JPH09107050A - 半導体装置の実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置において、パッケージ面から放熱
性を向上させて破壊耐量の改善を図ること。 【解決手段】 ステム３上の金属層８の表面の液体金属
１３が接触すべき領域、および半導体チップ１を被覆す
る樹脂１１の表面、ならびに金属キャップ１５の内面
に、液体金属１３と濡れ性を有する金属層である銅層１
２を設けた後、金属キャップ１５およびステム３より形
成される空間に、液体金属１３および不活性ガス１６を
充填した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、半導体装置、特
に動作時に放熱を要求される素子の実装に関する。

【０００２】

【従来の技術】 信頼性を要求される電力用半導体装置
の実装には、図５に示すようなＴＯ−３に代表されるカ
ンパッケージが広く用いられている。本方式の多くは、
鉄や銅及びニッケルを主成分とした合金からなるステム
１００上にコバールやホウ珪酸ガラス等の封着用低融点
ガラス１０１により電気的絶縁及び機械的接続された電
極１０２が形成され、半導体チップ１の裏面がステム１
００上に接着されて半導体チップ１のパッド電極と前記
電極１０２とがワイヤ１０３により電気的に接続されて
いる。上記のチップとワイヤ１０３はステム１００と同
様の原料からなる封止キャップ１０４とステム１００に
より不活性ガス１６を充填して封止されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 本パッケージにおい
ても図らずして過大な電力が印加された場合、ステム１
００から半導体チップ１が剥離したり、これらの熱膨張
率の違いから半導体チップ１にクラックが生ずる場合が
ある。前記のように完全破壊に至らないまでも発熱によ
り半導体チップ１が局所的に劣化して素子としての性能
を低下させることがしばしば生ずる。過大な電力の投入
は無論避けねばならないが、半導体チップ１の発熱はそ
の表面であるのに対して放熱はチップの裏面側からしか
行われないことが大きな要因であり、信頼性が求められ
る素子としてパッケージの面から破壊耐量の改善が望ま
れていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】 以上述べた問題点を解
決する手段として本発明では特許請求の範囲に記載する
ような構造を用いる。即ち第１の手段として請求項１に
記載するように、良好な熱及び電気伝導性を有し且つ少
なくとも表面の「半導体チップの動作温度にて液体とな
る水銀やインジューム等第１の金属」と接触すべき領域
に「第１の金属と合金を形成しない鉄若しくはニッケル
あるいはこれらの合金である第２の金属」からなる金属
板をステムとして、前記ステム上の第２の金属の表面の
少なくとも前記第１の金属が接触すべき領域に「第１の
金属と濡れ性を有する金，銀，銅，錫，アルミニウム等
の第３の金属」層を有し、前記ステム内に電気的に絶縁
され且つ表裏に貫通する電極を有し、前記金属板上の前
記電極部分以外の部位に裏面が接着され且つ前記金属板
及び前記電極との電気的接続がなされたトランジスタを
含む半導体素子が形成された半導体チップを有し、前記
半導体チップの表面の少なくとも導電性を有する物質が
露出する部位及び電気的接続部分の表面を薄く被覆し且
つ接続するエポキシ若しくはポリイミド樹脂材料を有
し、前記樹脂材料表面に前記第３の金属層を有し、前記
半導体チップ及び樹脂材料を内包するように前記金属板
に接着され且つ内部を密封する前記金属板と同様の材料
からなる金属キャップを有し、前記金属キャップの内面
に前記第３の金属層を有し、前記ステムと金属キャップ
により形成された空間に半導体チップの動作温度にて液
体となる金属を充填すると共にヘリウム，窒素，アルゴ
ン，キセノン等前記第１の金属と反応しない不活性ガス
の何れか一つ若しくは混合ガスを前記金属が半導体チッ
プの動作温度の変化により膨張する体積より大であり且
つ前記金属内に気泡として存在することが可能な体積分
充填した実装構造としたものである。

【０００５】第２の手段として請求項２に記載するよう
に、上記第１の方法において前記ステム上へ、裏面の少
なくとも表層に前記第２の金属層を有する半導体チップ
１をフェースダウンにて接着し且つ同時に電気的に接続
すると共に、前記半導体チップ１と前記ステムとの隙間
及びチップの周縁を樹脂材料を用いて充填及び絶縁した
実装構造としたものである。

【０００６】第３の手段として請求項３に記載するよう
に、前記第１または第２の手段において前記金属キャッ
プの内部に前記金属キャップと熱的に結合して形成され
た同様の材料からなる１つ以上の突起物が半導体チップ
に近接し且つ接触せぬよう配置する実装構造としたもの
である。

【０００７】

【発明の実施の形態】 まず、本発明の作用について説
明する。前記第１の手段を用いる事により、従来のカン
パッケージを用いた実装方法に僅かな工程を付加するだ
けで水銀やインジュームと触れることにより強度が劣化
することのないキャップ内に半導体チップの動作温度に
おいて液体となる金属を充填することができ、半導体チ
ップの表面から液体金属を介して熱伝導による放熱が可
能となり、従来の窒素等の充填ガスによる場合に比べ放
熱性が著しく向上する。さらに液体金属を用いたこと及
び前記液体金属の充填において不活性ガスの気泡を同時
に少量封入したので液体金属の温度上昇に伴う体積膨張
により生ずるキャップ内圧力を緩和するため半導体チッ
プに印加される圧力を小さく均一にすることができる。
また、取りわけ上記液体金属として水銀を用いた場合、
水銀は非常に表面張力が取りわけ大きいことが知られて
おり、水銀が接する周囲が水銀と合金化するか若しくは
濡れ性を有する材料により構成させることにより少量の
空気は気泡として内部に取り込むと水銀が接触する外面
に気泡を触れさせることがない。濡れ性を有する材料を
用いることにより、半導体チップと水銀と金属キャップ
との密着性が向上し、水銀を介する半導体チップから金
属キャップへの伝熱経路における熱伝効率が良くなる。

【０００８】前記第２の手段を用いることにより、電力
用半導体チップをバンプを用いて実装する場合でも裏面
に液体金属が接触するため、電気抵抗率は接続用ワイヤ
等の材料に比較して４０倍程度高いが断面積を遥かに大
きく（チップサイズにも因るが凡そ１００倍程度以上）
することができることから電気抵抗は低く抑制できる。

【０００９】前記第３の手段を用いることにより、前記
第１または第２の手段において前記金属キャップの内部
に前記金属キャップと熱的に結合されている同様の材料
からなる突起物が半導体チップに近接し且つ接触せぬよ
う配置する実装構造としたので、第１の手段における構
造においては液体金属よりも突起物の熱伝導率が低くキ
ャップに接続されて冷却されているので直接熱伝導を改
善するほか、チップが水平となるよう設置された場合に
おいては冷却側の突起物、発熱側となる半導体チップと
の間で液体金属との対流を促進する。第２の手段におけ
る構造において突起物が半導体チップにストレスを与え
ることなく液体金属の電気抵抗を改善することができ
る。

【００１０】以下に、本発明の実施の形態を図面を用い
て詳細に説明する、なお、図は説明を容易にするために
デフォルメされており、縦横の寸法比及び各構成部位の
寸法比を正確に反映するものではない。また本実施の形
態において用いた数値及び材料は実施の形態を実現する
に用いた１例であり、数値は下記に限定されるものでは
なく、また材料においては特許請求の範囲に示した特性
を示すものであれば下記に限定されない。

【００１１】図１は本発明の実施の形態１を説明する図
である。半導体チップ１の表面にはトランジスタ等の半
導体素子が形成されており、これらは半導体チップ１上
のパッド電極２から外部との接続を行うことができるよ
うになっており、パッド領域以外の半導体チップ１の表
面は絶縁膜により被覆されている。ステム３は厚さ３ｍ
ｍの４２ニッケル合金若しくはその他の熱伝導が良好な
合金からなる金属からなり、その一部には銅からなるベ
ース５が銀−銅ハンダ６により接合されており、この領
域に半導体チップ１の裏面が鉛−錫ハンダ７を用いて接
合される。一方ステム３に鉄ニッケル合金等以外の材料
を用いた場合には金属キャップ１５により封止される領
域には表面に液体金属１３として水銀を用いる場合には
水銀と合金化しない（アマルガムを形成しない）鉄若し
くはニッケル若しくはこれらの合金からなる金属層８を
１μｍ形成しておくとステム３が水銀に犯されず強度が
劣化しない。さらに上記封止領域内にはステム３を貫通
する銅心鉄クロム線を代表例とするパッケージ用リード
線材料からなるリード９がコバールガラス等低融点封着
ガラス４を用いて絶縁接合されている。上記ベース５上
に接合された半導体チップ１上のパッド電極２と上記リ
ード９とがボンディングワイヤ１０により接続されてい
る。その上に導電材料が露出した部分を薄く覆うように
ポリイミド樹脂若しくはエポキシ樹脂１１を絶縁耐圧を
得るに必要最低限の厚さ形成するが、厚すぎると熱抵抗
が大きくなり放熱性が低下するため半導体チップ１の素
子形成領域は特に薄く形成するか若しくは形成しない方
が好ましい。さらに液体金属１３の水銀との濡れ性を改
善するために上記樹脂１１表面に１μｍの銅層１２を蒸
着しておくと後に封入するガスが液体金属（水銀）１３
中に閉じ込められる。銅層は金，銀，錫，鉛等でも良
が、価格は、この中で銅が最も安い。ここで外面をニッ
ケルメッキにより防触処理し内面には液体金属（水銀）
１３と濡れ性を有する銅層１２を形成しておき、更に後
に液体金属（水銀）１３を注入する注入口１４を設けた
鉄製の金属キャップ１５を上述の封止領域を覆うように
抵抗溶接する。その後、封止空間内に液体金属（水銀）
１３を注入すると共に不活性ガス１６として窒素ガスを
封入して注入口１４を封着する。本実施例において各部
の寸法をＴＯ−３とほぼ同一としたので金属キャップ１
５内の容積が凡そ２．２ｃｍ³ であるから液体金属（水
銀）１３の温度が２５℃から１５０℃まで上昇するとそ
の体膨張率（０．１８２×１０^-3（ｄｅｇ^-1）から膨張
体積５ｍｍ³ であるから余裕を見て上記不活性ガス１６
を１０ｍｍ³ 注入すると液体金属（水銀）１３の膨張を
吸収し金属キャップ１５やステム３の変形を防止するこ
とができる。以上の構成によりパッケージ内面が水銀と
濡れ性を有する材料にて覆われているために、パッケー
ジの取付方向によらず液体金属（水銀）１３の極度に大
きな表面張力から上記不活性ガス１６は気泡として液体
金属（水銀）１３内に閉じ込められに、特に半導体チッ
プ１側に気泡が接触して熱伝導を阻害することが未然に
防止される。以上により半導体チップの表面から液体金
属（水銀として、熱伝導率：凡そ８〜９（ＷＭ
^-1Ｋ^-1））１３を介して熱伝導による放熱が可能とな
り、従来の充填ガス（窒素として、熱伝導率：凡そ０．
０２６（ＷＭ^-1Ｋ^-1））による場合に比べ放熱性３００
倍以上と著しく向上しかつ取付方向によらず安定した放
熱を実現することができる。さらに、放熱における熱媒
体が液体であるので対流による熱伝導が期待でき、さら
に放熱性が向上する。加えて、半導体チップ１上を放射
性同位体をほとんど含まない重金属である水銀（液体金
属１３）で覆っているので耐放射線性が著しく向上する
という効果も有する。

【００１２】実施の形態２に関して以下に説明する。実
施の形態２においては上記実施の形態１における半導体
チップ１のステムへの接合をハンダバンプを用いてフェ
ースダウンにて行い、半導体チップ１とステムとの隙間
及び半導体チップ１の周縁を樹脂材料を用いて充填及び
絶縁した実装構造としたものである。以下に図２を用い
て実施の形態２を説明する。

【００１３】ステム１７は実施の形態１におけるステム
３と同様の材料からなる金属板からなり、実施の形態１
と同様にステム１７上の金属キャップ１５により封止さ
れる領域には表面に液体金属と合金化しない金属層８を
形成しておき、またステム１７を貫通するリード９がフ
ェースダウンに接着する半導体チップ１の各パッド電極
に対応する位置に各々コバールガラスを用いて絶縁接合
されている。上記ステム１７上で半導体チップ１の各パ
ッド電極は上記リード９上において、鉛−錫ハンダのバ
ンプ１８を用いて接合され、半導体チップ１とステム１
７間及び半導体チップ１周囲はエポキシ樹脂若しくはポ
リイミド樹脂１１により充填されて周囲から絶縁されて
いる。さらに上記封止領域内に液体金属１３との濡れ性
を改善するために少なくとも半導体チップ１の裏面に１
μｍの銅層１２を蒸着しておく。以上の構造に第１の実
施例と同様に液体金属１３及び不活性ガス１６を充填し
た金属キャップ１５が封着される。

【００１４】以上の構造によれば電力用半導体チップ１
をバンプ１８を用いて実装する場合でも裏面に液体金属
１３が接触するため、水銀を例に取ると電気低効率は接
続用アルミワイヤ等の材料に比較して４０倍程度高いが
断面積を遥かに大きく（チップサイズにも因るが凡そ１
００倍程度以上）することができることから電気抵抗は
低く抑制でき、装置のオン抵抗を低くすることができる
のみならず、電気的接続が液体金属１３で為されるので
全く局所的なストレスを受けないため信頼性が著しく向
上する。

【００１５】液体金属１３と濡れない部分も接触はして
いるので放熱は為され、また液体金属１３の表面張力の
強さから充填する不活性ガス１６が該濡れない領域に固
定されることとなるため、図２上の領域を１例とした放
熱の障害とならない領域１９に濡れ性を改善するための
金属層（銅層１２）を形成しないでおくのもよく、実施
の形態１にも応用することができる。

【００１６】実施の形態３に関し以下に説明する。実施
の形態３においては上記実施の形態１または２における
前記金属キャップ１５の内部に前記金属キャップ１５と
熱的に結合されている同様の材料からなる突起物が半導
体チップ１に近接し、かつ接触せぬよう配置する実装構
造とするものである。図３及び図４を用いて以下に説明
するが上記実施の形態１および２と重複する部分は説明
を割愛する。

【００１７】図３は実施の形態１に対して本実施の形態
３を応用したもので、金属キャップ１５の内部に金属キ
ャップ１５若しくはステム３と同様の材料からなる柱２
０を溶接で接合し、その表面に液体金属１３と濡れ性を
有する金属の薄膜の１μｍ、例えば水銀に対して銅層１
２を形成しておく。柱２０は半導体チップ１表面に接触
せぬ長さとするも、その先端は極力接近させるのが熱結
合的に好ましい。これにより熱伝導率の劣る液体金属１
３（水銀では８〜９（ＷＭ^-1Ｋ^-1））から熱伝導率の良
い柱２０の材料に熱伝導率が柱２０の断面積分改善さ
れ、その効果は柱２０に４２ニッケル合金を用いたなら
ば熱伝導率凡そ１３（ＷＭ^-1Ｋ^-1）であることから柱２
０の断面積当たり約１５０％、純鉄ならば凡そ８４（Ｗ
Ｍ^-1Ｋ^-1）であることから約１０倍に放熱が改善され
る。さらに半導体チップ１の表面が下向きに水平となる
よう設置された場合においては発熱部分が上冷却側の金
属キャップ１５が下に位置し本来ならば液体の対流は生
じにくいが、突起物が冷却点となり半導体チップ１に近
接するので液体金属１３の対流を促進して放熱を改善す
る。柱２０が直接されるのではないので半導体チップ１
に局所的なストレスを与えないことは上記の実施の形態
と同様である。

【００１８】図４は実施の形態１に対して本実施の形態
を応用したもので、半導体チップ１の裏面に一端が近接
して上記図３に示したものと同様の構造の柱２０が設置
されている。本実施の形態では該柱２０を導電体として
用いることができるため抵抗率の高い液体金属１３（水
銀で低効率が９６（μΩｃｍ ａｔ２０℃））に替えて
柱２０の断面積分抵抗が改善される。例として柱２０に
純鉄を用いた場合低効率が９．８（μΩｃｍ ａｔ２０
℃）であるから断面積当たり１０分の１に低減すること
ができ、柱２０が半導体チップ１にストレスを与えるこ
となく液体金属１３の電気抵抗ひいては装置のオン抵抗
をさらに改善することができる。

【００１９】

【発明の効果】 以下に本発明による効果をまとめる。
請求項１記載の発明では、金属パッケージ内に液体金属
及び少量の不活性ガスを封入し、絶縁した半導体チップ
表面に液体金属を接触させる構造としたので、半導体チ
ップ表面からの放熱性が著しく向上しかつ取付け方向に
よらず安定した放熱を実現することができる。さらに放
熱における熱媒体が液体であるので対流による熱伝導が
期待できさらに放熱性が向上する。加えてチップ上を放
射性同位体をほとんど含まない重金属である水銀で覆っ
ているので耐放射線性が著しく向上するという効果も有
する。

【００２０】請求項２記載の発明では、半導体チップの
ステムへの接合をハンダバンプを用いてフェースダウン
にて行い、半導体チップとステムとの隙間及びチップの
周縁を樹脂材料を用いて充填及び絶縁した構造とする用
にしたので上記効果に加え、電力用半導体チップをバン
プを用いて実装する場合でも裏面に液体金属が接触する
ため、電気抵抗率が比較的高い液体金属を用いても電気
接続用ワイヤに比較して接続断面積を遥かに大きくする
ことができることからチップ裏面と接続する電気抵抗は
低く抑制でき、装置のオン抵抗を低くすることができる
のみならず、電気的接続が液体金属で為されるので全く
局所的なストレスを受けないため信頼性が著しく向上す
る。

【００２１】請求項３記載の発明では、パッケージのキ
ャップの内部に良好な熱伝導率を有し表面が液体金属と
濡れ性を有する金属柱を接合し、チップ表面に極力接近
させるも接触せぬ構造にしたので、上記効果に加え、液
体金属の比較的熱伝導率の劣る欠点が著しく改善されて
またいっそう放熱性が向上する、さらに半導体チップの
表面が下向きに水平となるよう設置された場合において
は、発熱部分が上冷却側キャップが下に位置し本来なら
ば液体の対流は生じにくいが、突起物が冷却点となり半
導体チップに近接するので液体金属の対流を促進して放
熱を改善する。さらに第２の実施例に因る効果に加え
て、液体金属の比較的抵抗率の劣る欠点が著しく改善さ
れてまた一層装置のオン抵抗を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる実施の形態１を説明する断面
図。

【図２】本発明にかかる実施の形態２を説明する断面
図。

【図３】本発明にかかる実施の形態３の内第１の応用例
を説明する断面図。

【図４】本発明にかかる実施の形態３の内第１の応用例
を説明する断面図。

【図５】本発明に対し従来例を説明する断面図。

【符号の説明】

１ 半導体チップ ２ パッド電極 ３ ステム ４ 低融点封着ガラス ５ ベース ６ 銀−銅ハンダ ７ 鉛−錫ハンダ ８ 金属層（第２の金属） ９ リード １０ ボンディングワイヤ １１ 樹脂（ポリイミド樹脂もしくはエポキシ樹脂） １２ 銅層（第３の金属） １３ 液体金属（第１の金属） １４ 注入口 １５ 金属キャップ １６ 不活性ガス １７ ステム １８ バンプ １９ 領域（銅層１２を形成しない領域） ２０ 柱

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 良好な熱及び電気伝導性を有し且つ少な
   くとも表面の「半導体チップの動作温度にて液体となる
   第１の金属」と接触すべき領域に「第１の金属と合金を
   形成しない第２の金属」を有する金属板を有し、 前記金属板上の第２の金属の表面の少なくとも前記第１
   の金属が接触すべき領域に「第１の金属と濡れ性を有す
   る第３の金属」層を有し、 前記金属板内に電気的に絶縁され且つ表裏に貫通する電
   極を有し、 前記金属板上の前記電極部分以外の部位に裏面が接着さ
   れ且つ前記金属板及び前記電極との電気的接続がなされ
   たトランジスタを含む半導体素子が形成された半導体チ
   ップを有し、 前記半導体チップの表面の少なくとも導電性を有する物
   質が露出する部位及び電気的接続部分の表面を薄く被覆
   し且つ絶縁する樹脂材料を有し、 前記樹脂材料表面に前記第３の金属層を有し、 前記半導体チップ及び樹脂材料を内包するように前記金
   属板に装着され且つ内部を密封する前記金属板と同様の
   材料からなる金属キャップを有し、 前記金属キャップの内面に前記第３の金属を有し、 前記金属板と金属キャップにより形成された空間に前記
   第１の金属と、前記第１の金属が半導体チップの動作温
   度の変化により膨張する体積より大であり且つ前記金属
   内に気泡として存在する事が可能な体積のヘリウム，窒
   素，アルゴン，キセノンの何れか一つもしくは混合ガス
   とが充填された空間を有する事を特徴とする半導体装置
   の実装構造。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載の構造において前記金
   属板上の電極にフェースダウンにて接着且つ電気的接続
   された前記半導体チップを有し、 前記半導体チップの裏面の少なくとも表層に前記第２の
   金属層を有し、 前記半導体チップと前記金属板との隙間及びチップの周
   縁を充填及び絶縁する樹脂材料を有する事を特徴とする
   半導体装置の実装構造。
3. 【請求項３】 前記請求項１または２記載の構造におい
   て、金属キャップの内部に前記金属キャップと同様の材
   料からなり且つその表面に第３の金属層を有する１つ以
   上の突起物を有し、前記突起物の一端が前記金属キャッ
   プに固定されて熱的に結合し他端が半導体チップに近接
   し且つ接触せぬよう配置されてなることを特徴とする半
   導体装置の実装装置。