专利名称：半导体装置以及含有该半导体装置的半导体模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体模块，更具体而言，涉及一种具有高散热效率的半导体装置以及包含该半导体装置的半导体模块，所述半导体装置包括半导体芯片、安装到半导体芯片背面的散热片以及用于将半导体芯片和散热片结合在一起的粘合剂。
背景技术：
近年来，包括许多半导体芯片的半导体装置的性能已日益改善，并导致了流过半导体芯片的负载电流的量不断增大的趋势。在这样的趋势下，在半导体芯片内部的负载电流量的损失不可避免地增大，半导体芯片内部的负载电流损失转换成热，这增大了在半导体芯片其自身中以及因此在半导体装置中所产生的热量。
同时，电子设备日益小型化，不可避免地导致安装在其中的半导体装置以及构成半导体装置的半导体芯片的小型化。这种小型化减小了用于散发来自半导体装置的热量的空间区域，这减弱了半导体装置的散热效率。
在上述情况下，温度的升高使得不能保持半导体芯片的预期的电导率，或者热应力损害了其结构。因此，半导体芯片的温度升高造成了半导体装置的可靠性劣化。
常规上，通过使安装到半导体芯片内面的散热片或者其着陆图案(landpattern)的表面积更大以促进自然冷却，或者通过向半导体芯片附加的安装冷却风扇或冷却介质循环单元以实现强制冷却，来解决由半导体芯片中产生的热所引起的上述不便。
然而，上述两种冷却方法需要半导体装置的尺寸增大或者导致其价格提高，因此它们中任何一种都不能满足通常的需求。因此，近来已经采用了诸如以下的方法在半导体芯片中利用薄膜半导体衬底以促进热传导；以及，形成横跨半导体芯片背面的凹槽以获得更大的散热面积，由此减轻由于热应力引起的变形。在例如JP-A-2001-338932中公开的这些方法有助于提高处于工作状态的半导体装置的散热效率而不使其尺寸增大。
然而，不便的是，为了促进在半导体芯片中产生的热的散发而将半导体芯片制造得更薄或者在其背面上形成凹槽造成了其强度减弱，增大了在其构造期间发生比如破裂或碎裂问题的可能性，这就产率和生产效率方面而言显著不利。但是反过来，防止产率降低和生产效率的减小的努力限制了能够制造的衬底的薄度以及能够形成的凹槽的深度(半导体芯片的膜厚度)。
发明内容
鉴于上述不便而进行本发明，本发明的目的在于提供一种具有高散热效率而不削弱半导体芯片的强度的半导体装置和半导体模块。
为了实现以上目的，根据本发明，半导体装置设置有半导体芯片、安装到所述半导体芯片背面的散热片以及用于将所述半导体芯片和所述散热片彼此结合的粘合剂。此处，在所述半导体芯片的背面中，在所述半导体芯片的热产生部分正下方的半导体芯片背面的部分中专门的形成有凹陷部分。对于这种结构，缩短了从热产生部分到粘合剂的距离，并且使半导体芯片与粘合剂接触的区域更宽。因而，在半导体芯片中产生的热被有效地传导到粘合剂和散热片，由此实现了散热效率的改善。此外，除了形成在半导体芯片背面中的凹陷部分之外，通过在散热片中形成配合到所述背面的突出部分，而使粘合剂位于其间，从而使所述突出部分配合在所述凹陷部分中，能够提供具有比上述结构的半导体装置的散热效率更高的散热效率的半导体装置。由此，能够实现半导体装置的小型化、其中功率损耗的减少、其成本的降低以及其价格的降低。
通过结合附图对其优选实施例的以下详细描述，本发明的这些和其他目的和特征将更加明显，其中图1是示出本发明第一实施例的半导体模块的图；图2是沿着图1所示的线A-A得到的截面图；图3是示出第一实施例的半导体芯片的透视图；图4是示出第一实施例的半导体装置的截面图；
图5A-5J是示出第一实施例的制造流程的图；图6是示出本发明第二实施例的半导体芯片的透视图；图7是示出第二实施例的半导体装置的截面图；图8是示出本发明第三实施例的半导体芯片的透视图；图9是示出第三实施例的半导体装置的截面图；图10是示出本发明第四实施例的半导体芯片的透视图；图11是示出第四实施例的半导体装置的截面图；图12是示出本发明第五实施例的半导体芯片的透视图；图13是示出第五实施例的半导体装置的截面图；图14是示出形成在本发明第五实施例的半导体芯片的正面上的电极的俯视图；图15是示出第六实施例的半导体装置的截面图；图16是示出本发明第六实施例的改进示例的图；图17是示出本发明第六实施例的改进示例的图；图18是示出本发明第六实施例的改进示例的图；图19是示出本发明第六实施例的改进示例的图；图20是示出本发明第七实施例的半导体芯片的透视图；以及图21是本发明第七实施例的半导体装置的截面图。
具体实施例方式
以下，将通过图1至21所示的实施例的方式详细描述实现本发明的优选方式。然而，应理解的是，这些实施例示例了本发明的技术构思，而本发明并非意于受限于这些实施例。还应理解的是，本发明可以利用在权利要求中描述的技术构思之内进行的多种修改和变化来等同地实施。
在构想本发明时，本发明的发明者关注于当包含半导体芯片的半导体装置工作时产生热的半导体芯片的热产生部分。特别是在主动利用功率损耗以控制操作的电压控制装置中所包含的半导体芯片中，功率损耗直接转化成热，导致了大量热产生。当其中积累的热量超过预定值时，难以提供预期电压，这削弱了半导体装置的操作。此处，通常的情况是半导体芯片的热产生部分是位于半导体芯片正面上的电极形成区域。此外，在电极形成区域中，由于增大的电流密度，连线连接部分产生了尤为大量的热。因此，半导体芯片中产生的热量与位置有关，这意味着依据半导体芯片表面上的位置，热产生量有所不同。
首先，将描述本发明第一实施例的半导体装置以及含有该半导体装置的半导体模块。图1是示出本实施例的树脂密封型半导体模块外部的俯视图。图2是沿着图1所示的线A-A得到的截面图。图3是示出本实施例的半导体芯片的透视图。图4是示出本实施例的半导体装置的截面图。图5是示出本实施例的制造流程的图。附图标记1表示散热片，附图标记2和3表示半导体芯片，附图标记4和5表示粘合剂，附图标记6表示热产生部分，附图标记7表示凹陷部分，附图标记8表示突出部分，附图标记9表示引线端子，附图标记10表示模制树脂，附图标记11表示连线，附图标记12表示电极，附图标记13表示晶片，附图标记14表示芯片电路，附图标记15表示模具，附图标记16表示基电极(base electrode)，附图标记17表示发射电极(emitter electrode)，附图标记18表示连线连接位置，附图标记19表示结合焊盘区域(bonding pad area)，附图标记20表示通孔，附图标记21表示背面电极。
如图1至4所示，在本实施例的半导体模块中，在每个片状半导体芯片2和3的正面上，形成有电极，并且电极形成区域是热产生部分6。利用粘合剂4将在其背面上选择性的形成有凹陷部分7以使凹陷部分7位于热产生部分6正下方的半导体芯片2(下文中，将不再对与半导体芯片2类似的半导体芯片3进行描述)与在其正面上形成有突出部分8以使突出部分8配合在凹陷部分7中的散热片1，在凹陷部分7和突出部分8配合的位置结合在一起。该半导体装置由如上所述利用置于其间的粘合剂4而结合在一起的半导体芯片2和散热片1构成。引线端子9每个均利用连线11电连接到电极形成区域。半导体芯片2、粘合剂4、散热片1、连线11和每个引线端子9的一部分被密封在模制树脂10中。此处优选的是，作为粘合剂4，使用其热导率高于形成半导体芯片2的衬底材料(例如硅)的热导率的材料，其示例包括焊料、银膏等。
对于这样的结构，缩短了散热片1(高导热性构件)和半导体芯片2正面上的热产生部分6的距离，由此能够制造具有高散热效率的半导体装置。此外，在半导体芯片2的热产生部分6正下方的区域中专门地形成凹陷部分7能够形成比常规所需的更少的凹陷部分7。而且，能够使凹陷部分7的面积与半导体芯片2背面的整个面积的比率比常规所需的更小。这些优点能够防止半导体芯片2的表面强度削弱。由此，能够防止制造过程期间的破裂和碎裂，并因而能够改善合格率。此外，没有在外部对齐添加冷却装置，这能够使半导体装置小型化。
现在，将简要描述本实施例的主要结构的制造过程的示例。首先，如图5A和5B所示，制备品片13，在该晶片13上形成有芯片电路14(图5B和后续图为放大的截面图)。接着，如图5C所示，在晶片13中，在其中形成有芯片电路14的区域内部，切割其在高度热产生部分(热产生部分6，图3中未示出)正下方的背面的一部分。然后，如图5D所示，通过真空沉积等来形成背面电极21。
如图5E所示，相对于散热片1，制备预先制造好的模具15以及由例如铜的高导热性材料制成的片状散热片1。然后，如图5F和5G所示，将模具15按压到散热片1中，由此在散热片1的正面上形成突出部分8。如图5H和5I所示，通过切割等，将晶片13分成各个半导体芯片2，并将散热片1分成具有预期尺寸的各个散热片1。
最后，如图5J所示，利用粘合剂4，将半导体芯片2和散热片1结合在一起。由此，制成本实施例的半导体装置。
接着，将参照图6和7描述本发明的第二实施例。在图1至21中，用共同的附图标记来表示具有相同名称和相同功能的部分，并且将不重复相同的描述。对于随后将描述的第三以及后续实施例也是这样的。
第二实施例的特征在于，形成在半导体芯片2背面中的凹陷部分7和散热片1的突出部分8与第一实施例中那些的形状不同。也就是说，如图6所示，凹陷部分7形成为具有半球状的表面且散热片1的突出部分8形成为具有半球状的表面。对于这样的结构，缩短了从比如连线连接部分18的热产生中心到散热片1(高导热性构件)的距离，能够提供具有高散热效率的半导体装置。此外，与第一实施例相比，更有效地减轻应力，并减小了在制造过程期间发生破裂和碎裂的可能性，因此有望使半导体芯片2、整个半导体装置乃至半导体模块被制造得更薄。
接着，将参照图8和9描述本发明的第三实施例。第三实施例的特征在于半导体芯片2背面中的凹陷部分7和散热片1的突出部分8与第一实施例中那些的形状不同。也就是说，凹陷部分7和突出部分8形成为具有字母V形状的截面。对于这种结构，能够提供具有与上述第一和第二实施例同样高的散热效率的半导体装置。该实施例在产生的热量在半导体芯片2表面上作为中心的给定位置周围逐渐分布在半导体芯片2表面上的情况是尤为有效的。
接着，将参照图10和11描述本发明的第四实施例。图10示出了在热产生部分6倾向一方地位于半导体芯片2正面一例的情况下半导体芯片2的形状。如在第一至第三实施例中那样，如图11所示，在散热片1的正面中，突出部分8形成为配合于形成在半导体芯片2背面中的凹陷部分7中。并且在这种情况下，仅在位于热产生部分6正下方的部分，切刻半导体衬底的背面，从而能够将半导体芯片2制造得更薄并且能够提高其散热效率。
接着，将参照图12至14描述本发明的第五实施例。图12示出了在热产生部分6在位置上倾向一方地靠近半导体芯片2正面的两条面对面的边缘中每条的情况下半导体芯片2的形状。图13是本实施例的半导体装置的截面图。图14是示出形成在本实施例半导体芯片2正面上的电极结构的示例的俯视图。在基电极16和发射电极17如图14所示形成的情况下，产生尤为大量的热的区域是结合焊盘区域19和19，在此处电流密度增加。这是因为增大的电流密度造成了电子的散射概率增大，由此引起的增大的电子散射所致的能量损失被转化成热。当从半导体芯片2的侧面X观看时，结合焊盘区域19和19看起来位于半导体芯片2的两端。因此，图12所示的半导体芯片2的形状有助于实现高的散热效率。
接着，将参照图15描述本发明的第六实施例。在第一实施例中，半导体芯片2的凹陷部分7和散热片1的突出部分8配合在一起。相反，本实施例的特征在于凹陷部分7填充有热导率比形成半导体芯片2的半导体衬底材料(例如硅)的热导率更高的粘合剂4。也就是说，在散热片1的正面上没有形成突出部分8。对于这种结构，图3所示的制造过程无需包括散热片1的突出部分的形成，这有助于降低制造成本。不必说，可以将类似的改进应用在第二至第五实施例上，从而能够降低制造成本而不丧失其优点(参见图16至19)。
接着，将参照图20和21描述本发明的第七实施例。在本发明的第一至第六实施例的每一个实施例中，确认了热产生部分6并且在热产生部分6正下方的部分被制成某种形状。然而，依赖于半导体芯片2的形状或者热产生部分的位置，通过采用如图20和21所示的形状能够获得更高的散热效率，其中在不对半导体装置的工作起作用的半导体芯片2的部分中形成穿通孔20，并且在穿通孔20之中插入散热片1的凹陷部分8。在其上存在死区(dead space)的常规半导体芯片中，设置散热片1以穿透死区，从而能够提供更靠近热产生部分6的散热片1。
并且，如上所述，半导体芯片2的热产生部分6主要是电极形成区域，并且在电极形成区域中，特别是在其中电流密度尤为高的连线连接部分8处，温度变得尤其高。此处，电极形成区域依赖于半导体芯片2中的电路结构。换言之，电极形成区域不能自由地定位。然而，电极形成区域中的连线连接位置18能够在形成于电极中的结合焊盘区域19之内自由地定位。因此，通过设计半导体芯片2使得连线连接位置18选择性地位于穿通孔的附近，能够实现更高的散热效率。
如上所述，相对于包含在半导体装置中的半导体芯片2，现在能够确认半导体装置工作期间的半导体芯片2的热产生部分6。因此，能够通过以下方式制造具有高散热效率的半导体装置和半导体模块选择性地形成凹陷部分7使其位于热产生部分6的正下方(仅使热产生部分6更薄)，并利用粘合剂4将其中形成有突出部分8以使突出部分8配合在凹陷部分7中的散热片1与半导体芯片2的背面彼此结合；或者，选择性地形成凹陷部分7使其位于热产生部分6的正下方(仅使热产生部分6更薄)，并利用高导热性粘合剂4填充凹陷部分7，由此将散热片1与半导体芯片2的背面彼此结合。
应理解的是，本发明可以以除了如实施例中以上具体描述之外的任何方式实施，并且在本发明的范围和精神内可进行多种改进和变化。例如，上述实施例的任意组合(例如，第一和第七实施例)能够提供具有更高散热效率的半导体装置和半导体模块。
权利要求
1.一种半导体装置，所述半导体装置设置有片状半导体芯片；以及散热片，所述散热片与所述半导体芯片的背面重叠，且粘合剂位于其间，并且其中在所述半导体芯片的热产生部分正下方，所述半导体芯片的背面形成有凹陷部分。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中在所述散热片中，形成有配合到所述凹陷部分中的突出部分。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述凹陷部分形成为具有半球形表面。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述凹陷部分形成为凹槽，所述凹槽具有字母V形状的截面。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述热产生部分是形成在所述半导体芯片正面上的电极区域。
6.一种半导体模块，所述半导体模块设置有权利要求1的半导体装置；引线端子；用于将形成在所述半导体芯片正面上的电极与所述引线端子电连接的连线；以及用于密封所述半导体装置、所述引线端子和所述连线的模制树脂。
7.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述凹陷部分形成为具有半球形表面。
8.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述凹陷部分形成为凹槽，所述凹槽具有字母V形状的截面。
9.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述热产生部分是形成在所述半导体芯片正面上的电极区域。
10.一种半导体模块，所述半导体模块设置有权利要求2的半导体装置；引线端子；用于将形成在所述半导体芯片正面上的电极与所述引线端子电连接的连线；以及用于密封所述半导体装置、所述引线端子和所述连线的模制树脂。
11.根据权利要求3所述的半导体装置，其中所述热产生部分是形成在所述半导体芯片正面上的电极区域。
12.一种半导体模块，所述半导体模块设置有权利要求3的半导体装置；引线端子；用于将形成在所述半导体芯片正面上的电极与所述引线端子电连接的连线；以及用于密封所述半导体装置、所述引线端子和所述连线的模制树脂。
13.根据权利要求4所述的半导体装置，其中所述热产生部分是形成在所述半导体芯片正面上的电极区域。
14.一种半导体模块，所述半导体模块设置有权利要求4的半导体装置；引线端子；用于将形成在所述半导体芯片正面上的电极与所述引线端子电连接的连线；以及用于密封所述半导体装置、所述引线端子和所述连线的模制树脂。
15.根据权利要求5所述的半导体装置，其中在连接部分的正下方，形成所述凹陷部分，所述连接部分位于所述电极区域中并且所述连线连接到所述连接部分。
16.一种半导体模块，所述半导体模块设置有权利要求5的半导体装置；引线端子；用于将形成在所述半导体芯片正面上的电极与所述引线端子电连接的连线；以及用于密封所述半导体装置、所述引线端子和所述连线的模制树脂。
17.一种半导体模块，所述半导体模块设置有权利要求15的半导体装置；引线端子；用于将形成在所述半导体芯片正面上的电极与所述引线端子电连接的连线；以及用于密封所述半导体装置、所述引线端子和所述连线的模制树脂。
全文摘要
本发明提供了一种能够以高效率散热而不削弱其强度的半导体装置。该半导体装置包括半导体芯片(2)、与半导体芯片(2)的背面重叠的散热片(1)、以及将半导体芯片(2)和散热片(1)彼此粘结性地固定的粘合剂(4)。在半导体芯片(2)的背面中，在半导体芯片(2)的热产生部分(6)的正下方形成有凹陷部分(7)。在散热片(1)的正面上，形成有配合到凹陷部分(7)中的突出部分(8)。
文档编号H01L23/488GK101026134SQ20071008493
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月24日
发明者小西笃雄 申请人:夏普株式会社