CN100411160C

CN100411160C - 半导体器件的热辐射结构及其制造方法

Info

Publication number: CN100411160C
Application number: CNB2004100640714A
Authority: CN
Inventors: 野口高
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP3947525B2; JP2004336020A; US20090280604A1; US20040207075A1; US7579688B2; CN1571148A

Abstract

一种半导体器件的热辐射结构，包括：在其表面上具有第一区域和围绕该第一区域的第二区域的基板，在该第一区域上安装有半导体器件；和具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，且形成有设置在第一表面上的多个端子的半导体器件；其中：以第一表面与基板的表面相对的方式，在基板上安装半导体器件，且在基板的第二区域上形成有第一热辐射膜，并在半导体器件的第二表面上形成有与第一热辐射膜间隔开的第二热辐射膜。

Description

半导体器件的热辐射结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的热辐射结构及其制造方法，该其辐射效应高且适合减薄。

背景技术

目前，已提出了几个作为适合于安装在基板上的半导体器件的热辐射结构的提议。作为它们之一，有一个公知的结构，其中通过使用印刷或分散器等将高导热树脂施加到基板上，半导体器件以倒装片方式封装于该基板上，以覆盖该半导体器件，高导热性树脂传导由半导体器件产生的热量，由此实现热辐射(例如，参见下面的专利文献1)。

<专利文献1>日本未审查专利公开公报特开平10(1998)-125834

然而，在专利文献1公开的现有技术中，高导热树脂形成为连续覆盖半导体器件的上表面和基板的上表面。因此，现有技术具有以下的可能性，当在制造过程中的热处理或退火步骤中由于温度的变化等原因引起高导热性树脂变形时和在真正用作产品的环境下，在半导体器件和基板在膨胀系数不同的情况下，在半导体器件界面和基板界面的高导热树脂的变形中产生差异，且因此由变形差异产生的应力集中在高导热树脂的部分，以致于会在高导热树脂中产生裂纹，且高导热树脂会从半导体器件或基板剥离。因此导致不能实现充分热辐射的可能性。

发明内容

本发明解决了上述问题。根据本发明的一个方案，提供一种半导体器件的热辐射结构，其包括：

在其表面上具有安装半导体器件的第一区域和围绕第一区域的第二区域的基板；和

具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的并形成有设置在第一表面上的多个端子的半导体器件。

其中以第一表面相对于基板表面的方式，在基板上安装半导体器件，和

其中在基板的第二区域上形成第一热辐射膜，并在半导体器件的第二表面上形成与第一热辐射膜间隔开的第二热辐射膜。

根据本申请的代表性发明，提供能适合减薄并能获得高热辐射效应的半导体器件的热辐射结构。

附图说明

虽然说明书后附有具体阐明本发明的权利要求书，但相信从下面的结合附图的描述能更好地理解本发明的目的和特征以及更多的目的、特征和优点。

图1是描述根据本发明的第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的剖面图；

图2是描述根据第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的平面图；

图3是描述根据第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的热辐射方式的剖面图；

图4是描述在根据第一实施方式的半导体器件的热辐射结构中采用的热辐射膜的变形方式的剖面图；

图5是描述根据第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的变形的剖面图；

图6是描述根据本发明的第二实施方式的制造半导体器件的散热结构的方法的工序图；

图7是描述根据第二实施方式的制造半导体器件的热辐射结构的方法的工序图；

图8是描述根据第二实施方式的制造半导体器件的热辐射结构的方法的工序图；

图9是描述根据第二实施方式的制造半导体器件的热辐射结构的方法的工序图；

图10是描述根据第二实施方式的制造半导体器件的热辐射结构的方法的工序图；

图11是描述根据本发明的第三实施方式的半导体器件的热辐射结构的剖面图；

图12是描述根据第三实施方式的半导体器件的热辐射结构的变形的剖面图；

图13是描述根据第三实施方式的半导体器件的热辐射结构的变形的剖面图；

图14是显示根据第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的变形的剖面图。

具体实施方式

在基板的第二区域上形成用陶瓷作材料的第一散热膜。在半导体器件的第二表面上形成与第一散热膜间隔开的用陶瓷作材料的第二散热膜。

在下文中，参照附图详细描述本发明的优选实施方式。所有附图中相似结构的元件分别用相似的附图标记标识。

<第一实施方式>

图1是显示根据本发明的第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的剖面图，图2是它的平面图。图3是显示根据本实施方式的半导体器件的热辐射结构的传热方式的剖面图。图4是在根据本实施方式的半导体器件的热辐射结构中采用的热辐射膜的变形方式的剖面图。图5是显示根据本实施方式改进的半导体器件的热辐射结构的剖面图。

如图1所示，根据本发明的第一实施方式的半导体器件的热辐射结构包括其上安装有半导体器件10的基板200。在基板200的表面201中设置电连接到已安装的半导体器件100的配线210。借助于配线210，半导体器件100电连接到封装在基板200上的其它的电子零件。

即使在基板200是如图14所示在其上安装多个半导体器件100且设置有连接到外部板200’例如印刷电路板的外部电极150’的板或基板(也称插入基板)的情况下，本发明也可以应用。在这种情况下，半导体器件100也不直接安装在安装板200’上。它们首先安装在基板200上。接着，具有安装在其上的半导体器件100的基板200通过外部电极150’连接安装板200’。在本实施方式中，外部电极150’的材料是焊锡，且外部电极150’被设置在基板200的背面上。

如图1和2所示，基板200包括在其中安装有半导体器件100的区域220和围绕区域220的区域230，也就是，区域230从半导体器件100暴露。

半导体器件100安装在基板200的表面201上。在本实施方式中，如图1所示，半导体器件100包括在其上形成电连接到基板200的多个端子的第一表面101、与第一表面101相对的第二表面102和侧表面103。这里，半导体器件100可以是已封装的半导体元件110或未封装的半导体元件110。

在本实施方式中，半导体器件100使用已封装的半导体元件110。作为封装，使用晶片级芯片尺寸封装(下面称“WCSP”)。现在对WCSP进行说明。所采用的封装是，使用树脂以晶片状态密封具有多个半导体元件组成的晶片，然后，切割晶片使其分成单个半导体元件。该封装的特征在于：每个半导体元件的尺寸和每个封装的尺寸彼此几乎相同。最近已关注适合于尺寸小型化需求的封装。

也就是说，根据本实施方式的半导体器件100具有其表面上形成有电子电路的半导体元件110。在其表面上形成电连接到电子电路的多个电极120。此外，在半导体元件110的表面上形成例如聚酰亚胺树脂等材料的保护膜130，暴露出电极120的表面。例如铜(Cu)等材料的配线140在保护膜130上从电极120延伸到端子150的安装位置。配线140称作再分配线。根据制定配线140的路线，设置端子150的预定位置。此外，在保护膜130上形成树脂封装层160，以覆盖配线140并暴露端子150的安装位置。形成端子150以使其从树脂封装层160中突出，并通过配线140与它对应的电极120电连接。也就是说，在本实施方式中，半导体器件100的第一表面101对应于树脂封装层160的表面。半导体器件100的第二表面102对应于半导体元件110的背面。

半导体器件100以第一表面101与基板的表面201相对的方式安装在基板202的区域220上，也就是说，在半导体元件110与基板200的表面201之间放置树脂封装层160。

这里，在基板200的表面201上形成配线210。半导体器件100的端子150和基板200的配线210分别电连接。

此外，在半导体器件100的第二表面102和基板200的区域230上形成散热膜300。散热膜300暴露在例如空气的气氛中。

因而，半导体器件100产生的热量经散热膜300从半导体器件100的第二表面102排放到大气中，如图3的箭头10所示。此外，热量经端子150传导入基板200，并经散热膜300从基板200的表面201排放到大气中。也就是说，半导体器件100产生的热量通过半导体器件100的第二表面102和基板200的表面201排放到大气中。

因而，能够充分地确保半导体器件的热辐射，因此，能够大大改善半导体器件的稳定性。

此外，在本实施方式中，需要小型化的半导体器件还能够仅通过设置薄膜来获得充分的散热。因此，与例如在其中设置在半导体器件上设置散热片等来辐射热的情况相比，半导体器件的厚度能够保持得很薄。

当如图5所示，在半导体器件100的第二表面102上设置利用激光或油墨等制作的例如产品号码的印记时，形成热辐射膜300以暴露第二表面102的封印点。因而，不需要进行复杂的工序，就能够直观地确认印记，由此能够减少确认印记的工序。

这里，热辐射膜300优选为具有热传导和热辐射的膜以提高热辐射。由于具有热传导性，由半导体器件100产生的热量能够集中在热辐射膜300上。此外，由于热辐射膜300具有热辐射性，所以集中的热量能够有效的释放到大气中。因而能够获得高散热。

而且，散热膜300可以优选具有绝缘特性的材料。散热膜300的绝缘特性减少了由于散热膜300的形成导致设置在半导体器件100中的配线或在基板200上的配线210分别电连接彼此的可能性。因而可以保持半导体器件100的特性。因而，不必考虑超出在设计阶段估计范围的各配线彼此电连接的可能性。因此，不需要复杂的设计就能形成散热膜300。

为了获得这样的特性，即热传导性、热辐射和绝缘特性，在本实施方式中，散热膜300使用以陶瓷为材料的散热膜。这种散热膜具有将产生的热量转换为红外辐射并辐射的功能，并具有高的热辐射。

更具体地，在本实施方式中，散热膜300使用以石英氧化铝陶瓷为材料的散热膜。因而，进一步提高了热辐射。

由于以陶瓷为材料的散热膜即使其厚度很薄也能够获得充分的热辐射，因此，其也能充分地适应像WCSP那样需要减小厚度的半导体器件。

以陶瓷为材料的散热膜的厚度优选为30μm或更厚。因而，在充分地保持防备压力等力的散热膜的强度时，能够获得高的热辐射。为了在保持半导体器件厚度减少的同时获得高的热辐射，散热膜的厚度可以优选200μm或更小。

此外，在本实施方式中，如图1所示，形成散热膜300以覆盖形成在基板200的表面201中的配线210。由于配线201通常由金属形成，因此它们的导热性高，并易于传递或传导半导体器件100中产生的热量。因此，在配线210上形成热辐射膜300能够有效地辐射半导体器件100中产生的热量。尤其当配线210由铜(Cu)制造时，由于铜(Cu)的导热性很高，能够更有效地进行热辐射。

此外，在本实施方式中，在半导体器件100的第二表面102上形成的散热膜300(下面称“散热膜300a”)和在基板200的区域230上形成的散热膜300(下面称“散热膜300b”)，形成为彼此独立，即彼此间隔开，如图1所示。因而，在本实施方式中，从散热膜300暴露出半导体器件100的侧表面103。

根据该结构，即使当由于在半导体器件100与基板200之间热膨胀率的差异，导致在与半导体器件100的界面上和与基板200的界面上的每个热辐射膜300的变形产生差异时；当由于在制造工艺的热处理或退火步骤中的温度变化导致每个散热膜300在其实际用作产品的情况下变形时，如图4所示，因为热辐射膜300a和热辐射膜300b彼此间隔开，所以所产生的应力(由图中的箭头20和20’表示)彼此通过界面连接的可能性降低。而且，由变形差异产生的应力集中在某部分上的可能性降低。因而，可以减少在每个热辐射膜300中产生的裂纹等问题的可能性和热辐射膜从半导体器件100或基板200剥离的可能性。因此，能够提高半导体器100件的热辐射，并能够大大改善半导体器件100的稳定性。

此外，在本实施方式中，热辐射膜300a和热辐射膜300b由相同的材料形成。因而，例如，在成批处理中，从基板200上通过喷射供应构成热辐射膜300的材料，由此能够形成热辐射膜300a和热辐射膜300b。因此能够大大的减少工艺步骤的数量。因而，能够在基本上不增加成本的情况下，实现本发明。

当半导体器件100和基板200的热膨胀系数差异很大时，热辐射膜300a和热辐射膜300b可以优选使用热膨胀系数不同的材料。也就是，在热辐射膜300a和热辐射膜300b之间适当地使用热膨胀系数不同的材料，因此，能够以释放在半导体器件100与热辐射膜300a之间产生的应力和在基板200与热辐射膜300b之间的应力的方式设置各自热辐射膜300的材料。

另外，当进一步减少由热膨胀系数差异产生的应力时，开口310可以优选地形成在热辐射膜300中，如图5所示。因而，由于开口310调节应力，进一步减少了由于应力在热辐射膜300中产生裂纹的可能性。在本实施方式中，在热辐射膜300a和热辐射膜300b中分别设置开口310。另外，开口310设置多个，并以预定间隔彼此间隔开。因而，能够均匀地调节各层中的热辐射膜300产生的应力，减少应力集中在局部的可能性，并进一步减少裂纹的产生。

如上所述，在半导体器件100的第二表面102中设置有密封物102’的位置设置开口310以暴露密封物102’。因而，仅通过设置开口310，在减少确认印记工艺的同时还可以释放应力。

<第二实施方式>

下面描述作为本发明的第二实施方式的制造根据第一实施方式的半导体器件的热辐射结构的方法。图6至10是描述本发明的第二实施方式的工序图。

在本发明的第二实施方式中，如图6所示，首先准备在其上安装有半导体器件100的基板200。

其次，如图7所示，在基板200上安装半导体器件100。

接着，如图8和9所示，将液体热辐射材料301供应到基板200的表面201和半导体器件100的表面102，以形成热辐射膜300的前体300’。

在本实施方式中，液体陶瓷用于热辐射材料301，液体陶瓷以来自诸如喷雾器的供应单元400的薄雾形式从基板200上喷射。因此，在半导体器件100的表面102和基板200的表面201上形成热辐射膜300的前体300’，以暴露半导体器件100的侧表面103。

由于随着热辐射材料301以薄雾形式喷射，可以以细粒供应热辐射材料301的微粒，热辐射膜300的前体300’被薄薄地、均匀地提供给半导体器件100和基板200。由于液体陶瓷颗粒精细、粘度低，所以特别适合这种供应方法。

在成批处理中，通过喷射器等以扩散形式在宽范围内喷射热辐射材料301，使热辐射材料301能够提供给半导体器件100和基板200。因此，不需要大大增加工艺步骤的数量就能实现本发明。

因此，如图10所示，加热并固化前体300’，以形成热辐射膜300。热辐射膜310的厚度范围为大约30μm至大约200μm。随着热处理，热辐射膜300从半导体器件100和基板200的每一个剥离掉的可能性减小。

当在基板200上安装半导体器件100的其它电子元件时，在基板200上安装包括半导体器件100的所有的预定电子零件，其后，从基板200上供应热辐射材料301，以形成热辐射膜300，以暴露出电子零件。从而，能够在批处理中实现安装在基板200上的电子零件的热辐射的改善。也就是说，在不大大增加工艺步骤数量的前提下，能够大大增强由多个电子零件构成的系统的稳定性。

<第三实施方式>

下面描述作为第三实施方式本发明的半导体器件的热辐射结构的又一个实施方式。图11是显示根据本实施方式的半导体器件的热辐射结构的剖面图，图12和13分别是描述本实施方式的变形的半导体器件的热辐射结构的剖面图。

如图11所示，根据本发明第三实施方式的半导体器件的热辐射结构包括安装在基板200上的半导体器件100。此外，在基板200上形成以树脂等为材料的绝缘层550，以覆盖半导体器件100。

因而，在近几年中，已存在把诸如半导体器件的电子元件嵌入形成在基板上的例如树脂的绝缘层中的封装结构。由于在绝缘层例如树脂中嵌入电子零件例如半导体器件，所以电子零件产生的热量存贮在这样的封装结构中。由此引起了不能充分进行热辐射的可能性。本实施方式提出了关于半导体器件的热辐射结构，该热辐射结构能够改善这种封装结构的散热。

在本实施方式中，基板200包括底部基板500和以树脂等为材料的绝缘层510。电子零件520安装在底部基板500上。在底部基板500上形成绝缘层510，以覆盖电子零件520。

在基板200上形成与半导体器件100和电子零件520电连接的配线图案。另外，在基板200上形成分别与配线图案530电连接的导线540。

另外，在基板200上形成以树脂为材料的绝缘层550，用以覆盖半导体器件100和配线图案530和导线540的部分表面。

在绝缘层550上形成电连接到导线540并以铜(Cu)等为材料形成的配线图案560。

在绝缘层550或基板500的背面上形成热辐射膜300。因而，如图中箭头10所示，由电子零件520或半导体器件100产生的热量经绝缘层550或基板200传导给热辐射膜300，随后排放到大气中。这里，具有与在第一实施方式中采用的每个热辐射膜相似结构的膜，用作热辐射膜300。

在本实施方式中，在绝缘层550上形成的热辐射膜300，形成为覆盖配线图案560。因而，由电子零件520或半导体器件100产生的热量经导线540传导到配线图案560，并从分别提供在配线图案560上的热辐射膜300辐射。即，由于能够以满意的效率将电子零件520或半导体器件100产生的热量传递到热辐射膜300上，所以能够进一步改善热辐射。

如图12所示，通过在绝缘层550的整个表面或基板500的整个背面上形成热辐射膜300，能够进一步改善热辐射。

当需要释放由热膨胀系数等原因产生的应力时，热辐射膜300优选地设置有开口310，如在图13中所示。根据这种结构，由于通过开孔310的方式释放应力，可以在维持热辐射的同时减少在热辐射膜300中产生由于热膨胀等原因产生的裂纹等问题的可能性。

虽然参照示例性的实施方式描述了本发明，但本发明并不仅限于此。示例性实施方式的各种变更及本发明的其它实施方式对本领域的技术人员来说都是显而易见的。因此，应当认为，后附的权利要求书覆盖任何落入本发明范围内的变形或实施方式。

Claims

1. 一种半导体器件的热辐射结构，包括：

在表面上具有第一区域和围绕该第一区域的第二区域的基板，在该第一区域上安装有半导体器件；和

具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，且形成有设置在第一表面上的多个端子的半导体器件；

其中：以第一表面与基板的表面相对的方式，在基板上安装半导体器件，

在基板的第二区域上形成有第一热辐射膜，并在半导体器件的第二表面上形成有与第一热辐射膜间隔开的第二热辐射膜，

第一和第二热辐射膜的材料是陶瓷，且

第二热辐射膜被形成为不伸出到半导体器件的边缘之外。

2. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：基板设置有与外部板连接的外部电极。

3. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：基板设置有与外部板连接的外部电极，且在基板上安装有多个半导体器件。

4. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：基板包括与外部板连接的外部电极，且外部电极形成在基板背面上。

5. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：在基板的表面上形成配线，且半导体器件的端子和基板的配线彼此电连接。

6. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：半导体器件包括形成有电子电路的半导体元件、和形成在半导体元件上的树脂层，且在树脂层上形成端子。

7. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：第一和第二热辐射膜的表面露出。

8. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：在基板的表面上形成配线，且第一热辐射膜形成为覆盖配线。

9. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：在第一热辐射膜中形成有开口，且通过开口暴露基板的部分表面。

10. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：在第二热辐射膜中形成有开口，且通过开口暴露半导体器件的部分第二表面。

11. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：在半导体器件的第二表面上施加密封物，在第二热辐射膜中形成有开口，且开口设置成暴露密封物。

12. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：第一和第二热辐射膜的厚度范围都为30μm至200μm。

13. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：第一热辐射膜和第二热辐射膜的热膨胀系数不同。

14. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：第一和第二热辐射膜的材料是石英氧化铝陶瓷。

15. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：第二热辐射膜具有暴露于空气的背侧。

16. 根据权利要求1的热辐射结构，其中：第一热辐射膜具有暴露于空气的背侧。