JP2002151633A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

樹脂封止型半導体装置

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heat
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和昭 反町
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 射出成形樹脂と放熱部材との線膨張係数の差
が大き過ぎるとＩＣチップが発熱した時に両者の間にそ
りの力が発生し、これにより熱剥れを生ずるという問題
がある。 【解決手段】 放熱部材７は熱伝導率が良く、かつ前記
封止樹脂６と線膨張係数が近似した第一の金属７ａと、
熱伝導率と線膨張係数は前記第一の金属７ａほど良好で
なくても良いが、表面に形成される酸化膜の進行が緩慢
な事で、前記封止樹脂６との密着性が良好な第二の金属
７ｂとのクラッド材より構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は樹脂封止型半導体装
置の放熱構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】下面側に複数のコンタクト電極を有する
樹脂基板上に実装したＩＣチップを射出成形により樹脂
封止するとともに、前記射出成形による封止樹脂の上面
側に金属製の放熱部材を一体化してなる半導体装置とし
てＰＧＡ（ピングリッドアレイ）やＢＧＡ（ボールグリ
ッドアレイ）が広く商品化されており、この構造に関し
ては本出願人が特開平１−２０１９４１号公報にてすで
に提案している。
【０００３】この構成は特開平１−２０１９４１号公報
の第１図〜第３図に示すごとく樹脂基板に実装したＩＣ
チップを射出成形により樹脂封止する時に、成形用金型
の下金型にＩＣチップを実装した樹脂基板、上金型に放
熱部材を各々保持した状態にて射出成形樹脂を注入口よ
り注入することにより前記射出成形による封止樹脂の上
面側に金属製の放熱部材を一体化している。そして第５
図〜第７図に示すごとく放熱部材としては単体の金属板
を使用し、前記放熱部材に切り欠き形状部を形成する事
で射出成形樹脂と放熱部材との密着性を高めた半導体装
置が開示されている。さらに特開平１−２０１９４１号
公報の明細書の第４頁左欄上段２０行目〜右欄上段第７
行目に放熱部材の材質として熱伝導率の良好なアルミ
（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、真鍮（Ｂｓ）等の金属を用い、
必要に応じて前記射出成形樹脂との密着性を向上させる
為の表面処理として、租面化、メッキ処理、化学処理等
を施す事が有効である事が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記特開平１−２０１
９４１号公報に開示された半導体装置では放熱部材とし
て熱伝導率の良好な金属板を使用する必要があること、
及び射出成形樹脂との密着性を高める必要がある事につ
いて開示がある。しかしながら、射出成形により封止樹
脂の上面側に金属製の放熱部材を一体化する構成におい
ては、上記問題にほかに射出成形樹脂と放熱部材との線
膨張係数の差に基づく剥れの問題がある。
【０００５】すなわち射出成形樹脂と放熱部材との線膨
張係数の差が大き過ぎるとＩＣチップが発熱した時に両
者の間にそりの力が発生し、これにより熱剥れを生ずる
という問題がある。すなわちこの熱剥れの問題を含めて
放熱部材に要求される条件を考えると（Ａ）熱伝導率が
良好、（Ｂ）成形樹脂との線膨張係数の差が小さい、
（Ｃ）成形樹脂との密着性が良好な事の３条件となる。
しかしこの３条件を満足出来るレベルで兼ね備えた金属
材料が存在せず、特性のどれかを我慢して放熱部材を選
定しているのが実情である。本発明は前記３条件を満足
出来るレベルで兼ね備えた放熱部材を有する樹脂封止型
半導体装置を提供する事を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１記載の発明は下面側に複数の
コンタクト電極を有する回路基板上に実装したＩＣチッ
プを射出成形により樹脂封止するとともに、前記射出成
形による封止樹脂の上面側に金属製の放熱部材を一体化
してなる半導体装置において、前記放熱部材は異なる金
属を組み合わせたクラッド材であることを特徴としたも
のである。また、請求項２記載の発明は請求項1記載の
放熱部材を前記封止樹脂と線膨張係数が近似した第１の
金属と前記封止樹脂との密着性の良い第２の金属とのク
ラッド材であることを特徴とする。また、請求項３記載
の発明は、請求項２記載の発明の放熱部材を第１の金属
が銅であり、第２の金属がアルミであるであることを特
徴とする。さらに、請求項４記載の発明は、請求項２記
載の発明の放熱部材を第１の金属の両面に第２の金属を
積層した３層構造にしたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施の
形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示
すもので、図１（ａ）は樹脂封止型ボールグリッドアレ
イ（以下ＢＧＡと略記する）の平面図、図１（ｂ）は断
面図である。図において１はＢＧＡである。２は樹脂製
の回路基板、３はＩＣチップ、４はコンタクト電極であ
る半田ボールであり、前記回路基板２の上面側にはＩＣ
チップ３が搭載されると共に、ボンディングワイヤー５
によって回路基板２の上面電極に接続され、前記上面電
極は図示しないスルーホール電極によって下面側に複数
設けられた半田ボール４に接続されている。６は封止樹
脂、７は放熱部材であり、前記放熱部材７は前記ICチッ
プ３を封止するための封止樹脂６の射出成形時にインサ
ートモールドによって一体化されている。そして前記放
熱部材７は熱伝導率が良く、かつ前記封止樹脂６と線膨
張係数が近似した第一の金属７ａと、熱伝導率と線膨張
係数は前記第一の金属７ａほど良好でなくても良いが、
表面に形成される酸化膜の進行が緩慢な事で、前記封止
樹脂６との密着性が良好な第二の金属７ｂとのクラッド
材より構成されている。前記封止樹脂６はＩＣチップ３
を遮光する為に顔料を混入して黒色になっており、前記
放熱部材７の上面も封止樹脂６と同色の黒色にしておく
事によって、射出成形時に前記放熱部材７が封止樹脂６
上面の中央から少し位置ずれしても、その位置ズレが目
立たないようにしている。
【０００８】前記ＢＧＡ１の放熱動作としては、従来と
同様にＩＣチップ３の発熱が封止樹脂６と放熱部材７を
介して上方に放熱される。そしてこの放熱時に封止樹脂
６と放熱部材７とが温度上昇に伴って膨張する。この時
両者の線膨張係数が近似していれば同じ率で伸びる事で
問題ないが、両者の膨張係数の差が大き過ぎるとＩＣチ
ップ３が発熱した時に両者の間にそりの力が発生し、こ
れにより熱剥れを生ずるという結果となる。本発明では
放熱部材７としてクラッド材を用いていることによって
この熱剥れを防止している。すなわち放熱部材７は熱伝
導率が良く、かつ前記封止樹脂６と線膨張係数が近似し
た厚板の第一の金属７ａをコア材とし、上下面に表面に
形成される酸化膜の進行が緩慢な事で、前記封止樹脂６
との密着性が良好な薄板の第二の金属７ｂを積層したク
ラッド材より構成されているため放熱部材としての性能
はほぼ第一の金属７ａによって決定し、封止樹脂６との
密着性のみ第二の金属７ｂによって決定するという任務
の分担をさせることで、放熱部材７に要求される（Ａ）
熱伝導率が良好、（Ｂ）成形樹脂との線膨張係数の差が
小さい、（Ｃ）成形樹脂との密着性が良好の３条件を満
足出来るレベルで兼ね備えた放熱部材を得ることが出来
る。
【０００９】
【表１】 表１は放熱部材７を構成する為の金属材料に関する各特
性を示すものであり、熱伝導率Ｋ（Kcal／mh℃）、線膨
張係数×１０-6、熱伝導率Kに関する良好度、線膨張係
数βに関する良好度、成形樹脂との密着性の良好度とを
示し、また参考の為に、封止樹脂６の線膨張係数を示し
ている。表中の記号は、良好度の良い方から順番に◎、
○、△、×となっている。表１に示すごとく熱伝導率Ｋ
の良好度が◎のランクの材料としてはＣｕとＡｇがあ
り、またこれらのＣｕ、Ａｇは線膨張係数βの良好度も
○のランクにある為、放熱部材７のコア材となる第一の
金属７ａに適することがわかる。
【００１０】また封止樹脂６との密着性の良好度として
はＡｌが◎のランクでＡｇが○のランクにあり、これら
の材料が第二の金属７ｂに適することがわかる。表1に
示すＡｕやＦｅは線膨張係数βの良好度は◎のランクに
あるが、Ａｕは高価なことや表面に酸化膜が形成されえ
ない為に封止樹脂６との密着性が得られず、またＦｅは
熱伝導率Ｋが極端に悪すぎて、いずれも放熱部材７の材
料に適さないことがわかる。
【００１１】
【表２】 表２は表１に示す放熱部材７に適する各材料を組み合わ
せたクラッド材の特性を示すものであり、採用可能な組
み合わせとしてＣｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ａｌの
３組を示したが熱伝導率Kに関する良好度、線膨張係数
βに関する良好度、成形樹脂との密着性の良好度におい
ては3組とも採用可能であるが、このうちＡｇ−Ａｌは
クラッド適性と価格の点において採用困難であり、結局
第一の金属としてはＣｕが最適であり、これに第二の金
属としてＡｌかＡｇを組み合わせたクラッド材が適する
ことがわかった。さらにこの２組のクラッド材のうちＣ
ｕ―Ａｇは、例え薄板の第二の金属７ｂであっても高価
なＡｇを使用することで価格的に不利であり、さらに密
着性を考慮するとＣｕ―Ａｌのクラッド材が最も適して
いることがわかる。すなわち放熱部材７としてＣｕ―Ａ
ｌのクラッド材を用いた場合を考えると、熱伝導率Ｋと
しては３３０のＣｕに対して１９０のＡｌが表面を薄く
覆っているが、容積の大きいＣｕの熱伝導率が支配的に
作用して十分な放熱が可能となり、また線膨張係数βに
ついても、２３のＡｌに対して１７のＣＵが支配するこ
とによってクラッド材全体の線膨張係数βはＣｕの線膨
張係数１７に近い値となり、封止樹脂６の線膨張係数１
４との差が許容範囲となって熱剥れを生ずる問題が解消
された。
【００１２】図２（ａ）は本発明における放熱部材７の
断面図であり、第一の金属７ａとして２１０〜１３０ミ
クロンのＣｕを使用し、第二の金属７ｂとして２０〜６
０ミクロンのＡｌを使用し厚さ２３０ミクロンのクラッ
ド材よりなる放熱部材７を構成した。さらに放熱部材７
の上面側の第二の金属７ｂの表面には前述の黒染層８を
形成して射出成形時の位置ずれをカバーするようにして
いる。図２（ｂ）は放熱部材７の他の実施形態を示す断
面図であり、図２（ａ）と異なるところは、第二の金属
７ｂを第一の金属７ａの封止樹脂６と接触する下面側の
みに積層した２層構造としており、第一の金属７ａの上
面側に直接黒染層８を形成している。
【００１３】図３、図４、図５、図は何れも本発明の他
の実施形態を示すもので、（ａ）はＢＧＡ１の断面図、
（ｂ）は放熱部材の斜視図である。尚図３〜図６におい
て図１と同一要素には同一番号を付し説明を省略する。
図３は放熱部材１７の中央部に凹部１７ａを形成し、こ
の凹部１７ａによってICチップ３と放熱部材７との距離
を小さくすることによってICチップ３の発熱をより放熱
部材１７に伝わりやすくしている。
【００１４】図４は放熱部材２７の中央部に半抜孔２７
ａを形成し、封止樹脂６の射出成形時にこの半抜孔２７
ａに注入することにより前記ICチップ３との距離を小さ
くして放熱効果を高めるとともに放熱部材２７と封止樹
脂６との密着力を大きくしている。図５は蓋形状の放熱
部材３７を用い、この放熱部材３７の底部３７ａを樹脂
基板２の上面に形成されたアース電極に接続すること
で、ＩＣチップ３に対するシールド効果をもたせてい
る。図６は放熱部材４７に折曲部４７ａを形成すること
で封止樹脂６との密着力を大きくしている。
【００１５】
【発明の効果】以上、説明のごとく本発明においては放
熱部材として封止樹脂と線張係数係数が近似した第一の
金属の表面に封止樹脂との密着性の良い第二の金属をク
ラッド材として構成している為、放熱部材に要求される
熱伝導率が良好、成形樹脂との線膨張係数の差が小さ
い、成形樹脂との密着性が良好な事の３条件を満足出来
るレベルで兼ね備えた金属部材を得ることができる。ま
た、前記第一の金属と第二の金属とを任意に選択するこ
とで、いろいろな特性の封止樹脂に適合した放熱部材を
準備することが可能となる。さらに放熱部材をクラッド
材として構成している為、加工コストを高価にすること
なく任意の特性を有する放熱部材が調達することかでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は樹脂封止型ボールグリッドアレイの平
面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明における放熱部材７の断面図である。
【図３】（ａ）は本発明における他の実施形態を示す樹
脂封止型ボールグリッドアレイの断面図、（ｂ）は本発
明における他の実施形態を示す樹脂封止型ボールグリッ
ドアレイの平面図である。
【図４】（ａ）は本発明における他の実施形態を示す樹
脂封止型ボールグリッドアレイの断面図、（ｂ）は放熱
部材の斜視図である。
【図５】（ａ）は本発明における他の実施形態を示す樹
脂封止型ボールグリッドアレイの断面図、（ｂ）は放熱
部材の斜視図である。
【図６】（ａ）は本発明における他の実施形態を示す樹
脂封止型ボールグリッドアレイの断面図、（ｂ）は放熱
部材の斜視図である。
【符号の説明】
１ ＢＧＡ ２ 回路基板 ３ ＩＣチップ ４ 半田ボール ６ 封止樹脂 ７、１７、２７、３７、４７、 放熱部材 ７ａ 第一の金属 ７ｂ 第二の金属

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下面側に複数のコンタクト電極を有する
    回路基板上に実装したＩＣチップを射出成形により樹脂
    封止するとともに、前記射出成形による封止樹脂の上面
    側に金属製の放熱部材を一体化してなる半導体装置にお
    いて、前記放熱部材は異なる金属を組み合わせたクラッ
    ド材であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記放熱部材は前記封止樹脂と線膨張係
    数が近似した第１の金属と前記封止樹脂との密着性の良
    い第２の金属とのクラッド材であることを特徴とする請
    求項１記載の樹脂封止型半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記放熱部材は第１の金属が銅であ
    り、第２の金属がアルミであることを特徴とする請求項
    ２記載の樹脂封止型半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記放熱部材は前記第１の金属の両面に
    第２の金属を積層した３層構造であることを特徴とする
    請求項２記載の樹脂封止型半導体装置。
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