JP2014179602A

JP2014179602A - ヒートスプレッダを有する半導体デバイスアセンブリ

Info

Publication number: JP2014179602A
Application number: JP2014034907A
Authority: JP
Inventors: J Carpenter Burton; ジェイ．カーペンターバートン; m higgins Leo iii; エム．ヒギンズザサードレオ; Yuan Yuan; ユアンユアン
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN104051358B; CN104051358A; US8754521B1; JP6288831B2

Abstract

【課題】ヒートスプレッダとダイとの間の距離を制御する。
【解決手段】パッケージ半導体デバイスは、パッケージ基板と、パッケージ基板上の半導体ダイと、半導体ダイおよびパッケージ基板の上の封止剤と、台座部分および台座部分を包囲する外側部分を有するヒートスプレッダとを含む。封止剤は、半導体ダイの周縁内の開口を含む。ヒートスプレッダの台座部分の底面は半導体ダイの上面に向き合い、開口の第１の部分および封止剤の少なくとも一部分は台座部分の底面と半導体ダイとの間にある。
【選択図】図１

Description

本開示は、概して半導体デバイスパッケージングに関し、より具体的には、ヒートスプレッダを有する半導体デバイスに関する。

動作中、集積回路（ＩＣ）ダイによって熱が生成される。十分に除去されない場合、ダイによって生成される熱はデバイスを故障させるか、または実行を不安定にする場合がある。従って、ＩＣの熱的性能を改善するためにヒートスプレッダが半導体パッケージに組み込まれることが多い。

米国特許第６，１４６，９２１号明細書米国特許第６，５０７，１１６号明細書米国特許第７，８５９，１０１号明細書

熱界面材料および接着剤の被着に続いて、ヒートシンクがダイの表面に取り付けられ、成形コンパウンドに接着される。しかしながら、このタイプのデバイスアセンブリは、ヒートシンクとダイとの間、およびヒートシンクと成形コンパウンドとの間に所望の界面を達成するために慎重な工程制御を必要とする。

本開示の一態様によれば、パッケージ半導体デバイスは、パッケージ基板と；前記パッケージ基板上の半導体ダイと；前記半導体ダイおよび前記パッケージ基板の上の封止剤であって、前記封止剤は前記半導体ダイの周縁内の開口を備えることと；台座部分および前記台座部分を包囲する外側部分を有するヒートスプレッダとを備え、前記台座部分の底面は、前記半導体ダイの上面に向き合い、前記開口の第１の部分および前記封止剤の少なくとも一部分は、前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間にある。

本開示は例として示されており、添付の図面によって限定されない。図面において、同様の参照符号は類似の要素を示す。図面内の要素は簡潔かつ明瞭にするために示されており、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。

本開示の一実施形態に応じた、処理の一段階における半導体デバイスアセンブリを示す断面図。本開示の一実施形態に応じた、処理の後続の段階における図１の半導体デバイスアセンブリを示す断面図。本開示の一実施形態に応じた、処理の後続の段階における図２の半導体デバイスアセンブリを示す断面図。本開示の一実施形態に応じた図２の半導体デバイスを示す上面図。

熱的性能を改善するために半導体デバイスアセンブリ内に、しばしばヒートスプレッダが使用される。１つのそのような既知のデバイスアセンブリにおいて、熱界面材料がダイの表面に被着され、ダイの周縁部分を包囲する成形コンパウンドまたは封止剤の表面に接着剤が被着される。熱界面材料および接着剤の被着に続いて、ヒートシンクは、ダイの表面に取り付けられ、成形コンパウンドに接着される。しかしながら、このタイプのデバイスアセンブリは、ヒートシンクとダイとの間、およびヒートシンクと成形コンパウンドとの間に所望の界面を達成するために慎重な工程制御を必要とする。それゆえ、一実施形態において、図１〜図４を参照して下記に説明するように、ヒートスプレッダとダイとの間の距離を制御するためにダイの上面の上で成形コンパウンド内に拡張部が形成される。このようにして、ダイがヒートシンクとの直接接触から保護され、ヒートシンク台座とダイとの間の所望の距離が達成される。

図１は、一実施形態に応じた、処理の一段階における半導体デバイスアセンブリ１００を示す。半導体デバイスアセンブリ１００は、基板１０２と、ダイ１０６と、電気接続１０８と、成形コンパウンド１１０とを含む半導体ダイアセンブリ（集積回路（ＩＣ）ダイアセンブリとしても称される）を含む。半導体ダイ１０６は、ダイアタッチ（図示せず）と、電気接続１０８とによってパッケージ基板１０２に取り付けられる。一実施形態において、電気接続１０８は、ワイヤボンドとして実装される。半導体ダイアセンブリは、ダイ１０６の周縁部分を包囲する成形コンパウンド１１０（封止剤としても称される）をも含む。成形コンパウンド１１０は、電気接続１０８を被覆し、パッケージ基板１０２の表面の上でダイ１０６の周縁部分から伸張するための上側成形ツール１１２の外側部分１１４によって形成される。成形コンパウンド１１０は、ダイ１０６の一部分の上の拡張部１２２、１２４でダイ１０６の主上面を露出させるように、上側成形ツール１１２の内側部分１１６によっても形成される。

基板１０２は、パッケージ基板と、リードフレームと、またはダイ１０６を載置するのに適した他の表面とされうる。
一実施形態において、成形コンパウンド１１０を形成するのにフィルム補助成形が使用されてもよく、当該成形の間、材料薄膜１０４は、リール１０３の間で伸張し、成形工程の間、吸着によって上側成形ツール１１２の接触面に対して保持される。代替的に、半導体ダイアセンブリは、ダイ１０６がはんだボールによってパッケージ基板１０２に取り付けられているフリップ・チップ・アセンブリであってもよく、はんだボールは、ダイ１０６と基板１０２との間で信号を通信するための電気接続を提供する。

上側成形ツール１１２の内側部分１１６は、内側部分１１６がダイ１０６の表面と接触されるようになることを可能にするように、バネ１１８を用いて構成されうる。内側部分１１６の底部１２６は、ダイ１０６の１以上の部分の上に成形コンパウンドの拡張部１２２、１２４を形成し、ダイ１０６の上の他の領域から成形コンパウンドを除去するように成形される。代替的に、内側部分１１６は、空気圧または液圧を受けて移動され、または定位置に固定（移動不可能）されることができる。

図２は、本開示の一実施形態に応じた、処理の後続の段階における図１の半導体デバイスアセンブリの断面図を示し、界面材料２０４がダイアセンブリのダイ１０６の露出した上面に被着されており、接着剤２０２が成形コンパウンド１１０の複数の区画の上面に被着されている。界面材料２０４は、熱界面材料（ＴＩＭ）であってもよい。界面材料２０４はまた、接着剤であってもよい。材料２０２と２０４とは、互いに同じ材料であってもよいし、または異なる材料であってもよい。

接着剤２０２は、たとえば、ダイ付着接着剤、または、フリップ・チップ・アセンブリもしくはボール・グリッド・アレイの表面実装アセンブリに使用されるアンダーフィル材料を含んでもよい物質である。一実施形態において、接着剤２０２は、熱的に増強された特性を有してもよい。界面材料２０４は、接着剤２０２とは異なる材料である。それゆえ、界面材料２０４は、接着剤２０２とは異なる熱的特性および／または異なる機械的特性を有してもよい。両方が望ましい接着特性および／または熱的特性を有し得るが、界面材料２０４にとっては接着特性よりも熱的特性の方が重要であり、一方で接着剤２０２にとっては熱的特性よりも接着特性の方が重要である。すなわち、界面材料２０４の主な機能は熱を伝導することであり、一方で接着剤２０２の主な機能は、ヒートスプレッダ２０２がダイアセンブリに確実に取り付けられることを保証することである。

図３は、ヒートスプレッダ３０２がダイアセンブリ上に載置された後のデバイスアセンブリ１００を示している。ヒートスプレッダ３０２は、界面材料２０４によってダイ１０６の露出した上面に接触することになる台座部分３０４と、台座部分３０４から成形コンパウンド１１０の少なくとも一部分を被覆するために伸張する周縁部分３０６とを含む。

台座部分３０４は、界面材料２０４に接触するように位置づけられ、それによって、ヒートスプレッダ３０２の台座部分３０４は、拡張部１２２、１２４によってダイ１０６の露出部分から離間される。ダイ１０６と台座部分３０４の底面または接面（ｆａｃｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ）との間の間隙は、少なくとも部分的に界面材料２０４で充填されている。また、台座３０４はワイヤボンド（電気接続１０８）を含むダイ１０６の周縁の内側に位置づけられていることに留意されたい。ダイ１０６の上面とヒートスプレッダ３０２の台座部分３０４の底面との間の目標を、すなわち所定の間隙距離を確立するために、ヒートスプレッダ３０２を拡張部１２２、１２４と接触させるように、ヒートスプレッダ２０２および／またはダイアセンブリに圧力が加えられてもよい。一実施形態において、この間隙距離は、８０マイクロメートル未満とされうる。それゆえ、界面材料２０４はこの間隙内に分散しており、拡張部１２２、１２４の部分を被覆してもよいことに留意されたい。界面材料２０４が台座部分３０４とダイ１０６との間にあるため、目標間隙距離も、ヒートスプレッダ３０２とダイアセンブリとの間の界面材料２０４の所望の厚さを達成するために、拡張部１２２、１２４の目標に、すなわち所定の厚さに対応する。台座部分３０４の底面と半導体ダイ１０６との間の封止剤１１０の厚さは、台座部分３０４の底面の周縁の外部の封止剤１１０の厚さよりも小さい。

デバイスアセンブリ上に配置される界面材料２０４の量は、ヒートスプレッダ３０２が界面材料２０４と接触させられたときに、界面材料２０４が一般的にダイ１０６を超えて伸張しないように制御される。接着剤２０２を被着した後、完成したデバイスアセンブリ１００が硬化（ｃｕｒｅ）されてもよい。一実施形態において、硬化は、接着剤２０２または界面材料２０４のうちの一方に対して最適化されてもよい。

図示されている実施形態において、ヒートスプレッダ３０２は、台座部分３０４を包囲する外側部分３０６を備える。外側部分３０６の厚さは、台座部分３０４の厚さよりも小さい。台座部分３０４の底面は、拡張部１２２、１２４に達するために、外側部分３０６の底面の上では異なる高度にある。別の実施形態において、ヒートスプレッダ３０２は、一定の厚さになっていてもよく、それによって、中央部分は、外側部分３０６に対して沈んだ位置にあり、それによって、内側部分はダイ１０６の上の界面材料２０４に接触し、外側部分３０６は成形コンパウンド１１０の上の接着剤２０２に接触する。

図４は、本開示の一実施形態に応じた図２の半導体デバイス１００の上面図を示す。成形コンパウンド１１０内の開口４０２は、ダイ１０６の上面の上のタブ、突起、または拡張部１２２、１２４、４０４〜４１６を含む。拡張部１２２、１２４、４０４〜４１６は、タブとして図示されているが、他の適切な形状において構成されることができる。たとえば、ダイのいくつかの領域（複数の場合もあり）を放熱のために露出したまま、または界面材料を通じてヒートスプレッダと接触したままにしながら、拡張部は、ダイ１０６の表面にわたる連続片の成形コンパウンドとされうる。１以上の開口４０２は、拡張部の構成に含まれうる。拡張部１２２、１２４、４０４〜４１６は、ヒートスプレッダ３０２が半導体デバイス１００上に載置されると、ヒートスプレッダ３０２（図３）とダイ１０６の露出部分との間の距離を制御する。

それゆえ、これまでで、或る実施形態において、パッケージ基板と、パッケージ基板上の半導体ダイと、半導体ダイおよびパッケージ基板の上の封止剤とを含むことができるパッケージ半導体デバイスが提供されたことを諒解されたい。封止剤は、半導体ダイの周縁内の開口を備える。台座部分および外側部分を有するヒートスプレッダは、台座部分を包囲する。台座部分の底面は、半導体ダイの上面に向き合う。開口の第１の部分および封止剤の少なくとも一部分は、台座部分の底面と半導体ダイとの間にある。

別の態様において、開口の第２の部分は、台座部分の底面の周縁と半導体ダイの周縁との間にある。
別の態様において、台座の底面と半導体ダイとの間の封止剤の厚さは、台座部分の底面の周縁の外部のおよび、半導体ダイの周縁の内部の封止剤の厚さよりも小さい。

別の態様において、デバイスはさらに、開口内の界面材料を備えることができる。
別の態様において、封止剤は、半導体ダイの周縁内に複数の開口を備えることができる。複数の開口の各開口は、台座部分の底面と半導体ダイとの間の第１の部分と、台座部分の底面の周縁の外部で、かつ半導体ダイの周縁の内部の第２の部分とを備える。

別の態様において、開口は、開口の周縁から半導体ダイの上面へと伸張する複数の突起を備えることができる。複数の突起の各々は、ヒートスプレッダの台座部分の底面と半導体ダイとの間にある。

別の態様において、ヒートスプレッダは、台座部分を包囲する外側部分を備えることができ、外側部分は、台座部分よりも薄い。
別の態様において、ヒートスプレッダは、台座部分を包囲する外側部分を備えることができ、台座部分の底面は、外側部分の底面とは異なる高度（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｖａｔｉｏｎ）にある。

別の態様において、ヒートスプレッダの台座部分の底面と半導体ダイの上面との間の最短距離は、８０マイクロメートル（ミクロン）未満とすることができる。
他の実施形態において、パッケージ半導体デバイスは、パッケージ基板と、パッケージ基板上の半導体ダイと、半導体ダイおよびパッケージ基板の上の封止剤とを備えることができる。封止剤は、開口と、開口内の複数の突起とを備え、開口は、半導体ダイの周縁の内側に位置する周縁を有し、複数の突起は、開口の周縁から半導体ダイの上面に向かって伸張する。ヒートスプレッダは、台座部分と、台座部分を包囲する外側部分とを有することができる。台座部分は、半導体ダイの上に配置されうる。複数の突起および開口の少なくとも一部分は、台座部分と半導体ダイとの間に配置されうる。

別の態様において、デバイスはさらに、半導体ダイとヒートスプレッダの台座部分との間に、開口内の界面材料を備えることができる。
別の態様において、台座部分の底面は、半導体ダイの上面に向き合う。開口の周縁の少なくとも一部分は、ヒートスプレッダの台座部分の底面の周縁の外部に、かつ半導体ダイの周縁の内部に位置されうる。

別の態様において、台座部分の底面と半導体ダイとの間の封止剤の厚さは、台座部分の底面の周縁の外部に位置する封止剤の厚さよりも小さくてもよい。
別の態様において、複数の突起のうちの第１の突起は、開口の全幅に伸張することができる。

別の態様において、ヒートスプレッダは、台座部分を包囲する外側部分を備えることができる。外側部分は、台座部分よりも薄くてもよい。
別の態様において、台座部分は、外側部分に対して沈んだ位置にあることができ、それによって、内側部分は、半導体ダイの上の界面材料に接触し、外側部分は封止剤の上の接着剤に接触する。

別の態様において、ヒートスプレッダの台座部分の底面と半導体ダイの上面との間の最短距離は８０マイクロメートル（ミクロン）未満とすることができる。
また他の実施形態において、パッケージ半導体デバイスを形成するための方法は、半導体ダイおよびパッケージ基板の上に封止剤を形成することを有することができる。半導体ダイは、パッケージ基板上に載置されることができ、封止剤は、半導体ダイの上面を露出させる開口を備えることができる。開口内の半導体ダイの上面に、界面材料が被着されることができる。ヒートスプレッダの台座部分は、界面材料に接触するように、位置づけられることができる。開口の第１の部分および封止剤の少なくとも一部分は、台座部分の底面と半導体ダイとの間に配置されうる。

別の態様において、台座部分の底面と半導体ダイとの間の封止剤の厚さは、台座部分の底面の周縁の外部の、かつ半導体ダイの周縁の内部の封止剤の厚さよりも小さくされうる。

さらに、本明細書および特許請求の範囲における「正面（ｆｒｏｎｔ）」、「裏（ｂａｃｋ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「底（ｂｏｔｔｏｍ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」などの用語は、存在する場合、説明を目的として使用されており、必ずしも永久的な相対位置を記述するために使用されてはいない。このように使用される用語は、本明細書に記載されている本開示の実施形態がたとえば、本明細書において例示または他の様態で記載されている以外の方向で動作することが可能であるように、適切な状況下で置き換え可能であることが理解される。

本明細書において、具体的な実施形態を参照して本開示を説明したが、添付の特許請求の範囲に明記されているような本開示の範囲から逸脱することなくさまざまな改変および変更を為すことができる。従って、本明細書および図面は限定的な意味ではなく例示とみなされるべきであり、すべてのこのような改変が本開示の範囲内に含まれることが意図されている。本明細書において具体的な実施形態に関して記載されているいかなる利益、利点、または問題に対する解決策も、任意のまたはすべての請求項の重要な、必要とされる、または基本的な特徴または要素として解釈されるようには意図されていない。

本明細書において使用される場合、「結合されている」という用語は、直接結合または機械的結合に限定されるようには意図されていない。
さらに、本明細書において使用される場合、「１つ（”ａ”ｏｒ”ａｎ”）」という用語は、１つまたは２つ以上として定義される。さらに、特許請求の範囲における「少なくとも１つの」および「１以上の」のような前置きの語句の使用は、不定冠詞「１つの（”ａ”ｏｒ”ａｎ”）」による別の請求項要素の導入が、このように導入された請求項要素を含む任意の特定の請求項を、たとえ同じ請求項が前置きの語句「１以上の」または「少なくとも１つの」および「１つの（”ａ”ｏｒ”ａｎ”）」のような不定冠詞を含む場合であっても、１つだけのこのような要素を含む開示に限定することを暗示するように解釈されるべきではない。同じことが、定冠詞の使用についても当てはまる。

別途記載されない限り、「第１の」および「第２の」のような用語は、そのような用語が説明する要素間で適宜区別するように使用される。従って、これらの用語は必ずしも、このような要素の時間的なまたは他の優先順位付けを示すようには意図されていない。

Claims

パッケージ半導体デバイスであって、
パッケージ基板と；
前記パッケージ基板上の半導体ダイと；
前記半導体ダイおよび前記パッケージ基板の上の封止剤であって、前記封止剤は前記半導体ダイの周縁内の開口を備えることと；
台座部分および前記台座部分を包囲する外側部分を有するヒートスプレッダと
を備え、
前記台座部分の底面は、前記半導体ダイの上面に向き合い、
前記開口の第１の部分および前記封止剤の少なくとも一部分は、前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間にある、パッケージ半導体デバイス。
前記開口の第２の部分は、前記台座部分の前記底面の周縁と前記半導体ダイの前記周縁との間にある、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間の前記封止剤の厚さは、前記台座部分の前記底面の周縁の外部の、かつ前記半導体ダイの周縁の内部の前記封止剤の厚さよりも小さい、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記パッケージ半導体デバイスはさらに、前記開口内の界面材料を備える、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記封止剤は、前記半導体ダイの前記周縁内に複数の開口を備え、
前記複数の開口の各開口は、前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間の第１の部分と、前記台座部分の前記底面の周縁の外部の、かつ前記半導体ダイの前記周縁の内部の第２の部分とを備える、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記開口は、前記開口の周縁から前記半導体ダイの上面へと伸張する複数の突起を備え、
前記複数の突起の各々は、前記ヒートスプレッダの前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間にある、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記ヒートスプレッダは、前記台座部分を包囲する外側部分を備え、
前記外側部分は、前記台座部分よりも薄い、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記ヒートスプレッダは、前記台座部分を包囲する外側部分を備え、
前記台座部分の前記底面は、前記外側部分の底面とは異なる高度にある、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記ヒートスプレッダの前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイの前記上面との間の最短距離は、８０マイクロメートル（ミクロン）未満である、
請求項１に記載のパッケージ半導体デバイス。
パッケージ半導体デバイスであって、
パッケージ基板と；
前記パッケージ基板上の半導体ダイと；
前記半導体ダイおよび前記パッケージ基板の上の封止剤であって、前記封止剤は、前記半導体ダイの周縁内に位置する周縁を有する開口と、前記開口の周縁から前記半導体ダイの上面に向かって伸張する、前記開口内の複数の突起とを備えることと；
台座部分と、前記台座部分を包囲する外側部分とを有するヒートスプレッダと
を備え、
前記台座部分は、前記半導体ダイの上にあり、
前記複数の突起および前記開口の少なくとも一部分は、前記台座部分と前記半導体ダイとの間にある、パッケージ半導体デバイス。
前記パッケージ半導体デバイスはさらに、前記半導体ダイと前記ヒートスプレッダの前記台座部分との間に、前記開口内の界面材料（２０４）を備える、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記台座部分の底面は、前記半導体ダイの前記上面に向き合い、
前記開口の前記周縁の少なくとも一部分は、前記ヒートスプレッダの前記台座部分の底面の周縁の外部に、かつ前記半導体ダイの前記周縁の内部に位置する、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間の前記封止剤の厚さは、前記台座部分の前記底面の周縁の外部の前記封止剤の厚さよりも小さい、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記複数の突起のうちの第１の突起は、前記開口の全幅に伸張する、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記ヒートスプレッダは、前記台座部分を包囲する外側部分を備え、
前記外側部分は、前記台座部分よりも薄い、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記台座部分は、前記外側部分に対して沈んだ位置にあり、それによって、前記内側部分は前記半導体ダイの上の界面材料に接触し、前記外側部分は、前記封止剤の上の接着剤に接触する、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
前記ヒートスプレッダの前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイの前記上面との間の最短距離は、８０マイクロメートル（ミクロン）未満である、
請求項１０に記載のパッケージ半導体デバイス。
パッケージ半導体デバイスを形成するための方法であって、前記方法は、
半導体ダイおよびパッケージ基板の上に封止剤を形成することであって、前記半導体ダイは前記パッケージ基板上に載置され、前記封止剤は、前記半導体ダイの上面を露出させる開口を備える、形成することと；
前記開口内の前記半導体ダイの前記上面に界面材料を被着させることと；
ヒートスプレッダの台座部分を、前記界面材料に接触するように位置づけることであって、前記開口の第１の部分および前記封止剤の少なくとも一部分は前記台座部分の底面と前記半導体ダイとの間にある、位置づけることと
を有する、方法。
前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間の前記封止剤の厚さは、前記台座部分の前記底面の周縁の外部の、かつ前記半導体ダイの周縁の内部の前記封止剤の厚さよりも小さい、
請求項１８に記載の方法。
前記開口は、前記開口の周縁から前記半導体ダイの上面へと伸張する複数の突起を備え、
前記複数の突起の各々は、前記ヒートスプレッダの前記台座部分の前記底面と前記半導体ダイとの間にある、
請求項１８に記載の方法。