JPH03296237A - 熱伝導用半導体チップの背面接合方法およびそれを用いた半導体装置 - 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〕 本発明は、磁気力により熱伝導用半導体チップの背面を
キャビティ内部に柔軟接合可能にした熱伝導用半導体チ
ップの背面接合方法およびそれを用いた半導体装置に適
用して有効な技術に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体装置は、特開昭６２−２４９４２９号公報
記載のように、ペレット取付基板に面付けされた半導体
ペレｙ）の−主面とキャップの裏面とがほぼ一致して互
いに密着可能上されてふり、両者の間に間隙充填用金属
が介在する半導体装置であって、前記半導体ペレットの
面付は方法および間隙充填用金属がたとえばＣＣＢ　（
ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＣｏｌｌａｐｓｅ　Ｂｏｎ＋ｊｉ
ｎｇ）およびろう材となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記従来の半導体装置の構成では、前記ペレ７
）の−主面とキャップの裏面の間における熱膨張係数差
に起因した熱応力の緩和については何ら配慮されておら
ず、そのため接合強度が最も弱いフリップチップ接続部
の熱疲労寿命を短かいものにするという問題、ならびに
半導体ペレットの一生面と被接着面との密着精度のコン
トロールが困難であるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、半導体チップの背面からの伝
熱経路を確保した上で伝熱界面での熱応力を緩和した点
にある。

本発明の他の目的は、伝熱界面の応力フリー化によるフ
リップチップ接続部への熱応力の低減化を図った点にあ
る。

本発明のさらに他の目的は、半導体チップの裏面と被接
着面との密着精度のコントロールを容易化した点にある
。

〔課題を解決するた必の手段〕

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、本発明の熱伝導用半導体チップの背面接合方
法は、半導体チップの背面およびキャビティ内部に磁性
体層を形成する第１の工程と、前記両磁性体層間の磁気
力により半導体チップの背面をキャビティ内部に接合す
る第２の工程とからなる構成としたものである。

また、本発明の他の熱伝導用半導体チップの背面接合方
法は、半導体チップの背面にのみ磁性体層を形成する第
１の工程と、外部から磁界を加え、前記磁性体層との間
に発生ずる磁気力により半導体チップの背面をキャビテ
ィ内部に接合する第２の工程とからなる構成としたもの
である。

また、本発明のさらに他の熱伝導用半導体チップの背面
接合方法は、前記磁気力の発生状態の下で、フリップチ
ップバンプを溶融させながら半導体チップの背面をキャ
ビティ内部に接合する工程を備えた構成としたものであ
る。

また、本発明の半導体装置は、半導体チップの背面をキ
ャビティ内部に接合して熱伝導用半導体チップの背面接
合を備えた半導体装置であって、前記半導体チップの背
面接合は前記熱伝導用半導体チップの背面接合方法を用
いて形成されてなる構成としたものである。

〔作用〕

本発明の熱伝導用半導体チップの背面接合方法は、半導
体チップの背面およびキャビティ内部に磁性体層を形成
する第１の工程と、前記両磁性体層間の磁気力により半
導体チップの背面をキャビティ内部に接合する第２の工
程とからなる構成としたので、半導体ペレットの間隙充
填用金属において不可欠なろう材の使用を不要にし、製
造プロセスの短縮化を図ることができる。

また、この熱伝導用半導体チップの背面接合方法を用い
た半導体装置によれば、半導体チップの背面のキャビテ
ィ内部への接合を柔軟構造化することができ゛、応力フ
リー化が図られる。したがって、フリップチップ接続部
の熱的・機械的応力負荷が軽減される。そのため接合強
度が最も弱いフリップチップ接続部の熱疲労寿命を延ば
すことができる。

本発明の他の熱伝導用半導体チップの背面接合方法は、
半導体チップの背面にのみ磁性体層を形成する第１の工
程と、外部から磁界を加え、前記磁性体層との間に発生
する磁気力により半導体チップの背面をキャビティ内部
に接合する第２の工程とからなる構成としたので、前記
作用効果に加えて半導体チップの背面への磁性体層の形
成を省略でき、コストの低減および工程の短縮化を図る
ことができるのみならず、外部から接合精度を制御する
こ七ができる。

本発明のさらに他の熱伝導用半導体チップの背面接合方
法は、前記磁気力の発生状態の下で、フリップチップバ
ンプを溶融させながら半導体チップの背面をキャビティ
内部に接合する工程を備えた構成としたので、フリップ
チップバンプ形状を容易に鼓形状に形成することができ
る。

また、さらに他の熱伝導用半導体チップの背面接合方法
を用いた半導体装置によれば、フリップチップハンプの
鼓形状化によりフリップチップハンプの熱疲労寿命を大
幅に延ばすことができる。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、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
。

〔実施例１〕 本発明の実施例１である半導体装置を第１図により説明
する。

第１図は本発明の実施例１である半導体装置を示す断面
図である。

実施例１における半導体装置は、半導体チップ２をフリ
ップチップ接続部５によりフェイスダウンで搭載したベ
ース３をキャップ１てハーメチック封止した構造である
。

キャップ１の裏面および半導体チップ２の背面にキャン
プ裏面磁性体層４ａおよび半導体チップの背面磁性体層
４ｂが形成されている。これらの磁性体層４ａ、４ｂは
ともに十分な平坦度を有し、製造プロセスにおけるフリ
ップチップ接続部５の溶融時に圧接される構造となって
いる。

このときのベース３および半導体チップ２間のジャンク
ンヨン高さの偏位によりフリップチップ接続部５の形状
は鼓形状となっており、この鼓形状は、フリップチップ
接続部５に低歪構造化をもたらす機能を有する。

また、キャップ１の裏面および半導体チップ２の背面は
、圧接により熱伝導コンタクトが得られ、かつ接合部が
固定されず、柔軟構造であるため、熱的および機械的応
力に対して耐久構造となっている。

キャップｌにはたとえばＡＡＮ、半導体チップ２にはた
とえばＳ１１ベース３にはたとえばムライト、キャップ
裏面磁性体層４ａおよび半導体チップの背面磁性体層４
ｂには、たとえばＮｉ　　Ｃ０、Ｆｅ、Ｍｎまたはこれ
らの金属を含む合金、フリップチップ接続部５にはたと
えばＰｂ−３ｎ系半田、封止部６にはたとえば組成比に
よってフリップチップ接続部５よりも低融点となるＰｂ
５ｎ系半田、またはこの半田にＡｇ、Ｉｎ等の金属添加
物を加えたものを用いる。

フリップチップ接続部５ならびに封止部６の被接合面に
はたとえば下地より（：ｒ、Ｔｉ、Ｗ等の接着層、Ｎｉ
、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｏ等のバリア層、そしてＡｕ、
Ａｇなどの酸化防止層の組合わせで構成される複合膜を
形成しておく。

次に、実施例１の熱伝導用半導体チップの背面接合方法
を第２図（ａ）、ら）により説明する。

第２図（ａ）、　（ｂ）は実施例１の熱伝導用半導体チ
ップの背面接合方法を示す工程図である。

（ａ）、第２図（ａ）に示す工程では、フリップチップ
接続部５によりフェイスダウンで半導体チップ２を搭載
したベース３にキャップ１をろう祠より成る封止部６で
気密封止する。

この状態では、キャンプ裏面磁性体層４ａと半導体チッ
プの背面磁性体層４ｂの間には所定の間隙が保持されて
いる。また、封止部６および球帯形状バンプ７に使用さ
れる半田は、その組成比によって溶゛融温度を（封止部
６）く（球帯形状バンプ７）とすることにより、封止部
６の形成時に球帯形状バンプ７は溶融することなく形状
は保持される。

（ｂ）、第２図（ｂ）に示す工程では、さらに球帯形状
バンプ７を形成する半田の溶融温度以上に昇温すること
により、前記（ａ）の球帯形状バンプ７が液相化するた
め、キャンプ裏面磁性体層４ａと半導体チップの背面磁
性体層４ｂとの間に作用する磁気弓力により両者は圧接
構造をとると同時に半導体チップ２のキャップ１裏面方
向への偏位により鼓形状バンプ８を得ることができる。

なお、加熱雰囲気には（Ｌ１０ｐｐｍ以下の不活性ガス
、またはこれに１０〜２０％のＨ２を添加したガスを使
用する。冷却も同雰囲気中で行う。

実施例１によれば、キャップ１の裏面と半導体チップ２
の背面の接合を柔軟構造化でき、さらにフリップチップ
接続部５を鼓形状化することができる。その結果、疲労
寿命を球帯形状に比して３〜４倍に長寿命化できる。

〔実施例２〕 以下、本発明の実施例２を第３図により説明する。

第３図は本発明の実施例２である半導体装置を示す断面
図である。

実施例２は前記実施例１と基本的には同じであるが、キ
ャップ１の裏面に磁性体層を持たない点で異なる。

キャップ１の裏面と半導体チップの背面磁性体層４ｂは
十分な平坦度を有しており、製造プロセスにおけるフリ
ップチップ接続部５の溶融時に外部からの磁界により圧
接される構造となっている。

このときのベー１３および半導体チップ２間のジャンク
ション高さの偏位によりフリップチップ接続部５の形状
は鼓形状となっており、この鼓形状は、フリップチップ
接続部５に低歪構造化をもたらす機能を有する。

また、キャップ１の裏面および半導体チップ２の背面は
、圧接により熱伝導コンタクトが得られ、かつ接合部が
固定されず、柔軟構造であるた約、熱的および機械的応
力に対して耐久構造となっている。

実施例２の半導体装置の材料系は第１図の実施例１の場
合と同様であるが、キャップ裏面磁性体層の形成を省略
できることからコストの低減および工程の短縮化を図る
ことができる。

次に、実施例２の熱伝導用半導体チップの背面接合方法
を第４図（ａ）、（ｂ）により説明する。

第４図（ａ）、　（ｂ）は実施例２の熱伝導用半導体チ
ップの背面接合方法を示す工程図である。

（ａ）２　第４図（ａ）に示す工程では、フリップチッ
プによりフェイスダウンで半導体チップ２を搭載したベ
ース３にキャップ１をろう材より成る封止部６で気密封
止する。

この状態では、キャップ１の裏面と半導体チップの背面
磁性体層４ｂの間には所定の間隙が保持されている。ま
た、封止部６および球帯形状パン１ ２ プ７に使用される半田はその組成比によって溶融温度を
（封止部６）〈（球帯形状バンプ７）とすることにより
封止部６の形成時に球帯形状バンプ７は溶融することな
く、形状は保持される。

う〕、第４図（ｂ）に示す工程では、さらにマグネット
９により磁界をかけながら球帯形状バンプ７を形成する
半田の溶融温度以上に昇温することにより、前記（ａ）
の球帯形状ハンプ７が液相化するため、半導体チップの
背面磁性体層４ｂに発生する磁気力によりキャップ１の
裏面と圧接構造をとると同時に半導体チップ２のキャッ
プ１裏面方向への偏位により鼓形状バンプ８を得ること
ができる。

なお、雰囲気は前記実施例１の場合と同様である。

この実施例２の変形例として、半導体チップの背面磁性
体層４ｂを予め磁化しておき、ベース３の下面より極性
の相反する磁界を加えてやり、そのとき、発生する磁気
反発力によっても同様な効果が得られる。

〔実施例３〜５〕 次に、本発明の実施例３〜５を第５図（ａ）、　（ｂ）
（Ｃ）により説明する。

第５図（ａ）、　（ｂＬ　（Ｃ）は本発明の実施例３〜
５である半導体装置を示す断面図である。

〔ａ）、第５図（ａ）に示す実施例３においては、第１
図の実施例１におけるキャップ裏面磁性体層４ａおよび
半導体チップの背面磁性体層４ｂを（磁性体層十下地金
属層）１０に変更し、その間隙に充填層１１を介在させ
ることにより両面間に存在する僅かな空洞を確実に埋必
ることができる。

したがって、動作時に半導体チップ２に発生した熱を効
率よくキャンプ１へ伝えることができる。

わ）第５図（ｂ）に示す実施例４においては、第２図の
実施例２における半導体チップの背面磁性体層４ｂを（
磁性体層＋下地金属層）１０に変更し、キャップ１の裏
面に下地金属層１２を形成し、その間隙に充填層１１を
介在させることにより両面間に存在する僅かな空洞も確
実に埋めて表面平滑性の許容度を拡大させることができ
る。

（Ｃ）、第５図（Ｃ）に示す実施例５は、特にフリップ
チンプ接続部を鼓形状にはしない従来製品に近い例で、
封止荷重に代えてキャンプ１の裏面に形成したく磁性体
層＋下地金属層）１０にベース３の下面、またはキャッ
プ１の上面からマグネットで加えた磁界により発生ずる
磁気引力、または磁気反発力で制御するものである。

充填層１１および封止部６のろう相溶融接合を完全に行
った後、加熱状態のままマクネ７）を取り除くか、また
は磁界のかからない状態にしてろう材の表面張力によっ
て接合構造を安定化させることができる。

したがって、実施例５によれば、残留歪みの少ない高信
頼性構造を提供することができる。

実施例５で使用される下地金属１２としては、たとえば
下層よりＣｒ、Ｔｉ、Ｗ等の接着層、Ｎ］、Ｐｔ、Ｐｄ
、Ｃｕ、Ｍｏ等のバリア層、そしてＡｕ、Ａｇなどの酸
化防止層の組合わせで構成される複合膜よりなるが、種
々変更してもよい。

〔実施例６．７〕 次に、本発明の実施例６，７を第６図および第７図によ
り説明する。

第６図は本発明の実施例６である半導体装置を示す断面
図、第７図は本発明の実施例７である半導体装置を示す
断面図である。

第６図に示す実施例６は半導体チップ２とベース３の間
をＣｕ等よりなるり〜ト１３を介して電極間が接続され
ている例で、半導体チップ２とキャンプ１間の熱伝導接
合部に前記実施例１を適用したものである。

ここては、キャンプ裏面磁性体層４ａと半導体チップの
背面磁性体層４ｂ間の磁気引力による圧接柔軟構造を挙
げたが、その他の実施例の適用も可能である。

第７図に示す実施例７は、半導体チップ２とベース３の
間を多層（エリアアレーＴＡＢ）ＴＡＢ１４を介してバ
ンプ接続部１５　（フリップチップ接続部を含む）によ
り電極間が接続されている例で、半導体チップ２とキャ
ップ１間の熱伝導接合部に前記実施例１を適用したもの
である。ここてはキャップ裏面磁性体層４ａと半導体チ
ップの背５ ６ 面磁性体層４ｂ間の磁気力による圧接柔軟構造例を挙げ
たが、その他の実施例の適用も可能である。

上記実施例６．７によれば、電極接続にフリップチップ
を用いた場合に比べ、半導体チップ２とキャップ１間の
熱伝導接合部をより柔軟構造化できるので、低歪高信頼
化構造が可能となる。

以」二、本発明者によってなされた発明を実施例に基づ
き具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定され
るものでなく、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、キャップ裏面磁性体層のみ形成し、ベース側
の外部に配置した磁石からの磁界により前記キャップ裏
面磁性体層との間に発生した磁気力により半導体チップ
の背面接合を行うとともに、フリップチップ接続部の半
田溶融中に磁石を取除いて溶融半田の表面張力を作用さ
せることによりフリップチップバンプの鼓形状化に関係
なく半導体チップの背面のキャップ裏面との接合構造を
安定化させることもできる。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をその背景となった利用分野である熱伝導用半導体チ
ップの背面接合方法およびそれを用いた半導体装置に適
用したが、これに限らず、チップの背面で熱伝導を必要
とするものであれば、全ての製品について、広く適用で
きる。

〔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、以下のとおりで
ある。

（Ｉ）１本発明の熱伝導用半導体チップの背面接合方法
によれば、半導体チップの背面およびキャビティ内部に
磁性体層を形成する第１の工程と、前記両磁性体層間の
磁気力により半導体チップの背面をキャビティ内部に接
合する第２の工程とからなる構成としたので、間隙充填
用金属きして不可欠なろう材の使用を不要にし、製造プ
ロセスの短縮化を図ることができる。

（２）１本発明の熱伝導用半導体チップの背面接合方法
を用いた半導体装置によれば、半導体チップの背面のキ
ャビティ内部への接合を柔軟化させることができ、応力
フリー構造が得られる。したがって、フリップチップ接
続部の熱的・機械的応力負荷が軽減される。そのため接
合強度が最も弱いフリップチップ接続部の熱疲労寿命を
延ばすことができる。

（３）　　本発明の他の熱伝導用半導体チップの背面接
合方法によれば、半導体チップの背面にのみ磁性体層を
形成する第１の工程と、外部から磁界を加え、前記磁性
体層との間に発生する磁気力により半導体チップの背面
をキャビティ内部に接合する第２の工程とからなる構成
としたので、前記作用効果に加えて半導体チップの背面
への磁性体層の形成を省略でき、コストの低減および工
程の短縮化を図ることができるのみならず、外部から接
合精度を制御することができる。

（４）　　また、本発明の他の熱伝導用半導体チップの
背面接合方法を用いた半導体装置によれば、前記作用効
果に加えて半導体チップの背面への磁性体層の形成不要
化によりコストの軽減を図ることができる。

（５）０本発明のさらに他の熱伝導用半導体チップの背
面接合方法によれば、前記磁気力の発生状態の下で、フ
リップチップバンプを溶融させながら半導体チップの背
面をキャビティ内部に接合する工程を備えた構成とした
ので、フリップチップバンプ形状を容易に鼓形状に形成
することができる。

（６）、また、本発明のさらに他の熱伝導用半導体チッ
プの背面接合方法を用いた半導体装置によれば、フリッ
プチップバンプの鼓形状化によりフリップチップバンプ
の熱疲労寿命を大幅に延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１である半導体装置を示す断面
図、 第２図（ａ）、　（ｂ）は実施例１の熱伝導用半導体チ
ップの背面接合方法を示す工程図、 第３図は本発明の実施例２である半導体装置を示す断面
図、 第４図（ａ）、　（ｂ）は実施例２の熱伝導用半導体チ
ッ９ ０ プの背面接合方法を示す工程図、 第５図（ａ）、　Ｑｐ）、　（Ｃ）は本発明の実施例３
〜５である半導体装置を示す断面図、 第６図は本発明の実施例６である半導体装置を示す断面
図、 第７図は本発明の実施例７である半導体装置を示す断面
図である。 ■・・・キャップ、２・・・半導体チップ、３・・・ベ
ース、４ａ・・キャップ裏面磁性体層、４ｂ・・半導体
チップの背面磁性体層、５・・・フリップチップ接続部
、６・・・封止部、７・・・球帯形状バンプ、８・・・
鼓形状バンプ９・・・マグネット、１０・・・磁性体層
＋下地金属層、１１・・・充填層、１２・・・下地金属
層、１３・　・　・　リード、１４　・　・　・多層Ｔ
ＡＢ、１５　・　・・バンプ接続部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップの背面およびキャビティ内部に磁性体
   層を形成する第１の工程と、前記両磁性体層間の磁気力
   により半導体チップの背面をキャビティ内部に接合する
   第２の工程とからなることを特徴とする熱伝導用半導体
   チップの背面接合方法。 ２、半導体チップの背面にのみ磁性体層を形成する第１
   の工程と、外部から磁界を加え、前記磁性体層との間に
   発生する磁気力により半導体チップの背面をキャビティ
   内部に接合する第２の工程とからなることを特徴とする
   熱伝導用半導体チップの背面接合方法。 ３、請求項１または請求項２記載の磁気力の発生状態の
   下で、フリップチップバンプを溶融させながら半導体チ
   ップの背面をキャビティ内部に接合する工程を備えたこ
   とを特徴とする熱伝導用半導体チップの背面接合方法。 ４、半導体チップの背面をキャビティ内部に接合して熱
   伝導用半導体チップの背面接合を備えた半導体装置であ
   って、前記半導体チップの背面接合は請求項１、２また
   は３記載の熱伝導用半導体チップの背面接合方法を用い
   て形成されてなることを特徴とする半導体装置。 ５、半導体チップの背面とキャビティ内部との間に、間
   隙充填層を有する請求項４記載の半導体装置。