JP2002043469A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子による発熱を良好に放散させるこ
とができる、低背で小型な半導体装置を提供する。 【解決手段】 配線基板２上に半導体素子４を互いの表
面の電極同士を対向させ導体バンプ３により接合して搭
載実装するとともに、これら配線基板２および半導体素
子４間に、配線基板２、半導体素子４および導体バンプ
３の各表面を覆う絶縁性樹脂被膜５と、この絶縁性樹脂
被膜５で囲まれた空間に充填した金属粉末６とを介在さ
せている半導体装置１である。半導体素子４の発熱を金
属粉末６を介して効率よく配線基板２に伝えて放散させ
ることができ、高信頼性・高性能でさらに低背・小型な
半導体装置となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の電子機器・
電子装置等の電子回路モジュール等として使用される、
半導体素子を配線基板に搭載実装して構成された半導体
装置に関し、特に、半導体素子による発熱に対する放熱
性を改善した半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種の電子機器や電子装置に対す
る小型化・薄型化・高機能化・低コスト化等の要求はま
すます強まっており、それらの要求に応えるために、こ
れら電子機器や電子装置等における電子回路モジュール
等に用いられる半導体装置に対しても同様に小型化・薄
型化・高機能化・低コスト化の検討が急速に押し進めら
れている。このような半導体装置を搭載するための基板
となる配線基板を構成する材料には、例えば以下の様な
ものが挙げられる。

【０００３】アルミナセラミックス等を主成分とするセ
ラミック材料は、1400〜1650℃程度の高温で焼成しなけ
ればならず、回路配線を形成するための導体材料には高
融点金属であるタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍ
ｏ）等の高比抵抗金属材料を用いる必要がある。そのた
め、高速信号処理を行なう電子回路には適用が困難であ
るという問題点がある。

【０００４】これに対し、セラミック材料の中でも窒化
アルミニウム等の高熱伝導材料を用いた配線基板は、良
好な放熱性を必要とする半導体素子搭載用基板としては
有用であるが、一般的な民生分野に利用するには高価で
あり、低コスト化が困難であるという問題点がある。

【０００５】また、有機絶縁材料を主成分とするガラス
エポキシ基板では、安価であるが、搭載実装される半導
体素子からの発熱に対する放熱性に劣るという問題点が
ある。

【０００６】これらに対して、低温焼成可能なガラスセ
ラミック基板は、セラミック材料ニ比べて低温で、さら
に短時間で焼成可能であり、低コストな配線基板が実現
できるという利点がある。また、導体材料には低融点金
属材料である金（Ａｕ）・銀（Ａｇ）・銅（Ｃｕ）等の
低比抵抗金属材料が使用可能であり、電子回路における
高速信号処理に有利であるという特長もある。

【０００７】これらの材料で構成される配線基板は、そ
れぞれ用途によって使い分けられているが、近年の高機
能化により必要不可欠な技術となっている半導体素子を
直接搭載することで小型化を達成するのに際しては、い
ずれの基板においても、半導体素子の小型化・高密度化
・高電力化に伴う半導体素子の発熱を如何に効率よく放
熱させて半導体素子の熱的破壊や特性劣化を防止するか
が、半導体素子の信頼性を確保するための重要な課題と
なっている。

【０００８】この放熱対策としては、例えば、高熱伝導
率材料からなる基板に直接半導体素子を実装する手法
や、半導体素子直下の基板に多数のサーマルビアホール
と呼ばれる放熱部材を形成する手法等が挙げられる。

【０００９】また、発熱に対する半導体素子の信頼性を
確保するためにはより良好な放熱性が必要とされる一方
で、さらに小型化と低コスト化を達成するために、半導
体素子の実装技術として従来のワイヤボンディングに代
わって半導体素子を導体バンプを用いて配線基板に搭載
実装するフェースダウン実装技術が採用されるようにな
っている。この場合、半導体素子の発熱を有効に放散さ
せることが困難となる傾向があることから、さらに半導
体素子の熱放散性を高めた半導体装置の実現に対する要
求が強まっている。

【００１０】そのようなフェースダウン実装技術を用い
た半導体装置の例として、例えば特開平４−346250号に
は、配線基板に設けたキャビティ内に半導体素子をフェ
ースダウンで導体バンプを介して配線基板に搭載し、熱
伝導率の高い樹脂で半導体素子裏面およびキャビティ内
壁を封止することにより配線基板全体に放熱させること
が提案されている。さらに、放熱フィンを上部に取り付
けることで半導体素子の放熱性を高めている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−346250号に提案された上記のような構成において
は、半導体素子の発熱を熱伝導率の高い樹脂を介して配
線基板全体に伝達させ、また放熱フィンを上部に取り付
ける構成となっているが、この熱伝導率の高い樹脂で
は、金属放熱部材に比べ十分な放熱効果を得ることが困
難であるという問題点があった。

【００１２】また、半導体素子の発熱の大部分は半導体
素子表面近傍のチャネル部で発生するため、チャネル部
側の表面を配線基板に対向させるフェースダウン実装で
は半導体素子を構成する半導体基板を介して裏面から放
熱させることとなり、結果的に放熱効率が悪くなってし
まうという問題点があった。

【００１３】さらに、配線基板全体へ放熱させること
は、配線基板の放熱容量が小型化に伴い小さくなるため
に、逆に熱を配線基板との間に閉じ込めてしまうことに
なり、良好な放熱効果を得ることが困難であるという問
題点をもたらすこととなった。

【００１４】さらには、配線基板自身が高温にさらさ
れ、これに他の電子部品等が搭載された場合等は、それ
ら電子部品の電気特性の劣化を招いたり、接続信頼性に
悪影響を及ぼすこととなるという問題点があった。

【００１５】さらに、放熱フィンを取り付ける場合に
は、それにより半導体装置そのものが大型化してしま
い、半導体装置の重要な要求特性である低背化・小型化
を満足することができなくなってしまうという問題点も
あった。

【００１６】本発明は上記従来技術における問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、半導体素子によ
る発熱を良好に放散させ、半導体素子の発熱により半導
体素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることがな
く、高信頼性・高性能であり、さらに低背で小型な半導
体装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
配線基板上に半導体素子を互いの表面の電極同士を対向
させ導体バンプにより接合して搭載実装するとともに、
これら配線基板および半導体素子間に、前記配線基板、
前記半導体素子および前記導体バンプの各表面を覆う絶
縁性樹脂被膜と、この絶縁性樹脂被膜で囲まれた空間に
充填した金属粉末とを介在させていることを特徴とする

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置によれば、配
線基板上に半導体素子を互いの表面の電極同士を対向さ
せ導体バンプにより接合して搭載実装するとともに、こ
れら配線基板および半導体素子間に、配線基板、半導体
素子および導体バンプの各表面を覆う絶縁性樹脂被膜
と、この絶縁性樹脂被膜で囲まれた空間に充填した金属
粉末とを介在させていることから、この金属粉末を介し
て半導体素子の発熱を効率よく配線基板へと伝えて放散
させることができ、従来のように熱伝導率の高い樹脂を
介して放熱させる場合と比較して良好に放熱させること
ができる。その結果、発熱による半導体素子の温度上昇
をジャンクション破壊温度以下に抑えることができ、半
導体素子の発熱による半導体素子自身の信頼性や電気特
性を劣化させることがなく、高信頼性・高性能な半導体
装置となる。

【００１９】なお、導体バンプを介して配線基板に搭載
された半導体素子の裏面に金属放熱板等の高熱伝導放熱
部材を取着することにより、さらに良好に熱を搭載基板
である配線基板へと伝送し放散させることができる。

【００２０】以下、本発明の半導体装置について図面に
基づいて具体例を中心に詳細に説明する。図１は本発明
の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、
同図では本発明の半導体装置１をマザーボード等の外部
電気回路基板７に搭載した状態を示している。

【００２１】図１において、半導体装置１を構成する基
盤となる配線基板２はその一方の主面に半導体素子４が
搭載される凹部２ａを有しており、半導体素子４の表面
の電極（図示せず）は導体バンプ３を介して配線基板２
の対向する表面に形成された電極（図示せず）に接合さ
れ電気的に接続される。

【００２２】ここで導体バンプ３には金や半田あるいは
熱硬化型Ａｇペースト等を用いることができる。例えば
金を用いる場合には、超音波熱圧着法により配線基板２
の電極と半導体素子４の電極とを接合して電気的に接続
させることが可能となる。

【００２３】このように配線基板２上に半導体素子４が
導体バンプ３を介して搭載実装されていることから、配
線基板２と半導体素子４との対向する表面間には所定の
空間が形成されている。この空間に対し、本発明の半導
体装置１においては、まず半導体素子４が搭載された後
に、電気配線および電極部、接続部や半導体素子４の素
子面等を完全に絶縁保護する目的で絶縁性樹脂ペースト
を注入充填し、さらに吸引機により余分な絶縁性樹脂ペ
ーストを吸引することにより絶縁性樹脂ペーストの被膜
を形成した後に熱硬化させて、配線基板２および半導体
素子４間の配線基板２、半導体素子４および導体バンプ
３の各表面を覆うように絶縁性樹脂被膜５を形成してい
る。

【００２４】ここで、絶縁性樹脂被膜５を形成するため
の絶縁性樹脂ペーストには、例えばエポキシ樹脂やシリ
コーン樹脂等の熱を加えることにより硬化するものを用
いることができる。このとき、必要に応じて繰り返し絶
縁性樹脂被膜５を複数回形成することで絶縁性を向上さ
せるようにしてもよい。

【００２５】また、工程を簡素化するために、図１中に
点線で示すように、配線基板２の半導体素子４搭載用の
凹部２ａに貫通孔２ｂを形成しておき、絶縁性樹脂ペー
ストを注入しながら貫通孔２ｂより余分な絶縁性樹脂ペ
ーストを吸引するようにしてもよい。この貫通孔２ｂは
絶縁性樹脂ペーストの注入孔として用いることも可能で
ある。

【００２６】次に、配線基板２の半導体素子４と対向し
ている表面、ここでは半導体素子４搭載用の凹部２ａの
内壁、およびその表面に形成された電気配線および電
極、ならびに半導体素子４の素子面および電極、さらに
導体バンプ３の各表面に絶縁性樹脂被膜５を形成した後
に、この絶縁性樹脂被膜５で囲まれた空間に、金属粉末
６、例えば金属フィラーを主成分とする導電性ペースト
等を充填する。この金属粉末６には、熱伝導率の高い金
属、具体的にはＡｕ・Ａｇ・Ｃｕ・Ａｌ等の単体やそれ
らの合金・金属炭化物・金属窒化物等の粉末を用いる。
その形状は、粉末同士の接触面積を大きくとれる鱗片状
粉末や多面体状粉末等の形状が好ましい。また、金属粉
末６としてはこれらの金属粉末を含む導電性ペーストを
用いることもでき、このようなペーストを用いれば、デ
ィスペンサ等を利用して絶縁性樹脂被膜５で囲まれた空
間に充填する作業が容易となる。

【００２７】金属粉末６として用いる導電性ペースト
は、通常は熱硬化可能な樹脂成分と金属フィラーとから
成り、樹脂成分としては例えばエポキシ系熱硬化性樹脂
もポリイミド系熱可塑性樹脂・ビスマレイド系熱硬化性
樹脂等を用いることができる。また、金属フィラーとし
ては例えばＡｇあるいはＡｇを主成分とする合金から成
る鱗片状粉末や多面体状粉末等、粉末同士の接触面積を
大きくとれる形状のものを用いることが好ましい。な
お、金属フィラーの配合比率は80％以上程度のものが好
ましく、80％を大きく下回ると金属フィラー同士の接触
面積が樹脂成分によって阻害されて減少するため、半導
体素子４の発熱を放散させるための伝熱部材としての十
分な機能が得られなくなる傾向がある。

【００２８】このように、本発明の半導体装置１におい
ては、配線基板２上に半導体素子４を互いの表面の電極
同士を対向させ導体バンプ３により接合して搭載実装す
るとともに、これら配線基板２および半導体素子４間
に、配線基板２、半導体素子４および導体バンプ３の各
表面を覆う絶縁性樹脂被膜５と、この絶縁性樹脂被膜５
で囲まれた空間に充填した金属粉末６とを介在させてい
ることから、この金属粉末６を介して半導体素子４の発
熱を効率よく配線基板２へ、さらに配線基板２および導
体バンプ９を介して外部電気回路基板７等の配線基板へ
と伝えて良好に放散させることができる。その結果、小
型化した半導体装置１においても発熱による半導体素子
４の温度上昇をジャンクション破壊温度以下に抑えるこ
とができ、半導体素子４の発熱による半導体素子４自身
の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高信頼性
・高性能な半導体装置１となる。

【００２９】なお、半導体素子４の露出面、図１におけ
る下側の表面に金属裏面電極（図示せず）を形成し、こ
の金属裏面電極と対向する外部電気回路基板７表面に形
成された電極部（図示せず）とを半田等の金属ロウ材８
を用いて接合することにより、半導体素子４により発生
した熱を金属粉末６を介して配線基板２への放熱ととも
に、半導体素子４自身を介しても外部電気回路基板７へ
と効率よく放熱させることが可能となる。

【００３０】次に、本発明の半導体装置の実施の形態の
他の例を図１と同様の断面図で図２に示す。図２におい
ても、半導体装置11はマザーボード等の外部電気回路基
板17に搭載されている。

【００３１】図２において、半導体装置11を構成する基
盤となる配線基板12は半導体素子14を搭載実装するため
の凹部12ａを有しており、半導体素子14の表面の電極
（図示せず）は導体バンプ13を介して配線基板12の凹部
12ａ表面に形成された電極（図示せず）に接合され電気
的に接続される。

【００３２】そして、図１に示した例と同様に、配線基
板12および半導体素子14間の空間に、配線基板12、半導
体素子14および導体バンプ13の各表面を覆うように絶縁
性樹脂被膜15が形成され、この絶縁性樹脂被膜15で囲ま
れた空間に金属粉末16が充填されている。なお、12ｂは
図１における２ｂと同様の貫通孔である。

【００３３】この例では配線基板12の凹部12ａの開口に
対して半導体素子14を覆うようにして金属放熱部材（蓋
体）10が接合されており、この金属放熱部材10により凹
部12ａ内に半導体素子14を気密封止して収容している。
この場合、半導体素子14の裏面（図２中における下側の
表面）を絶縁性とし、この半導体素子14の裏面と金属放
熱部材10との間にも金属粉末16を介在させることによ
り、半導体素子14の発熱を金属放熱部材10からも良好に
放散させることができるものとなる。これにより、半導
体素子14による発熱は、熱伝導率の高い金属放熱部材10
およびこれと外部電気回路基板17とを接合する金属ロウ
材18を介して外部電気回路基板17へと伝えられるため、
半導体素子14自身の信頼性や電気特性を劣化させること
がなく、また配線基板12自身が高温にさらされて他の電
子部品等が搭載された場合等にそれらの電気特性や接続
信頼性に悪影響を及ぼすこともないので、高信頼性で小
型な半導体装置11を得ることが可能となる。また、金属
放熱部材１０により半導体素子14の気密封止を行なうこ
とができ、信頼性の向上を図ることも可能となる。

【００３４】このような本発明の半導体装置11によれ
ば、配線基板12上に半導体素子14を互いの表面の電極同
士を対向させ導体バンプ13により接合して搭載実装する
とともに、これら配線基板12および半導体素子14間に、
配線基板12、半導体素子14および導体バンプ13の各表面
を覆う絶縁性樹脂被膜15と、この絶縁性樹脂被膜15で囲
まれた空間に充填した金属粉末16とを介在させているこ
とから、この金属粉末16を介して半導体素子14の発熱を
効率よく配線基板12へ、さらに配線基板12および導体バ
ンプ19を介して外部電気回路基板17等の配線基板へと伝
えて良好に放散させることができる。また、半導体素子
14の発熱を金属放熱部材10を介しても外部電気回路基板
17へ効率よく伝えて放散させることができる。その結
果、小型化した半導体装置11においても発熱による半導
体素子14の温度上昇をジャンクション破壊温度以下に抑
えることができ、半導体素子14の発熱による半導体素子
14自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高
信頼性・高性能な半導体装置11となる。

【００３５】なお、以上はあくまで本発明の実施の形態
の例示であって、本発明はこれらに限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改
良を加えることは何ら差し支えない。例えば、以上の例
ではいずれも配線基板に設けた凹部内に半導体素子を搭
載実装し、この半導体素子が下側に位置するようにして
外部電気回路基板に搭載した例を示したが、平板状の配
線基板の上面に半導体素子を導体バンプを介していわゆ
るフェースダウンで搭載実装して、この配線基板および
半導体素子間の各表面に絶縁性樹脂被膜を形成しそれで
囲まれた空間に金属粉末を充填して半導体装置を構成
し、この半導体装置を外部電気回路基板上に載置して搭
載実装してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明の半導体装置によ
れば、配線基板上に半導体素子を互いの表面の電極同士
を対向させ導体バンプにより接合して搭載実装するとと
もに、これら配線基板および半導体素子間に、配線基
板、半導体素子および導体バンプの各表面を覆う絶縁性
樹脂被膜と、この絶縁性樹脂被膜で囲まれた空間に充填
した金属粉末とを介在させていることから、この金属粉
末を介して半導体素子の発熱を効率よく配線基板へと伝
えて良好に放熱させることができる。その結果、発熱に
よる半導体素子の温度上昇をジャンクション破壊温度以
下に抑えることができ、半導体素子の発熱による半導体
素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、
高信頼性・高性能な半導体装置となる。

【００３７】そして、半導体素子の裏面あるいは半導体
素子の裏面に取着された金属放熱部材をこの半導体装置
が搭載されるマザーボード等の外部電気回路基板へ半田
等の良熱伝導性の金属ロウ材等を用いて取着することに
より、半導体素子の発熱をさらに良好に放熱させること
ができる。また、従来の半導体装置のような放熱フィン
を不要とすることができるため低背化も可能となる。

【００３８】以上により、本発明によれば、半導体素子
による発熱を良好に放散させ、半導体素子の発熱により
半導体素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることが
なく、高信頼性・高性能であり、さらに低背で小型な半
導体装置を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す
断面図である。

【図２】本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１、11・・・半導体装置 ２、12・・・配線基板 ３、13・・・導体バンプ ４、14・・・半導体素子 ５、15・・・絶縁性樹脂被膜 ６、16・・・金属粉末

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線基板上に半導体素子を互いの表面の
   電極同士を対向させ導体バンプにより接合して搭載実装
   するとともに、これら配線基板および半導体素子間に、
   前記配線基板、前記半導体素子および前記導体バンプの
   各表面を覆う絶縁性樹脂被膜と、この絶縁性樹脂被膜で
   囲まれた空間に充填した金属粉末とを介在させているこ
   とを特徴とする半導体装置。