JP7176048B2 - 半導体ダイと受動熱交換器との間に熱界面接合を形成するための装置及び方法 - Google Patents

半導体ダイと受動熱交換器との間に熱界面接合を形成するための装置及び方法 Download PDF

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Description

本開示の技術は、概略的には回路のためのアセンブリシステム及び方法に関する。より具体的には、いくつかの実施形態は、半導体ダイを受動熱交換器に接合させるための装置及び方法に関する。
熱の放散は、半導体及びパワーデバイスの寿命及び信頼性を維持する上で不可欠である。半導体デバイスの小型化及び性能の向上に伴い、熱交換器又はヒートシンク（ヒートスプレッダ又はリッドとも呼ばれる）は、放熱のためのメカニズムを提供する様々な用途でより一般的となっている。熱界面材料は、熱を発生する半導体デバイスとこれに付随するヒートシンクとの間で広く使用されている。熱界面材料を使用して、デバイスからヒートシンクへの熱伝導をより効率的で信頼性の高いものとすることができる。一般的な熱界面材料は金属ベースであり、ポリマーベースの熱界面材料と比較すると伝導性が非常に高い。
インジウム金属は、１）競合する熱界面材料と比較して熱伝導性が比較的高い、２）流動応力が低い／展性が高い、３）外部の機械的な固定メカニズムを用いることなくこの種類の用途において許容可能な機械的強度を有する、４）通常の使用中に接合領域外に移動したり、エアポケットが発生したりしない固体材料である、という特性の組み合わせにより、熱界面材料としてしばしば使用される。インジウムは、その延性と熱伝導性により、圧縮性の熱界面材料として理想的である。
インジウム金属を使用する従来の熱界面では、半導体ダイが裏面メタライゼーションを有することが必要である。このメタライゼーションは通常、１）反応層、２）バリア層、３）パッシベーション層の３つの部分で構成されている。集積回路の裏面の一般的なメタライゼーションは、例えば、（それぞれダイ表面から）チタン、ニッケル及び金であり得るが、数多くのその他の材料を使用して、同じ又は類似の機能を提供することができる。
インジウムは、半導体ダイの二酸化ケイ素表面などの非金属表面に接合する。インジウムの非金属への接合強度は、所望の機械的取り付けを達成するには十分であるが、そのような部品では、高温での加工及びダイ上のインジウム材料の必要とされるスクラブを行うことが現在のところできない。
図１は、半導体ダイ加工のプロセスの一例を示す図である。ここで図１を参照すると、この例では、工程１２２で、ダイを、ダイのアクティブサービス上のＩ／Ｏを介した取り付けなどによって基板に取り付ける。例えば、フリップチップ取り付けプロセスによって基板にダイを取り付けてもよい。次に、工程１２４で、アセンブリをリフローして、ダイをパッケージ基板に接合させる。次に、アセンブリを洗浄し、工程１２６で、特殊なポリマーをアンダーフィルすることなどによってアンダーフィルしてもよい。工程１２８で、基板が回路基板に接合することができるように、はんだボールが基板の半導体ダイとは反対の側に配置される。したがって、工程１３０では、パッケージをリフローして、ボールを基板に接合させる。その後、アセンブリを洗浄して、使用可能な状態としてもよい。
図２は、回路基板に取り付けられたアセンブリの一例を示す。この例では、半導体デバイス１５８は回路基板１６０に取り付けられている。特に、はんだボール１７４は、半導体デバイス１５８のメタライズパッド１７２上に配置され、リフローされて、メタライズ
パッド１７２をプリント回路基板の電気コネクタ１７６に電気的に接続している。１７８は、半導体デバイス１５８と回路基板１６０との間に施されたアンダーフィルを示す。この例はさらに、熱界面１５４を半導体デバイス１５８に接合させることができるように、裏面メタライゼーション１５６が半導体デバイス１５８に施されていることを示す。熱交換器１５２が、熱界面１５４を用いて半導体デバイス１５８に接合されている。
半導体ダイを受動熱交換器に接合させる新規な方法が開示されている。この方法は、インジウムが非金属表面に接合して熱界面を形成する能力を利用する。一方（又は両方）の接合面に二次コーティングを施すことで、接合が強化される。この場合の接合面は、典型的には、集積回路（ＩＣ）及び、一般に一体型ヒートシンク、ヒートスプレッダ又はリッドと呼ばれる受動熱交換器である。
一実施形態では、半導体デバイスを熱交換器に接合させる方法は、半導体デバイスを提供することと、接合促進剤を半導体デバイスの第１の表面に塗布することと、アセンブリを作製し、熱界面が熱交換器を半導体デバイスに接合させるようにアセンブリをリフローすることと、を含むことができる。様々な実施形態において、アセンブリは、第１の主表面と、第１の主表面の反対側の第２の主表面とを有する熱界面であって、熱界面材料の第１の主表面が半導体デバイス上の接合促進剤と接触するように半導体デバイス上に配置された熱界面と、熱界面材料の第２の主表面と接触するように配置された熱交換器とを含んでもよい。様々な実施形態において、熱界面はインジウム金属を含むことができ、接合促進剤は、有機チタン酸塩及び有機ジルコン酸塩のうちの少なくとも１つを含むことができる。
接合促進剤は、バルク液体金属を半導体デバイスに塗布し、バルク液体金属を除去して酸化物シード層を残すことによって堆積された酸化物シード層を含むことができる。酸化物シード層は、熱界面と合金化されて、固体合金を形成することができる。
半導体デバイスを、熱界面を半導体デバイスに接合させるための別個のメタライゼーション層を使用せずに熱交換器に接合させてもよい。この方法はまた、熱界面材料の第２の主表面と接触するように配置される熱交換器の表面に接合促進剤を塗布することを含んでもよい。
他の実施形態では、半導体デバイスアセンブリは、半導体デバイスと、半導体デバイスの第１の表面上に配置された接合促進剤と、半導体デバイスの前記第１の表面上に配置され、第１の主表面と、第１の主表面の反対側の第２の主表面とを含み得る熱界面であって、熱界面材料の第１の主表面が半導体デバイス上の接合促進剤と接触するように半導体デバイス上に配置された熱界面と、熱界面の第２の主表面と接触するように熱界面上に配置された熱交換器とを含んでもよい。
熱界面はインジウム金属を含むことができ、いくつかの実施形態では、接合促進剤は、有機チタン酸塩及び有機ジルコン酸塩のうちの少なくとも１つを含むことができる。他の実施形態では、接合促進剤は、例えば、バルク液体金属を半導体デバイスに塗布し、バルク液体金属を除去して酸化物シード層を残すことによって堆積された酸化物シード層を含むことができる。酸化物シード層を作製するために使用可能な液体合金は、例えば、インジウム、ガリウム、又はインジウムとガリウムの組み合わせを含む合金、場合によってはこれらにスズを添加した合金を含むことができる。合金の例には、Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＩｎｄａｌｌｏｙ（登録商標）合金が含まれ得る。酸化物シード層は、熱界面と合金化されて、固体合金を形成することができる。
半導体デバイスを、熱界面を半導体デバイスに接合させるための別個のメタライゼーション層を使用せずに熱交換器に接合させてもよい。熱交換器は、ヒートシンク、ヒートスプレッダ又はリッドを含むことができる。
開示される技術の他の特徴及び態様は、開示される技術の実施形態による特徴を例示する添付の図面と組み合わせて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。概要は、本明細書に記載された発明の範囲を限定することを意図するものではなく、発明の範囲は本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ定義される。
本明細書に開示される技術を、１つ以上の様々な実施形態に従って、以下の図を参照しながら詳細に説明する。図面は、例示のみを目的として提供されており、開示された技術の典型的な又は例示的な実施形態を示したものにすぎない。これらの図面は、開示された技術を読者が容易に理解できるようにするために提供されており、その幅、範囲又は用途を限定するものと見なされるべきではない。説明を明確かつ容易にするために、これらの図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。
半導体ダイ加工のプロセスの一例を示す図である。
回路基板に取り付けられたアセンブリの一例を示す。
本明細書に記載の技術の一実施形態による、接合促進剤を使用する例示的な構成を示す図である。
本明細書に記載の技術の一実施形態による、熱界面を塗布するための例示的なプロセスを示す図である。
本明細書に記載の技術の一実施形態による、熱界面材料と半導体デバイスとの間の半導体デバイス上に配置された接合促進剤を用いて最終構成に組み立てられたアセンブリの例を示す図である。
本明細書に記載の技術の一実施形態による、酸化物シード層が半導体デバイス上に堆積される例を示す。
本明細書に記載の技術の一実施形態による、リフロー工程の結果としての酸化物シード層からのインジウム合金の形成を示している。
本明細書に記載の技術の一実施形態による、熱界面材料が両方の接合面に別々に塗布される例を示す。
接合促進剤が組み立て前に半導体デバイスと熱交換器との両方に塗布される例を示す。
図面は、網羅的であることも、本発明を開示された正確な形態に限定することも意図していない。本発明は、修正及び変更を加えて実施することができ、開示された技術は、特許請求の範囲及びその等価物によってのみ限定されることが理解されるべきである。
開示された技術の様々な実施形態によれば、インジウムは、半導体デバイスの非金属表面に接合されて、熱界面を形成することができる。いくつかの実施形態では、この接合を
、半導体ダイ（例えば、集積回路又は他の半導体デバイス）及びそのそれぞれの熱交換器の接合面のいずれか又は両方に二次コーティングを施すことによって強化することができる。
いくつかの実施形態では、接合促進剤は、半導体デバイスへのインジウム熱界面の湿潤溶接又は冷間溶接を促進するために使用される。接合促進剤は、例えば、ベア半導体デバイスを湿潤させることの可能で、且つインジウムのシード層を提供する液体金属を含むことができる。バルク液体金属を除去すると、酸化物シード層が残り、これをリフローによってインジウムと合金化させると、純粋なインジウムと同様の固体である合金が残る。別の例として、有機チタン酸塩又は有機ジルコン酸塩、あるいは他の同様の材料を、ベアダイ表面上にスプレー又は他の方法で堆積させることにより、ベアダイへのインジウムの接合を促進してもよい。別の例では、銀充填ポリマー接着剤をスプレー又は他の方法でベアダイ表面に堆積させてもよい。
図３は、本明細書に記載の技術の一実施形態による、接合促進剤を使用する例示的な構成を示す図である。図４は、本明細書に記載の技術の一実施形態による、熱界面を設けるための例示的なプロセスを示す図である。ここで図３及び図４を参照すると、この例では、工程４１２で、接合促進剤３８０は半導体ダイ３５８に塗布される。この例では、接合促進剤３８０は、熱界面３５４が設けられる半導体ダイ３５８の表面に直接塗布される。上記の通り、接合促進剤３８０は、半導体デバイス３５８の表面への熱界面３５４（例えば、及びインジウム金属熱界面）の湿潤溶接又は冷間溶接を促進するために使用され得る。工程４１４で、その一例を図５に示すように、アセンブリをその最終構成に組み立てることができ、工程４１６で、アセンブリをリフローして熱界面を溶かし、熱交換器３５２を半導体デバイス３５８に固定することができる。
上述のように、いくつかの実施形態では、接合促進剤（例えば接合促進剤３８０）は、塗布され、リフローによって除去されて、インジウムと合金化される酸化物シード層を残すバルク液体金属であり得る。図６は、このプロセスを使用して酸化物シード層３８５が半導体デバイス３５８上に堆積される例を示す。図７は、リフロー工程の結果としてのインジウム合金３９０の形成を示している。酸化物シード層を作製するために使用可能な液体金属は、例えば、インジウム、ガリウム、又はインジウムとガリウムの組み合わせを含む合金、場合によってはこれらにスズを添加した合金を含むことができる。合金の例には、Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＩｎｄａｌｌｏｙ（登録商標）合金が含まれ得る。
インジウムは冷間溶接できるため、両方の接合面にインジウムを別々に塗布しても、又は同時に塗布してもよい。熱界面が両方の面に別々に塗布されるこの例を図８に示す。特に、この例では、熱界面３５４は、熱交換器３５２と半導体デバイス３５８との両方に塗布される。熱界面を別々に塗布する場合は、部品を別個の工程で組み立てることが可能であり、また、２つの別個のインジウム層から均質な接合を形成するためのリフローを行っても、あるいは行わなくてもよい。
別の実施形態では、接合促進剤（例えば、接合促進剤３８０）を半導体デバイス３５８と熱交換器３５２との両方に塗布して、両方の部品への熱界面３５４の接合を容易にすることができることに留意されたい。図９は、接合促進剤３８０が組み立て前に半導体デバイス３５８と熱交換器３５２との両方に塗布されるこの例を示す。
前述の例が示すように、従来のリフロー温度でインジウムが非金属（例えば、半導体表面など）に接合する能力を強化する実施形態を提供することができる。これらの温度は、用途に応じて約１９０℃～２１０℃の範囲内であってもよい。一部の用途では、これらの
温度は約２００℃である。したがって、従来のプロセスを超える利益をもたらすことの可能な実施形態を実施することができる。これらの利点に、例えば、裏面ダイ／ウェーハメタライゼーション、フラックス塗布又は硬化プロセスに使用される資源の削減が含まれてもよい。
開示された技術の様々な実施形態を上に説明してきたが、これらは限定的ではなく、例としてのみ提示したものであることが理解されるべきである。同様に、様々な図が、開示された技術に含まれ得る特徴及び機能性の理解を助けるために、開示された技術の構造上の又はその他の構成の例を図示してもよい。開示された技術は、図示された例示的な構造又は構成に限定されるものではなく、様々な代替的な構造及び構成を使用して所望の機能を実現することができる。本明細書に開示する技術の所望の機能を実現するために、代替的な機能的、論理的又は物理的な分割及び構成をどのように実施可能であるのかは、当業者に明らかであろう。また、様々な分割部分に、本明細書で示したもの以外の数多くの異なる構成モジュール名を当てはめることができる。さらに、フロー図、動作の説明及び方法の請求項に関し、その工程が本明細書で提示される順序は、文脈がそのように指示しない限り、様々な実施形態がこれらの列挙された機能を同じ順序で実行するように実施されることを強制するものではない。
開示された技術の様々な例示的な実施形態及び実施を上記に説明しているが、個々の実施形態の１つ以上で説明する様々な特徴、態様及び機能は、それらが説明されている特定の実施形態への適用に限定されるのではなく、そのような実施形態が記載されているか、またそのような特徴が記載されている実施形態の一部として提示されているかにかかわらず、開示された技術の他の実施形態の１つ以上に、単独で又は様々な組み合わせで適用可能であることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示される技術の幅及び範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。
本明細書で使用される用語及び語句並びにそれらの変化形は、特別に明記しない限り、限定的ではなくオープンエンドであると解釈されるべきである。前述の例として、「含む」という用語は、「非限定的に含む」などを意味するものとして解釈されるべきである。「例」という用語は、議論中の項目を網羅的又は限定的に列挙するためではなく、その例示的な例を提供するために使用されている。「ａ」又は「ａｎ」という用語は、「少なくとも１つ」、「１つ以上」などを意味するものとして解釈されるべきである。「従来の」、「伝統的な」、「通常の」、「標準的な」、「公知の」などの形容詞及び同様の意味の用語は、記載されている項目を特定の期間に又は特定の時点で入手可能な項目に限定するものとして解釈されるべきではなく、現時点で又は将来の任意の時点で入手可能又は公知であり得る、従来の、伝統的な、通常の、又は標準的な技術を包含するものとして解釈されるべきである。同様に、本明細書が当業者に自明又は公知であろう技術に言及する場合、そのような技術は、現時点で又は将来の任意の時点で当業者に自明又は公知である技術を包含する。
いくつかの場合における、「１つ以上」、「少なくとも」、「これらに限定されない」又はその他の同様の語句などの拡大的な語句の存在は、そのような語句が存在しない場合にはより狭義の状態であることが意図されている、又は必要とされることを意味するものと解釈すべきではない。「モジュール」という用語の使用は、モジュールの一部として記載又は特許請求されている構成要素又は機能がすべて共通のパッケージに構成されていることを意味するものではない。モジュールの様々な構成要素のいずれか又はすべては、制御ロジックであるのか又は他の構成要素であるのかにかかわらず、単一のパッケージに組み合わせても、個別のままとしてもよく、さらに複数のグループ又はパッケージに、あるいは複数の場所に分散させてもよい。
さらに、本明細書に記載されている様々な実施形態は、例示的なブロック図、フローチャート及びその他の図で説明されている。図示の実施形態及びそれらの様々な代替例を、図示の例に限定されることなく実施可能であることは、本明細書を読むことにより当業者に明らかになろう。例えば、ブロック図及びこれらに付随する説明は、特定の構造又は構成を強制するものとして解釈されるべきではない。

Claims (11)

  1. 半導体デバイスの第１の表面に、バルク液体金属を含む接合促進剤を塗布することと、
    前記バルク液体金属を除去して前記半導体デバイスの前記第１の表面上に酸化物シード層を残すことと、
    熱界面の第１の表面が前記酸化物シード層と接触するように前記半導体デバイス上に熱界面を配置することと、
    前記熱界面の前記第１の表面とは反対側の第２の表面と接触するように熱交換器を配置することと、
    前記熱界面および前記熱交換器を配置した後、前記半導体デバイスを前記熱交換器に接合することと、
    を含む方法。
  2. 前記半導体デバイスは、前記熱界面を前記半導体デバイスに接合させるための別個のメタライゼーション層を使用せずに前記熱交換器に接合される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記バルク液体金属は、ガリウムまたはガリウム合金を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記バルク液体金属は、インジウムまたはインジウム合金を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記熱界面は、インジウム金属を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記バルク液体金属は、ガリウムまたはガリウム合金を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記バルク液体金属は、インジウムまたはインジウム合金を含む、請求項５に記載の方法。
  8. 前記熱交換器は、ヒートシンク、ヒートスプレッダまたはリッドを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記熱界面の前記第２の表面と接触するように配置される前記熱交換器の表面に、接合促進剤を塗布することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記半導体デバイスを前記熱交換器に接合することは、前記酸化物シード層を前記熱界面と合金化して固体合金を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記酸化物シード層を前記熱界面と合金化して前記固体合金を形成することは、前記半導体デバイス、熱界面、および熱交換器を含むアセンブリにリフロー操作を施すことを含む、請求項１０に記載の方法。
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