JP2007266150A - 熱伝導性接合材、半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、半導体チップ、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法 - Google Patents

熱伝導性接合材、半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、半導体チップ、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性とを両立させることが可能な、熱伝導性接合材、半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、半導体チップ、及び接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】熱伝導性接合材６であって、半導体チップ１の熱をヒートスプレッダ４に伝える第一接合部７と、半導体チップ１とヒートスプレッダ４との間に発生する熱応力を緩和する第二接合部８とを有することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、熱伝導性接合材、半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、半導体チップ、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法に関する。
近年、携帯式の電子機器が急速に発達している。これに伴い、電子機器の高集積化、小型軽量化が要求されている。
半導体チップを回路基板に実装する方法として、ワイヤーボンド方式、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方式、フリップチップ方式などが知られている。フリップチップ方式によれば、半導体チップ表面のあらゆる箇所に接続端子を設けることができる。一方、ワイヤーボンド方式やＴＡＢ方式は、半導体チップ表面の縁にしか接続端子を設けることができない。一般的に、半導体チップは、回路の集積度が高まると接続端子の数が増加する。従って、フリップチップ方式によれば、ワイヤーボンド方式やＴＡＢ方式よりも、より集積度の高い半導体チップを回路基板に実装することが可能となる。これらの理由により、近年はフリップチップ方式で実装された半導体チップや半導体パッケージが主流となっている。
一方、半導体チップを実装する回路基板には、以下のようなものがある。即ち、エポキシ樹脂やガラスクロス等からなる１枚のコア層と、銅箔等からなる２枚の配線層とを有し、１枚のコア層が２枚の配線層でサンドイッチ状に挟まれるように構成した従来型の回路基板である。この回路基板は、約１．３ミリメートル程度の厚みを有する。このほかに、銅箔等からなる配線層と、ポリイミド樹脂等の層間絶縁材からなる絶縁層とを有し、配線層と絶縁層を交互に重ねてサンドイッチ状に構成した薄型の回路基板がある。この薄型回路基板は、約０．１ミリメートルから約０．４ミリメートル程度の厚みを有する。薄型回路基板はコア層が無いため、基板の厚みが従来型の回路基板に比べて非常に薄い。従って、薄型回路基板を使えば従来型の回路基板よりも電子機器の小型軽量化が可能となる。
また、半導体パッケージの各部品を接合する方法としては、特許文献１や特許文献２に挙げられる技術が知られている。
特開２００１−１８５８２５号公報 特開平１１−７４４３１号公報
上述した従来技術に基づいて薄型回路基板に半導体チップをフリップチップ実装すると、以下のような問題が生ずる。以下、図を用いて説明する。
図５は、半導体チップ１０１を従来技術により薄型回路基板にフリップチップ方式で実装した半導体パッケージ（以下、試験体という）の断面図である。半導体チップ１０１の下面は、バンプ端子１０２とアンダーフィル材１０３によって薄型回路基板１０４と接合されている。これにより、半導体チップ１０１の回路と薄型回路基板１０４の回路とが電気的に接続される。一方、半導体チップ１０１の上面は、熱伝導性接合材１０５によってヒートスプレッダ１０６と接合されている。これにより、半導体チップ１０１の熱がヒートスプレッダ１０６に伝達されるようになる。また、薄型回路基板１０４は、スティフナ
１０７と接着剤１０８によってヒートスプレッダ１０６と接合されている。試験体全体の剛性を高めるためである。
図６は、試験体が加熱された状態を示す断面図である。試験体は、メインボードに半田接合する際に加熱される。また、半導体チップ１０１は、演算処理を行うと発熱する。試験体が高温になると、薄型回路基板１０４は３０ｐｐｍ程度熱膨張する。一方、ヒートスプレッダ１０６は１５〜２０ｐｐｍ程度しか熱膨張しない。薄型回路基板１０４の材質が樹脂で構成されているのに対し、ヒートスプレッダ１０６の材質は銅やステンレス等により構成されているためである。従って、試験体が加熱されると、薄型回路基板１０４の熱膨張率とヒートスプレッダ１０６との熱膨張率の違いにより、薄型回路基板１０４とヒートスプレッダ１０６との間に接合されている半導体チップ１０１、バンプ端子１０２、アンダーフィル材１０３、熱伝導性接合材１０５に熱応力が発生する。更に、薄型回路基板１０４の縁は、スティフナ１０７によって固定されている。スティフナ１０７の材質は、銅やステンレス等で構成されている。従って、加熱された薄型回路基板１０４の熱応力は、薄型回路基板１０４の面に対して直交する方向に作用することになる。薄型回路基板１０４の面に対して直交する方向に作用するこの熱応力は、半導体チップ１０１の表面に接合されたアンダーフィル材１０３や裏面に接合された熱伝導性接合材１０５を剥離しようとする方向に作用することになる。コア層を有する従来型の基板の場合、コア層が回路基板に直交する方向に作用する熱応力を緩和する働きをしていたので、このような剥離しようとする方向に作用する熱応力はあまり問題にならない。しかし、コア層を有しない薄型回路基板の場合、コア層が回路基板に直交する方向に作用する熱応力は大きいものとなる。
図７は、試験体の半導体チップ１０１とヒートスプレッダ１０６との接合部分を拡大した断面図である。上述したように、試験体の各構成部品には多大な熱応力が発生する。また、熱伝導性接合材１０５は半田で構成される。半田は金属材料の中でも特に降伏点が低く、弾性変形可能な範囲が狭い。また、熱伝導性接合材１０５には、電子機器の起動停止の繰り返しに伴う周期的な熱応力が発生する。このため、熱伝導性接合材１０５は、半田の降伏点を超えるような熱応力が周期的に加えられることで塑性変形が徐々に蓄積される。熱伝導性接合材１０５は、破断荷重点を超えた時にクラック１０９（剥離）を生ずる。
熱伝導性接合材１０５に発生するクラック１０９を防止する方法として、熱伝導性接合材１０５の厚さを厚くする方法がある。熱伝導性接合材１０５を厚くすれば、単位厚さ当たりに発生する熱応力が減少する。従って、熱伝導性接合材１０５に発生する熱応力が半田の降伏点以下となる程度に、熱伝導性接合材１０５の厚さを厚くすることで、クラック１０９の発生を防止することができる。しかし、従来技術に基づいて熱伝導性接合材１０５の厚さを厚くすると、クラック１０９は発生しなくなるが、反面、半導体チップ１０１からヒートスプレッダ１０６に伝達される熱量が減少する。これにより、半導体チップ１０１が十分に冷却されなくなる。
そこで、本発明は、薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性とを両立させることが可能な、熱伝導性接合材、半導体パッケージ、ヒートスプレッダ、半導体チップ、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法を提供することを課題とする。
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は熱伝導性接合材であって、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部と、半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有することとした。
上述の熱伝導性接合材によれば、熱伝導性接合材は、自身の熱応力を緩和するための第二接合部が設けられているため熱伝導性接合材にクラックが生じにくい。また、熱伝導性接合材は、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝達する第一接合部が設けられている。よって、本発明に係る熱伝導性接合材によれば、薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性との両立を図ることが可能となる。ここで、第一接合部とは、熱伝導性接合材の一部分を示すものであり、例えば半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝達する役割を果たす部分をいう。また、第二接合部とは、熱伝導性接合材の一部分を示すものであり、例えば自身に発生する熱応力を緩和する部分である。
また、本発明は、半導体パッケージであって、半導体チップと、ヒートスプレッダと、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部及び半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材とを備え、半導体チップが、熱伝導性接合材によってヒートスプレッダと接合されるように構成されるようにしてもよい。
上述の半導体パッケージによれば、この半導体パッケージの熱伝導性接合材にはクラックが発生しにくい。また、半導体チップとヒートスプレッダの接合信頼性が高いため、クラックの発生による伝熱性の低下が無い。伝熱性が低下しないため、半導体パッケージ内の半導体チップが過熱しない。従って、故障率の低い半導体パッケージを提供することが可能となる。
また、本発明は、ヒートスプレッダであって、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部を接合する第一接合面部と、半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部を接合する第二接合面部とを有するようにしてもよい。
上述のヒートスプレッダによれば、半導体チップとヒートスプレッダとを接合した際、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝熱する第一接合部、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する熱伝導性接合材の応力を緩和する第二接合部が形成される。よって、本発明に係るヒートスプレッダを半導体チップに接合すると、接合部分にクラックが発生しにくい。よって、本発明に係る熱伝導性接合材によれば、薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性との両立を図ることが可能となる。ここで、第一接合面部とは、第一接合部に隣接する部分であり、例えば半導体チップと接合された際に熱伝導性接合材に第一接合部を形成するための面である。また、第二接合面部とは、第二接合部に隣接する部分であり、例えば半導体チップと接合された際に熱伝導性接合材に第二接合部を形成するための面である。なお、第二接合面部が第一接合面部よりも低い位置にあれば、より確実に熱伝導性接合材に第一接合部と第二接合部とが形成される。
また、本発明は、半導体チップであって、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部を接合する第三接合面部と、半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部を接合する第四接合面部とを有するようにしてもよい。
上述の半導体チップによれば、半導体チップとヒートスプレッダとを接合した際、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝熱する第一接合部、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する熱伝導性接合材の応力を緩和する第二接合部が形成される。よって、本発明に係る半導体チップをヒートスプレッダに接合すると、接合部分にクラックが発生しにくい。従って、本発明に係る半導体チップによれば、薄型回路基板にフリップチップ
実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性との両立を図ることが可能となる。ここで、第三接合面部とは、第一接合部に隣接する部分であり、例えばヒートスプレッダと接合された際に熱伝導性接合材に第一接合部を形成するための面である。また、第四接合面部とは、第二接合部に隣接する部分であり、例えばヒートスプレッダと接合された際に熱伝導性接合材に第二接合部を形成するための面である。なお、第四接合面部が第一接合面部よりも低い位置にあれば、より確実に第一接合部と第二接合部とが熱伝導性接合材に形成される。
また、本発明は、半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法であって、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部及び半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材により半導体チップとヒートスプレッダとを接合するようにしてもよい。
上述の接合方法によれば、半導体チップとヒートスプレッダとを接合する熱伝導性接合材に、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝熱する第一接合部、及び半導体チップとヒートスプレッダとを接合する熱伝導性接合材の応力を緩和する第二接合部が形成される。よって、熱伝導性接合材にクラックが発生しにくい。従って、本発明に係る接合方法によれば、薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性との両立を図ることが可能となる。
本発明によれば、薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合しても伝熱性と接合信頼性とを両立させることが可能となる。
以下、この発明を実施するための最良の形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されない。
図１は、実施形態１に係る半導体パッケージの半導体チップ１とヒートスプレッダ６との接合部分を拡大した断面図である。図１において示すように、本実施形態１に係る半導体パッケージは半導体チップ１、バンプ端子２、アンダーフィル材３、薄型回路基板４、熱伝導性接合材５、ヒートスプレッダ６から構成される。また、熱伝導性接合材５は、第一接合部７と第二接合部８とから構成される。
半導体チップ１は、ＬＳＩ（大規模集積回路）である。半導体チップ１は、バンプ端子２とアンダーフィル材３によって薄型回路基板４にフリップチップ実装されている。図１では、半導体チップ１が１枚の場合を図示した。しかし、本発明はこれに限られない。即ち、半導体チップを重ね合わせたマルチチップ型であってもよい。
バンプ端子２は、半田ボールである。バンプ端子２は、半導体チップ１の端子と薄型回路基板４の端子とをそれぞれ接続している。図１では、半田接合工法の場合を図示した。しかし、バンプ端子２は半田接合工法に限られない。即ち、導電性ペースト接着工法やＡｕバンプ圧接工法でもよい。また、図１では、半田ボールを用いたＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）方式を図示した。しかし、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）方式であってもよい。
アンダーフィル材３は、非導電性の合成樹脂である。アンダーフィル材３は、半導体チップ１と薄型回路基板４とをフリップチップ実装方式で接合している。
薄型回路基板４は、層間絶縁材と配線層とをサンドイッチ状に複数重ね合わせたコアレスタイプの薄型回路基板である。この薄型回路基板４の厚さは０．４ミリメートルである。本実施形態１では、回路基板が薄型の場合を示した。しかし、本発明は薄型の回路基板に限られない。即ち、熱膨張率が大きく、半導体チップとヒートスプレッダとの接合部に与える熱応力が大きいものであれば従来型の回路基板でもよい。よって、薄型回路基板４の厚さは０．４ミリメートルに限られない。
熱伝導性接合材５は、半田により構成されている。熱伝導性接合材５は、半導体チップ１とヒートスプレッダ６とを接合している。また、熱伝導性接合材５は第一接合部７と第二接合部８から構成される。本実施形態１では、熱伝導性接合材５が半田の場合を示した。しかし、本発明は半田による接合材に限られない。即ち、クラックが発生し得る熱伝導性接合材であれば、半田のみならず熱伝導性樹脂等であってもよい。
ヒートスプレッダ６は、銅やステンレスで構成されている。ヒートスプレッダ６は、半導体パッケージを冷却する。図１では、空冷式のヒートスプレッダを図示している。しかし、本発明は空冷式のヒートスプレッダに限られない。即ち、水冷式のヒートスプレッダでも良い。また、図１では、ヒートスプレッダ６は熱伝導性接合材５によって直接、半導体チップ１に接合されている。しかし、本発明はこれに限られない。即ち、半導体チップ１とヒートスプレッダ６との間に伝熱板を更に挟む形態でもよい。
図１に示すように、半導体チップ１を接合するヒートスプレッダ６の下面には、第一接合部７を接合する第一接合面部６Ａ、および第二接合部８を接合する第二接合面部６Ｃが配置されている。第一接合面部６Ａと第二接合面部６Ｃとの間には、段差６Ｂが設けられている。また、第二接合面部６Ｃとヒートスプレッダ６の下面との間には段差６Ｄが設けられている。これらによって、ヒートスプレッダ６の下面は、第一接合面部６Ａ、段差６Ｂ、第二接合面部６Ｃ、段差６Ｄとから構成される２段上の凸部を有する形状となっている。第一接合面部６Ａと第二接合面部６Ｃとの間に、段差６Ｂが設けられていることによって、半導体チップ１とヒートスプレッダ６とを熱伝導性接合材５で接合した際、熱伝導性接合材５に、半導体チップ１の熱をヒートスプレッダ６に伝える第一接合部７が形成され、半導体チップ１とヒートスプレッダ６との間に発生する熱応力を緩和する第二接合部８が形成される。なお、段差６Ｂと半導体チップ１の端部との間は、横幅が０．５ミリメートル以上有するように構成すると、熱伝導性接合材５に発生する熱応力がより緩和される。また、半導体チップ１と第二接合面部６Ｃとの間は、０．７ミリメートル以上有するように構成すると、熱伝導性接合材５に発生する熱応力がより緩和される。
第一接合部７は、前述の熱伝導性接合材５の一部分である。第一接合部７は、半導体チップ１の熱をヒートスプレッダ６に伝達することを主要な目的としている。従って、第一接合部７の厚さは、半導体チップ１の熱がヒートスプレッダ６に十分伝達される程度の厚さに制限される。
第二接合部８は、前述の熱伝導性接合材５の一部分である。第二接合部８は、熱伝導性接合材５に発生するクラックを緩和することを主要な目的としている。従って、第二接合部８の厚さは、半導体チップ１とヒートスプレッダ６との熱膨張率の違いによって発生する熱応力によっても、熱応力が半田の降伏点を超えない厚みを必要とする。本実施形態１では０．７ミリメートル以上の厚さを有している。しかし、本発明はこの厚さ以上に限定されない。即ち、半導体チップ１とヒートスプレッダ６との熱膨張率の違いによって発生する熱応力を十分緩和できる厚みを有していれば良い。また、本実施形態１では、第二接合部の横幅が半導体チップ１の端部から内側方向に０．５ミリメートル以上となるように構成している。しかし、本発明はこの横幅以上に限定されない。即ち、半導体チップ１とヒートスプレッダ６との熱膨張率の違いによって発生する熱応力を十分緩和できる横幅を
有していればよい。このように、第二接合部８の厚みを第一接合部７の厚みよりも厚くすることで、半導体チップ１の発熱によって第二接合部８の単位体積当たりに発生する熱応力が、半導体チップ１の発熱によって第一接合部７の単位体積当たりに発生する熱応力よりも緩和される。また、本実施形態１では、第二接合部８が、第一接合部７の側面を包むように構成している。つまり、第二接合部８が、第一接合部７の外周縁を包むことにより、熱伝導性接合材５が鍔を有する形状となるように形成されている。これは、熱伝導性接合材５の側面に発生し得るクラックの発生を防止するためである。しかし、本発明はこれに限られない。即ち、第二接合部を第一接合部と離間して設けることで、両接合部を独立させてもよい。また、第二接合部は、第一接合部の側面全てを包む必要は無い。即ち、熱伝導性接合材の中でも比較的クラックの発生の恐れが高い部分にのみ、熱応力を緩和する第二接合部を設けても良い。
以下、従来技術に基づいて半導体チップ１０１とヒートスプレッダ１０６とを熱伝導性接合材１０５によって接合した半導体パッケージに発生する熱応力の解析結果を、図８から１３を参照しながら説明する。
図８は、半導体パッケージに発生する熱応力をシミュレーション解析するための解析モデル（被試験体）を示す。本シミュレーションでは、上面視２０ｍｍ四方の正方形からなる半導体チップ１０１を備える半導体パッケージを解析モデルに用いる。解析モデルに係る半導体パッケージ１０１は、図９において示す条件により製造されたものであることを前提とする。また、シミュレーションは、図９の条件において製造された半導体パッケージの、製造終了後の応力分布を解析するものである。なお、半導体チップ１０１が発熱した場合、一般的に半導体チップ１０１の上面の角付近（以下、コーナ部という）に発生する熱応力が最も高くなると考えられる。また、正方形の半導体チップ１０１の場合、一般的に熱応力は半導体チップ１０１の中心点を基準に対称に分布すると考えられる。このため、本シミュレーションでは半導体チップ１０１のうち、中心を通りかつ互いに直行する２本の線により均等に４分割される面のうち一の面のみの応力分布をシミュレーションしている。
図１０は、解析モデルに係る半導体パッケージ１０１のシミュレーション条件（熱伝導性接合材１０５の厚さ）を示す。五つの解析モデルのうち、ケース１から４までは熱伝導性接合材１０５の厚みがそれぞれ１００、２００、３００、４５０μｍの解析モデルである。また、ケース５は、熱伝導性接合材１０５の厚みが２００μｍであり、かつコーナ部が剥離（剥離長さ０．５ｍｍ）した状態の解析モデルである。
図１１は、上記解析モデルが図９に示す条件により製造された場合に、熱伝導性接合材１０５に発生しているＺ軸方向の引張応力の応力分布を、いわゆる等圧線図により視覚的に示す。図１１において示すような応力分布が生じるのは、半導体チップ１０１と薄型回路基板１０４との熱膨張率の相違のためである。
図１２は、図１１で示した応力分布図をＹ＝Ｘの軸でプロットしたグラフである。図１２において示すように、熱応力の解析シミュレーションによると、上述のケース１から３に係る解析モデルは半導体チップ１０１の端部からの距離０．５２４ｍｍ（Ｘ＝−０．５２４：平均剥離長さ）において引張応力が急速に低下している。換言すれば、熱伝導性接合材１０５は半導体チップ１０１の端部から中心方向に向かって０．５２４ｍｍ（Ｘ＝−０．５２４）の所まで剥離（クラック）が発生しているということである。一方、ケース５の解析モデルが示すように、コーナ部が０．５ｍｍ剥離している熱伝導性接合材１０５に発生する最大応力は３．８４ＭＰａと推定される（推定安定領域）。なお、図１２において示すように、半導体チップ１０１の中心付近（グラフの左側）の熱応力はほぼ０ＭＰａである。これに対し、半導体チップ１０１の端部付近（グラフの右側）は、正の応力（
引張応力）と負の応力（圧縮応力）とが混在している。これは、半導体チップ１０１をフリップチップ実装した場合、半導体チップ１０１が凸形状に反る。また、半導体チップ１０１と薄型回路基板１０４とが、ヒートスプレッダ１０６とスティフナ１０７に接着されている。このため、半導体チップ１０１の端部付近がヒートスプレッダ１０６に押し付けられることとなる。このため、半導体チップ１０１の端部付近に圧縮応力が発生しているものと考えられるためである。
図１３は、図１１で示した応力分布図をＹ＝０の軸でプロットしたグラフである。上述したように、熱伝導性接合材１０５のコーナ部を０．５ｍｍ剥離させた熱伝導性接合材１０５に発生する最大応力は３．８４ＭＰａと推定される。よって、図１３において示すように、熱応力の解析シミュレーションによると、ケース１の解析モデルは推定安定領域の範囲を全て逸脱している。従って、ケース１の解析モデルの場合、熱伝導性接合材１０５の全周において剥離が発生すると推定される。なお、ケース１については、実機を用いた試験においても全周剥離することを確認した。なお、ケース２についても、応力分布がグラフの右端部付近において前記最大応力を超えていることが判る。しかし、実際には半導体チップ１０１のコーナ部が剥離して応力分散が発生すると考えられる。従って、実際の応力分布はケース５のプロットに近いものなると推定される。なお、図１４は、上述したケース１から４の各解析モデルに発生する最大応力を示したグラフである。
以上により、熱伝導性接合材１０５に剥離が発生する応力には、一定の限界値があることが判明した。また、熱伝導性接合材１０５は、厚みが厚いほど引張応力が緩和されることも判明した。
次に、本実施形態１に係る半導体パッケージの実機信頼度試験の結果を以下に示す。図１５は、実機信頼度試験の結果を示す表である。表に示す記号Ａは、半導体チップ１の端部から第一接合部７までの距離を示す。試験体１から１０は、半導体チップ１の端部から第一接合部７までの距離を段階的に変えている。半導体チップ１の端部から第一接合部７までの距離は、第二接合部８の横幅と略同じ横幅であり、第二接合面部６Ｃの横幅と略同じ横幅でもある。表に示す記号Ｂは、第一接合部７の厚さを示す。第一接合部７の厚さは、試験体１から１０まで全て０．２ｍｍである。これは、半導体チップ１からヒートスプレッダ６に十分伝熱させるためである。第一接合部７の厚さが０．２ｍｍよりも厚いと、半導体チップ１の熱がヒートスプレッダ６に十分伝達されなくなる。表に示す記号Ｃは、第二接合部８の厚さを示す。試験体１から１０は、第二接合部８の厚さを段階的に変えている。なお、試験体１の第二接合部８の厚さは第一接合部７の厚さと同じである。即ち、試験体１は従来技術に係る接合方法による半導体パッケージと同じである。表に示す記号Ｃは、実機信頼度試験の結果、熱伝導性接合材７に発生した剥離（クラック）の長さである。なお、実機信頼度試験は、半導体パッケージを−１０℃から＋１００℃までの間で３００サイクルの熱衝撃を与える方法によるものである。また、表に示す判定結果については、半導体チップ１の冷却性能を確保する観点から、剥離の長さが０．７ｍｍ以下のものを良、０．７ｍｍより長いものを否とした。
上述の熱サイクルによる実機信頼度試験の結果、半導体チップ１の端部から第一接合部７までの距離を１．０ｍｍ程度にし、第二接合部８の厚さを０．７５ｍｍ程度にすることにより、半導体チップ１の放熱に必要な第一接合部の伝熱能力を確保しつつ、熱伝導性接合材５の剥離を抑制して接合信頼度を確保することが可能なことが証明された。
以下、半導体チップとヒートスプレッダとの接合形状の変形例（以下、実施形態２という）を示す。前述の実施形態１は、ヒートスプレッダの下面に凸部を設けることで、熱伝達を主目的とする第一接合部と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部とが設けられる実
施形態であった。本実施形態２は、ヒートスプレッダの下面に凹部を設けることで、熱伝達を主目的とする第一接合部と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部とが設けられる。前述の実施形態１と同様、下記の構成は例示であり、本発明は本実施形態２の構成には限定されない。
図２は、実施形態２に係る半導体チップとヒートスプレッダとの接合形状を示す断面図である。図２のように、本実施形態２に係るヒートスプレッダ１４は、凸状ではなく、凹状の接合面部を有する。これにより、熱伝達を主目的とする第一接合部１５と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部１６とが設けられる。その他の構成は、前述の実施形態１と同様である。
図２に示すように、半導体チップ９を接合するヒートスプレッダ１４の下面には、第一接合部を接合する第一接合面部１４Ａ、および第二接合部を接合する第二接合面部１４Ｃとからなる凹部が設けられている。第一接合面部１４Ａと第二接合面部１４Ｃとの間には段差１４Ｂが設けられている。段差１４Ｂ、および第二接合面部１４Ｃが設けられていることによって、半導体チップ９とヒートスプレッダ１４とを熱伝導性接合材１３で接合した際、熱伝導接合材１３に、半導体チップ９のヒートスプレッダ１４に伝える第一接合部１５が形成され、半導体チップ９とヒートスプレッダ１４との間に発生する熱応力を緩和する第二接合部１６が形成される。なお、段差１４Ｂと半導体チップ９の端部との間は、横幅が０．５ミリメートル以上有するように構成すると、熱伝導性接合材１３に発生する熱応力がより緩和される。また、半導体チップ９と第二接合面部１４Ｃとの間は、０．７ミリメートル以上有するように構成すると、熱伝導性接合材１３に発生する熱応力がより緩和される。
以下、半導体チップとヒートスプレッダとの接合形状の変形例（以下、実施形態３という）を示す。前述の実施形態１は、ヒートスプレッダの下面に凸部を設けることで、熱伝達を主目的とする第一接合部と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部とが設けられる実施形態であった。本実施形態３は、ヒートスプレッダの下面に、断面が台形状の凸部を設けることで、熱伝達を主目的とする第一接合部と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部とが設けられる。前述の実施形態１と同様、下記の構成は例示であり、本発明は本実施形態３の構成には限定されない。
図３は、実施形態３に係る半導体チップとヒートスプレッダとの接合形状を示す断面図である。図３のように、本実施形態３に係るヒートスプレッダ２１は、下面に、断面が台形状の凸部を有する。これにより、熱伝達を主目的とする第一接合部２２と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部２３とが設けられる。その他の構成は、前述の実施形態１と同様である。これにより、第二接合部２３において、熱応力が徐々に緩和される。
図３に示すように、半導体チップ１７を接合するヒートスプレッダ２２の下面には、第一接合部２３を接合する第一接合面部２２Ａ、および第二接合部２４を接合する第二接合面部２２Ｂとからなる断面が台形状の凸部が設けられている。第一接合面部２２Ａと、ヒートスプレッダ２２の下面との間は、斜めの勾配を有する第二接合面部２２Ｂが設けられている。斜めの勾配を有する第二接合面部２２Ｂが設けられていることによって、半導体チップ１７とヒートスプレッダ２２とを熱伝導性接合材２１で接合した際、熱伝導接合材２１に、半導体チップ１７の熱をヒートスプレッダ２２に伝える第一接合部２３が形成され、半導体チップ１７とヒートスプレッダ２２との間に発生する熱応力を緩和する第二接合部２４が形成される。また、第二接合面部２２Ｂは、斜めの勾配を有することにより、半導体チップ１７の熱をヒートスプレッダ２２に伝える伝熱機能と、半導体チップ１７とヒートスプレッダ２２との間に発生する熱応力を緩和する応力緩和機能とが備えられる。
以下、半導体チップとヒートスプレッダとの接合形状の変形例（以下、実施形態４という）を示す。前述の実施形態１は、ヒートスプレッダの接合面部を凸状にすることで、熱伝達を主目的とする第一接合部と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部とが設けられる実施形態であった。本実施形態４は、半導体チップの断面を台形状にすることで、熱伝達を主目的とする第一接合部と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部とが設けられる実施形態である。前述の実施形態１と同様、下記の構成は例示であり、本発明は本実施形態４の構成には限定されない。
図４は、実施形態４に係る半導体チップとヒートスプレッダとの接合形状を示す断面図である。図４のように、本実施形態４に係る半導体チップ２５は、台形状の断面を有する。これにより、熱伝達を主目的とする第一接合部３１と熱応力の緩和を主目的とする第二接合部３２が形成されるようになっている。また、ヒートスプレッダ３０の下面は平坦である。その他の構成は、前述の実施形態１と同様である。第二接合部３２の厚みが徐々に変化することで、応力が徐々に緩和される。
図４に示すように、ヒートスプレッダ３０を接合する半導体チップ２５の上面は、第一接合部３１を接合する第三接合面部２５Ａである。また、半導体チップ２５の側面は、第二接合部３２を接合する第四接合面部である。第三接合面部２５Ａと第四接合面部２５Ｂとは、鈍角の角度を有する状態で隣接して形成されている。斜めの勾配を有する第四接合面部２５Ｂが設けられていることによって、半導体チップ２５とヒートスプレッダ３０とを熱伝導性接合材２９で接合した際、熱伝導接合材２９に、半導体チップ２５の熱をヒートスプレッダ３０に伝える第一接合部３１が形成され、半導体チップ２５とヒートスプレッダ３０との間に発生する熱応力を緩和する第二接合部３２が形成される。また、第四接合面部２５Ｂは、斜めの勾配を有することにより、半導体チップ２５の熱をヒートスプレッダ３０に伝える伝熱機能と、半導体チップ２５とヒートスプレッダ３０との間に発生する熱応力を緩和する応力緩和機能とが備えられる。
上述の実施形態１から４によれば、薄型回路基板にフリップチップ実装された半導体チップとヒートスプレッダとを接合してもクラックの発生を抑えることができる。
また、熱伝導性接合材は、クラックが発生すると熱伝導性能が低下する。クラックの間隙部分に生じた空気の層は熱伝導率が低いからである。熱伝導性接合材の熱伝導率が低下すると、半導体チップの熱がヒートスプレッダに十分伝達されない。半導体チップが過熱すると、集積回路やバンプ端子が溶融する。集積回路やバンプ端子が溶融すると、電子回路のオープンやショートが生ずる。電子回路がオープンやショートすると、試験体は半導体パッケージとして機能しなくなって故障に至る。従って、本発明によって熱伝導性接合材に発生するクラックを低減すれば、半導体チップの過熱による半導体パッケージの故障を防ぐことができる。
また、半導体パッケージは、組み立て式パーソナルコンピュータなどの場合、人手によってメインボードに２次接合することがある。この場合、半導体チップとヒートスプレッダとの間に過大な応力が加えられる恐れが高い。本発明によれば、半導体チップとヒートスプレッダとの接合信頼度が高い。よって、半導体パッケージをメインボード等に２次接合する際に加えられる応力によって、熱伝導性接合材に生ずるクラックを減らすことが出来る。これにより、組み立て式パーソナルコンピュータなどに搭載された半導体パッケージが故障する確率を、低減することができる。
また、半導体パッケージをメインボードに２次接合する際に、半田付けで接合すること
がある。ここで、通常の融点による半田を用いると半導体パッケージが高温になるため、半導体チップとヒートスプレッダとの接合部に過大な熱応力が発生する。よって、熱伝導性接合部にクラックが生じる恐れがある。このため、半導体パッケージを低融点半田でメインボードに２次接合することがある。しかし、低融点半田による２次接合だと、半導体チップの発熱によって発生する熱応力により、接合部分の回路のオープンやショートを誘発する恐れがある。本発明によれば、半導体チップとヒートスプレッダとの接合信頼度が高いため、通常の融点による半田を用いて半導体パッケージとメインボードを２次接合することができる。これにより、半導体パッケージとメインボードの各端子を高い信頼度で接続することができる。
また、半導体パッケージは、空冷用ファン等の機器を多数搭載することがある。半導体パッケージに搭載される部品の重量が大きくなると、半導体チップとヒートスプレッダとの間の接合部に加えられる応力が高くなる。しかし、該接合部の信頼性が従来よりも高いため、従来技術に基づく半導体パッケージよりも多数の機器を搭載することが可能となる。
〔その他〕
本発明は、以下のように特定することができる。
（付記１）半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部と、半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材。
（付記２）第二接合部が、第一接合部の側面に隣接しかつ第一接合部の全側面を覆うように形成される付記１に記載の熱伝導性接合材。
（付記３）第二接合部は、半導体チップとヒートスプレッダとの接合面に垂直な方向の厚みが第一接合部よりも厚く形成される付記１又は２に記載の熱伝導性接合材。
（付記４）半導体チップと、ヒートスプレッダと、半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部及び半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材とを備え、半導体チップが、熱伝導性接合材によってヒートスプレッダと接合されるように構成される半導体パッケージ。
（付記５）半導体パッケージは薄型回路基板を更に備え、薄型回路基板が、半導体チップにフリップチップ実装されるように構成される付記４に記載の半導体パッケージ。
（付記６）半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部を接合する第一接合面部と、半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部を接合する第二接合面部とを有するヒートスプレッダ。
（付記７）第二接合面部が、第一接合面部の外縁を包むように構成される付記６に記載のヒートスプレッダ。
（付記８）半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部を接合する第三接合面部と、半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部を接合する第四接合面部とを有する半導体チップ。
（付記９）第四接合面部が、第三接合面部の外縁を包むように構成される付記８に記載の半導体チップ。
（付記１０）半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部及び半導体チップとヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材により、半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法。
実施形態１に係る半導体パッケージの半導体チップとヒートスプレッダとの接合部分を拡大した断面図である。 実施形態２に係る半導体パッケージの半導体チップとヒートスプレッダとの接合部分を拡大した断面図である。 実施形態３に係る半導体パッケージの半導体チップとヒートスプレッダとの接合部分を拡大した断面図である。 実施形態４に係る半導体パッケージの半導体チップとヒートスプレッダとの接合部分を拡大した断面図である。 従来技術に係る半導体パッケージの断面を示す図である。 従来技術に係る半導体パッケージが加熱された状態を示す断面図である。 従来技術に係る半導体パッケージの半導体チップとヒートスプレッダとの接合部分を拡大した断面図である。 半導体パッケージに発生する熱応力のシミュレーション解析に用いる解析モデルを示す図である。 シミュレーション解析モデルの製造工程における条件を示す表である。 各シミュレーション解析モデルの条件を示す表である。 熱伝導性接合材に発生しているＺ軸方向の引張応力の応力分布を示す等圧線図である。 応力分布図をＹ＝Ｘの軸でプロットしたグラフである。 応力分布図をＹ＝０の軸でプロットしたグラフである。 各解析モデルに発生している最大応力を示したグラフである。 実施形態１に係る半導体パッケージの実機信頼度試験の結果を示す表である。
符号の説明
１、９、１７、２５、１０１・・・半導体チップ
２、１０、１８、２６、１０２・・バンプ端子
３、１１、１９、２７、１０３・・アンダーフィル材
４、１２、２０、２８、１０４・・薄型回路基板
５、１３、２１、２９、１０５・・熱伝導性接合材
６、１４、２２、３０、１０６・・ヒートスプレッダ
６Ａ、１４Ａ、２２Ａ・・・・・・第一接合面部
６Ｂ、６Ｄ、１４Ｂ・・・・・・・段差
６Ｃ、１４Ｃ、２２Ｂ・・・・・・第二接合面部
７、１５、２３、３１・・・・・・第一接合部
８、１６、２４、３２・・・・・・第二接合部
２５Ａ・・・・・・・・・・・・・第三接合面部
２５Ｂ・・・・・・・・・・・・・第四接合面部
１０７・・・・・・・・・・・・・スティフナ
１０８・・・・・・・・・・・・・接着剤
１０９・・・・・・・・・・・・・クラック

Claims (5)

  1. 半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部と、
    前記半導体チップと前記ヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材。
  2. 半導体チップと、ヒートスプレッダと、該半導体チップの熱を該ヒートスプレッダに伝える第一接合部及び該半導体チップと該ヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材とを備え、
    前記半導体チップが、前記熱伝導性接合材によって前記ヒートスプレッダと接合されるように構成される半導体パッケージ。
  3. 半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部を接合する第一接合面部と、
    前記半導体チップと前記ヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部を接合する第二接合面部とを有するヒートスプレッダ。
  4. 半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部を接合する第三接合面部と、
    前記半導体チップと前記ヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部を接合する第四接合面部とを有する半導体チップ。
  5. 半導体チップの熱をヒートスプレッダに伝える第一接合部及び該半導体チップと該ヒートスプレッダとの間に発生する熱応力を緩和する第二接合部とを有する熱伝導性接合材により、半導体チップとヒートスプレッダとを接合する接合方法。
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