JPH03218031A - 半導体集積回路装置およびそれに用いられるプリフォーム接合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に
半導体集積回路装置のダイボンディング技術において、
ダイボンディング部の高熱伝導化および高精度化構造が
可能とされ、放熱効率の向上を図ることができる半導体
集積回路装置およびそれに用いられるプリフォーム接合
材に適用して有効な技術に関する。

［従来の技術］ 近年、半導体集積回路装置の高密度化および高集積化に
伴い、消費電力密度の急上昇がもたらされ、電子計算機
などの熱問題は厳しい一面を持つようになってきている
。このような状況の中で、半導体チップ背面からの冷却
技術が重要となりつつあり、ダイボンディング技術にお
ける熱経路での熱抵抗低減が重要課題となっている。ま
た、半導体チップの背面固着時におけるチップ変形の問
題も、寸法精度の向上により顕在化してきている。

また、従来のダイボンディング技術としては、たとえば
株式会社電気書院、１９８７年発行［ＬＳＩ設計製作技
術ＪＰ１１８〜Ｐ１１９、または社団法人電子通信学会
、昭和５９年１１月３０日発行ｒＬＳＩハンドブックＪ
Ｐ４０６〜Ｐ４０８などの文献にと載されるように、半
導体チップをダイボンディング基板に接着する接着方法
としては、共晶合合法、はんだ接着法および樹脂接着法
が用いられている。

たとえば、共晶合合法は、Ａｕ−Ｓｉ共晶合金の融点が
３７０℃と比較的低いことから広く用いられている。こ
の共晶合金法は、ダイボンディング時の酸化を防止する
ため、Ｎ２　またはＮ２＋Ｈ２雰囲気中において４００
℃前後に加熱しながら、Ａｕメッキされたグイパッドに
半導体チップ背面を押し付け、Ａｕ−Ｓｉ共晶反応を行
わせて接合する方法である。この時、共晶反応を起こし
易くするために、接合部分に振動を与える方法がとられ
ている。また、この合金層をさらに良好なものにするた
め、半導体チップの背面にＡｕを蒸着したり、またはＡ
ｕ箔を挟む方法がとられている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記のような従来技術においては、半導体チ
ップ背面とダイボンディング基板とを固着するダイボン
ディング部の高熱伝導化、および半導体チップの変形の
点について配慮がされておらず、ダイボンディング部の
高熱抵抗化および熱ストレスが発生するという欠点があ
る。

従って、従来のダイボンディング技術においては、半導
体集積回路装置におけるダイボンディング部および素子
表面上におけるマイクロ接続部の信頼性が得られないと
いう問題がある。

そこで、本発明の目的は、ダイボンディング部の高熱伝
導化による低熱抵抗化が可能とされ、かつ熱ストレスの
緩和により半導体チップの変形防止および信頼性の向上
が可能とされる半導体集積回路装置およびそれに用いら
れるプリフォーム接合材を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特微は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

口課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の半導体集積回路装置は、半導体チッ
プが接合材を介してダイボンディング基板に実装される
半導体集積回路装置であって、前記接合材による接合層
に高熱伝導材料から形成される板状の高熱伝導プレート
が介在されるものである。

また、前記高熱伝導プレートが、前記半導体チップの熱
膨張係数と、前記ダイボンディング基板の熱膨張係数と
の間の熱膨張係数とされるものである。

さらに、前記高熱伝導プレートが、該高熱伝導プレート
の両面に溝、または両面に貫通される複数の貫通孔が形
成されるものである。

また、本発明の半導体集積回路装置に用いられるプリフ
ォーム接合材は、前記高熱伝導プレートが、前記半導体
チップと前記ダイボンディング基板との接合層に介在さ
れるものである。

［作用コ 前記した半導体集積回路装置によれば、半導体チップと
ダイボンディング基板との接合層に高熱伝導材料から形
成される板状の高熱伝導プレートが介在されることによ
り、高熱伝導化が可能とされる接合層が形成され、半導
体集積回路装置の放熱効率の向上を図ることができる。

また、高熱伝導プレートを、半導体チップの熱膨張係数
と、ダイボンディング基板の熱膨張係数との間の熱膨張
係数とすることにより、半導体チップとダイボンディン
グ基板との熱膨張率差により生じる熱ストレスを緩和す
ることができる。

さらに、高熱伝導プレートに、その両面に溝、または両
面に貫通される複数の貫通孔を形成することにより、接
合材が溝を通じて外周部に流動されたり、または貫通孔
に流出され、接合層を可能な限り薄くできるので、さら
にダイボンディング層の高熱伝導化が可能である また、前記した半導体集積回路装置に用いられるプリフ
ォーム接合材は、高熱伝導プレートが、半導体チップと
ダイボンディング基板との接合層に介在されて形成され
ることにより、ダイボンディング工程を容易に行うこと
ができる。

［実施例１コ 第１図は本発明の一実施例である半導体集積回路装置の
要部を示す断面図、第２図（ａ），（ｂ）および（Ｃ）
は本実施例の半導体集積回路装置に用いられる高熱伝導
プレートを示す斜視図、第３図は本実施例の半導体集積
回路装置に最適なプリフォーム接合材を示す断面図であ
る。

まず、第１図により本実施例の半導体集積回路装置の構
成を説明する。

本実施例の半導体集積回路装置は、たとえば半導体チッ
プ１がダイボンディング基板２に実装される半導体集積
回路装置とされ、半導体チップ１の背面が高熱伝導プレ
ート３を介在するろう材（接合材）４によってダイボン
ディング基板２の主面上に溶融固着されている。

半導体チップ１は、ろう材４と接合可能にその背面にメ
タライズ層５が形成されている。また、メタライズ層５
は、たとえば下層よりＣｒ，Ｔｉ，Ｗなどの接着層、Ｎ
ｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｍｏなどのバリア層、Ａｕなど
の酸化防止層が組み合わされ、三層構造の複合膜から形
成されている。

ダイボンディング基板２は、半導体チップ１と同様に、
三層構造のメタライズ層６がその主面に形成されている
。

高熱伝導プレート３は、半導体チップ１とダイボンディ
ング基板２との中間付近の熱膨張率を有する高熱伝導材
料によって形成されている。たとえば、半導体チップ１
がＳｉ（シリコン）、ダイボンディング基板２がＡｊ！
２　０３　　（アルミナ）で形成される場合には、それ
ぞれの熱膨張率が４．２Ｘ　１　０−’＋ｊｅｇ−’、
６．　７　Ｘ　Ｉ　Ｑ−’ｄｅｇ−’なので、これらの
中間付近である５．　Ｉ　Ｘ　１　０−’ｄｅｇ　−’
の熱膨張率を有するＭｏ（モリブデン）などが使用され
る。あるいは、半導体チップ１がＧａＡｓ（６．５”　
１　０−’ｄｅｇ　−’）　、ダイボンディング基板２
がアルミナ（６．　７　Ｘ　１　０−’ｄｅｇ伺）で形
成される場合には、これらと同等の熱膨張率を有するＣ
ｕ−Ｗ複合材料（６．　５　ｘ　１　０−’ｄｅｇ−’
）などが用イラレる。

また、高熱伝導プレート３は、第２図（ａ）〜（Ｃ）に
示すようにその両面に半円断面の流動溝３ａが形成され
ている。そして、この流動溝３ａによってろう材４が外
周方向に流動し易い構造とされ、ろう材４を可能な限り
薄くできる構造となっている。

たとえば、第２図（ａ）は高熱伝導プレート３０両面に
ストライブ状、また第２図ら）は高熱伝導プレート３の
重心から放射状に、さらに第２図（Ｃ）においては対角
線方向へストライプ状に流動溝３ａが形成され、それぞ
れの両面において流動溝３ａの方向および位置がずらさ
れて形成されることによって高熱伝導プレート３自体の
強度が保持される構造とされている。

ろう材４は、たとえばＰｂ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｎ，Ｐｂ−
Ａｇ系はんだが用いられ、第３図に示すようなろう材４
に高熱伝導プレート３が介在されたプリフォームろう材
７とされている。たとえば、ろう材４がＰｂ−ｌＱ％Ｓ
ｎのプリフォームろう材７の場合には、ダイボンディン
グ層８がろう材４単体く熱伝導率＝　Ｑ．Ｑ　５　２ｃ
ａｌ／ｃｍ　−　ｓｅｃ　　−　ｄｅｇ）に比べて、Ｍ
Ｏによる高熱伝導プレート３の介在で約６倍、Ｃｕ−Ｗ
複合材料で約８倍の熱伝導率を持たせることができる。

次に、本実施例の作用について説明する。

以上のように構成される本実施例の半導体集積回路装董
においては、プリフォームろう材７に高熱伝導プレート
３が介在されることにより、ろう材４によるダイボンデ
ィング層８の高熱伝導化を図ることができる。

この場合に、高熱伝導プレート３の両面に流動溝３ａが
形成されることにより、ろう材４を可能な限り薄《でき
るので、さらにダイボンディング層８の高熱伝導化が可
能である。

また、高熱伝導プレート３が使用されることにより、半
導体チップ１とダイボンディング基板２との熱膨張率差
により生じる熱ストレスを緩和することができる。

従って、本実施例の半導体集積回路装置によれば、半導
体チップ１の放熱性が向上され、熱ストレスによる素子
特性劣化やダイボンディング層８の信頼性の低下を防止
することができる。

また、本実施例の半導体集積回路装置に第３図のような
プリフォームろう材７が使用されることにより、半導体
チップ１のダイボンディング工程が容易とされ、特に高
熱伝導プレート３が超薄膜化された場合のハンドリング
性の向上が可能である。

［実施例２］ 第４図は本発明の他の実施例である半導体集積回路装萱
の要部を示す断面図である。

本実施例の半導体集積回路装置は、第４図に示すように
半導体チップ１がダイボンディング基板２に実装される
半導体集積回路装置とされ、実施例１との相違点は半導
体チップ１の背面が高熱伝導プレート３を介在するシリ
コンゴム（接合材）９によってダイボンディング基板２
の主面上に固着されている点である。

すなわち、本実施例のシリコンゴム９による接合は、ダ
イボンディング基板２が熱膨張率の大きいＣｕ　（１　
７．Ｏ　Ｘ　Ｉ　Ｑ−’ｄｅｇ−’）などによって形成
され、Ｓ１やＧａＡｓなどの半導体チップ１がダイボン
ディングされる場合に適用される。

また、この場合の高熱伝導プレート３としては、半導体
チップ１とダイボンディング基板２との間の熱膨張率を
有するＣ　ｕ−Ｗ　（８．　５　Ｘ　Ｉ　Ｑ−’ｄｅｇ
−’）　，　Ｃｕ−Ｍｏ　（８．Ｏ　Ｘ　１　０−＠ｄ
ｅｇ　−’）　，　Ａｆ−Ｓ　ｉ　　（１３．５Ｘ１　
０−’ｄｅｇ　−’）　，　Ｎｉ　　（１２．８ＸＩＯ
−’ｄｅｇ　−’）　，　　Ｆｅ　（１２．ＯＸ１　０
−’ｄｅｇ　−’），Ｍｏ（５．ＩＸ１ヒ１ｄｅｇ−１
）などの高熱伝導材料が使用され、実施例１と同様にそ
の両面に流動溝３ａが形成されている。

さらに、シリコンゴム９自体の熱伝導度を上げるために
、高熱伝導度を有するＡｇ．ダイヤモンド粉末などの各
種フィラーが含有される。

従って、本実施例の半導体集積回路装首によれば、特に
半導体チップ１とダイボンディング基板２との熱膨張率
差が大きい場合に、実施例１と同様にダイボンディング
層８の高熱伝導化を図ることができると同時に、半導体
チップ１とダイボンディング基板２との熱膨張率差によ
って生じる熱ストレスの影響を低減することが可能であ
る。

［実施例３コ 第５図は本発明のさらに他の実施例である半導体集積回
路装置の要部を示す断面図、第６図は本実施例の半導体
集積回路装置に用いられる高熱伝導プレートの断面図で
ある。

本実施例の半導体集積回路装置は、第５図に示すように
半導体チップ１がダイボンディング基板２に実装される
半導体集積回路装置とされ、実施例１および２との相違
点は高熱伝導プレート３に複数の貫通孔３ｂが形成され
ている点である。

すなわち、本実施例の高熱伝導プレート３は、第６図に
示すようにその両面に貫通される複数の円筒状の貫通孔
３ｂが形成され、ろう材４またはシリコンゴム９が圧接
されて逃げ場を失った時に、これらの量が貫通孔３ｂに
流出されることによって調整され、ダイボンディング層
８の高熱伝導化を図るために可能な限り薄くできる構造
とされている。

従って、本実施例の半導体集積回路装置によれば、実施
例１および２のようにろう材４またはシリコンゴム９が
外周方向に流動されることな《、高熱伝導プレート３の
貫通孔３ｂに流出されることによって高熱伝導プレート
３の大きさの範囲内においてろう材４またはシリコンゴ
ム９を可能な限り薄くすることができる。これにより、
実施例１および２と同様にダイボンディング層８の高熱
伝導化が可能とされ、半導体チップ１の放熱性を向上さ
せることができると同時に、半導体チップ１とダイボン
ディング基板２との熱膨張率差によって生じる熱ストレ
スの影響を低減することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例１〜３に
基づき具体的に説明したが、本発明は前記各実施例に限
定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種
々変更可能であることはいうまでもない。

たとえば、実施例１および２の半導体集積回路装置につ
いては、高熱伝導プレート３の両面に半円断面の流動溝
３ａが第２図（ａ）〜（Ｃ）のような配置に形成される
場合について説明したが、本発明は前記各実施例に限定
されるものではなく、たとえば流動溝３ａの形状につい
ては半楕円または多角形断面などの形状についても適用
可能とされ、また流動溝３ａの配置についても格子状な
ど、他の種々の変形が可能である。

また、実施例３における高熱伝導プレート３についても
、円筒状の貫通孔３ｂが形成される場合に限定されず、
たとえば四角柱などの角筒状の貫通孔３ｂが形成される
高熱伝導プレート３についても適用可能である。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりで
ある。

（１）．半導体チップが接合材を介してダイボンディン
グ基板に実装される半導体集積回路装置において、接合
材による接合層に高熱伝導材料から形成される板状の高
熱伝導プレートが介在されることにより、接合層の高熱
伝導化が可能とされるので、半導体集積回路装置の放熱
効率の向上を図ることができる。

（２）．高熱伝導プレートが、半導体チップの熱膨張係
数と、ダイボンディング基板の熱膨張係数との間の熱膨
張係数とされることにより、半導体チップとダイボンデ
ィング基板との熱膨張率差により生じる熱ストレスを緩
和することができるので、熱ストレスによる素子特性劣
化や接合層の信頼性の低下を防止することができる。

（３）．高熱伝導プレートが、その両面に溝、または両
面に貫通される複数の貫通孔が形成されることにより、
接合材を溝を通じて外周部に流動させたり、または貫通
孔に流出させ、接合層を可能な限り薄くすることができ
るので、半導体集積回路装置のさらに高熱伝導化が可能
である。

（４）．半導体集積回路装置に用いられるプリフォーム
接合材において、高熱伝導プレートが、半導体チップと
ダイボンディング基板との接合層に介在されて形成され
ることにより、ダイボンディング工程が容易とされると
同時に、特に高熱伝導プレートが超薄膜化された場合の
ハンドリング性の向上が可能である。

〔５）．前記（１）〜（４）により、熱ストレスの緩和
による半導体チップの変形防止および信頼住の向上が可
能とされる半導体集積回路装置およびそれに用いられる
プリフォーム接合材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１である半導体集積回路装置の
要部を示す断面図、 第２図（ａ），　（ｂ）および（Ｃ）は実施例１の半導
体集積回路装置に用いられる高熱伝導プレートを示す斜
視図、 第３図は実施例１の半導体集積回路装置に最適なプリフ
ォーム接合材を示す断面図、 第４図は本発明の実施例２である半導体集積回路装置の
要部を示す断面図、 第５図は本発胡の実施例３である半導体集積回路装置の
要部を示す断面図、 第６図は実施例３の半導体集積回路装置に用いられる高
熱伝導プレートを示す断面図である。 １・・・半導体チップ、２・・・ダイボンディング基板
、３・・・高熱伝導プレート、３ａ・・・流動溝、３ｂ
・・・貫通孔、４・・・ろう材（接合材）、５．６・・
・メタライズ層、７・・・プリフォームろう材（プリフ
ォーム接合材）、８・・・ダイボンディング層、９・・
・ンリコンゴム（接合材）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップが接合材を介してダイボンディング基
   板に実装される半導体集積回路装置であって、前記接合
   材による接合層に高熱伝導材料から形成される板状の高
   熱伝導プレートが介在されることを特徴とする半導体集
   積回路装置。 ２、前記高熱伝導プレートが、前記半導体チップの熱膨
   張係数と、前記ダイボンディング基板の熱膨張係数との
   間の熱膨張係数であることを特徴とする請求項１記載の
   半導体集積回路装置。 ３、前記高熱伝導プレートが、該高熱伝導プレートの両
   面に溝、または両面に貫通される複数の貫通孔が形成さ
   れることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装
   置。 ４、前記高熱伝導プレートが、前記半導体チップと前記
   ダイボンディング基板との接合層に介在されることを特
   徴とする請求項１、２または３記載の半導体集積回路装
   置に用いられるプリフォーム接合材。