JPH01184854A - 高熱伝導半導体実装構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装構造体に係り、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体に固定した
高熱伝導半導体装構造体に関するＯ 〔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。半導体チッ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、半導体チップの大型化及びマルチチップ
化に伴って半導体装ｔ１を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ｔ−緩和
するに、框、弾性係数の小さい、すなわち、柔らかい材
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
であシ、と勺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ってい
るために、半導体チッ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。

（１１樹脂の熱伝導率を大きくする提案高熱伝導の半導
体パッケージを特徴とする特許でに、はぼ例外なしに使
用する樹脂は高熱伝導率であると述べている。特開昭６
１−２９１６２号公報ではシリコングルにフィラーとし
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
報では無機光てん剤入シのシリコンゴムを、それぞれ具
体的に挙げている。これらの材料を、半導体チップで発
生した熱をパッ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、半導体チップとパッ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
、半導体テップ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ｆｌｌ″ｆ
、示す断面図であり、符号１は半導体チップ、２はパッ
ケージ函体、５は伝熱部材、４は細線、１０１は半導体
チップ表面（回路形成面）、１０２は半導体チップ裏面
（ダイボンド面）ｔ−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シたてて熱伝導率
がよいとはいえないアルミナよシ熱伝導率が更に約２桁
も小さい材料である。そのため、アルミナよシ熱伝導の
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ってアルミナ程度
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（フィラー）は金属又は無機化合物であシ。

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。

したがって、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 一般的な半導体パッケージでは、第２図に示すように、
半導体チップ１の裏面１０２を伝熱部材３に固定し、半
導体テップ１の表面１０１とパッケージ函体２との間に
は電気信号のやシとシのために空間をとる構造を採用し
ている。半導体チップで発生した熱は、そのほとんどが
半導体チップ裏面１０２から伝熱部材３ｔ−経由してパ
ッケージ函体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６１−３９５５５号各公報においては、半導体チップ
裏面直下の金属部材（リードフレーム）を厚くすること
によって、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号及び同６０−２０６１
５５号各公報においては、伝熱経路をパッケージ側面か
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って、熱抵抗を小さくする構造が開
示されている。

更に、特開昭５６−１６４５５８号公報においては、半
導体チップ裏面直下の金属部材（リードフレーム）近傍
にパッケージ外部から厚い突出部のめる放熱板を挿入す
ることによって、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おるとは考えら
れるが、伝熱経路の熱抵抗を支配してわるのはこれらの
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
あまシ期待できない。

（２−２）　　半導体チッ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芳
容公報においては、半導体チップの下側の材料の熱伝導
率を増すことによって、熱抵抗を小さくする構造が開示
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５１３１１００５
８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シ通常１桁はど小さいので、熱抵抗
の低減効果ｔ−めまシ期待できない。

（２−３）　　半導体チップの表面（非ダイボンド面、
回路形成面〕から熱を逃がす 既に述べたように、半導体チップで発生した熱は主に半
導体チップの裏面からパッケージ外周に到る経路に沿っ
て放散されるが、半導体チッ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ップの表面からの経
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）１５’Ｊ　５８
−５６４４５芳容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の下面はチップ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ャップ及びベレットが、
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、半導体チッ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ｔ−あまシ薄くできない
。その結果、半導体チッ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って制限されるためにめま
り多くを期待できず、半導体チップで発生し比熱の主体
は半導体チップ裏面から放熱されざるをえない。したが
って、半導体チップ表１１ｉｉ（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丸めの構造
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Ｏ 〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術では、半導体パッケージの熱抵抗を下げる
ために有効な半導体チッ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っていない
という欠°点をもっていた。

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

〔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装構造体
に関する発明であって、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゛の他の部分の淳さよ）も薄いことを特徴とする。

半導体チップの下側の樹脂層の厚さを常に充分小さく保
つと共に、半導体チッ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＠面図であシ
、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）と熱の拡がシ範囲（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８ｔ−使用し
、下流側に低熱伝導率の物質９ｔ−使用すると、熱流が
拡がる。したがって、熱抵抗を小さく保つことができる
。しかし、その拡がシは第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、発熱体でおる半導
体テップ１の下側にとどまることを実験で見出した。す
なわち、熱流はチッ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
わかった。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ｔ−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ッ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
あ夛、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
るチッ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に向かって流れ、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全、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
電体基体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、誘電体基体の発熱体の下側の接
着層に接する面に比較的熱伝４藁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１００
μｍ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シ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
に従って説明する。各図において符号１は半導体チップ
、２はパッ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ップ１から
パッケージ函体２外部に至る配線系統及びパッケージ函
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の実施り１」を第１図に従って説明する。

第１図は本発明の一実施の態様を示す断面図であって、
符号５ははんだ、６は高熱伝導誘電体基体、７はＷ後接
着剤、１０は突起、１５は気泡を意味する。−）１２２
４　ｍのシリコン半導体チップ１（５個）は厚さ３０μ
ｍの金−シリコンの共晶はんだ５を介して３０　ｍ　Ｘ
　２０　ｖｍ　Ｘ　ＣＬ　５　ｔａｘ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６０半導体
チップ１下側の半導体テップ１の接着されていない面に
はα１瓢の厚さの突起１０が形成されている。この突起
１０の大きさは、半導体テップ１に対する位置ずれを考
慮して、半導体テップ１より少し太き（，５ｗｅａｘ５
ｍ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ッケー
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１００１１ｍ以上に保たれた厚い接
着層の部分にトラップされ、突起１０により厚さ３０μ
ｍ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ップ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、半導体テップ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、直接牛導体装置の熱抵抗
に影響する。５０μｍ以下に保つことによって他の伝熱
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。１００　／
Ｊｍ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、ワイヤボンディングを含めた配線
プロセスについては本発明の同各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
によってチタン−白金−金のはんだ付は電極（図示せず
）を形成する。

■　半導体チップ１の裏面にはシリコンに直接会（図示
せず）が蒸着されておシ、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、接着全
完了する。

■　次にふた（図示せずンの開いたパッケージ函体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Ｎ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、半導体チップ１と突起１Ｄとの位置
合わせが比較的容易なこと、及び突起１０が焼結時に形
成されている九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性の型
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の実施例全第６図に従って説明する。第６
図に本発明の一実施の態様を示す断面図であって、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の実施例と異な９、高熱伝導誘電体基
体６でなく、パッケージ函体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、パッケージ函
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の実施例と同じでろるので
、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
パッケージ函体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４訪電体基体
乙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シ突
起１１全形成することも可能でるる点が第１の実施例よ
シも有利な点である。その反面、半導体テップ１と突起
１１との位置合わせか、高熱伝導誘電体基体６とパッケ
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
施例よシも不利な点である。

実施例３ 本発明の第３の実施例を第７図に従って説明する。第７
図は本発明の一実施の態様を示す断面図でおり、符号１
２は突起用部材、１３はろう材を意味し、その他は前記
のとおシである。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１２ｔ−ろう材１３で接着した構造になっている。構
造上の相違はこの点のみで、他の部分は第１−の実施例
と同じでおる。

本発明の第５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）ｔ−ＭＬ、突起用部材１２（予め
ニッケルめつ＠を施した銅箔）′ｔ−ろう付けした後、
半導体チップ１搭載面に電子ビーム蒸着によってチタン
−白金−金のはんだ付は電極（図示せず）ｆｔ形成する
。その後は第１の実施例と同じでろるので省略する。

本構造体の第１の実施例よシも有利な点は、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
合わせ持っている。

実施例４ 本発明の第４の実施例を第８図に従って説明する。第４
図は本発明の一実施の態様を示す断面図であシ、符号は
前記のとおシでおる。本実施例では、第３の実施例と異
なシ、高熱伝導誘電体基体６でなく、パッケージ函体２
ｇＡ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、あらかじめパッケ
ージ函体２に突起用部材１２（あらかじめニッケルめっ
きを施した銅箔）をろう付けした後、第１の実施例ろる
いは第２の実施例と同じ手順となる。

本構造体の第２の実施例よシも有利な点は、突起用部材
１２をパッケージ函体２のプレス時るるいはその後の機
械加工等によっ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って
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）ｔ−施す必要がないこ
とである。その反面、半導体チップ１と突起用部材１２
との位置合わせか、高熱伝導誘電体基体６とパッケージ
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
よシも不利な点でめる。

実施例５ 本発明の第５の実施例を第９図に従って説明する。第９
図は本発明の一実施の態様を示すＷｒ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の実施例と異なシ、突起を高
熱伝導誘電体基体６、パッケージ函体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シも簡便で
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、パッケージ函体２に高熱伝導誘電体
基体６ｔ−有機接着剤７で接着する際に、挿入用部材１
４１！−パッケージ函体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ックであ
る。パッケージ函体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０ 本実施例では、第１〜第４の実施例と異なシ、固定され
ない挿入用部材１４を用いるので、歩留シよく作製でき
ればプロセスが簡略であシ、他ノ実施例よシも優れてい
る。

以上述べた実施例では、半導体テップ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、単独の半導体チップ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テップ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あるいはパッケージ函体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ｆｉＩＪ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、めっ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ｌｆｒ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９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：半導体チップ、２：パッケージｍ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、１ａ１：半
導体チップ表ｆＩ（回路形成［）、１０２：半導体チッ
プ裏（ダイボンド而）、７０１：薄い接着層、７０２：
厚い接着層 特許出願人　株式会社　日立裏作所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、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、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、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、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、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、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。