至无源元件8的周围。因此，其能够防止焊料合金6与无源元件8的电极等接触，从而能够防止半导体器件30的电源与地线之间的短路。
本发明并不限于这些实施例，在不脱离本发明的范围的情况下可进行改变或修改。
本专利申请基于2005年12月20日提交的日本在先专利申请No.2005-367211，在此通过参考援引其全部内容。

Claims (17)

1.一种半导体器件，包括：
板；
半导体元件，安装于该板的主表面中的一个上；
多个无源元件，设置于该半导体元件的附近；以及
散热片，安装于该板的上方并经由导热材料连接至该半导体元件的背面；
其中该散热片与该导热材料接触的表面的表面粗糙度在整个表面上是不均匀的。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中：
该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分的表面粗糙度小于该散热片的表面的不同于第一部分的部分的表面粗糙度。
3.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
该导热材料在该散热片的表面的不同于第一部分的部分中不流动。
4.如权利要求3所述的半导体器件，其中：
该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分朝向安装于该板上的半导体元件的背面，该第一部分的尺寸等于或大于该半导体元件的背面的尺寸；并且
该散热片的表面的不同于第一部分的部分位于该第一部分的外部。
5.如权利要求4所述的半导体器件，其中：
该第一部分的最外部分位于在该板上的半导体元件周围设置的无源元件的安装位置的内部。
6.如权利要求1所述的半导体器件，其中：
该导热材料为焊料合金。
7.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
形成该散热片的表面的第一部分的材料不同于形成该散热片的表面的不同于第一部分的部分的材料。
8.如权利要求7所述的半导体器件，其中：
通过烧结包括形成与该导热材料接触的第一部分的材料的材料粉末，来形成该散热片的表面的不同于第一部分的部分。
9.如权利要求7所述的半导体器件，其中：
该散热片的表面的第一部分由包括铝的材料形成；并且
该散热片的表面的不同于第一部分的部分通过烧结铝碳化硅粉末而形成。
10.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
该散热片由金属制成；
对该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分采用喷砂工艺；并且
该第一部分的表面粗糙度小于该不同于第一部分的部分的表面粗糙度。
11.如权利要求10所述的半导体器件，其中：
形成该散热片的金属为铝或铜。
12.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
该第一部分的表面粗糙度与该不同于第一部分的部分的表面粗糙度之间的差值等于或大于0.5μm。
13.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
至少对该散热片的表面的、与该导热材料接触的第一部分应用金属镀层。
14.如权利要求13所述的半导体器件，其中：
该金属镀层为镍金镀层或镍镀层。
15.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
对设置有导热材料的半导体元件的背面应用金属镀层。
16.如权利要求15所述的半导体器件，其中：
对设置有导热材料的半导体元件的背面所应用的金属镀层为金镀层。
17.如权利要求2所述的半导体器件，其中：
在该散热片的表面的第一部分形成从该散热片的表面的第一部分向外延伸的延伸部分。
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