專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，特別是涉及具有半導(dǎo)體元件及散發(fā)該半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱的散熱構(gòu)件的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明還涉及該半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，半導(dǎo)體器件包含的半導(dǎo)體元件的發(fā)展趨勢是高集成度及高速度。與該發(fā)展趨勢相對應(yīng)，元件在工作過程中發(fā)熱量也趨于增加。但是，發(fā)熱量的增加是能夠機(jī)械或電阻礙傳導(dǎo)的因素，因此易于導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的可靠性的下降。因而，必須有效地使半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱散發(fā)到半導(dǎo)體器件之外。為促進(jìn)散熱，現(xiàn)有技術(shù)也提出一些具有適當(dāng)?shù)纳針?gòu)件的半導(dǎo)體器件。
例如，提出一種半導(dǎo)體器件，其中半導(dǎo)體元件倒裝式地安裝于電路基板上，然后使由陶瓷或金屬構(gòu)成的散熱構(gòu)件通過由金屬(例如焊料、銅(Cu)或金(Au))構(gòu)成的層結(jié)合至該半導(dǎo)體元件(參見例如日本特開2001-127218號公報(bào))。因此，通過利用導(dǎo)熱性優(yōu)異的金屬將半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件結(jié)合，試圖改善半導(dǎo)體器件的散熱。
此外，近年來，根據(jù)高導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹特性及機(jī)械強(qiáng)度，人們試圖將碳材料用于半導(dǎo)體器件，所述碳材料例如是主要由碳構(gòu)成的燒結(jié)體(參見例如日本特開平06-321649號公報(bào))。
但是，當(dāng)將散熱構(gòu)件用于半導(dǎo)體器件以促進(jìn)散熱時(shí)，產(chǎn)生如下問題。
例如，在通過由金屬(例如焊料)構(gòu)成的層結(jié)合半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件的情況下，由于金屬層與主要由半導(dǎo)體材料(例如硅(Si))構(gòu)成的半導(dǎo)體元件之間的熱膨脹系數(shù)差別較大，所以在發(fā)熱過程中的應(yīng)力集中會(huì)造成在金屬層中產(chǎn)生缺陷，或損壞半導(dǎo)體元件。因此，從性能或散熱角度看，難以保證高可靠性。同樣，在使用尺寸較大的半導(dǎo)體元件的情況下，或在散熱構(gòu)件與金屬層之間的熱膨脹系數(shù)差別較大的情況下，也難以保證高可靠性。
此外，在利用銀(Ag)漿取代金屬(例如焊料)來連接半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件的情況下，銀(Ag)漿具有消除熱應(yīng)力的功能，因?yàn)槠漭^軟。但是，銀漿的熱導(dǎo)率低于金屬(例如焊料)。因此，仍有散熱的問題。
此外，在使用主要由碳構(gòu)成的燒結(jié)體(稱為“碳燒結(jié)體”)結(jié)合半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件的情況下，期望該碳燒結(jié)體發(fā)揮消除熱應(yīng)力的功能或高導(dǎo)熱性功能。但是，即使在半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件之間僅設(shè)置碳燒結(jié)體，碳燒結(jié)體也難以連接半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件。因此，必須使燒結(jié)體的表面金屬化。金屬化工藝的實(shí)例包括使用金屬濺射碳燒結(jié)體表面以在其表面上形成金屬層的方法，或在燒結(jié)體的表面上形成適當(dāng)?shù)挠珊噶辖饘贅?gòu)成的層的方法，此焊料金屬用于釬焊半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件。
但是，按照使用金屬濺射碳燒結(jié)體表面以在其表面上形成金屬層的方法，金屬僅積聚于碳燒結(jié)體的表面上。因此，碳燒結(jié)體與金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度較低。從而，該方法易于導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的可靠性下降。此外，在制作較厚的金屬層的膜方面或在提高碳燒結(jié)體與金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度方面，在碳燒結(jié)體的表面上形成焊料金屬層的方法有效。另一方面，該方法的問題在于，由于焊料金屬較為昂貴，所以增加了半導(dǎo)體器件的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠以低成本形成且具有高可靠性和優(yōu)異散熱性能的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的另一目的是提供所述半導(dǎo)體器件的制造方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種半導(dǎo)體器件，其具有半導(dǎo)體元件和散熱構(gòu)件，該散熱構(gòu)件散發(fā)由半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的熱。在半導(dǎo)體器件中，通過含金屬碳構(gòu)件結(jié)合半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件，該含金屬碳構(gòu)件通過使用包含金屬的碳材料而形成。
按照本發(fā)明的另一方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該半導(dǎo)體器件具有半導(dǎo)體元件和散熱構(gòu)件，散熱構(gòu)件散發(fā)由半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的熱。該方法包括如下步驟使用包含金屬的碳材料形成含金屬碳構(gòu)件，在安裝于基板上的半導(dǎo)體元件上設(shè)置該含金屬碳構(gòu)件，在設(shè)置于該半導(dǎo)體元件上的含金屬碳構(gòu)件上設(shè)置散熱構(gòu)件，以及通過該含金屬碳構(gòu)件結(jié)合該半導(dǎo)體元件與該散熱構(gòu)件。
從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明中，將更清楚本發(fā)明的上述及其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)，附圖以示例的方式示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1為示出按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的示意剖視圖。
圖2示出含焊料碳構(gòu)件的形成流程的實(shí)例。
圖3示出含焊料碳構(gòu)件的形成流程的另一實(shí)例。
圖4示出按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的形成流程的實(shí)例。
圖5為示出傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的主要部分的示意剖視圖。
圖6為示出按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的示意剖視圖。
具體實(shí)施例方式
以使用焊料作為含金屬碳構(gòu)件的金屬的情況為例，以下將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。此處用于金屬(例如焊料)的術(shù)語“含”指包含一定量的金屬的情況。該術(shù)語不包括僅包含雜質(zhì)形式的少量金屬的情況。
首先將說明第一實(shí)施例。
圖1為示出按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的示意剖面圖。
按照本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1具有如下結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體元件4通過焊料凸點(diǎn)3倒裝式地安裝于電路基板2上。在電路基板2與半導(dǎo)體元件4之間，填充底部填充材料5以提高二者之間的連接強(qiáng)度。含焊料碳構(gòu)件6結(jié)合至半導(dǎo)體元件4的表面?zhèn)龋摫砻鎮(zhèn)扰c在電路基板2上的安裝表面相反，該含焊料碳構(gòu)件6通過使用包含預(yù)定量焊料的多孔碳材料(例如碳燒結(jié)體)構(gòu)成。此外，在含焊料碳材料6中，箱形殼體7結(jié)合至與半導(dǎo)體元件4相反的表面?zhèn)?。殼體7的作用為保護(hù)半導(dǎo)體元件4不受外部沖擊或污染的影響，還起到散熱構(gòu)件的作用，將半導(dǎo)體元件4運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱散發(fā)至半導(dǎo)體器件1的外部。此處，殼體7結(jié)合至含焊料碳構(gòu)件6，并且利用樹脂8將殼體7的開口端結(jié)合至電路基板2。此外，在電路基板2上安裝焊球9，用于將電路基板2安裝于另一電路基板上。
此處，電路基板2可采用陶瓷基板或樹脂基板。共晶焊料(Sn/37Pb)或錫銀焊料(Sn/3Ag)可用作焊料凸點(diǎn)3或焊球9。添加至焊料符號的原子符號前面的數(shù)字代表該原子的含量(以下同上)。多種半導(dǎo)體元件可用作半導(dǎo)體元件4。通常，經(jīng)常使用尺寸達(dá)到約25mm的半導(dǎo)體元件。如上所述的一個(gè)或兩個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體元件4安裝于電路基板2上。圖1示出僅1個(gè)半導(dǎo)體元件4安裝于電路基板2上的情況。環(huán)氧熱固性樹脂可用作底部填充材料5或樹脂8。按照半導(dǎo)體元件4的類型(尺寸或發(fā)熱量)，出于殼體7的導(dǎo)熱性的主要考慮，殼體7可使用金屬或陶瓷以及碳材料(例如碳納米管)。
此外，設(shè)置于半導(dǎo)體元件4與殼體7之間的含焊料碳構(gòu)件6具有如下結(jié)構(gòu)在含焊料碳燒結(jié)體6a的各表面上形成有焊料層(稱為“外焊料層”)6b和6c，其中該含焊料碳燒結(jié)體6a是通過將預(yù)定量的焊料結(jié)合入碳燒結(jié)體(例如石墨板)中而形成的。在半導(dǎo)體器件1中，半導(dǎo)體元件4結(jié)合至外焊料層6b，該外焊料層6b形成于含焊料碳構(gòu)件6的一表面?zhèn)壬?。此外，殼體7結(jié)合至外焊料層6c，該外焊料層6c形成于含焊料碳構(gòu)件6的另一表面?zhèn)壬稀?br> 將構(gòu)成含焊料碳構(gòu)件6的含焊料碳燒結(jié)體6a以及外焊料層6b和6c的厚度分別設(shè)定為約300μm。根據(jù)所使用的半導(dǎo)體元件4的類型，適當(dāng)設(shè)定含焊料碳燒結(jié)體6a以及外焊料層6b和6c的厚度。
對于結(jié)合入含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料而言，除Sn/3Ag或Sn/2.5Ag/0.5Cu之外，可使用主要由Sn構(gòu)成的焊料，例如Sn/37Pb或包含鉍(Bi)的所謂低熔點(diǎn)焊料。根據(jù)焊料的熔化溫度或所使用的半導(dǎo)體元件4的類型，適當(dāng)設(shè)定含焊料碳燒結(jié)體6a所用的焊料的成分。含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料含量依據(jù)所結(jié)合的焊料的成分而定。所述含量(重量百分比)為例如5-20％，優(yōu)選8-12％。與焊料含量較低的情況相比，含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料含量越高，其彈性模量趨于下降更多。因此，具有較高焊料含量的燒結(jié)體6a是有效的，尤其是當(dāng)用作低彈性產(chǎn)品時(shí)。
對于用作外焊料層6b和6c的焊料而言，與含焊料碳燒結(jié)體6a相同，可使用主要由Sn構(gòu)成的焊料，例如Sn/3Ag、Sn/2.5Ag/0.5Cu、Sn/37Pb或包含Bi的低熔點(diǎn)焊料。
含焊料碳燒結(jié)體6a所包含的焊料的成分與用作外焊料層6a和6c的焊料的成分可彼此相同或不同。
如上所述，在按照第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1中，通過含焊料碳構(gòu)件6結(jié)合半導(dǎo)體元件4與殼體7，其中含焊料碳構(gòu)件6具有含焊料碳燒結(jié)體6a以及外焊料層6b和6c。當(dāng)含焊料碳構(gòu)件6與半導(dǎo)體元件4之間以及含焊料碳構(gòu)件6與殼體7之間直接結(jié)合時(shí)，使用形成于含焊料碳燒結(jié)體6a的外部的外焊料層6b和6c。
通過將由碳燒結(jié)體形成的含焊料碳構(gòu)件6用于半導(dǎo)體元件4與殼體7之間的連接，碳構(gòu)件6可消除由半導(dǎo)體元件4中產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力，并且將由半導(dǎo)體元件4所產(chǎn)生的熱有效地傳輸至散熱構(gòu)件。因此，與傳統(tǒng)的將金屬層用于半導(dǎo)體元件4與殼體7之間的連接的情況相比，可有效避免應(yīng)力集中。此外，與將Ag漿用于半導(dǎo)體元件4與殼體7之間的連接的情況相比，可有效散熱。
此外，含焊料碳構(gòu)件6具有如下結(jié)構(gòu)在含焊料碳燒結(jié)體6a的各表面上形成有外焊料層6b和6c，其中該含焊料碳燒結(jié)體6a是通過將焊料結(jié)合入碳燒結(jié)體中而形成的。因此，外焊料層6b和6c緊密結(jié)合至含焊料碳燒結(jié)體6a。因而，可防止在半導(dǎo)體器件1的使用過程中外焊料層6b和6c從含焊料碳燒結(jié)體6a的表面上剝落，從而可保證高散熱性。此外，含焊料碳構(gòu)件6可使用主要由較廉價(jià)的Sn構(gòu)成的焊料。因此，與在碳燒結(jié)體的表面上形成較昂貴的焊料金屬層的傳統(tǒng)情況相比，可以低成本形成含焊料碳構(gòu)件6，這有助于降低半導(dǎo)體器件1的成本。
此外，由于含焊料碳構(gòu)件6具有如下結(jié)構(gòu)在含焊料碳燒結(jié)體6a的各表面上形成有外焊料層6b和6c，因而可在半導(dǎo)體元件4與殼體7之間獲得高結(jié)合強(qiáng)度。具體說來，在使用傳統(tǒng)Ag漿連接的情況下，由于該材料具有較高的吸濕性，當(dāng)在潮濕狀態(tài)下執(zhí)行隨后的回流時(shí)，結(jié)合界面會(huì)發(fā)生剝落。相反，由于含焊料碳構(gòu)件6具有如下結(jié)構(gòu)在含焊料碳燒結(jié)體6a的各表面上形成有外焊料層6b和6c，因而碳構(gòu)件6具有低吸濕性。因此，可防止結(jié)合界面剝落。
接下來，將說明含焊料碳構(gòu)件6的形成方法。
如上所述，碳構(gòu)件6的結(jié)構(gòu)為在含焊料碳燒結(jié)體的各表面上進(jìn)一步形成有焊料層。
此處，可使用傳統(tǒng)的公知方法形成用于該含焊料碳構(gòu)件6的碳燒結(jié)體。例如，在此之前已經(jīng)提出一種方法，該方法通過使用熱固性樹脂浸漬漿狀原材料，然后在非氧化氣氛中加壓形成并碳化該材料，從而形成薄片狀的多孔碳材料(參見例如日本專利No.3008095)。除此方法之外，也可使用任何方法，只要可形成多孔碳燒結(jié)體。
但是，在形成碳燒結(jié)體時(shí)，含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料含量受碳燒結(jié)體的孔隙率的影響較大(如后文所述)。因此，必須在考慮此點(diǎn)的情況下形成燒結(jié)體。
為將焊料結(jié)合入如此獲得的碳燒結(jié)體中，可使用例如利用熔融焊料浸漬多孔碳燒結(jié)體的方法。
圖2示出含焊料碳構(gòu)件的形成流程的實(shí)例。
通過如下程序形成含焊料碳構(gòu)件6。首先，充分干燥碳燒結(jié)體以去除碳燒結(jié)體的微孔內(nèi)的水分(步驟S1)。在干燥之后，將干燥的碳燒結(jié)體移至預(yù)定腔室，并在該室中執(zhí)行抽真空以排出該腔室內(nèi)的氣體和水分(步驟S2)。
進(jìn)而，在保持真空氣氛的同時(shí)，將碳燒結(jié)體浸入溫度為熔點(diǎn)或更高的熔融焊料中持續(xù)給定的時(shí)間(步驟S3)。因此，可使熔融焊料滲入碳燒結(jié)體的微孔中。滲入碳燒結(jié)體的微孔中的焊料的量主要取決于碳燒結(jié)體的孔隙率。也就是說，碳燒結(jié)體的孔隙率越高，滲入的熔融焊料的量就越多。另一方面，碳燒結(jié)體的孔隙率越低，滲入的熔融焊料的量就越少。最終獲得的含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料含量幾乎由滲入碳燒結(jié)體的微孔的熔融焊料的量而定。
在將碳燒結(jié)體浸入熔融焊料持續(xù)給定的時(shí)間后，冷卻熔融焊料(步驟S4)。此時(shí)，在燒結(jié)體中，使用焊料浸漬燒結(jié)體內(nèi)的微孔，以及根據(jù)焊料的成分或熔化溫度將固定厚度的焊料粘附至燒結(jié)體的表面。
在冷卻之后，從粘附至利用焊料浸漬的碳燒結(jié)體的表面的焊料中，去除多余焊料(步驟S5)。此時(shí)，允許以固定厚度保留粘附至碳燒結(jié)體表面的焊料，而去除除保留焊料之外的焊料。因此，可獲得如下結(jié)構(gòu)的含焊料碳構(gòu)件6該保留部分用作形成于含焊料碳燒結(jié)體6a的表面上的外焊料層6b和6c。
當(dāng)按照步驟S1至S5所示的工序形成含焊料碳構(gòu)件6時(shí)，可同時(shí)形成含焊料碳燒結(jié)體6a以及外焊料層6b和6c。
此外，在如上所述的步驟S5中，可去除粘附至碳燒結(jié)體表面的全部焊料(直至露出碳燒結(jié)體)。在這種情況下，相應(yīng)地獲得如下結(jié)構(gòu)的含焊料碳燒結(jié)體6a在燒結(jié)體6a的各表面上還未形成外焊料層6b和6c。
圖3示出含焊料碳構(gòu)件的形成流程的另一實(shí)例。
此處，通過如下工序形成含焊料碳構(gòu)件6。首先以與以上圖2所示的形成流程相同的方式，干燥碳燒結(jié)體(步驟S10)，抽真空(步驟S11)，將碳燒結(jié)體浸入熔融焊料中(步驟S12)和冷卻熔焊料(步驟S13)。進(jìn)而，去除粘附至利用焊料浸漬的碳燒結(jié)體的表面的焊料(步驟S14)。因此，獲得含焊料碳燒結(jié)體6a。
然后，以如上相同的方式，首先執(zhí)行抽真空(步驟S15)。在保持真空氣氛的同時(shí)，將含焊料碳燒結(jié)體6a浸入溫度為熔點(diǎn)或更高的熔融焊料中(步驟S16)。此時(shí)，理想地，使用的焊料的熔點(diǎn)低于浸漬含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料的熔點(diǎn)。這是因?yàn)樵诒倦A段中浸漬含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料熔化以擴(kuò)散進(jìn)入熔融焊料，因此，會(huì)降低利用焊料浸漬碳燒結(jié)體的作用。
進(jìn)而，在冷卻熔焊料(步驟S17)之后，允許以固定厚度保留粘附至含焊料碳燒結(jié)體6a表面的焊料，而去除除保留焊料之外的焊料(步驟S18)。因此，在含焊料碳燒結(jié)體6a的表面上形成外焊料層6b和6c。
當(dāng)按照步驟S10至S18所示的工序形成含焊料碳構(gòu)件6時(shí)，分別形成含焊料碳燒結(jié)體6a以及外焊料層6b和6c。因此，浸漬含焊料碳燒結(jié)體6a的焊料的成分與構(gòu)成外焊料層6b和6c的焊料的成分可彼此互換。
當(dāng)使用如圖2和圖3所示的上述方法時(shí)，可形成含焊料碳構(gòu)件6。
接下來，將說明使用含焊料碳構(gòu)件6的半導(dǎo)體器件1的形成方法。
圖4示出按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的形成流程的實(shí)例。
通過如下工序形成半導(dǎo)體器件1。首先，半導(dǎo)體元件4通過焊料凸點(diǎn)3倒裝地安裝于電路基板2上，并且半導(dǎo)體元件4與電路基板2彼此連接(步驟S20)。進(jìn)而，在半導(dǎo)體元件4與電路基板2之間填充底層填充材料5(步驟S21)。
接著，在半導(dǎo)體元件4上設(shè)置含焊料碳構(gòu)件6(步驟S22)，然后在含焊料碳構(gòu)件6上進(jìn)一步設(shè)置殼體7(步驟S23)。在殼體7的開口端與電路基板2之間，涂覆樹脂8(步驟S24)。
然后，進(jìn)行固化及回流(步驟S25)。因此，形成于含焊料碳構(gòu)件6的各表面上的用作外焊料層6b和6c的焊料熔化，以允許含焊料碳構(gòu)件6與半導(dǎo)體元件4之間以及含焊料碳構(gòu)件6與殼體7之間結(jié)合。根據(jù)用于外焊料層6b和6c的焊料成分(或熔點(diǎn))，結(jié)合溫度通常約為130℃-250℃。此外，此時(shí)通過樹脂8的固化也將殼體7與電路基板2結(jié)合在一起。
最后，將焊球9安裝于電路基板2上(步驟S26)。因此，圖1所示的半導(dǎo)體器件1被制成。
這里，說明了使用樹脂8結(jié)合殼體7的開口端與電路基板2的情況。但是，所述部件之間的結(jié)合并不是必需的。在這種情況下，可省略上述步驟S24。
接下來，將說明半導(dǎo)體器件1與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件之間的比較結(jié)果。這里所用的傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)為使用焊料或Ag漿結(jié)合半導(dǎo)體元件與殼體。
圖5為示出傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的主要部分的示意剖面圖。圖5中，以與圖1相同的標(biāo)號表示與圖1相同的部件，并省略其詳細(xì)說明。
除通過由Sn/37Pb構(gòu)成的焊料層101或Ag漿層102將半導(dǎo)體元件4與殼體7結(jié)合在一起之外，圖5所示的半導(dǎo)體器件100的構(gòu)成與圖1所示的半導(dǎo)體器件1相同。
表1集中示出與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件100所用的焊料層101和Ag漿層102相關(guān)、以及與圖1所示的半導(dǎo)體器件1所用的含焊料碳構(gòu)件6相關(guān)的熱導(dǎo)率及彈性模量，這里含焊料碳構(gòu)件6通過在內(nèi)部及外部使用Sn/3Ag焊料而形成。
表1


從表1可見，Sn/37Pb的熱導(dǎo)率為50.7W/m·K，其彈性模量為32GPa。通過捏混(kneading)并固化由樹脂和Ag填料形成的Ag漿的熱導(dǎo)率為1-2W/m·K，其彈性模量為1GPa。含焊料碳構(gòu)件6的熱導(dǎo)率為80W/m·K或更多，其彈性模量為10GPa。
傳統(tǒng)所用的Sn/37Pb和Ag漿分別具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。作為用于半導(dǎo)體元件4與殼體7之間的連接的材料，Sn/37Pb焊料的熱導(dǎo)率高。但是，Sn/37Pb焊料的彈性模量高，從應(yīng)力的角度看為硬質(zhì)材料，因此，容易發(fā)生應(yīng)力集中。另一方面，Ag漿的彈性模量低，從應(yīng)力的角度看為軟質(zhì)材料，因此幾乎不發(fā)生應(yīng)力集中。但是，Ag漿的熱導(dǎo)率低，因此存在散熱的問題。
相反，作為用于半導(dǎo)體元件4與殼體7之間連接的材料，含焊料碳燒結(jié)體6a在熱導(dǎo)率與彈性模量兩方面均表現(xiàn)出優(yōu)異特性。因此，即使與傳統(tǒng)器件相比半導(dǎo)體器件1的發(fā)熱量進(jìn)一步增加，也可獲得高散熱性與高可靠性。
接下來，說明第二實(shí)施例。
圖6為示出按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的示意剖面圖。圖6中，以與圖1相同的標(biāo)號表示與圖1相同的部件，并省略其詳細(xì)說明。
圖6所示的半導(dǎo)體器件1a與第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1的不同點(diǎn)在于作為散熱構(gòu)件的板狀殼體7a結(jié)合至含焊料碳構(gòu)件6，含焊料碳構(gòu)件6結(jié)合至半導(dǎo)體元件4，半導(dǎo)體元件4安裝于電路基板2上。因而，不需要使用樹脂8將殼體7a結(jié)合至電路基板2。
與第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1的殼體7相同，根據(jù)半導(dǎo)體元件4的類型，出于殼體7a的導(dǎo)熱性的主要考慮，殼體7a可使用金屬、陶瓷或碳材料(例如碳納米管)。
第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1a的其它構(gòu)成及半導(dǎo)體器件1a的形成方法(包括含焊料碳構(gòu)件6的形成方法)與第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1相同。同樣，當(dāng)使用該板狀殼體7a時(shí)，可獲得與第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1相同的作用。
如上所述，通過經(jīng)由含焊料碳構(gòu)件6結(jié)合半導(dǎo)體元件4與殼體7或結(jié)合半導(dǎo)體元件4與殼體7a，形成第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1或第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件1a。從導(dǎo)熱性、熱膨脹特性及機(jī)械強(qiáng)度的角度看使用具有優(yōu)異性能的多孔碳燒結(jié)體，形成具有如下結(jié)構(gòu)的碳構(gòu)件6在通過使用焊料浸漬多孔碳燒結(jié)體而形成的碳燒結(jié)體6a的各表面上，進(jìn)一步設(shè)置外焊料層6b和6c。因此，在含焊料碳構(gòu)件6中，使用較廉價(jià)的焊料緊密結(jié)合含焊料碳燒結(jié)體6a與外焊料層6b以及緊密結(jié)合含焊料碳燒結(jié)體6a與外焊料層6c。同時(shí)，含焊料碳構(gòu)件6通過外焊料層6b和6c緊密結(jié)合至半導(dǎo)體元件4和殼體7或結(jié)合至半導(dǎo)體元件4和殼體7a。因此，可有效抑制半導(dǎo)體元件4的運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中以防止連接或半導(dǎo)體元件4的損壞，并可有效散發(fā)半導(dǎo)體元件4所產(chǎn)生的熱。因而，可以低成本地實(shí)現(xiàn)具有高可靠性和優(yōu)異散熱性的半導(dǎo)體器件1和1a。
以僅將焊料用作含金屬碳構(gòu)件的情況為例，進(jìn)行上述說明。此外，也可以使用除焊料之外的金屬，例如Cu或Au。在這種情況下，可使用Cu或Au浸漬碳燒結(jié)體，以在碳燒結(jié)體表面上形成由Cu或Au構(gòu)成的金屬層。此外，可使用焊料浸漬碳燒結(jié)體，以在碳燒結(jié)體表面上形成由Cu或Au構(gòu)成的金屬層。此外，可使用Cu或Au浸漬碳燒結(jié)體，以在碳燒結(jié)體表面上形成焊料層。并且當(dāng)使用除焊料之外的金屬(例如如上所述的Cu或Au)時(shí)，可以如以上相同的方式使用在適當(dāng)階段熔化的Cu或Au。在這種情況下，可使用熔化的Cu或Au浸漬碳燒結(jié)體，或可在碳燒結(jié)體的表面上形成層。當(dāng)在碳燒結(jié)體表面上形成由Cu或Au構(gòu)成的金屬層時(shí)，通過例如熱壓進(jìn)行結(jié)合。
此外，上述焊料成分為實(shí)例。當(dāng)然，也可以使用不同于上述實(shí)例的成分。
在本發(fā)明中，通過含金屬碳構(gòu)件結(jié)合半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件，其中含金屬碳構(gòu)件通過使用包含金屬的碳材料而形成。通過將碳材料用于半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件之間的連接，可保證高散熱性，并可以避免在半導(dǎo)體元件發(fā)熱過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，通過使金屬包含在含金屬碳構(gòu)件的碳材料中，即使在碳材料的表面上形成由較廉價(jià)的金屬構(gòu)成的層，也可緊密結(jié)合碳材料與金屬層，并可以緊密結(jié)合半導(dǎo)體元件與散熱構(gòu)件。因此，可以低成本實(shí)現(xiàn)具有高可靠性及優(yōu)異散熱性的半導(dǎo)體器件。
前述說明僅可視為本發(fā)明原理的例示。此外，由于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地想到大量修改及改變，因此不希望將本發(fā)明限制于所示出并說明的確切構(gòu)造及應(yīng)用，因而，可以認(rèn)為所有適當(dāng)?shù)男薷募捌涞韧卣骶淙肴缢綑?quán)利要求及其等同方案所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體元件；和散熱構(gòu)件，該散熱構(gòu)件散發(fā)由該半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的熱，其中該半導(dǎo)體元件與該散熱構(gòu)件通過含金屬碳構(gòu)件結(jié)合，該含金屬碳構(gòu)件通過使用包含金屬的碳材料形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該金屬為焊料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中該焊料主要由Sn構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該碳材料為主要由碳構(gòu)成的多孔燒結(jié)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該含金屬碳構(gòu)件的結(jié)構(gòu)為在包含該金屬的碳材料的表面上形成有金屬層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該金屬層由焊料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該半導(dǎo)體元件和該散熱構(gòu)件通過該金屬層結(jié)合至該含金屬碳構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該金屬層由與該碳材料包含的金屬相同的金屬構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該金屬層由與該碳材料包含的金屬不同的金屬構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該散熱構(gòu)件由金屬、陶瓷或碳構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該半導(dǎo)體元件倒裝地安裝于電路基板上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中該電路基板為陶瓷基板或樹脂基板。
13.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該半導(dǎo)體器件具有半導(dǎo)體元件和散熱構(gòu)件，該散熱構(gòu)件散發(fā)由該半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的熱，該方法包括如下步驟使用包含金屬的碳材料形成含金屬碳構(gòu)件；在安裝于基板上的該半導(dǎo)體元件上設(shè)置該含金屬碳構(gòu)件；在設(shè)置于該半導(dǎo)體元件上的含金屬碳構(gòu)件上設(shè)置該散熱構(gòu)件；以及通過該含金屬碳構(gòu)件結(jié)合該半導(dǎo)體元件與該散熱構(gòu)件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其中在使用包含該金屬的碳材料形成該含金屬碳構(gòu)件的步驟中，使用該金屬浸漬該碳材料，以形成包含該金屬的碳材料；以及使用包含該金屬的碳材料形成該含金屬碳構(gòu)件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其中該金屬為焊料。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其中在使用包含該金屬的碳材料形成該含金屬碳構(gòu)件的步驟中，在包含該金屬的碳材料的表面上形成金屬層，以形成該含金屬碳構(gòu)件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其中該金屬層由焊料構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其中在該碳材料的表面上形成該金屬層的步驟中，當(dāng)形成包含該金屬的碳材料時(shí)形成該金屬層。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其中當(dāng)在該碳材料的表面上形成該金屬層時(shí)，在形成包含該金屬的碳材料之后形成該金屬層。
20.一種結(jié)合構(gòu)件，用于構(gòu)件之間的結(jié)合，該結(jié)合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)為在包含金屬的碳材料的表面上形成有金屬層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有高可靠性和優(yōu)異散熱性的半導(dǎo)體器件，以及以低成本制造該半導(dǎo)體器件的方法。通過含焊料碳構(gòu)件結(jié)合半導(dǎo)體元件與作為散熱構(gòu)件的殼體，該含焊料碳構(gòu)件具有如下結(jié)構(gòu)在含焊料碳燒結(jié)體的表面上形成外焊料層，該含焊料碳燒結(jié)體通過使用焊料浸漬碳燒結(jié)體而形成。通過將所述燒結(jié)體用于半導(dǎo)體元件與殼體之間的連接，可消除半導(dǎo)體元件發(fā)熱過程中的熱應(yīng)力，同時(shí)保證高散熱性。通過使用廉價(jià)焊料浸漬燒結(jié)體，可緊密結(jié)合燒結(jié)體與外焊料層。通過外焊料層，可緊密結(jié)合半導(dǎo)體元件與殼體。因此，可以低成本實(shí)現(xiàn)具有高可靠性和優(yōu)異散熱性的半導(dǎo)體器件。
文檔編號H01L21/50GK1893038SQ20061000548
公開日2007年1月10日 申請日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者玉川道昭, 南澤正榮 申請人:富士通株式會(huì)社