(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方の主面に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子近傍周辺に搭載された複数の受動素子と、
前記半導体素子の背面に熱伝導材料を介して接続され、前記基板上に搭載された放熱板と、を有する半導体装置であって、
前記放熱板の前記熱伝導材料と接する面において、前記熱伝導材料が接する箇所の表面粗さは、前記熱伝導材料が接しない箇所の表面粗さよりも小さく、
前記熱伝導材料が接しない箇所の表面は、アルミニウムシリコンカーバイド粉末の焼成体であり、前記熱伝導材料が接する箇所の表面は、アルミニウムシリコンカーバイド粉末の焼成体上にアルミ箔を配設したものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所は、前記基板に搭載された前記半導体素子の前記背面に面し、
当該熱伝導材料が接する箇所の大きさは前記半導体素子の前記背面の大きさと略同一以上であり、
当該熱伝導材料が接する箇所の外側に前記熱伝導材料が接しない箇所が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所の最外部は、前記基板上において前記半導体素子の周囲に設けられた受動素子の搭載位置よりも内側に位置していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料は半田合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所の前記表面粗さと前記熱伝導材料が接しない箇所の前記表面粗さとの差は約０．５μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか一項記載の半導体装置であって、
少なくとも前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面に金属メッキが施されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、より具体的には、半導体素子からの熱の放散を行うヒートスプレッダを備えた半導体装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器に搭載された半導体装置にあっては、当該半導体装置に於ける半導体素子が動作する際に発生する熱は、一つに当該半導体素子の背面から熱伝導性樹脂、銀ペースト等の熱伝導層を介して、ヒートスプレッダに伝達され放散されている。
【０００３】
しかしながら、近年の電子機器の高機能化、高速動作化に伴い、当該電子機器に適用される半導体装置にも高機能化・高速動作化が要求されており、当該半導体装置に於ける半導体素子も消費電力の増加する方向にあり、当該半導体素子からの発熱量は増加の一途をたどっている。
【０００４】
このため、前記熱伝導性樹脂、銀ペースト等では、半導体素子が発生する熱を十分にヒートスプレッダに伝達することは困難である。
【０００５】
そこで、熱伝導性樹脂、銀ペースト等よりも熱伝導性の高い半田合金を用いることにより、半導体素子が発生する熱をヒートスプレッダに伝達して熱を効率よく放散する態様が提案されている。
【０００６】
例えば、絶縁基板上に固定されたヒートシンクと、前記ヒートシンク上に半田材で固定された半導体素子とを含む半導体装置であって、前記ヒートシンクが、前記半導体素子の裏面と略同一形状で、前記半導体素子が載置される載置面と、前記載置面の周囲を囲む溝部であって、当該溝部を埋めるように前記載置面上に設けられた前記半田材で前記半導体素子が固定される溝部とを、その上面に有し、再溶融した半田材が載置面上と溝部内とに保持されている半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照１。）。
【特許文献１】特開２００３−１２４４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、半導体装置は低電圧動作化が進行し、当該半導体装置が扱う信号が電源ノイズ、クロストークノイズ等の影響を受け易くなっている。
【０００８】
このため、電子機器にあっては、半導体装置の電源−接地間にバイパスコンデンサを配置し、当該半導体装置の使用にあたり誤動作の原因となる外界ノイズの混入の低減を図ることがなされている。通常、かかるバイパスコンデンサは半導体素子が搭載される支持基板となるプリント基板上に配置される。
【０００９】
当該支持基板は、インターポーザーと称される場合もある。
【００１０】
一方、半導体素子の発熱量を監視するために、サーミスタがプリント基板上に搭載されることもある。
【００１１】
しかしながら、このようなコンデンサ（容量素子）、サーミスタ等の受動素子を備えた半導体装置において、半導体素子から発生する熱をヒートスプレッダに伝達するために、当該半導体素子とヒートスプレッダとの間の熱結合体として半田合金を使用すると、当該半導体装置の前記支持基板などへの実装プロセスなどにおいて熱が印加された際に、当該半田合金の溶融を生じてしまう場合がある。
【００１２】
このため、溶融した半田合金がヒートスプレッダの表面を流れ、コンデンサ、サーミスタ等の受動素子の近傍まで流れて受動素子の電極に接触し、当該半導体装置の電源及びグランド間に短絡（ショート）を生じてしまう恐れがある。
【００１３】
尚、上記特許文献１に示される例では、溝部に金属めっきが施されている場合には、濡れ不良によって半田が当該溝部から外部に流出する可能性がある。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、半導体素子が発生する熱をヒートスプレッダに伝達する熱伝導材料（例えば、半田合金）の、当該ヒートスプレッダ表面における流れ出しを効果的に制御することができる構造を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一観点によれば、基板と、前記基板の一方の主面に搭載された半導体素子と、前記半導体素子近傍周辺に搭載された複数の受動素子と、前記半導体素子の背面に熱伝導材料を介して接続され、前記基板上に搭載された放熱板と、を有する半導体装置であって、
前記放熱板の前記熱伝導材料と接する面において、前記熱伝導材料が接する箇所の表面粗さは、前記熱伝導材料が接しない箇所の表面粗さよりも小さく、前記熱伝導材料が接しない箇所の表面は、アルミニウムシリコンカーバイド粉末の焼成体であり、前記熱伝導材料が接する箇所の表面は、アルミニウムシリコンカーバイド粉末の焼成体上にアルミ箔を配設したものであることを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体素子が発生する熱をヒートスプレッダに伝達する熱伝導材料（例えば、半田合金）の、当該ヒートスプレッダ表面における流れ出しを効果的に制御することができる構造を備えた半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
[第１の実施の形態]
先ず、図１乃至図４を参照して本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態について説明する。
【００２２】
ここで、図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面を示し、図２は、図１に示す半導体装置に適用されるヒートスプレッダの断面を示し、図３は、図２に示すヒートスプレッダの空間部形成面（図２において矢印方向にみたときの図）を示す。更に図４は、図１乃至図３に示されたヒートスプレッダの変形例に於ける空間部形成面（図２において矢印方向にみたときの図）を示す。
【００２３】
図１を参照するに、本実施形態における半導体装置１０は、フリップチップ接続により、半導体素子１がプリント基板（配線基板）２に実装されてなる半導体装置である。
【００２４】
即ち、本実施形態における半導体装置１０にあっては、表面にバンプ３が形成された半導体素子１を下向きにして、支持基盤であるプリント基板２の一方の主面（上面）に前記半導体素子１が実装されている。当該支持基板は、インターポーザーと称される場合もある。
【００２５】
前記プリント基板２は、その他方の主面（下面）に外部接続用の球状バンプ４が配設された所謂ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）型半導体装置を形成するプリント基板である。
【００２６】
勿論、本発明はこれに限られず、例えば、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）型半導体装置にも適用することができる。
【００２７】
なお、半導体素子１とプリント基板２との間には、アンダーフィルが充填され硬化されており（図示せず）、これにより半導体素子１とプリント基板２との接続が補強されている。
【００２８】
かかる構造を有するプリント基板２上に搭載された半導体素子１の背面５（図１では上面に相当する面）とヒートスプレッダ２０の空間部形成面２２との間には、熱伝導材料として半田合金６が配設される。従って、半導体素子１の背面５には、当該背面５上において半田合金６が濡れ広がるように、金（Ａｕ）メッキ等の金属メッキが施されている。
【００２９】
一方、前記プリント基板２上に於いて、前記半導体素子１の周囲には、デカップリングコンデンサ等の受動素子８が搭載されている。かかる受動素子８は電極が露出した状態でプリント基板２上に設けられている。
【００３０】
かかるデカップリングコンデンサにより、半導体装置１０の誤動作の原因となる外界ノイズの混入を低減することができる。受動素子８としては、デカップリングコンデンサの他、抵抗・コイル等が必要に応じて搭載される。
【００３１】
また、半導体素子１の背面５とヒートスプレッダ２０の空間部形成面２２との間隔は約１００乃至２００μｍとされ、半導体素子１とヒートスプレッダ２０はその間に配設された半田合金６により熱的に結合される。
【００３２】
半田合金６は、半導体素子１において発生した熱を有効にヒートスプレッダ２０に伝達する。
【００３３】
半田合金６は、熱伝導性樹脂、銀ペースト等よりも熱伝導性が高く、半導体素子１が発生する熱を、ヒートスプレッダに効率よく伝達することができる。
【００３４】
尚、半田合金６は、当該半田合金６が配設される面の表面粗さが小さい面では濡れ広がり、表面粗さが大きい面では濡れ広がらない。
【００３５】
前記ヒートスプレッダ２０の構造について、図１に加えて図２乃至図４を参照して説明する。
【００３６】
熱放散部であるヒートスプレッダ２０は、図１及び図２に示すように、半導体素子１に接する面側には凹状の空間部２１を有し、かかる空間部２１内に半導体素子１及び受動素子８が内包されるように、当該ヒートスプレッダ２０はプリント基板２上に搭載される。
【００３７】
空間部２１の上面には、溝部等の形成により凸凹状にはなっていない略均一な面である空間部形成面２２が形成されている。
【００３８】
当該ヒートスプレッダ２０は、アルミニウム・シリコン・カーバイド（ＡｌＳｉＣ）等の粉末焼成体により形成されている。
【００３９】
かかるヒートスプレッダは、所定の金型内にアルミニウム・シリコン・カーバイド（ＡｌＳｉＣ）等の粉末を配置し、また半田合金を介して半導体素子との間に熱的な結合が行われる領域（半田接合部）２３には、粉末焼成の材料の一つであって粉末材料となじみ易いアルミニウム（Ａｌ）箔を配設し、かかる状態に於いて所定の圧力を加えて焼成することによって形成される。
【００４０】
そして当該ヒートスプレッダ２０の表面には、ニッケル金（ＮｉＡｕ）メッキ２４が施される。尚、ニッケル金メッキ２４の代わりに、ニッケルメッキを適用することもできる。
【００４１】
かかる金属メッキにより、半田接合部２３において半田合金６の濡れ広がりが確保される。
【００４２】
当該ヒートスプレッダ２０の空間部形成面２２は一様な平面であり、その中央部には前記アルミニウム箔からなる半田接合部２３が配設されている。
【００４３】
なお、以下では、空間部形成面２２のうち、前記半田接合部２３が設けられていない領域、即ち、空間部形成面２２において前記半田接合部２３よりも外側の領域を半田非接合面２５（図３参照）と呼ぶ。
【００４４】
空間部形成面２３における半田接合部２３と半導体素子１の背面５との間に、半田合金６が配され、半導体素子１とヒートスプレッダ２０との間の熱的結合がなされる。
【００４５】
半田接合部２３は空間部形成面２２の略中央に設けられているとしたが、空間部形成面２２において、プリント基板２に搭載された半導体素子１の背面５に対応する箇所に設けられ、半導体素子１の背面５に面している領域よりも若干外側の領域にまで広がった領域とされている。
【００４６】
但し、半田合金６が、プリント基板２上に搭載されている受動素子８上まで濡れ広がって受動素子８の電極に接触し、半導体装置の電源及びグランド間でショートが発生することを防止する必要があることから、半田合金６が設けられる半田接合部２３の最外部は、プリント基板２における受動素子８の搭載位置よりも内側に位置する必要がある。
【００４７】
上述のように、本実施の形態にあっては、ヒートスプレッダ２０は、半田接合部２３を構成するアルミニウム箔を含み、アルミニウム・シリコン・カーバイド（ＡｌＳｉＣ）等の粉末焼成により形成されている。
【００４８】
従って、焼成体であるヒートスプレッダ２０の、半田接合部２３を構成するアルミ箔以外の部分の表面、即ち半田非接合面２５は多孔性を有し、表面粗さが大きい。一方、半田接合部２３はアルミ箔から構成されるため、表面粗さが小さい。
【００４９】
ヒートスプレッダ２０の空間部形成面２２には、ニッケル金メッキ２４が施されているが、当該メッキの下地の材料に因り、空間部形成面２２の表面粗さは定まる。
【００５０】
本実施の形態にあっては、表面粗さが大きい半田非接合面２５の表面粗さと、表面粗さが小さい半田接合部２３の表面粗さの差は０．５μｍ以上に設定されている。
【００５１】
半田合金６は、表面粗さが小さい領域では濡れ広がり、表面粗さが大きい領域では濡れ広がらないため、半田合金６は半田接合部２３では濡れ広がるものの、半田非接合面２５では濡れ広がらない。
【００５２】
なお、半田接合部２３の形状は図３に示す略矩形形状に限られない。
【００５３】
例えば、図４に示すように、半田接合部２３の四隅（コーナー）近傍において、略半円形又は半楕円形状に外方に広がった張出し部２７−１乃至２７−４を設けてもよい。半田合金６が半田接合部２３上から外側に濡れ広がる場合であっても、当該半田合金６は張出し部２７−１乃至２７−４に流れ込み、当該半田合金６が受動素子８の電極部等に至って、半導体装置１０の電源及びグランド間でショートが発生することをより効果的に防止することができる。
【００５４】
このように、本実施の形態にあっては、ヒートスプレッダ２０が熱伝導材料である半田合金６と接する面（空間部形成面２２）の構成材料を領域ごとに変えることにより表面粗さを変え、これにより半田合金６の流動を抑制している。
【００５５】
即ち、空間部形成面２２において、プリント基板２に搭載された半導体素子１の背面５に面している箇所等、最外部がプリント基板２における受動素子８の搭載位置よりも内側に位置する箇所では、半導体素子１から発生する熱をヒートスプレッダに伝達するために半田合金６が十分に濡れ広がる必要がある。これに対し、空間部形成面２２において、上記箇所以外の箇所では、半田合金が流れないようにする必要がある。
【００５６】
本実施の形態にあっては、プリント基板２に搭載された半導体素子１の背面５に面している箇所等、最外部がプリント基板２における受動素子８の搭載位置よりも内側に位置する箇所には、アルミ箔から構成された半田接合部２３を設け、当該半田接合部２３の周囲の領域に於ける焼成体からなる領域（半田非接合面２５）よりも表面粗さを小さくして、半田接合部２３にあっては半田合金６化が濡れ広がることを可能とし、周囲の半田非接合面２５では半田合金が流れ難い構造としている。
【００５７】
これにより、半田合金６が、ヒートスプレッダ２０の表面を流れ、受動素子８の周囲に流れ出すことを抑制することができ、当該半田合金６が受動素子８の電極等に接触して半導体装置１０の電源及びグランド間でのショート等が発生することを防止することができる。
【００５８】
[第２の実施の形態]
次に、図５を参照して本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態について説明する。
【００５９】
ここで、図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。なお、以下では、図１乃至図４で示した箇所と同じ箇所については同じ番号を付して、その説明を省略する。
【００６０】
この第２の実施の形態に係る半導体装置３０にあっては、ヒートスプレッダ４０は、単一の金属材料から構成されるが、その表面粗さを選択的に変更することにより、当該ヒートスプレッダ表面における半田合金６の流動を抑制する。
【００６１】
即ち、本実施の形態では、ヒートスプレッダ４０は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅タングステン（ＣｕＷ）、或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の金属体から構成される。
【００６２】
そして、かかるヒートスプレッダ４０の空間部形成面２２には、所定のマスクを用いて選択的にブラスト処理が施され、半田合金を介して半導体素子との間に熱的な結合が行われる領域の表面粗さが、他の領域の表面粗さよりも小さい値とされている。
【００６３】
本実施の形態においては、表面粗さが小さい領域の表面粗さと、表面粗さが大きい領域の表面粗さとの差は０．５μｍ以上とされている。
【００６４】
選択的ブラスト処理がなされたヒートスプレッダ４０の表面には、ニッケル金メッキ２４が施される。尚、ニッケル金メッキ２４の代わりに、ニッケルメッキを適用することもできる。当該メッキ処理により金属ヒートスプレッダ４０表面の酸化が防止される。
【００６５】
このように、本実施の形態にあっては、ヒートスプレッダ４０を単一の材料から構成し、その表面粗さを選択的に変更して、半田合金６の不要な流れ出しを抑制している。
【００６６】
即ち、本実施の形態にあっては、ヒートスプレッダ４０の空間部形成面２２において、プリント基板２に搭載された半導体素子１の背面５に面している箇所等、最外部がプリント基板２における受動素子８の搭載位置よりも内側に位置する箇所では表面粗さが小であるため半田合金６が濡れ広がることを可能とし、他の領域では表面粗さが大きいため半田合金６は流れ難い。
【００６７】
これにより、半田合金６が、ヒートスプレッダ４０の表面を流れ、受動素子８の周囲に流れ出すことを抑制することができ、当該半田合金６が受動素子８の電極等に接触して半導体装置３０の電源及びグランド間でのショート等が発生することを防止することができる。
【００６８】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００６９】
以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）  基板と、
前記基板の一方の主面に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子近傍周辺に搭載された複数の受動素子と、
前記半導体素子の背面に熱伝導材料を介して接続され、前記基板上に搭載されて放熱板とを有する半導体装置であって、
前記放熱板の前記熱伝導材料と接する面における表面粗さは、当該面の全面において均一ではないことを特徴とする半導体装置。
（付記２）  付記１記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所の表面粗さは、他の箇所の表面粗さよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
（付記３）  付記２記載の半導体装置であって、
前記他の箇所では前記熱伝導材料が流れないことを特徴とする半導体装置。
（付記４）  付記２又は３記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所は、前記配線基板に搭載された前記半導体素子の前記背面に面し、
当該箇所の大きさは前記半導体素子の前記背面の大きさと略同一以上であり、
当該箇所の外側に前記他の箇所が設けられていることを特徴とする半導体装置。
（付記５）  付記４記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所の最外部は、前記配線基板上において前記半導体素子の周囲に設けられた受動素子の搭載位置よりも内側に位置していることを特徴とする半導体装置。
（付記６）  付記１乃至５いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料は半田合金であることを特徴とする半導体装置。
（付記７）  付記２乃至６いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所を構成する材料は、前記他の箇所を構成する材料と異なることを特徴とする半導体装置。
（付記８）  付記７記載の半導体装置であって、
前記他の箇所は、前記熱伝導材料が接する箇所を構成する材料を含む材料の粉末焼成により形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記９）  付記８記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する箇所は、アルミニウムを含む材料から構成され
前記他の箇所は、アルミニウム・シリコン・カーバイドの粉末焼成により形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記１０）  付記２乃至６いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記放熱板は金属から構成され、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面の一部にブラスト処理が施され、
前記熱伝導材料が接する箇所の表面粗さは、前記他の箇所の表面粗さよりも小さく設定されていることを特徴とする半導体装置。
（付記１１）  付記１０記載の半導体装置であって、
前記放熱板を構成する前記金属は、アルミニウム又は銅であることを特徴とする半導体装置。
（付記１２）  付記２乃至１１いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面において、前記熱伝導材料が接する箇所の前記表面粗さと前記他の箇所の前記表面粗さとの差は約０．５μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
（付記１３）  付記２乃至１２いずれか一項記載の半導体装置であって、
少なくとも前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面に金属メッキが施されていることを特徴とする半導体装置。
（付記１４）  付記１３記載の半導体装置であって、
少なくとも前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面に施されている前記金属メッキは、ニッケル金メッキ又はニッケルメッキであることを特徴とする半導体装置。
（付記１５）  付記２乃至１４いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が設けられる前記半導体素子の前記背面に金属メッキが施されていることを特徴とする半導体装置。
（付記１６）  付記１５記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が設けられる前記半導体素子の前記背面に施されている前記金属メッキは、金メッキであることを特徴とする半導体装置。
（付記１７）  付記２乃至１６いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記熱伝導材料が接する前記放熱板の前記面の前記熱伝導材料が接する箇所に、当該箇所から外方に広がった張出し部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】図１に示された半導体装置に設けられたヒートスプレッダの断面図である。である。
【図３】図２に示されたヒートスプレッダの空間部形成面の平面図（図２において矢印方向にみたときの図）である。
【図４】図１乃至図３に示されたヒートスプレッダの変形例の空間部形成面の平面図（図２において矢印方向にみたときの図）である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  半導体素子
２  プリント基板
５  背面
６  半導体合金
８  受動素子
１０、３０  半導体装置
２０、４０  ヒートスプレッダ
２２  空間部形成面
２３  半田接合部
２４  ニッケル金メッキ
２７−１、２７−２、２７−３、２７−４  張出し部
【図１】
0004764159.tif 000002
【図２】
0004764159.tif 000003
【図３】
0004764159.tif 000004
【図４】
0004764159.tif 000005
【図５】
0004764159.tif 000006