特開 2024-125859 半導体装置

(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】P2024125859

(43)【公開日】2024-09-19

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240911BHJP

   H01L 23/373 20060101ALI20240911BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/36 M

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023033967

(22)【出願日】2023-03-06

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩橋 清太

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 功二

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 正太郎

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA02

5E322AB11

5E322FA04

5E322FA09

5F136AA10

5F136BA30

5F136BC02

5F136DA25

5F136EA14

5F136EA41

5F136FA01

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】

【課題】封止空間内に収容された熱伝導材が水分と反応するのを抑える技術を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、基板１０，２０と、基板上に設けられている半導体チップ３０と、半導体チップに対向するヒートシンク５０と、半導体チップとヒートシンクの間に設けられている液体金属の熱伝導材４０と、半導体チップから離れて設けられているとともに半導体チップの周囲を取り囲んでおり、基板とヒートシンクの間に封止空間８０を画定するシール材６０と、半導体チップとシール材の間であって封止空間内の少なくとも一部に設けられている水分バリア材７０と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（１０，２０）と、
前記基板上に設けられている半導体チップ（３０）と、
前記半導体チップに対向するヒートシンク（５０）と、
前記半導体チップと前記ヒートシンクの間に設けられている液体金属の熱伝導材（４０）と、
前記半導体チップから離れて設けられているとともに前記半導体チップの周囲を取り囲んでおり、前記基板と前記ヒートシンクの間に封止空間（８０）を画定するシール材（６０）と、
前記半導体チップと前記シール材の間であって前記封止空間内の少なくとも一部に設けられている水分バリア材（７０）と、を備えている、半導体装置。

【請求項2】

前記熱伝導材が、Ｇａ又はＧａＩｎＳｎである、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記水分バリア材は、前記半導体チップから離れて設けられているとともに前記半導体チップの周囲の少なくとも一部を取り囲む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記水分バリア材は、前記半導体チップの周囲を一巡するように設けられている、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記半導体チップと前記水分バリア材の間の少なくとも一部に設けられているスポンジ材、をさらに備えている、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記水分バリア材が液体金属である、請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記水分バリア材が、Ｇａ又はＧａＩｎＳｎである、請求項６に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記ヒートシンクには前記封止空間に連通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔はキャップによって封止されている、請求項６に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記貫通孔は、前記熱伝導材の存在範囲に連通する第１貫通孔と、前記水分バリア材の存在範囲に連通する第２貫通孔と、を有している、請求項８に記載の半導体装置。

【請求項10】

前記第１貫通孔は、複数の貫通孔を有しており、
前記第２貫通孔は、複数の貫通孔を有している、請求項９に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

【0002】

特許文献１には、基板と、基板上に設けられている半導体チップと、半導体チップに対向するヒートシンクと、半導体チップとヒートシンクの間に設けられている液体金属の熱伝導材と、を備えた半導体装置が開示されている。この半導体装置はさらに、半導体チップから離れて設けられているとともに半導体チップの周囲を取り囲んでおり、基板とヒートシンクの間に封止空間を画定するシール材を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ＷＯ２０２０／１６２４１７Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような半導体装置では、例えば高湿度な環境においてシール材を介して封止空間内に水分が浸入することが懸念される。封止空間内に浸入した水分が液体金属の熱伝導材に触れると、熱伝導材と水分が反応し、熱伝導材が変質する。本明細書は、封止空間内に収容された熱伝導材が水分と反応するのを抑える技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する半導体装置は、基板（１０，２０）と、前記基板上に設けられている半導体チップ（３０）と、前記半導体チップに対向するヒートシンク（５０）と、前記半導体チップと前記ヒートシンクの間に設けられている液体金属の熱伝導材（４０）と、前記半導体チップから離れて設けられているとともに前記半導体チップの周囲を取り囲んでおり、前記基板と前記ヒートシンクの間に封止空間（８０）を画定するシール材（６０）と、前記半導体チップと前記シール材の間であって前記封止空間内の少なくとも一部に設けられている水分バリア材（７０）と、を備えていてもよい。

【0006】

上記半導体装置では、前記熱伝導材と前記シール材の間に前記水分バリア材が設けられている。このため、前記シール材を介して前記封止空間内に水分が浸入しても、浸入した水分が前記水分バリア材を超えて前記熱伝導材に到達することが抑制される。上記半導体装置では、前記封止空間内に収容された前記熱伝導材が水分と反応することが抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】半導体装置の要部断面図を模式的に示す図である。

【図2】図１の半導体装置であって、ヒートシンクを取り外した状態の半導体装置の平面図を模式的に示す図である。

【図3】図１の半導体装置の変形例であって、ヒートシンクを取り外した状態の半導体装置の平面図を模式的に示す図である。

【図4】図１の半導体装置の変形例であって、ヒートシンクを取り外した状態の半導体装置の平面図を模式的に示す図である。

【図5】図１の半導体装置の変形例であって、半導体装置の要部断面図を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１及び図２に示すように、半導体装置１は、回路基板１０と、インターポーザ２０と、半導体チップ３０と、熱伝導材４０と、ヒートシンク５０と、シール材６０と、水分バリア材７０と、を備えている。回路基板１０とインターポーザ２０と半導体チップ３０と熱伝導材４０とヒートシンク５０は、この順で積層している。本明細書では、回路基板１０とインターポーザ２０を合わせて基板という。

【0009】

半導体チップ３０は、特に限定されるものではないが、例えば車両に搭載される各種機器を制御するための集積回路であってもよい。半導体チップ３０は、インターポーザ２０を介して回路基板１０に搭載されており、インターポーザ２０を介して回路基板１０に電気的に接続されている。このように、半導体チップ３０は、回路基板１０とインターポーザ２０からなる基板上に設けられている。

【0010】

熱伝導材４０は、半導体チップ３０とヒートシンク５０の間に設けられており、半導体チップ３０とヒートシンク５０の双方に接触している。熱伝導材４０は、半導体チップ３０で発生した熱をヒートシンク５０に放熱する役割を担っている。熱伝導材４０は、融点が１００℃以下であり、少なくとも半導体チップ３０が動作したときに流動性を有する材料で構成されている。熱伝導材４０は、常温（例えば２０℃）において流動性を有していてもよいし、有していなくてもよい。熱伝導材４０は、特に限定されるものではないが、例えばガリウム（Ｇａ）を主成分とする液体金属であってもよい。具体的には、熱伝導材４０は、例えばＧａ、ＧａＩｎＳｎであってもよい。なお、ガリウム（Ｇａ）を主成分とする液体金属は、常温（例えば２０℃）において流動性を有している。熱伝導材４０としてこのような液体金属が用いられると、熱伝導材４０と半導体チップ３０の間の界面熱抵抗及び熱伝導材４０とヒートシンク５０の間の界面熱抵抗の双方が低く抑えられる。また、熱伝導材４０は、金属を含んでいるので高い熱伝導率を有している。したがって、半導体装置１は、高い放熱性能を有することができる。

【0011】

ヒートシンク５０は、プレート状の金属材料で構成されており、特に限定されるものではないが、例えば銅又はアルミニウム等の高熱伝導率の金属材料で構成されている。ヒートシンク５０は、図示よりもさらに側方にまで延びており、その側方部分でフィンに接続されている。

【0012】

シール材６０は、半導体チップ３０から離れて設けられているとともに半導体チップ３０の周囲を一巡するように取り囲んでいる。シール材６０は、インターポーザ２０とヒートシンク５０の間に設けられており、インターポーザ２０とヒートシンク５０の双方に接触している。このように、シール材６０は、インターポーザ２０とヒートシンク５０の間に封止空間８０を画定している。シール材６０は、封止空間８０内に収容されている液体金属が外部に漏れ出すのを防止する。シール材６０は、特に限定されるものではないが、例えば樹脂等で構成されていてもよい。

【0013】

水分バリア材７０は、封止空間８０内であって半導体チップ３０とシール材６０の間に設けられている。水分バリア材７０は、半導体チップ３０から離れて設けられているとともに半導体チップ３０の周囲を取り囲んでいる。この例では、水分バリア材７０は、シール材６０に隣接しており、シール材６０の内側面に沿って半導体チップ３０の周囲を一巡するように取り囲んでいる。水分バリア材７０にはシール材６０よりも水分の移動を抑制可能な様々な材料を採用することができる。水分バリア材７０は、特に限定されるものではないが、例えばガリウム（Ｇａ）を主成分とする液体金属であってもよい。具体的には、水分バリア材７０は、例えばＧａ、ＧａＩｎＳｎであってもよい。このように、水分バリア材７０は、熱伝導材４０と同一材料の液体金属であってもよい。この例に代えて、水分バリア材７０は、水分を吸着する吸着材であってもよい。

【0014】

例えば高湿度な環境では、シール材６０を介して封止空間８０内に水分が浸入することがある。仮に、水分バリア材７０が設けられていないとすると、封止空間８０内に浸入した水分が液体金属である熱伝導材４０に触れて熱伝導材４０と水分が反応する。例えば、熱伝導材４０がＧａからなる液体金属で構成されている場合、以下の反応式に示すように、熱伝導材４０と水分の反応によって酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）と水素（Ｈ₂）が生成される。なお、他の種類の液体金属であっても、同様に金属酸化物と水素が発生し得る。
２Ｇａ＋３Ｈ₂Ｏ → Ｇａ₂Ｏ₃＋３Ｈ₂

【0015】

酸化ガリウムは固体である。このため、液体金属である熱伝導材４０の一部が固体に変質することにより、熱伝導材４０と半導体チップ３０の間及び熱伝導材４０とヒートシンク５０の間の接触性が悪化し、半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の熱抵抗が増加する。また、水素が発生することにより、熱伝導材４０の一部が半導体チップ３０とヒートシンク５０の間から漏れ出し、半導体チップ３０とヒートシンク５０の間に空隙が形成され、半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の熱抵抗が増加する。このように、水分バリア材７０が設けられていないと、封止空間８０内に浸入した水分と熱伝導材４０の反応によって半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の熱抵抗が増加する。

【0016】

一方、半導体装置１では、熱伝導材４０とシール材６０の間に、液体金属である水分バリア材７０が設けられている。このため、シール材６０を介して封止空間８０内に水分が浸入しても、水分バリア材７０と水分が反応することにより、水分バリア材７０を超えて封止空間８０のさらに内側に水分が移動することが抑えられる。このように、浸入した水分の移動を水分バリア材７０が抑制することにより、熱伝導材４０と水分との反応が抑えられる。半導体装置１では、熱伝導材４０と水分の反応による半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の熱抵抗の増加が抑えられるので、半導体装置１は放熱性能を維持することができる。半導体装置１は、長期間の信頼性を有することができる。

【0017】

図２に示すように、半導体装置１では、水分バリア材７０が半導体チップ３０の周囲を一巡するように設けられている。これにより、半導体装置１では、シール材６０の任意の位置から浸入した水分の熱伝導材４０への移動を水分バリア材７０が抑制できるので、熱伝導材４０と水分との反応が効果的に抑えられる。なお、図３に示すように、水分バリア材７０の一部が途切れていてもよい。この場合も、上記と同様の効果が十分に得られる。また、半導体装置１では、水分バリア材７０が熱伝導材４０から離れて配置されており、熱伝導材４０と水分バリア材７０の間に空気層が介在している。これにより、水分バリア材７０が水分と反応しても、その影響が熱伝導材４０に及ぶことが抑えられている。なお、図４に示すように、熱伝導材４０と水分バリア材７０の間の一部に、これらと同一材料の液体金属である接続領域７２が設けられていてもよい。この場合も、上記と同様の効果が十分に得られる。なお、熱伝導材４０と水分バリア材７０の間の封止空間８０内にスポンジ材が設けられていてもよい。封止空間８０内に浸入した水分が熱伝導材４０に到達することがさらに抑えられるので、熱伝導材４０と水分との反応がより効果的に抑えられる。

【0018】

図５に、半導体装置１の変形例を示す。変形例の半導体装置１では、ヒートシンク５０に第１貫通孔５２と第２貫通孔５４が形成されている。第１貫通孔５２は、熱伝導材４０の存在範囲に連通するように形成されており、第１キャップ９２によって封止されている。第２貫通孔５４は、水分バリア材７０の存在範囲に連通するように形成されており、第２キャップ９４によって封止されている。キャップ９２，９４は、特に限定されるものではないが、例えば樹脂で構成されていてもよい。また、変形例の半導体装置１では、ヒートシンク５０の下面に、熱伝導材４０の存在範囲に対応して凹部５６が形成されている。ヒートシンク５０の凹部５６は、平面視したときに、半導体チップ３０よりも内側の範囲に形成されている。熱伝導材４０は、ヒートシンク５０の凹部５６に収まるように配置されている。

【0019】

これら貫通孔５２，５４は、液体金属を封止空間８０内に注入するために利用される。例えば、第２貫通孔５４が液体金属を注入するための貫通孔であり、第１貫通孔５２が液体金属を注入しているときのベントのための貫通孔であってもよい。

【0020】

変形例の半導体装置１は、例えば次の手順で製造されてもよい。まず、インターポーザ２０を介して回路基板１０上に半導体チップ３０を搭載する。次に、インターポーザ２０上であって半導体チップ３０の周囲にシール材６０を塗布する。次に、半導体チップ３０に対向するようにヒートシンク５０を組付ける。次に、シール材６０を硬化させることにより、インターポーザ２０とヒートシンク５０を接着する。

【0021】

次に、第２貫通孔５４を介して封止空間８０内に液体金属を注入する。注入された液体金属は、半導体チップ３０とシール材６０の間に充填され、水分バリア材７０を形成する。液体金属の注入を継続すると、液体金属が半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の隙間（即ち、ヒートシンク５０の凹部５６の周囲であって、半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の距離が狭い部分）を超えてヒートシンク５０の凹部５６に流入する。ヒートシンク５０の凹部５６に流入した液体金属は、凹部５６内に充填され、熱伝導材４０を形成する。なお、液体金属の表面張力は大きく、濡れ性は悪い。このため、液体金属は半導体チップ３０とヒートシンク５０の間の隙間に残存することはできず、熱伝導材４０と水分バリア材７０は離れて配置されることとなる。最後に、貫通孔５２，５４をキャップ９２，９４で封止することにより、変形例の半導体装置１が完成する。このように、ヒートシンク５０に貫通孔５２，５４が形成された変形例の半導体装置１は、製造に適した構造を備えている。

【0022】

上記例では、ヒートシンク５０に１つの第１貫通孔５２と１つの第２貫通孔５４が形成されていた。この例に代えて、熱伝導材４０の存在範囲に連通する複数の第１貫通孔５２が形成され、水分バリア材７０の存在範囲に連通する複数の第２貫通孔５４が形成されていてもよい。複数の第１貫通孔５２の集合と複数の第２貫通孔５４の集合の各々が、液体金属を注入するための貫通孔とベントのための貫通孔を有している。この例では、熱伝導材４０と水分バリア材７０を別々に形成することができる。

【0023】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

【0024】

（特徴１）
基板（１０，２０）と、
前記基板上に設けられている半導体チップ（３０）と、
前記半導体チップに対向するヒートシンク（５０）と、
前記半導体チップと前記ヒートシンクの間に設けられている液体金属の熱伝導材（４０）と、
前記半導体チップから離れて設けられているとともに前記半導体チップの周囲を取り囲んでおり、前記基板と前記ヒートシンクの間に封止空間（８０）を画定するシール材（６０）と、
前記半導体チップと前記シール材の間であって前記封止空間内の少なくとも一部に設けられている水分バリア材（７０）と、を備えている、半導体装置。

【0025】

（特徴２）
前記熱伝導材が、Ｇａ又はＧａＩｎＳｎである、特徴１に記載の半導体装置。

【0026】

（特徴３）
前記水分バリア材は、前記半導体チップから離れて設けられているとともに前記半導体チップの周囲の少なくとも一部を取り囲む、特徴１又は２に記載の半導体装置。

【0027】

（特徴４）
前記水分バリア材は、前記半導体チップの周囲を一巡するように設けられている、特徴３に記載の半導体装置。

【0028】

（特徴５）
前記半導体チップと前記水分バリア材の間の少なくとも一部に設けられているスポンジ材、をさらに備えている、特徴３又は４に記載の半導体装置。

【0029】

（特徴６）
前記水分バリア材が液体金属である、特徴１～５のいずれか１つに記載の半導体装置。

【0030】

（特徴７）
前記水分バリア材が液体金属である、Ｇａ又はＧａＩｎＳｎである、特徴６に記載の半導体装置。

【0031】

（特徴８）
前記ヒートシンクには前記封止空間に連通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔はキャップによって封止されている、特徴６又は７に記載の半導体装置。

【0032】

（特徴９）
前記貫通孔は、前記熱伝導材の存在範囲に連通する第１貫通孔と、前記水分バリア材の存在範囲に連通する第２貫通孔と、を有している、特徴８に記載の半導体装置。

【0033】

（特徴１０）
前記第１貫通孔は、複数の貫通孔を有しており、
前記第２貫通孔は、複数の貫通孔を有している、特徴９に記載の半導体装置。

【0034】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0035】

１：半導体装置、 １０：回路基板、 ２０：インターポーザ、 ３０：半導体チップ、 ４０：熱伝導材、 ５０：ヒートシンク、 ６０：シール材、 ７０：水分バリア材、 ８０：封止空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】