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特開2022-86775ＬＳＩ素子の熱伝構造及びその熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022086775
(43)【公開日】2022-06-09
(54)【発明の名称】ＬＳＩ素子の熱伝構造及びその熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 23/12 20060101AFI20220602BHJP
【ＦＩ】
H01L23/12 J
H01L23/12 501P
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020198964
(22)【出願日】2020-11-30
(71)【出願人】
【識別番号】509012577
【氏名又は名称】有限会社ＭＴＥＣ
(71)【出願人】
【識別番号】505220929
【氏名又は名称】アスカコーポレーション株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100094190
【弁理士】
【氏名又は名称】小島 清路
(74)【代理人】
【識別番号】100151644
【弁理士】
【氏名又は名称】平岩 康幸
(74)【代理人】
【識別番号】100151127
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 勝雅
(72)【発明者】
【氏名】加藤 光治
(72)【発明者】
【氏名】嶋田 兆
(72)【発明者】
【氏名】古澤 孝幸
(72)【発明者】
【氏名】砂入 幹土
(57)【要約】
【課題】薄いＳｉ層と接合された金属基板によりＬＳＩで発生した熱を外部に伝えるＬＳＩ素子の熱伝構造、及びその熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法は、表層部にＬＳＩ１が形成されているＳｉ基板１００の主面１１側と仮基板５とを接合する第１接合工程と、前記表層部の深さに対応する厚さを残してＳｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜１０を形成するＳｉ薄膜化工程と、ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度においてＳｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板２０からなる第２基板２５とを接合する第２接合工程と、仮基板５を除去する剥離工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法は、表層部にＬＳＩ１が形成されているＳｉ基板１００の主面１１側と仮基板５とを接合する第１接合工程と、前記表層部の深さに対応する厚さを残してＳｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜１０を形成するＳｉ薄膜化工程と、ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度においてＳｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板２０からなる第２基板２５とを接合する第２接合工程と、仮基板５を除去する剥離工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表層部にＬＳＩが形成されているＳｉ基板の主面側と仮基板とを接合する第１接合工程と、
前記表層部の深さに対応する厚さを残して前記Ｓｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜を形成するＳｉ薄膜化工程と、
前記ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度において前記Ｓｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板からなる第２基板の金属表面とを接合する第２接合工程と、
前記仮基板を除去する剥離工程と、
を含むことを特徴とする熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
前記表層部の深さに対応する厚さを残して前記Ｓｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜を形成するＳｉ薄膜化工程と、
前記ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度において前記Ｓｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板からなる第２基板の金属表面とを接合する第２接合工程と、
前記仮基板を除去する剥離工程と、
を含むことを特徴とする熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
【請求項2】
前記Ｓｉ基板の前記主面側にファンアウト用配線が形成されたファンアウト基板を実装するファンアウト実装工程を含み、
前記第１接合工程は、前記ファンアウト基板を介して前記Ｓｉ基板と仮基板とを接合する請求項１記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
前記第１接合工程は、前記ファンアウト基板を介して前記Ｓｉ基板と仮基板とを接合する請求項１記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
【請求項3】
前記Ｓｉ薄膜化工程を行った後、前記Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタルからなるバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程を含み、
前記第２接合工程は、前記バリアメタル層を介して前記Ｓｉ薄膜と前記第２基板とを接合する請求項１又は２に記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
前記第２接合工程は、前記バリアメタル層を介して前記Ｓｉ薄膜と前記第２基板とを接合する請求項１又は２に記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
【請求項4】
前記Ｓｉ薄膜の厚さは１００μｍ以下である請求項１乃至３のいずれかに記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
【請求項5】
前記金属基板は銅基板である請求項１乃至４のいずれかに記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
【請求項6】
その主面の表層部にＬＳＩが形成されており、厚さが前記表層部の深さに対応して薄く形成されたＳｉ薄膜と、
前記Ｓｉ薄膜の裏面に接合されている少なくとも表層が金属基板からなる第２基板と、 を備え、
前記金属基板を介してＬＳＩで発生した熱を外部に伝えることを特徴とするＬＳＩ素子の熱伝構造。
前記Ｓｉ薄膜の裏面に接合されている少なくとも表層が金属基板からなる第２基板と、 を備え、
前記金属基板を介してＬＳＩで発生した熱を外部に伝えることを特徴とするＬＳＩ素子の熱伝構造。
【請求項7】
ファンアウト用配線が形成されており、前記Ｓｉ薄膜の前記主面側に接合されているファンアウト基板を備える請求項６記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
【請求項8】
前記Ｓｉ薄膜の厚さは１００μｍ以下である請求項６又は７に記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
【請求項9】
前記金属基板は銅基板である請求項６乃至８のいずれかに記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＬＳＩ素子の熱伝構造及びその熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法に関する。詳しくは、Ｓｉ薄膜と接合された金属基板によりＬＳＩで発生した熱を外部に伝えるＬＳＩ素子の熱伝構造、及びその熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体の微細化技術の進展に伴い、ＬＳＩの性能向上が著しい。近年では、ＡＩ用途等のＬＳＩにおいて、２０ワットの発熱を超えるような高性能ＬＳＩが実用化されてきている。Ｓｉを用いたＬＳＩ素子の使用温度範囲は、素子のＰＮ接合部温度で概ね１５０℃以下とされている。このため、Ｓｉの表層部に形成されたＬＳＩにおいて発生する熱をどのようにして外部へ伝送するのかが重要なこととなっている。
【0003】
図９（ａ）は、従来の代表的な高性能ＬＳＩの実装例を示している。シリコン（Ｓｉ）基板３１０の主面（図中の下方の面）側の表層部にＬＳＩ１００が形成されたチップサイズのＬＳＩ素子３００が、プリント基板２００上にフェースダウン技術で実装されている。ＬＳＩ１００の発熱は、フェースダウン実装されたＬＳＩ素子３００の主面からフェースダウンボンディング端子１２０を経由してプリント基板２００に放熱される。プリント基板２００の裏面側に熱分散機能を持つ第１ヒートスプレッダ４１０等が設けられ、熱が外部に放射される。一方、ＬＳＩ素子３００の裏面（図中の上方の面）からは、熱伝シートや熱伝ゲル等の熱伝材料４２０を介して設けられた第２ヒートスプレッダ４３０により、外部へ熱が放熱される。ＬＳＩ素子３００の主面側に接続されるプリント基板２００は一般に樹脂であるため、熱伝導性は良くない。プリント基板２００を貫通する伝熱のための金属孔（サーマルビア）を設けることにより熱伝導は改善されるが、効果は限定的である。ＬＳＩ１００の発熱が大きくなるにつれて、ＬＳＩ素子３００の裏面側から熱伝材料４２０を介して第２ヒートスプレッダ４３０へ熱を伝達することが重要になる。通常、第２ヒートスプレッダ４３０はＬＳＩ１００の制御系端子とケースの筐体を兼ねており、ＬＳＩの発熱を外部に放射しやすい構造となっている。
図９（ｂ）は、ファンアウト構造の高性能ＬＳＩをフェースダウン実装する例を示している。ＬＳＩ１００の発熱は、ＬＳＩ素子３００の主面側に接合され、ファンアウト用配線を形成したファンアウト基板３２０と、その下面に設けられたフェースダウンボンディング端子を経由して、プリント基板２００に伝熱され、第１ヒートスプレッダ４１０等により、外部に放射される。一方、ＬＳＩ素子３００の裏面からは、熱伝材料４２０を介して第２ヒートスプレッダ４３０から、外部へ熱が放熱される。プリント基板２００は一般に樹脂であるため、熱伝導性は良くない。通常、第２ヒートスプレッダ４３０はＬＳＩ１００の制御系端子とケースの筐体を兼ねており、ＬＳＩの発熱を外部に放射しやすい構造となっている。ＬＳＩ１００の発熱が大きくなるにつれて、ＬＳＩ素子３００の裏面側から熱伝材料４２０を介して第２ヒートスプレッダ４３０へ熱を伝達することが重要になる。
図９（ｂ）は、ファンアウト構造の高性能ＬＳＩをフェースダウン実装する例を示している。ＬＳＩ１００の発熱は、ＬＳＩ素子３００の主面側に接合され、ファンアウト用配線を形成したファンアウト基板３２０と、その下面に設けられたフェースダウンボンディング端子を経由して、プリント基板２００に伝熱され、第１ヒートスプレッダ４１０等により、外部に放射される。一方、ＬＳＩ素子３００の裏面からは、熱伝材料４２０を介して第２ヒートスプレッダ４３０から、外部へ熱が放熱される。プリント基板２００は一般に樹脂であるため、熱伝導性は良くない。通常、第２ヒートスプレッダ４３０はＬＳＩ１００の制御系端子とケースの筐体を兼ねており、ＬＳＩの発熱を外部に放射しやすい構造となっている。ＬＳＩ１００の発熱が大きくなるにつれて、ＬＳＩ素子３００の裏面側から熱伝材料４２０を介して第２ヒートスプレッダ４３０へ熱を伝達することが重要になる。
【0004】
図１０は、放熱ファンを用いる場合を示している。ＬＳＩ素子３００はプリント基板２００にフェースダウン実装されている。ＬＳＩ１００の発熱は、フェースダウンボンディング端子を経由してプリント基板２００に伝熱され、第１ヒートスプレッダ４１０等から外部に放射される。一方、ＬＳＩ１００で発生する熱は、ＬＳＩ素子３００の裏面側から放熱ファン４４０を用いて外気へ放熱される。プリント基板２００の熱伝導性は一般に良くないため、ＬＳＩ１００の発熱が大きくなるにつれて、ＬＳＩ素子３００の裏面側から放熱ファン４４０に熱を伝達することが重要になる。
【0005】
以上のように、高性能ＬＳＩの放熱が課題となっており、とりわけＬＳＩ素子の主面側の表層部に形成されているＬＳＩから、その基体部であるＳｉ基板を経由してＬＳＩ素子の裏面側に設けられるヒートスプレッダや放熱ファンに至る熱伝導を良くすることが重要である。
熱伝導性を向上させるため、Ｓｉ基板に金属基板を貼り合わせる方法がある。例えば、Ｓｉ半導体素子の基体部に金属を用いる方法が知られている（特許文献１を参照。）。特許文献１では、金属に高融点のモリブデンを用いて１０００℃という高温で貼り合わせ、界面のモリブデンとＳｉの相互拡散により接合が行われている。この他、高融点半田を用いてＳｉ基板の貼り合せ面をメタライズし、銅基板と４００℃程度で接合する方法も考えられるが、フェースダウンボンディングは２２０℃程度の半田付けで行われるために、Ｓｉ基板と銅基板の半田付けは一層温度が高い高融点半田を用いた半田付けを要する。しかし、モリブデン基板とＳｉ基板とを１０００℃で接合するにしても、銅基板とＳｉ基板とを４００℃で接合するにしても、フェースダウン実装される素子の実用温度は、一般的には－４０℃～＋８５℃程度であるため、接合時の温度と実用状態における温度の差により応力が発生し、反りが発生してしまう。また、接合界面で発生する応力のために、接続界面の接続寿命や素子寿命のためには好ましくない。
熱伝導性を向上させるため、Ｓｉ基板に金属基板を貼り合わせる方法がある。例えば、Ｓｉ半導体素子の基体部に金属を用いる方法が知られている（特許文献１を参照。）。特許文献１では、金属に高融点のモリブデンを用いて１０００℃という高温で貼り合わせ、界面のモリブデンとＳｉの相互拡散により接合が行われている。この他、高融点半田を用いてＳｉ基板の貼り合せ面をメタライズし、銅基板と４００℃程度で接合する方法も考えられるが、フェースダウンボンディングは２２０℃程度の半田付けで行われるために、Ｓｉ基板と銅基板の半田付けは一層温度が高い高融点半田を用いた半田付けを要する。しかし、モリブデン基板とＳｉ基板とを１０００℃で接合するにしても、銅基板とＳｉ基板とを４００℃で接合するにしても、フェースダウン実装される素子の実用温度は、一般的には－４０℃～＋８５℃程度であるため、接合時の温度と実用状態における温度の差により応力が発生し、反りが発生してしまう。また、接合界面で発生する応力のために、接続界面の接続寿命や素子寿命のためには好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平４－４２９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
前記のとおり、高性能ＬＳＩ素子の放熱が課題となっている。とりわけＬＳＩ素子がフェースダウン実装される場合、ＬＳＩ素子が形成されているＳｉ基板の主面の表層部から、基体部であるＳｉ基板を経由してＬＳＩ素子の裏面側に設けられるヒートスプレッダや放熱ファンに至る熱伝導を向上させる必要がある。また、その場合、Ｓｉ基板の厚さが薄いことが好ましい。
しかし、モリブデン基板とＳｉ基板とを１０００℃で接合したり、銅基板とＳｉ基板とを４００℃で接合したりする従来の技術では、一般にはＬＳＩ素子の使用温度は－４０℃～＋８５℃程度とされるため、接合時の温度と実用状態における温度の差により接合界面に応力が発生し、反りが発生してしまう。また、接合界面で発生する応力のために、接続界面の接続寿命や素子寿命のためには好ましくない。特にＳｉ層を薄くすればするほど張り合わせ界面にて発生する内部応力によりＳｉ表面の素子に対する影響は大きい。
しかし、モリブデン基板とＳｉ基板とを１０００℃で接合したり、銅基板とＳｉ基板とを４００℃で接合したりする従来の技術では、一般にはＬＳＩ素子の使用温度は－４０℃～＋８５℃程度とされるため、接合時の温度と実用状態における温度の差により接合界面に応力が発生し、反りが発生してしまう。また、接合界面で発生する応力のために、接続界面の接続寿命や素子寿命のためには好ましくない。特にＳｉ層を薄くすればするほど張り合わせ界面にて発生する内部応力によりＳｉ表面の素子に対する影響は大きい。
【0008】
本発明は、Ｓｉ薄膜と接合された金属基板によりＬＳＩで発生した熱を外部に伝えるＬＳＩ素子の熱伝構造、及びその熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記のような課題を解決するための着眼点は、その接合界面における応力を小さくするために、Ｓｉ基板と金属基板との接合温度をＬＳＩ素子の使用温度範囲の温度とすることにある。この常温に近い接合により、ＬＳＩ素子の使用状態において接合界面に発生する応力は小さく、素子寿命や界面接合寿命に対して良好な効果を得ることができる。
また、ＬＳＩが形成されているＳｉ層の厚さを最小限とするために、ＬＳＩの形成後にＳｉ基板の主面側に仮基板を貼り合わせ、ＬＳＩ機能を創出することができる極限までＳｉ層を薄く研磨し、その後に金属基板と接合することにある。
また、ＬＳＩが形成されているＳｉ層の厚さを最小限とするために、ＬＳＩの形成後にＳｉ基板の主面側に仮基板を貼り合わせ、ＬＳＩ機能を創出することができる極限までＳｉ層を薄く研磨し、その後に金属基板と接合することにある。
【0010】
更に、ＬＳＩがＳｉ基板の表層部の数μｍの領域に存在し、残りの数百ミクロンは基体としての役割だけであることから、基体部分を熱伝導性の良い金属（銅）材料とすることにある。これにより、ＬＳＩの発熱は、速やかに銅基体部に伝達され、銅基体部から外部のヒートスプレッダへ熱を伝えることができるようになる。
【0011】
本発明は、以下の通りである。
１．表層部にＬＳＩが形成されているＳｉ基板の主面側と仮基板とを接合する第１接合工程と、
前記表層部の深さに対応する厚さを残して前記Ｓｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜を形成するＳｉ薄膜化工程と、
前記ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度において前記Ｓｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板からなる第２基板の金属表面とを接合する第２接合工程と、
前記仮基板を除去する剥離工程と、
を含むことを特徴とする熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
２．前記Ｓｉ基板の前記主面側にファンアウト用配線が形成されたファンアウト基板を実装するファンアウト実装工程を含み、
前記第１接合工程は、前記ファンアウト基板を介して前記Ｓｉ基板と仮基板とを接合する前記１．記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
３．前記Ｓｉ薄膜化工程を行った後、前記Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタルからなるバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程を含み、
前記第２接合工程は、前記バリアメタル層を介して前記Ｓｉ薄膜と前記第２基板とを接合する前記１．又は２．に記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
４．前記Ｓｉ薄膜の厚さは１００μｍ以下である前記１．乃至３．のいずれかに記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
５．前記金属基板は銅基板である前記１．乃至４．のいずれかに記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
６．その主面の表層部にＬＳＩが形成されており、厚さが前記表層部の深さに対応して薄く形成されたＳｉ薄膜と、
前記Ｓｉ薄膜の裏面に接合されている少なくとも表層が金属基板からなる第２基板と、 を備え、
前記金属基板を介してＬＳＩで発生した熱を外部に伝えることを特徴とするＬＳＩ素子の熱伝構造。
７．ファンアウト用配線が形成されており、前記Ｓｉ薄膜の前記主面側に接合されているファンアウト基板を備える前記６．記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
８．前記Ｓｉ薄膜の厚さは１００μｍ以下である前記６．又は７．に記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
９．前記金属基板は銅基板である前記６．乃至８．のいずれかに記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
１．表層部にＬＳＩが形成されているＳｉ基板の主面側と仮基板とを接合する第１接合工程と、
前記表層部の深さに対応する厚さを残して前記Ｓｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜を形成するＳｉ薄膜化工程と、
前記ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度において前記Ｓｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板からなる第２基板の金属表面とを接合する第２接合工程と、
前記仮基板を除去する剥離工程と、
を含むことを特徴とする熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
２．前記Ｓｉ基板の前記主面側にファンアウト用配線が形成されたファンアウト基板を実装するファンアウト実装工程を含み、
前記第１接合工程は、前記ファンアウト基板を介して前記Ｓｉ基板と仮基板とを接合する前記１．記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
３．前記Ｓｉ薄膜化工程を行った後、前記Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタルからなるバリアメタル層を形成するバリアメタル層形成工程を含み、
前記第２接合工程は、前記バリアメタル層を介して前記Ｓｉ薄膜と前記第２基板とを接合する前記１．又は２．に記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
４．前記Ｓｉ薄膜の厚さは１００μｍ以下である前記１．乃至３．のいずれかに記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
５．前記金属基板は銅基板である前記１．乃至４．のいずれかに記載の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法。
６．その主面の表層部にＬＳＩが形成されており、厚さが前記表層部の深さに対応して薄く形成されたＳｉ薄膜と、
前記Ｓｉ薄膜の裏面に接合されている少なくとも表層が金属基板からなる第２基板と、 を備え、
前記金属基板を介してＬＳＩで発生した熱を外部に伝えることを特徴とするＬＳＩ素子の熱伝構造。
７．ファンアウト用配線が形成されており、前記Ｓｉ薄膜の前記主面側に接合されているファンアウト基板を備える前記６．記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
８．前記Ｓｉ薄膜の厚さは１００μｍ以下である前記６．又は７．に記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
９．前記金属基板は銅基板である前記６．乃至８．のいずれかに記載のＬＳＩ素子の熱伝構造。
【発明の効果】
【0012】
本発明の熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法によれば、表層部にＬＳＩが形成されているＳｉ基板の主面側と仮基板とを接合する第１接合工程と、前記表層部の深さに対応する厚さを残して前記Ｓｉ基板の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜を形成するＳｉ薄膜化工程と、前記ＬＳＩの使用温度の上限を超えない温度において前記Ｓｉ薄膜の裏面と少なくとも表層が金属基板からなる第２基板の金属表面とを接合する第２接合工程と、前記仮基板を除去する剥離工程と、を含むため、ＬＳＩが形成されているＳｉ基板の主面側の表層部の深さに応じた薄いＳｉ薄膜を形成し、Ｓｉ薄膜と金属基板とは常温域において接合される。これにより、接合界面に発生する応力が極めて小さく、また接合時の温度と素子使用時の温度の差が小さいため、接合界面の剥離を防止し、応力によるＬＳＩ素子の劣化を最小限に抑制することができる。
【0013】
また、本発明のＬＳＩ素子の熱伝構造によれば、その主面の表層部にＬＳＩが形成されており、厚さが前記表層部の深さに対応して薄く形成されたＳｉ薄膜と、前記Ｓｉ薄膜の裏面に接合されている少なくとも表層が金属基板からなる第２基板と、を備え、前記金属基板を介してＬＳＩで発生した熱を伝えるため、ＬＳＩの発熱は速やかに金属基板からなる基体部に伝達され、金属基体部から外部のヒートスプレッダ等へ熱を伝えることができる。外部のヒートスプレッダ等にヒートパイプの機能を設けることにより金属基板からの熱を一層効率的に外部へ伝達することが出来る。金属基板として、熱伝導性に優れた銅基板を使用することができる。また、金属基板が基体となるため、フェースダウン実装に適したＬＳＩ素子を構成することができる。金属基板により反りの発生が抑制され、更に、金属基体とＬＳＩが形成されているＳｉ薄膜との接合を素子が使用される温度の上限以下で行うことにより、ＬＳＩ素子使用時のＳｉ薄膜と金属基板との接合界面に生じる応力による劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
【図1】実施形態に係るＬＳＩ素子の熱伝構造を表す模式的断面図である。
【図2】熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法における各工程を説明するための模式的断面図である。
【図3】ファンアウト構造を備えるＬＳＩ素子の熱伝構造を表す模式的断面図である。
【図4】ファンアウト構造とする場合の、熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法における各工程を説明するための模式的断面図である。
【図5】ＦＡＢガンを用いた接合方法を説明するための模式図である。
【図6】Ｓｉ薄膜と金属基板との接合部のＴＥＭ画像である。
【図7】熱伝構造を備えるＬＳＩ素子のフェースダウン実装を説明するための模式的断面図である。
【図8】熱伝構造を備えるＬＳＩ素子のフェースダウン実装における各部の温度を示す図である。
【図9】従来のＬＳＩ素子のフェースダウン実装を説明するための模式的断面図である。
【図10】フェースダウン実装された従来のＬＳＩ素子に放熱ファンを使用する例を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
【0016】
本実施形態に係るＬＳＩ素子の熱伝構造（５０）は、主面（１１）の表層部にＬＳＩ（１）が形成されており、厚さが前記表層部の深さに対応して薄く形成されたＳｉ薄膜（１０）と、Ｓｉ薄膜（１０）の裏面（１２）に接合されている少なくとも表層が金属基板（２０）からなる第２基板（２５）とを備え、金属基板（２０）を介してＬＳＩ（１）で発生した熱を外部に伝えることを特徴とする（図１参照）。ＬＳＩの種類は特に問わない。
また、別のＬＳＩ素子の熱伝構造（５１）は、ファンアウト用配線が形成されており、Ｓｉ薄膜（１０）の主面（１１）側に接合されているファンアウト基板（９）を更に備えることができる（図３（ｂ）参照）。
また、別のＬＳＩ素子の熱伝構造（５１）は、ファンアウト用配線が形成されており、Ｓｉ薄膜（１０）の主面（１１）側に接合されているファンアウト基板（９）を更に備えることができる（図３（ｂ）参照）。
【0017】
前記Ｓｉ薄膜（１０）の厚さは前記表層部の深さに対応し、ＬＳＩ機能を創出することができる極限まで薄くされており、金属基板（２０）がＬＳＩ素子の基体となる。前記表層部の深さは、ＬＳＩを構成する不純物層の不純物濃度、耐圧等に応じて設定される。通常、不純物層の深さは数μｍである。このため、本実施形態においては、Ｓｉ薄膜（１０）の厚さは１００μｍ以下（５～１００μｍ）とすることができる。また、金属基板（２０）の厚さは素材の強度とＳｉ薄膜（１０）の厚さに応じて適宜設定されればよく、例えば銅基板を用いた場合、５０～３００μｍ程度とすることができる。
尚、セラミックパッケージにＬＳIを実装する場合においても、Ｓｉ素子からセラミックパッケージに至る熱伝導を良くするために、上記のようにＳｉ素子の基体部を金属（銅）基板とすることは有効である。
尚、セラミックパッケージにＬＳIを実装する場合においても、Ｓｉ素子からセラミックパッケージに至る熱伝導を良くするために、上記のようにＳｉ素子の基体部を金属（銅）基板とすることは有効である。
【0018】
本実施形態に係る熱伝構造を備えるＬＳＩ素子（５０）の製造方法は、表層部にＬＳＩ（１）が形成されているＳｉ基板（１００）の主面（１１）側と仮基板（５）とを接合する第１接合工程と、前記表層部の深さに対応する厚さを残してＳｉ基板（１００）の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜（１０）を形成するＳｉ薄膜化工程と、ＬＳＩ（１）の使用温度の上限を超えない温度においてＳｉ薄膜（１０）の裏面（１２）と少なくとも表層が金属基板（２０）からなる第２基板（２５）の金属基板（２０）とを接合する第２接合工程と、仮基板（５）を除去する剥離工程と、を含むことを特徴とする（図２参照）。
また、別のＬＳＩ素子の熱伝構造（５１）の製造方法は、前記Ｓｉ基板（１００）の主面（１１）側にファンアウト用配線が形成されたファンアウト基板（９）を実装するファンアウト実装工程を含み、前記第１接合工程は、ファンアウト基板（９）を介してＳｉ基板（１００）と仮基板（５）とを接合する（図４参照）。
また、別のＬＳＩ素子の熱伝構造（５１）の製造方法は、前記Ｓｉ基板（１００）の主面（１１）側にファンアウト用配線が形成されたファンアウト基板（９）を実装するファンアウト実装工程を含み、前記第１接合工程は、ファンアウト基板（９）を介してＳｉ基板（１００）と仮基板（５）とを接合する（図４参照）。
【0019】
第２基板（２５）の表層の金属基板（２０）とＳｉ薄膜（１０）との接合は、ＬＳＩ素子の使用温度の上限を超えない温度（常温）で行われるため、金属基板２０とＳｉ薄膜１０との接合界面に発生する応力を小さくすることができ、基板の反りを大幅に小さくすることができ、更に実用状態で生じる温度サイクル等により接合界面に発生する応力を小さくすることができ、接合の信頼性を高めることが可能である。
【0020】
図１（ａ）は、本実施形態に係る熱伝構造を備えるＬＳＩ素子５０の構造例を表している。ＬＳＩ１が形成されている必要な厚さのＳｉ薄膜１０と、実装に必要な厚さを有する少なくとも表層が金属基板（２０）からなる第２基板（２５）とが接合された複層素子構造である。第２基板（２５）の表層とはＳｉ薄膜１０との接合面を構成する一定の板厚の部分をいう。本例では、第２基板（２５）の全体が１つの金属基板（２０）で構成されている。金属基板（２０）としては、熱伝導性に優れた銅基板を用いることが好ましい。
従来、ＬＳＩ素子の表層に形成されたＬＳＩで発生する熱は、同じ材料のＳｉの基体からヒートスプレッダを経て外部に伝導されている。これに対して、本例のＬＳＩ素子５０は、Ｓｉからなる基体部における熱伝導を一層効率的に行うために、Ｓｉ基体ではなく金属（銅）基体としている。この構造により、ＬＳＩ１で発生する熱を、銅からなる金属基体２０を経て外部に設けられるヒートスプレッダに効率的に伝導することが可能となる。
この熱伝構造は、ファンアウト構造と呼ばれるＬＳＩの多端子対応構造においても適用することができ、銅基体を有するファンアウト構造素子５１を構成することができる（図３（ｂ）参照）。
従来、ＬＳＩ素子の表層に形成されたＬＳＩで発生する熱は、同じ材料のＳｉの基体からヒートスプレッダを経て外部に伝導されている。これに対して、本例のＬＳＩ素子５０は、Ｓｉからなる基体部における熱伝導を一層効率的に行うために、Ｓｉ基体ではなく金属（銅）基体としている。この構造により、ＬＳＩ１で発生する熱を、銅からなる金属基体２０を経て外部に設けられるヒートスプレッダに効率的に伝導することが可能となる。
この熱伝構造は、ファンアウト構造と呼ばれるＬＳＩの多端子対応構造においても適用することができ、銅基体を有するファンアウト構造素子５１を構成することができる（図３（ｂ）参照）。
【0021】
前記少なくとも表層が金属基板からなる第２基板２５は、図１（ｂ）に示すように、表層となる金属基板２０と粘着テープ２６とが貼り合わされて構成されてもよい。粘着テープ２６は、金属基板２０の板厚を薄く抑える場合に有効であり、加えてＬＳＩ素子をチップに分割する際に下地となる粘着テープを兼ねることができる。
また、第２基板２５は、図１（ｃ）に示すように、表層となる金属基板２０と半田層２７とにより形成されてもよい。半田層２７は、ＬＳＩ素子がセラミックパッケージに搭載される場合の接続手段として利用することができる。
また、第２基板２５は、図１（ｄ）に示すように、表層となる金属基板２０と絶縁シート２８とにより形成されてもよい。絶縁シート２８は、ＬＳＩ素子の金属基板電位がヒートスプレッダの電位と異なる場合の絶縁層の役割を果たすことができる。
その他、表層となる金属基板２０の下地層となる材料は種々選択することができる。以下では、第２基板２５を構成する下地層は省略して、第２基板２５の全体が１つの金属基板２０で構成されている例について説明する。
また、第２基板２５は、図１（ｃ）に示すように、表層となる金属基板２０と半田層２７とにより形成されてもよい。半田層２７は、ＬＳＩ素子がセラミックパッケージに搭載される場合の接続手段として利用することができる。
また、第２基板２５は、図１（ｄ）に示すように、表層となる金属基板２０と絶縁シート２８とにより形成されてもよい。絶縁シート２８は、ＬＳＩ素子の金属基板電位がヒートスプレッダの電位と異なる場合の絶縁層の役割を果たすことができる。
その他、表層となる金属基板２０の下地層となる材料は種々選択することができる。以下では、第２基板２５を構成する下地層は省略して、第２基板２５の全体が１つの金属基板２０で構成されている例について説明する。
【0022】
図２を参照しつつ、本実施形態に係る熱伝構造を備えるＬＳＩ素子の製造方法における各工程を説明する。各製造工程はウエーハ（例えば８インチサイズのウエーハ）状態で処理を行うが、各図は１つのチップサイズパッケージのＬＳＩ素子に相当する部分の断面を表している。
同図（ａ）は、Ｓｉ基板１００の主面１１側の表層部にＬＳＩ１が形成されている状態を示している。基体はＬＳＩと同じＳｉ基板である。Ｓｉ基板１００の主面１１上には、フェースダウン実装のためのボンディング端子３０が形成されている。Ｓｉ基板（１００）の厚さは、例えば８インチのウエーハの場合には７２５μｍが標準である。
同図（ａ）は、Ｓｉ基板１００の主面１１側の表層部にＬＳＩ１が形成されている状態を示している。基体はＬＳＩと同じＳｉ基板である。Ｓｉ基板１００の主面１１上には、フェースダウン実装のためのボンディング端子３０が形成されている。Ｓｉ基板（１００）の厚さは、例えば８インチのウエーハの場合には７２５μｍが標準である。
【0023】
（第１接合工程）
図２（ｂ）は、第１接合工程により、表層部にＬＳＩ１が形成されているＳｉ基板１００の主面１１側と、仮基板５とが接合された状態を示している。
仮基板５としては、例えば、透明なガラス基板を用いることができる。Ｓｉ基板１００の主面１１側と仮基板５とは、その接合面に接合材として紫外光で剥離するＵＶ剥離樹脂を塗布して貼り合わせることができる。後の工程においてＳｉ基板１００を薄く研磨するために貼り合わせの平坦度が必要であるが、ＵＶ剥離樹脂を塗布後に平行を保って加圧することにより平坦度を確保することができる。
また、仮基板５として、粘着性を持った樹脂テープを用いることも可能である。樹脂テープの剛性により、続くＳｉ薄膜化工程においてＳｉ基板１００を薄く研磨することができる。
図２（ｂ）は、第１接合工程により、表層部にＬＳＩ１が形成されているＳｉ基板１００の主面１１側と、仮基板５とが接合された状態を示している。
仮基板５としては、例えば、透明なガラス基板を用いることができる。Ｓｉ基板１００の主面１１側と仮基板５とは、その接合面に接合材として紫外光で剥離するＵＶ剥離樹脂を塗布して貼り合わせることができる。後の工程においてＳｉ基板１００を薄く研磨するために貼り合わせの平坦度が必要であるが、ＵＶ剥離樹脂を塗布後に平行を保って加圧することにより平坦度を確保することができる。
また、仮基板５として、粘着性を持った樹脂テープを用いることも可能である。樹脂テープの剛性により、続くＳｉ薄膜化工程においてＳｉ基板１００を薄く研磨することができる。
【0024】
（Ｓｉ薄膜化工程）
Ｓｉ薄膜化工程は、前記表層部の深さに対応する厚さを残してＳｉ基板１００の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜１０を形成する工程である。
図２（ｃ）は、Ｓｉ薄膜化工程により、仮基板５と接合されたＳｉ基板１００の裏面側を除去することにより、Ｓｉ基板１００を母材とするＳｉ薄膜１０が形成された状態を表している。Ｓｉ基板１００の裏面側を除去する方法は特に問わず、例えば、仮基板５を支持体としてＳｉ基板１００の裏面側を研削、研磨することにより、厚さを５μｍ程度にすることができる。前記のとおり、前記表層部の深さに対応する厚さは素子に必要な耐電圧に依存し、低耐電圧素子では５μｍ程度であるため、Ｓｉ薄膜１０の厚さは５μｍ以上とすることができる。実際には、薄膜加工の容易性と熱伝導性の向上とのバランスにより選択され、薄膜加工の技術の面から、Ｓｉ薄膜１０の厚さを１０μｍ以上としてもよい。よって、例えば８インチのウエーハの場合、標準的な厚さ７２５μｍのＳｉ基板１００から、その主面側の厚さ１０～１００μｍの表層部分をＳｉ薄膜（１０）として残すこととなる。
このように残されたＳｉ基板１００の主面１１側の一定の厚さの部分がＳｉ薄膜１０となる。Ｓｉ薄膜１０の裏面１２は、後の金属基板２０との接合のために、表面粗さＲａが０．５ｎｍ程度に研磨される。
Ｓｉ薄膜化工程は、前記表層部の深さに対応する厚さを残してＳｉ基板１００の裏面側を除去することによりＳｉ薄膜１０を形成する工程である。
図２（ｃ）は、Ｓｉ薄膜化工程により、仮基板５と接合されたＳｉ基板１００の裏面側を除去することにより、Ｓｉ基板１００を母材とするＳｉ薄膜１０が形成された状態を表している。Ｓｉ基板１００の裏面側を除去する方法は特に問わず、例えば、仮基板５を支持体としてＳｉ基板１００の裏面側を研削、研磨することにより、厚さを５μｍ程度にすることができる。前記のとおり、前記表層部の深さに対応する厚さは素子に必要な耐電圧に依存し、低耐電圧素子では５μｍ程度であるため、Ｓｉ薄膜１０の厚さは５μｍ以上とすることができる。実際には、薄膜加工の容易性と熱伝導性の向上とのバランスにより選択され、薄膜加工の技術の面から、Ｓｉ薄膜１０の厚さを１０μｍ以上としてもよい。よって、例えば８インチのウエーハの場合、標準的な厚さ７２５μｍのＳｉ基板１００から、その主面側の厚さ１０～１００μｍの表層部分をＳｉ薄膜（１０）として残すこととなる。
このように残されたＳｉ基板１００の主面１１側の一定の厚さの部分がＳｉ薄膜１０となる。Ｓｉ薄膜１０の裏面１２は、後の金属基板２０との接合のために、表面粗さＲａが０．５ｎｍ程度に研磨される。
【0025】
（バリアメタル層形成工程）
バリアメタル層形成工程は、Ｓｉ薄膜化工程を行った後、Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタルからなるバリアメタル層を形成する工程である（図示せず）。
Ｓｉ薄膜１０と接合される金属基板２０として銅基板を用いる場合、接合後の銅のＳｉ層への拡散を防止するため、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２にバリアメタル層８を形成しておくことが好ましい。バリアメタルとしてＮｉ、Ｔａ等を使用することができ、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２にスパッタにより厚さ数１０ｎｍ程度のバリアメタル層８を形成することができる。
バリアメタル層形成工程は、Ｓｉ薄膜化工程を行った後、Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタルからなるバリアメタル層を形成する工程である（図示せず）。
Ｓｉ薄膜１０と接合される金属基板２０として銅基板を用いる場合、接合後の銅のＳｉ層への拡散を防止するため、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２にバリアメタル層８を形成しておくことが好ましい。バリアメタルとしてＮｉ、Ｔａ等を使用することができ、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２にスパッタにより厚さ数１０ｎｍ程度のバリアメタル層８を形成することができる。
【0026】
（第２接合工程）
第２接合工程は、目的とするＬＳＩ素子の使用温度の上限を超えない温度において、Ｓｉ薄膜の裏面と第２基板の金属基板とを接合する工程である。
図２（ｄ）は、第２接合工程において、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２と少なくとも表層が金属基板２０からなる第２基板２５とが接合された状態を表している。第２基板２５は、少なくとも表層が金属基板２０からなる基板であるが、金属基板２０以外は図示を省略している。
一般に、半導体素子の使用温度は、－２０℃～＋８５℃程度とされる。このため、Ｓｉ薄膜１０と金属基板２０との接合は、その使用温度範囲の上限である８５℃以下にて行う。実際上、常温にて接合を行うことができる。金属基板２０の素材は特に問わないが、例えば、安価で熱伝導性に優れた銅基板を使用することができる。Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタル層８が形成されている場合には、Ｓｉ薄膜１０と金属基板２０とはバリアメタル層８を介して接合される。
金属基板２０とＳｉ薄膜１０との接合のためには、それぞれの接合面の表面粗さが０．５ｎｍ程度となるように研磨しておくことが好ましいが、近年の研磨技術では容易である。
第２接合工程は、目的とするＬＳＩ素子の使用温度の上限を超えない温度において、Ｓｉ薄膜の裏面と第２基板の金属基板とを接合する工程である。
図２（ｄ）は、第２接合工程において、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２と少なくとも表層が金属基板２０からなる第２基板２５とが接合された状態を表している。第２基板２５は、少なくとも表層が金属基板２０からなる基板であるが、金属基板２０以外は図示を省略している。
一般に、半導体素子の使用温度は、－２０℃～＋８５℃程度とされる。このため、Ｓｉ薄膜１０と金属基板２０との接合は、その使用温度範囲の上限である８５℃以下にて行う。実際上、常温にて接合を行うことができる。金属基板２０の素材は特に問わないが、例えば、安価で熱伝導性に優れた銅基板を使用することができる。Ｓｉ薄膜の裏面にバリアメタル層８が形成されている場合には、Ｓｉ薄膜１０と金属基板２０とはバリアメタル層８を介して接合される。
金属基板２０とＳｉ薄膜１０との接合のためには、それぞれの接合面の表面粗さが０．５ｎｍ程度となるように研磨しておくことが好ましいが、近年の研磨技術では容易である。
【0027】
常温で接合する方法は特に問わないが、例えば、ＦＡＢ（ｆａｓｔ ａｔｏｍｉｃ ｂｅａｍ）ガンを用いて、アルゴンビームにより接合する両面を活性化して接合する手法を適用することができる。図５に示すように、Ｓｉ薄膜１０と金属基板（銅基板）２０とは、ＦＡＢガンを用いて接合することができる。ＦＡＢガンを用いる接合手法は、近年半導体基板の常温接合で普及してきている。同図に示すように、接合する両面をアルゴンビーム源２００から得られるアルゴンビームを照射して活性化した後、常温で加圧して接合する。この接合手法の特徴は、接合面が０．５ｎｍレベルの平坦度であれば常温で直接接合できる点にある。同図はその貼り合せ装置の要部の模式図であり、真空室内で貼り合わせる２枚の基板を一定の間隔で対向するように配置し、その側方から両表面に対して、ＦＡＢガン２００によりアルゴンビーム（２０１、２０２）を走査して照射する。真空室内の真空度は、１×１０－４～１×１０－６Ｐａ程度である。この照射により、両基板の表層（２０ｂ、１０ｂ）が活性化され、常温で貼り合わせることができる。ＦＡＢガンによらず、イオンガンにより活性化して接合することも可能である。
図６に、Ｓｉ薄膜１０と銅基板２０との接合界面のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）画像を示す。Ｓｉ薄膜１０と銅基板２０とは原子レベルで接合されていることが分かる。
図６に、Ｓｉ薄膜１０と銅基板２０との接合界面のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）画像を示す。Ｓｉ薄膜１０と銅基板２０とは原子レベルで接合されていることが分かる。
【0028】
その他、接合のために、１０ｎｍ程度の厚さの金薄薄膜を表面に形成する手法も開発されている。Ｓｉ薄膜１０と金属基板２０とは、そのような金薄薄膜を介して接合することもできる。
【0029】
（剥離工程）
図２（ｅ）は、剥離工程により仮基板が除去された状態を示している。Ｓｉ薄膜１０の裏面１２にバリアメタル層８が形成されている場合には、Ｓｉ薄膜１０はバリアメタル層８を介して金属基板２０と接合されている（図示せず）。
透明ガラスからなる仮基板５とＳｉ薄膜１０の主面１１とがＵＶ剥離樹脂で接合されている場合、その接合界面を、ガラス基板側から紫外線を照射することにより分離させることができる。これにより、ＬＳＩ素子は、ＬＳＩが形成されている薄いＳｉ層と、その支持基板である金属基板とによって構成される複層素子構造となる。透明ガラス基板は再利用が可能である。
また、仮基板５として粘着性を持った樹脂テープを用いた場合には、樹脂テープの端面からピーリングして剥離することができ、樹脂テープは使い捨てとすることができる。
図２（ｅ）は、剥離工程により仮基板が除去された状態を示している。Ｓｉ薄膜１０の裏面１２にバリアメタル層８が形成されている場合には、Ｓｉ薄膜１０はバリアメタル層８を介して金属基板２０と接合されている（図示せず）。
透明ガラスからなる仮基板５とＳｉ薄膜１０の主面１１とがＵＶ剥離樹脂で接合されている場合、その接合界面を、ガラス基板側から紫外線を照射することにより分離させることができる。これにより、ＬＳＩ素子は、ＬＳＩが形成されている薄いＳｉ層と、その支持基板である金属基板とによって構成される複層素子構造となる。透明ガラス基板は再利用が可能である。
また、仮基板５として粘着性を持った樹脂テープを用いた場合には、樹脂テープの端面からピーリングして剥離することができ、樹脂テープは使い捨てとすることができる。
【0030】
（ファンアウト構造のＬＳＩ素子）
ＬＳＩ素子は、ファンアウト構造とすることができる。ファンアウト実装は、ＬＳＩの多ピン化により端子ピッチが微細化されてきたのに伴って実用化されてきた実装方式である。図３（ａ）は、従来のＬＳＩ素子３００がファンアウト基板（Ｓｉ基板）３２０に実装され、端子ピッチが広くされている様子を示す。ファンアウト基板３２０のＬＳＩ素子３００側には、ＬＳＩ素子３００と同じピッチで端子が形成され、ファンアウト基板の内層において相互配線がなされて、ファンアウト基板の外部実装面端子１３では広いピッチの端子が形成されている。外部実装面端子１３はプリント基板にフェースダウン実装可能なように広いピッチの端子となっている。本例では、ファンアウト基板３２０にウエーハ状態でＬＳＩ素子３００がフェースダウン実装され、その後樹脂１４が充填され、ウエーハ状態で樹脂成型されている。ＬＳＩ素子３００の裏面側は、素子のＳｉ基板が露出している。ファンアウト基板３２０としてはＳｉ基板の他、樹脂基板が用いられる場合もある。
ＬＳＩ素子は、ファンアウト構造とすることができる。ファンアウト実装は、ＬＳＩの多ピン化により端子ピッチが微細化されてきたのに伴って実用化されてきた実装方式である。図３（ａ）は、従来のＬＳＩ素子３００がファンアウト基板（Ｓｉ基板）３２０に実装され、端子ピッチが広くされている様子を示す。ファンアウト基板３２０のＬＳＩ素子３００側には、ＬＳＩ素子３００と同じピッチで端子が形成され、ファンアウト基板の内層において相互配線がなされて、ファンアウト基板の外部実装面端子１３では広いピッチの端子が形成されている。外部実装面端子１３はプリント基板にフェースダウン実装可能なように広いピッチの端子となっている。本例では、ファンアウト基板３２０にウエーハ状態でＬＳＩ素子３００がフェースダウン実装され、その後樹脂１４が充填され、ウエーハ状態で樹脂成型されている。ＬＳＩ素子３００の裏面側は、素子のＳｉ基板が露出している。ファンアウト基板３２０としてはＳｉ基板の他、樹脂基板が用いられる場合もある。
【0031】
図３（ｂ）は、本実施形態のＬＳＩ素子の製造方法おいて、Ｓｉ薄膜１０の主面１１側に、ファンアウト用配線を形成したファンアウト基板９が接合されているＬＳＩ素子５１を示している。Ｓｉ薄膜１０の裏面には金属基板２０が接合されており、ＬＳＩ素子５１の裏面側には金属基板２０が露出している。Ｓｉ薄膜１０の厚さは、ＬＳＩの構成・作用に必要な最小限の厚さであり、その基体部である金属基板２０の厚さは、ファンアウト構造の素子をフェースダウン実装するのに必要な厚さとされている。この構成によれば、ＬＳＩの発熱を素早く熱伝導性の高い基体部に伝導させ、基体部に接続されるヒートスプレッダを経て外部に効率的に伝導・放射することが可能となる。
【0032】
本実施形態においては、Ｓｉ基板（１００）の主面（１１）側にファンアウト用配線が形成されたファンアウト基板（９）を実装するファンアウト実装工程を含み、前記第１接合工程は、ファンアウト基板（９）を介してＳｉ基板（１００）と仮基板（５）とを接合するように構成することができる。
図４を参照しつつ、ファンアウト実装可能なＬＳＩ素子の製造方法における各工程を説明する。各製造工程は８インチのウエーハ状態で処理を行うが、各図は１つのチップサイズパッケージのＬＳＩ素子に相当する部分の断面を表している。
図４を参照しつつ、ファンアウト実装可能なＬＳＩ素子の製造方法における各工程を説明する。各製造工程は８インチのウエーハ状態で処理を行うが、各図は１つのチップサイズパッケージのＬＳＩ素子に相当する部分の断面を表している。
【0033】
同図（ａ）は、Ｓｉ基板１００の主面１１側の表層部にＬＳＩ１が形成されている状態を示している。基体はＬＳＩと同じＳｉ基板である。Ｓｉ基板１００の主面１１上にはボンディング端子３０が形成されており、この主面側にＳｉからなるファンアウト基板９が接合されている。ファンアウト基板９の内層において相互配線がなされて、ファンアウトの外部実装面には広いピッチのボンディング端子１３が形成されている。
図４（ｂ）は、第１接合工程により、ファンアウト基板９の上面に仮基板５を接合した状態を示している。
同図（ｃ）は、Ｓｉ薄膜化工程により、Ｓｉ基板１００の裏面側を研磨等により除去し、Ｓｉ薄膜１０を残した状態を示している。仮基板５が支持体になるため、Ｓｉ薄膜１０の厚さを５～１０μｍ程度まで薄くすることができる。
同図（ｄ）は、第２接合工程により、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２に金属基板２０を接合した状態を示している。この接合には、ＦＡＢガンを使用するなど常温接合技術を適用することができる。また１０ｎｍ程度の厚さの金薄膜を介して接合することもできる。
同図（ｅ）は、剥離工程により、仮基板５を剥離した状態を示す。
以上により、金属（銅）基体による素子構造を有するファンアウト構造素子５１が完成する。各工程の具体的な内容は、図２により説明した各工程と同様である。
図４（ｂ）は、第１接合工程により、ファンアウト基板９の上面に仮基板５を接合した状態を示している。
同図（ｃ）は、Ｓｉ薄膜化工程により、Ｓｉ基板１００の裏面側を研磨等により除去し、Ｓｉ薄膜１０を残した状態を示している。仮基板５が支持体になるため、Ｓｉ薄膜１０の厚さを５～１０μｍ程度まで薄くすることができる。
同図（ｄ）は、第２接合工程により、Ｓｉ薄膜１０の裏面１２に金属基板２０を接合した状態を示している。この接合には、ＦＡＢガンを使用するなど常温接合技術を適用することができる。また１０ｎｍ程度の厚さの金薄膜を介して接合することもできる。
同図（ｅ）は、剥離工程により、仮基板５を剥離した状態を示す。
以上により、金属（銅）基体による素子構造を有するファンアウト構造素子５１が完成する。各工程の具体的な内容は、図２により説明した各工程と同様である。
【0034】
以上のように製造されたＬＳＩ素子５０及びファンアウト構造のＬＳＩ素子５１は、フェースダウンによりプリント基板に実装して使用することができる。
図７（ａ）は、チップサイズパッケージのＬＳＩ素子５０を、プリント基板２００にフェースダウン実装する例を表している。同図（ｂ）は、ファンアウト構造のＬＳＩ素子５１をプリント基板２００にフェースダウン実装する例を表している。本例では金属基板２０として銅基板を使用しており、その厚さは３００μｍである。またＬＳＩが形成されているＳｉ薄膜１０の厚さは１０μｍである。薄いＳｉ薄膜１０と金属基板２０により、ＬＳＩの発熱を効率良く伝熱することができる。また、Ｓｉ薄膜１０は金属基板２０と接合されているため反りはなく、フェースダウン実装においても安定的に半田付けが可能である。
図７（a）、(b)に示した例において、ＬＳＩの表面で発生した熱は、主として基体である銅基板２０から筐体であるヒートスプレッダ４３０への伝導により放熱される。
図７（ａ）は、チップサイズパッケージのＬＳＩ素子５０を、プリント基板２００にフェースダウン実装する例を表している。同図（ｂ）は、ファンアウト構造のＬＳＩ素子５１をプリント基板２００にフェースダウン実装する例を表している。本例では金属基板２０として銅基板を使用しており、その厚さは３００μｍである。またＬＳＩが形成されているＳｉ薄膜１０の厚さは１０μｍである。薄いＳｉ薄膜１０と金属基板２０により、ＬＳＩの発熱を効率良く伝熱することができる。また、Ｓｉ薄膜１０は金属基板２０と接合されているため反りはなく、フェースダウン実装においても安定的に半田付けが可能である。
図７（a）、(b)に示した例において、ＬＳＩの表面で発生した熱は、主として基体である銅基板２０から筐体であるヒートスプレッダ４３０への伝導により放熱される。
【0035】
図８により、上記のように実装されたＬＳＩ素子５０から筐体への熱伝導による放熱のシミュレーションを説明する。ＬＳＩ素子５０を構成するＳｉ薄膜１０の厚さは１０μｍであり、基体である銅基板の厚さは３００μｍである。
本実施形態に係る銅基体の素子構造で、２０ワットの発熱があり周囲温度が２５℃である場合、筐体を兼ねたヒートスプレッダ部Ｄの点においては３０℃、ヒートスプレッダ部Ｃの点においては５３℃、熱伝導樹脂部Ｂにおいては７６℃、ＬＳＩ部Ａにおいては９０℃となる。よって、周囲温度が８５℃の条件下でも、ＬＳＩ部Ａを１５０℃とすることができる。ヒートスプレッダにヒートパイプの機能を設ける場合には、上記ヒートスプレッダ部Ｄから外部への熱伝導はさらに大きくなり、熱伝導樹脂部Ｂ、ＬＳＩ部Ａにおける温度はさらに低くなる。
一方、一般的なＳｉ基体の素子構造（図９（ａ）参照）で、２０ワットの発熱があり周囲温度が２５℃である場合、筐体を兼ねたヒートスプレッダ部Ｄに当たる点においては３０℃、ヒートスプレッダ部Ｃに当たる点においては７５℃、熱伝導樹脂部Ｂに当たる点においては９８℃、ＬＳＩ部Ａに当たる点においては１３５℃となる。
ＬＳＩ部Ａにおける上記温度差は本実施形態に係る素子構造の効果ということができ、素子を銅基体とすることによりＳｉ基体の場合に比べて温度を４５℃低くすることができる。逆に言えば、温度が４５℃高い範囲まで使用することができる。使用温度が同じであれば、２０ワット以上の高発熱の素子も使用可能であることを意味する。これはファンアウト基板を備えるＬＳＩ素子５１の場合も同様である。
本実施形態に係る銅基体の素子構造で、２０ワットの発熱があり周囲温度が２５℃である場合、筐体を兼ねたヒートスプレッダ部Ｄの点においては３０℃、ヒートスプレッダ部Ｃの点においては５３℃、熱伝導樹脂部Ｂにおいては７６℃、ＬＳＩ部Ａにおいては９０℃となる。よって、周囲温度が８５℃の条件下でも、ＬＳＩ部Ａを１５０℃とすることができる。ヒートスプレッダにヒートパイプの機能を設ける場合には、上記ヒートスプレッダ部Ｄから外部への熱伝導はさらに大きくなり、熱伝導樹脂部Ｂ、ＬＳＩ部Ａにおける温度はさらに低くなる。
一方、一般的なＳｉ基体の素子構造（図９（ａ）参照）で、２０ワットの発熱があり周囲温度が２５℃である場合、筐体を兼ねたヒートスプレッダ部Ｄに当たる点においては３０℃、ヒートスプレッダ部Ｃに当たる点においては７５℃、熱伝導樹脂部Ｂに当たる点においては９８℃、ＬＳＩ部Ａに当たる点においては１３５℃となる。
ＬＳＩ部Ａにおける上記温度差は本実施形態に係る素子構造の効果ということができ、素子を銅基体とすることによりＳｉ基体の場合に比べて温度を４５℃低くすることができる。逆に言えば、温度が４５℃高い範囲まで使用することができる。使用温度が同じであれば、２０ワット以上の高発熱の素子も使用可能であることを意味する。これはファンアウト基板を備えるＬＳＩ素子５１の場合も同様である。
【0036】
また、本実施形態に係る金属基体の素子構造は、金属基体とＬＳＩが形成されているＳｉ層（Ｓｉ薄膜）との接合を素子が使用される温度の上限以下で行うことにより、接合界面で発生する応力を最小限に抑えることができる。すなわち、常温において金属基体にＳｉ層が接合されたＬＳＩ素子は、高温で金属基板にＳｉ層が接合された場合に比べて、ＬＳＩ素子の使用時に接合界面に生じる応力の影響を大幅に抑制することができる。
例えば、銅からなる金属基板の厚さが３００μｍ、Ｓｉ薄膜の厚さが１０μｍであり、ＬＳＩ素子の使用温度が８５℃であるとして、常温接合の効果を試算する。線膨張係数は、銅が１６．８×１０－６、Ｓｉが２．４×１０－６であり、その差は１４．４である。
従来、銅を素子の基体とする場合、Ｓｉ層と銅基体とは高温状態で接合されていた。Ｓｉ層と銅基体とが４００℃で接合されたとすると、接合時の温度と半導体素子の使用時の温度８５℃とは３１５℃の温度差が生じる。そうすると、厚い銅基体によりＳｉ層に反りは発生しないものの、接合時と使用時の間で線膨張係数の差は３１５×１４．４×１０－６＝４．５×１０－３となり、この線膨張係数の差により銅とＳｉとの界面応力が発生し、Ｓｉ層に応力の影響が発生して素子特性上好ましくない。
これに対して、Ｓｉ層（Ｓｉ薄膜）と銅基体とが常温（２５℃）で接合される場合、ＬＳＩ素子の使用時の温度８５℃とは６０℃の温度差に止まる。そうすると、厚い銅基体によりＳｉ薄膜に反りは発生せず、接合時と使用時の間で線膨張係数の差は６０×１４．４×１０－６＝０．８６×１０－３となる。よって、接合時の温度が４００℃であった場合に比べて線膨張係数の差がはるかに小さく、使用時に銅とＳｉとの界面に生じる応力は小さく、Ｓｉ薄膜側に発生する応力の影響は軽微となる。
このようにして、安価で且つ熱伝導率が金属の中で極めて高い（４０１Ｗ／（ｍ・Ｋ））銅材料を用いて、熱伝導性に優れたＬＳＩ素子を構成することができ、接合界面で発生する応力を小さくすることができる。
例えば、銅からなる金属基板の厚さが３００μｍ、Ｓｉ薄膜の厚さが１０μｍであり、ＬＳＩ素子の使用温度が８５℃であるとして、常温接合の効果を試算する。線膨張係数は、銅が１６．８×１０－６、Ｓｉが２．４×１０－６であり、その差は１４．４である。
従来、銅を素子の基体とする場合、Ｓｉ層と銅基体とは高温状態で接合されていた。Ｓｉ層と銅基体とが４００℃で接合されたとすると、接合時の温度と半導体素子の使用時の温度８５℃とは３１５℃の温度差が生じる。そうすると、厚い銅基体によりＳｉ層に反りは発生しないものの、接合時と使用時の間で線膨張係数の差は３１５×１４．４×１０－６＝４．５×１０－３となり、この線膨張係数の差により銅とＳｉとの界面応力が発生し、Ｓｉ層に応力の影響が発生して素子特性上好ましくない。
これに対して、Ｓｉ層（Ｓｉ薄膜）と銅基体とが常温（２５℃）で接合される場合、ＬＳＩ素子の使用時の温度８５℃とは６０℃の温度差に止まる。そうすると、厚い銅基体によりＳｉ薄膜に反りは発生せず、接合時と使用時の間で線膨張係数の差は６０×１４．４×１０－６＝０．８６×１０－３となる。よって、接合時の温度が４００℃であった場合に比べて線膨張係数の差がはるかに小さく、使用時に銅とＳｉとの界面に生じる応力は小さく、Ｓｉ薄膜側に発生する応力の影響は軽微となる。
このようにして、安価で且つ熱伝導率が金属の中で極めて高い（４０１Ｗ／（ｍ・Ｋ））銅材料を用いて、熱伝導性に優れたＬＳＩ素子を構成することができ、接合界面で発生する応力を小さくすることができる。
【0037】
尚、本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。樹脂パッケージとする場合に限らず、セラミックパッケージにＬＳIを実装する場合においても、ＬＳＩ部からセラミックパッケージに至る熱伝導を良くするために、ＬＳＩ素子の基体部を金属（銅）基板とすることは効果がある。
【産業上の利用可能性】
【0038】
半導体の微細化技術の進展とともにＬＳＩは高性能化が進み、一方で高発熱となってきた。本発明の複層素子構造により、高発熱を有効に熱伝導することにより、一層環境温度が高い用途にも適用が出来るようになり、また、一層大きな発熱素子の実装も可能となる。
【符号の説明】
【0039】
１；ＬＳＩ、５；仮基板、８；バリアメタル層、９；ファンアウト基板、
１０；Ｓｉ薄膜、１００；Ｓｉ基板、２０；金属基板（銅基板）、２５；第２基板、
５０～５４；ＬＳＩ素子、２００；プリント基板。
１０；Ｓｉ薄膜、１００；Ｓｉ基板、２０；金属基板（銅基板）、２５；第２基板、
５０～５４；ＬＳＩ素子、２００；プリント基板。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
