JP2004031897A - 放熱板を備える半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性に優れ、信頼性の高い放熱板を備える半導体パッケージを提供する。
【解決手段】貫通穴が開設される基板１１と、第一表面１２０とそれの裏側に位置する第二表面１２１を有し、前記第一表面１２０上に金属粒子を含む接着剤１３を塗布することにより前記基板１１上に貼り付けると共に、貫通穴１１３の一方の開口を封止状態にさせる放熱板１２と、前記基板１１の貫通穴１１３内に収納され、前記接着剤１３によって前記放熱板１２の第一表面１２０上に接着させるチップと、前記半導体チップ１４と前記基板１１の間に電気的な接続関係を形成するための複数の第一導電素子１５と、基板１１の放熱板１２側と同じ側に取り付けられ、これによって前記基板１１の電気的な特性を外部装置に提供する複数の第二導電素子１７と、前記半導体チップ１４と前記第一導電素子１５を被覆するための封止樹脂層１６と、を備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体パッケージに関し、特に放熱効率を向上させるために放熱板を備える半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップの動作により生ずる熱を有効に放熱させ、かつ、半導体チップを被覆した半導体パッケージの使用寿命と品質を確保することは、半導体パッケージ業界において大きな課題になっている。
【０００３】
一般に半導体チップを被覆するための封止樹脂層（Ｅｎｃａｐｓｕｌａｎｔ）は、例えばエポキシ樹脂のような熱伝導性の悪い封止組成物（Ｍｏｌｄｉｎｇ　　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）によって形成されてきているため、チップに生ずる熱は封止樹脂層を介して有効に放熱することができない。この問題点を改善する一つの手段として、半導体パッケージに、放熱機構として熱伝導性に優れる金属材料からなる放熱板（Ｈｅａｔ　Ｓｉｎｋ）や放熱ブロック（Ｈｅａｔ　Ｂｌｏｃｋ）を設けて放熱効率を高める方法がある。しかし、放熱板が完全に封止樹脂層に被覆されると、チップに生ずる熱は封止樹脂層を介して放熱することができるが、放熱効率を高めることは限界があり、さらにチップの放熱の要求を満足させることは難しい。したがって、より好ましいのは、放熱機構の表面を封止樹脂層から露出させ、チップに生ずる熱を放熱板を介して、直接外気に接触させて放熱させる方法である。チップと放熱板の間に封止樹脂が充填され、チップが直接放熱板に接触しないと、チップに生ずる熱を直接放熱板に伝導させることができないため、依然として熱伝導性の悪い封止樹脂層を介して放熱しなければならない。この場合、封止製品の放熱効率が大きく制限される。
【０００４】
そこで、放熱板を直接半導体チップに貼り付ける方法が提案された（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には図３に示すような半導体パッケージが開示されている。このような従来の半導体パッケージ２は、半導体チップ２４上に直接放熱板２２が貼り付けられ、放熱板２２の頂面２２０をそのチップ２４を囲むための封止樹脂層２６から露出させる。チップ２４が直接放熱板２２に貼り付けられ、放熱板２２の頂面２２０が封止樹脂層２６から露出して直接外気に接触するため、チップ２４の動作によって発生する熱を直接放熱板２２に伝導して外気に放熱させることが可能となる。その熱の伝導が封止樹脂層２６を介する必要がないため、放熱効率が優れている。
【０００５】
しかし、このような半導体パッケージ２は、製造において若干の欠点が存在している。まず、その放熱板２２とチップ２４を貼り付けた後、封止金型のキャビティ（いずれも未図示）内に入れ込んで、その封止樹脂層２６を形成させるためのモールド作業を行う場合、その放熱板をキャビティの頂壁（未図示）にちょうど当接して始めて良い封止品質を確保することができる。ところが、実際に放熱板２２とキャビティ頂壁（未図示）を適切に当接する作業は極めて困難である。キャビティ頂壁（未図示）が放熱板２２の頂面２２０によく当接できなくて、その間に隙間が生ずると、封止樹脂層２６を形成する封止樹脂は放熱板２２の頂面２２０上に溢れてしまい、封止製品の外観を悪くさせるばかりか、放熱板２２の放熱効率にも妨げる。しかも、キャビティの頂壁が放熱板２２に下圧力をかけ過ぎると、質的に脆い半導体チップ２４は機械的に耐えられず、クラックが発生することがしばしば起る。
【０００６】
また、図４に示すように、チップの動作による熱は放射状に周りに放熱するため、一部の熱はチップ２４上に設置した放熱板によって排出できるが、多くの熱は半導体チップ２４の底面と、そのチップ２４を固設するための接着層２３を経由して基板２１の表面の導電トレースライン２１４（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｔｒａｃｅｓ）、ついで基板２１の内部における多数のビア（Ｖｉａｓ）２１２及び基板２１の下表面２１１のソルダーボール２７に沿って、再びプリント基板２８上に伝導される。この放熱ルートは接着層２３を介しなければならない。しかも、接着層２３は樹脂材料から成り、吸湿性を持つため、基板２１の上下表面に貫通するビア２１２内に水分が浸入すると、接着層２３に吸収される。吸湿した接着層２３は後続の高温工程において層間隆起（Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）やポップコーンという爆発現象（Ｐｏｐｃｏｒｎ　　Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）が起きやすいようになる。特に基板２１のビア上側に直接チップ２４を貼り付ける封止方式またはフィリップチップ、チップ拡大など高電子密度型で製造される半導体パッケージは前記の問題がより発生しやすい。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５７２６０７９号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の主な目的は、封止製品の全体高さを増やすことなく、その放熱板を直接封止樹脂層から完全に露出させ、最大の放熱面積を確保でき、且つ製造工程において封止樹脂が放熱板表面に溢れる恐れがなく、放熱効率を最大限に発揮できる放熱板を備える半導体パッケージを提供する。
【０００９】
この発明のもうひとつの目的は、放熱効率を高めるように放熱板とチップを直接貼り付けさせ、且つモールド工程において半導体チップにクラックが発生することなく、歩留まりを高めることができる放熱板を備える半導体パッケージを提供する。
【００１０】
この発明のさらにひとつの目的は、基板内部における水分が接着剤に吸収されることを防止し、水分を吸収した接着剤の高温工程における爆発現象や層間隆起などの問題をなくし、これによってチップ接合の信頼性を維持できる放熱板を備える半導体パッケージを提供する。
【００１１】
この発明のさらにひとつの目的は、チップと外部プリント基板の間を放熱板によって遮蔽させることで、電磁遮蔽効果を向上させ、且つ電磁干渉を低減でき、封止した半導体チップの電気的機能を明らかに向上させる放熱板を備える半導体パッケージを提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明に係わる放熱板を備える半導体パッケージは、少なくとも１つの貫通穴が開設される基板と、第一表面とその裏側に位置する第二表面とを有し、第一表面上に金属粒子を含む接着剤を塗布し、これによって前記基板上に貼り付けると共に、前記貫通穴の一方の開口を封止する放熱板（例えば銅板）と、前記基板の貫通穴内に収納され、前記接着剤によってその半導体チップを前記放熱板の第一表面上に接着させる半導体チップと、前記半導体チップと前記基板の間に電気的な接続関係を形成するための複数の第一導電素子（例えばリードワイヤ）と、基板の放熱板側と同じ側のに取り付けられ、これによって前記基板の電気的特性を外部装置に提供する複数の第二導電素子（例えばソルダーボール）と、及び前記半導体チップを被覆するための封止樹脂層と備える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、好ましい実施例として図面に基づいてこの発明の特徴と効果をより詳しく説明する。
【００１４】
図１に示すように、この発明に係る半導体パッケージ１は、少なくとも１つの貫通穴１１３が開設されている基板１１と、前記貫通穴１１３の一方の開口１１３ａを封止するための放熱板１２と、前記放熱板１２に塗布され、放熱板１２を基板１１の表面に強固に貼り付けさせるための接着剤１３と、前記接着剤１３によって放熱板１２上に接着される半導体チップ１４と、半導体チップ１４と基板１１の間に電性的な接続関係を形成するための複数のリードワイヤ（第一導電素子）１５と、前記放熱板１２と同じ側にある基板１１に取り付けられ、外部装置（例えばプリント基板１８）へ基板１１を電気的に接続するための複数のソルダーボール（第二導電素子）１７と、半導体チップ１４とリードワイヤ１５を被覆するための封止樹脂層１６とを備える。なお、実際製品では応用領域に応じて、前記半導体パッケージはバッチ（Ｂａｔｃｈ）式製作や逐次実装など方式によって製造することが出来る。
【００１５】
前記基板１１の材質は、ＦＲ−４樹脂、ＦＲ−５樹脂、ＢＴ（Ｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ　Ｔｒｉａｚｉｎｅ）樹脂など、またはテープ（Ｔａｐｅ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）などから選ばれる有機材料のいずれかによって製造される。また、前記基板１１は、一つの上表面１１０と前記上表面１１０の裏側の一つの下表面１１１とを連通する複数のビア１１２（Ｖｉａｓ）と有する。さらに、基板１１に少なくとも一つの貫通穴１１３が開設され、半導体チップを収納させるためにその貫通穴１１３のサイズは半導体チップ（未図示）の面積より大きく設定されている。また、基板１１の上表面１１０、下表面１１１には多数の導電トレースライン１１４（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｔｒａｃｅｓ）が形成され、半導体チップ信号を基板１１の上表面１１０の導電トレースライン１１４から、ビア１１２を介して、基板１１の下表面１１１に伝送させることができる。
【００１６】
前記放熱板１２は、銅・銅合金、銀・銀合金またはその他熱伝導性に優れる金属材質からなる薄板構造であって、第一表面１２０とその第一表面の裏側の第二表面１２１とを有する。放熱板は後続のソルダーボール植付け作業を妨げないように、前記放熱板１２の厚さｔはソルダーボール（図面おいて基板下表面の仮想線に示すように）をリフローした後の垂直高さｈより小さく限定される。その放熱板に黒化（Ｂｌａｃｋ　　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、褐化（Ｂｒｏｗｎ　　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）や水平褐化など従来の工程を施し、放熱板１２の第一表面１２０を不動態化（Ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ）させて、前記第一表面１２０の絶縁性及び接着剤１３の接合効果を上げる。
【００１７】
前記接着剤１３は、少なくとも一種の有機媒体（Ｏｒｇａｎｉｃ　　Ｖｅｈｉｃｌｅ）及び溶媒に銅・銅合金、銀・銀合金などから選ばれる一種の金属粉末を均一的に混合した接着樹脂材である。したがって、前記放熱板の第一表面に接着剤１３を塗布すると、銅、銀など熱伝導性の良い金属粒子が熱を伝導できるため、接着剤１３も熱伝導性に優れている。これによって、半導体チップ１４の動作によって発生した熱を速やかに接着剤１３を介して、放熱板１２上に放熱させることができる。接着剤１３を塗布した放熱板１２を基板１１の下表面１１１上に貼りつけ、貫通穴１１３の一方の開口１１３ａを封止した後、前記放熱板１２を半導体チップ１４のキャリア部材とすることができる。
【００１８】
前記半導体チップ１４は、作用表面１４０（即ち、多数の電子回路と電子素子が配置されている表面）と、裏側の非作用表面１４１と備え、半導体チップ１４は基板１３の貫通穴１１３に収納され、接着剤１３で前記半導体チップ１４の非作用表面１４１を放熱板１２の第一表面１２０に貼り付けた後、複数のリードワイヤ（第一導電素子）１５によって前記半導体チップ１４を基板１１の上表面１１０へ電気的に接続し、封止樹脂層１６で半導体チップ１４とそれらのリードワイヤ１５を被覆し、信号伝送のための半導体チップの作用表面１４０及びリードワイヤ（第一導電素子）１５レイアウト領域を気密させ、外部と離間させる。
【００１９】
前記放熱板１２、封止樹脂層１６に被覆されるチップ１４及びリードワイヤ（第一導電素子）１５領域がそれぞれ前記基板１１の表裏両側に位置するため、封止樹脂層１６を形成するための金型（図示せず）は、放熱板１２の高さに応じて設置される必要がなく、半導体チップに過大な圧力が加わらないためクラックが発生することもなく、樹脂が溢れて放熱板表面を被ってしまうこともなくなる。基板１１の下表面１１１に設置した放熱板１２は、基板１１の上表面１１０上に形成される封止樹脂層１６から完全に避けることができ、放熱板は完全に外気に露出しているため、著しく放熱効率が向上する。
【００２０】
前記ソルダーボール（第二導電素子）１７の植付けは、半導体チップ信号を外部プリント基板１８上に伝送するためのものである。図２に示すように、放熱板１２とソルダーボール１７は基板１８側に設置され、ソルダーボール１７（第二導電素子）はプリント基板１８にリフローされる。前記放熱板１２は半導体チップ１４とプリント基板１８の間におけるソルダーボール（第二導電素子）１７を植付けるための空間内に隠れるようになるので、放熱板の増設は封止製品の全体厚さの増大をきたすことはない。さらに半導体チップ１４とプリント基板１８の間にある金属材の放熱板により電磁シールド（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　　Ｓｈｉｅｌｄ）効果を有するため、チップに対する電磁干渉を減少することができ、パッケージ製品により良い電気機能を持たせることができる。
【００２１】
しかし、以上はこの発明の具体的な実施例に過ぎず、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る変更、若しくは修正など、この発明の精神の範囲内にあれば、この発明に対し均等な効果を有するものはいずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【００２２】
【発明の効果】
この発明に係わる半導体パッケージは、半導体チップに接着したキャリア（Ｃａｒｒｉｅｒ）として放熱板を採用するため、半導体チップ接着用の接着剤を放熱板上に塗布すれば良く、基板を半導体チップの表面に直接貼り付ける必要がなく、基板内における多数のビアに外部から水分が浸入しても、放熱板上の接着剤に影響を与えない。また、チップ接着用の接着剤（Ｃｏｐｐｅｒ　Ｐａｓｔｅ）は多数の熱伝導性の良い金属粒子を含むため、放熱板上に直接接着剤を塗布して半導体チップを貼り付けることによって、直接前記接着剤を介し半導体チップに生ずる熱を放熱板に伝送して放熱させ、放熱ルートを最小限に短縮させる。
【００２３】
さらに、前記放熱板は第二導電素子と同じ側にあって、基板表面に取り付けられ、即ち、放熱板と半導体チップの作用表面とリードワイヤ（第一導電素子）レイアウト領域などを封止樹脂層に被覆される必要がある部分とは、それぞれ基板の表裏両側に属するため、封止製品のモルード工程を行う際に、金型のキャビティの頂壁と放熱板の高さが合うかどうかを考慮する必要がなく、半導体チップにクラックの発生や、封止樹脂が放熱器表面に溢れ表面を被ってしまう恐れがない。また、封止を完成した半導体装置がプリント基板にリフロー（Ｒｅｆｌｏｗ）されると、放熱板は半導体チップ底部とプリント基板との間における第二導電素子を取り付けるための隙間内に隠れるようになるので、放熱板の増設は封止製品の全体厚さを増やすことが全くない。さらに、半導体チップ底部とプリント基板との間に金属薄板である放熱板が配置されることにより半導体チップの電磁遮蔽効果がさらに高めるため、不当な電磁干渉を低減でき、製品の電気的機能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例における半導体パッケージの断面図である。
【図２】この発明に係る半導体パッケージと外部装置を電気的に接続した状態の断面図である。
【図３】従来の半導体パッケージの断面図である。
【図４】従来の半導体パッケージにおいて、高温及びモルード工程で発生した欠点を示す部分的な拡大図である。
【符号の説明】
１，２　半導体パッケッジ、１１，２１　基板、１１０，２１０　基板の上表面、１１１　基板の下表面、１１２，２１２　ビア、１１３　貫通穴、１１４，２１４　導電トレースライン、１２，２２　放熱板、１２０，２２０　第一表面、１２１　第二表面、１３，２３　接着剤、１４，２４　半導体チップ、１４０作用表面、１４１　非作用表面、１５　リードワイヤ（第一導電素子）、１６，２６　封止樹脂層、１７，２７　ソルダーボール（第二導電素子）、１８，２８　外部プリント基板、ｈ　ソルダーボールがリフローされた垂直高さ、ｔ　放熱板の高さ。

Claims (15)

1. 貫通穴が開設される基板と、
   第一表面とそれの裏側に位置する第二表面を有し、前記第一表面上に金属粒子を含む接着剤を塗布することにより前記基板上に貼り付けると共に、貫通穴の一方の開口を封止状態にさせる放熱板と、
   前記基板の貫通穴内に収納され、前記接着剤によって前記放熱板の第一表面上に接着させる半導体チップと、
   前記半導体チップと前記基板の間に電気的な接続関係を形成するための複数の第一導電素子と、
   基板の放熱板側と同じ側に取り付けられ、これによって前記基板の電気的な特性を外部装置に提供する複数の第二導電素子と、
   前記半導体チップと前記第一導電素子を被覆するための封止樹脂層と、
   備えることを特徴とする放熱板を備える半導体パッケージ。
2. 前記半導体パッケージが、ボールグリッド配列式（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ，ＢＧＡ）であることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
3. 前記放熱板が、金属薄板であることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
4. 前記放熱板の材質が、銅・銅合金、銀・銀合金またはその他熱伝導性に優れる金属材から選ばれるものであることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
5. 前記放熱板の第一表面が、接着剤を塗布する前に予め黒化処理（Ｂｌａｃｋ　　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を施されることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
6. 前記放熱板の第一表面が、接着剤を塗布する前に予め褐化処理（Ｂｒｏｗｎ　　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を施されることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
7. 前記放熱板の第一表面が、接着剤を塗布する前に予め水平褐化処理を施されることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
8. 前記金属粒子が、銅・銅合金、銀・銀合金などの金属粉末であることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
9. 前記接着剤が、少なくとも有機媒体（Ｏｒｇａｎｉｃ　　Ｖｅｈｉｃｌｅ）及び溶媒に金属粉末を均一的に混合して成るものであることを特徴とする請求項１または請求項８に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
10. 前記接着剤が、熱伝導性の接着剤（Ｔｈｅｒｍａｌ　　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｐａｓｔｅ）であることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
11. 前記第一導電素子が、リードワイヤであることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
12. 前記放熱板の厚さが、リフローされた前記第二導電素子の垂直高さより小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
13. 前記第二導電素子が、ソルダーボールであることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
14. 前記外部装置が、プリント基板（Ｐｒｉｎｔ　　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ）であることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。
15. 前記封止樹脂層と前記放熱板が、それぞれ基板の表裏両側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の放熱板を備える半導体パッケージ。

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