CN1677655A - 散热板的制造方法及采用该散热板的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种半导体元件和散热板之间的导热性优良，散热性优良的散热板。在将铟或铟合金用作介于半导体元件和散热板14之间的将半导体元件的背面和散热板之间接合的导热接合材料20的散热板的制造方法中，将散热板14成形为预定形状后，对散热板14的表面实施净化处理，随后，将铟或铟合金供给散热板14，将铟或铟合金加热、熔融使铟或铟合金18粘接到散热板上后，实施使由铟或铟合金构成的导热接合材料20的表面平坦化的平坦化加工，得到铟或铟合金一体型散热板。
Description
技术领域
本发明涉及散热板的制造方法及采用该散热板的半导体器件。
背景技术
在通过倒扣芯片连接而装载半导体元件的半导体器件中，将散热板安装到半导体元件的背面(半导体元件的与倒扣芯片连接面相反侧的面)而提高半导体器件的散热性。图7表示将半导体元件12倒扣芯片连接到衬底10上，将散热板14接合到半导体元件12的背面而形成的半导体器件的示例。在该例中，在散热板14上设置收存半导体元件12的收存凹部14a，在收存凹部14a的内底面(顶面)上接合半导体元件12，并且包围装载有半导体元件12的区域地将散热板14接合到衬底10上。
图7将散热板14形成为罩状，使其保护半导体元件12并提高来自半导体元件12的散热作用。此外，在散热板14上使用设置有散热片等的各种形态的部件。此外，在此所谓的散热板当然也包括被称作散热器、散热块(heat slug)、均热片(heat spreader)等的部件。
专利文献1：特开2003-101243号公报
专利文献2：特开平7-106477号公报
此外，在将散热板14安装到半导体元件12上时，为了使半导体元件12和散热板14间的导热性良好，将焊料或高导热树脂等的导热体介于半导体元件12和散热板14之间地进行装配。在使导热体介于半导体元件12和散热板14之间时，有时也将导热体夹置在半导体元件12和散热板14之间压接地装配，但一般是将焊料或高导热树脂(例如环氧树脂)加热，用导热体填充半导体元件12的背面和散热板14之间的间隙，并将半导体元件12和散热板14一体接合。
但是，在将导热体加热、熔融地将半导体元件12和散热板14接合时，在将半导体元件12加热为高温这样的情况下，有可能在衬底10和半导体元件12间，在散热板14和半导体元件12之间有大的热应力作用，由此有可能导致损伤半导体元件12。此外，像将焊料用作导热体时那样，在使导热体熔融地将半导体元件12和散热板14接合时，存在着在半导体元件12的背面和散热板14之间残存着空隙(void)，出现间隙部分未被完全填充的情况，由此出现影响导热性的情况的问题。此外，在将高导热树脂用作导热体的情况下，存在着虽然导热体的填充性优良，但与焊料等的金属材料相比其导热性差的问题。
发明内容
在此，本发明应解决这些问题而提出，其目的之一在于，提供可以使半导体元件和接合到该半导体元件背面的散热板之间的导热性优良地通过散热板提高散热特性的用于半导体器件的散热板和该散热板的制造方法。
此外，作为本发明的另一目的在于，提供可以通过保持半导体元件和接合到半导体元件的背面的散热板之间的高的导热性，而维持散热板的散热特性的良好状态，且易于制造散热板、易于实现半导体器件的装配的用于半导体器件的散热板及该散热板的制造方法。
进而本发明的再一目的在于，提供可以通过使用基于本发明的散热板，缓和半导体元件的背面和散热板接合时产生的热应力，大幅度地降低对元件自身的损伤的半导体器件的制造方法。
本发明为实现上述目的具备以下的构成。
即，在将铟(In)用作介于半导体元件和散热板之间接合半导体元件的背面和散热板之间的导热接合材料的散热板的制造方法中，其特征在于，在将散热板成形为预定形状后，实施净化散热板的表面的净化处理，随后，向散热板供给铟，将铟加热、熔融使其粘接到散热板之后，实施使由铟构成的导热接合材料的表面平坦化的平坦化加工而得到铟一体型散热板。此外，作为供给散热板的铟，可以供给例如形成为箔状的铟而加以使用。此外，作为平坦化加工，可以利用采用压力机的机械加工。
此外，本发明的散热板，可以用于将半导体元件倒扣芯片连接到衬底上，在半导体元件的背面安装有散热板的半导体器件等。安装散热板的半导体器件的构成及散热板的形状都不特别地加以限定。
此外，作为上述净化处理工序的前工序，其特征在于，镀敷散热板的表面，随后实施净化处理。作为散热板的镀敷处理可以使用镀镍、镀金等。
此外，在将铟用作介于半导体元件和散热板之间地接合半导体元件的背面和散热板之间的导热接合材料的散热板的制造方法中，其特征在于，在将散热板成形为预定形状后，对散热板的表面实施镀敷，接着实施净化散热板的表面的净化处理，随后，通过使铟箔接触散热板的预定位置而得到铟一体型散热板。
此外，作为上述净化处理在电解液中进行将散热板作为阴极的电解处理，或者作为上述净化处理将散热板和铟箔分别浸渍在硫酸溶液中都很有效。
此外，在用通过上述散热板的制造方法而制造的散热板装配而成的半导体器件中，其特征在于，设置在上述散热板上的由铟构成的导热接合材料，在装配半导体器件时熔融，被填充到半导体元件的背面和散热板之间而将半导体元件和散热板接合。
本发明的半导体器件，通过将铟用作导热接合材料，提高在半导体器件装配时的半导体元件和接合面的相接性而抑制空隙的产生。进而，在半导体器件装配时，通过采用常温接合方法而不必将散热板加热熔融到高温，可以不会使过大的热应力作用于半导体元件地装配半导体器件，可以抑制在装配时对半导体元件造成损伤。此外，由铟构成的导热接合材料与树脂类材料相比导热率优良，由此可以提供具备优良散热性的半导体器件。
此外，将包括上述散热板的散热部件装配到衬底时，通过利用常温接合，可以以远远低于各种金属的熔点温度的温度同时加压接合地进行上述散热部件的周边部和上述半导体衬底的接合，以及构成上述散热部件的一部分的由上述铟构成的导热接合材料和半导体元件的背面的接合。由此，可以不会造成过大的热应力作用于半导体元件地在短时间内实现半导体器件的装配，可以达到在装配时抑制对半导体器件造成损伤，并缩短半导体器件的装配工序的效果。
根据本发明的散热板的制造方法，由于可以容易地制造具备由铟构成的导热接合材料的散热板，在铟和散热板之间不产生空隙等地可靠地粘合导热接合材料，因此可以提供散热效率良好的散热板。此外，由于散热板以将由铟构成的导热接合材料一体地安装到散热板的状态提供，因此可以易于进行半导体器件装配作业。此外，本发明的半导体器件，通过采用具备由铟构成的导热接合材料的散热板而装配，可以作为散热性优良的半导体器件而提供。
附图说明
图1是表示本发明的散热板的制造方法的说明图。
图2是表示散热板的制造工序的流程图。
图3是表示散热板的另一制造方法的说明图。
图4是表示散热板的制造工序的流程图。
图5是表示本发明的半导体器件的构成的说明图。
图6是表示本发明的半导体器件的制造方法的说明图。
图7是表示安装有散热板的现有的半导体器件的构成的说明图。
符号说明
10衬底，12半导体元件，14散热板，14a收存凹部，14b凹部，16阻挡壁，18铟金属，18a铟箔，20导热接合材料，22、23、24散热部件
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选实施形态进行详细的说明。
(第一实施形态)
图1是表示本发明的散热板的制造工序的说明图，图2是表示第一实施形态的制造工序的流程图。
图1(a)、(b)表示通过图2所示的利用压力加工等进行的散热板的成形工序30将散热板14成形为预定形状的状态。
图1(a)表示在散热板14的基材上形成收存凹部14a，并在收存凹部14a的中央部形成有凹部14b的状态。收存凹部14a和凹部14b在本实施形态中都把平面形状形成为矩形形状。
图1(b)表示散热板14的另一构成例，在通过压力加工在基材上形成收存凹部14a后，在收存凹部14a的底面上框状地涂敷环氧树脂等的树脂材料形成阻挡壁16。
由凹部14b和阻挡壁16包围的区域相当于装配半导体器件时装载半导体元件的区域。
虽然可以将合适的材料用作散热板14的基材的材料，但铜或铝等的金属材料最佳。在本实施形态中使用0.8mm的厚度的铜板。散热板14的平面形状形成为矩形，本实施形态的散热板14形成为25mm见方的大小。
此外，凹部14b的一边形成为10mm见方，阻挡壁16形成为10mm见方的框状。凹部14b的深度为0.2mm，阻挡壁16的从收存凹部14a的底面的高度为0.2mm。
这样地将散热板14成形后，对散热板14实施镀敷(图2所示的镀敷处理工序31)。该镀敷处理以将由铟金属构成的导热接合材料可靠地紧密接合到散热板14的表面为目的而进行，实施使其与铟的浸润性提高的镀敷。
作为镀敷处理，在本实施形态中，对散热板14的表面实施镀镍或镀金。根据情况也可以按照镀镍和镀金的顺序来实施。对镀敷方法并不特别限定，镀镍的话，可以使用例如氨基磺酸镀镍液，平均镀厚为5μm左右地镀敷即可。镀金的话，使用例如市场上销售的氰化金镀液(例如JPC公司生产的抗蚀剂EX)，使平均镀厚大于等于0.5μm地镀敷。
接下来，进行散热板14的表面的净化处理(图2所示的表面净化处理工序32)。该表面净化处理也与镀敷处理同样地，是用于使由铟金属构成的导热接合材料可靠地紧密接合到散热板14的表面的处理。作为表面净化处理，可以利用等离子体蚀刻或紫外线照射等的干法处理、通过化学性的蚀刻进行的湿法处理。
在表面净化处理工序32后，将铟的金属箔供给到散热板14上(图2所示的铟箔供给工序33)，加热铟箔使其熔融(图2所示的铟箔加热、熔融工序34)。铟箔，在图1(a)所示的散热板14的情况下供给到凹部14b内，在图1(b)所示的散热板14的情况下供给到由阻挡壁16包围的内侧。在实施形态中，使用12mm见方、厚度为200μm的铟箔。图1(c)、(d)表示加热熔融已供给到散热板14上的铟箔的状态。18为熔融后的铟金属。由于散热板14的凹部14b、阻挡壁16的阻隔作用，已熔融的铟金属滞留在凹部14b、阻挡壁16的内侧。铟的熔融温度为156.4℃，可以在氮气中以160～170℃加热5分钟左右使其熔融。
在此，使铟的金属箔在散热板的表面熔融的理由在于，因与其他金属的硬度相比较，铟为低硬度，故在与半导体元件的背面接合时可以达到密接性、散热性优良的效果。因此，可以在介于散热板和半导体元件之间的由铟构成的粘接层上抑制空隙的产生，可以无损散热板本来所具有的散热效果地来保障。
接下来，对熔融后的铟金属18实施平坦化加工(图2所示的平坦化加工工序35)，使熔融后的铟金属18的表面平坦化。图1(e)、(f)表示采用压力机19来平坦化铟金属18的表面的状态。在平坦化加工后冷却工件，将其作为散热部件(冷却工序36)。
这样地，可以得到将散热板14和由铟金属18构成的散热接合材料20一体化了的散热部件(铟一体型散热板)22、23。散热部件22将导热接合材料20粘合到散热板14上所设置的凹部14b上，散热部件23将导热接合材料20粘合到散热板14的阻挡壁16的内侧。
使用散热部件22、23，使得在装配半导体器件时，使由铟金属构成的导热接合材料20接触到半导体元件的背面，通过加热导热接合材料20使其熔融，而通过导热接合材料20将半导体元件和散热板14接合。
如图1(e)、(f)所示地，通过对铟金属18进行平坦化加工地使导热接合材料20的表面平坦化，可以使半导体元件和导热接合材料20可靠地粘接接合。
此外，在本实施形态中，通过对散热板14实施镀敷处理和表面净化处理，可以使散热板14和铟金属18可靠地粘接，使得在散热板14和导热接合材料20的界面上不产生空隙等的微小空隙地将导热接合材料20粘合到散热板14上。这样地，通过使导热接合材料20自身的内部以及其与导热接合材料20和散热板14之间的界面间不产生间隙(空隙)地，将导热接合材料20粘合到散热板14上，可以有效地提高散热板14的散热性。
(第二实施形态)
在上述实施形态中制造铟一体型散热板的方法，将铟箔加热、熔融，与散热板14一体地粘合由铟构成的导热接合材料20。在下述说明的第二实施形态和第三实施形态中，其特征在于，不把铟箔加热、熔融，仅通过在常温下使铟箔直接接触到散热板上而得到散热板14和铟箔一体化的铟一体型散热板。
图3表示第二实施形态中所使用的散热板14的构成。在第二实施形态中，由于直接将铟箔粘合到散热板14上地使铟箔和散热板14一体化，因此在散热板14上不必设置如图1(a)、(b)所示的凹部14b和阻挡壁16。图3表示将散热板14成形为形成有所要求的收存凹部14a的罩状的状态。
以下，按照图4所示的制造工序流程图进行说明。
在通过压力加工将由铜构成的散热板14成形后(散热板的成形工序30)，对散热板14实施第一镀敷和第二镀敷(第一镀敷工序37、第二镀敷工序38)。
作为第一镀敷工序37实施镀镍。镀镍使用氨基磺酸镀镍液，平均镀厚为5μm地镀敷。
作为第二镀敷38，实施镀金、镀铜、镀锡或镀钯。
镀金，使用市场上销售的氰化金镀液(例如JPC公司生产的抗蚀剂(temper resist)EX)，使金厚度大于等于0.5μm地镀敷。
镀铜，使用市场上销售的硫酸铜液(例如Atotech公司生产的铜连接盘(copper land)HL)，使铜厚度大于等于0.5μm地镀敷。
镀锡，使用市场上销售的镀锡液(例如Meltex公司生产的EC-706)，使锡厚度大于等于1.0μm地镀敷。
镀钯，使用市场上销售的镀钯液(例如，JPC公司生产的(palla-bright)SST)，使钯厚度大于等于0.1μm地镀敷。
接下来，对实施了镀敷的散热板14的表面进行净化处理(表面净化处理工序39)。在该表面净化处理中，在包含50g/l的柠檬酸三钾的电解液中，以白金为阳极，以实施了第一镀敷和第二镀敷的散热板14为阴极，在室温下以1ASD的电流密度进行1分钟或其以上的电解处理。该电解处理的目的在于除去散热板14的表面上所存在的氧化膜。
接下来，使形成为预定大小的铟箔压接到电解处理后的散热板14的预定位置上地将铟箔贴合到散热板14上(铟箔贴合工序40)。作为铟箔，使用例如与实施形态1中所使用的同样的12mm见方、厚200μm的铟箔。对于铟箔，也可以事前浸渍在稀硫酸溶液中，将表面净化后，使铟箔压接到散热板14。由于散热板14通过电解处理表面被净化，因此仅通过使铟箔接触到散热板14就可以简单地使铟箔附着到散热板14上而一体化。
使该铟箔贴合到散热板上(自附着：仅通过接触而紧密接合)的操作，由于可以在常温下进行，不必进行将铟箔加热熔融的操作，因此可以作为铟一体型散热板的制造方法而有效地利用。
图3(b)表示通过上述方法所得到的散热部件(铟一体型散热板)24。
在散热板14上所形成的收存凹部14a的内底面上贴合有作为导热接合材料20的铟箔18a，将散热板14和铟箔18一体化。在进行将铟箔18a附着到散热板14上的操作时，可以与半导体器件中的半导体元件的配置位置(接合半导体元件的背面的位置)进行位置对准地使其附着到散热板14上。
如果使用均匀膜厚的箔作为铟箔18a，则可以不必进行在第一实施例中进行的平坦化加工，在半导体器件的装配时使半导体元件的背面和导热接合材料20可靠地密接，使半导体元件和散热板14之间不产生间隙(空隙)地接合。
(第三实施形态)
在上述第二实施形态中，对散热板14实施第一镀敷和第二镀敷后，作为散热板14的表面净化处理，利用电解液进行了电解处理，但在第三实施形态中，其特征在于：使用硫酸水溶液进行散热板14的表面净化处理。
散热板14的构成及第一镀敷工序37和第二镀敷工序38的处理内容与上述第二实施形态完全相同，故省略说明。
在本实施形态的表面净化处理工序39中，将已实施第一镀敷和第二镀敷的散热板14浸渍在1N硫酸中，然后，将铟箔浸渍在稀硫酸溶液中，将其静置30秒或30秒以上后，使铟箔压接到散热板14上地将其贴合到散热板14上。
在本实施形态中，也对镀敷处理后的散热板14的表面进行净化处理，并且对铟箔也进行其表面的净化处理，由此可以与第二实施形态的情况完全一样地，仅通过使铟箔接触到散热板14上而自然地使铟箔紧密接合到散热板14上得到铟一体型散热板。此时，由于也可以不必加热铟箔地在常温下直接使其紧密接合到散热板14上，因此制造贴合有铟箔的散热板极其容易。此外，在常温接合中采用铟箔的原因也与第一实施例中所说明的原因相同。
(第四实施形态)
图5是表示利用常温接合方法采用上述散热部件装配半导体器件的示例。图5(a)是使用了图1(e)所示的散热部件22的示例，图5(b)是使用了图3(b)所示的散热部件24的示例。
本实施例中，半导体器件，将半导体元件12倒扣芯片连接到衬底10上，进行底部填充后，将散热部件22、24与衬底10位置对准，将散热部件22、24的周边部通过焊料粘接到衬底10上，并且使由铟金属构成的导热接合材料20所构成的散热板14的内面与半导体元件12的背面接合。
在此，图6表示此时的具体的制造方法。例如，在图6(a)中，具有离子照射装置41，对散热部件24的预先涂敷有焊料的周边部24a及由铟金属构成的导热接合材料20，在真空中(约5.0×10-5torr)进行约150秒的Ar离子照射。与此同时，还具有另一个离子照射装置42，对相互接合的衬底10及半导体元件12以同样的条件进行Ar离子照射。随后，与上述照射工序一并地，从图6(b)到图6(c)，边向装载半导体元件12的衬底10上施加5Kg的负载，边在15秒的期间按压接合散热部件24，由此形成半导体器件。此时，虽然因Ar离子照射在各个接合部上被某种程度地加热，但是该温度在常温接合所需的温度内，具体而言为50℃～100℃的范围内，不必为到达焊料、铟金属等的熔点的温度。
在此，在本发明中采用的铟，在固相金属中为最低硬度(3～14Hv)，在施加负载时发生良好的塑性变形，与半导体元件背面紧密接合。因此可以利用常温接合。即，上述两工序，在不使半导体元件12中产生热应力的限度下，可以以相互允许的共同的接合条件同时进行。此外，虽然将图3(b)所示的散热部件24用作散热部件，但是只要是基于本发明的散热部件，不言而喻地可以以同样的方法装配半导体器件。
此外，由于将导热接合材料20一体地安装到散热板14地提供散热部件22、24，因此在将散热板14安装到衬底10上时，不必将焊料或树脂材料位置对准地涂敷，装配操作很容易。
以这样的方法，如果成为图5所示的通过导热接合材料20将半导体元件12的背面和散热板14接合的状态的话，则导热接合材料20被完全地填充到半导体元件12的背面和散热板14的内表面之间，半导体元件12中所产生的热通过导热接合材料20有效地传递到散热板14上而散热。
铟的导热率为76W/m·K，作为用于散热板的接合的高导热树脂而加以利用的环氧树脂的导热率为1～20W/m·K，将其相比较可知，与使用树脂类的接合材料的情况相比，导热率大大改善。
这样地，形成为上述铟一体型的散热板，由于可以以低温进行将散热板14接合到半导体元件12上的操作，因此可以抑制在接合散热板时过大的热应力作用于半导体元件，因此具有在装配时可以不损伤半导体元件的优点。此外，在本实施形态中使用的散热板，与由树脂类材料构成的导热接合材料20相比，通过使用导热率远远优于其的导热接合材料20，可以提供散热性更佳的散热板，可以提供能装载更大功率的半导体元件的半导体器件。
此外，在上述实施例中都说明了对散热板采用铟的情况，但在采用铟合金(例如：InP、InAs等)的情况下，对常温接合的粘接效果不言而喻地也可以达到与铟同样的效果。
Claims (9)
1.一种散热板的制造方法，其将铟或铟合金用作介于半导体元件和散热板之间接合半导体元件的背面和散热板之间的导热接合材料，其特征在于，
在将散热板成形为预定形状后，实施净化散热板的表面的净化处理，随后向散热板供给铟或铟合金，加热铟或铟合金使铟或铟合金紧密接合到散热板上后，实施使由铟或铟合金构成的导热接合材料的表面平坦化的平坦化加工，得到铟或铟合金一体型散热板。
2.如权利要求1所述的散热板的制造方法，其特征在于，
作为净化处理工序的前工序，对散热板的表面实施提高铟或铟合金与散热板的紧密接合性的镀敷，接着对散热板实施净化处理。
3.一种散热板的制造方法，其将铟或铟合金用作介于半导体元件和散热板之间接合半导体元件的背面和散热板之间的导热接合材料，其特征在于，
在将散热板成形为预定形状后，对散热板的表面实施镀敷，接着在实施净化散热板的表面的净化处理后，通过使铟箔或铟合金箔压接到散热板的预定位置而得到铟或铟合金一体型散热板。
4.如权利要求3所述的散热板的制造方法，其特征在于，作为上述净化处理，实施在电解液中将散热板作为阴极的电解处理。
5.如权利要求3所述的散热板的制造方法，其特征在于，作为上述净化处理，将散热板和铟箔或铟合金箔分别浸渍在硫酸溶液中。
6.一种散热板的制造方法，其将铟或铟合金用作介于半导体元件和散热板之间接合半导体元件的背面和散热板之间的导热接合材料，其特征在于，
在将散热板成形为预定形状后，对散热板的表面实施镀敷，接着实施净化散热板的表面的净化处理，通过使铟箔或铟合金箔压接到散热板的预定位置而得到铟或铟合金一体型散热板，随后，通过铟或铟合金与半导体元件背面的常温接合，设置在上述散热板上的由铟或铟合金构成的导热接合材料被填充到半导体元件的背面和散热板之间地将半导体元件和散热板接合。
7.如权利要求6所述的散热板的制造方法，其特征在于，作为上述净化处理，实施在电解液中将散热板作为阴极的电解处理。
8.如权利要求6所述的散热板的制造方法，其特征在于，作为上述净化处理，将散热板和铟箔或铟合金箔分别浸渍在硫酸溶液中。
9.一种使用通过权利要求1～5中任一项所述的散热板的制造方法而制造的散热板而装配的半导体器件，其特征在于，
设置在上述散热板上的由铟或铟合金构成的导热接合材料，通过铟或铟合金与半导体元件背面的常温接合，被填充到半导体元件的背面和散热板之间而将半导体元件和散热板接合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |