JPH09107050A - Semiconductor device mounting structure - Google Patents
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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。
(57) Abstract: In a semiconductor device, heat dissipation is improved from the package surface to improve the breakdown resistance. A wettability with the liquid metal 13 is applied to a region of the surface of a metal layer 8 on the stem 3 to be in contact with the liquid metal 13, a surface of a resin 11 covering the semiconductor chip 1, and an inner surface of a metal cap 15. Copper layer 1 which is a metal layer having
After providing 2, the space formed by the metal cap 15 and the stem 3 was filled with the liquid metal 13 and the inert gas 16.
Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to mounting an element that requires heat dissipation during operation.
【0002】[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。2. Description of the Related Art A can package typified by TO-3 as shown in FIG. 5 is widely used for mounting a power semiconductor device which requires reliability. Most of this method is
An electrode 102 electrically insulated and mechanically connected by a sealing low melting point glass 101 such as Kovar or borosilicate glass is formed on a stem 100 made of an alloy containing iron, copper and nickel as a main component. Stem 1 on the back
00, and the pad electrode of the semiconductor chip 1 and the electrode 102 are electrically connected by the wire 103. The chip and the wire 103 are sealed by filling the inert gas 16 with the sealing cap 104 made of the same material as the stem 100 and the stem 100.
【0003】[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。If excessive power is accidentally applied to this package, the stem 1
The semiconductor chip 1 may be peeled from 00, or the semiconductor chip 1 may be cracked due to the difference in the coefficient of thermal expansion. As described above, the semiconductor chip 1 often locally deteriorates due to heat generation to deteriorate the performance as an element even if the element is not completely destroyed. Of course, it is necessary to avoid inputting an excessive amount of power, but heat is generated from the semiconductor chip 1 on the surface thereof, but heat is radiated only from the back surface of the chip, which is a factor that requires reliability. As a result, it has been desired to improve the fracture resistance from the viewpoint of the package.
【0004】[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。Means for Solving the Problems As a means for solving the above-mentioned problems, the present invention uses a structure as set forth in the claims. That is, as described in claim 1 as the first means, it has good heat and electric conductivity and at least the "first metal such as mercury and indium which becomes liquid at the operating temperature of the semiconductor chip" on the surface. At least the surface of the second metal on the stem is a metal plate made of "a second metal which is an iron or nickel that does not form an alloy with the first metal or an alloy thereof" in the region to be contacted with the stem. A layer of "a third metal such as gold, silver, copper, tin, and aluminum that has wettability with the first metal" is provided in a region to be contacted with the first metal, and electrically insulated in the stem. A semiconductor element including a transistor having an electrode penetrating through the front and back surfaces, the back surface being adhered to a portion other than the electrode portion on the metal plate, and electrically connected to the metal plate and the electrode is formed. Semiconductor chip And has an epoxy or polyimide resin material that thinly coats and connects the surface of at least the electrically conductive substance on the surface of the semiconductor chip and the surface of the electrical connection portion, A metal cap made of the same material as the metal plate, which has three metal layers and is adhered to the metal plate so as to enclose the semiconductor chip and the resin material and seals the inside. The third metal layer, and the space formed by the stem and the metal cap is filled with a metal that becomes a liquid at the operating temperature of the semiconductor chip, and the first metal such as helium, nitrogen, argon, or xenon. Any one of inert gas or a mixed gas that does not react with the metal is larger than the volume in which the metal expands due to the change in operating temperature of the semiconductor chip and Is obtained by the mounting structure filled volume fraction can be present as bubbles in the metal.
【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。As a second means, as described in claim 2, in the first method, the semiconductor chip 1 having the second metal layer on at least the surface layer of the back surface is bonded face down on the stem. In addition, the mounting structure is such that the gap between the semiconductor chip 1 and the stem and the periphery of the chip are filled and insulated with a resin material while being electrically connected at the same time.
【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。As a third means, as described in claim 3, the first or second means is made of a similar material formed inside the metal cap by being thermally coupled to the metal cap. This is a mounting structure in which one or more protrusions are arranged so as to be close to and not in contact with the semiconductor chip.
【0007】[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。First, the operation of the present invention will be described. By using the first means, the operation of the semiconductor chip in the cap that does not deteriorate in strength due to contact with mercury or indium by adding a few steps to the conventional mounting method using a can package. A metal that becomes liquid at a temperature can be filled, and heat can be radiated from the surface of the semiconductor chip through the liquid metal by heat conduction, and the heat radiation performance is remarkably improved as compared with the conventional case of using a filling gas such as nitrogen. Further, since the liquid metal is used and a small amount of the bubbles of the inert gas are simultaneously enclosed in the filling of the liquid metal, the pressure applied to the semiconductor chip in order to relieve the pressure in the cap caused by the volume expansion accompanying the temperature rise of the liquid metal. Can be made small and uniform.
Moreover, in particular, when mercury is used as the liquid metal,
It is known that mercury has a very high surface tension. If a small amount of air is taken into the inside as mercury by forming a material that has a wettability or alloys with the area around which mercury contacts, Does not allow air bubbles to come into contact with the outer surface that contacts. By using the material having wettability, the adhesion between the semiconductor chip, the mercury and the metal cap is improved, and the heat transfer efficiency in the heat transfer path from the semiconductor chip to the metal cap via the mercury is improved.
【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。By using the second means, the liquid metal comes into contact with the back surface even when the power semiconductor chip is mounted by using the bump, so that the electrical resistivity is 40% as compared with the material such as the connecting wire. About twice as high, but much larger cross-sectional area (depending on the chip size, about 100 times or more)
Therefore, the electric resistance can be suppressed to be low.
【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。By using the third means, in the first or second means, a protrusion made of a similar material that is thermally coupled to the metal cap is formed inside the metal cap on the semiconductor chip. Since the mounting structure is arranged so as to be close to and not in contact with each other, in the structure of the first means, the thermal conductivity of the protrusion is lower than that of the liquid metal, and the structure is connected to the cap to be cooled, so that the direct heat conduction is improved. In addition, when the chip is installed horizontally, the convection with the liquid metal is promoted between the protrusion on the cooling side and the semiconductor chip on the heat generating side. In the structure according to the second means, the electrical resistance of the liquid metal can be improved without the protrusions exerting stress on the semiconductor chip.
【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。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the drawings are deformed for ease of description, and the vertical and horizontal dimensional ratios and the dimensional ratios of respective constituent parts are shown. It does not reflect accurately. Further, the numerical values and materials used in the present embodiment are examples used to realize the embodiment, and the numerical values are not limited to the following, and the materials have the characteristics shown in the claims. It is not limited to the following as long as it is shown.
【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。FIG. 1 is a diagram for explaining the first embodiment of the present invention. Semiconductor elements such as transistors are formed on the surface of the semiconductor chip 1, and these can be connected to the outside from the pad electrodes 2 on the semiconductor chip 1. The surface of 1 is covered with an insulating film. Stem 3 is 3m thick
The base 5 made of copper is joined to a part of the metal made of 42-nickel alloy of m or other alloy having good heat conduction by silver-copper solder 6, and the back surface of the semiconductor chip 1 is in this region. Are joined using lead-tin solder 7. On the other hand, when a material other than iron-nickel alloy or the like is used for the stem 3, when mercury is used as the liquid metal 13 on the surface in the region sealed by the metal cap 15, it is not alloyed with mercury (does not form amalgam). When the metal layer 8 made of iron, nickel or an alloy thereof is formed to a thickness of 1 μm, the stem 3 is not attacked by mercury and the strength does not deteriorate. Further, in the above-mentioned sealing region, a lead 9 made of a package lead wire material typified by a copper-core iron-chromium wire penetrating the stem 3 is insulated and bonded using a low melting point sealing glass 4 such as Kovar glass. . The pad electrode 2 on the semiconductor chip 1 bonded on the base 5 and the lead 9 are connected by a bonding wire 10. The polyimide resin or the epoxy resin 11 is formed to have a minimum thickness necessary to obtain a withstand voltage so as to thinly cover the exposed portion of the conductive material, but if it is too thick, the thermal resistance becomes large and the heat dissipation deteriorates. It is preferable that the element formation region of the semiconductor chip 1 be formed particularly thin or not formed. Further, in order to improve the wettability of the liquid metal 13 with mercury, a 1 μm-thick copper layer 12 is vapor-deposited on the surface of the resin 11, and the gas to be enclosed later is the liquid metal (mercury) 13.
Trapped inside. The copper layer may be gold, silver, tin, lead, etc., but copper is the cheapest of these. Here, the outer surface is treated with nickel plating to prevent contact, and the inner surface is covered with liquid metal (mercury).
A copper layer 12 having wettability with 13 is formed in advance, and an iron metal cap 15 provided with an injection port 14 for injecting the liquid metal (mercury) 13 is resistance-welded so as to cover the above-mentioned sealing region. . After that, liquid metal (mercury) in the sealed space
13 is injected and nitrogen gas is sealed as the inert gas 16 to seal the injection port 14. In this embodiment, the size of each part is almost the same as that of TO-3.
Since the volume inside 5 is approximately 2.2 cm 3 , when the temperature of the liquid metal (mercury) 13 rises from 25 ° C. to 150 ° C., the body expansion coefficient (0.182 × 10 −3 (deg −1 ) increases the expanded volume). Since it is 5 mm 3 , the above inert gas 16
When 10 mm 3 is injected, the expansion of the liquid metal (mercury) 13 can be absorbed and the deformation of the metal cap 15 and the stem 3 can be prevented. With the above structure, the inner surface of the package is covered with a material having wettability with mercury. Therefore, regardless of the mounting direction of the package, the extremely large surface tension of the liquid metal (mercury) 13 causes the inert gas 16 to form bubbles. As a result, it is possible to prevent the bubbles from coming into contact with the liquid metal (mercury) 13 and particularly contacting the semiconductor chip 1 side to hinder the heat conduction. From the above, liquid metal (as mercury, thermal conductivity: about 8 to 9 (WM
-1 K -1 )) 13 and heat can be dissipated by heat conduction, and the conventional filling gas (as nitrogen, thermal conductivity: about 0.
026 (WM -1 K -1 )), the heat dissipation is 300
It is significantly more than doubled, and stable heat radiation can be realized regardless of the mounting direction. Further, since the heat medium for heat dissipation is liquid, heat conduction by convection can be expected, and heat dissipation is further improved. In addition, since the semiconductor chip 1 is covered with mercury (liquid metal 13) which is a heavy metal containing almost no radioactive isotope, there is an effect that the radiation resistance is significantly improved.
【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。The second embodiment will be described below. In the second embodiment, the semiconductor chip 1 in the first embodiment is joined to the stem face down using solder bumps, and the gap between the semiconductor chip 1 and the stem and the peripheral edge of the semiconductor chip 1 are made of a resin material. It is a mounting structure that is filled and insulated by using. The second embodiment will be described below with reference to FIG.
【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。The stem 17 is made of a metal plate made of the same material as that of the stem 3 in the first embodiment.
Similarly to the above, a semiconductor layer in which a metal layer 8 that does not alloy with a liquid metal is formed on the surface in a region sealed by the metal cap 15 on the stem 17, and leads 9 penetrating the stem 17 are bonded facedown. The chips 1 are insulated and bonded to the positions corresponding to the pad electrodes by using Kovar glass. The pad electrodes of the semiconductor chip 1 on the stem 17 are bonded on the leads 9 using the bumps 18 of lead-tin solder, so that the semiconductor chip 1 and the stem 1 are joined together.
The space between 7 and the periphery of the semiconductor chip 1 are filled with epoxy resin or polyimide resin 11 to be insulated from the surroundings. Further, in order to improve the wettability with the liquid metal 13 in the above-mentioned sealing region, at least the back surface of the semiconductor chip 1 is
A copper layer 12 of μm is vapor-deposited. The metal cap 15 filled with the liquid metal 13 and the inert gas 16 is sealed to the above structure as in the first embodiment.
【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。According to the above structure, the power semiconductor chip 1
Since the liquid metal 13 comes into contact with the back surface even when the bumps are mounted using the bumps 18, the low electrical efficiency is about 40 times higher than that of a material such as an aluminum wire for connection when mercury is taken as an example, but the cross-sectional area is much larger. Large (depending on the chip size, it is about 1
The electrical resistance can be suppressed to a low level because it can be reduced to about 100 times or more), and not only the on-resistance of the device can be reduced, but also the electrical connection is made by the liquid metal 13, so that a local stress is not generated. Reliability is significantly improved because it does not exist.
【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。Since the non-wetting portion of the liquid metal 13 is also in contact with the liquid metal 13, heat is radiated, and the inert gas 16 to be filled is fixed in the non-wetting region due to the surface tension of the liquid metal 13. Therefore, it is preferable not to form the metal layer (copper layer 12) for improving the wettability in the region 19 which does not hinder the heat radiation, taking the region in FIG. 2 as an example. It can be applied.
【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。The third embodiment will be described below. In the third embodiment, a protrusion made of the same material that is thermally coupled to the metal cap 15 inside the metal cap 15 in the first or second embodiment is close to and in contact with the semiconductor chip 1. This is a mounting structure that is arranged so that it will not be placed. The following description will be made with reference to FIGS. 3 and 4, but the description of the same parts as those in the first and second embodiments will be omitted.
【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。FIG. 3 is an application of the third embodiment to the first embodiment, in which the pillar 2 made of the same material as the metal cap 15 or the stem 3 is provided inside the metal cap 15.
0 is joined by welding, and the surface thereof has a thickness of 1 μm of a thin metal film having wettability with the liquid metal 13, for example, a copper layer 1 against mercury
2 is formed in advance. Although the pillar 20 has a length that does not contact the surface of the semiconductor chip 1, it is preferable that the tip end of the pillar 20 be as close as possible in terms of thermal coupling. As a result, liquid metal with poor thermal conductivity 1
From 3 (8-9 (WM -1 K -1 for mercury)) to the material of the column 20 having good thermal conductivity, the cross-section integral of the column 20 is improved in thermal conductivity, and the effect is to use 42 nickel alloy for the column 20. If so, the thermal conductivity is about 13 (WM -1 K -1 ), so pillar 2
About 150% per 0 cross section, about 84 (W for pure iron)
Since it is M −1 K −1 ), heat dissipation is improved about 10 times. Further, when the semiconductor chip 1 is installed so that its surface is downward and horizontal, the heat generating portion is located below the metal cap 15 on the upper cooling side, and liquid convection is unlikely to occur, but the protrusions are cooling points. Since it is close to the semiconductor chip 1, convection of the liquid metal 13 is promoted and heat dissipation is improved. Since the pillar 20 is not directly mounted, the semiconductor chip 1
No local stress is applied to the same as in the above embodiment.
【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。FIG. 4 is an application of this embodiment to the first embodiment. One end of the semiconductor chip 1 is close to the back surface of the semiconductor chip 1 and a pillar 20 having the same structure as that shown in FIG. 3 is installed. Has been done. In the present embodiment, since the pillar 20 can be used as a conductor, the cross-sectional integral resistance of the pillar 20 is improved by replacing it with the liquid metal 13 having a high resistivity (mercury has a low efficiency of 96 (μΩcm at 20 ° C.)). . As an example, when pure iron is used for the pillar 20, the low efficiency is 9.8 (μΩcm at 20
C.), the cross-sectional area can be reduced to one-tenth, and the electrical resistance of the liquid metal 13 and thus the on-resistance of the device can be further improved without the pillars 20 stressing the semiconductor chip 1.
【0019】[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。The effects of the present invention are summarized below.
According to the first aspect of the invention, since the liquid metal and a small amount of inert gas are enclosed in the metal package and the liquid metal is brought into contact with the insulated semiconductor chip surface, the heat dissipation from the semiconductor chip surface is remarkably improved. In addition, stable heat radiation can be realized regardless of the mounting direction. Further, since the heat medium for heat dissipation is liquid, heat conduction by convection can be expected, and heat dissipation is further improved. In addition, since the chip is covered with mercury, which is a heavy metal containing almost no radioisotope, it has an effect of significantly improving radiation resistance.
【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。According to the second aspect of the invention, the semiconductor chip is joined to the stem face down using solder bumps, and the gap between the semiconductor chip and the stem and the periphery of the chip are filled and insulated with a resin material. Since the structure is used, in addition to the above effects, even when a power semiconductor chip is mounted using bumps, the liquid metal comes into contact with the back surface. Since the connection cross-sectional area can be made much larger than that of wires, the electrical resistance connecting to the back surface of the chip can be suppressed to a low level, not only the on-resistance of the device can be lowered, but also the electrical connection can be made by liquid metal. Since this is done, no local stress is applied and reliability is significantly improved.
【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。According to the third aspect of the present invention, a metal column having good thermal conductivity and a surface having a wettability with a liquid metal is joined inside the cap of the package, and the chip surface is brought into as close as possible but not contacted. Since the structure is adopted, in addition to the above effects, the drawback of liquid metal having a relatively poor thermal conductivity is remarkably improved, and the heat dissipation is further improved, and further when the surface of the semiconductor chip is installed so as to be downward and horizontal. In the above, since the heat generating portion is located above the upper cooling side cap, liquid convection is unlikely to occur, but since the protrusion serves as a cooling point and is close to the semiconductor chip, convection of liquid metal is promoted to improve heat dissipation. . Furthermore, in addition to the effect of the second embodiment, the disadvantage of liquid metal having a relatively poor resistivity can be remarkably improved, and the on-resistance of the device can be further improved.
【図1】本発明にかかる実施の形態1を説明する断面
図。FIG. 1 is a sectional view illustrating a first embodiment according to the present invention.
【図2】本発明にかかる実施の形態2を説明する断面
図。FIG. 2 is a sectional view illustrating a second embodiment according to the present invention.
【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。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a first application example of the third embodiment according to the present invention.
【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。FIG. 4 is a sectional view for explaining a first application example of the third embodiment according to the present invention.
【図5】本発明に対し従来例を説明する断面図。FIG. 5 is a sectional view illustrating a conventional example of the present invention.
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 1 Semiconductor Chip 2 Pad Electrode 3 Stem 4 Low Melting Point Sealing Glass 5 Base 6 Silver-Copper Solder 7 Lead-Tin Solder 8 Metal Layer (Second Metal) 9 Lead 10 Bonding Wire 11 Resin (Polyimide Resin or Epoxy Resin) 12 Copper layer (third metal) 13 Liquid metal (first metal) 14 Injection port 15 Metal cap 16 Inert gas 17 Stem 18 Bump 19 Region (region where copper layer 12 is not formed) 20 Pillars
Claims (3)
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。1. A first metal and an alloy are formed in a region having good heat and electric conductivity and at least in contact with the "first metal which becomes liquid at an operating temperature of a semiconductor chip" on the surface. A second metal that does not have a second metal ", at least the first metal surface of the second metal on the metal plate.
Has a “third metal having wettability with the first metal” layer in a region to be contacted with the metal, and has electrodes that are electrically insulated and penetrate the front and back in the metal plate, A semiconductor chip formed with a semiconductor element including a transistor, the back surface of which is adhered to a portion other than the electrode portion on the plate and which is electrically connected to the metal plate and the electrode; A resin material that thinly coats and insulates the surface of at least the part where the conductive material is exposed and the electrical connection part, and has the third metal layer on the surface of the resin material, and the semiconductor chip and the resin A metal cap made of the same material as the metal plate, which is attached to the metal plate so as to enclose the material and seals the inside, and has the third metal on the inner surface of the metal cap, the metal plate And metal In the space formed by the cap, the first metal has a volume larger than that of the first metal that expands due to a change in operating temperature of the semiconductor chip and that can exist as bubbles in the metal. A mounting structure for a semiconductor device having a space filled with one of helium, nitrogen, argon, xenon, or a mixed gas.
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。2. The structure according to claim 1, further comprising the semiconductor chip that is face down bonded and electrically connected to the electrode on the metal plate, and the second chip is provided on at least a surface layer of a back surface of the semiconductor chip. And a resin material for filling and insulating the gap between the semiconductor chip and the metal plate and the peripheral edge of the chip.
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。3. The structure according to claim 1, wherein the metal cap has one or more protrusions made of the same material as the metal cap and having a third metal layer on the surface thereof. A mounting device for a semiconductor device, wherein one end of the protrusion is fixed to the metal cap so as to be thermally coupled, and the other end is arranged so as to be close to and not to contact the semiconductor chip.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7264096A JPH09107050A (en) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | Semiconductor device mounting structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7264096A JPH09107050A (en) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | Semiconductor device mounting structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09107050A true JPH09107050A (en) | 1997-04-22 |
Family
ID=17398460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7264096A Pending JPH09107050A (en) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | Semiconductor device mounting structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09107050A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006179791A (en) * | 2004-12-24 | 2006-07-06 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
| WO2011111126A1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-09-15 | パナソニック株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing same |
| JP2012520575A (en) * | 2009-03-16 | 2012-09-06 | エーティーアイ・テクノロジーズ・ユーエルシー | Multi-die semiconductor package with heat spreader |
-
1995
- 1995-10-12 JP JP7264096A patent/JPH09107050A/en active Pending
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| JP4801797B1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-10-26 | パナソニック株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US8384212B2 (en) | 2010-03-10 | 2013-02-26 | Panasonic Corporation | Semiconductor equipment and method of manufacturing the same |
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