TWI433280B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Takaki Kurita
Osamu Igawa
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Fujitsu Semiconductor Ltd
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Description

半導體裝置及其製造方法 相關申請案之相互參照
本申請案係根據並主張2006年9月19日所申請在先之日本專利申請案第2006－252899號的優先權，茲將其完整內容在此列入參考。
發明領域
本發明是有關於一種旨在改進散熱效率的半導體裝置及其製造方法。
 發明背景
在一個包封一個半導體晶片於其內的IC封裝體中，有一種情況為一個熱散佈器是被設置俾可有效地把熱從半導體晶片消散到外部(例如，請參閱專利文件1)。熱散佈器有時被稱為散熱器。此外，熱散佈器有時被使用在把數個半導體晶片和週邊電路部件包封於其內的系統－在－封裝體(SIP)。
通常，熱散佈器是黏貼到半導體晶片的背面。對於該黏貼，錫(PbSn)是被使用。然後，由半導體晶片所產生的熱是被傳導到該熱散佈器且該熱是藉著自然冷卻或者強迫冷卻來被消散到外部。
因此，從半導體晶片到熱散佈器的熱傳導性必須是高，因為來自半導體晶片的熱是以高效率消散。另一方面，配合半導體晶片之功能的近期進步，生熱量是增加。因為這樣，能夠實現較高之熱傳導性的結構是有需要的。
相關的技術是被揭露在專利文件1(日本專利申請案早期公開第2006－108296號)、專利文件2(日本專利申請案早期公開第Sho 52－61152號)、專利文件3(日本專利申請案早期公開第Sho 63－228650號)、及專利文件4(日本專利申請案早期公開第Sho 54－132774號)。
 發明概要
本發明之目的是為提供一種能夠改進散熱效率的半導體裝置及其製造方法。
本發明的發明人在深切調查之後達成本發明之各式各樣的特徵來解決以上所述的問題。
本發明之半導體裝置是設置有一個半導體晶片、一個安裝該半導體晶片的基體、和一個配置在該半導體晶片與該基體之上的熱擴散元件。然後，該半導體晶片與該熱擴散元件是以一個In合金薄膜黏接。
在本發明之用於製造半導體裝置的方法中，一個半導體晶片是安裝在一個基體之上而然後，一個熱擴散元件是以一個在該半導體晶片上的In合金薄膜來黏接到該半導體晶片與該基體上。
圖式簡單說明
第1A至1I圖是為按步驟順序顯示本發明之第一實施例之製造半導體裝置之方法的圖示。
第2圖是為一個顯示一個熱散佈器的圖示。
第3圖是為一個顯示一個加固物的圖示。
第4圖是為一個顯示第一實施例之半導體裝置的立體圖。
第5A至5D圖是為按步驟順序顯示本發明之第二實施例之製造半導體裝置之方法的圖示。
第6圖是為第二實施例之半導體裝置的立體圖。
 較佳實施例之詳細說明
本發明的實施例將會配合附圖作明確描述。順便一提，為了方便起見，半導體裝置的結構將會沿著其之製造方法來作描述。
(第一實施例)
本發明之第一實施例將會首先作說明。第1A至1I圖是為按步驟順序顯示本發明之第一實施例之製造半導體裝置之方法的剖視圖。
在該第一實施例中，絕緣薄膜、半導體薄膜、導電薄膜等等在一個圓形碟狀半導體基體1上的形成與熱處理及其類似是首先被執行。在第1A至1I圖及後面的說明中，為了方便是假設絕緣薄膜、半導體薄膜、導電薄膜等等是被包括在該半導體基體1內。接著，如在第1A圖中所示，導電凸塊2是形成在該半導體基體1的表面上。
接著，如在第1B圖中所示，該半導體基體1的背面是被研磨。在研磨之後該半導體基體1的厚度是被調整到，例如，大約100 μm到600 μm。在研磨之後該背面的平均粗糙度Ra是被調整為，例如，大約25 nm。
然後，如在第1C圖中所示，一個金屬薄膜3是形成在該半導體基體1的背面上。作為該金屬薄膜3，例如，一個Ti薄膜、一個Cu薄膜、一個Ni薄膜、或者一個Ag薄膜是被形成如一個單一層，或者這些薄膜是被疊置。此外，亦有可能的是使用一個由Ti,Ni,Pd,V,與Ag中之兩者或者更多者構成的合金薄膜作為該金屬薄膜3全部或者一部份。此外，亦有可能的是使用一個WTi薄膜、一個NiCr薄膜、一個CrTi薄膜或其類似作為該金屬薄膜3全部或者一部份。該金屬薄膜3的厚度是被調整為，例如，大約50 nm到500 nm。
隨後，如在第1D圖中所示，藉由切割該圓形碟狀半導體基體1，數個半導體晶片18被切出。半導體晶片18的平面形狀是為一個具有，例如，大約15 mm到20 mm之側－長度的矩形。在第1D至1I圖中，該半導體基體1的表面是被繪畫俾可面向下而背面，面向下。
接著，如在第1E圖中所示，該半導體晶片18是置放在一個陶瓷基體4上，在它內部導線是與該等面向下的凸塊2一起形成。
隨後，如在第1F圖中所示，一個In合金球5是置於該金屬薄膜3上。該In合金球5是由，例如，InSn、InPb、InBi、或者InAg構成。In合金球5可以如在第1F圖中所示被散亂地置放在該金屬薄膜3上，或者一個合金球5可以在沒有散亂下被平均地置放在該金屬薄膜3上。
此外，如在第2圖中所示，熱散佈器11的黏貼預備是被完成。該熱散佈器11的平面形狀是為，例如，一個稍微比該陶瓷基體4之平面形狀(例如，長方形)小的長方形。在該熱散佈器11中，如在第2圖中所示，一個要被黏貼到該半導體晶片18的中央凸出部份18，及一個沿著外周圍部份的週邊凸出部份11b是被形成。然後，在黏貼的準備中，一個加固物12是利用一個在其之兩側具黏性特性的環氧樹脂薄片13來被固定到該週邊凸出部份11b上且此外，該環氧樹脂薄片13是黏貼在該加固物12的另一表面上。該加固物12的平面形狀實質上是與該週邊凸出部份11b的平面形狀相同，如在第3圖中所示。該加固物12是由，例如，固態樹脂製成。
然後，如在第1G圖中所示，在加固物12上的環氧樹脂薄片13是黏貼在該陶瓷基體4上。在這時，該In合金球5是被夾在該中央凸出部份11a與該金屬薄膜3之間。然後，藉由把該環氧樹脂薄片13加熱到大約70℃，該熱散佈器11、該加固物12、和該陶瓷基體4是被暫時固定(暫時硬化)。
接著，如在第1H中所示，該熱散佈器11與該陶瓷基體4是由一個夾16夾住。然後，藉由把該In合金球5加熱來熔化它及然後冷卻它，一個In合金薄膜17是自該In合金球5形成。結果，該半導體晶片18和該熱散佈器11是經由該金屬薄膜3與該In合金薄膜17來被黏接。順便一提，當加熱時所達到的最高溫度是被調整為，例如，大約250±10℃。此外，加熱是藉由使用，例如，一個輸送帶式加熱爐來執行。此外，藉由把被夾16夾住的環氧樹脂薄片13加熱，該環氧樹脂薄片13的實際硬化是被執行。順便一提，加熱是藉由使用，例如，一個溫控澡盤來被執行而且溫度是被設定為，例如，大約150±5℃，且加熱時間是被設定為，例如，大約一個小時。
最好的是，In合金球5的量是被調整以致於該In合金薄膜17具有一個大約0.1 mm到0.8 mm的厚度。必要的是，適足的黏貼強度被得到且其之厚度是大到足以防止該合金在形成的周期期間溢流或流動。
接著，如在第1I圖中所示，該夾16是被移去。在這之後，錫球14是形成於該陶瓷基體4的外表面上。當錫球14被形成時的溫度是被設定為，例如，大約250±10℃。結果，如在第4圖中所示的半導體裝置被完成。
根據以上所述的第一實施例，由於該In合金薄膜17是被用來黏接該熱散佈器11和該半導體晶片18，從半導體晶片18到熱散佈器11的熱傳導率將會是優良的。這亦是藉著在金屬薄膜3上之處於熔化狀態之In合金的潤濕性是高的事實所支援。
最好的是，在構成該In合金球5之In合金中之Sn,Pb,Bi,或Ag的比率是為大約0.1原子%到20原子%。當Sn,Pb,Bi,或Ag的比率是低於0.1原子%時，該In合金的熔點是低而會有In合金薄膜17之伴隨半導體晶片18之熱產生而起之熔化的可能性。另一方面，當比率超過20原子%時，會有的情況是為難以維持適足的潤濕性。特別地，在InAg的情況中，最好的是，Ag的比率是為5原子%到20原子%而且，更好的是，10原子%到20原子%。
當Sn之比率為63原子%之習知Pb－63% Sn的熱傳導率在85℃下是0.49(W/cm℃)時，Ag之比率比10原子%之In－10% Ag的熱傳導率在85℃下是0.67(W/cm℃)。如上所述，要得到一個優良的熱傳導率是有可能的。因此，要得到一個具有優良之散熱效果的半導體裝置是有可能的。順便一提，近來具有高容量之半導體晶片的運作溫度是為大約100℃至150℃。另一方面，該In－10% Ag的熔點是為大約230℃到240℃。因此，對於該半導體晶片的熱產生，該In－10% Ag薄膜是可靠的。
此外，該熱散佈器的材料不被特別限制，然而，最好的是，熱傳導率是相等於或者高於2(W．cm－1 ．k－1 )。作為如此的材料，例如，Cu、Al、Au等等是為範例。Cu,Al,和Au的熱傳導率分別是為4.01、3.17、與2.37(W．cm－1 ．k－1 )。然後，作為該熱散佈器，例如，由以Au電鍍之Cu形成的基底材料，或者由Al－SiC形成的基底材料能夠被使用，在Al－SiC中，一個Au薄膜或者一個Al薄膜是與該In合金薄膜一起形成在一個黏接部份上。
(第二實施例)
接著，本發明的第二實施例將會作說明。第5A至5D圖是為按步驟順序顯示本發明之第二實施例之製造半導體裝置之方法的剖視圖。
在該第二實施例中，首先，如同在該第一實施例中一樣，直到金屬薄膜3之形成(第1C圖)為止的處理是被執行。接著，如在第5A圖中所示，一個In合金薄片15是被重疊在該金屬薄膜3下面而且是被暫時固定。該In合金薄片15的成分是與在該第一實施例中之In合金球5的那些相同。
接著，如在第5B圖中所示，藉由切割該圓形碟狀半導體基體1，數個半導體晶片18被切出來。該半導體晶片18的平面形狀是為，例如，一個具有，例如，大約15 mm到20 mm之側－長度的長方形。在第5B至5D圖中，該半導體基體1的表面是被繪畫俾可面向下而背面，面向上。
然後，如在第5C圖中所示，如同在第一實施例中一樣，從半導體晶片18到陶瓷基體4上之置放(第1E圖)到環氧樹脂薄片13之實際硬化(第1H圖)的處理是被執行。
接著，如在第5D圖中所示，該夾16是被移去而且該等錫球14是形成在該陶瓷基體4的外表面上。如同在第一實施例中一樣，當錫球14被形成時的溫度是被設定為，例如，250±10℃。結果，如在第6圖中所示的半導體裝置被完成。
藉著以上所述的第二實施例，與在第一實施例中之那些相同的效果能夠被得到。
接著，由本發明之發明人所實際進行的實驗將會作描述。在這實驗中，形成於半導體晶片之背面上之金屬薄膜用之In合金之熔化特性(潤滑性能)的估算、依據刮擦測試的估算、和黏接強度的估算是被完成。
就熔化特性的估算而言，In－10% Ag球是被置放於形成在半導體晶片之背面上的金屬薄膜上，該In－10% Ag球是使用回焊爐來熔化，而潤濕性如何擴展的估算是目視完成。這時，不同的金屬薄膜是形成在半導體晶片的背面上。此外，在刮擦測試中，固化的In－10% Ag薄膜是被刮擦而該薄膜是否從金屬薄膜剝落是被研究。作為一個比較材料，使用Pb－63% Sn球之同樣的估算亦被完成。然後，估算是依據在表1中所示的標準來完成。估算的結果是被顯示在表2中。
在這裡，在表2中的”Ti30~80/Ni30~80/Ag100~300”表示具有大約30至80 nm之厚度的Ti薄膜、具有大約30至80 nm之厚度的Ni薄膜、以及具有大約100至300 nm之厚度的Ag薄膜是連續地形成在該半導體晶片的背面上作為一個金屬薄膜。在這裡，在估算數目之格子中所述之分數的分母表示被估算樣本的數目而分子表示針對它而得到判斷結果之樣本的數目。在每個組合中，分母與分子是相同而這表示在判斷結果上無波動。
如在表2中所示，當In－10% Ag球被使用時，不管金屬薄膜的種類，優良的熔化特性會被得到。當層疊薄膜被使用作為金屬薄膜時，在刮擦測試中薄膜無剝離。另一方面，當Pb－63% Sn球被使用且單層薄膜被使用作為金屬薄膜時，熔化特性是低且在刮擦測試時薄膜發生剝離。
在金屬薄膜上的In合金薄膜作用如黏接材料和熱介面材料。然後，由於In合金之熔化特性是優良的事實，會被考量的是與在它下面之金屬薄膜的共溶性以及鑄成合金程度是為高。為了改進金屬黏接的可靠度，高共溶性、高鑄成合金程度、及高化合程度是必須的。因此，可以說的是，如果In合金薄膜的熔化特性是優良的話，在熱散佈器與半導體晶片之間的熱傳導率是優良的。另一方面，在PbSn球被置放在單層金屬薄膜上之如此的情況中當熔化特性是低時，潤濕性之擴展的程度是低而且在固化之後該PbSn球是有可能自金屬薄膜剝離。
就黏接強度的估算而言，該熱散佈器是利用In－10% Ag球或者Pb－63% Sn球來金屬－黏接到半導體晶片上且其之強度是被測量。在測量之時，在沒有使用陶瓷基體之下一個測試治具是利用黏接劑(環氧樹脂)來被固定在該半導體晶片的表面上而且破壞測試被進行。如果該金屬－黏接的強度不夠大的話，在In－10% Ag薄膜或者Pb－63% Sn薄膜與熱散佈器之間的邊界處發生剝離。另一方面，如果該金屬－黏接的強度是夠大的話，剝離不可能發生在該邊界但有可能發生在把測試治具固定到半導體晶片上的黏接劑。換句話說，破壞發生在一個作為一個起始點的點處，在該點那裡，黏接強度是微細。因此，藉由估算該破壞邊界及測量在破壞之時所施加的強度，要估算金屬－黏接的狀態是有可能的。
在黏接強度的估算中，對於具有優良熔化特性之那些之組合的估算是被完成。結果是顯示在表3中。
如在表3中所示，當In－10% Ag薄膜被形成而層疊薄膜被使用作為金屬薄膜時，適足的黏接強度會被得到且在同一時間，剝離發生在黏接劑，但剝離不發生在In－10% Ag薄膜附近。另一方面，當Pb－63% Sn薄膜被形成且單層薄膜被使用作為金屬薄膜時，剝離不發生在黏著劑但發生在Pb－63% Sn薄膜。
從這些結果可知，可以斷定的是，藉由使用，特別地，一個層疊薄膜作為金屬薄膜，例如，藉由使用由Ti薄膜與Ag薄膜構成之一個層疊薄膜或者由Ti薄膜、Ni薄膜、與Ag薄膜構成之一個層疊薄膜、及藉由使用In－10% Ag球作為In合金球，要得到設有高熔化特性(潤滑性能)與適足強度的金屬－黏接是有可能的。
專利文件2揭露由W製成之圓形碟狀強迫材料之利用In或者In－5比重% Ag合金到一個矽半導體整流裝置的黏接，然而，該W材料不作用如一個熱擴散元件。這是因為W的熱傳導率是低到如1.74(W．cm－1 ．k－1 )。此外，在專利文件2中所述之In和In－5比重% Ag合金的熔點是大約140到150℃而因此從熱電阻的觀點看，這無法應用到具有高性能的近代半導體晶片。
根據本發明，半導體晶片與像是熱散佈器般之熱擴散元件的黏接是利用一個In合金薄膜來被執行。由於這樣，要有效率地把熱自半導體晶片散去是有可能的。
1．．．半導體基體
18．．．半導體晶片
2．．．導電凸塊
11．．．熱散佈器
3．．．金屬薄膜
11a．．．中央凸出部份
4．．．陶瓷基體
11b．．．週邊凸出部份
5．．．In合金球
12．．．加固物
13．．．環氧樹脂
16．．．夾
14．．．分球
17．．．In合金薄膜
15．．．In合金薄片
第1A至1I圖是為按步驟順序顯示本發明之第一實施例之製造半導體裝置之方法的圖示。
第2圖是為一個顯示一個熱散佈器的圖示。
第3圖是為一個顯示一個加固物的圖示。
第4圖是為一個顯示第一實施例之半導體裝置的立體圖。
第5A至5D圖是為按步驟順序顯示本發明之第二實施例之製造半導體裝置之方法的圖示。
第6圖是為第二實施例之半導體裝置的立體圖。
1．．．半導體基體
2．．．導電凸塊
3．．．金屬薄膜
4．．．陶瓷基體
5．．．In合金球
11．．．熱散佈器
11a．．中央凸出部份
11b．．週邊凸出部份
12．．．加固物
13．．．環氧樹脂薄片
18．．．半導體晶片

Claims (17)

  1. 一種半導體裝置，包含：一個半導體晶片；一個安裝該半導體晶片的基體；一個配置在該半導體晶片與該基體之上的熱擴散元件，該半導體晶片與該熱擴散元件是藉一個In合金薄膜來黏接；及一個位於該In合金薄膜與該半導體晶片之間的金屬薄膜；其中，該金屬薄膜包含一合金薄膜係由Ti、Ni、Pd、V及Ag所組成之群組中選出兩種以上之元素所構成者，且該In合金薄膜包含一合金薄膜係由包含於該金屬薄膜中之兩種以上元素所構成者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該In合金薄膜的厚度是為0.1mm至0.8mm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該In合金薄膜包含至少一種從一個包含Sn、Pb、Ag、和Bi之群組選擇出來的元素。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，在該In合金薄膜中之In之外之元素的比率是0.1原子%至20原子%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該In合金薄膜包含5原子%到20原子%的Ag。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該熱擴 散元件之熱傳導率是相等於或者大於2(W．cm-1 ．k-1 )。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該熱擴散元件是經由樹脂來黏接到該基體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該金屬為Ag。
  9. 一種用於製造半導體裝置的方法，包含如下之步驟：把一個半導體晶片安裝在一個基體之上；及藉一個在該半導體晶片上的In合金薄膜來把一個熱擴散元件黏接到該半導體晶片與該基體上；其中，當該熱擴散元件被黏貼在該半導體晶片上時，一個金屬薄膜是置於該In合金薄膜與該半導體晶片之間；其中，該金屬薄膜包含一合金薄膜係由Ti、Ni、Pd、V及Ag所組成之群組中選出兩種以上之元素所構成者，且該In合金薄膜包含一合金薄膜係由包含於該金屬薄膜中之兩種以上元素所構成者。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，該In合金薄膜的厚度是為0.1mm至0.8mm。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，一個包含至少一種從一個包含Sn、Pb、Ag、和Bi之群組選擇出來之元素的薄膜是被使用作為該In合金薄膜。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，一個薄膜，其之在該薄膜中之In之外之元素 的比率是0.1原子%至20原子%，是被使用作為該In合金薄膜。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，一個包含5原子%到20原子%之Ag的薄膜是被使用作為該In合金薄膜。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，把該熱擴散元件黏接到該半導體晶片上的步驟包含如下之步驟：把一個In合金球置放在該半導體晶片之上；把該熱擴散元件置放在該In合金球上；把該In合金球熔化；及藉由把該熔化的In合金固化來形成該In合金薄膜。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，形成該半導體晶片的步驟包含如下之步驟：形成一個半導體元件在一個半導體基體的一個表面上；把一個In合金薄片黏貼到該半導體基體的另一個表面上；及把該半導體基體和該In合金薄片切割，且把該熱擴散元件黏貼到該半導體晶片上的步驟包含如下之步驟：把該熱擴散元件置放在該In合金薄片上；把該In合金薄片熔化；及 藉由把該熔化的In合金固化來形成該In合金薄膜。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中，當該熱擴散元件被黏接到該基體和該半導體晶片時，該熱擴散元件是經由樹脂來黏接到該基體。
  17. 如申請專利範圍第9項所述之用於製造半導體裝置的方法，其中該金屬為Ag。
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