TWI438877B - 半導體封裝用散熱板及半導體裝置 - Google Patents

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Description

半導體封裝用散熱板及半導體裝置 相關申請案之相互參照
本案係基於且請求2007年7月5日申請之先前日本專利申請案編號2007-177636的優先權利益，在此以引用方式將其全文併入本文。
本發明係有關一種收納配置例如各種LSI、IC等半導體元件之半導體封裝用散熱板及使用該散熱板之半導體裝置。
一般而言，半導體元件係由於大容量化而使發熱量增大，為了維持半導體元件的性能，半導體封裝用散熱板係採用了各種構造。
例如在日本特開2001-144237號公報中，揭示了將比金屬材料熱傳導特性優的石墨板與金屬薄板組合之石墨板層疊熱傳導體，並提出使用該石墨板層疊熱傳導體進行電子機器的散熱。
然而，上述石墨板層疊熱傳導體雖然可以得到高的熱傳導特性，但是例如在構成搭載了陶瓷基板之半導體封裝的情況下，由於其熱膨脹係數與陶瓷基板的熱膨脹係數大不相同，而有根據熱變形而使與陶瓷基板的接合部位有所損傷之問題。
一方面，在日本專利第3862737號公報中，也提出交互層疊銅層與鉬層，使熱膨脹係數接近構成半導體元件之陶瓷基板的熱膨脹係數之散熱基板用材料。
然而，在上述散熱基板用材料中，無法滿足熱傳導效率。隨著半導體元件的大容量化，進一步增加熱量時，有所謂若不增加散熱面積，要對應熱量增加為困難的問題。
本發明係以提供能夠實現高熱傳導效率，且能夠實現熱膨脹係數的調整之半導體封裝用散熱板及半導體裝置為目的。
若是根據本發明的實施例，係提供具有：銅層、石墨層與鉬層的層疊體；及設置在層疊體兩面的外部銅層之半導體封裝用散熱板。
又若是根據本發明之另一實施例，係提供具有：銅層、石墨層與鉬層的層疊體；及設置在層疊體兩面的外部銅層之半導體封裝用散熱板；搭載在散熱板上之利用半導體晶片與基板所形成之半導體元件；具有開口，且設置外部連接端子之框材，並設置在散熱板上，包圍半導體元件之框材；黏附框材的開口之蓋體；及電氣連接半導體元件與外部連接端子之導體的半導體裝置。
針對關於實施例的半導體封裝用散熱板及半導體裝置，參照圖面加以詳細說明。
實施例的半導體封裝用散熱板係具有：銅層、石墨層與鉬層的層疊體；及設置在層疊體兩面的外部銅層。
第1及2圖係顯示關於第1實施例之半導體封裝用散熱板。第1圖係為顯示搭載半導體元件14的散熱板10。散熱板10係具有在其兩面有外部銅層11a、11b之平板狀的板構造。在外部銅層11a、11b之間係將依序層疊例如在面方向熱傳導性優之石墨12、鉬層13、石墨層12、在面垂直方向熱傳導性優之銅層11c、石墨層12、銅層11c的6層並進行二次重疊，再將石墨層12、鉬層13及石墨層12依序層疊在第二次的銅層11c。換言之，使銅層11c、石墨層12及鉬層13相互層疊複數層，並在其層疊體的兩面16a、16b設置外部銅層11a、11b。
又散熱板10係在層疊體的周緣具有例如層疊銅層11d與鉬層13a而構成的框部15，並覆蓋石墨層12的端部。
將銅層11c、石墨層12、鉬層13、外部銅層11a、11b如上述所示重複層疊並加壓加溫處理，使其一體化，例如使銅層11c為0.1mm、石墨層12為0.1mm、鉬層12為0.02mm、外部銅層11a、11b為0.2mm加以層疊。
鉬層13的配合量係以使散熱板10的物性接近構成搭載在散熱板10的半導體元件14之例如陶瓷基板的熱膨脹 係數之方式加以選定。又外部銅層11a、11b及銅層11c的厚度總合與石墨層12的厚度總合之比係約略設定為1。
又在層疊體周緣，於外部銅層11a、11b之間重複層疊銅層及鉬層並藉由進行加壓加溫處理，層疊銅層11d及鉬層13a，設置框部15。
其次，說明本發明之實施例的半導體裝置。若是根據本發明之第1實施例的半導體裝置，其係具有：有銅層、石墨層與鉬層的層疊體、及設置在層疊體兩面的銅層之散熱板；搭載在散熱板上之利用半導體晶片與基板所形成之半導體元件；具有開口且設置外部連接端子的框材，並設置在散熱板上包圍半導體元件的框材；黏附框材的開口之蓋材；及電性連接半導體元件與外部連接端子之導體。
藉由在第1及2圖所示之實施例的散熱板10之外部銅層11a、11b及框部15的周圍設置電鍍金等未圖示的處理層，並在該處理層上搭載半導體元件14，能夠製造第3及4圖所示之半導體裝置20。
如第3圖所示，在第1實施例的半導體裝置中，在散熱板10的一方外部銅層(未圖示)上安裝構成半導體封裝的框材21。在框材21係於其側壁突出設置外部連接端子22。再者，在該框材21內的散熱板10上係使用焊接等接合搭載半導體元件14之陶瓷基板141及半導體晶片142。陶瓷基板141及半導體晶片142係在相互之間及與上述外部連接端子22之間利用導線24電性連接。再者，在框材21上係黏附構成半導體封裝的蓋體23，形成如第4圖 所示之半導體裝置20。
若是根據第1實施例的半導體封裝用散熱板及第1實施例的半導體裝置，散熱板10係使其熱膨脹係數藉由鉬層13的作用而接近半導體元件14之陶瓷基板141的物性。在使用焊接等接合陶瓷基板141時，即使有由於加熱及冷卻接合部所發生的溫度變化，因為藉由使散熱板的熱膨脹係數與陶瓷基板141的熱膨脹係數接近，其熱變形係與陶瓷基板141的熱變形大約相同，因此不會使陶瓷基板141裂開等，能夠維持高精度的接合。
又利用同樣的作用，即使在半導體裝置20的外周圍等發生溫度變化，也不會使半導體元件14的陶瓷基板141裂開等，能夠維持高精度的接合。
進一步，當驅動搭載在散熱板10之一方外部銅層11a上的半導體晶片142而發熱時，其熱能係首先熱移送至外部銅層11a，經由外部銅層11a熱移送至陶瓷基板141。 此時，由於散熱板10係藉由使其熱膨脹係數與陶瓷基板141接近，而與陶瓷基板141的熱變形大約相同，因為不會使陶瓷基板141裂開等，能夠維持相互間的高精度接合。
同時，熱移送至散熱板10的熱能係利用該外部銅層11a、11b及框部15有效地傳導至面垂直方向的同時，而且利用該石墨層12有效地傳導至面方向，因此能夠均勻地被熱傳導至散熱板10整體。藉此，散熱板10上的半導體元件14係在與其外部銅層11a之間維持高精度的搭載 之狀態下，能夠進行高效率的熱控制。
藉此，能夠實現防止由於搭載在散熱板10上之半導體元件14的熱變形所造成的損傷，而且能夠實現具有熱傳導性能優的散熱板10，達到半導體元件14之高效率的熱控制。
本發明係不限於上述實施例，例如第5、6、7、8、9、10圖所示，也可以構成為半導體封裝用散熱板10a、10b、10c、10d、10e、10f，同樣也可以得到有效的效果。又能夠使用此等散熱板，製作半導體裝置。但是，在該第5至10圖所示之實施例中，針對與上述第1至4圖相同的部分係附予相同的符號而省略其詳細說明。
在第5圖係顯示第2實施例之半導體封裝用散熱板。
散熱板10a係層疊銅層11e形成設置在周緣的框部15a，並與第1圖所示之實施例1相同，交互層疊外部銅層11a、11b、銅層11c、石墨層12、及鉬層13構成其他部份。
在第6圖係顯示第3實施例之半導體封裝用散熱板。
散熱板10b係利用銅形成設置在周緣的框部15b，該框部15b係與外部銅層11b一體成形。
在第7圖係顯示第4實施例之半導體封裝用散熱板。
散熱板10c係在搭載半導體晶片142的區域101，於外部銅層11a、11b之間具有半導體晶片搭載部101a，半導體晶片搭載部101a係沒有設置石墨層12，層疊銅層11c及鉬層13加以形成。在半導體晶片搭載部101a中， 利用銅層11c及鉬層13，能夠取得面垂直方向之熱傳導性能的提升，更進一步得到良好的熱傳導率。藉此，在半導體元件14之中來自發熱量集中之半導體晶片142的熱能係能夠更進一步有效熱傳導至面垂直方向。
在第8圖係顯示第5實施例之半導體封裝用散熱板。
散熱板10d係沒有設置石墨層12及鉬層13，僅層疊銅層11c形成半導體晶片搭載部101b。藉此，取得半導體晶片搭載部101b中的面垂直方向之熱傳導性能的提升，更進一步得到良好的熱傳導率。在半導體元件14之中來自發熱量集中之半導體晶片142的熱能係能夠更進一步有效熱傳導至面垂直方向。
在第9圖係顯示第6實施例之半導體封裝用散熱板。
散熱板10e係與上述第6圖所示之散熱板10b相同，僅利用銅形成設置在周緣的框部15b的同時，而且僅利用銅形成半導體晶片搭載部101c，該框部15b、半導體晶片搭載部101c、及外部銅層11b係為一體成形者。
在第10圖係顯示第7實施例之半導體封裝用散熱板。
雖然在第1圖所示之第1實施例中係設置框部15，但是在該實施例中係為沒有設置框部15構成散熱板10f者。
又在上述散熱板10c、10d、10e中，雖然是針對將半導體晶片搭載部101a、101b、101c設置為一處的情況加以說明，但是不限於此，也可以設置二處以上加以構成。
在上述各實施例中，雖然是針對利用石墨層12挾裝鉬層13的情況加以說明，但是本發明係不限於此，也可以構成為挾裝在石墨層12與銅層11c之間、或外部銅層11a (11b)與銅層11c之間，或是利用銅層11c加以挾裝的方式層疊配置鉬層13。
由此處所揭示之發明說明書及實務的考量，對於熟悉此技藝者而言本發明的其他具體例或修飾將顯而易見。吾人試圖將說明書及示範具體例僅視為例子，而本發明的真實範圍及精神係由以下得知。
10‧‧‧散熱板
10a‧‧‧散熱板
10b‧‧‧散熱板
10c‧‧‧散熱板
10d‧‧‧散熱板
10e‧‧‧散熱板
10f‧‧‧散熱板
11a‧‧‧外部銅層
11b‧‧‧外部銅層
11c‧‧‧銅層
11d‧‧‧銅層
11e‧‧‧銅層
12‧‧‧石墨層
13‧‧‧鉬層
13a‧‧‧鉬層
14‧‧‧半導體元件
15‧‧‧框部
15a‧‧‧框部
15b‧‧‧框部
20‧‧‧半導體裝置
21‧‧‧框材
22‧‧‧外部連接端子
23‧‧‧蓋體
24‧‧‧導線
101‧‧‧搭載半導體晶片的區域
101a‧‧‧半導體晶片搭載部
101b‧‧‧半導體晶片搭載部
101c‧‧‧半導體晶片搭載部
141‧‧‧陶瓷基板
142‧‧‧半導體晶片
第1圖係為顯示有關第1實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
第2圖係為顯示第1圖的散熱板之平面圖。
第3圖係為顯示分解第1實施例的半導體裝置之分解圖。
第4圖係為顯示第3圖的半導體裝置之外觀構造的立體圖。
第5圖係為顯示有關第2實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
第6圖係為顯示有關第3實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
第7圖係為剖面顯示有關第4實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
第8圖係為剖面顯示有關第5實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
第9圖係為剖面顯示有關第6實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
第10圖係為剖面顯示有關第7實施例之半導體封裝用散熱板的主要部位之剖面圖。
10‧‧‧散熱板
11a‧‧‧外部銅層
11b‧‧‧外部銅層
11c‧‧‧銅層
11d‧‧‧銅層
12‧‧‧石墨層
13‧‧‧鉬層
13a‧‧‧鉬層
14‧‧‧半導體元件
15‧‧‧框部

Claims (8)

  1. 一種半導體封裝用散熱板，其特徵為具有：層疊體，係由銅層、石墨層、及鉬層(Mo)以不重疊同種之層的方式被層疊複數層而成，而且上述鉬層之層疊數較上述石墨層之層疊數為少的層疊體；外部銅層，係於上述層疊體之兩面以重疊層的方式被設置；及框部，係設於上述層疊體之上述兩面以外之周緣，由銅形成，而且與一方之面的上述外部銅層被一體形成。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體封裝用散熱板，其中，進一步在搭載半導體元件的區域，於上述兩面之外部銅層之間具有半導體晶片搭載部。
  3. 如申請專利範圍第2項之半導體封裝用散熱板，其中，上述半導體晶片搭載部係具有由複數銅層層疊而成的層疊體。
  4. 如申請專利範圍第2項之半導體封裝用散熱板，其中，上述半導體晶片搭載部係利用銅加以形成，上述半導體晶片搭載部係與一方面的上述外部銅層及上述框部一體設置。
  5. 如申請專利範圍第2項之半導體封裝用散熱板，其中，半導體晶片搭載部係具有複數銅層與複數鉬層層疊而成的層疊體。
  6. 如申請專利範圍第1項之之半導體封裝用散熱板，其中，上述外部銅層的厚度係較上述層疊體的銅層之厚 度更厚。
  7. 如申請專利範圍第1項之半導體封裝用散熱板，其中，上述層疊體具有複數銅層及複數石墨層，上述外部銅層及上述層疊體之上述複數銅層的厚度總合、與上述複數石墨層的厚度總合之比約略為1。
  8. 一種半導體裝置，其特徵為具有：散熱板，其具有：層疊體，係由銅層、石墨層、及鉬層以不重疊同種之層的方式被層疊複數層而成，而且上述鉬層之層疊數較上述石墨層之層疊數為少的層疊體；外部銅層，係於上述層疊體之兩面以重疊層的方式被設置；及框部，係設於上述層疊體之上述兩面以外之周緣，由銅形成，而且與一方之面的上述外部銅層被一體形成；搭載在散熱板上之利用半導體晶片及基板形成之半導體元件；具有開口、且設置外部連接端子的框材，並設置在上述散熱板上，包圍上述半導體元件之框材；黏附上述框材的開口之蓋體；及電氣連接半導體元件與外部連接端子之導體。
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