TW200414456A - Heat spreader and semiconductor device and package using the same - Google Patents

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200414456 Ο) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以防止因半導體裝置的發熱引起的溫 度上升而黏接到半導體裝置上的散熱器。再者，本發明係 關於帶有散熱器的半導體裝置和半導體封裝。 【先前技術】 爲了利於提局半導體裝置的散熱性，已提出了例如合 倂使用高熱傳導性的陶瓷基底材料和印刷基底那樣的樹脂 接線基底的半導體封裝（特開平10— 275879號公報）。 該半導體封裝使用氮化鋁製的散熱器，在其下面一側安裝 半導體裝置，同時在其周圍接合樹脂接線基底，用樹脂接 線基底的接線層包圍半導體裝置的訊號接線。預期這樣的 半導體封裝可作爲能適應半導體裝置的高功率化等並能實 現訊號接線的低電阻化或高密度化以及封裝的低成本化等 的封裝。 但是，在將該氮化鋁基底作爲散熱器使用的半導體封 裝中，在例如安裝具有1個邊長爲“⑺^那樣的元件尺寸 的半導體裝置的情況下’與其相對應地氮化鋁基底也必須 增大，但如果將金屬製散熱片接合到這樣的大型的氮化鋁 基底的上面的整個面上’則在熱循環時’由於氮化鋁基底 與金屬製散熱片之間的熱膨脹差的緣故’有時會産生龜裂 等。 將那樣的氮化鋁基底等的高熱傳導性陶瓷或銅板等的 -6- (2) (2)200414456 金屬板作爲散熱器使用的半導體封裝作爲能適應半導體^ 置的高功率化的封裝正在實現實用化，但爲了適應臼益進 展的半導體裝置的高功率化，對於這樣的封裝來說，還胃 存在極限的。此外，在只使用高熱傳導性陶瓷作爲散熱器 的情況下，在原來作爲高散熱性而被預期的倒裝結橇中， 存在熱沈或散熱片的接合可靠性下降的問題，另一方面， 在使用銅板等的情況下，存在半導體裝置的安裝可靠性下 降的問題。 此外’作爲現有的帶有散熱器的半導體封裝，可舉出 圖8中示出的剖面的封裝作爲一例。將散熱器1 〇丨接合到 封裝本體1 03上，以使被接合到散熱器1 〇丨上的半導體裝 置1〇2配置在陶瓷封裝本體103內。將陶瓷製的蓋】〇4配 置在該封裝本體103的另一方的開口部上。由此，將半導 體裝置102密封在封裝內。 作爲這樣的散熱器i 〇 1，以往利用了銅/鎢複合材料、 氮化鋁或碳化矽等。此外，在特開平9 一 129793號公報中 記載了半導體封裝的熱傳導板。 追些現有的散熱器和使用了該散熱器的半導體封裝的 政熱特性從材料和結構這方面來說，已被改良到了極限， 已經被認爲再要提高散熱特性是很勉強的，目前的狀況是 & t永的’爲了抑制封裝的溫度上升，不得不抑制半導體裝 置的處理速度、輸出和整合度。 【發明內容】 -7- (3) (3)200414456 本發明是鑒於這樣的問題而進行的。本發明的第1目 的在於提供下述的帶有散熱器的半導體裝置和半導體封裝 :其中，在半導體裝置的散熱特性爲良好的同時，可一同 提高半導體裝置的安裝可靠性和散熱片的接合可靠性，特 別是提高了對於已實現了高功率化的半導體裝置的適應性 。本發明的第2目的在於提供下述的散熱器和使用了該散 熱器的封裝：其中，作爲高速處理用或高輸出用半導體封 裝的冷卻散熱器，其散熱特性極爲良好，在厚度和穿過平 面方向的熱傳導率高，其本身具有足夠的強度、平面性和 氣密性，而且與半導體裝置和陶瓷等的構成封裝本體的密 封材料的黏接性是良好的，因黏接時和使用時的溫度變化 引起的黏接面的剝離和作爲元件不良的原因的熱應力的發 生足夠小，可靠性高。 與本發明有關的帶有散熱器的半導體裝置的特徵在於 :在半導體裝置的背面的一部分或整個面上直接接合由具 有3 5 0 W/m · K以上的熱傳導率的金剛石或含有金剛石的 物質構成的散熱器。 在該帶有散熱器的半導體裝置中’例如該含有金剛石 的物質可以是金剛石層與陶瓷層的層疊體或金剛石粒子與 陶瓷粒子的混合物’該陶瓷可以是從由碳化矽和氮化鋁構 成的組中選擇的至少一種。 此外，該散熱器例如對於波長爲7 5 Onm以下的光至 少可具有1 0 %以上的透射性。 再者，最好在該半導體裝置的製作處理前、製作處理 -8 - (4) (4)200414456 中、製作處理後的任一過程中，將該散熱器直接接合到作 爲該半導體裝置的基底材料的矽或藍寶石製的基底上。 例如，在該散熱器中的沒有接合到該半導體裝置上的 一側的面上形成多個凹凸。 而且，與本發明有關的半導體封裝的特徵在於：在容 納該的帶有散熱器的半導體裝置的半導體封裝中，在該散 熱器中的與該半導體裝置的接合面的相反側的面上接合了 金屬製熱沈或金屬製散熱片。 在該半導體封裝中，較爲理想的是，例如在該散熱器 的接合面的一部分上接合該金屬製熱沈或該金屬製散熱片 與該散熱器。 再者，較爲理想的是，該散熱器的接合到該金屬製熱 沈或該金屬製散熱片的面具有纖維結構，聚合物接合層進 入到該纖維結構的一部分中，接合該散熱器與該金屬製熱 沈或該金屬製散熱片。 依照本發明，在實現了高散熱化的基礎上，可提高半 導體裝置或半導體模組的安裝可靠性，由此，也可得到在 高可靠性下密封了高功耗且大型的半導體裝置等的半導體 封裝。 關於與本發明有關的半導體封裝的散熱器，在被黏接 容納在半導體封裝的密封體內的半導體裝置並對該半導體 裝置進行散熱的半導體封裝用的散熱器中，具有金剛石層 和由在該金剛石層的一面或兩面上被接合的金屬或陶瓷構 成的覆蓋構件，該金剛石層的結晶在金剛石層的厚度方向 -9- (5) (5)200414456 上具有纖維結構。 在該半導體封裝的散熱器中，例如該金剛石層的與該 由該金屬或陶瓷構成的覆蓋構件的接合面最好具有纖維結 構。該接合面的構成纖維結構的金剛石層的部分的厚度爲 0.2 至 3 μ m。 關於與本發明有關的另一半導體封裝的散熱器，在被 黏接容納在半導體封裝的密封體內的半導體裝置並對該半 導體裝置進行散熱的半導體封裝用的散熱器中，具有金剛 石層和由在該金剛石層的一面或兩面上被接合的金屬或陶 瓷構成的覆蓋構件，該金剛石層的結晶具有微結晶結構。 在該散熱器中，可利用聚合物黏接層接合該金剛石層 與該覆蓋構件。 較爲理想的是，該金剛石層的厚度方向和穿過平面方 向的熱傳導率爲5 00W/m · K以上，接合部的面熱傳導率 爲4 X 1 06W/m2· K以上。例如利用氣相合成來形成該金剛 石層’其厚度爲20至ΙΟΟμηι。 此外’具備該散熱器的半導體封裝也在本發明的範圍 內。 因爲本發明的半導體封裝的散熱器由熱傳導率非常大 的金剛石層和覆蓋其單面或兩面的熱傳導率大的金屬或陶 瓷構件構成’故可使厚度方向的熱傳導率與作爲現有的材 料的銅/鎢複合材料的氮化鋁的厚度方向的熱傳導率爲同 等以上’在氣密性和密封性方面良好，而且沒有翹曲和裂 紋。此外’由於本發明的散熱器的平面內方向的熱膨脹係 -10- (6) (6)200414456 數接近於矽和氧化鋁等的陶瓷的熱膨脹係數，故因溫度變 化導致的熱應力的發生較少，防止了剝離和裂紋等，不會 産生對半導體裝置的不良影響。 依照本發明，由於是在金剛石層的單面或兩面上覆蓋 了金屬或陶瓷構件的結構，故厚度方向和穿過平面方向的 熱傳導率非常大，具有足夠的強度、平面性和氣密性，而 且與半導體裝置和陶瓷等的密封材料的黏接性是良好的， 因使用時的溫度變化引起的熱應力的發生較少，防止了剝 離和裂紋等，不會産生對半導體裝置的不良影響，可靠性 高。 【實施方式】 以下’參照附圖說明本發明的實施方式。 圖1A顯示與本發明的第1實施方式有關的帶有散熱 器的半導體裝置的剖面圖。在半導體裝置1的背面上直接 接合散熱器2。再者，在本發明中，所謂半導體裝置}， 也包含半導.體模組。該散熱器 2由例如熱傳導率爲 3 5 GW/m · K以上的金剛石或含有金剛石的物質般熱傳導性 良好的材*料構成，將該散熱器2直接接合在半導體裝置1 上。 有散熱器的半導體裝置中，該含有金剛石的物 胃胃i _石層與陶瓷層的層疊體或金剛石粒子與陶瓷粒子 Μ € 等’該陶瓷有從由碳化矽和氮化鋁構成的組中選 擇的至少〜種。 -11 - (7) (7)200414456 金剛石本身的熱傳導率最高可達到2 2 0 0 W / m . K，但 將該金剛石單質使用於散熱器的製造成本很高。因此，該 金剛石與碳化矽或氮化鋁等的陶瓷的複合物是有效的。即 使利用含有金剛石和碳化砂或氮化銘等的陶瓷的物質來製 造散熱器，也能得到熱傳導率爲3 5 0 W/m · Κ以上的散熱 器，即使對於下一代的發熱量爲100W以上的CPU (中央 處理單元）來說，也可得到良好的散熱效果。 氮化鋁和碳化矽的熱傳導率分別約爲200W/m . K和 2 7 0 W/m · K，但這些材料作爲陶瓷材料來說，是繼金剛石 之後的可引以自豪的高的熱傳導率的材料，藉由如與金剛 石層的層疊或與成爲粒子狀的金剛石的緩和燒結體那樣與 金剛石進行複合，可使其熱傳導率爲3 5 0 W/m . K以上。 關於半導體裝置1，可應用各種各樣的半導體裝置， 但本發明對於功耗例如大到1 〇 W以上、元件尺寸的1個 邊長爲1 0mm以上那樣的高功耗且大型的半導體裝置來說 是特別有效的。 圖1 B顯示本實施方式的變形例的剖面圖，但在散熱 器3中’在沒有接合半導體裝置1的面上形成了微細凹凸 3 a ° 由於這些散熱器2、3是金剛石或含金剛石物質（金 剛石和碳化矽及氮化鋁等的陶瓷的複合體）製造的，故在 耐化學的性能方面良好，不僅在空氣冷卻的方式中，而且 在水冷卻的方式中’也沒有材料性能的惡化，半導體裝置 的性能也不會下降。 •12- (8) (8)200414456 圖2A顯示接合與本發明的實施方式2有關的帶有散 熱器的半導體裝置的半導體封裝。在接合金剛石或含有金 剛石物質製造的散熱器2中的半導體裝置1的面的相反側 的面上接合了金屬製熱沈4。 此外，在圖2 B中示出的半導體封裝中，在接合了散 熱器2中的半導體裝置丨的面的相反側的面上接合了散熱 片5。 一般來說，金屬製熱沈4和金屬製散熱片5與半導體 裝置材料的熱膨脹係數的差較大，但由於金剛石或陶瓷製 散熱器2的熱膨脹係數接近於半導體裝置的熱膨脹係數， 故散熱器2不僅具有作爲熱傳遞層的功能，也具有熱膨脹 緩和層的功能，可使半導體裝置〗的安裝可靠性得到提高 〇 金剛石或含有金剛石物質製造的散熱器2具有與半導 體裝置1大致同樣的大小，最好在半導體裝置1的整個面 上接合散熱器2。此外，基本上使用單板結構的沒有接線 層的基底作爲含有金剛石物質製造的散熱器2，但在將金 屬製熱沈4或散熱片5用作地或在散熱器2上設置地層的 情況下，也可在散熱器2上形成金屬化層或通孔。此外， 在使用金剛石層作爲散熱器2的情況下，由於對於波長 2 2 7nm以上的波長的光顯示出良好的透射性，故一邊在不 形成通孔的情況下可最大限度地保持作爲散熱器的功能， 一邊作爲光學半導體的受光或發光窗也可使用金剛石層或 含有金剛石物質層。特別是在如本發明般直接接合到半導 -13- 200414456 Ο) 體裝置的背面上並在元件製作處理前或元件製作處理中形 成金剛石層或含有金剛石物質層的情況下，對於二極體陣 列那樣寬的區域的半導體模組來說是有效的。 可採用各種接合方法來進行金剛石或含有金剛石物質 製散熱器2與金屬製熱沈4或散熱片5的接合，這些方法 例如是使用活性金屬的焊接法、在對散熱器進行了金屬化 的基礎上使用焊錫或一般的焊接材料來接合的方法、或使 用一般的樹脂類的黏接劑來接合的方法等。 圖3 A、B顯示與本發明的實施方式3有關的帶有散 熱器的半導體裝置的剖面圖。不是在散熱器2與熱沈4或 散熱片5的接合面的整個面上、而是在一部分的區域上設 置了接合散熱器2與金屬製熱沈4或金屬製散熱片5的金 屬接合層6。這樣，藉由將金屬接合層6限制在一部分的 區域上，可緩和起因於不同種類的材料間的熱膨脹係數的 差異的應力。作爲金屬接合層6，有金、銀、銅、鋁及這 些金屬的合金。 圖4A、B顯示與本發明的實施方式4有關的帶有散 熱器的半導體裝置的剖面圖。在本實施方式中，使用熱硬 化性樹脂片和熱硬化性樹脂膏等的聚合物黏接劑接合了金 剛石層製或含有金剛石物質製散熱器2與金屬製熱沈4或 金屬製散熱片5。在散熱器2與熱沈4或散熱片5之間形 成了聚合物接合層7。此時，如果由金剛石層或含有金剛 石層構成的散熱器2的接合面具有纖維結構，則由於聚合 物接合層7進入到其一部分中而被接合，故從黏接力和應 -14- (10) (10)200414456 力緩和這兩個觀點來看，是極爲有效的。 作爲形成這樣的金剛石或陶瓷的纖維結構的方法，例 如有在壓力爲ITorr的氫100%的氣氛下對金剛石或碳化 矽進行1 5〜3 0分間的直流電漿處理的方法。即使將碳化 矽和氮化鋁在真空氣氛下分別在1 6 0 (TC和1 2 0 0 t下約保 持6 0分，也可得到纖維結構。 這樣，本實施方式的半導體裝置構成倒裝結構的 BGA封裝。本實施方式的半導體封裝例如被安裝在多層 印刷基底等的安裝板上，但可實現訊號接線的低電阻化和 高密度化、封裝的低成本化以及高散熱化，可提高安裝可 靠性。此外，在接合金屬製熱沈4和金屬製散熱片5的情 況下，可提高其接合可靠性。 圖5 A顯示與本發明的實施方式5有關的散熱器的剖 面圖。本實施方式的散熱器在金剛石層1 1 0的表面背面兩 側經聚合物黏接層1 1 1黏接了金屬或陶瓷構件1 1 2。此外 ’如圖5 B中所示，作爲本實施方式的散熱器的變形例， 也可在金剛石層1 1 0的單面上經聚合物黏接層1 1 1黏接金 屬或陶瓷構件11 2。 金剛石層1 1 0的結晶在金剛石層1.1 〇的厚度方向上具 有纖維結構。藉由利用氣相合成（C V D :化學汽相澱積） 來控制其核形成條件和成膜條件，可形成這樣的結晶結構 的多晶金剛石層1 1 〇。再者，該金剛石層丨〗〇的厚度例如 爲 20 至 100μιη° 具有這樣的結晶結構的金剛石層丨丨〇例如可如下述方 -15- (11) (11)200414456 式形成。首先，控制核形成密度。用平均粒子直徑約.爲 1 5〜3 0 μ m的金剛石粉末硏磨欲形成金剛石的基底材料（ S i基底等）的表面。或者，將基底材料的表面浸在溶解 了同樣的金剛石粉末的乙醇液中，在5〜1 5分間對該整個 溶液施加超音波振動。其次，淸洗進行該核形成密度控制 處理的基底材料，除去附著於表面的金剛石粉末。將該基 底材料導入到金剛石成膜裝置中，形成金剛石層。在容器 中進行了真空排氣後，流過包含3 %的甲烷氣體的氫、甲 烷混合氣體，將反應器保持爲90Torr。其後，發生微波電 漿，使基底溫度爲8 7 0〜9 5 (TC。這樣，在進行5小時成 膜後，可得到厚度爲50μιη的金剛石層。在用電子顯微鏡 觀察了該金剛石層的剖面結構時，可確認在膜厚方向上具 有纖維結構。 金剛石層110的厚度方向和穿過平面方向的熱傳導率 爲5 0 0W/m · Κ以上，金剛石層1 10與金屬或陶瓷構件1 12 的接合部的面熱傳導率爲4χ106\ν/πι2·Κ以上。 在本實施方式中使用的金剛石層110的厚度方向和穿 過平面方向的熱傳導率比其他任何的散熱器用材料的熱傳 導率大。不管該金剛石層的結晶結構如何，都可得到熱傳 導率爲5 00W/m· Κ以上的金剛石層。但是，如果在金剛 石層中也如本實施方式那樣使結晶結構在厚度方向上呈纖 維狀，則可將成爲熱電阻增大的主要原因的結晶粒界密度 抑制得較低，由於可使熱傳導率提高50 ± 25 % ’故更爲理 想。 -16- (12) (12)200414456 這樣的金剛石層，從熱傳導率、黏接時的熱應力 '或 足夠的氣密性、密封性的觀點來看，作爲半導體封裝用的 散熱器的主要部分是良好的。再者，金剛石層具有足夠的 強度，具有沒有翹曲的平面性的表面。例如’在如圖5 B 中所示那樣只在金剛石層1 1 0的單面上覆蓋黏接了金屬或 陶瓷構件1 1 2的情況下，從其結構來看，在黏接結束時或 其後的處理時，由於單側的應力集中的緣故，在散熱器中 産生翹曲，此外，在較多的情況下，可認爲有産生裂紋的 事態，但金剛石的機械強度高，從材質上看，可防止在散 熱器中産生翹曲和裂紋。爲了確保強度，這樣的金剛石層 的厚度至少爲20μηι，最好爲50μιη以上。但是，如果金 剛石層的厚度超過1〇〇μπι，則由於機械強度過大，加工變 得困難，形成成本也增大，故是不理想的。 如圖5Α中所示，藉由在金剛石層的表面背面兩面上 黏接彼此相同的材料的金屬或陶瓷構件1 1 2或熱膨脹係數 接近的金屬或陶瓷構件1 1 2，在金剛石層的表面背面兩面 上發生大致均等的熱應力，也可使翹曲爲極小。此時，最 好在金剛石層1 1 〇的表面背面兩面上同時黏接構件1 1 2， 或最好在兩面上都黏接同一材料的構件。 將構件1 1 2黏接到金剛石層1 1 〇上的聚合物黏接層 1 1 1是一般的環氧樹脂類、酚醛樹脂類或這些樹脂的混合 類等的有機聚合物類黏接劑。此外，在這些聚合物黏接劑 中混合了銅、銀、鋁等的熱傳導率大的金屬的微粉體的材 料也是有用的。再者，除了有機聚合物類黏接劑外，也可 -17- (13) (13)200414456 使用無機聚合物類黏接劑。 作爲接合方法，下述的方法是合適的：在構件1 1 2的 一個面上以 5〜5 0 μηι的厚度均勻地塗敷聚合物黏接劑並 在包含溶劑的情況下進行乾燥後，使金剛石層1 1 〇與黏接 劑塗敷面重疊在一起，利用熱壓，在加壓下並在約7 0〜 1 5 0 °C的溫度下加熱，使聚合物黏接劑聚合並硬化。此時 ，較爲理想的是，預先對塗敷在金屬構件上的聚合物黏接 劑稍微進行加熱，稍微進行聚合，在室溫下成爲固體的塗 膜的狀態下來使用。 此外，由於以這種方式作成的金屬構件與金剛石層的 板之間形成的聚合物黏接層1 1 1的熱傳導率一般來說較差 ’故如果其厚度厚，則使散熱器整體的熱傳導率特性下降 。因此，作成聚合物黏接層1 1 1的厚度爲5 μηι以下、最 好爲3 μηι以下的極薄的黏接層是重要的。在聚合物黏接 劑硬化之前浸入金剛石表面的微細孔中，提高了黏接力， 且形成極薄的聚合物黏接層。 再有’作爲該構件1 1 2的形狀，有箔狀、板狀和散熱 片狀等，藉由將銀、銅、鋁或其合金、氮化鋁、碳化矽等 那樣熱傳導率高、黏接性好的材料成形爲箔狀、板狀或散 熱片的形狀，可得到構件1 1 2。 圖6Α顯示與本發明的實施方式6有關的散熱器的剖 面圖’圖6Β顯示其變形例的剖面圖。圖6Α中在金剛石 層110的表面背面兩面上設置了構件112，圖6Β中在金 剛石層1 1 0的單面上設置了構件丨丨2。在本實施方式的散 -18- (14) (14)200414456 熱器中，在金剛石層11 〇與聚合物黏接層1 11之間形成了 纖維金剛石層1 1 3，這一點與圖5 A、B中示出的散熱器不 同。即，在本實施方式中，金剛石層Η 0中的與聚合物黏 接層1 1 1的接合面呈纖維結構，該纖維金剛石層1 1 3的厚 度爲0.2至3μιη。 關於該纖維金剛石層1 1 3，藉由在氫氣氛中對金剛石 層1 1 〇的表面進行直流（DC )電漿處理，在構成與聚合 物黏接層Π 1的接合面的金剛石層1 1 〇的單面或兩面上可 形成纖維結構。也可在纖維結構或微結晶結構的金剛石層 的表面上形成該纖維結構。關於該纖維結構中的一個纖維 的大小，在典型的情況下，其前端的直徑爲幾至幾十nm ，長度爲幾百至幾μτη。 在將金屬或陶瓷構件1 1 2黏接到這樣的金剛石層的表 面上時’由於聚合物黏接層浸入到纖維間，形成薄的黏接 層且牢固地被黏接，故可得到特別理想的密接性。再者， 在使用了熱膨脹係數互不相同的材料的情況下，也可得到 熱應力的緩和作用。該纖維金剛石層1 1 3的厚度爲0 · 2至 3 μπι是適當的。如果纖維金剛石層η 3的厚度太薄，則沒 有黏接力增加的效果，如果厚度太厚，則纖維金剛石層 1 1 3的機械強度下降，不僅黏接面容易剝離，而且導致高 成本。其他的特性和膜厚等的條件與圖5 a、β是同樣的 〇 圖7A顯示本發明的實施方式7的剖面圖，圖7B是 其變形例。圖7 A中在金剛石層1 1 〇的表面背面兩面上設 -19- (15) (15)200414456 置了構件1 1 2 ’圖7 B中在金剛石層丨丨〇的單面上設置了 構件1 1 2。在本實施方式的散熱器中，使用整體爲微結晶 結構的金剛石層1 1 4來代替圖5、6中示出的結晶結構爲 纖維狀的金剛石層1〗〇。雖然如該金剛石層η 4那樣具有 微結晶結構’但由於金剛石本身的熱傳導率高，故熱傳導 率爲5 0 0 W/m _ Κ。此外，由於微結晶結構的緣故，不僅可 謀求熱應力的緩和，而且可容易地確保金剛石層丨〗4的平 坦性，因此，容易與半導體裝置和陶瓷封裝本體黏接。因 此’如金剛石層1 1 4那樣進行微結晶化與形成纖維金剛石 層1 1 3同樣地有效。 k寸該微結晶結構的金剛石層進行成膜的方法如下所述 。首先，控制核形成密度。在打算形成金剛石的基底材料 的表面上塗敷平均粒子直徑約爲5 n m的金剛石粉末並進 行乾燥。其次，將該基底材料導入到金剛石成膜裝置中， 形成金剛石層。在容器中進行了真空排氣後，流過包含5 〜1 〇 %的甲烷氣體的氫、甲烷混合氣體，將反應器保持爲 lOOTorr。其後，發生微波電漿，使基底溫度爲8〇(Tc以下 。這樣，在進行了 5小時成膜後，可得到厚度爲8 0 μιη的 微結晶金剛石層。 再者，在第5〜7的實施方式中，不一定需要設置聚 合物黏接層1 1 1。 圖5〜7顯示的金剛石層1 10、114是將在基底上成膜 後的金剛石層從其基底分離並使用的金剛石層。其分離方 法可以使用習知的方法。還有，也可以不將金剛石層從其 -20- (16) (16)200414456 基底分離，而是原樣使用在基底上成膜狀態的金剛石層。 這種情況下，可以僅在金剛石層的無基底一側的面黏接金 屬或陶瓷構件112。或者，再其基礎之上’也可以在基底 的無金剛石層的一側的面黏接金屬或陶瓷構件1 1 2。 (實施例） 以下說明本發明的實施例。 (實施例1 )

用CVD (化學氣相生長）法在矽晶片的背面形成熱 傳導率爲800 W/m · K以上的金剛石層。金剛石成微結晶 狀，其厚度爲〇.〇5mm。爲了抑制晶片的翹曲和使分成各 個晶片變得容易，預先在晶片上形成切口，使金剛石層成 爲不連續的膜。使用這樣的，矽晶片，在與形成了金剛石的 面相反側的面上製作半導體裝置，作成外形爲2 3 mm X 2 5 mm的帶有金剛石散熱器的半導體裝置和模組晶片且其 功耗爲7 0 W 〇 _ (實施例2 ) 將這樣的倒裝結構的半導體封裝作爲安裝4 7 8引腳的 半導體裝置的封裝，製作了實施例1的半導體晶片。作爲 樹脂接線基底材料，以液晶聚合物爲主劑，製作了在其兩 面上熱壓接了銅箔的材料。對銅箔進行蝕刻形成圖形而作 成接線層，在其上覆蓋了絕緣樹脂。另一方的銅箔維持原 -21 - (17) (17)200414456 狀°用引線鍵合來安裝晶片’作成了半導體封裝。 再有，本發明的帶有散熱器層的半導體裝置和模組不 限於BGA半導體封裝，而可應用於各種封裝。 (實施例3 ) 在貫施例2的半導體封裝上安裝了外形爲3 5 m m X 3 9 m m的鋁製散熱片。分別準備了兩種樣品1 0個，一種 樣品是用厚度爲l〇〇nm的銘覆盍了金剛石散熱器表面的 一部分的樣品，另一種樣品是在散熱片和呈纖維的金剛石 的面上塗敷了聚合物黏接劑的樣品，並實施了熱循環試驗 。在試驗中，將一 40 °C /室溫/1 10 °C作爲一個循環，進行 了 5 0 0循環。在每個例中各試驗了 1 〇個樣品，硏究了與 鋁製散熱片之間的裂紋的發生情況，但未看到異常的發生 (實施例4 ) 使用對纖維狀金剛石層進行成膜的方法，用氣相合成 法在邊長爲3 0 m m的砂晶片上對金剛石層進行成膜。厚度 爲5 0 μτη。在用電子顯微鏡觀察該金剛石層的剖面結構時 ，確認了粒徑爲2〜1 5 μιη的結晶對於厚度方向以柱狀（ 纖維狀）生長。此外，確認了在與對該的微結晶結構金剛 石層成膜的條件相當的另外的條件下製作的金剛石呈微結 晶結構。在用雷射器閃光法測定了該金剛石層熱傳導率時 ，分別爲1 5 00和900W/m_K以上。 -22- (18) (18)200414456 其次，準備在厚度爲50μηι的銅箔的單面上以約 2 5 μηι的厚度均勻地塗敷環氧樹脂類黏接劑的材料，在該 金剛石層的表面上朝向並粘貼銅范的黏接劑塗敷面，用熱 壓對黏接面施加5 0 k g / c m 2的壓力，在1 5 (TC下保持]5分 ，在結束了黏接劑的硬化後取出，得到了邊長爲3 〇mm的 散熱器。對於以這種方式製作的1 〇枚樣品進行了熱循環 測試（—6 0〜2 0 0 °C，1 〇 〇循環），但未産生黏接劑剝離 和裂紋等。 (實施例5 ) 在壓力爲1 τ 〇 r r的氫1 0 0 %氣氛下對實施例4的金剛 石（纖維狀結構）進行了 1 5分間的D C電漿處理後，變 化爲圖9的電子顯微鏡中示出的纖維的表面形態。與實施 例4同樣地將其黏接到厚度爲1 〇 〇 μπι的銅箔、單晶矽板 和氧化鋁板上，在進行了熱衝擊和熱循環測試後，完全未 産生黏接劑剝離和裂紋等。 【圖式簡單說明】 圖ΙΑ、Β顯示與本發明的第1實施方式有關的帶有 散熱器的半導體裝置的剖面圖。 圖，2Α、Β顯示與本發明的第2實施方式有關的帶有 散熱器的半導體裝置的剖面圖。 圖3Α、Β顯示與本發明的第3實施方式有關的帶有 散熱器的半導體裝置的剖面圖。 -23- (19) 200414456 圖4A、B顯示與本發明的第4實施方式有關的帶有 散熱器的半導體裝置的剖面圖。 圖5A顯示與本發明的第5實施方式有關的散熱器的 剖面圖，圖5 B顯示其變形例的剖面圖。 圖6A顯示與本發明的第6實施方式有關的散熱器的 剖面圖，圖6 B顯示其變形例的剖面圖。 圖7 A顯示與本發明的第7實施方式有關的散熱器的 剖面圖，圖7B顯示其變形例的剖面圖。 圖8是帶有散熱器的半導體封裝的剖面圖。 鲁 圖9顯示纖維金剛石層的表面的電子顯微鏡照片。

主要元 件對 昭 J \ \ \ 表 10 1 散 熱 器 102 半 導 體 裝 置 1 03 封 裝 本 體 1 半 導 體 裝 置 2 散 埶 y \ \\ 器 3 散 執 ^\\\ 器 3a 細 微 的 凹 凸 4 金 屬 製 熱 沈 5 金 屬 製 散 熱 片 6 金 屬 接 合 層 7 聚 合物 接 合 層 110 金 剛 石 層 -24- (20) (20)200414456 111 聚合物接合層 1 12 金屬或陶瓷構件 113 纖維金剛石層 114 金剛石層

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Claims (1)

1. (1) (1)200414456 拾、申請專利範圍 1.—種半導體裝置，包含具有由3 5 0 W/m · K以上的 熱傳導率的金剛石或含有金剛石的材料構成的散熱器，該 散熱器直接設置在半導體裝置的背面的一部分或整個面上 〇 2 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中含有 金剛石的物質是金剛石層與陶瓷層的層疊體或金剛石粒子 與陶瓷粒子的混合物，該陶瓷是從由碳化矽和氮化鋁構成 的組中選擇的至少一種。 3 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中將該 散熱器直接接合到作爲該半導體裝置的基底材料的基底上 〇 4 _如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中在該 散熱器中沒有接合到該半導體裝置上的一側面上形成了多 個凹凸。 5 · —種半導體封裝，其中容納如申請專利範圍第j 項之半導體裝置，其中在該散熱器中的與該半導體裝置的 接合面的相反側的面上接合金屬製熱沈或金屬製散熱片。 6 ·如申請專利範圍第5項之半導體封裝，其中該散 熱器的接合到該金屬製熱沈或該金屬製散熱片的面具有纖 維結構，聚合物接合層進入到該纖維結構的一部分中，接 合該散熱器與該金屬製熱沈或該金屬製散熱片。 7 · —種散熱器，其設置在容納於半導體封裝內之半 導體裝置上，以從半導體裝置散熱，該散熱器包含： -26- (2) (2)200414456 具有金剛石層和由在該金剛石層的一面或兩面上被接 合的金屬或陶瓷構成的覆蓋構件，該金剛石層的結晶在金 剛石層的厚度方向上具有纖維狀結構。 8 ·如申請專利範圍第7項之散熱器，其中利用聚合 物黏接層接合該金剛石層與該覆蓋構件。 9. 如申請專利範圍第8項之散熱器，其中該金剛石 層的與由該金屬或陶瓷構成的覆蓋構件的接合面具有纖維 結構。 10. 如申請專利範圍第8項之散熱器，其中該金剛石 層的厚度方向和穿過平面方向的熱傳導率爲5 0 0 W/m . K 以上，接合部的面熱傳導率爲4xl06W/m2.K以上。 11. 如申請專利範圍第7項之散熱器，其中利用氣相 合成來形成該金剛石層，其厚度爲20至ΙΟΟμηι。 12. 如申請專利範圍第9項之散熱器，其中該金剛石 層的與該聚合物黏接層的接合面的構成纖維結構的部分的 厚度爲0.2至3μπι。 1 3 · —種半導體封裝，其具有如申請專利範圍第7項 之散熱器。 14· 一種散熱器，其設置在容納於半導體封裝內之半 導體裝置上，以從半導體裝置散熱，該散熱器包含： 具有金剛石層和由在該金剛石層的一面或兩面上被接 合的金屬或陶瓷構成的覆蓋構件，該金剛石層的結晶具有 微結晶結構。 1 5 ·如申請專利範圍第丨4項之散熱器，其中利用聚 -27- (3) 200414456 合物黏接層接合該金剛石層與該覆蓋構件 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之散熱 石層的與該由該金屬或陶瓷構成的覆蓋構 纖維結構。 1 7 .如申請專利範圍第1 4項之散熱 石層的厚度方向和穿過平面方向的熱傳導 以上，接合部的面熱傳導率爲4xl06W/m2· 1 8 .如申請專利範圍第1 4項之散熱 相合成來形成該金剛石層，其厚度爲20至 1 9 .如申請專利範圍第1 6項之散熱 石層的與該聚合物黏接層的接合面的構成 的厚度爲0.2至3μιη。 2 0. —種半導體封裝，其具有如申言| 項之散熱器。 器，其中該金剛 件的接合面具有 器，其中該金剛 率爲 5 00 W/m · Κ K以上。 器，其中利用氣 :1 0 0 μ m 〇 器，其中該金剛 纖維結構的部分 ί專利範圍第1 4 -28-