CN101111935B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体装置，即使施加外力，也不会对外部连接端子和散热部件产生损伤。所述半导体装置具有：半导体元件；安装该半导体元件的基板；与该半导体元件热连接并固定在所述基板上的散热部件；以及在所述基板的与配设有所述散热部件的面相反侧的面上配设了多个的外部连接端子；其中，将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置实际上位于以所述基板的中心位置为中心且内切于所述基板的内切圆上。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，特别涉及具有散热部件的半导体装置。
背景技术
近年来，随着半导体元件的高密度化，从半导体元件产生的热量逐渐增大。因此，有人提供了下述结构的半导体装置，即：设置与半导体元件热连接的散热部件(散热器等)，由此可有效地散发从半导体元件产生的热(例如，参照专利文献1)。
另一方面，作为可实现高密度化的半导体装置的封装结构，公知有BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)。BGA型的半导体装置可以在实现多引脚化的同时提高制造效率。该BGA型的半导体装置采用如下结构：在基板的一个面上安装半导体元件，并在与该元件安装面相反侧的面上将锡焊凸块配设为矩阵形或圆周形。另外，配设在元件安装面上的半导体元件通常为由树脂密封的结构。
而且还提供了下述的半导体装置，即：通过在BGA型半导体装置上设置散热部件，使其高密度化和散热性均很优良。图1示出了该半导体装置的一个例子。
图1所示的半导体装置1A大体是由半导体元件2、基板3、散热板4A以及锡焊球5等构成。基板3为陶瓷基板，半导体元件2倒装片接合在该基板3的元件安装面3A上。另外，在半导体元件2和基板3之间配设有底部填充树脂(underfill resin)6。
散热板4A由热传导性良好的材料形成。该散热板4A的中央部与半导体元件2热连接。由此，在半导体元件2上产生的热可以通过散热板4A排放至外部，从而提高了在半导体元件2上产生的热的散热特性。
另外，一体地形成在散热板4上的脚部7A使用粘结剂8粘结在基板3的元件安装面3A上。由此，散热板4A被固定在基板3上。另外，锡焊球5被配设在与配设有电路基板3的散热板4的面相反侧的面(端子配设面3B)上。该锡焊球5在端子配设面3B的大致整个面上呈矩阵形配设有多个。如上所述，由于BGA型的半导体装置1A在基板3的端子配设面3B的大致整个面上配设锡焊球5，因此可以实现装置的小型化和多引脚化。
图1示出了上述构成的半导体装置1A使用锡焊球5安装在母板9上的状态。
专利文献1：日本专利文献特开平09-153576号公报；
图2是示出了在图1所示的半导体装置1A上取下散热板4A的状态的俯视图。如该图所示，以往，粘结剂8沿着元件安装面3A(基板3)的外周缘被涂敷成矩形。由此，散热板4A相对于基板3的固定位置(粘结剂8的配设位置)位于元件安装面3A的外周缘附近，其形状为矩形。
然而，如上所述，在元件安装面3A的外周缘附近固定散热板4A的结构存在下述问题，即：当向母板9或散热板4A施加外力时，在端子配设面3B的大致整个面上配设为矩阵形的锡焊球5以内，特别是在配设于角部(在图2中以用虚线圈出的、箭头A所示的区域)的锡焊球5上会产生较大的应力，从而配设在该角部A上的锡焊球5恐怕会受到破坏。
另一方面，作为解决上述问题的半导体装置，公知有图3所示的半导体装置1B。在图3中，对与图1所示的结构相同的结构标记相同的符号。
该半导体装置1B采用如下结构：将形成在散热板4B上的脚部7B形成在图1所示的脚部7A的配设位置的内侧(接近于半导体元件2的位置)，通过用粘结剂将该脚部7B固定在元件安装面3A上，来使散热板4B固定在基板3上。
如上构成的半导体装置1B在对母板9或散热板4B施加外力时，施加给形成在角部A上的锡焊球5的应力降低，从而可以防止在角部A上锡焊球5受到破坏。
然而，散热板4B的外周部分从脚部7B和基板3的固定位置而向外侧较长地延伸出去。因此，在向散热板4B的角部A施加外力时，恰好会产生以固定位置为支点、以角部A为力点的杠杆作用。因此存在下述问题，即：例如在向散热板4B的图3中的右端部施加外力时，散热板4B的左端部会产生如图中箭头X所示的力，而在该力很大时，则恐怕散热板4B会脱离基板3。
近年来，随着半导体元件2的小型化和高密度化，需要提高对外部干扰的耐受性。另外，由于半导体元件2高速化，需要保证半导体元件2产生的电磁场不会对外部仪器给予不良影响。
以往的半导体装置1A、1B为了应对如上所述的干扰，独立于散热板4A、4B而另外设置了屏蔽部件。然而，该结构存在部件数增多、无法实现装置小型化的问题。而且，在半导体装置1A、1B上共同设置散热板4A、4B和屏蔽部件的结构存在彼此相互干涉、从而使它们不能成为高效率的形状和结构的问题。
发明内容
本发明总的目的在于提供一种对解决、改进上述现有技术问题有效的半导体装置及其制造方法。
本发明更具体的目的在于提供一种可靠性高的半导体装置，即使施加外力，也不会对外部连接端子和散热部件产生损伤。
再者，本发明其他的目的在于提供一种半导体装置，可以用较少的部件数防止因外部干扰而产生的影响。
为了达成该目的，本发明提供一种半导体装置，其具有：半导体元件；安装该半导体元件的基板；与该半导体元件热连接并固定在所述基板上的散热部件；以及在所述基板的与配设有所述散热部件的面相反侧的面上配设了多个的外部连接端子；所述半导体装置的特征在于，将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置实际上位于以所述基板的中心位置为中心且内切于所述基板的内切圆上。
根据上述发明，通过使将散热部件固定在基板上的固定位置实际上位于以基板的中心位置为中心且内切于基板的内切圆上，使基板的角部与固定位置离开了距离，因此可以防止向配设在基板的角部的外部连接端子施加过大应力。从而，特别可以防止当外力施加给散热部件时，配设在基板的角部的外部连接端子受到损伤。
另外，由于固定位置实际上位于内切于基板的内切圆上，因此固定位置相对于基板的中心位置离得较开。因而，可以将散热部件以稳定的状态固定在基板上，即使施加外力也可以防止散热部件脱离基板。这里，实际上，对于固定位置在可实现上述稳定性的范围内即使为偏离内切圆的结构，也属于本方案的发明。
在上述发明中，优选所述固定位置在俯视时的形状为至少六边以上的多边形。
在上述发明中，优选所述固定位置在俯视时的形状为圆形。
在上述发明中，也可以采取如下结构，即：当将所述内切圆的半径设为R、将从所述基板的中心位置至所述基板的角部的距离设为S、将从所述基板的中心位置至所述基板的最短外周缘的距离设为T时，满足(S/2)≤R≤T。
通过该结构，由于固定位置与基板的角部和中心位置均离开了距离，因此可以防止施加外力时设置在角部的外部连接端子受到损伤和散热部件脱离基板。
在上述的发明中，也可以为下述结构，即：使将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置在所述内切圆上分割为多个位置。
通过上述结构，例如在半导体装置安装时等进行加热处理，即使散热部件内的空气加热膨胀，该膨胀后的空气也会通过被分割配置的固定位置之间(间隙)排放至外部。因此，可以防止加热时由于散热部件内的空气膨胀而使散热部件脱离基板。另外，在清洗处理中，由于洗涤液流过被分割配置的固定位置之间(间隙)，可以提高清洗效率和防止洗涤液残留在散热部件内。
在上述发明中，也可以为下述结构，即：所述散热部件作为所述半导体元件的保护帽发挥作用。通过该结构，使散热部件作为保护帽来保护半导体元件，因而可以实现部件数的减少。
在上述发明中，也可以为下述结构，即：所述散热部件与所述半导体元件直接接触。通过该结构，可以有效地散发半导体元件产生的热。
另外，为了达成上述目的，本发明提供一种BGA(BallGrid Array)型的半导体装置，具有：半导体元件；安装该半导体元件的基板；与该半导体元件热连接并固定在所述基板上的散热部件；以及在所述基板的与配设有所述散热部件的面相反侧的面上配设了多个的外部连接端子；所述BGA型的半导体装置的特征在于，由导电性材料形成所述散热部件，并将该散热部件与所述基板的接地电极相连接。
根据上述发明，由导电性材料形成散热部件，并将该散热部件与基板的接地电极相连接，由此，可以通过散热部件防止外部干扰侵入半导体元件或者从半导体元件向外部泄漏干扰。
在上述发明中，也可以为下述结构，即：将所述散热部件和所述接地电极使用导电性粘结剂机械且电气地连接。通过该结构，可以容易且可靠地将散热部件和接地电极机械且电气地连接。
另外，为了达成上述目的，本发明提供一种BGA(Ball Grid Array)型的半导体装置，具有：半导体元件；安装该半导体元件的基板；与该半导体元件热连接并固定在所述基板上的散热部件；以及在所述基板的与配设有所述散热部件的面相反侧的面上配设了多个的外部连接端子；所述BGA型的半导体装置的特征在于，由导电性材料形成所述散热部件，并将该散热部件与所述基板的接地电极连接，并且，将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置实际上位于以所述基板的中心位置为中心且内切于所述基板的内切圆上。
根据上述发明，可以通过散热部件防止外部干扰侵入半导体元件或者从半导体元件向外部泄漏干扰，并可以防止向配设在基板的角部的外部连接端子施加过大的应力，从而可以防止配设在基板的角部的外部连接端子受到损伤。
根据本发明，可以防止向配设在基板的角部的外部连接端子施加过大的应力，从而可以防止配设在基板的角部的外部连接端子受到损伤。另外，还可以通过散热部件防止外部干扰侵入半导体元件或者从半导体元件向外部泄漏干扰。
附图说明
图1是示出以往的一个例子的半导体装置的剖视图；
图2是取下以往的一个例子的半导体装置的散热板的状态的俯视图，并是示出将粘结剂配设在基板的外周位置附近的状态的图；
图3是示出以往的一个例子的半导体装置的剖视图，并是示出将粘结剂配设在基板的中心位置附近的状态的图；
图4是取下以往的一个例子的半导体装置的散热板的状态的俯视图，并是示出将粘结剂配设在基板的中心位置附近的状态的图；
图5是本发明的第一实施例的半导体装置的剖视图；
图6是取下本发明的第一实施例的半导体装置的散热板的状态的俯视图，并是示出将粘结剂配设在基板的外周位置附近的状态的图；
图7是本发明的第二实施例的半导体装置的剖视图；
图8是取下本发明的第二实施例的半导体装置的散热板的状态的俯视图，并是示出将粘结剂配设在基板的外周位置附近的状态的图；
图9是本发明的第三实施例的半导体装置的剖视图；
图10是本发明的第三实施例的半导体装置的俯视图。
具体实施方式
下面，连同附图一起对本发明的具体实施方式进行说明。
图5和图6是用于说明本发明第一实施例的半导体装置10A的图。图5是半导体装置10A的剖视图，图6是示出在图5所示的半导体装置10A上取下散热板14A的状态的俯视图。
图5和图6所示的半导体装置10A为BGA型的半导体装置，大体是由半导体元件12、基板13、散热板(散热部件)14A以及锡焊球15(外部连接端子)等构成。基板13为陶瓷基板，在基板表面及内部形成有配线。在以下的说明中，将安装有基板13的半导体元件12的面称为元件安装面13A，将配设有锡焊球的面称为端子配设面13B。其中，基板13未必是多层基板，也不限于树脂基板。
半导体元件12为高密度化的元件，设置有很多电极。该很多电极形成有凸块，半导体元件12被倒装焊接在基板13上。另外，在被倒装焊接的半导体元件12和基板13之间配设有底部填充树脂6，以实现对凸块的保护。
散热板14A由热传导性良好的金属材料等(例如，Cu、Al、AlSiC等)形成。该散热板14A的中央部与半导体元件12热连接。此时，也可以为使具有高热传导性的材料(树脂或金属)介于半导体元件12和散热板14A之间。
如上所述，通过使半导体元件12和散热板14A热连接，而将在半导体元件12上产生的热通过散热板14A排放至外部，从而可以使在半导体元件12上产生的热有效地散放至装置外部。
另外，在散热板14A上一体地形成有脚部17A，该脚部17A使用粘结剂18A粘结在元件安装面13A上。由此，散热板14A被固定在基板13上。该脚部17A为与后述的粘结剂18A的配设位置相对应。
在本实施例中，脚部17A形成为围绕半导体元件12的环形。因此，通过将脚部17A粘结固定在基板13上，半导体元件12被密封在散热板14A中。即，散热板14A起到了保护半导体元件12的帽(lid)的作用。如上所述，散热板14A不仅作为散热部件而且也作为保护帽来发挥作用，以此结构可以以较少的部件数可靠地保护半导体元件12。
锡焊球15在端子配设面13B的大致整个面上呈矩阵形配设有多个。如上所述，由于半导体装置10A在端子配设面13B的大致整个面上配设作为外部连接端子的锡焊球15，因此可以实现装置的小型化和多引脚化。图5示出了上述结构的半导体装置10A安装在母板19上的状态。
这里，着重说明将本实施例中的散热板14A固定在基板13上的固定位置。在本实施例中，将散热板14A固定在基板13上的固定位置、即粘结剂18A的配设位置实际上位于以基板13的中心位置(在图6中以P表示)为中心且内切于散热板14A的内切圆20上。
本实施例中的所谓内切圆20，并不仅仅指与散热板14A的外周缘相切的圆，而是具有规定的范围。具体地说，当将内切圆20的半径设为R、将从基板13的中心位置P至基板13的角部(称为基板13的角)的距离设为S、将从基板13的中心位置P至基板13的最短外周缘的距离设为T时，在满足(S/2)≤R≤T的条件下设定内切圆20(参照图6)。
所谓固定位置(粘结剂18A的配设位置)实际上位于内切圆20上，未必意味着在将散热板14A固定在基板13上时固定位置的中央位于内切圆20的中心。即，即使固定位置的中央偏离内切圆20一些，而只要处于可稳定地将散热板14A固定在基板13上的范围内，则在本实施例中可视为该固定位置位于内切圆20上。更具体地说，固定位置的至少一部分与内切圆20接触就可视为固定位置位于内切圆20上。
另外，内切圆与粘结剂18A的接触范围也会根据粘结剂18A的宽度尺寸(在图6中以箭头W表示)而变化。由此，也包括下述结构，即：当过大地设定该宽度尺寸W时，与以往一样，角部A通过18A来固定。然而，在本实施例中，粘结剂18A的宽度尺寸W被设定为可将散热板14A牢固地固定在基板13上的大致最小值。
通过上述结构，由于基板13的角部与固定位置(粘结剂18A)离开了距离，因此可以防止过大的应力施加给配设在基板13的角部(包含基板13的角部的一定区域，在图6中以虚线圈出的、箭头A所示的区域)的锡焊球15。由此，可以防止在外力施加给母板19或散热板14A 时，配设在基板13的角部A上的焊锡球15受到损伤，从而可以提高半导体装置10A的可靠性。
另外，与图3和图4所示的以往半导体装置1B的结构相比，由于固定位置相对于基板13的中心位置P间隔得较开，因此可以将散热板14A以稳定的状态固定在基板13上。由此，即使施加外力，也可以防止散热板14A脱离基板13，从而可以提高半导体装置10A的可靠性。
作为固定位置的俯视图的形状(粘结剂8的配设位置的形状)，优选平衡面为圆形，但是不限于圆形。然而，要将散热板14A可靠地固定在基板13上，优选至少六边以上的多边形。在本实施例中，俯视视角上，粘结剂18A的形状为八边形。
接下来利用图7至图10来说明本发明的第二和第三实施例。
在图7至图10中，对与图5和图6所示的结构相同的结构标记相同符号，省略其说明。
图7和图8示出了第二实施例的半导体装置10B。所述第一实施例的半导体装置10A将脚部17A形成为环形，由此通过散热板14A完个密封半导体元件2。与此相对，本实施例中的半导体装置10B的特征在于，使将散热板14A固定在基板13上的固定位置在所述内切圆20上分割为多个位置。
具体地说，将一体地形成在散热板14A上的脚部17B分割为多个(在本实施例中为8个)，将该分割的脚部17B使用粘结剂18B固定在元件安装面13A上。由此，在相邻的脚部17B之间形成间隙部21，通过该间隙部21，散热板14A的内部空间(以下，称为腔体22)和装置外部经由间隙部21连通。
通过上述构成，例如在向半导体装置10B的母板19安装时等进行加热处理，即使腔体22内的空气加热膨胀，该膨胀后的空气也会通过间隙部21排放至外部(在图7中，将通过间隙部21的空气流向用虚线箭头AR表示)。因此，可以防止加热时由于腔体22内的空气膨胀而使散热板14A脱离基板13，从而可以提高半导体装置10B的可靠性。
另外，例如在半导体10B的制造工序中，将锡焊球15锡焊在基板13上后，进行焊剂的清洗处理。该清洗处理在半导体装置10B的制造工序中被实施多次，其中，主要通过使洗涤液流动来清洗。
由于以往的半导体装置1A、1B配设为将散热板4A、4B固定在基板3上来密封半导体元件12，因此若洗涤液浸入腔体内时，则该浸入的洗涤液无法容易地从腔体内排出。如上所述，当以在腔体内残留洗涤液的状态进行加热处理时，则恐怕由于洗涤液气化引起的体积膨胀而使散热板4A、4B脱离基板3。
然而，由于本实施例中的半导体装置10B在相邻的脚部17B之间形成间隙部21，因此即使清洗半导体装置10B，洗涤液也会通过间隙部21顺利地排出，因而不会残留在腔体22内(在图8中，将通过间隙部21的洗涤液的流向用实线的箭头WA表示)。由此即使清洗处理后实施加热处理，也可以防止散热板14A脱离基板13，从而可以提高半导体装置10B的可靠性。
图9和图10示出了第三实施例的半导体装置10C。所述第一和第二实施例中的半导体装置10A、10B仅将散热板14A用作散热部件，而未考虑电磁作用。与此相对，本实施例中的半导体装置10C的特征在于，由导电性材料形成散热板14B，并将该散热板14B与形成在基板13上的接地电极24连接。
散热板14B的形状与使用在所述第一或第二实施例中的半导体装置10A、10B的散热板14A相同，但是材质是由对屏蔽电磁干扰特别有效的导电性材料(例如，Cu、AlSiC等)形成的。另一方面，在基板13上，接地电极24形成在散热板14B的脚部17C固定在元件安装面13A的位置的全部或一部分上。本实施例示出了在脚部17C固定在元件安装面13A的一部分形成有接地电极24的例子。
散热板14B与接地电极24使用导电性粘结剂23机械、电连接。如此地，通过使用导电性粘结剂23，可以容易且可靠地连接散热板14B和接地电极24。另外，通过由导电性材料形成的散热板14B与基板13的接地电极24电连接，散热板14B不仅起到了散热部件的作用，也起到了屏蔽部件的作用。由此，在实现部件数的减少的同时，可以通过散热板14B防止外部干扰侵入半导体元件12或者从半导体元件12向外部泄漏干扰。从而，根据本实施例，可以实现低成本、抗干扰特性优良的高可靠性的半导体装置10C。
在本实施例中，对于散热板14B和接地电极24的连接使用了导电性粘结剂23，但是连接散热板14B和接地电极24的部件不限于粘结剂，也可以使用锡焊等金属，或者使用其他的接合材料。
另外，也可以采取如下结构，即：使粘结剂18A、18B具有导电性而代替导电性粘结剂23，同时在基板13上形成接地电极，通过将具有该导电性的粘结剂18A、18B与形成在基板13上的接地电极连接，来连接散热板14B和接地电极24。

Claims (14)

1.一种半导体装置，具有：半导体元件；安装该半导体元件的基板；与该半导体元件热连接并固定在所述基板上的散热部件；以及在所述基板的与配设有所述散热部件的面相反侧的面上配设了多个的外部连接端子；所述半导体装置的特征在于，
直到所述基板的角部附近都具有所述外部连接端子，
将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置实际上位于以所述基板的中心位置为中心且内切于所述基板的内切圆上，
所述固定位置在俯视时的形状为八边形，
所述基板具有矩形形状。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述固定位置在俯视时的形状为圆形。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
当将所述内切圆的半径设为R、将从所述基板的中心位置至所述基板的角部的距离设为S、将从所述基板的中心位置至所述基板的最短外周缘的距离设为T时，满足(S/2)≤R≤T。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
使将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置在所述内切圆上分割为多个位置。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述散热部件起着对所述半导体元件进行保护的帽的作用。
6.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述散热部件与所述半导体元件直接接触。
7.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置是BGA型的半导体装置。
8.一种BGA型的半导体装置，具有：半导体元件；安装该半导体元件的基板；与该半导体元件热连接并固定在所述基板上的散热部件；以及在所述基板的与配设有所述散热部件的面相反侧的面上配设了多个的外部连接端子；所述BGA型的半导体装置的特征在于，
直到所述基板的角部附近都具有所述外部连接端子，
由导电性材料形成所述散热部件，并将该散热部件和所述基板的接地电极相连接，
并且，将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置实际上位于以所述基板的中心位置为中心且内切于所述基板的内切圆上，
所述固定位置在俯视时的形状为八边形，
所述基板具有矩形形状。
9.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述固定位置在俯视时的形状为圆形。
10.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，
当将所述内切圆的半径设为R、将从所述基板的中心位置至所述基板的角部的距离设为S、将从所述基板的中心位置至所述基板的最短外周缘的距离设为T时，满足(S/2)≤R≤T。
11.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，
使将所述散热部件固定在所述基板上的固定位置在所述内切圆上分割为多个位置。
12.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述散热部件起着对所述半导体元件进行保护的帽的作用。
13.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述散热部件与所述半导体元件直接接触。
14.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述散热部件与所述接地电极使用导电性粘结剂机械且电气地连接。
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