【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子又は半導体光／電子素子を収納した高速処理用又は高出力用等の半導体パッケージにおいて、半導体素子の発熱による温度上昇を防止するために半導体素子に接着されるヒートスプレッダ及びこのヒートスプレッダを使用した半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、一般的に、シリカ又はアルミナ等のセラミックス又はエポキシ樹脂系プラスチック等で封止されたパッケージとして使用されるが、高集積度化、高速処理及び高出力化に伴なって、素子の発熱による温度上昇が問題になってきた。このため、パッケージ外面への放熱フィンの取付又は冷却ファンによる気流冷却が必要となる。しかし、この放熱冷却法は、熱伝導率が低いセラミックス又はプラスチックス等のパッケージ封止層を介して行われるので、効率が悪く、また放熱フィン又は冷却ファン等の取付けによって、全体の容積及び重量が大きくなってしまうという難点がある。
【０００３】
また、高集積化、高速化及び高出力化が更に一層進み、半導体素子からの発熱が更に増大した場合には、素子の裏面に、熱伝導率が高いヒートシンクを接着し、その一面がパッケージ外部に露出するように封止して、この面から放熱冷却するような工夫がなされる。
【０００４】
図４は、このヒートスプレッダ付半導体パッケージの一例を示す断面図である。ヒートスプレッダ１に接合された半導体素子２がセラミックスパッケージ本体３内に配置されるように、ヒートスプレッダ１がパッケージ本体３に接合されている。このパッケージ本体３の他方の開口部はセラミックス製の蓋４が配置され、これにより、半導体素子２がパッケージ内に封止されている。
【０００５】
従来のヒートスプレッダ１は、厚さが１ｍｍ前後、大きさが数ｃｍ四方の熱伝導率が十分大きい薄板であるが、それ自体十分な強度と気密性を有することが必要であり、更にそれはシリコン等の半導体材料と十分熱抵抗の小さい層を介して接着できることが必要である。また、接着時又は使用時に半導体又はセラミックス等の封止材との接着面に温度変化により熱応力が発生して、剥がれ又は素子不良等が生じないことが極めて重要である。
【０００６】
このようなヒートスプレッダ１として、従来、銅／タングステン複合材料、窒化アルミニウム又は炭化珪素等が利用されている。また、半導体パッケージの熱伝プレートが特開平９−１２９７９３号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１２９７９３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、銅／タングステン複合材料のヒートスプレッダは、熱膨張係数が約７×１０−６／Ｋ、熱伝導率が約２００Ｗ／ｍ・Ｋとなるように、銅とタングステンの微粒子を配合焼結したもので、原料コストが高いと共に、加工成形が難しいため、高価格であると共に、重いという難点がある。窒化アルミニウムは、熱膨張係数が約４×１０−６／Ｋ、熱伝導率が約２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、軽量であるが、銅／タングステン複合材よりもさらに高価である。また、炭化珪素は熱伝導率が２７０Ｗ／ｍ・Ｋであるが、窒化アルミニウムよりも極めて高価であり、加工も困難である。
【０００９】
これらの従来のヒートスプレッダ及びこれを使用した半導体パッケージは、その放熱特性が材料及び構造面から限界まで改良され、もはやこれ以上放熱特性を向上させることは無理であると考えられており、パッケージの温度上昇を抑制するためには、半導体素子の処理速度、出力及び集積度を抑制せざるを得ない状況になっている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高速処理用又は高出力用半導体パッケージの冷却ヒートスプレッダとして放熱特性が極めて優れており、厚さ及び面内方向の熱伝導率が高く、それ自体十分な強度、平面性及び気密性を有し、しかも半導体素子及びセラミックス等のパッケージ本体を構成する封止材料との接着性が良好であり、接着時及び使用時の温度変化による接着面の剥がれ及び素子不良の原因となるような熱応力の発生が十分に小さく、信頼性が高いヒートスプレッダ及びそれを使用したパッケージを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体パッケージのヒートスプレッダは、半導体パッケージの封止体内に収納された半導体素子が接着されてこの半導体素子を放熱する半導体パッケージ用のヒートスプレッダにおいて、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一面又は両面に接合された金属又はセラミックスからなる被覆部材と、を有し、前記ダイヤモンド層は、その結晶がダイヤモンド層の厚さ方向に繊維状構造を有することを特徴とする。
【００１２】
この半導体パッケージのヒートスプレッダにおいて、例えば、前記ダイヤモンド層はその前記金属又はセラミックスからなる被覆部材との接合面が繊毛状構造を有することが好ましい。前記接合面の繊毛状構造をなすダイヤモンド層の部分の厚さが０．２乃至３μｍであることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る他の半導体パッケージのヒートスプレッダは、半導体パッケージの封止体内に収納された半導体素子が接着されてこの半導体素子を放熱する半導体パッケージ用のヒートスプレッダにおいて、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一面又は両面に接合された金属又はセラミックスからなる被覆部材と、を有し、前記ダイヤモンド層は、その結晶が微結晶構造を有することを特徴とする。
【００１４】
これらのヒートスプレッダにおいて、前記ダイヤモンド層と前記被覆部材とは、高分子接着層により接合することができる。
【００１５】
前記ダイヤモンド層の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、接合部の面熱伝導率が４×１０６Ｗ／ｍ２・Ｋ以上であることが好ましい。前記ダイヤモンド層は、例えば、気相合成により形成されものであり、その厚さが２０乃至１００μｍである。
【００１６】
また、本発明に係る半導体パッケージは、上記ヒートスプレッダを備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の半導体パッケージ用のヒートスプレッダは、熱伝導率が極めて大きなダイヤモンド層と、その片面又は両面を覆う熱伝導率の大きな金属又はセラミック部材からなるものとしたことから、厚さ方向の熱伝導率を、従来材である銅／タングステン複合材及び窒化アルミニウムのそれと同等以上とすることができ、気密性及び封止性が優れたものであり、且つ反り及び割れがないものとなる。その上、本発明のヒートスプレッダは、面内方向の熱膨張係数がシリコン及びアルミナ等のセラミックスのそれと近いものであるので、温度変化による熱応力発生が小さく、剥がれ及び割れ等が防止され、半導体素子への悪影響を生じないものとなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図である。本実施形態のヒートスプレッダは、ダイヤモンド層１０の表裏両面に、高分子接着層１１を介して金属又はセラミックス部材１２が接着されている。また、図１（ｂ）に示すように、本実施形態のヒートスプレッダの変形例としては、ダイヤモンド層１０の片面に、高分子接着層１１を介して金属又はセラミックス部材１２を接着しても良い。
【００１９】
ダイヤモンド層１０は、その結晶がダイヤモンド層１０の厚さ方向に繊維状構造を有するものである。このような結晶構造の多結晶ダイヤモンド層１０は、気相合成（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりその核形成条件及び成膜条件を制御することにより、形成することができる。なお、このダイヤモンド層１０の厚さは例えば２０乃至１００μｍである。
【００２０】
このような結晶構造を有するダイヤモンド層１０は例えば以下のようにして形成することができる。先ず、核形成密度を制御する。ダイヤモンドを形成しようとする基材の表面を、平均粒子径１５〜３０μｍ程度のダイヤモンド粉末で研磨する。又は同様のダイヤモンド粉末を溶かしたアルコール液中に基材表面を浸し、この溶液全体に５〜１５分間超音波振動を印加する。次に、上記核形成密度制御処理を行なった基材を洗浄して、表面に付着したダイヤモンド粉末を除去する。この基材をダイヤモンド成膜装置に導入して、ダイヤモンド層を形成する。容器中を真空排気した後、メタンガス３％を含む水素・メタン混合ガスを流し、反応器中を９０Ｔｏｒｒに保持した。その後マイクロ波プラズマを発生し、基板温度が８７０〜９５０℃となるようにする。このようにして、５時間成膜を行ったところ、厚さ５０μｍのダイヤモンド層を得ることができた。このダイヤモンド層の断面構造を電子顕微鏡で観察したところ、膜厚方向に繊維状構造を有することが確認できた。
【００２１】
ダイヤモンド層１０の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ダイヤモンド層１０と金属又はセラミックス部材１２との接合部の面熱伝導率が４×１０６Ｗ／ｍ２・Ｋ以上である。
【００２２】
本実施形態で使用されるダイヤモンド層１０の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率は、他のいかなるヒートスプレッダ用材料よりも大きい。このダイヤモンド層は、その結晶構造に拘わらず、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを得ることができる。しかし、ダイヤモンド層の中でも、本実施形態のように、結晶構造が厚さ方向に繊維状をなすようにすると、熱抵抗増大の要因となる結晶粒界密度を低く抑制することができ、熱伝導率を５０±２５％向上させることができるので、更に好ましい。
【００２３】
このようなダイヤモンド層は、熱伝導率、接着時の熱応力、また十分な気密性、封止性の観点から、半導体パッケージ用のヒートスプレッダの主要部として優れている。更に、ダイヤモンド層は十分な強度を有し、反りのない平面性の良い表面を有する。例えば、図１（ｂ）のように、ダイヤモンド層１０の片面にのみ金属又はセラミックス部材１２を被覆接着した場合は、その構造上、接着終了時又はその後の取扱い時に、片側の応力集中によりヒートスプレッダに反りが生じ、また多くの場合は、割れが生じるという事態が考えられるが、ダイヤモンドはその機械的強度が高く、材質上から、ヒートスプレッダに反り及び割れが生じることを防止することができる。このようなダイヤモンド層の厚さは、強度の確保のために、少なくとも２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上あ留ことが好ましい。しかし、ダイヤモンド層の厚さが１００μｍを超えると、機械的強度が大き過ぎて加工が困難となり、形成コストもかさむので好ましくない。
【００２４】
図１（ａ）のように、ダイヤモンド層の表裏両面に、相互に同じ材料の金属又はセラミックス部材１２か、又は熱膨張係数が近い金属又はセラミックス部材１２を接着することにより、ダイヤモンド層の表裏両面でほぼ均等な熱応力を発生させ、反りを極小化することもできる。この場合は、ダイヤモンド層１０の表裏両面同時に部材１２を接着することが好ましく、また両面とも同一材料の部材を接着することが好ましい。
【００２５】
ダイヤモンド層１０に部材１２を接着するための高分子接着層１１は、一般的なエポキシ樹脂系、フェノール樹脂系又はこれらの混合系等の有機高分子系接着剤である。また、これらの高分子接着剤中に、銅、銀、アルミニウム等の熱伝導率が大きな金属の微粉体を混合したものも有用である。更に、有機高分子系接着剤のほか、無機高分子系接着剤も使用し得る。
【００２６】
接合方法としては。高分子接着剤を部材１２の一面に５〜５０μｍの厚さに均一に塗付し、溶剤を含む場合は乾燥した後、ダイヤモンド層１０と接着剤塗付面を合わせて重ね、ホットプレスによって加圧下に７０〜１５０℃程度の温度で加熱し、高分子接着剤を重合硬化させる方法が好適である。この場合、金属部材に塗付した高分子接着剤は予め少し加熱して、重合を少し進め、室温では固体の塗膜にした状態で用いることが好ましい。
【００２７】
また、このようにして作られた金属部材とダイヤモンド層の板との間に形成される高分子接着層１１は、一般に熱伝導率が劣るので、この厚さが大きいと、ヒートスプレッダ全体の熱伝導率特性を低下させる。このため、高分子接着層１１の厚さは、５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下の極力薄い接着層とすることが重要である。高分子接着剤は硬化する前に、ダイヤモンド表面の微細孔の中に浸入し、接着力を高め、且つ極めて薄い高分子接着層が形成される。
【００２８】
なお、上述の部材１２の形状としては、箔、板及び放熱フィンなどがあり、銀、銅、アルミニウム又はその合金、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド等のように、熱伝導率が高く接着性が良い材料を、箔状、板状、又は放熱フィンの形状に成形することにより部材１２が得られる。
【００２９】
図２（ａ）は本発明の第２実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、図２（ｂ）はその変形例を示す断面図である。図２（ａ）は、ダイヤモンド層１０の表裏両面に部材１２を設けたもの、図２（ｂ）はダイヤモンド層１０の片面に部材１２を設けたものである。本実施形態のヒートスプレッダにおいては、ダイヤモンド層１０と高分子接着層１１との間に、繊毛状ダイヤモンド層１３が形成されている点が、図１（ａ）、（ｂ）に示すヒートスプレッダと異なる。即ち、本実施形態においては、ダイヤモンド層１０における高分子接着層１１との接合面が繊毛状構造をなし、この繊毛状ダイヤモンド層１３の厚さが０．２乃至３μｍである。
【００３０】
この繊毛状ダイヤモンド層１３は、ダイヤモンド層１０の表面を水素雰囲気中で直流（ＤＣ）プラズマ処理することにより、高分子接着層１１との接合面をなすダイヤモンド層１０の片面又は両面に、繊毛状構造を形成することができる。
【００３１】
このようなダイヤモンド層の表面に金属又はセラミックス部材１２を接着する際に、高分子接着剤が繊毛間に浸入し、薄い接着層を形成し、且つ強く接着されるので、特に好ましい密着性が得られる。更に、部材１２として、熱膨張係数が相互に異なる材料を使用した場合に、熱応力の緩和作用も得られる。この繊毛状ダイヤモンド層１３の厚さは０．２乃至３μｍが適当である。繊毛状ダイヤモンド層１３の厚さが薄すぎると、接着力増加の効果がなく、逆に厚さが厚過ぎると、繊毛状ダイヤモンド層１３の機械的強度が低下して、接着面が剥れ易くなるだけでなく、高コスト化を招く。その他の特性及び膜厚等の条件は、図１（ａ）、（ｂ）に示すものと同様である。
【００３２】
図３（ａ）は本発明の更に他の実施形態を示す断面図、図３（ｂ）はその変形例である。図３（ａ）は、ダイヤモンド層１０の表裏両面に部材１２を設けたもの、図３（ｂ）はダイヤモンド層１０の片面に部材１２を設けたものである。本実施形態のヒートスプレッダにおいては、図１，２に示す結晶構造が繊維状のダイヤモンド層１０の代わりに、全体が微結晶構造のダイヤモンド層１４を使用する。このダイヤモンド層１４のように、微結晶構造を有するものも、ダイヤモンド自体の熱伝導率が高いために、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。また、微結晶構造により、熱応力の緩和を図ることができるだけでなく、ダイヤモンド層１４の平坦性も容易に確保できるので、半導体素子及びセラミックスパッケージ本体と容易に接着することができる。このため、ダイヤモンド層１４のように微結晶化することは、繊毛状ダイヤモンド層１３を形成することと同様に有効である。
【００３３】
この微結晶構造のダイヤモンド層を成膜する方法は例えば以下のとおりである。先ず、核形成密度を制御する。ダイヤモンドを形成しようとする基材の表面に、平均粒子径５ｎｍ程度のダイヤモンド粉末を塗布・乾燥する。次に、この基材をダイヤモンド成膜装置に導入して、ダイヤモンド層を形成する。容器中に真空排気した後、メタンガス５〜１０％を含む水素・メタン混合ガスを流し、反応器中を１００Ｔｏｒｒに保持する。その後、マイクロ波プラズマを発生し、基板温度が８００℃以下となるようにする。このようにして５時間成膜を行ったところ、厚さ８０μｍの微結晶ダイヤモンド層を得ることができた。
【００３４】
なお、上記各実施形態において、高分子接着層１１は必ずしも設ける必要はない。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
【００３６】
（実施例１）
気相合成法でダイヤモンド層を１辺長が３０ｍｍのシリコンチップ上に成膜した。厚さは５０μｍであった。このダイヤモンドの断面を電子顕微鏡で観察したところ、粒径２〜１５μｍの結晶が厚さ方向に対して柱状（繊維状）に成長していることが確認された。また、別の条件で作製したダイヤモンドは、微結晶構造であることが確認された。レーザフラッシュ法でこのダイヤモンド層熱伝導率を測定したところ、夫々１５００及び９００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であった。
【００３７】
次に、厚さが５０μｍの銅箔の片面に、エポキシ系接着剤を約２５μｍの厚さに均一に塗布したものを用意し、上記ダイヤモンド層の表面に、銅箔の接着剤塗布面を向けて張り合わせ、ホットプレスで接着面当り５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加え、１５０℃にて１５分間保持して、接着剤の硬化を終了して取り出し、１辺長が３０ｍｍのヒートスプレッダを得た。このように作製した１０枚について、熱サイクルテスト（−６０〜２００℃、１００サイクル）を行なったが、接着剥がれ及び割れ等は生じなかった。
【００３８】
（実施例２）
実施例１のダイヤモンドを圧力１Ｔｏｒｒの水素１００％雰囲気下で１５分間ＤＣプラズマ処理したところ、図５の電子顕微鏡写真に示すような繊毛状の表面形態に変化した。これを実施例１と同様に、厚さ１００μｍの銅箔、単結晶シリコン板とアルミナ板に接着して、熱衝撃テストと熱サイクルテストを行なったところ、接着剥がれ及び割れ等が全く生じなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ダイヤモンド層の片面又は両面に金属又はセラミックス部材を被覆した構造のヒートスプレッダであるので、厚さ方向及び面内方向の熱伝導率が極めて大きく、十分な強度、平面性及び気密性を有し、しかも半導体素子及びセラミックス等の封止材料との接着性が良好で、使用時の温度変化による熱応力の発生が小さく、剥がれ及び割れが防止され、半導体素子への悪影響が生じず、信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の他の実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の更に他の実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図４】ヒートスプレッダ付半導体パッケージの断面図である。
【図５】繊毛状ダイヤモンド層の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１：ヒートスプレッダ
１０：ダイヤモンド層
１１：高分子接着層
１２：金属又はセラミックス部材
１３：繊毛状ダイヤモンド層
１４：微結晶ダイヤモンド層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat spreader bonded to a semiconductor element in a semiconductor package containing a semiconductor element or a semiconductor optical / electronic element for high-speed processing or high output, etc., in order to prevent a temperature rise due to heat generation of the semiconductor element, and a heat spreader. Related to the semiconductor package used.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor devices are generally used as packages sealed with ceramics such as silica or alumina or epoxy resin-based plastics, etc., but with higher integration, higher speed processing and higher output, Temperature rise due to heat generation has become a problem. For this reason, it is necessary to attach radiation fins to the outer surface of the package or to cool the airflow with a cooling fan. However, this heat radiation cooling method is performed through a package sealing layer made of ceramics or plastics having a low thermal conductivity, so that the efficiency is low, and the total volume and weight are reduced by attaching a radiation fin or a cooling fan. Has the drawback that it becomes larger.
[0003]
In addition, when the integration, speed, and output are further advanced, and the heat generated from the semiconductor element further increases, a heat sink having a high thermal conductivity is bonded to the back surface of the element, and one side of the heat sink is attached to the outside of the package. The device is sealed so as to be exposed to the outside, and a heat radiation cooling is performed from this surface.
[0004]
FIG. 4 is a sectional view showing an example of the semiconductor package with a heat spreader. The heat spreader 1 is joined to the package body 3 so that the semiconductor element 2 joined to the heat spreader 1 is arranged in the ceramic package body 3. The other opening of the package body 3 is provided with a lid 4 made of ceramics, whereby the semiconductor element 2 is sealed in the package.
[0005]
The conventional heat spreader 1 is a thin plate having a thickness of about 1 mm and a size of several cm square and having a sufficiently large thermal conductivity. However, it is necessary that the heat spreader 1 itself has sufficient strength and airtightness, and furthermore, it is made of silicon or the like. It is necessary to be able to adhere to the semiconductor material through a layer having a sufficiently low thermal resistance. In addition, it is extremely important that a thermal stress is not generated due to a temperature change on a bonding surface with a sealing material such as a semiconductor or a ceramic at the time of bonding or use, and peeling or element failure does not occur.
[0006]
Conventionally, as such a heat spreader 1, a copper / tungsten composite material, aluminum nitride, silicon carbide, or the like has been used. Further, a heat transfer plate of a semiconductor package is described in JP-A-9-129793 (Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-9-129793
[Problems to be solved by the invention]
However, the heat spreader of the copper / tungsten composite material is obtained by compounding and sintering fine particles of copper and tungsten so that the thermal expansion coefficient is about 7 × 10 −6 / K and the thermal conductivity is about 200 W / m · K. In addition, the raw material cost is high, and it is difficult to process and mold. Aluminum nitride has a coefficient of thermal expansion of about 4 × 10 −6 / K and a thermal conductivity of about 200 W / m · K, is lightweight, but is more expensive than the copper / tungsten composite. Further, silicon carbide has a thermal conductivity of 270 W / m · K, but is much more expensive than aluminum nitride and is difficult to process.
[0009]
The heat dissipation characteristics of these conventional heat spreaders and semiconductor packages using the same have been improved to the limit in terms of materials and structures, and it is considered impossible to further improve the heat dissipation characteristics. In order to suppress the increase, the processing speed, output and integration degree of the semiconductor element have to be suppressed.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems, and has extremely excellent heat dissipation characteristics as a cooling heat spreader for high-speed processing or high-output semiconductor packages, and has high thickness and in-plane thermal conductivity. As such, it has sufficient strength, flatness and airtightness, and has good adhesiveness to the sealing material that constitutes the package body such as semiconductor elements and ceramics. It is an object of the present invention to provide a highly reliable heat spreader and a package using the same, in which generation of thermal stress that causes peeling of the device and defective elements is sufficiently small.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A heat spreader for a semiconductor package according to the present invention is a heat spreader for a semiconductor package in which a semiconductor element housed in a sealed body of a semiconductor package is bonded and heat is radiated from the semiconductor element. And a coating member made of metal or ceramics bonded to the diamond layer, wherein the diamond layer has a fibrous structure in the thickness direction of the diamond layer.
[0012]
In this semiconductor package heat spreader, for example, it is preferable that the bonding surface of the diamond layer with the metal or ceramic covering member has a cilia structure. It is preferable that the thickness of the portion of the diamond layer forming the cilia structure on the bonding surface is 0.2 to 3 μm.
[0013]
Another heat spreader for a semiconductor package according to the present invention is a heat spreader for a semiconductor package in which a semiconductor element housed in a sealed body of a semiconductor package is bonded and heat is radiated from the semiconductor element. Or a covering member made of metal or ceramics bonded to both surfaces, wherein the diamond layer has a crystal having a microcrystalline structure.
[0014]
In these heat spreaders, the diamond layer and the covering member can be joined by a polymer adhesive layer.
[0015]
It is preferable that the thermal conductivity of the diamond layer in the thickness direction and the in-plane direction is 500 W / m · K or more, and the surface thermal conductivity of the joint is 4 × 10 6 W / m 2 · K or more. The diamond layer is formed, for example, by vapor phase synthesis, and has a thickness of 20 to 100 μm.
[0016]
Further, a semiconductor package according to the present invention includes the above-described heat spreader.
[0017]
The heat spreader for a semiconductor package according to the present invention is made of a diamond layer having a very high thermal conductivity and a metal or ceramic member having a high thermal conductivity covering one or both surfaces thereof. Can be made equal to or higher than those of the conventional materials, ie, the copper / tungsten composite material and aluminum nitride, and have excellent airtightness and sealing properties, and are free from warpage and cracking. In addition, the heat spreader of the present invention has a coefficient of thermal expansion in the in-plane direction close to that of ceramics such as silicon and alumina, so that thermal stress generation due to temperature change is small, peeling and cracking are prevented, and No adverse effect on the environment.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a heat spreader according to the first embodiment of the present invention. In the heat spreader of the present embodiment, a metal or ceramics member 12 is bonded to both front and back surfaces of a diamond layer 10 via a polymer bonding layer 11. Further, as shown in FIG. 1B, as a modification of the heat spreader of the present embodiment, a metal or ceramics member 12 may be bonded to one surface of the diamond layer 10 via a polymer adhesive layer 11.
[0019]
The crystal of the diamond layer 10 has a fibrous structure in the thickness direction of the diamond layer 10. The polycrystalline diamond layer 10 having such a crystal structure can be formed by controlling the nucleation condition and the film formation condition by chemical vapor deposition (CVD). The thickness of the diamond layer 10 is, for example, 20 to 100 μm.
[0020]
The diamond layer 10 having such a crystal structure can be formed, for example, as follows. First, the nucleation density is controlled. The surface of the substrate on which diamond is to be formed is polished with diamond powder having an average particle size of about 15 to 30 μm. Alternatively, the surface of the base material is immersed in an alcohol solution in which similar diamond powder is dissolved, and ultrasonic vibration is applied to the entire solution for 5 to 15 minutes. Next, the substrate on which the nucleation density control process has been performed is washed to remove diamond powder adhering to the surface. This substrate is introduced into a diamond film forming apparatus to form a diamond layer. After evacuating the vessel, a mixed gas of hydrogen and methane containing 3% of methane gas was flown, and the inside of the reactor was kept at 90 Torr. Thereafter, microwave plasma is generated so that the substrate temperature becomes 870 to 950 ° C. When the film was formed for 5 hours, a diamond layer having a thickness of 50 μm was obtained. When the cross-sectional structure of the diamond layer was observed with an electron microscope, it was confirmed that the diamond layer had a fibrous structure in the film thickness direction.
[0021]
The thermal conductivity of the diamond layer 10 in the thickness direction and the in-plane direction is 500 W / m · K or more, and the surface thermal conductivity of the bonding portion between the diamond layer 10 and the metal or ceramic member 12 is 4 × 10 6 W /. m is 2 · K or more.
[0022]
The thermal conductivity in the thickness direction and in-plane direction of the diamond layer 10 used in the present embodiment is higher than any other heat spreader materials. Regardless of its crystal structure, the diamond layer can have a thermal conductivity of 500 W / m · K or more. However, in the diamond layer, when the crystal structure is formed in a fibrous shape in the thickness direction as in the present embodiment, the crystal grain boundary density which causes an increase in thermal resistance can be suppressed to be low, and the thermal conductivity can be reduced. The rate can be improved by 50 ± 25%, which is more preferable.
[0023]
Such a diamond layer is excellent as a main part of a heat spreader for a semiconductor package from the viewpoint of thermal conductivity, thermal stress at the time of bonding, and sufficient airtightness and sealing property. Further, the diamond layer has a sufficient strength, and has a flat surface without warpage. For example, as shown in FIG. 1B, when a metal or ceramics member 12 is coated and adhered to only one surface of the diamond layer 10, due to its structure, at the end of the adhesion or during subsequent handling, stress concentration on one side causes the heat spreader to adhere to the heat spreader. Although it is possible that warpage occurs and, in many cases, cracks occur, diamond has high mechanical strength and can prevent the heat spreader from warping and cracking due to its material. The thickness of such a diamond layer is preferably at least 20 μm, and more preferably 50 μm or more in order to ensure strength. However, if the thickness of the diamond layer exceeds 100 μm, the mechanical strength is too large to make the processing difficult, and the formation cost increases, which is not preferable.
[0024]
As shown in FIG. 1A, a metal or ceramic member 12 of the same material or a metal or ceramic member 12 having a similar thermal expansion coefficient is adhered to the front and back surfaces of the diamond layer, thereby forming the front and back surfaces of the diamond layer. , A substantially uniform thermal stress is generated, and the warpage can be minimized. In this case, it is preferable to bond the member 12 simultaneously on both the front and back surfaces of the diamond layer 10, and it is preferable to bond a member made of the same material on both surfaces.
[0025]
The polymer adhesive layer 11 for adhering the member 12 to the diamond layer 10 is an organic polymer adhesive such as a general epoxy resin, a phenol resin or a mixture thereof. It is also useful to mix these polymer adhesives with fine powder of a metal having a large thermal conductivity such as copper, silver, or aluminum. Further, in addition to the organic polymer adhesive, an inorganic polymer adhesive may be used.
[0026]
As a joining method. A polymer adhesive is uniformly applied to one surface of the member 12 to a thickness of 5 to 50 μm. If a solvent is contained, the adhesive is dried. A method of heating under pressure at a temperature of about 70 to 150 ° C. to polymerize and cure the polymer adhesive is suitable. In this case, it is preferable that the polymer adhesive applied to the metal member is heated a little in advance, polymerization is slightly advanced, and used at room temperature as a solid coating film.
[0027]
In addition, the polymer adhesive layer 11 formed between the metal member thus formed and the diamond layer plate generally has poor thermal conductivity. Therefore, if this thickness is large, the thermal conductivity of the entire heat spreader becomes large. Deterioration rate characteristics. For this reason, it is important that the thickness of the polymer adhesive layer 11 is 5 μm or less, preferably 3 μm or less. Before the polymer adhesive cures, it penetrates into the micropores on the diamond surface, increasing the adhesion and forming a very thin polymer adhesive layer.
[0028]
The shape of the above-mentioned member 12 includes a foil, a plate, and a radiating fin, and a material having high heat conductivity and good adhesiveness, such as silver, copper, aluminum or an alloy thereof, aluminum nitride, and silicon carbide. Is formed into a foil shape, a plate shape, or a shape of a radiation fin to obtain the member 12.
[0029]
FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a heat spreader according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a modification thereof. FIG. 2A shows a structure in which the members 12 are provided on both front and back surfaces of the diamond layer 10, and FIG. 2B shows a structure in which the members 12 are provided on one surface of the diamond layer 10. The heat spreader of the present embodiment is different from the heat spreader shown in FIGS. 1A and 1B in that a ciliated diamond layer 13 is formed between a diamond layer 10 and a polymer adhesive layer 11. That is, in this embodiment, the bonding surface of the diamond layer 10 with the polymer adhesive layer 11 has a cilia structure, and the thickness of the cilia diamond layer 13 is 0.2 to 3 μm.
[0030]
The ciliated diamond layer 13 is subjected to direct current (DC) plasma treatment in a hydrogen atmosphere on the surface of the diamond layer 10 so that the cilia-shaped diamond layer 13 has a cilia-shaped diamond layer on one or both sides of the diamond layer 10 forming a bonding surface with the polymer adhesive layer 11. A structure can be formed.
[0031]
When the metal or ceramic member 12 is bonded to the surface of such a diamond layer, the polymer adhesive penetrates between the cilia, forms a thin adhesive layer, and is strongly bonded, so that particularly preferable adhesion is obtained. Can be Furthermore, when materials having mutually different coefficients of thermal expansion are used as the member 12, an effect of reducing thermal stress can be obtained. The thickness of the ciliated diamond layer 13 is suitably 0.2 to 3 μm. If the thickness of the ciliated diamond layer 13 is too thin, there is no effect of increasing the adhesive strength. Conversely, if the thickness is too large, the mechanical strength of the ciliated diamond layer 13 decreases, and the adhesive surface is easily peeled off. In addition, it leads to higher costs. Other conditions such as characteristics and film thickness are the same as those shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
[0032]
FIG. 3A is a cross-sectional view showing still another embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a modified example thereof. FIG. 3A shows the case where the members 12 are provided on both the front and back surfaces of the diamond layer 10, and FIG. 3B shows the case where the members 12 are provided on one side of the diamond layer 10. In the heat spreader of this embodiment, a diamond layer 14 having a microcrystalline structure as a whole is used instead of the fibrous diamond layer 10 having a crystalline structure shown in FIGS. A material having a microcrystalline structure, such as the diamond layer 14, also has a thermal conductivity of 500 W / m · K or more because the thermal conductivity of diamond itself is high. In addition, the microcrystalline structure can not only relieve thermal stress but also easily ensure the flatness of the diamond layer 14, so that the diamond layer 14 can be easily bonded to the semiconductor element and the ceramic package body. For this reason, microcrystallization as in the case of the diamond layer 14 is as effective as forming the ciliated diamond layer 13.
[0033]
A method for forming a diamond layer having this microcrystalline structure is, for example, as follows. First, the nucleation density is controlled. A diamond powder having an average particle diameter of about 5 nm is applied and dried on the surface of a substrate on which diamond is to be formed. Next, this substrate is introduced into a diamond film forming apparatus to form a diamond layer. After evacuating the vessel, a mixed gas of hydrogen and methane containing 5 to 10% of methane gas is flown, and the inside of the reactor is maintained at 100 Torr. Thereafter, microwave plasma is generated so that the substrate temperature becomes 800 ° C. or less. When the film was formed in this manner for 5 hours, a microcrystalline diamond layer having a thickness of 80 μm was obtained.
[0034]
In each of the above embodiments, the polymer adhesive layer 11 does not necessarily need to be provided.
[0035]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described in comparison with comparative examples that fall outside the scope of the present invention.
[0036]
(Example 1)
A diamond layer was formed on a silicon chip having a side length of 30 mm by a vapor phase synthesis method. The thickness was 50 μm. Observation of the cross section of the diamond with an electron microscope confirmed that crystals having a particle size of 2 to 15 μm were growing in a columnar (fibrous) shape in the thickness direction. In addition, it was confirmed that the diamond produced under another condition had a microcrystalline structure. When the thermal conductivity of the diamond layer was measured by a laser flash method, it was 1500 W / mK or more, respectively.
[0037]
Next, prepare an epoxy-based adhesive uniformly applied to a thickness of about 25 μm on one side of a copper foil having a thickness of 50 μm, and turn the adhesive-coated side of the copper foil toward the surface of the diamond layer. Then, a pressure of 50 kg / cm 2 per adhesive surface was applied by a hot press, and the mixture was held at 150 ° C. for 15 minutes to complete the curing of the adhesive and taken out to obtain a heat spreader having a side length of 30 mm. A thermal cycle test (−60 to 200 ° C., 100 cycles) was performed on the ten sheets thus manufactured, but no adhesive peeling or cracking occurred.
[0038]
(Example 2)
When the diamond of Example 1 was subjected to DC plasma treatment in a 100% hydrogen atmosphere at a pressure of 1 Torr for 15 minutes, the surface changed to a ciliated surface morphology as shown in the electron micrograph of FIG. This was adhered to a 100 μm-thick copper foil, a single-crystal silicon plate and an alumina plate in the same manner as in Example 1 and subjected to a thermal shock test and a thermal cycle test. As a result, no peeling or cracking occurred. .
[0039]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, since the heat spreader has a structure in which one or both surfaces of the diamond layer are coated with a metal or ceramic member, the heat conductivity in the thickness direction and the in-plane direction is extremely large, and It has excellent strength, flatness, and airtightness, and has good adhesion to sealing materials such as semiconductor elements and ceramics, and generates little thermal stress due to temperature changes during use, preventing peeling and cracking. There is no adverse effect on the semiconductor element, and the reliability is high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a heat spreader according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view illustrating a modified example thereof.
FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a heat spreader according to another embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a modified example thereof.
FIG. 3A is a sectional view showing a heat spreader according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a sectional view showing a modified example thereof.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor package with a heat spreader.
FIG. 5 is an electron micrograph showing the surface of a ciliated diamond layer.
[Explanation of symbols]
1: heat spreader 10: diamond layer 11: polymer adhesive layer 12: metal or ceramic member 13: ciliated diamond layer 14: microcrystalline diamond layer
