JP2530193B2 - 高熱伝導半導体実装構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体実装構造体に係り、特に半導体装置内
部の発熱体を比較的熱伝導率の大きい誘電体基板に固定
した高熱伝導半導体実装構造体に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体装置の高速化、高密度化に伴い、発熱密
度が増大する傾向にある。半導体チツプで発生した熱を
有効に半導体装置外部に逃がす構造体が求められてい
る。それと同時に、半導体チツプの大型化及びマルチチ
ツプ化に伴つて半導体装置構成材料間の熱膨張係数の不
整合に基づく信頼性の低下を避ける構造も必要である。
熱膨張係数の不整合による構成材料間の熱応力を緩和す
るには、弾性係数の小さい、すなわち、柔かい材料を熱
膨張係数不整合となる構成材料間に挿入するのが効果的
である。この目的に適しているのは有機物の樹脂であ
り、とりわけゴムやゲルが適している。ところが、これ
らの材料は熱伝導率が小さいという欠点を持つているた
めに、半導体チツプで発生した熱を有効に半導体装置外
部に逃がすというもう一つの目的には不利である。そこ
で、様々な提案が行われている。

（１） 樹脂の熱伝導率を大きくする提案 高熱伝導の半導体パツケージを対象とする特許では、
ほぼ例外なしに使用する樹脂は高熱伝導率であると述べ
ている。特開昭61−29162号公報ではシリコンゲルにフ
イラーとしてアルミナやシリコンカーバイド（無機化合
物）を添加した材料を、特開昭58−2050号公報では金属
粉末を混入したゲルを、また、特開昭60−79757号公報
では無機充てん剤入りのシリコンゴムを、それぞれ具体
的に挙げている。これらの材料を、半導体チツプで発生
した熱をパツケージ外部へ導く経路に配置することによ
り、構成材料間で発生する熱応力を緩和しながら半導体
装置の熱伝導特性を向上させることができる。すなわ
ち、半導体チツプとパツケージ外部との間の熱抵抗が小
さくなる。ここで、熱抵抗とは、例えば第２図におい
て、半導体チツプ１で単位電力消費したときのT1とT2の
温度差のことである。なお、第２図は従来例を示す断面
図であり、符号１は半導体チツプ、２はパツケージ函
体、３は伝熱部材、４は細線、101は半導体チツプ表面
（回路形成面）、102は半導体チツプ裏面（ダイボンド
面）を意味する。

しかし、元々弾性係数の小さい樹脂（例えば、上記し
たゲルやゴム）は、無機絶縁材料ではとりたてて熱伝導
率がよいとはいえないアルミナより熱伝導率が更に約２
桁も小さい材料である。そのため、アルミナより熱伝導
の格段に良い材料を添加したとしても添加材料の間に存
在する熱伝導率の小さい樹脂の影響によつてアルミナ程
度の熱伝導率しか得られないのが現状である。しかも、
添加材（フイラー）は金属又は無機化合物であり、これ
らの材料は硬いためにゲルやゴムの特徴である柔らかさ
が失われてしまうという副作用を伴う。したがつて、単
に樹脂の熱伝導率を大きくするだけでは真の解決にはな
らない。

（２） 半導体装置の構造上の提案 一般的な半導体パツケージでは、第２図に示すよう
に、半導体チツプ１の裏面102を伝熱部材３に固定し、
半導体チツプ１の表面101とパツケージ函体２との間に
は電気信号のやりとりのために空間をとる構造を採用し
ている。半導体チツプで発生した熱は、そのほとんどが
半導体チツプ裏面102から伝熱部材３を経由してパツケ
ージ函体２の外部に導かれる。この伝熱経路の熱抵抗を
下げる工夫として、大きく分けて以下の二つの工夫が行
われている。

（２−１） 熱伝導率の大きい材料の体積を増す 特開昭58−101445号、同61−216454号及び同61−3955
5号各公報においては、半導体チツプ裏面直下の金属部
材（リードフレーム）を厚くすることによつて、熱抵抗
を小さくする構造が開示されている。また、特開昭58−
31565及び同60−206155号各公報においては、伝熱経路
をパツケージ側面から突きだしているリードフレームに
委ね、その断面積を大きくすることによつて、熱抵抗を
小さくする構造か開示されている。

更に、特開昭56−164558号公報においては、半導体チ
ツプ裏面直下の金属部材（リードフレーム）近傍にパツ
ケージ外部から厚い突出部のある放熱板を挿入すること
によつて、熱抵抗を小さくする構造及びその製法が開示
されている。

これらの構造は、熱抵抗の低減に有効であるとは考え
られるが、伝熱経路の熱抵抗を支配しているのはこれら
の提案で問題にしている熱伝導率の大きい材料ではな
く、例えば特開昭56−164558号公報における接着剤のよ
うな熱伝導率の小さい材料であるので、その効果をあま
り期待できない。

（２−２） 半導体チツプの下側の材料の熱伝導率を増
す 特開昭58−110058号及び同60−66840号各公報におい
ては、半導体チツプの下側の材料の熱伝導率を増すこと
によつて、熱抵抗を小さくする構造か開示されている。

ガラス（特開昭58−110058号公報）あるいは熱伝導剤
（特開昭60−66840号公報）の熱伝導率が明らかにされ
ていないので、熱抵抗の低減効果があるのかないのかは
明確ではないが、特開昭58−110058号公報に示されてい
るようにガラスであれば、その熱伝導率はアルミナより
通常１桁ほど小さいので、熱抵抗の低減効果をあまり期
待できない。

（２−３） 半導体チツプの表面（非ダイボンド面、回
路形勢面）から熱を逃がす 既に述べたように、半導体チツプで発生した熱は主に
半導体チツプの裏面からパツケージ外周に到る経路に沿
つて放散されるが、半導体チツプの裏面からの熱放散が
期待できない構造においては半導体チツプの表面からの
経路を積極的に利用する工夫も行われている。その例と
して、特開昭61−125053号及び同58−56445号各公報を
挙げることができる。

これらの例では、熱伝導率の小さい樹脂の層が厚いた
め、「放熱器２の下面はチツプ４とできるだけ接近する
ことが望ましい」（特開昭58−56445号公報）、「裏面
に凸部が形成されているキヤツプ及びペレツトが、該両
者間に介在されている熱伝導性材料と接触されてなる半
導体装置」（特開昭61−125053号公報）という表現から
も明らかなように樹脂の層をできるだけ薄くしようとい
う意図がある。

しかし、半導体チツプの表面上の空間には、これらの
公報の図面にも記載されているように、配線のためのス
ペースが必要であり、樹脂の層をあまり薄くできない。
その結果、半導体チツプ表面側からの熱流は、比較的熱
伝導率の小さい樹脂層によつて制限されるためにあまり
多くを期待できず、半導体チツプで発生した熱の主体は
半導体チツプ裏面から放熱されざるをえない。したがつ
て、半導体チツプ表面（非ダイボンド面、回路形成面）
からの熱放散を改善する試みは、半導体装置の熱抵抗改
善にほとんど寄与しない。

樹脂による接着作業においては気泡の存在を無視でき
ない。気泡が伝熱経路に存在すると、ただでさえ熱抵抗
の大きい接着層の熱抵抗が益々大きくなる。以上の従来
技術からは、半導体装置の熱抵抗を小さくするための構
造及び材料面からの工夫がうかがわれるが、樹脂の使用
に伴う気泡の除去に関する工夫が認められない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、半導体パツケージの熱抵抗を下げ
るために有効な半導体チツプの下側の樹脂層の厚さに着
目せず、更に、樹脂中の気泡の処理に関心を払つていな
いという欠点をもつていた。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消した
高熱伝導半導体実装構造体を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明は高熱伝導半導体実装構
造体に関する発明であつて、半導体装置内部の発熱体を
比較的熱伝導率の大きい誘電体基体に固定し、前記誘電
体基体を比較的熱伝導率の小さい接着層を介して半導体
装置外部函体に固定する構造の半導体実装構造体におい
て、該接着層のうち該発熱体の下側に相当する部分の厚
さが、その他の部分の厚さよりも薄いことを特徴とす
る。

半導体チツプの下側の樹脂層の厚さを常に充分小さく
保つと共に、半導体チツプの下側を除く樹脂層の厚さを
比較的大きくすることにより前記課題を解決することが
できる。

第３図は本発明の半導体装置の作用を示す断面図であ
り、符号１及び２は前記と同義、５ははんだ、８は高熱
伝導率の物質、９は低熱伝導率の物質を意味する。第４
図は、第３図の高熱伝導率の物質８中の左右方向の熱流
束（縦軸）と熱の拡がり範囲（横軸）の関係を示すグラ
フである。熱流の上流側に高熱伝導率の物質８を使用
し、下流側に低熱伝導率の物質９を使用すると、熱流が
拡がる。したがつて、熱抵抗を小さく保つことができ
る。しかし、その拡がりは第４図に示すように高熱伝導
率の物質８の全面にわたるのではなく、発熱体である半
導体チツプ１の下側にとどまることを実験で見出した。
すなわち、熱流はチツプ直下に集中している。

一方、接着層の厚さが熱抵抗に大きな影響を与えるこ
とを見出した。すなわち、充分接着層を薄くすれば、熱
伝導率の小さい樹脂を使用しても、接着層による熱抵抗
の悪化を実用上無視し得る程度にまで小さくできること
がわかつた。ところが、接着層には必ず気泡が存在し、
気泡を除去しなければ熱抵抗の改善効果が小さいことも
見出した。

更に、この気泡を取除くには、気泡が存在しても装置
の熱抵抗に影響しない部分にトラツプするのが最も効果
的であることも見出した。

そこで、本発明では、例えば第５図のものを採用し
た。すなわち第５図は本発明の一実施の態様を示す断面
図であり、符号２及び８は前記と同義、15は気泡、701
は薄い接着層、702は厚い接着層を意味する。第５図に
示すように、接着層全面ではなく、熱流の集中している
チツプ下側のみの接着層の厚さを強制的に小さく保つ
（薄い接着層701）と共に、その他の部分の接着層の厚
さを強制的に大きくする（厚い接着層702）構造を採る
ことにした。その結果、接着時に樹脂が薄い接着層701
から厚い接着層702に向かつて流れ、気泡15が厚い接着
層702で捕らえられて薄い接着層701から気泡15が排除さ
れ、半導体装置の熱抵抗が効果的に小さくなることを確
認した。

本発明において、接着層の発熱体の下側の厚さを、そ
の他の部分の厚さよりも薄くする方法の好適な例には、
誘電体基板の下側の接着層に接する面に突起を設ける方
法、半導体装置外部函体の発熱体の下側の接着層に接す
る面に突起を設ける方法、誘電体基体発熱体の下側の接
着層に接する面に比較的熱伝導率の大きい部材を接着す
る方法、半導体装置外部函体の発熱体の下側の接着層に
接する面に比較的熱伝導率の大きい部材を接着する方
法、接着層の発熱体の下側に比較的熱伝導率の大きい部
材を挿入する方法等がある。また、以上の例において、
該接着層の該発熱体の下側の厚さが30μｍ以下であると
同時に、該接着層の該発熱体の下側以外の厚さが100μ
ｍ以上であるのが好ましい。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されない。

なお、本発明の実施例１〜５を第１図、第６図〜第９
図に従つて説明する。各図において符号１は半導体チツ
プ、２はパツケージ函体を意味する。ここで、本発明と
は直接関係のない半導体チツプ１からパツケージ函体２
外部に至る配線系統及びパツケージ函体２の具体的な構
成については省略した。

実施例１ 本発明の第１の実施例を第１図に従つて説明する。第
１図は本発明の一実施の態様を示す断面図であつて、符
号５ははんだ、６は高熱伝導誘電体基体、７は有機接着
剤、10は突起、15は気泡を意味する。一辺4mmのシリコ
ン半導体チツプ１（３個）は厚さ30μｍの金−シリコン
の共晶はんだ５を介して30mm×20mm×0.5mmの高熱伝導
誘電体基体（具体的には窒化アルミニウム焼結体基板）
６上に一列に配置されている。高熱伝導誘電体基体６の
半導体チツプ１下側の半導体チツプ１の接着されていな
い面には0.1mmの厚さの突起10が形成されている。この
突起10の大きさは、半導体チツプ１に対する位置ずれを
考慮して、半導体チツプ１より少し大きく、5mm×5mmで
ある。高熱伝導誘電体基体６はシリコン系の有機接着剤
７を介してアルミニウム合金で構成されたパツケージ函
体２に接着されている。有機接着剤７には気泡15が存在
するが、厚さ100μｍ以上に保たれた厚い接着層の部分
にトラツプされ、突起10により厚さ30μｍ以下に保たれ
た薄い接着層には存在しない。最も熱抵抗に影響する半
導体チツプ１下側の有機接着剤７の厚さは常に30μｍ以
下に保たれている。その結果、熱抵抗は、半導体チツプ
１の１個につき、突起なしの2.7℃/Wから1.7℃/Wへと大
幅に改善された。

ここで、薄い接着層の厚さは、直接半導体装置の熱抵
抗に影響する。30μｍ以下に保つことによつて他の伝熱
層（例えば高熱伝導誘電体基体６）の熱抵抗と同じオー
ダーの熱抵抗になる。すなわち、半導体装置の熱抵抗を
律速する層が有機接着剤７の層でなくなる。また、厚い
接着層の厚さは、気泡15の流動に関わる。100μｍ以上
が要求される。

本実施例を作製するプロセスは特に新規ではないが、
一応説明する。ここで、ワイヤボンデイングを含めた配
線プロセスについては本発明の内容と直接関係がないの
で省略する。

焼結時に突起10を形成した高熱伝導誘電体基体６
の、突起10が形成されていない面に、電子ビーム蒸着に
よつてチタン−白金−金のはんだ付け電極（図示せず）
を形成する。

半導体チツプ１の裏面にはシリコンに直接金（図示
せず）が蒸着されており、約400℃でこすりつけること
により金−シリコンの共晶はんだ５を形成し、接着を完
了する。

次にふた（図示せず）の開いたパツケージ函体２に
高熱伝導誘電体基体６を有機接着剤７で接着する。この
際、薄い接着層の部分に存在している気泡15が、有機接
着剤７の流れに巻き込まれて厚い接着層の部分に移動す
る。

最後に、ふた（図示せず）を閉じて第１図の構造体
を完成する。

本構造体の利点は、半導体チツプ１と突起10との位置
合わせが比較的容易なこと、及び突起10とが焼結時に形
成されているためにプロセスが簡略なことである。その
反面、高熱伝導誘電体基体６の焼結のために突起付の型
を作らなければならず、少量生産には向かない。

実施例２ 本発明の第２の実施例を第６図に従つて説明する。第
６図は本発明の一実施例の態様を示す断面図であつて、
符号11は突起を意味し、その他は前記のとおりである。
本実施例では、第１図の実施例と異なり、高熱伝導誘電
体基体６でなく、パツケージ函体２側に突起11が形成さ
れている。構造上の相違はこの点のみで、他の部分は第
１の実施例と同じである。

本発明の第２の実施例の製造手順は、高熱伝導誘電体
基体６として突起10のないものを使用し、パツケージ函
体２として突起11をあらかじめ形成したものを使用する
こと以外は既に述べた第１の実施例と同じであるので、
省略する。

本構造体の利点は、第１の実施例と同じく、突起11が
パツケージ函体２のプレス時に形成されているためにプ
ロセスが簡略なことである。また、高熱伝導誘電体基体
６のように焼結体でないので、プレスの型を作るほどの
生産規模でない場合には機械加工やエツチングにより突
起11を形成することも可能である点が第１の実施例より
も有利な点である。その反面、半導体チツプ１と突起11
との位置合わせが、高熱伝導誘電体基体６とパツケージ
函体２との位置ずれのために困難なことが第１の実施例
よりも不利な点である。

実施例３ 本発明の第３の実施例を第７図に従つて説明する。第
７図は本発明の一実施の態様を示す断面図であり、符号
12は突起用部材、13はろう材を意味し、その他は前記の
とおりである。本実施例では、第１の実施例と異なり、
高熱伝導誘電体基体６に突起10ではなく、突起用部材12
をろう材13で接着した構造になつている。構造上の相違
はこの点のみで、他の部分は第１の実施例と同じであ
る。

本発明の第３の実施例の製造手順は、高熱伝導誘電体
基体６の突起を形成する部分にあらかじめモリブデン−
マンガンの焼結メタライズ等のろう付けに耐えられるメ
タライズ（図示せず）を施し、突起用部材12（予めニツ
ケルめつきを施した銅箔）をろう付けした後、半導体チ
ツプ１搭載面に電子ビーム蒸着によつてチタン−白金−
金のはんだ付け電極（図示せず）を形成する。その後は
第１の実施例と同じであるので省略する。

本構造体の第１の実施例よりも有利な点は、突起用部
材12を高熱伝導誘電体基体６の焼結後に形成するため、
少量の生産ではコストが小さく抑えられることである。
しかし、その反面、プロセスが複雑になるという欠点も
合わせ持つている。

実施例４ 本発明の第４の実施例を第８図に従つて説明する。第
４図は本発明の一実施の態様を示す断面図であり、符号
は前記のとおりである。本実施例では、第３の実施例と
異なり、高熱伝導誘電体基体６でなく、パツケージ函体
２側に突起用部材12が形成されている。構造上の相違は
この点のみで、他の部分は第１の実施例と同じである。

本発明の第４の実施例の製造方法は、あらかじめパツ
ケージ函体２に突起用部材12（あらかじめニツケルめつ
きを施した銅箔）をろう付けした後、第１の実施例ある
いは第２の実施例と同じ手順となる。

本構造体の第２の実施例よりも有利な点は、突起用部
材12をパツケージ函体２のプレス時あるいはその後の機
械加工等によつて作製する必要がなく、少量の生産では
コストが小さく抑さえられることである。しかし、その
反面、プロセスが複雑になるという欠点も合わせ持つて
いる。

また、本構造体の第３の実施例よりも有利な点は、高
熱伝導誘電体基体６の突起を形成する部分にあらかじめ
モリブデン−マンガンの焼結メタライズ等のろう付けに
耐えられるメタライズ（図示せず）を施す必要がないこ
とである。その反面、半導体チツプ１と突起用部材12と
の位置合わせが、高熱伝導誘電体基体６とパツケージ函
体２との位置ずれのために困難なことが第３の実施例よ
りも不利な点である。

実施例５ 本発明の第５の実施例を第９図に従つて説明する。第
９図は本発明の一実施の態様を示す断面図であり、符号
14は挿入用部材を意味し、他は前記のとおりである。本
実施例では、第１〜第４の実施例と異なり、突起を高熱
伝導誘電体基体６、パツケージ函体２のいずれにも固定
しない挿入用部材14としている。

本実施例の製法は、いままでのどの実施例よりも簡便
である。基本的には第１の実施例の手順と同じである。
ただし、において、パツケージ函体２に高熱伝導誘電
体基体６を有機接着剤７で接着する際に、挿入用部材14
をパツケージ函体２と高熱伝導誘電体基体６の間に位置
決めをしながら挟み込む作業が本法のネツクである。パ
ツケージ函体２及び高熱伝導誘電体基体６のどちらか一
方又は両方に、挿入用部材14を位置決めするための凹部
を設けるとこの点の解決が図られ、更にプロセスが簡略
化される。

本実施例では、第１〜第４の実施例と異なり、固定さ
れない挿入用部材14を用いるので、歩留りよく作製でき
ればプロセスが簡略であり、他の実施例よりも優れてい
る。

以上述べた実施例では、半導体チツプ１を３個配置し
た半導体装置について説明しているが、これに限る必要
はない。もちろん、単独の半導体チツプ１で構成された
半導体装置、あるいは３個以外の複数個の半導体チツプ
１で構成された半導体装置も本発明の基本的な構成に含
まれる。

また、薄い接着層701と厚い接着層702を同時に形成す
るための突起あるいは接着部材は、高熱伝導誘電体基体
６あるいはパツケージ函体２に単独に形成することが必
須ではなく、第１〜第４の実施例を組合せた構造ももち
ろん本発明に含まれる。当然、第５の実施例と第１〜第
４の実施例を組合せた構造も本発明に含まれる。

第３、第４の実施例において、突起用部材12をろう材
13で接着する構造でなくても、結果的に突起が形成され
れば他の構造を採用してもよい。例えば、印刷による厚
膜導体、ろう材あるいははんだのみ、金属箔の拡散接
合、蒸着、めつき等によるメタライズ層が突起構成部材
として挙げられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱伝導率の小さい樹脂を使用して
も、熱流の集中する領域においてその厚さを常に小さく
保ちながら、発生する気泡を厚い部分に取り込むことが
でき、半導体装置の熱抵抗を小さく保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施の態様を示す断面図、第２図は
従来例を示す断面図、第３図は本発明の半導体装置の作
用を示す断面図、第４図は第３図の高熱伝導率の物質中
の左右方向の熱流束と熱の拡がり範囲の関係を示すグラ
フ、第５図〜第９図は本発明の一実施の態様を示す断面
図である。 1:半導体チツプ、2:パツケージ函体、3:伝熱部材、4:細
線、5:はんだ、6:高熱伝導誘電体基体、7:有機接着剤、
8:高熱伝導率の物質、9:低熱伝導率の物質、10及び11:
突起、12:突起用部材、13:ろう材、14:挿入用部材、15:
気泡、101:半導体チツプ表面（回路形成面）、102:半導
体チツプ裏（ダイボンド面）、701:薄い接着層、702:厚
い接着層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 明 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 正昭 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体装置内部の発熱体を比較的熱伝導率
   の大きい誘電体基体に固定し、前記誘電体基体を比較的
   熱伝導率の小さい接着層を介して半導体装置外部函体に
   固定する構造の半導体実装構造体において、該接着層の
   うち該発熱体の下側に相当する部分の厚さが、その他の
   部分の厚さよりも薄いことを特徴とする高熱伝導半導体
   実装構造体。
2. 【請求項２】該誘電体基体の該発熱体の下側の該接着層
   に接する面に突起が設けられている特許請求の範囲第１
   項記載の高熱伝導半導体実装構造体。
3. 【請求項３】該半導体装置外部函体の該発熱体の下側の
   該接着層に接する面に突起が設けられている特許請求の
   範囲第１項記載の高熱伝導半導体実装構造体。
4. 【請求項４】該誘電体基体の該発熱体の下側の該接着層
   に接する面に比較的熱伝導率の大きい部材が接着されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の高熱伝導半導体実装構
   造体。
5. 【請求項５】該半導体装置外部函体の該発熱体の下側の
   該接着層に接する面に比較的熱伝導率の大きい部材が接
   着されている特許請求の範囲第１項記載の高熱伝導半導
   体実装構造体。
6. 【請求項６】該接着層の該発熱体の下側に比較的熱伝導
   率の大きい部材が挿入されている特許請求の範囲第１項
   記載の高熱伝導半導体実装構造体。
7. 【請求項７】該接着層の該発熱体の下側の厚さが30μｍ
   以下であると同時に、該接着層の該発熱体の下側以外の
   厚さが100μｍ以上である特許請求の範囲第１項〜第６
   項のいずれか１項に記載の高熱伝導半導体実装構造体。