JP4860695B2

JP4860695B2 - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP4860695B2
Application number: JP2008520088A
Authority: JP
Inventors: 正輝小出
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: JPWO2007141851A1; WO2007141851A1; US20090079062A1

Description

本発明は、半導体パッケージに関し、更に詳しくは、半導体デバイスの発熱に対する耐久性と放熱特性の両方を向上させた半導体パッケージに関するものである。

近年、半導体デバイスの集積化、動作周波数の高速化の進展により、半導体デバイスで発生する熱の放散が重要な問題となっている。半導体デバイスの放熱を行うために、半導体デバイスのパッケージの一部を、放熱用のヒートスプレッダとして半導体デバイスに接合することが一般に行われている。

ヒートスプレッダは、主に、半導体デバイスに貼り付けられて、半導体デバイス自身で発生する熱を放散する役割を持ち、半導体デバイスを保護するものである。そして、ヒートスプレッダは、半導体デバイスが取り付けられるパッケージ基板とともに、半導体デバイスを封止することもある。
そこで、半導体デバイスの作動によって発生する熱が繰り返し加えられると、パッケージ基板の熱膨張率とヒートスプレッダの熱膨張率の差によって、パッケージ基板に熱応力が掛かる。そのため、半導体デバイスが作動と停止を交互に繰り返すと、半導体デバイスの接続端子とパッケージ基板の接続端子とを接続するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等に過大な負荷が掛かり、その接続が破壊されるおそれがある。
同様に、パッケージ基板の接続端子と、そのパッケージ基板が取り付けられる配線基板の接続端子との接続が破壊されるおそれがある。特に、屋外に設置する機器では、季節によっては機器の内部温度が非常に高温となってしまうため、半導体デバイスの発熱に対する耐久性に優れた半導体パッケージが必須となる。そこで、ヒートスプレッダは、熱伝導性に優れるだけでなく、低い熱膨張率を有していることが望ましい。

例えば、特開２００１−１０２４７５号公報に記載された半導体パッケージでは、半導体デバイスを取り付ける絶縁基板の４０℃〜１５０℃における熱膨張係数を８〜２０ｐｐｍ／℃とし、高熱伝導性蓋体（ヒートスプレッダ）を、アルミニウムシリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のような絶縁基板よりも低い熱膨張係数を有する材料によって形成している。

ここで、この半導体パッケージでは、ヒートスプレッダと半導体デバイスは、高熱伝導性の樹脂によって接着されている。しかし、樹脂材料の熱伝導性は、ヒートスプレッダに用いられる合金よりも劣る。そのため、半導体パッケージの放熱効率をさらに向上するために、ヒートスプレッダと半導体デバイスの接合部にも、より熱伝導性のよい材料を用いることが好ましい。

一方、特開平５−４１４７１号公報に記載された半導体集積回路装置では、半導体チップと窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成された放熱用のキャップを、熱伝導性に優れた半田で接合している。例えば、ヒートスプレッダと半導体デバイスの接合に用いられる、シリコン系樹脂接着剤の熱伝導率は約０．５Ｗ／ｍＫである。一方、錫−鉛系の半田では、熱伝導率が３１．５Ｗ／ｍＫのものがあり、またインジウム−銀系の半田では、熱伝導率が４８．２Ｗ／ｍＫのものがある。このように、樹脂系接着剤を用いる代わりに、半田を用いることにより、半導体が発生する熱を効率良くヒートスプレッダに伝達させることができる。さらに、キャップの表面には、チタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）／Ａｕからなる接合用金属層を設け、半田の濡れ性を向上させている。

上記の技術は、それぞれ半導体デバイスの発熱に対する耐久性の向上及び放熱特性の向上を達成する。しかしながら、集積化が進み、発熱量の増大した半導体デバイスに対して、耐久性の向上及び放熱特性の向上の二つの課題を共に解決する半導体パッケージの開発が望まれている。

上記に鑑み、本発明は、半導体デバイスの発熱に対する耐久性を向上させつつ放熱特性を向上させた半導体パッケージを提供することを目的とする。また本発明は、環境温度の高い例えば屋外での使用にも適した半導体パッケージ及び電子装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る半導体パッケージは、半導体デバイスを取り付けるパッケージ基板と、少なくとも前記半導体デバイスの表面に接合され、前記パッケージ基板の熱膨張係数値以下の熱膨張係数値を有するヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの前記半導体デバイスとの接合面に設けられる金属層と、前記金属層と前記半導体デバイスの間に形成され、前記ヒートスプレッダを前記半導体デバイスに接合する半田層と、を有し、前記ヒートスプレッダは、アルミニウムシリコンカーバイド又はダイヤモンド複合材で構成され、前記ヒートスプレッダの接合面の表面粗さは、平均粗さで１．６μｍ以下であり、前記金属層は、金又はニッケルで構成され、前記半田層の厚さは、４００μｍより４６０μｍである、ことを特徴とする。

本発明の別の一形態に係る電子装置は、少なくとも一つの電子回路素子を備えた回路基板と、半導体デバイスと、前記回路基板に取り付けられ、前記半導体デバイスを内包する半導体パッケージであって、前記半導体デバイスを取り付け、前記半導体デバイスが有する接続端子を前記回路基板に設けられた配線と電気的に接続するパッケージ基板と、少なくとも前記半導体デバイスの表面上に接合され、前記パッケージ基板の熱膨張係数値以下の熱膨張係数値を有するヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの前記半導体デバイスとの接合面に設けられる金属層と、前記金属層と前記半導体デバイスの間に形成され、前記ヒートスプレッダを前記半導体デバイスに接合する半田層とを有する半導体パッケージと、を有し、前記ヒートスプレッダは、アルミニウムシリコンカーバイド又はダイヤモンド複合材で構成され、前記ヒートスプレッダの接合面の表面粗さは、平均粗さで１．６μｍ以下であり、前記金属層は、金又はニッケルで構成され、前記半田層の厚さは、４００μｍより４６０μｍである、ことを特徴とする。

上記のように、集積化が進み、発熱量の増大した半導体デバイスに対して使用する半導体パッケージは、半導体デバイスの発熱に対する耐久性に優れ、且つ良好な放熱特性を有する必要がある。しかしながら、従来の半導体パッケージでは、耐久性と放熱特性の両方に優れた半導体パッケージは存在しなかった。
一方、本発明による半導体パッケージの一実施例では、パッケージ基板よりも熱膨張率の低い材料、例えばアルミニウムシリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）でヒートスプレッダを構成することにより、パッケージ基板に掛かる熱応力を低減しており、その結果、半導体デバイスの発熱に対する耐久性に優れている。また、本発明による半導体パッケージにおいては、ヒートスプレッダと半導体デバイスを、熱伝導に優れた半田を用いて接合することにより、半導体デバイスで発生した熱の放熱特性を向上させている。そのため、本発明による半導体パッケージは、半導体デバイスの発熱に対する良好な耐久性を有しつつ放熱特性に優れている。

Ｆｉｇ．１に、本発明による半導体パッケージの一実施例の概略側面断面図を示す。本発明による半導体パッケージの一実施例である半導体パッケージ１は、半導体デバイス１３を取り付けるパッケージ基板１０と、半導体デバイス１３が発生する熱を放散するヒートスプレッダ１４を有する。

半導体デバイス１３は、パッケージ基板１０上に配置される。そして、半導体デバイス１３とパッケージ基板１０の間には、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）１１が形成されており、半導体デバイス１３の接続端子は、ＢＧＡ１１を介してパッケージ基板１０の絶縁体内部に形成される金属配線２０を電気的に接続されている。さらに、パッケージ基板１０と半導体デバイス１３の間には、樹脂材料で構成されるアンダーフィル剤１２が充填され、ＢＧＡ１１を補強している。

また、パッケージ基板１０の下面には、回路基板１９に形成される配線パターンと電気的に接続するために、ＢＧＡ１８が形成される。さらに、パッケージ基板１０の各金属配線２０の上端はＢＧＡ１１と電気的に接続され、一方、各金属配線２０の下端はＢＧＡ１８と電気的に接続される。したがって、半導体デバイス１３の各接続端子がＢＧＡ１１と電気的に接続されることにより、金属配線２０及びＢＧＡ１８を介して回路基板１９と電気的に接続される。なお、パッケージ基板１０は、絶縁基板であり、ガラス−エポキシ樹脂、ガラス−ポリイミド樹脂などの有機樹脂、セラミックなど、一般に使用される材料で構成される。本実施形態では、該絶縁基板の材料として、熱膨張係数が約２５ｐｐｍ／℃のガラス−エポキシ樹脂を使用した。

一方、半導体デバイス１３の上部には、ヒートスプレッダ１４が配置される。ヒートスプレッダ１４の表面には金属層１５が形成される。そして、ヒートスプレッダ１４は、その下面略中央部に設けられた接合面１４ａにおいて、金属層１５及び半田層１６を介して半導体デバイス１３の上面と接合され、半導体デバイス１３が発生した熱を放散する。また、ヒートスプレッダ１４の周辺部には、パッケージ基板１０側へ厚みを増した脚部１４ｂが形成される。そしてヒートスプレッダ１４は、半導体デバイス１３の周囲を囲むように、脚部１４ｂにおいて接着剤１７でパッケージ基板１０と接着され、半導体デバイス１３を封止する。本実施形態では、ヒートスプレッダ１４は、熱伝導率が約１５０Ｗ／ｍＫであり、熱膨張係数が約１１ｐｐｍ／℃であるＡｌＳｉＣで構成される。このように、ヒートスプレッダ１４に使用されるＡｌＳｉＣは、良好な熱伝導性を有する。そのため、半導体デバイス１３が発生した熱を効率よく放散できる。また、そのＡｌＳｉＣの熱膨張係数は、パッケージ基板１０の熱膨張係数以下である。そのため、半導体デバイス１３が発生する熱によりパッケージ基板１０に加えられる熱応力を低減することができる。また、ＬＳＩへの熱応力の負荷も小さい。

また、ヒートスプレッダ１４と金属層１５との密接性を考慮するならば、ヒートスプレッダ１４の接合面１４ａの表面粗さは小さい方が好ましい。本実施形態では、ヒートスプレッダ１４の接合面１４ａを研磨することにより、接合面１４ａの表面粗さを算術平均粗さ（ＪＩＳＢ０６０１、ＪＩＳＢ００３１参照）で１．６μｍ以下となるようにした。

ヒートスプレッダ１４の表面に形成された金属層１５は、ヒートスプレッダ１４と半導体デバイス１３との半田接合を容易にしている。金属層１５は、半田の濡れ性が良好な金属、例えば、金、ニッケルなどで形成される。また金属層１５は、ヒートスプレッダ１４の表面に金属メッキを施すことによって形成できる。本実施形態では、図１に示されるように金属層１５をヒートスプレッダ１４の表面全体に形成したが、金属層１５を、半導体デバイス１３との接合面１４ａのみに形成してもよい。

なお、ヒートスプレッダ１４の形状、大きさ、厚さは、半導体パッケージ１の特性又は仕様にあわせて任意に調整される。特に、ヒートスプレッダ１４を加工性に優れたＡｌＳｉＣで構成しているため、ヒートスプレッダ１４を比較的複雑な形状にしても、低コストで作成することができる。さらに、ＡｌＳｉＣは、銅等と比較して軽量であるため、ヒートスプレッダ１４の重量による半導体デバイス１３に対する圧力も相対的に小さい。その結果、ＢＧＡ１１に掛かる圧力も相対的に小さくなるため、ＢＧＡ１１の各半田ボールの変形量も少なくなって、半導体デバイス１３とパッケージ基板１０との電気的接続の信頼性も向上する。

半導体デバイス１３とヒートスプレッダ１４を接合する半田層１６には、半導体デバイス１３で発生した熱を効率良くヒートスプレッダ１４に伝達するために、熱伝導率が大きく、半導体デバイス１３及び金属層１５と接合性の良好な材質のものが使用される。本実施形態では、半田層１６には、インジウム−銀系の半田が使用される。しかし、半田層１６はこれに限られず、例えば、錫−銅−銀系の半田や、錫−鉛系の半田を使用してもよい。

また、半田層１６は、所定以上の厚さを有することが好ましい。半導体デバイス１３の熱膨張率とヒートスプレッダ１４の熱膨張率の差異のために、温度変化によってヒートスプレッダ１４と半導体デバイス１３の接合が破壊されないようにするためである。半田層１６が適度な厚さを有することにより、熱膨張によって半導体デバイス１３とヒートスプレッダ１４の接合部に生じる歪みを吸収することができる。
熱サイクル試験（−１０℃〜＋１００℃／３００ｃｙｃｌｅ）を実施し、熱応力が５．０４ＭＰａ以上であると、半田層１６が破壊されることが判明した。半田層１６の中央から半田層１６の角までの各距離に対して半田層に働く熱応力を、半田層１６の厚さｔを変えて、シミュレーション（熱サイクル−１０℃〜＋１００℃／３００ｃｙｃｌｅ）により求めた結果を図２に示す。図２において、横軸は、半導体デバイス１３の中央部からの距離を表し、縦軸は、半田層１６に加わる熱応力を表す。また、各グラフ２０１、２０２、２０３、及び２０５は、それぞれ、半田層１６の厚さが１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、５００μｍ及び７５０μｍの場合のシミュレーション結果を表す。半田層１６が破壊される熱応力５．０４ＭＰａは、厚さ３００μｍの半田層１６の最大熱応力に相当するので、余裕をみて半田層１６の下限を４００μｍとした。半田層１６の熱抵抗を０．０８℃／Ｗ以下にするため、半田層１６の厚さの上限を４６０μｍとした。従って、本実施形態では、半田層１６の厚さを４００μｍより４６０μｍとした。

以上説明してきたように、本発明による半導体パッケージの一実施例である半導体パッケージ１は、ヒートスプレッダを熱膨張率の小さいＡｌＳｉＣで構成し、且つ半導体デバイスとヒートスプレッダを半田で接合したことにより、半導体デバイスの発熱に対する良好な耐久性と、良好な放熱特性の両方を具備するものである。また半導体パッケージ１は、半導体デバイスの発熱に対する耐久性に優れるため、屋外に設置される電子装置において好適に使用される。

尚、以上の説明は、例示を目的とするものであり、この例示に限定されるものではない。例えば、ヒートスプレッダに使用できる材料はＡｌＳｉＣに限られない。他の例として、ヒートスプレッダをSkelton technology社から提供されている、ＳｃＤ（Skelton cemented Diamond）（熱伝導率約６００Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数約５ｐｐｍ／℃）を使用することもできる。

また、ヒートスプレッダの半導体デバイスとの接合面の各角部に突起を設けてもよい。係る突起を設けることにより、半導体デバイスとヒートスプレッダの接合面とを一定以上の間隔に保つことができる。さらに、半導体デバイスとパッケージ基板間の接続、及びパッケージ基板と配線基板の接続に、ピングリッドアレイなど、別の接続技術を使用してもよい。このように、本発明の範囲において、様々な構成を得ることが可能である。

Ｆｉｇ．１は、本発明による半導体パッケージの一実施例の概略側面断面図である。Ｆｉｇ．２は、半田層に加わる熱応力についての熱サイクル試験のシミュレーション結果を示す図である。

Claims

半導体デバイスを取り付けるパッケージ基板と、
少なくとも前記半導体デバイスの表面に接合され、前記パッケージ基板の熱膨張係数値以下の熱膨張係数値を有するヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの前記半導体デバイスとの接合面に設けられる金属層と、
前記金属層と前記半導体デバイスの間に形成され、前記ヒートスプレッダを前記半導体デバイスに接合する半田層と、を有し、
前記ヒートスプレッダは、アルミニウムシリコンカーバイド又はダイヤモンド複合材で構成され、
前記ヒートスプレッダの接合面の表面粗さは、平均粗さで１．６μｍ以下であり、
前記金属層は、金又はニッケルで構成され、
前記半田層の厚さは、４００μｍより４６０μｍである、ことを特徴とする半導体パッケージ。
半導体デバイスを取り付けるパッケージ基板と、
前記半導体デバイスと接合され、且つ前記半導体デバイスの周囲で前記パッケージ基板と接着され、アルミニウムシリコンカーバイド又はダイヤモンド複合材で構成されるヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの前記半導体デバイスとの接合面に設けられる金属層と、
前記金属層と前記半導体デバイスの間に形成され、前記ヒートスプレッダを前記半導体デバイスに接合する半田層と、を有し、
前記ヒートスプレッダの接合面の表面粗さは、平均粗さで１．６μｍ以下であり、
前記金属層は、金又はニッケルで構成され、
前記半田層の厚さは、４００μｍより４６０μｍである、ことを特徴とする半導体パッケージ。
前記ヒートスプレッダは、前記半導体デバイスに向かって突出する凸状部を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
少なくとも一つの電子回路素子を備えた回路基板と、
半導体デバイスと、
前記回路基板に取り付けられ、前記半導体デバイスを内包する半導体パッケージであって、
前記半導体デバイスを取り付け、前記半導体デバイスが有する接続端子を前記回路基板に設けられた配線と電気的に接続するパッケージ基板と、
少なくとも前記半導体デバイスの表面上に接合され、前記パッケージ基板の熱膨張係数値以下の熱膨張係数値を有するヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの前記半導体デバイスとの接合面に設けられる金属層と、
前記金属層と前記半導体デバイスの間に形成され、前記ヒートスプレッダを前記半導体デバイスに接合する半田層とを有する半導体パッケージと、を有し、
前記ヒートスプレッダは、アルミニウムシリコンカーバイド又はダイヤモンド複合材で構成され、
前記ヒートスプレッダの接合面の表面粗さは、平均粗さで１．６μｍ以下であり、
前記金属層は、金又はニッケルで構成され、
前記半田層の厚さは、４００μｍより４６０μｍである、ことを特徴とする電子装置。
前記ヒートスプレッダは、前記半導体デバイスに向かって突出する凸状部を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の電子装置。