(57)【要約】【課題】半導体素子の放熱特性が優れていると共に、半導体素子の実装信頼性及び放熱フィンの接合信頼性を共に高めることができ、特に高消費電力化された半導体素子への適合性を高めたヒートスプレッダ付半導体素子及び半導体パッケージを提供する。【解決手段】高消費電力化された半導体素子１又は光半導体素子の裏面に、ダイヤモンド層又は炭化珪素及び窒化アルミニウム等のセラミックス層からなる高熱伝導特性と光透過性を有するヒートスプレッダ２が直接接合されている。これらのヒートスプレッダ２は、半導体素子作製工程前、工程中又は工程後のいずれかにおいて、基材となるシリコンウエハ又はチップに直接被覆形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の裏面の一部又は全面に、３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するダイヤモンド又はダイヤモンド含有物質からなるヒートスプレッダが直接接合されていることを特徴とするヒートスプレッダ付半導体素子。
【請求項２】
前記ダイヤモンド含有物質は、ダイヤモンド層とセラミックス層との積層体又はダイヤモンド粒子とセラミックス粒子との混合物であり、前記セラミックスは、炭化珪素及び窒化アルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載のヒートスプレッダ付半導体素子。
【請求項３】
前記ヒートスプレッダは、波長が７５０ｎｍ以下の光に対して少なくとも１０％以上の透過性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートスプレッダ付半導体素子。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダは、前記半導体素子の作製工程前、作製工程中、作製工程後のいずれかに、前記半導体素子の基材となるシリコン又はサファイア製の基板に直接接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ付半導体素子。
【請求項５】
前記ヒートスプレッダにおける前記半導体素子に接合されていない側の面に、複数の凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ付半導体素子。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ付半導体素子が収納される半導体パッケージにおいて、前記ヒートスプレッダにおける前記半導体素子との接合面の反対側の面に、金属製ヒートシンク又は金属製放熱フィンが接合されていることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項７】
前記金属製ヒートシンク又は前記金属製放熱フィンと、前記ヒートスプレッダとは、前記ヒートスプレッダの接合面の一部で接合されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体パッケージ。
【請求項８】
前記ヒートスプレッダは、前記金属製ヒートシンク又は前記金属製放熱フィンに接合される面が、繊毛状構造を有し、高分子接着層がこの繊毛状構造の一部に入り込んで前記ヒートスプレッダと前記金属製ヒートシンク又は前記金属製放熱フィンとが接合されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号配線の低抵抗化、高配線密度化及びパッケージの低コスト化等を実現する際に問題となる半導体素子及び放熱フィンの接合信頼性を向上させたヒートスプレッダ付半導体素子及び半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年の半導体製造技術の進歩に伴い、半導体素子は高集積化、高速動作化、高消費電力化及び多端子化が進行する傾向にあり、また半導体素子の性能も急速に向上している。このように、高機能化された半導体素子、特に消費電力の高い半導体素子を搭載するパッケージには、まず素子機能を低下させることなく動作させる上で、高放熱性が要求される。
【０００３】
半導体パッケージは、安価なプラスチックパッケージが主流であるが、プラスチックパッケージは単体で適応できる消費電力は低く、消費電力の増大に対応するためにはヒートシンク又は放熱フィンを使用する必要がある。また、プラスチックパッケージは半導体素子との熱膨張係数の差が大きいことから、大型の半導体素子を搭載すると、素子に割れ等が生じる虞がある。
【０００４】
このようなことから、消費電力が高く、かつ大型化された半導体素子を搭載する場合には、セラミックスパッケージが主として使用されている。例えば、アルミナセラミックスを使用したパッケージでは、Ｗ−Ｃｕ合金からなるヒートシンクを使用したものが一般的である。また、高熱伝導性の窒化アルミニウムセラミックス等を用いたパッケージでは、半導体素子を直接窒化アルミニウム基板上に搭載したものが使用されている。
【０００５】
上述したような各種の半導体パッケージにおいて、半導体素子で発生する熱を効率的に除去するためには、半導体素子をパッケージ基体の下面側に接合したキャビティダウン（フェイスダウン）構造のパッケージが有効である。このような構造のパッケージによれば、半導体素子の裏面側から直接熱を奪うことができ、また放熱フィンを使用すれば、半導体素子から奪った熱を効率よく放熱することができる。
【０００６】
また、近年の半導体素子の高機能化は消費電力を想像以上に高いものにしている。例えば、消費電力が５Ｗ以下の半導体素子であれば、放熱フィン及び冷却用ファンなしに熱抵抗を下げる工夫が可能であるが、１０Ｗ程度となると、それらの処置が不可避になる。このような点に対して、上記したフェイスダウン構造のパッケージは放熱フィンの設置が容易であるため、プラスチックパッケージ及びセラミックスパッケージにかかわらず、フェイスダウン構造の半導体パッケージは高消費電力型の半導体素子に適したパッケージ構造である。
【０００７】
但し、プラスチップパッケージは、上述したように半導体素子との熱膨張係数の差が大きく、特に大型の半導体素子を搭載する場合に割れ等が発生しやすい等、実装信頼性の点で劣るという難点を有している。
【０００８】
こうした問題に対応すべく、例えば高熱伝導性のセラミックス基材とプリント基板のような樹脂配線基板とを併用した半導体パッケージが提案されている（特許文献１：特開平１０−２７５８７９号公報）。この半導体パッケージは、窒化アルミニウム製のヒートスプレッダを使用し、その下面側に半導体素子を搭載すると共に、その周囲に樹脂配線基板を接合し、半導体素子の信号配線を樹脂配線基板の配線層で取り回すようにしたものである。このような半導体パッケージは、半導体素子の高消費電力化等への対応、信号配線の低抵抗化又は高密度化、及びパッケージの低コスト化等を達成し得るパッケージとして期待されている。
【０００９】
しかしながら、上述した窒化アルミニウム基板をヒートスプレッダとして使用した半導体パッケージにおいては、例えば１辺長が２０ｍｍという素子サイズを有する半導体素子を搭載する場合、それに応じて窒化アルミニウム基板も大きくしなければならないが、このような大型の窒化アルミニウム基板の上面全面に金属製放熱フィンを接合すると、熱サイクルが印加された際に窒化アルミニウム基板と金属製放熱フィンとの間の熱膨張差により亀裂等が生じる場合がある。
【００１０】
一方、ヒートスプレッダに銅板等の金属板を用いた半導体パッケージも提案されているが、銅板は半導体素子との熱膨張係数の差が大きいため、熱サイクルが印加された際に、半導体素子にダメージを及ぼしてしまう。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２７５８７９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、窒化アルミニウム基板等の高熱伝導性セラミックス又は銅板等の金属板をヒートスプレッダとして使用した半導体パッケージは、半導体素子の高消費電力化等への対応パッケージとして実用化されてきたが、ますます進展する半導体素子の高消費電力化に対応するには限界がある。また、ヒートスプレッダに高熱伝導性セラミックスのみを用いた場合には、本来高放熱性パッケージとして期待されているフェイスダウン構造において、ヒートシンク又は放熱フィンの接合信頼性が低下し、一方銅板等を用いた場合には半導体素子の実装信頼性が低下してしまうという問題点がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、半導体素子の放熱特性が優れていると共に、半導体素子の実装信頼性及び放熱フィンの接合信頼性を共に高めることができ、特に高消費電力化された半導体素子への適合性を高めたヒートスプレッダ付半導体素子及び半導体パッケージを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヒートスプレッダ付半導体素子は、半導体素子の裏面の一部又は全面に、３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するダイヤモンド又はダイヤモンド含有物質からなるヒートスプレッダが直接接合されていることを特徴とする。
【００１５】
このヒートスプレッダ付半導体素子において、例えば、前記ダイヤモンド含有物質は、ダイヤモンド層とセラミックス層との積層体又はダイヤモンド粒子とセラミックス粒子との混合物であり、前記セラミックスは、炭化珪素及び窒化アルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種である。
【００１６】
また、前記ヒートスプレッダは、例えば、波長が７５０ｎｍ以下の光に対して少なくとも１０％以上の透過性を有する。
【００１７】
更に、前記ヒートスプレッダは、前記半導体素子の作製工程前、作製工程中、作製工程後のいずれかに、前記半導体素子の基材となるシリコン又はサファイア製の基板に直接接合されていることが好ましい。
【００１８】
例えば、前記ヒートスプレッダにおける前記半導体素子に接合されていない側の面に、複数の凹凸が形成されている。
【００１９】
そして、本発明に係る半導体パッケージは、上記ヒートスプレッダ付半導体素子が収納される半導体パッケージにおいて、前記ヒートスプレッダにおける前記半導体素子との接合面の反対側の面に、金属製ヒートシンク又は金属製放熱フィンが接合されていることを特徴とする。
【００２０】
この半導体パッケージにおいて、例えば、前記金属製ヒートシンク又は前記金属製放熱フィンと、前記ヒートスプレッダとは、前記ヒートスプレッダの接合面の一部で接合されていることが好ましい。
【００２１】
更に、前記ヒートスプレッダは、前記金属製ヒートシンク又は前記金属製放熱フィンに接合される面が、繊毛状構造を有し、高分子接着層がこの繊毛状構造の一部に入り込んで前記ヒートスプレッダと前記金属製ヒートシンク又は前記金属製放熱フィンとが接合されていることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。半導体素子１の裏面に、ヒートスプレッダ２が直接接合されている。なお、本発明において、半導体素子１というときには、半導体モジュールも含む。このヒートスプレッダ２は、熱伝導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のダイヤモンド又はダイヤモンド含有物質のように、熱伝導性が優れた材料からなるものであり、このヒートスプレッダ２は半導体素子１に直接接合されている
【００２３】
このヒートスプレッダ付半導体素子において、前記ダイヤモンド含有物質は、ダイヤモンド層とセラミックス層との積層体又はダイヤモンド粒子とセラミックス粒子との混合物等があり、前記セラミックスは、炭化珪素及び窒化アルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種がある。
【００２４】
ダイヤモンド自体は熱伝導率が最高２２００Ｗ／ｍＫに達するものであるが、このダイヤモンド単体をヒートスプレッダに使用することは製造コストが高くなる。そこで、このダイヤモンドと炭化珪素又は窒化アルミニウム等のセラミックスとの複合化が有効である。ダイヤモンドと炭化珪素又は窒化アルミニウム等のセラミックスを含有した物質によりヒートスプレッダを製造しても、熱伝導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを得ることができ、次々世代の発熱量が１００Ｗ以上となるようなＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）に対しても、優れた放熱効果が得られる。
【００２５】
窒化アルミニウム及び炭化珪素は熱伝導率が夫々２００Ｗ／ｍＫ及び２７０Ｗ／ｍＫ程度であるが、これらはセラミックス材料としてダイヤモンドに続く高い熱伝導率を誇る材料であり、ダイヤモンド層との積層化又は粒子状でのダイヤモンドとの混合焼結体のように、ダイヤモンドと複合化することにより、その熱伝導率を３５０Ｗ／ｍＫ以上とすることができる。
【００２６】
半導体素子１は種々のものを適用することができるが、消費電力が例えば１０Ｗ以上と大きく、また素子サイズが１辺長が１０ｍｍ以上のような高消費電力で大型の半導体素子に対して本発明は特に有効である。
【００２７】
図１（ｂ）は本実施形態の変形例を示す断面図であるが、ヒートスプレッダ３には、半導体素子１が接合されていない面に、微細な凹凸３ａが形成されている。
【００２８】
これらのヒートスプレッダ２，３は、ダイヤモンド又は炭化珪素及び窒化アルミニウム等のセラミックス製であるので、化学的耐性が優れており、空冷だけでなく水冷方式でも、材質劣化がなく、半導体素子の性能が低下したりすることはない。
【００２９】
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子が接合された半導体パッケージを示す。ダイヤモンド又はセラミックス製のヒートスプレッダ２における半導体素子１が接合された面の反対側の面に、金属製ヒートシンク４が接合されている。
【００３０】
また、図２（ｂ）に示す半導体パッケージは、ヒートスプレッダ２における半導体素子１が接合された面の反対側の面に、放熱フィン５が接合されている。
【００３１】
金属製ヒートシンク４及び金属製放熱フィン５は、一般に、半導体素子材料との熱膨張係数の差が大きいが、ダイヤモンド又はセラミックス製ヒートスプレッダ２の熱膨張係数は半導体素子のそれに近いため、ヒートスプレッダ２が、熱伝達層としての機能に止まらず、熱膨張緩和層としての機能も有し、半導体素子１の実装信頼性を向上させることができる。
【００３２】
ダイヤモンド又はセラミックス製ヒートスプレッダ２は半導体素子１とほぼ同様の大きさを有し、半導体素子１の全面にヒートスプレッダ２が接合されていることが好ましい。また、セラミックス製ヒートスプレッダ２には基本的に単板構造の配線層を有しない基板が使用されるが、金属製ヒートシンク４又は放熱フィン５をグランドとして使用したり、又はヒートスプレッダ２にグランド層を設ける場合には、ヒートスプレッダ２にメタライズ層又はスルーホールを形成してもよい。また、ヒートスプレッダ２にダイヤモンド層を使用した場合、波長２２７ｎｍ以上の波長の光に対して優れた透過性を示すので、スルーホールを形成せずヒートスプレッダとしての機能を最大限保持しながら、光半導体の受発光窓として、ダイヤモンド層又はセラミックス層を用いることも可能である。特に、本発明のように半導体素子の裏面に直接接合し、ダイヤモンド層又はセラミックス層が素子作製工程前又は素子作製工程中に形成されるような場合は、ダイオードアレイのように広域な半導体モジュールに有効である。
【００３３】
ダイヤモンド又はセラミックス製ヒートスプレッダ２と金属製ヒートシンク４又は放熱フィン５との接合は、例えば、活性金属を用いたろう付け法、ヒートスプレッダにメタライズを施した上で、半田又は一般的なろう材を使用して接合する方法、又は一般的な樹脂系の接着剤を用いて接合する方法等、種々の接合方法で接合することができる。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）は本発明の第３実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。ヒートスプレッダ２と金属製ヒートシンク４又は金属製放熱フィン５とを接合する金属接合層６が、ヒートスプレッダ２とヒートシンク４又は放熱フィン５との接合面の全体ではなく、一部の領域に設けられている。このように、金属接合層６を一部の領域に制限することにより、異種材料間の熱膨張係数の差異に起因する応力を緩和することができる。金属接合層６としては、金、銀、銅、アルミニウム及びそれらの合金がある。
【００３５】
図４（ａ）、（ｂ）は本発明の第４実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。本実施形態においては、ダイヤモンド製又はセラミックス製ヒートスプレッダ２と金属製ヒートシンク４又は金属製放熱フィン５とを、熱硬化性樹脂シート及び熱硬化性樹脂ペースト等の高分子接着剤を使用して接合したものであり、高分子接合層７がヒートスプレッダ２とヒートシンク４又は放熱フィン５との間に形成されている。この場合、ダイヤモンド層又はセラミックス層からなるヒートスプレッダ２の接合面が繊毛構造を有するものであると、高分子接合層７がその一部に入り込んで接合されるため、接着力及び応力緩和の２つの観点から、極めて有効である。
【００３６】
このようなダイヤモンド又はセラミックスの繊毛構造を形成する方法としては、例えば、ダイヤモンド又は炭化珪素を、圧力が１Ｔｏｒｒの水素１００％雰囲気下で１５〜３０分間、直流プラズマ処理する方法がある。炭化珪素及び窒化アルミニウムは、真空雰囲気で、夫々１６００℃及び１２００℃で、６０分間程度保持しても繊毛構造が得ることができる。
【００３７】
このように、この実施形態の半導体パッケージ１は、フェイスダウン構造のＢＧＡパッケージを構成するものである。この実施形態の半導体パッケージは、例えば多層プリント基板等の実装ボード上に実装されるが、信号配線の低抵抗化及び高密度化、パッケージの低コスト化、並びに高放熱化を可能とし、実装信頼性を高めることができる。また、金属製ヒートシンク４又は金属製放熱フィン５を接合する場合には、その接合信頼性を高めることができる。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明の実施例の効果について説明する。
【００３９】
（実施例１）
熱伝導率が８００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のダイヤモンド層を、シリコンウエハの裏面にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖｏｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長）法で形成した。ダイヤモンドは微結晶状であり、その厚さは０．０５ｍｍである。ウエハの反りを抑えることと、チップ化を容易にするために、予め切込みを入れてダイヤモンド層を不連続膜化した。このようなシリコンウエハを使用して、ダイヤモンドが形成された面と反対側の面に半導体素子を作製し、外形２３ｍｍ×２５ｍｍのダイヤモンドヒートスプレッダ付半導体素子及びモジュールチップとした。消費電力は７０Ｗである。
【００４０】
（実施例２）
実施例１の半導体チップを、このようなフェイスダウン構造の半導体パッケージを、４７８ピンの半導体素子を搭載するパッケージとして作製した。樹脂配線基材として、液晶ポリマーを主剤とし、その両面に銅箔を熱圧着したものを作製した。銅箔はエッチングしてパターンを形成して配線層とし、その上には絶縁樹脂をコーティングした。もう一方の銅箔はそのままとした。ワイヤボンディングでチップを実装し、半導体パッケージとした。
【００４１】
なお、本発明のヒートスプレッダ層付半導体素子及びモジュールは、ＢＧＡ半導体パッケージに限らず、種々の形態に対して適用可能である。
【００４２】
（実施例３）
実施例２の半導体パッケージに、外形３５ｍｍ×３９ｍｍのアルミニウム製放熱フィンを取付けた。ダイヤモンドヒートスプレッダ表面の一部を厚さ１００ｎｍのアルミニウムで被覆したものと、放熱フィンと繊毛状化したダイヤモンド面に高分子接着剤を塗布したものの２種類を各々１０サンプル準備し、ヒートサイクル試験を実施した。試験は、−４０℃／室温／１１０℃を  １サイクルとして５００サイクル印加した。各例毎に１０個ずつ試験し、アルミニウム製放熱フィンとの間におけるクラック発生を調べたが、異常の発生は見られなかった。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、高放熱化を達成した上で、半導体素子又は半導体モジュールの実装信頼性を高めることができ、これにより、高消費電力で大型の半導体素子等も高信頼性の下で封止した半導体パッケージを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の第３実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明の第４実施形態に係るヒートスプレッダ付半導体素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１：半導体素子
２、３：ヒートスプレッダ
４：ヒートシンク
５：放熱フィン
６：金属接合層
７：高分子接合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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