CN1499620A - 散热器和使用了该散热器的半导体元件和半导体封装体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种散热器和使用了该散热器的半导体元件和半导体封装体。在本发明的带有散热器的半导体元件和半导体封装体中，在半导体元件的背面上直接接合了由金刚石层或碳化硅和氮化铝等的陶瓷层构成的具有高热传导特性的散热器。在半导体元件的制作工序前、工序中或工序后的任一过程中，将该散热器直接覆盖并形成在作为基体材料的硅晶片或芯片上。利用这样的结构使半导体元件的散热特性良好，同时可一同提高半导体元件的安装可靠性和散热片的接合可靠性。此外，在本发明的散热器中，经高分子粘接层将金属或陶瓷构件覆盖在金刚石层上。金刚石层的结晶在金刚石层的厚度方向上具有纤维状结构或微结晶。金刚石层的与该由金属或陶瓷构成的构件的接合面具有纤毛状结构。该结构作为半导体封装体的冷却散热器，其散热特性极为良好，其本身具有足够的强度、平面性和气密性，而且与半导体元件和陶瓷等的构成封装体本体的密封材料的粘接性是良好的。

Description

散热器和使用了该散热器的半导体元件和半导体封装体

技术领域

本发明涉及为防止因半导体元件的发热引起的温度上升而粘接到半导体元件上的散热器。再者，本发明涉及带有散热器的半导体元件和半导体封装体。

背景技术

为了与半导体元件的提高散热性的问题相适应，已提出了例如合并使用高热传导性的陶瓷基体材料和印刷基板那样的树脂布线基板的半导体封装体(特开平10-275879号公报)。该半导体封装体使用氮化铝制的散热器，在其下面一侧安装半导体元件，同时在其周围接合树脂布线基板，用树脂布线基板的布线层包围半导体元件的信号布线。预期这样的半导体封装体可作为能适应半导体元件的高功率化等并能实现信号布线的低电阻化或高密度化以及封装体的低成本化等的封装体。

但是，在将上述氮化铝基板作为散热器使用的半导体封装体中，在例如安装具有1个边长为20mm那样的元件尺寸的半导体元件的情况下，与其相对应地氮化铝基板也必须增大，但如果将金属制散热片接合到这样的大型的氮化铝基板的上面的整个面上，则在被施加了热循环时，由于氮化铝基板与金属制散热片之间的热膨胀差的缘故，有时会产生龟裂等。

将上述那样的氮化铝基板等的高热传导性陶瓷或铜板等的金属板作为散热器使用的半导体封装体作为能适应半导体元件的高功率化的封装体正在实现实用化，但为了适应日益进展的半导体元件的高功率化，对于这样的封装体来说，还是存在极限的。此外，在只使用高热传导性陶瓷作为散热器的情况下，在原来作为高散热性而被预期的倒装结构中，存在热沉或散热片的接合可靠性下降的问题，另一方面，在使用铜板等的情况下，存在半导体元件的安装可靠性下降的问题。

此外，作为现有的带有散热器的半导体封装体，可举出图8中示出的剖面的封装体作为一例。将散热器101接合到封装体本体103上，以使被接合到散热器101上的半导体元件102配置在陶瓷封装体本体103内。将陶瓷制的盖104配置在该封装体本体103的另一方的开口部上。由此，将半导体元件102密封在封装体内。

作为这样的散热器101，以往利用了铜/钨复合材料、氮化铝或碳化硅等。此外，在特开平9-129793号公报中记载了半导体封装体的热传导板。

这些现有的散热器和使用了该散热器的半导体封装体的散热特性从材料和结构这方面来说，已被改良到了极限，已经可认为再要提高散热特性是很勉强的，目前的状况是这样的，为了抑制封装体的温度上升，不得不抑制半导体元件的处理速度、输出和集成度。

发明内容

本发明是鉴于这样的问题而进行的。本发明的第1目的在于提供下述的带有散热器的半导体元件和半导体封装体：其中，在半导体元件的散热特性为良好的同时，可一同提高半导体元件的安装可靠性和散热片的接合可靠性，特别是提高了对于已实现了高功率化的半导体元件的适应性。本发明的第2目的在于提供下述的散热器和使用了该散热器的封装体：其中，作为高速处理用或高输出用半导体封装体的冷却散热器，其散热特性极为良好，在厚度和面内方向的热传导率高，其本身具有足够的强度、平面性和气密性，而且与半导体元件和陶瓷等的构成封装体本体的密封材料的粘接性是良好的，因粘接时和使用时的温度变化引起的粘接面的剥离和作为元件不良的原因的热应力的发生足够小，可靠性高。

与本发明有关的带有散热器的半导体元件的特征在于：在半导体元件的背面的一部分或整个面上直接接合了由具有350W/m·K以上的热传导率的金刚石或含有金刚石的物质构成的散热器。

在该带有散热器的半导体元件中，例如上述含有金刚石的物质可以是金刚石层与陶瓷层的层叠体或金刚石粒子与陶瓷粒子的混合物，上述陶瓷可以是从由碳化硅和氮化铝构成的组中选择的至少1种。

此外，上述散热器例如对于波长为750nm以下的光至少可具有10％以上的透射性。

再者，最好在上述半导体元件的制作工序前、制作工序中、制作工序后的任一过程中，将上述散热器直接接合到作为上述半导体元件的基体材料的硅或蓝宝石制的基板上。

例如，在上述散热器中的没有接合到上述半导体元件上的一侧的面上形成了多个凹凸。

而且，与本发明有关的半导体封装体的特征在于：在容纳上述的带有散热器的半导体元件的半导体封装体中，在上述散热器中的与上述半导体元件的接合面的相反一侧的面上接合了金属制热沉或金属制散热片。

在该半导体封装体中，较为理想的是，例如在上述散热器的接合面的一部分上接合了上述金属制热沉或上述金属制散热片与上述散热器。

再者，较为理想的是，上述散热器的接合到上述金属制热沉或上述金属制散热片的面具有纤毛状结构，高分子接合层进入到该纤毛状结构的一部分中，接合了上述散热器与上述金属制热沉或上述金属制散热片。

按照上述那样的本发明，在实现了高散热化的基础上，可提高半导体元件或半导体模块的安装可靠性，由此，也可得到在高可靠性下密封了高功耗且大型的半导体元件等的半导体封装体。

关于与本发明有关的半导体封装体的散热器，在被粘接了容纳在半导体封装体的密封体内的半导体元件并对该半导体元件进行散热的半导体封装体用的散热器中，具有金刚石层和由在该金刚石层的一面或两面上被接合的金属或陶瓷构成的覆盖构件，上述金刚石层的结晶在金刚石层的厚度方向上具有纤维状结构。

在该半导体封装体的散热器中，例如上述金刚石层的与该由上述金属或陶瓷构成的覆盖构件的接合面最好具有纤毛状结构。上述接合面的构成纤毛状结构的金刚石层的部分的厚度为0.2至3μm。

关于与本发明有关的另一半导体封装体的散热器，在被粘接了容纳在半导体封装体的密封体内的半导体元件并对该半导体元件进行散热的半导体封装体用的散热器中，具有金刚石层和由在该金刚石层的一面或两面上被接合的金属或陶瓷构成的覆盖构件，上述金刚石层的结晶具有微结晶结构。

在该散热器中，可利用高分子粘接层接合上述金刚石层与上述覆盖构件。

较为理想的是，上述金刚石层的厚度方向和面内方向的热传导率为500W/m·K以上，接合部的面热传导率为4×10⁶W/m²·K以上。例如利用气相合成来形成上述金刚石层，其厚度为20至100μm。

此外，具备上述的散热器的半导体封装体也在本发明的范围内。

因为本发明的半导体封装体的散热器由热传导率非常大的金刚石层和覆盖其单面或两面的热传导率大的金属或陶瓷构件构成，故可使厚度方向的热传导率与作为现有的材料的铜/钨复合材料的氮化铝的厚度方向的热传导率为同等以上，在气密性和密封性方面良好，而且没有翘曲和裂纹。此外，由于本发明的散热器的面内方向的热膨胀系数接近于硅和氧化铝等的陶瓷的热膨胀系数，故因温度变化导致的热应力的发生较少，防止了剥离和裂纹等，不产生对半导体元件的不良影响。

按照上述的本发明，由于是在金刚石层的单面或两面上覆盖了金属或陶瓷构件的结构，故厚度方向和面内方向的热传导率非常大，具有足够的强度、平面性和气密性，而且与半导体元件和陶瓷等的密封材料的粘接性是良好的，因使用时的温度变化引起的热应力的发生较少，防止了剥离和裂纹等，不产生对半导体元件的不良影响，可靠性高。

附图说明

图1(a)、(b)是示出与本发明的第1实施方式有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。

图2(a)、(b)是示出与本发明的第2实施方式有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。

图3(a)、(b)是示出与本发明的第3实施方式有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。

图4(a)、(b)是示出与本发明的第4实施方式有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。

图5(a)是示出与本发明的第5实施方式有关的散热器的剖面图，(b)是示出其变形例的剖面图。

图6(a)是示出与本发明的第6实施方式有关的散热器的剖面图，(b)是示出其变形例的剖面图。

图7(a)是示出与本发明的第7实施方式有关的散热器的剖面图，(b)是示出其变形例的剖面图。

图8是带有散热器的半导体封装体的剖面图。

图9是示出纤毛状金刚石层的表面的电子显微镜照片。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1(a)是示出与本发明的第1实施方式有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。在半导体元件1的背面上直接接合了散热器2。再有，在本发明中，在称呼半导体元件1时，也包含半导体模块。该散热器2由例如热传导率为350W/m·K以上的金刚石或含有金刚石的物质那样热传导性良好的材料构成，将该散热器2直接接合在半导体元件1上。

在该带有散热器的半导体元件中，上述含有金刚石的物质有金刚石层与陶瓷层的层叠体或金刚石粒子与陶瓷粒子的混合物等，上述陶瓷有从由碳化硅和氮化铝构成的组中选择的至少1种。

金刚石本身的热传导率最高可达到2200W/m·K，但将该金刚石单质使用于散热器的制造成本很高。因此，该金刚石与碳化硅或氮化铝等的陶瓷的复合物是有效的。即使利用含有金刚石和碳化硅或氮化铝等的陶瓷的物质来制造散热器，也能得到热传导率为350W/m·K以上的散热器，即使对于下一代的发热量为100W以上的CPU(中央处理单元)来说，也可得到良好的散热效果。

氮化铝和碳化硅的热传导率分别约为200W/m·K和270W/m·K，但这些材料作为陶瓷材料来说，是继金刚石之后的可引以自豪的高的热传导率的材料，通过象与金刚石层的层叠或与成为粒子状的金刚石的缓和烧结体那样与金刚石进行复合，可使其热传导率为350W/m·K以上。

关于半导体元件1，可应用各种各样的半导体元件，但本发明对于功耗例如大到10W以上、元件尺寸的1个边长为10mm以上那样的高功耗且大型的半导体元件来说是特别有效的。

图1(b)是示出本实施方式的变形例的剖面图，但在散热器3中，在没有接合半导体元件1的面上形成了微细的凹凸3a。

由于这些散热器2、3是金刚石或金刚石含有物质(金刚石和碳化硅及氮化铝等的陶瓷的复合体)制造的，故在耐化学的性能方面良好，不仅在空气冷却的方式中，而且在水冷却的方式中，也没有材料性能的恶化，半导体元件的性能也不会下降。

图2(a)示出接合了与本发明的实施方式2有关的带有散热器的半导体元件的半导体封装体。在接合了金刚石或含有金刚石物质制造的散热器2中的半导体元件1的面的相反一侧的面上接合了金属制热沉4。

此外，在图2(b)中示出的半导体封装体中，在接合了散热器2中的半导体元件1的面的相反一侧的面上接合了散热片5。

一般来说，金属制热沉4和金属制散热片5与半导体元件材料的热膨胀系数的差较大，但由于金刚石或陶瓷制散热器2的热膨胀系数接近于半导体元件的热膨胀系数，故散热器2不仅具有作为热传递层的功能，也具有热膨胀缓和层的功能，可使半导体元件1的安装可靠性得到提高。

金刚石或含有金刚石物质制造的散热器2具有与半导体元件1大致同样的大小，最好在半导体元件1的整个面上接合了散热器2。此外，基本上使用单板结构的没有布线层的基板作为含有金刚石物质制造的散热器2，但在将金属制热沉4或散热片5用作地(ground)或在散热器2上设置地层的情况下，也可在散热器2上形成金属化层或通孔。此外，在使用了金刚石层作为散热器2的情况下，由于对于波长227nm以上的波长的光显示出良好的透射性，故一边在不形成通孔的情况下可最大限度地保持作为散热器的功能，一边作为光半导体的受光或发光窗也可使用金刚石层或含有金刚石物质层。特别是在如本发明那样直接接合到半导体元件的背面上并在元件制作工序前或元件制作工序中形成金刚石层或含有金刚石物质层的情况下，对于二极管阵列那样宽的区域的半导体模块来说是有效的。

可采用各种接合方法来进行金刚石或含有金刚石物质制散热器2与金属制热沉4或散热片5的接合，这些方法例如是使用活性金属的焊接法、在对散热器进行了金属化的基础上使用焊锡或一般的焊接材料来接合的方法、或使用一般的树脂类的粘接剂来接合的方法等。

图3(a)、(b)是示出与本发明的实施方式3有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。不是在散热器2与热沉4或散热片5的接合面的整个面上、而是在一部分的区域上设置了接合散热器2与金属制热沉4或金属制散热片5的金属接合层6。这样，通过将金属接合层6限制在一部分的区域上，可缓和起因于不同种类的材料间的热膨胀系数的差异的应力。作为金属接合层6，有金、银、铜、铝及这些金属的合金。

图4(a)、(b)是示出与本发明的实施方式4有关的带有散热器的半导体元件的剖面图。在本实施方式中，使用热硬化性树脂片和热硬化性树脂膏等的高分子粘接剂接合了金刚石层制或含有金刚石物质制散热器2与金属制热沉4或金属制散热片5。在散热器2与热沉4或散热片5之间形成了高分子接合层7。此时，如果由金刚石层或含有金刚石层构成的散热器2的接合面具有纤毛结构，则由于高分子接合层7进入到其一部分中而被接合，故从粘接力和应力缓和这2个观点来看，是极为有效的。

作为形成这样的金刚石或陶瓷的纤毛结构的方法，例如有在压力为1Torr的氢100％的气氛下对金刚石或碳化硅进行15～30分间的直流等离子处理的方法。即使将碳化硅和氮化铝在真空气氛下分别在1600℃和1200℃下约保持60分，也可得到纤毛结构。

这样，本实施方式的半导体元件构成倒装结构的BGA封装体。本实施方式的半导体封装体例如被安装在多层印刷基板等的安装板上，但可实现信号布线的低电阻化和高密度化、封装体的低成本化以及高散热化，可提高安装可靠性。此外，在接合金属制热沉4和金属制散热片5的情况下，可提高其接合可靠性。

图5(a)是示出与本发明的实施方式5有关的散热器的剖面图。本实施方式的散热器在金刚石层110的表面背面两侧经高分子粘接层111粘接了金属或陶瓷构件112。此外，如图5(b)中所示，作为本实施方式的散热器的变形例，也可在金刚石层110的单面上经高分子粘接层111粘接金属或陶瓷构件112。

金刚石层110的结晶在金刚石层110的厚度方向上具有纤维状结构。通过利用气相合成(CVD：化学汽相淀积)来控制其核形成条件和成膜条件，可形成这样的结晶结构的多晶金刚石层110。再有，该金刚石层110的厚度例如为20至100μm。

具有这样的结晶结构的金刚石层110例如可如下述那样来形成。首先，控制核形成密度。用平均粒子直径约为15～30μm的金刚石粉末研磨打算形成金刚石的基体材料(Si基板等)的表面。或者，将基体材料的表面浸在溶解了同样的金刚石粉末的乙醇液中，在5～15分间对该整个溶液施加超声波振动。其次，清洗进行了上述核形成密度控制处理的基体材料，除去附着于表面的金刚石粉末。将该基体材料导入到金刚石成膜装置中，形成金刚石层。在容器中进行了真空排气后，流过包含3％的甲烷气体的氢、甲烷混合气体，将反应器保持为90Torr。其后，发生微波等离子体，使基板温度为870～950℃。这样，在进行了5小时成膜后，可得到厚度为50μm的金刚石层。在用电子显微镜观察了该金刚石层的剖面结构时，可确认在膜厚方向上具有纤维状结构。

金刚石层110的厚度方向和面内方向的热传导率为500W/m·K以上，金刚石层110与金属或陶瓷构件112的接合部的面热传导率为4×106W/m²·K以上。

在本实施方式中使用的金刚石层110的厚度方向和面内方向的热传导率比其它任何的散热器用材料的热传导率大。不管该金刚石层的结晶结构如何，都可得到热传导率为500W/m·K以上的金刚石层。但是，如果在金刚石层中也如本实施方式那样使结晶结构在厚度方向上呈纤维状，则可将成为热电阻增大的主要原因的结晶粒界密度抑制得较低，由于可使热传导率提高50±25％，故更为理想。

这样的金刚石层，从热传导率、粘接时的热应力、或足够的气密性、密封性的观点来看，作为半导体封装体用的散热器的主要部分是良好的。再者，金刚石层具有足够的强度，具有没有翘曲的平面性的表面。例如，在如图5(b)中所示那样只在金刚石层110的单面上覆盖粘接了金属或陶瓷构件112的情况下，从其结构来看，在粘接结束时或其后的处理时，由于单侧的应力集中的缘故，在散热器中产生翘曲，此外，在较多的情况下，可认为有产生裂纹的事态，但金刚石的机械强度高，从材质上看，可防止在散热器中产生翘曲和裂纹。为了确保强度，这样的金刚石层的厚度至少为20μm，最好为50μm以上。但是，如果金刚石层的厚度超过100μm，则由于机械强度过大，加工变得困难，形成成本也增大，故是不理想的。

如图5(a)中所示，通过在金刚石层的表面背面两面上粘接彼此相同的材料的金属或陶瓷构件112或热膨胀系数接近的金属或陶瓷构件112，在金刚石层的表面背面两面上发生大致均等的热应力，也可使翘曲为极小。此时，最好在金刚石层110的表面背面两面上同时粘接构件112，或最好在两面上都粘接同一材料的构件。

将构件112粘接到金刚石层110上的高分子粘接层111是一般的环氧树脂类、酚醛树脂类或这些树脂的混合类等的有机高分子类粘接剂。此外，在这些高分子粘接剂中混合了铜、银、铝等的热传导率大的金属的微粉体的材料也是有用的。再者，除了有机高分子类粘接剂外，也可使用无机高分子类粘接剂。

作为接合方法，下述的方法是合适的：在构件112的一个面上以5～50μm的厚度均匀地涂敷高分子粘接剂并在包含溶剂的情况下进行了干燥后，使金刚石层110与粘接剂涂敷面重叠在一起，利用热压，在加压下并在约70～150℃的温度下加热，使高分子粘接剂聚合并硬化。此时，较为理想的是，预先对涂敷在金属构件上的高分子粘接剂稍微进行加热，稍微进行聚合，在室温下成为固体的涂膜的状态下来使用。

此外，由于以这种方式作成的金属构件与金刚石层的板之间形成的高分子粘接层111的热传导率一般来说较差，故如果其厚度厚，则使散热器整体的热传导率特性下降。因此，作成高分子粘接层111的厚度为5μm以下、最好为3μm以下的极薄的粘接层是重要的。在高分子粘接剂硬化之前浸入金刚石表面的微细孔中，提高了粘接力，且形成极薄的高分子粘接层。

再有，作为上述的构件112的形状，有箔、板和散热器等，通过将银、铜、铝或其合金、氮化铝、碳化硅等那样热传导率高、粘接性好的材料成形为箔状、板状或散热片的形状，可得到构件112。

图6(a)是示出与本发明的实施方式6有关的散热器的剖面图，图6(b)是示出其变形例的剖面图。图6(a)中在金刚石层110的表面背面两面上设置了构件112，图6(b)中在金刚石层110的单面上设置了构件112。在本实施方式的散热器中，在金刚石层110与高分子粘接层111之间形成了纤毛状金刚石层113这一点与图5(a)、(b)中示出的散热器不同。即，在本实施方式中，金刚石层110中的与高分子粘接层111的接合面呈纤毛状结构，该纤毛状金刚石层113的厚度为0.2至3μm。

关于该纤毛状金刚石层113，通过在氢气氛中对金刚石层110的表面进行直流(DC)等离子处理，在构成与高分子粘接层111的接合面的金刚石层110的单面或两面上可形成纤毛状结构。也可在纤维状结构或微结晶结构的金刚石层的表面上形成该纤毛状结构。关于该纤毛状结构中的一个纤毛的大小，在典型的情况下，其前端的直径为几至几十nm，长度为几百至几μm。

在将金属或陶瓷构件112粘接到这样的金刚石层的表面上时，由于高分子粘接层浸入到纤毛间，形成薄的粘接层且牢固地被粘接，故可得到特别理想的密接性。再者，在使用了热膨胀系数互不相同的材料的情况下，也可得到热应力的缓和作用。该纤毛状金刚石层113的厚度为0.2至3μm是适当的。如果纤毛状金刚石层113的厚度太薄，则没有粘接力增加的效果，如果厚度太厚，则纤毛状金刚石层113的机械强度下降，不仅粘接面容易剥离，而且导致高成本。其它的特性和膜厚等的条件与图5(a)、(b)是同样的。

图7(a)是示出本发明的实施方式7的剖面图，图7(b)是其变形例。图7(a)中在金刚石层110的表面背面两面上设置了构件112，图7(b)中在金刚石层110的单面上设置了构件112。在本实施方式的散热器中，使用整体为微结晶结构的金刚石层114来代替图5、6中示出的结晶结构为纤维状的金刚石层110。虽然如该金刚石层114那样具有微结晶结构，但由于金刚石本身的热传导率高，故热传导率为500W/m·K。此外，由于微结晶结构的缘故，不仅可谋求热应力的缓和，而且可容易地确保金刚石层114的平坦性，因此，容易与半导体元件和陶瓷封装体本体粘接。因此，如金刚石层114那样进行微结晶化与形成纤毛状金刚石层113同样地有效。

对该微结晶结构的金刚石层进行成膜的方法例如如下所述。首先，控制核形成密度。在打算形成金刚石的基体材料的表面上涂敷平均粒子直径约为5nm的金刚石粉末并进行干燥。其次，将该基体材料导入到金刚石成膜装置中，形成金刚石层。在容器中进行了真空排气后，流过包含5～10％的甲烷气体的氢、甲烷混合气体，将反应器保持为100Torr。其后，发生微波等离子体，使基板温度为800℃以下。这样，在进行了5小时成膜后，可得到厚度为80μm的微结晶金刚石层。

再有，在上述第5～7的实施方式中，不一定需要设置高分子粘接层111。

图5～7示出方式中的金刚石层110、114是将在基板上成膜后的金刚石层从其基板分离并使用的金刚石层。其分离方法可以使用周知的方法。还有，也可以不将金刚石层从其基板分离，而是原样使用在基板上成膜状态的金刚石层。这种情况下，可以仅在金刚石层的无基板一侧的面粘接金属或陶瓷构件112。或者，再其基础之上，也可以在基板的无金刚石层的一侧的面粘接金属或陶瓷构件112。

(实施例)

以下，说明本发明的实施例。

(实施例1)

用CVD(化学气相生长)法在硅晶片的背面形成了热传导率为800W/m·K以上的金刚石层。金刚石成微结晶状，其厚度为0.05mm。为了抑制晶片的翘曲和使分成各个芯片变得容易，预先在晶片上形成切口，使金刚石层成为不连续的膜。使用这样的硅晶片，在与形成了金刚石的面相反一侧的面上制作半导体元件，作成了外形为23mm×25mm的带有金刚石散热器的半导体元件和模块芯片。功耗为70W。

(实施例2)

将这样的倒装结构的半导体封装体作为安装478引脚的半导体元件的封装体，制作了实施例1的半导体芯片。作为树脂布线基体材料，以液晶聚合物为主剂，制作了在其两面上热压接了铜箔的材料。对铜箔进行刻蚀形成图形而作成布线层，在其上覆盖了绝缘树脂。另一方的铜箔维持原状。用引线键合来安装芯片，作成了半导体封装体。

再有，本发明的带有散热器层的半导体元件和模块不限于BGA半导体封装体，可应用于各种方式。

(实施例3)

在实施例2的半导体封装体上安装了外形为35mm×39mm的铝制散热片。分别准备了10个2种样品，一种样品是用厚度为100nm的铝覆盖了金刚石散热器表面的一部分的样品，另一种样品是在散热片和呈纤毛状的金刚石的面上涂敷了高分子粘接剂的样品，并实施了热循环试验。在试验中，将-40℃/室温/110℃作为1个循环，进行了500循环。在每个例中各试验了10个样品，研究了与铝制散热片之间的裂纹的发生情况，但未看到异常的发生。

(实施例4)

使用上述的对纤维状金刚石层进行成膜的方法，用气相合成法在1个边长为30mm的硅晶片上对金刚石层进行了成膜。厚度为50μm。在用电子显微镜观察了该金刚石层的剖面结构时，确认了粒径为2～15μm的结晶对于厚度方向以柱状(纤维状)生长。此外，确认了在与对上述的微结晶结构金刚石层成膜的条件相当的另外的条件下制作的金刚石呈微结晶结构。在用激光器闪光法测定了该金刚石层热传导率时，分别为1500和900W/m·K以上。

其次，准备在厚度为50μm的铜箔的单面上以约25μm的厚度均匀地涂敷环氧树脂类粘接剂的材料，在上述金刚石层的表面上朝向并粘贴铜箔的粘接剂涂敷面，用热压对粘接面施加50kg/cm²的压力，在150℃下保持15分，在结束了粘接剂的硬化后取出，得到了1个边长为30mm的散热器。对于以这种方式制作的10枚样品进行了热循环测试(-60～200℃，100循环)，但未产生粘接剂剥离和裂纹等。

(实施例5)

在压力为1Torr的氢100％气氛下对实施例4的金刚石(纤维状结构)进行了15分间的DC等离子处理后，变化为图9的电子显微镜中示出的纤毛状的表面形态。与实施例4同样地将其粘接到厚度为100μm的铜箔、单晶硅板和氧化铝板上，在进行了热冲击和热循环测试后，完全未产生粘接剂剥离和裂纹等。

Claims (20)

1.一种带有散热器的半导体元件，其特征在于：

在半导体元件的背面的一部分或整个面上直接接合了由具有350W/m·K以上的热传导率的金刚石或含有金刚石的物质构成的散热器。

2.根据权利要求1所述的带有散热器的半导体元件，其特征在于：

上述含有金刚石的物质是金刚石层与陶瓷层的层叠体或金刚石粒子与陶瓷粒子的混合物，上述陶瓷是从由碳化硅和氮化铝构成的组中选择的至少1种。

3.根据权利要求1所述的带有散热器的半导体元件，其特征在于：

将上述散热器直接接合到作为上述半导体元件的基体材料的基板上。

4.根据权利要求1所述的带有散热器的半导体元件，其特征在于：

在上述散热器中的没有接合到上述半导体元件上的一侧的面上形成了多个凹凸。

5.一种半导体封装体，其中容纳根据权利要求1所述的带有散热器的半导体元件，其特征在于：

在上述散热器中的与上述半导体元件的接合面的相反一侧的面上接合了金属制热沉或金属制散热片。

6.根据权利要求5所述的半导体封装体，其特征在于：

上述散热器的接合到上述金属制热沉或上述金属制散热片的面具有纤毛状结构，高分子接合层进入到该纤毛状结构的一部分中，接合了上述散热器与上述金属制热沉或上述金属制散热片。

7.一种半导体封装体的散热器，该散热器被粘接了容纳在半导体封装体的密封体内的半导体元件并对该半导体元件进行散热，其特征在于：

具有金刚石层和由在该金刚石层的一面或两面上被接合的金属或陶瓷构成的覆盖构件，上述金刚石层的结晶在金刚石层的厚度方向上具有纤维状结构。

8.根据权利要求7所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

利用高分子粘接层接合了上述金刚石层与上述覆盖构件。

9.根据权利要求8所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

上述金刚石层的与该由上述金属或陶瓷构成的覆盖构件的接合面具有纤毛状结构。

10.根据权利要求7所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

上述金刚石层的厚度方向和面内方向的热传导率为500W/m·K以上，接合部的面热传导率为4×10⁶W/m²·K以上。

11.根据权利要求7所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

利用气相合成来形成上述金刚石层，其厚度为20至100μm。

12.根据权利要求9所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

上述金刚石层的与上述高分子粘接层的接合面的构成纤毛状结构的部分的厚度为0.2至3μm。

13.一种半导体封装体，其特征在于：

具备根据权利要求7所述的散热器。

14.一种半导体封装体的散热器，该散热器被粘接了容纳在半导体封装体的密封体内的半导体元件并对该半导体元件进行散热，其特征在于：

具有金刚石层和由在该金刚石层的一面或两面上被接合的金属或陶瓷构成的覆盖构件，上述金刚石层的结晶具有微结晶结构。

15.根据权利要求14所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

利用高分子粘接层接合了上述金刚石层与上述覆盖构件。

16.根据权利要求15所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

上述金刚石层的与该由上述金属或陶瓷构成的覆盖构件的接合面具有纤毛状结构。

17.根据权利要求14所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

上述金刚石层的厚度方向和面内方向的热传导率为500W/m·K以上，接合部的面热传导率为4×10⁶W/m²·K以上。

18.根据权利要求14所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

利用气相合成来形成上述金刚石层，其厚度为20至100μm。

19.根据权利要求16所述的半导体封装体的散热器，其特征在于：

上述金刚石层的与上述高分子粘接层的接合面的构成纤毛状结构的部分的厚度为0.2至3μm。

20.一种半导体封装体，其特征在于：

具备根据权利要求14所述的散热器。

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