JP3285763B2

JP3285763B2 - 半導体装置

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Publication number: JP3285763B2
Application number: JP16314796A
Authority: JP
Inventors: 俊一藤井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2016-06-24
Also published as: JPH1012780A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板上に半導体素子
をフリップチップ実装した半導体装置に関し、特に基板
上にフリップチップ実装した半導体素子の上面に放熱部
材を取着して成る半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路素子等の半導体素子は、
一般に半導体素子収納用パッケージに収容され、あるい
は実装回路基板上に直接に実装されて半導体装置として
使用される。その実装法として最近では、実装密度に優
れ、高密度に形成された電極の接続にも対応できるフリ
ップチップ実装が広く採用されている。

【０００３】一方、フリップチップ実装された半導体素
子についても高集積化・処理速度の高速化・高出力化が
要求されている結果、半導体素子からの発熱による温度
上昇が問題となっており、その対策として半導体素子収
納用パッケージの外面を気流で冷却したり、外面に放熱
フィンを接着したり、あるいは半導体素子の裏面に熱伝
導率の高い熱伝プレートやヒートシンク板等を接着して
その一面がパッケージの外側に露出するように封止して
放熱させるといった構成が採られている。

【０００４】これら放熱フィンや熱伝プレート・ヒート
シンク板等には、熱伝導率・強度・加工性・気密性・コ
スト等の点から、一般にアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃ
ｕ）といった金属製のもの、あるいはタングステン
（Ｗ）とＣｕとの複合板材等が用いられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
素子収納用パッケージの外面を気流で冷却したり、外面
に放熱フィンを接着したりするものでは、セラミックや
プラスチック等の熱伝導率の低いパッケージ材料を介し
て放熱が行なわれるため放熱の効率が悪く、また別体の
放熱フィン等を後付けするため、全体の容積や重量が増
大してしまうという問題点があった。

【０００６】一方、半導体素子の裏面に接着される金属
製の熱伝プレートやヒートシンク板等は半導体素子との
熱膨張率の差が大きいため、半導体素子からの発熱によ
る温度変化に伴う熱応力が大きくなり、接着面の剥離や
半導体素子の変形・破損を生じることがあるという問題
点があった。

【０００７】また、半導体素子を金属製の熱伝プレート
やヒートシンク板等に接着するには熱硬化性樹脂等が用
いられるが、これらの樹脂は熱伝導率が低いため、接着
を強固にし、あるいはその樹脂層で熱応力を緩和するた
めに樹脂の量を増すと、放熱特性が低下してしまうとい
う問題点もあった。

【０００８】本発明は上記事情に鑑みて本発明者等が鋭
意研究を進めた結果完成したものであり、その目的は、
放熱部材による半導体素子の放熱特性を向上させるとと
もに放熱部材と半導体素子との間の熱応力を低減し、し
かも全体の容積・重量の増大も非常に小さいものとし
た、放熱特性が良く半導体素子の実装信頼性の高い半導
体装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
配線基板上にフリップチップ実装された半導体素子の上
面に、厚み方向に配列した炭素繊維を１〜10μｍの空孔
を有する多孔質の炭素で結合した一方向性複合材料から
成る厚みと直角方向の弾性率が５〜10ＧＰａの放熱部材
を取着したことを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明の半導体装置は、上記の構成
において前記放熱部材にその放熱部材による放熱を増大
させるための放熱補助部材を取着したことを特徴とする
ものである。

【００１１】さらに、本発明の半導体装置は、以上の構
成において前記配線基板が、無機絶縁物粉末を熱硬化性
樹脂により結合して成る絶縁基体に、銅粉末もしくは銀
粉末を低融点金属で接合した配線導体を樹脂により接着
させて成る配線基板であることを特徴とするものであ
る。

【００１２】本発明の半導体装置によれば、厚み方向に
配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料か
ら成る放熱部材はその厚み方向への熱伝導率が金属と同
程度以上に高く、かつ厚み方向と直角方向における熱膨
張率が小さくて半導体素子との熱膨張の差が小さく、し
かも金属製のものよりも軽いので、この放熱部材を配線
基板上にフリップチップ実装された半導体素子の上面に
取着せしめたことから、放熱特性が優れ、半導体素子と
の間の熱応力は小さく、しかも全体の容積・重量も小さ
いものとなる。

【００１３】また本発明によれば、放熱部材は厚み方向
に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料
から成ることからその表面は多孔質となり、そのため、
放熱部材を半導体素子に取着するために用いる接着剤を
放熱部材中に含浸させて強固に接着させることができ、
またそれにより接着剤の量を少なくすることができるの
で、放熱特性が良く半導体素子の実装信頼性の高い半導
体装置となる。

【００１４】さらに、放熱部材が炭素繊維を炭素で結合
したものであることから導電性を有しており、半導体素
子に取着するために用いる接着剤に導電性のものを用い
ることにより、実装された半導体素子の上面にグランド
層や電源層が形成されている場合、それらとの導通を確
保してグランド層や電源層の一部として使用することが
できるものとなる。

【００１５】また、本発明の半導体装置によれば、放熱
部材にその放熱部材による放熱を増大させるための放熱
補助部材を取着したことから、従来用いられていた熱伝
プレートやヒートシンク板を併用して放熱特性を向上さ
せたり半導体装置の設計の自由度を増したりすることが
できるものとなる。

【００１６】さらにまた、本発明の半導体装置によれ
ば、配線基板を、無機絶縁物粉末を熱硬化性樹脂により
結合して成る絶縁基体に銅粉末もしくは銀粉末を低融点
金属で接合した配線導体を樹脂により接着させて成る配
線基板としたことにより、配線基板が軽くかつ割れにく
くなり、配線基板の作製の際に焼成を必要としないため
焼成に伴う不均一な収縮による変形や寸法のばらつきが
発生することもなくなって、軽量・高信頼性でかつ配線
の高密度化が可能で配線設計の自由度の高い配線基板を
用いた、軽量・小型・高機能の半導体装置を得ることが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の半導体装置の一実施形態を
示す要部断面図である。同図に示した半導体装置１にお
いて、２は配線基板であり、３は配線基板２上にフリッ
プチップ実装された半導体素子、４は半導体素子３の上
面に取着された、厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で
結合した一方向性複合材料から成る放熱部材である。

【００１９】配線基板２は、例えば複数の絶縁層５が積
層され、その内部に回路配線としての導体層６が形成さ
れて成るものであり、導体層６の一部は配線基板２の表
面に導出されて外部回路と電気的に接続される。

【００２０】このような配線基板２としては、例えば厚
膜集積回路基板や多層セラミック配線基板、あるいはセ
ラミック・プラスチック複合配線基板といわれる、無機
絶縁物粉末を熱硬化性樹脂により結合して成る絶縁基体
に銅粉末もしくは銀粉末を低融点金属で接合した配線導
体を樹脂により接着させて成る配線基板、または多層プ
リント配線板、ＩＶＨ入り多層プリント配線板、薄膜多
層プリント配線板等の種々のものがあり、半導体素子収
納用パッケージや混成集積回路基板等に用いられるもの
である。

【００２１】中でも、配線基板２としてセラミック・プ
ラスチック複合配線基板を用いた場合には、以下のよう
な特長を有することから本発明の半導体装置に特に好適
である。

【００２２】絶縁層５となる絶縁基体が靱性に優れる
熱硬化性樹脂で無機絶縁物粉末を結合して形成されてい
ることから、軽くて衝撃にも強く、割れや欠け・クラッ
ク等が発生することがなくなる。

【００２３】導体層６となる配線導体を銅粉末もしく
は銀粉末を低融点金属で接合して形成したことから銅粉
末もしくは銀粉末間の電気的接続が確実となり、導体層
６の電気抵抗を極めて低抵抗とすることができる。

【００２４】配線基板２を得る際に焼成工程がないこ
とから、焼成に伴う不均一な収縮による変形や寸法のば
らつきが発生することがない。

【００２５】導体層６の絶縁層５を貫通する部分をビ
アホールで形成する場合にビアホールを垂直に積み上げ
る構造として積層することができ、設計の自由度が高
く、高密度実装への対応が可能となる。

【００２６】絶縁層５に導体層６を接着させるのに熱
硬化性樹脂を使用することにより、絶縁層５の前駆体シ
ートに熱硬化性樹脂前駆体と銅粉末もしくは銀粉末と低
融点金属とを混合して成る金属ペーストを印刷し、その
後、金属ペーストを熱処理して銅粉末もしくは銀粉末を
低融点金属で接合させる際、金属ペーストの熱硬化性樹
脂前駆体を熱硬化させることなく銅粉末もしくは銀粉末
を低融点金属で接合させることができ、銅粉末もしくは
銀粉末を低融点金属で十分に接合させた後、導体層６を
絶縁層５に強固に接着させることが可能となる。

【００２７】絶縁層５を形成する無機絶縁物粉末と熱
硬化性樹脂の選択によって絶縁層５の比誘電率を低誘電
率から高誘電率までの所望の値に設定することができ、
高誘電率とした場合には配線基板２の高さを低くしたサ
ンドイッチ構造とすることができる。

【００２８】このようなセラミック・プラスチック複合
配線基板に用いられる無機絶縁物粉末としては、例えば
酸化珪素・酸化アルミニウム・窒化アルミニウム・炭化
珪素・チタン酸バリウム・ゼオライト等があり、それら
を結合する熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂
・ポリイミド樹脂・ポリフェニレンエーテル樹脂等があ
る。また、銅粉末もしくは銀粉末を接合する低融点金属
としては鉛半田や鉛レス半田等がある。

【００２９】半導体素子３は、例えばシリコン基板に形
成されたＩＣ・ＬＳＩ等の集積回路等であり、その表面
に形成された電極パッドと配線基板２上の電極パッドと
を半田バンプ等の導体バンプ７で接続することにより、
配線基板２上にフリップチップ実装される。

【００３０】このようなフリップチップ実装としては種
々の方式をとることができ、例えば導電性ペースト接合
法・金（Ａｕ）バンプ圧接法・低融点バンプ接合法・導
電性粒子介在圧接法等によることができる。

【００３１】放熱部材４は、厚み方向に配列した炭素繊
維を炭素で結合した一方向性複合材料から成り、半導体
素子３の上面に熱硬化性樹脂等の接着剤８により取着さ
れている。

【００３２】放熱部材４をなす一方向性複合材料は、炭
素を主成分とする母材により厚み方向に配列した炭素繊
維を結合した板状のものである。その製造法としては例
えば特開平３−247563号・特開平５−51257 号等に開示
された方法があり、炭素繊維の長さ方向の熱伝導率が十
分に大きいものを用い、それらの結合母材として炭素を
用いることによって、放熱部材４の厚み方向の熱伝導率
を銅やアルミニウム等よりも大きいものとすることがで
きるとともに、厚みと直角方向の熱膨張率が10×10^-6／
Ｋ以下、好適には８×10^-6／Ｋ程度となって半導体素子
３の熱膨張率（Ｓｉの場合は約３×10^-6／Ｋ）との差が
小さくなり、半導体素子３からの発熱等による使用時の
温度変化に伴う熱応力が小さくなって熱歪みが小さくな
る。

【００３３】また、放熱部材４の厚みと直角方向の弾性
率が５〜10ＧＰａ程度と小さく、この方向の伸縮性があ
ることから熱応力を緩和する作用もあり、これによって
も半導体素子３との取着の信頼性が高いものとなる。

【００３４】さらに、結合母材として熱伝導率の高い炭
素を用いていることから炭素繊維の有する高い熱伝導率
を十分に発揮させることができ、焼成が容易でかつ成形
や切削加工を容易に行なうことができて半導体素子３の
形状・寸法や半導体装置１の仕様に応じた種々の形状・
寸法の放熱部材４を容易に得ることができる。

【００３５】また、上記のような一方向性複合材料から
成る放熱部材４は、その結合母材が１〜10μｍ程度の多
数の空孔を有する多孔質であるので、半導体素子３の上
面に取着させる際に接着剤８を放熱部材４に含浸させる
ことができ、金属製の放熱部材の場合に比べて接着剤８
の厚みを薄くして強固に取着することができて、接着剤
８による熱伝導への影響を低減することができる。

【００３６】従って、この放熱部材４によれば、単体で
の厚み方向の熱伝導率が500 Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、半
導体素子３との取着界面に接着剤８を含浸させた場合で
も、その含浸量を少なくすることができるため、200 Ｗ
／ｍ・Ｋ以上、好適には300Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率
を得ることができる。なお、熱伝導率が200 Ｗ／ｍ・Ｋ
未満であると、金属製の放熱部材よりも熱伝導率が劣る
ものとなって十分な放熱特性が得られない傾向があるた
め、200 Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要であり、300
Ｗ／ｍ・Ｋ以上であればアルミニウム製の放熱部材より
も良好な放熱特性が得られる。このような接着剤８の含
浸厚みとしては、接着剤８の特性にもよるが通常は300
μｍ以下、好適には50μｍ以下と設定するとよい。

【００３７】さらにまた、放熱部材４は結合母材として
炭素を用いていることから導電性を有しており、接着剤
８に導電性の接着剤を用いることにより半導体素子３の
上面に形成されたグランド層や電源層と電気的に接続す
ることができ、放熱部材４を介して半導体素子３と外部
回路のグランドや電源とを接続することもできる。

【００３８】接着剤８としては、熱硬化性樹脂による接
着剤、例えばエポキシ系樹脂・ポリイミド系樹脂・ポリ
イミドアミド系樹脂・シリコーン樹脂等を用いればよ
い。中でもシリコーン樹脂を用いると、熱応力の緩和に
優れ、作業性が良いといった点で好適となる。また、導
電性の接着剤としては、例えば導電性フィラーを含有さ
せたエポキシ系樹脂・ポリイミド系樹脂・ポリイミドア
ミド系樹脂・シリコーン樹脂等を用いればよく、中でも
エポキシ系樹脂を用いると、接着強度が強く、作業性が
良く、吸水性が少ないといった点で好適となる。

【００３９】そして、以上のようにフリップチップ実装
された半導体素子３とその上面に取着された放熱部材４
とを所望により封止樹脂９を用いて配線基板２に封止す
ることにより、半導体装置１が得られる。

【００４０】また、封止樹脂９によって半導体素子３と
放熱部材４とを密着させるようにして取着させてもよ
く、その場合には接着剤８が介在しないため、放熱部材
４の高い熱伝導率を低下させずに使用することができる
ものとなる。

【００４１】このような封止樹脂９としては、高耐水性
・高接着強度であり、Ｓｉ半導体素子と熱膨張率が近い
ものとして、例えばエポキシ系樹脂・フェノール系樹脂
・シリコーン系樹脂・ポリイミド系樹脂等を用いればよ
い。中でも、シリコーン系樹脂を用いると、樹脂の低応
力化が可能で、作業性が良く、吸水性が少ないといった
点で好適である。

【００４２】この封止樹脂９は、例えば配線基板２がパ
ッケージ収納用基板であり、この半導体装置１が半導体
素子収納用パッケージに収容されるような場合は、必ず
しも用いる必要はない。

【００４３】なお、封止樹脂９で封止する場合であって
も、気密性を要求されることがないことから放熱部材４
・10・11に気密性が要求されることはないため、多孔質
のままの厚み方向に優れた熱伝導率を有する状態の放熱
部材を使用することができ、気密性を得るために付加す
る層や材料などにより熱伝導率が低下したり熱膨張率が
影響を受けたりするようなことはない。

【００４４】また、放熱部材４の形状は図１に示した板
状のものに限られず、例えば図２に断面図で示す放熱部
材10のように、半導体素子３と取着される面と反対側に
溝加工を施してフィン状や格子状・くし歯状等とし、放
熱効率を高めるようにしてもよい。

【００４５】このような溝加工を施すには、例えば押し
出し成型・プレス成型・切削加工等の方法によればよ
い。

【００４６】また、図３に断面図で示す放熱部材11のよ
うに、板状の放熱部材４の上面（半導体素子３と取着さ
れる面と反対側の面）に、放熱部材４による放熱を増大
させるためのさらに他の材料から成る放熱補助部材12を
取着したものとしてもよい。

【００４７】これにより、熱伝導率は高いが半導体素子
３との熱膨張率の差が大きい放熱補助部材12であって
も、厚みと直角方向の弾性率が小さい放熱部材４を緩衝
部材として半導体装置１に使用することができ、放熱部
材４による放熱を増大することができて、放熱特性の一
層優れた半導体装置１とすることができる。

【００４８】このような放熱補助部材12としては、例え
ばアルミニウム（Ａｌ）・ＳｉＣ・Ｔ−ｃＢＮ等の材料
から成るものを用いることができる。

【００４９】さらにまた、放熱部材４あるいは放熱部材
10・11の上面側に適当な放熱手段や冷却手段を付加した
り気流で冷却したりすることによって、放熱をより一層
増大させることができるものとなる。

【００５０】

【実施例】次に、本発明の半導体装置について具体例を
説明する。

【００５１】以下のように、厚み方向に配列した炭素繊
維を炭素で結合した一方向性複合材料から成る厚み１ｍ
ｍの本発明の半導体装置に係る放熱部材を作製した。

【００５２】まず、厚み方向に束ねたカーボン繊維にカ
ーボンマトリックスを結合母材として含浸したシートを
作製し、このシートを所定のサイズに切断後、金型に積
み重ねて熱間プレスした。その後、3000℃以上の高温で
焼成した後、寸法が30ｍｍ角×厚み１ｍｍの大きさとな
るようにカーボン繊維を切断する方向に切断して、本発
明の半導体装置に係る放熱部材Ａを得た。

【００５３】また、このようにして得た放熱部材Ａの半
導体素子と取着させる面にエポキシ樹脂から成る接着剤
を含浸させ、その含浸厚みが５〜20μｍの範囲となるよ
うにした放熱部材Ｂおよび含浸厚みが30〜40μｍとなる
ようにした放熱部材Ｃを得た。

【００５４】さらに、比較例の放熱部材として、同じ形
状および寸法の銅板から成る放熱部材Ｄおよびアルミニ
ウム板から成る放熱部材Ｅも用意した。

【００５５】これら放熱部材Ａ〜Ｅについて、レーザー
フラッシュ法により厚み方向の熱伝導率を、微小定荷重
熱膨張計により厚みと直角方向の熱膨張率を測定した。
また、超音波パルス法により厚みと直角方向の弾性率を
測定した。その結果、それぞれについて次のような測定
値を得た。

【００５６】放熱部材厚み方向の厚みと直角方向厚みと直角方向熱伝導率の熱膨張率の弾性率（Ｗ／ｍ・Ｋ）（×10^-6／Ｋ）（ＧＰａ）Ａ（接着剤の含浸なし）５２０６７Ｂ（含浸厚み：５〜20μｍ）４００８１２Ｃ（含浸厚み：30〜40μｍ）３００１０１５Ｄ（銅板製）４００１７１２０Ｅ（アルミニウム板製）２４０２４６９これらの結果より、本発明の半導体素子に係る放熱部材
によれば、厚み方向の熱伝導率が高く、厚みと直角方向
の熱膨張率が小さく、かつ厚みと直角方向の弾性率が小
さくて、シリコン等から成る半導体素子に直接取着して
使用する放熱部材として優れた特性を有していることが
分かる。

【００５７】次いで、配線基板上にフリップチップ実装
したシリコンから成る半導体素子の上面に、放熱部材Ａ
〜Ｃを、それぞれＡは封止樹脂（銀粉または銅粉または
アルミ粉入りシリコーン樹脂）により密着させて、また
Ｂ・Ｃは含浸させた接着剤により接着して取着し、熱抵
抗の測定により放熱特性を、および−65〜＋125 ℃での
500 サイクル熱衝撃試験により信頼性を評価した。その
結果、いずれも放熱特性がよく、かつ半導体素子との接
続はがれ等の発生もない優れた評価結果となり、本発明
の半導体装置によれば、放熱特性が良く、高信頼性の半
導体装置が得られる事が確認できた。

【００５８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の半導体装置
によれば、厚み方向に配列した炭素繊維を１〜10μｍの
空孔を有する多孔質の炭素で結合した一方向性複合材料
から成る厚みと直角方向の弾性率が５〜10ＧＰａの放熱
部材を配線基板上にフリップチップ実装された半導体素
子の上面に取着せしめたことから、放熱特性が優れ、半
導体素子と放熱部材との間の熱応力が小さく、しかも全
体の容積・重量も小さい、実装信頼性の高い半導体装置
を提供することができた。

【００５９】また本発明によれば、放熱部材の表面が多
孔質であることから、放熱部材を半導体素子に取着する
ために用いる接着剤を放熱部材中に含浸させて強固に接
着させることができ、またそれにより接着剤の量を少な
くすることができて、それによっても放熱特性が良く半
導体素子の実装信頼性の高い半導体装置を提供すること
ができた。

【００６０】さらに、本発明の半導体装置によれば、放
熱部材が導電性を有していることから、半導体素子に取
着するために用いる接着剤に導電性のものを用いること
により、実装された半導体素子の上面にグランド層や電
源層が形成されている場合にそれらとの導通を確保して
グランド層や電源層の一部として使用することができる
ものとなる。

【００６１】また、本発明の半導体装置によれば、放熱
部材にその放熱部材による放熱を増大させるための放熱
補助部材を取着したことから、従来用いられていた熱伝
プレートやヒートシンク板を併用して放熱特性を向上さ
せたり半導体装置の設計の自由度を増したりすることが
できるものとなる。

【００６２】さらにまた、本発明の半導体素子によれ
ば、配線基板をいわゆるセラミック・プラスチック複合
配線基板としたことから、配線基板が軽くかつ割れにく
くなり、配線基板の作製の際に焼成を必要としないため
焼成に伴う不均一な収縮による変形や寸法のばらつきが
発生することもなくなって、軽量・高信頼性でかつ配線
の高密度化が可能で配線設計の自由度の高い、軽量・小
型・高機能の半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の一実施形態を示す要部断
面図である。

【図２】本発明の半導体装置に係る放熱部材の例を示す
断面図である。

【図３】本発明の半導体装置に係る放熱部材の他の例を
示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・・・・・半導体装置２・・・・・・・配線基板３・・・・・・・半導体素子４、10、11・・・放熱部材５・・・・・・・絶縁層（絶縁基体）６・・・・・・・導体層（配線導体） 12・・・・・・・補助放熱部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473 C04B 35/83

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】配線基板上にフリップチップ実装された
半導体素子の上面に、厚み方向に配列した炭素繊維を１
〜１０μｍの空孔を有する多孔質の炭素で結合した一方
向性複合材料から成る厚みと直角方向の弾性率が５〜１
０ＧＰａの放熱部材を取着したことを特徴とする半導体
装置。
【請求項２】前記放熱部材に該放熱部材による放熱を
増大させるための放熱補助部材を取着したことを特徴と
する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】前記配線基板が、無機絶縁物粉末を熱硬
化性樹脂により結合して成る絶縁基体に、銅粉末もしく
は銀粉末を低融点金属で接合した配線導体を樹脂により
接着させて成る配線基板であることを特徴とする請求項
１または請求項２記載の半導体装置。