(57)【要約】【課題】大型の半導体素子に対しても、低圧の加圧によって高い接着力で接着（接合）し得、しかも、半導体素子で発生する熱が効率良く伝導するとともに、該伝導した熱が外部に速やかに放散される熱放散板を提供する。【解決手段】金属板１の片面１Ａに複数の金属凸状物２が配設され、該複数の金属凸状物２の間隙の少なくとも一部に樹脂３が埋め込まれ、該樹脂３が、加熱及び加圧により、溶融（軟化）または流動することで接着機能を有するものである、熱放散板１０。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板の片面に複数の金属凸状物が配設され、該複数の金属凸状物の間隙の少なくとも一部に樹脂が埋め込まれ、該樹脂が、加熱及び加圧により溶融（軟化）または流動することで接着機能を有するものである、熱放散板。
【請求項２】
金属凸状物が、円柱状、角柱状、球状又は半球状である、請求項１記載の熱放散板。
【請求項３】
金属板の片面上における樹脂の占有率が２５〜７５％である、請求項１または２記載の熱放散板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の熱放散板を半導体素子に接合してなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子で発生する熱を外部へ放散させる熱放散板及び該熱放散板を用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の温度上昇は、半導体素子の正常動作を妨げる原因である。そこで、一般に半導体素子で発生する熱量を外部に放散するために半導体素子に熱放散板を一体的に取り付けた半導体装置が、電子機器や電気機器等に組み込まれて使用されている。近時においては、半導体素子の高密度化・高性能化に伴い、半導体素子から発生する熱量は増加する傾向にあるため、より優れた熱放散性を有する熱放散板が求められている。また、熱放散板の利用に当っては、半導体素子に対して熱伝導ロスを少なくして安定に接着（接合）することが重要な技術的課題である。
【０００３】
熱放散板と半導体素子（以下、半導体チップまたはチップともう。）との接着（接合）は、両者間に接着材料を介在させて加圧接着（接合）するのが一般的であるが、約１０ｍｍ角以上の大型の半導体チップは自ずと反りを発生しており、この反りは、２０ｍｍ角のチップ（主面の一辺が２０ｍｍの正方形からなるチップ）では、１５０μｍ程度（チップ主面内での高低差が１５０μｍ程度）となる場合もある。従って、このような反りを有する半導体チップの主面に熱放散板を加圧接着（接合）する場合、半導体チップの割れを引き起こす可能性があるので、一般に加圧力を１ＭＰａ以下に抑えている。しかし、このような低い圧力で加圧した場合、半導体素子と熱放散板間の密着性が不十分となり、半導体素子で発生する熱量が熱放散板に伝わりにくく、熱放散不良を引き起こしやすくなる。
【０００４】
そこで、例えば、特開平６−２９１２２６号公報では、シリコーン系ゴムに熱伝導性粉末を混合してシート化した熱放散シートを、シリコーン系グリースに金属酸化物粉末を混合したペーストを介してシリコンチップの裏面に接合する技術が提案されている。かかる熱放散シートは０．５ｍｍ程度の厚みのシート状で、変形性（フレキシブル性）に優れ、反りを有するチップの主面への追従性は良好であるが、それ自体の熱放散性は良好とはいえず、十分な熱放散効果が得られないのが実状である。また、シリコーン系グリースに金属酸化物粉末を混合したペーストは、シリコンチップの表面に薄く塗工でき、熱放散シートとチップ間の熱伝導性能は良好となるが、ペースト状であることから、熱変動によってシリコンチップと熱放散シート間の隙間から外部に流出することがあり、安定な接着（接合）を維持できないという問題もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み、大型の半導体素子に対しても、低圧の加圧によって高い接着力で接着（接合）し得、しかも、半導体素子で発生する熱が効率良く伝導するとともに、該伝導した熱が外部に速やかに放散される優れた熱放熱効果が得られる熱放散板及び該熱放散板を用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を特徴とする。
（１）金属板の片面に複数の金属凸状物が配設され、該複数の金属凸状物の間隙の少なくとも一部に樹脂が埋め込まれ、該樹脂が、加熱及び加圧により溶融（軟化）または流動することで接着機能を有するものである、熱放散板。
（２）金属凸状物が、円柱状、角柱状、球状又は半球状である、上記（１）記載の熱放散板。
（３）金属板の片面上における樹脂の占有率が２５〜７５％である、上記（１）または（２）記載の熱放散板。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の熱放散板を半導体素子に接合してなる半導体装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
図１は本発明の熱放散板の一例を簡略化して示した図であり、図１（Ａ）はその金属凸状物形成面側の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＩＢ−ＩＢ線における断面図である。
本発明の熱放散板は、該一例の熱放散板１０に示されるように、金属板１と、該金属板１の片面１Ａに配設された複数の金属凸状物（バンプ）２と、該複数の金属凸状物２の間隙の少なくとも一部に埋め込まれた樹脂３とを備えてなる。
【０００８】
図２は、前記一例の熱放散板１０を半導体素子（半導体チップ）５に接着した状態（即ち、本発明の半導体装置５０の一例）を簡略化して示した断面図である。
【０００９】
図１及び図２に示すように、本発明の熱放散板では、金属板１の、複数の金属凸状物２及び該複数の金属凸状物２の隙間に埋め込まれた樹脂３とを有する側の片面１Ａが、半導体素子５に接合（接着）する側の面であり、反対側の片面１Ｂが放熱用の面（熱放散面）である。
【００１０】
本発明において、金属板１は、半導体装置の分野で放熱部材として使用されている公知の金属板を使用でき、特に限定されないが、銅板、銅合金板、ニッケル合金板等が好ましく、これらの中でも、熱放散性、金属凸状物の形成のしやすさ、価格（コスト）等の点から銅板が特に好ましい。金属凸状物２は後述するように、メッキ処理、エッチング処理等によって形成されるが、特に銅板であれば、かかるメッキ処理、エッチング処理等を安定に行うことができる。
【００１１】
金属板１の厚みは、熱放散性、強度等の点から０．１〜５．０ｍｍ程度が好ましく、特に好ましくは０．３〜３．０ｍｍである。なお、金属板１は、通常、図１、２に示すようにその両主面が平坦面からなる平板状のものであるが、金属凸状物２を配設する側の主面（片面）１Ａが実質的に平坦な面であればよく、他方の主面（片面）１Ｂは必ずしも平坦面でなくてもよい。すなわち、他方の主面（片面）１Ｂには、熱放散効果を向上させるための凹凸等を形成してもよい。但し、この場合の金属板１の厚みは、板全体における平均厚みであり、該平均厚みが上記の範囲の厚みであればよい。また、他方の主面（片面）１Ｂには、熱放散効果を向上させるために放熱フィン、放熱パイプ等を固設してもよく、該放熱フィン、放熱パイプとしては、その材質が銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム等からなるものが好適である。
【００１２】
金属板１の外形は、接合する半導体素子（チップ）の外形に応じて決定されるが、一般に半導体素子（チップ）の外形は正方形や矩形（長方形）であることが多いので、これに対応して、その外形が正方形や矩形（長方形）のものが好適である。
【００１３】
複数の金属凸状物２は、金属板１の片面１Ａに、隣接する凸状物間に所定の間隙を空けて配設される。各金属凸状物２は、その頂上部（先端部）２Ａが半導体素子（チップ）の表面に直接接触するものであり、半導体素子から該複数の金属凸状物２へ伝わった熱は、金属板１の全面（全域）へ拡散（伝熱）する。従って、半導体素子（チップ）における局所的な発熱に対して、熱放散板の全面で放熱が効率良く行われる。
【００１４】
本発明において、複数の金属凸状物２は、少なくとも、金属板１の片面１Ａにおける、半導体素子（チップ）５の被接合面５Ａと対向する部分に形成される（図２）。また、金属凸状物２の形状は、球状、半球状、円柱状、角柱状、円錐状、立方体状等が好ましい。これらの中でも、熱伝導性、加工性、半導体素子への接触安定性等の点から、円柱状、角柱状、球状又は半球状が特に好ましい。なお、角柱状の場合、四角柱状が好ましい。また、複数の金属凸状物２は、その形成効率、半導体素子への接触安定性等の点から基本的に全てを実質的に同一の形状とするのが好ましいが、２種以上の形状が異なるものが混在していてもよい。また、複数の金属凸状物２におけるそれぞれの太さ及び隣接する２つの凸状物のピッチ（離間距離）は、半導体素子への追従性の点から、太さは０．０５〜５．０ｍｍの範囲から選択するのが好ましく、ピッチは０．０７〜１２ｍｍの範囲から選択するのが好ましい。特に太さにおいては０．３〜３．０ｍｍの範囲から選択するのがより好ましく、ピッチにおいては０．６〜１．２ｍｍの範囲からから選択するのがより好ましい。ここで、太さとは、金属凸状物２が球状である場合はその球体の直径であり、半球状、円柱状、円錐状等である場合はその半球、円柱または円錐の底面の直径を意味する。また、金属凸状物が角柱状である場合はその角柱の底面の一辺の長さ、立法体状である場合はその立法体の一辺の長さを意味する。また、ピッチは、隣接する２つの金属凸状物の中心（軸心）間の距離である。
【００１５】
本発明において、複数の金属凸状物２は、形成のしやすさ、半導体素子への接触安定性等の点から、基本的に全てが実質的に同一の太さであるのが好ましいが、異なる太さのものが混在していてもよい。
【００１６】
複数の金属凸状物２の高さは、低すぎると、半導体チップの主面の反りや粗さ等による高低差に対する追従性が低下し、また、高すぎると熱抵抗率が高くなることから、３０〜１００μｍから選択するのが好ましく、５０〜７０μｍから選択するのが特に好ましい。なお、複数の金属凸状物２は、基本的に全てが実質的に同じ高さであるのが好ましいが、高さの異なるものが混在していてもよい。
【００１７】
なお、本発明において、複数の金属凸状物２の形状、高さ又は太さが実質的に同一であるとは、その形成時に、複数の金属凸状物２間の形状、高さ又は太さを、意図して異ならせるような形成の仕方（処理）を行わず、同一にすることを意図して形成されたものであることを意味し、通常の誤差範囲で生じる形状、高さ又は太さの変化（相異）は、当該同一の範囲内である。
【００１８】
本発明において、複数の金属凸状物２の形成方法は、特に限定されず、プリント基板等において従来から使用されているバンプ形成技術を適用できる。具体例としては、金属板１の表面を、例えば、エッチングなどで選択的に除去して金属凸状物を形成する方法、金属板１に選択的にメッキ等で金属凸状物を形成する方法、はんだ等を含有したペースト状流動物をスクリーン印刷で印刷して金属凸状物を形成する方法等が挙げられる。メッキで金属凸状物を形成する場合、ニッケルメッキ、錫メッキ、銅メッキ、金メッキ、はんだメッキ等が挙げられる。半導体素子（発熱面）への追従性の点からは、圧力を受けて容易に変形する、錫メッキ、金メッキ、はんだメッキ等が好ましく、特に好ましくははんだメッキである。
【００１９】
本発明において、複数の金属凸状物２の間隙に埋め込む樹脂３は、加熱及び加圧により、溶融（軟化）または流動することで接着機能を有するものである。ここで、「加熱及び加圧により、溶融（軟化）または流動することで接着機能を有する」とは、本発明の熱放散板を、半導体素子（チップ）５に重ねて加熱及び加圧を施すことにより、樹脂３が溶融（軟化）または流動して、半導体素子５及び金属板１に接着することを意味する。なお、かかる加熱及び加圧時の加圧は、半導体素子（チップ）に割れが生じないように、１ＭＰａ以下の低圧で行い、また、加熱は半導体素子の特性（性能）に影響を及ぼさない温度（一般に５０〜２５０℃程度）とすることが必要であることから、樹脂３は１ＭＰａ以下の低圧力でも十分に変形し得る低弾性率のもので、かつ、５０〜２５０℃の温度範囲において溶融（軟化）または流動するものが使用される。該樹脂３の具体例としては、熱可塑性ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。
【００２０】
金属凸状物２の間隙へ樹脂３を埋め込む方法としては、金属板１の片面１Ａに金属凸状物２を形成後、該金属凸状物２の形成面に、溶剤で希釈する、溶融状態とする等して液状にした樹脂を塗布し、スキージなどで不要な樹脂をかき取り、金属凸状物２の間隙にのみ樹脂３を残す方法（間隙に残された樹脂は、加温により乾燥（固化）又は乾燥・硬化される。）、又は、シート状に成形した樹脂３（樹脂シート）を、金属凸状物２間に挿入後、研磨等により金属凸状物２の頭面を露出させる方法等が挙げられる。また、片面に金属凸状物２が形成された金属板１と半導体素子との間に、金属凸状物２の間隙が十分に埋まる体積を有する、シート状に成形した樹脂３（樹脂シート）を挿入後、樹脂３の溶融（軟化）又は流動により、金属凸状物２が樹脂シートを貫通して半導体素子に接触した状態となるように加熱及び加圧を施すことで、金属凸状物２の間隙に樹脂３を埋め込むようにしてもよい。即ち、片面に金属凸状物２が形成された金属板１（即ち、熱放散板の前段物）と、半導体素子５との間に樹脂シートを挟んで、加熱及び加圧を施すことで、金属凸状物２の先端面（頭面）が半導体素子５に接触し、樹脂３によって半導体素子５と熱放散板１０間が接着（接合）した状態を形成することで（即ち、本発明の半導体装置５０（図２参照）を作製することで）、その結果として、樹脂３が金属凸状物２の間隙に埋め込まれていればよい。
【００２１】
本発明において、金属板１の片面１Ａ上における樹脂３の占有率は、２５〜７５％であるのが好ましく、特に好ましくは４０〜５０％である。ここでの「金属板の片面上における樹脂の占有率」とは、金属板の片面上における、半導体素子（チップ）と熱放散板との実際の接合領域（即ち、チップと熱放散板とが実際に上下に重なる領域）全体の面積に対する樹脂が占める面積の割合を意味し、該樹脂の占有率が７５％を超える場合、接合領域における金属凸状物の占める割合が少なくなるので、金属凸状物による半導体素子から熱放散板（金属板）への熱伝導効率が低下する傾向となり、２５％未満であると半導体素子への熱放散板の接着力が低下する傾向となり、好ましくない。本発明において、かかる樹脂の占有率は、前述の金属凸状物の太さとピッチをそれぞれ前述の範囲内で調整することによって達成するのが好ましい。このようにすることで、半導体素子への金属凸状物が接触不良を起こさず、熱放散板と半導体素子間を高い接着力で接着でき、しかも、かかる好ましい接着状態を長期に亘って維持することができる。
【００２２】
本発明の熱放散板は、熱放散効率の点から、半導体素子（チップ）の被接着（接合）面となるチップ主面の面積と同等またはそれ以上の大きさにするのが好ましい。図２は半導体素子（チップ）５の被接着（接合）面となる主面５Ａの面積よりも、熱放散板１０が大きい（すなわち、金属板１の面積が大きい）例である。図２に示すような、半導体素子（チップ）５の被接着（接合）面となる主面５Ａの面積よりも、熱放散板１０が大きい場合、熱放散性の点からは、金属板１の片面１Ａにおける、半導体素子（チップ）５との実際の接合領域以外には、図２に示すように、金属凸状物２及び樹脂３を存在させない方が好ましい。しかしながら、量産化を想定した場合、大面積の金属板の片面全域に対して金属凸状物及び樹脂を設け、それを半導体素子のサイズに応じて、所望の大きさに分断して製造するのが効率的で、製品コストを低減できる。従って、製品コストの点からは、半導体素子（チップ）の被接着（接合）面となる主面の面積よりも大きい熱放散板にあっても、その金属板の片面における半導体素子（チップ）との接合領域以外にも金属凸状物２及び樹脂３が存在していてもよい。
【００２３】
また、本発明の熱放散板において、「複数の金属凸状物の間隙の少なくとも一部に樹脂が埋め込まれる」とは、半導体素子に対して十分に高い接着（接合）力が得られるのであれば、金属板の片面上の、半導体素子（チップ）との接合領域に在る全ての金属凸状物間の間隙が樹脂で埋め込まれていなくてもよいことを意味している。
【００２４】
本発明において、半導体素子と熱放散板との接着（接合）作業、即ち、半導体装置の作製作業は、例えば、フリップチップボンダーのような、各種部材の接着（接合）作業に用いられる公知の装置を使用して行うことができる。その際の加圧力は前記したように１ＭＰａ以下の低圧であり、好ましくは０．５ＭＰａ以下である。ただし、圧力が０．１ＭＰａより低い場合、十分に高い接着力が得られなくなるおそれがあるので、その下限は０．１ＭＰａ以上が好ましく、特に好ましくは０．３ＭＰａ以上である。また、加熱温度は樹脂３の種類に応じて前記の５０〜２５０℃の温度範囲から適宜選択できるが、好ましくは１５０〜２００℃である。
【００２５】
なお、本発明の半導体装置においては、半導体素子と熱放散板間の安定な接着（接合）状態を維持するために、半導体素子と熱放散板間にクランプを配置して、クランプによる圧接力を加えてもよい。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例と比較例を示して、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定されるのものではない。
【００２７】
（実施例１）
大きさ３０ｍｍ□（一辺が３０ｍｍの正方形）で、厚み１．５ｍｍの銅板（圧延銅板）の片面に、太さ（直径）が０．４３ｍｍφの凸状物（バンプ）がピッチ０．６ｍｍで複数形成されるように、紫外線硬化型液状ソルダレジスト（互応化学工業製、ＰＳＲ−３１０Ａ（商品名））を用いたスクリーン印刷により、ソルダレジストパターンを形成し、紫外線硬化させた。次に、上記のピッチでパターンを形成したメタルマスクを用いて、クリームはんだ（日本スペリア社製、ＳＮ９６ＣＩ（商品名））をスクリーン印刷し、リフローにより高さが７０μｍの半球状のはんだバンプを複数形成した。次に、該銅板のはんだバンプが形成された片面に熱可塑性樹脂であるポリカルボジイミド樹脂（ベース濃度３５％、トルエン希釈）を表面に流し、スキジーで表面をかきとることで、バンプの間隙に埋め込み、１２０℃で３分間加温して、ポリカルボジイミド樹脂を硬化させ、熱放散板を完成させた。銅板の片面におけるポリカルボジイミド樹脂の占有率は５０％であった。
次に、上記作製した熱放散板のバンプ形成面側を、大きさ２５ｍｍ□（図２中の５Ａが、一辺が２５ｍｍの正方形）の半導体チップに重ねて、２３０℃、０．５ＭＰａの条件で加熱及び加圧を２０秒間実施し、半導体装置を完成させた。
【００２８】
完成した半導体装置の、初期状態での半導体チップの発熱温度と熱放散板面（銅板の熱放散面）への伝達温度の温度差Δｔを計測し、これから熱放散板そのものの熱抵抗率を算出したところ０．０４ｃｍ２Ｋ／Ｗであった。その後、冷熱衝撃試験（８０℃／−２５℃、３０分／３０分、１サイクル）を１０００サイクル実施し、再度Δｔを計測して、熱放散板そのものの熱抵抗率を算出したところ、０．０６ｃｍ２Ｋ／Ｗと変化がなかった。
【００２９】
（実施例２）
大きさ３５ｍｍ□（一辺が３５ｍｍの正方形の外形）で、厚み２．０ｍｍの銅板（圧延銅）の片面に対して、ドライフィルムレジスト（旭化成製、サンフォート１２０μｍ厚）を貼り合せ、パターン露光、現像、及びはんだメッキの各作業をこの順に実施し、太さ（直径）１．０ｍｍ、高さ７０μｍの円柱状のバンプをピッチ１．３ｍｍで複数形成した。
次に、上記の片面にバンプを形成した銅板のバンプ形成面を、大きさ３５ｍｍ□（一辺が３５ｍｍの正方形の外形）で、厚みが７５μｍのポリカルボジイミド樹脂のシートを介して、大きさ２５□ｍｍ（図２中の５Ａが、一辺が２５ｍｍの正方形）の半導体チップに重ね、２００℃、０．５ＭＰａの条件で加熱及び加圧を２０秒間実施し、半導体装置を完成させた（銅板の片面におけるポリカルボジイミド樹脂の占有率は５０％）。
【００３０】
完成した半導体装置の初期状態での半導体チップの発熱温度と熱放散板面（銅板の熱放散面）への伝達温度との温度差Δｔを計測し、これから熱放散板そのものの熱抵抗率を算出したところ０．０５ｃｍ２Ｋ／Ｗであった。また、実施例１と同様にして冷熱衝撃試験を１０００サイクル実施し、再度Δｔを計測し、熱放散板そのものの熱抵抗率を算出したところ、０．０７ｃｍ２Ｋ／Ｗであった。
【００３１】
（比較例１）
実施例１で使用した半導体チップに、エポキシ樹脂に高熱伝導性フィラー（アルミナ）を体積比で７０％で充填してなる、大きさ２５ｍｍ□（一辺が２５ｍｍの正方形）、厚み０．５ｍｍの熱伝導シートを介して、実施例１で用いた銅板を重ね、２４０℃、０．５ＭＰａの条件で加熱及び加圧を１０秒間実施し、半導体装置を完成させた。この半導体装置の初期状態での半導体チップの発熱温度と銅板の熱放散面への伝達温度の温度差Δｔの計測から熱放散手段（熱伝導シート及び銅板）の熱抵抗率を求めた結果、１．５ｃｍ２Ｋ／Ｗ程度であった。
【００３２】
（比較例２）
シリコーン樹脂に窒化珪素の超微粒子フィラーを重量比で８０％充填した熱伝導性ペーストを、実施例１で使用した半導体チップの主面に該主面の反りに対応すべく０．１ｍｍ程度の厚みで塗布し、ここに実施例１で用いた銅板を重た以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を完成させた。この半導体装置の初期状態での半導体チップの発熱温度と銅板の熱放散面への伝達温度の温度差Δｔの計測から熱放散手段（熱伝導性ペースト及び銅板）の熱抵抗率を求めた結果、０．１５ｃｍ２Ｋ／Ｗ程度であった。その後、冷熱衝撃試験を１０００サイクル実施したところ、ペーストが外部に流出しているのが観察された。また、再度Δｔを計測し、熱抵抗率を算出したところ、熱抵抗率は０．６ｃｍ２Ｋ／Ｗ程度に上昇していた。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明の熱放散板によれば、低圧で半導体素子に高い接着力で接着（接合）でき、しかも、接着（接合）後は、半導体素子の動作時に発生する熱量を効率的に放熱するとともに、前記の高い接着力での接着（接合）状態が維持されるので、半導体素子の高温動作不良を極めて高いレベルで解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱放散板の一例を簡略化して示す図であり、図１（Ａ）はその金属凸状物形成面側の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＩＢ−ＩＢ線における断面図である。
【図２】図１に示す熱放散板を半導体素子に接合（接着）した状態（即ち、本発明の半導体装置の一例）を簡略化して示す断面図である。
【符号の説明】
１　金属板
２　金属凸状物
３　樹脂
【図１】
2004031789.tif 000003
【図２】
2004031789.tif 000004