(57)【要約】【課題】高速処理用又は高出力用半導体パッケージの冷却ヒートスプレッダとして放熱特性が極めて優れており、厚さ及び面内方向の熱伝導率が高く、それ自体十分な強度、平面性及び気密性を有し、しかも半導体素子及びセラミックス等のパッケージ本体を構成する封止材料との接着性が良好であり、接着時及び使用時の温度変化による接着面の剥がれ及び素子不良の原因となるような熱応力の発生が十分に小さく、信頼性が高いヒートスプレッダ及びそれを使用したパッケージを提供する。【解決手段】ダイヤモンド層１０の片面又は両面に、高分子接着層１１を介して金属又はセラミックス部材１２が被覆されている。ダイヤモンド層１０は、その結晶がダイヤモンド層の厚さ方向に繊維状構造又は微結晶を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体パッケージの封止体内に収納された半導体素子が接着されてこの半導体素子を放熱する半導体パッケージ用のヒートスプレッダにおいて、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一面又は両面に接合された金属又はセラミックスからなる被覆部材と、を有し、前記ダイヤモンド層は、その結晶がダイヤモンド層の厚さ方向に繊維状構造を有することを特徴とする半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項２】
半導体パッケージの封止体内に収納された半導体素子が接着されてこの半導体素子を放熱する半導体パッケージ用のヒートスプレッダにおいて、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一面又は両面に接合された金属又はセラミックスからなる被覆部材と、を有し、前記ダイヤモンド層は、その結晶が微結晶構造を有することを特徴とする半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項３】
前記ダイヤモンド層と前記被覆部材とは高分子接着層により接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項４】
前記ダイヤモンド層はその前記金属又はセラミックスからなる被覆部材との接合面が繊毛状構造を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項５】
前記ダイヤモンド層の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、接合部の面熱伝導率が４×１０６Ｗ／ｍ２・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項６】
前記ダイヤモンド層は、気相合成により形成されものであり、その厚さが２０乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項７】
前記高分子接着層との接合面の繊毛状構造をなすダイヤモンド層の部分の厚さが０．２乃至３μｍであることを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージのヒートスプレッダ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートスプレッダを備えたことを特徴とする半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子又は半導体光／電子素子を収納した高速処理用又は高出力用等の半導体パッケージにおいて、半導体素子の発熱による温度上昇を防止するために半導体素子に接着されるヒートスプレッダ及びこのヒートスプレッダを使用した半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、一般的に、シリカ又はアルミナ等のセラミックス又はエポキシ樹脂系プラスチック等で封止されたパッケージとして使用されるが、高集積度化、高速処理及び高出力化に伴なって、素子の発熱による温度上昇が問題になってきた。このため、パッケージ外面への放熱フィンの取付又は冷却ファンによる気流冷却が必要となる。しかし、この放熱冷却法は、熱伝導率が低いセラミックス又はプラスチックス等のパッケージ封止層を介して行われるので、効率が悪く、また放熱フィン又は冷却ファン等の取付けによって、全体の容積及び重量が大きくなってしまうという難点がある。
【０００３】
また、高集積化、高速化及び高出力化が更に一層進み、半導体素子からの発熱が更に増大した場合には、素子の裏面に、熱伝導率が高いヒートシンクを接着し、その一面がパッケージ外部に露出するように封止して、この面から放熱冷却するような工夫がなされる。
【０００４】
図４は、このヒートスプレッダ付半導体パッケージの一例を示す断面図である。ヒートスプレッダ１に接合された半導体素子２がセラミックスパッケージ本体３内に配置されるように、ヒートスプレッダ１がパッケージ本体３に接合されている。このパッケージ本体３の他方の開口部はセラミックス製の蓋４が配置され、これにより、半導体素子２がパッケージ内に封止されている。
【０００５】
従来のヒートスプレッダ１は、厚さが１ｍｍ前後、大きさが数ｃｍ四方の熱伝導率が十分大きい薄板であるが、それ自体十分な強度と気密性を有することが必要であり、更にそれはシリコン等の半導体材料と十分熱抵抗の小さい層を介して接着できることが必要である。また、接着時又は使用時に半導体又はセラミックス等の封止材との接着面に温度変化により熱応力が発生して、剥がれ又は素子不良等が生じないことが極めて重要である。
【０００６】
このようなヒートスプレッダ１として、従来、銅／タングステン複合材料、窒化アルミニウム又は炭化珪素等が利用されている。また、半導体パッケージの熱伝プレートが特開平９−１２９７９３号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１２９７９３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、銅／タングステン複合材料のヒートスプレッダは、熱膨張係数が約７×１０−６／Ｋ、熱伝導率が約２００Ｗ／ｍ・Ｋとなるように、銅とタングステンの微粒子を配合焼結したもので、原料コストが高いと共に、加工成形が難しいため、高価格であると共に、重いという難点がある。窒化アルミニウムは、熱膨張係数が約４×１０−６／Ｋ、熱伝導率が約２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、軽量であるが、銅／タングステン複合材よりもさらに高価である。また、炭化珪素は熱伝導率が２７０Ｗ／ｍ・Ｋであるが、窒化アルミニウムよりも極めて高価であり、加工も困難である。
【０００９】
これらの従来のヒートスプレッダ及びこれを使用した半導体パッケージは、その放熱特性が材料及び構造面から限界まで改良され、もはやこれ以上放熱特性を向上させることは無理であると考えられており、パッケージの温度上昇を抑制するためには、半導体素子の処理速度、出力及び集積度を抑制せざるを得ない状況になっている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高速処理用又は高出力用半導体パッケージの冷却ヒートスプレッダとして放熱特性が極めて優れており、厚さ及び面内方向の熱伝導率が高く、それ自体十分な強度、平面性及び気密性を有し、しかも半導体素子及びセラミックス等のパッケージ本体を構成する封止材料との接着性が良好であり、接着時及び使用時の温度変化による接着面の剥がれ及び素子不良の原因となるような熱応力の発生が十分に小さく、信頼性が高いヒートスプレッダ及びそれを使用したパッケージを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体パッケージのヒートスプレッダは、半導体パッケージの封止体内に収納された半導体素子が接着されてこの半導体素子を放熱する半導体パッケージ用のヒートスプレッダにおいて、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一面又は両面に接合された金属又はセラミックスからなる被覆部材と、を有し、前記ダイヤモンド層は、その結晶がダイヤモンド層の厚さ方向に繊維状構造を有することを特徴とする。
【００１２】
この半導体パッケージのヒートスプレッダにおいて、例えば、前記ダイヤモンド層はその前記金属又はセラミックスからなる被覆部材との接合面が繊毛状構造を有することが好ましい。前記接合面の繊毛状構造をなすダイヤモンド層の部分の厚さが０．２乃至３μｍであることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る他の半導体パッケージのヒートスプレッダは、半導体パッケージの封止体内に収納された半導体素子が接着されてこの半導体素子を放熱する半導体パッケージ用のヒートスプレッダにおいて、ダイヤモンド層と、このダイヤモンド層の一面又は両面に接合された金属又はセラミックスからなる被覆部材と、を有し、前記ダイヤモンド層は、その結晶が微結晶構造を有することを特徴とする。
【００１４】
これらのヒートスプレッダにおいて、前記ダイヤモンド層と前記被覆部材とは、高分子接着層により接合することができる。
【００１５】
前記ダイヤモンド層の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、接合部の面熱伝導率が４×１０６Ｗ／ｍ２・Ｋ以上であることが好ましい。前記ダイヤモンド層は、例えば、気相合成により形成されものであり、その厚さが２０乃至１００μｍである。
【００１６】
また、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を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の半導体パッケージ用のヒートスプレッダは、熱伝導率が極めて大きなダイヤモンド層と、その片面又は両面を覆う熱伝導率の大きな金属又はセラミック部材からなるものとしたことから、厚さ方向の熱伝導率を、従来材である銅／タングステン複合材及び窒化アルミニウムのそれと同等以上とすることができ、気密性及び封止性が優れたものであり、且つ反り及び割れがないものとなる。その上、本発明のヒートスプレッダは、面内方向の熱膨張係数がシリコン及びアルミナ等のセラミックスのそれと近いものであるので、温度変化による熱応力発生が小さく、剥がれ及び割れ等が防止され、半導体素子への悪影響を生じないものとなる。
【００１８】
【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具体的に説明する。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を示す断面図である。本実施形態のヒートスプレッダは、ダイヤモンド層１０の表裏両面に、高分子接着層１１を介して金属又はセラミックス部材１２が接着されている。また、図１（ｂ）に示すように、本実施形態のヒートスプレッダの変形例としては、ダイヤモンド層１０の片面に、高分子接着層１１を介して金属又はセラミックス部材１２を接着しても良い。
【００１９】
ダイヤモンド層１０は、その結晶がダイヤモンド層１０の厚さ方向に繊維状構造を有するものである。このような結晶構造の多結晶ダイヤモンド層１０は、気相合成（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりその核形成条件及び成膜条件を制御することにより、形成することができる。なお、このダイヤモンド層１０の厚さは例えば２０乃至１００μｍである。
【００２０】
このような結晶構造を有するダイヤモンド層１０は例えば以下のようにして形成することができる。先ず、核形成密度を制御する。ダイヤモンドを形成しようとする基材の表面を、平均粒子径１５〜３０μｍ程度のダイヤモンド粉末で研磨する。又は同様のダイヤモンド粉末を溶かしたアルコール液中に基材表面を浸し、この溶液全体に５〜１５分間超音波振動を印加する。次に、上記核形成密度制御処理を行なった基材を洗浄して、表面に付着したダイヤモンド粉末を除去する。この基材をダイヤモンド成膜装置に導入して、ダイヤモンド層を形成する。容器中を真空排気した後、メタンガス３％を含む水素・メタン混合ガスを流し、反応器中を９０Ｔｏｒｒに保持した。その後マイクロ波プラズマを発生し、基板温度が８７０〜９５０℃となるようにする。このようにして、５時間成膜を行ったところ、厚さ５０μｍのダイヤモンド層を得ることができた。このダイヤモンド層の断面構造を電子顕微鏡で観察したところ、膜厚方向に繊維状構造を有することが確認できた。
【００２１】
ダイヤモンド層１０の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ダイヤモンド層１０と金属又はセラミックス部材１２との接合部の面熱伝導率が４×１０６Ｗ／ｍ２・Ｋ以上である。
【００２２】
本実施形態で使用されるダイヤモンド層１０の厚さ方向及び面内方向の熱伝導率は、他のいかなるヒートスプレッダ用材料よりも大きい。このダイヤモンド層は、その結晶構造に拘わらず、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを得ることができる。しかし、ダイヤモンド層の中でも、本実施形態のように、結晶構造が厚さ方向に繊維状をなすようにすると、熱抵抗増大の要因となる結晶粒界密度を低く抑制することができ、熱伝導率を５０±２５％向上させることができるので、更に好ましい。
【００２３】
このようなダイヤモンド層は、熱伝導率、接着時の熱応力、また十分な気密性、封止性の観点から、半導体パッケージ用のヒートスプレッダの主要部として優れている。更に、ダイヤモンド層は十分な強度を有し、反りのない平面性の良い表面を有する。例えば、図１（ｂ）のように、ダイヤモンド層１０の片面にのみ金属又はセラミックス部材１２を被覆接着した場合は、その構造上、接着終了時又はその後の取扱い時に、片側の応力集中によりヒートスプレッダに反りが生じ、また多くの場合は、割れが生じるという事態が考えられるが、ダイヤモンドはその機械的強度が高く、材質上から、ヒートスプレッダに反り及び割れが生じることを防止することができる。このようなダイヤモンド層の厚さは、強度の確保のために、少なくとも２０μｍ、好ましくは５０μｍ以上あ留ことが好ましい。しかし、ダイヤモンド層の厚さが１００μｍを超えると、機械的強度が大き過ぎて加工が困難となり、形成コストもかさむので好ましくない。
【００２４】
図１（ａ）のように、ダイヤモンド層の表裏両面に、相互に同じ材料の金属又はセラミックス部材１２か、又は熱膨張係数が近い金属又はセラミックス部材１２を接着することにより、ダイヤモンド層の表裏両面でほぼ均等な熱応力を発生させ、反りを極小化することもできる。この場合は、ダイヤモンド層１０の表裏両面同時に部材１２を接着することが好ましく、また両面とも同一材料の部材を接着することが好ましい。
【００２５】
ダイヤモンド層１０に部材１２を接着するための高分子接着層１１は、一般的なエポキシ樹脂系、フェノール樹脂系又はこれらの混合系等の有機高分子系接着剤である。また、これらの高分子接着剤中に、銅、銀、アルミニウム等の熱伝導率が大きな金属の微粉体を混合したものも有用である。更に、有機高分子系接着剤のほか、無機高分子系接着剤も使用し得る。
【００２６】
接合方法としては。高分子接着剤を部材１２の一面に５〜５０μｍの厚さに均一に塗付し、溶剤を含む場合は乾燥した後、ダイヤモンド層１０と接着剤塗付面を合わせて重ね、ホットプレスによって加圧下に７０〜１５０℃程度の温度で加熱し、高分子接着剤を重合硬化させる方法が好適である。この場合、金属部材に塗付した高分子接着剤は予め少し加熱して、重合を少し進め、室温では固体の塗膜にした状態で用いることが好ましい。
【００２７】
また、このようにして作られた金属部材とダイヤモンド層の板との間に形成される高分子接着層１１は、一般に熱伝導率が劣るので、この厚さが大きいと、ヒートスプレッダ全体の熱伝導率特性を低下させる。このため、高分子接着層１１の厚さは、５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下の極力薄い接着層とすることが重要である。高分子接着剤は硬化する前に、ダイヤモンド表面の微細孔の中に浸入し、接着力を高め、且つ極めて薄い高分子接着層が形成される。
【００２８】
なお、上述の部材１２の形状としては、箔、板及び放熱フィンなどがあり、銀、銅、アルミニウム又はその合金、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド等のように、熱伝導率が高く接着性が良い材料を、箔状、板状、又は放熱フィンの形状に成形することにより部材１２が得られる。
【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を示す断面図、図２（ｂ）はその変形例を示す断面図である。図２（ａ）は、ダイヤモンド層１０の表裏両面に部材１２を設けたもの、図２（ｂ）はダイヤモンド層１０の片面に部材１２を設けたものである。本実施形態のヒートスプレッダにおいては、ダイヤモンド層１０と高分子接着層１１との間に、繊毛状ダイヤモンド層１３が形成されている点が、図１（ａ）、（ｂ）に示すヒートスプレッダと異なる。即ち、本実施形態においては、ダイヤモンド層１０における高分子接着層１１との接合面が繊毛状構造をなし、この繊毛状ダイヤモンド層１３の厚さが０．２乃至３μｍである。
【００３０】
この繊毛状ダイヤモンド層１３は、ダイヤモンド層１０の表面を水素雰囲気中で直流（ＤＣ）プラズマ処理することにより、高分子接着層１１との接合面をなすダイヤモンド層１０の片面又は両面に、繊毛状構造を形成することができる。
【００３１】
このようなダイヤモンド層の表面に金属又はセラミックス部材１２を接着する際に、高分子接着剤が繊毛間に浸入し、薄い接着層を形成し、且つ強く接着されるので、特に好ましい密着性が得られる。更に、部材１２として、熱膨張係数が相互に異なる材料を使用した場合に、熱応力の緩和作用も得られる。この繊毛状ダイヤモンド層１３の厚さは０．２乃至３μｍが適当である。繊毛状ダイヤモンド層１３の厚さが薄すぎると、接着力増加の効果がなく、逆に厚さが厚過ぎると、繊毛状ダイヤモンド層１３の機械的強度が低下して、接着面が剥れ易くなるだけでなく、高コスト化を招く。その他の特性及び膜厚等の条件は、図１（ａ）、（ｂ）に示すものと同様である。
【００３２】
図３（ａ）は本発明の更に他の実施形態を示す断面図、図３（ｂ）はその変形例である。図３（ａ）は、ダイヤモンド層１０の表裏両面に部材１２を設けたもの、図３（ｂ）はダイヤモンド層１０の片面に部材１２を設けたものである。本実施形態のヒートスプレッダにおいては、図１，２に示す結晶構造が繊維状のダイヤモンド層１０の代わりに、全体が微結晶構造のダイヤモンド層１４を使用する。このダイヤモンド層１４のように、微結晶構造を有するものも、ダイヤモンド自体の熱伝導率が高いために、熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。また、微結晶構造により、熱応力の緩和を図ることができるだけでなく、ダイヤモンド層１４の平坦性も容易に確保できるので、半導体素子及びセラミックスパッケージ本体と容易に接着することができる。このため、ダイヤモンド層１４のように微結晶化することは、繊毛状ダイヤモンド層１３を形成することと同様に有効である。
【００３３】
この微結晶構造のダイヤモンド層を成膜する方法は例えば以下のとおりである。先ず、核形成密度を制御する。ダイヤモンドを形成しようとする基材の表面に、平均粒子径５ｎｍ程度のダイヤモンド粉末を塗布・乾燥する。次に、この基材をダイヤモンド成膜装置に導入して、ダイヤモンド層を形成する。容器中に真空排気した後、メタンガス５〜１０％を含む水素・メタン混合ガスを流し、反応器中を１００Ｔｏｒｒに保持する。その後、マイクロ波プラズマを発生し、基板温度が８００℃以下となるようにする。このようにして５時間成膜を行ったところ、厚さ８０μｍの微結晶ダイヤモンド層を得ることができた。
【００３４】
なお、上記各実施形態において、高分子接着層１１は必ずしも設ける必要はない。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
【００３６】
（実施例１）
気相合成法でダイヤモンド層を１辺長が３０ｍｍのシリコンチップ上に成膜した。厚さは５０μｍであった。このダイヤモンドの断面を電子顕微鏡で観察したところ、粒径２〜１５μｍの結晶が厚さ方向に対して柱状（繊維状）に成長していることが確認された。また、別の条件で作製したダイヤモンドは、微結晶構造であることが確認された。レーザフラッシュ法でこのダイヤモンド層熱伝導率を測定したところ、夫々１５００及び９００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であった。
【００３７】
次に、厚さが５０μｍの銅箔の片面に、エポキシ系接着剤を約２５μｍの厚さに均一に塗布したものを用意し、上記ダイヤモンド層の表面に、銅箔の接着剤塗布面を向けて張り合わせ、ホットプレスで接着面当り５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加え、１５０℃にて１５分間保持して、接着剤の硬化を終了して取り出し、１辺長が３０ｍｍのヒートスプレッダを得た。このように作製した１０枚について、熱サイクルテスト（−６０〜２００℃、１００サイクル）を行なったが、接着剥がれ及び割れ等は生じなかった。
【００３８】
（実施例２）
実施例１のダイヤモンドを圧力１Ｔｏｒｒの水素１００％雰囲気下で１５分間ＤＣプラズマ処理したところ、図５の電子顕微鏡写真に示すような繊毛状の表面形態に変化した。これを実施例１と同様に、厚さ１００μｍの銅箔、単結晶シリコン板とアルミナ板に接着して、熱衝撃テストと熱サイクルテストを行なったところ、接着剥がれ及び割れ等が全く生じなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ダイヤモンド層の片面又は両面に金属又はセラミックス部材を被覆した構造のヒートスプレッダであるので、厚さ方向及び面内方向の熱伝導率が極めて大きく、十分な強度、平面性及び気密性を有し、しかも半導体素子及びセラミックス等の封止材料との接着性が良好で、使用時の温度変化による熱応力の発生が小さく、剥がれ及び割れが防止され、半導体素子への悪影響が生じず、信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の他の実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の更に他の実施形態に係るヒートスプレッダを示す断面図、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図４】ヒートスプレッダ付半導体パッケージの断面図である。
【図５】繊毛状ダイヤモンド層の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１：ヒートスプレッダ
１０：ダイヤモンド層
１１：高分子接着層
１２：金属又はセラミックス部材
１３：繊毛状ダイヤモンド層
１４：微結晶ダイヤモンド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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