JP2004235280A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子の搭載やボード等への実装が容易で正確にでき、半導体素子の放熱性が高く実装信頼性の高い半導体素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】1又は複数枚の絶縁基体11の中央部に切り欠き空間12からなる半導体素子13を搭載するための半導体素子搭載部14を有し、絶縁基体11の最下面に外部接続端子15を接合するための外部接続端子パッド16を有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージ10において、半導体素子搭載部14に半導体素子13からの発熱を下方に放熱するための切り欠き空間12の一方を閉塞するようにして絶縁基体11に接合する伝熱板17を有し、しかも、絶縁基体11に半導体素子13からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層18を有する。
【選択図】 図1
【解決手段】1又は複数枚の絶縁基体11の中央部に切り欠き空間12からなる半導体素子13を搭載するための半導体素子搭載部14を有し、絶縁基体11の最下面に外部接続端子15を接合するための外部接続端子パッド16を有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージ10において、半導体素子搭載部14に半導体素子13からの発熱を下方に放熱するための切り欠き空間12の一方を閉塞するようにして絶縁基体11に接合する伝熱板17を有し、しかも、絶縁基体11に半導体素子13からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層18を有する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載するためのBGA型の半導体素子収納用パッケージに係り、より詳細には、半導体素子からの発熱の放熱性を向上させる半導体素子収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化に伴い、半導体素子収納用パッケージには、高密度化、高速化、多端子化等の要求が益々高まっており、その対応のために半田ボール等を外部接続端子パッドに接合して外部接続端子を設けるボールグリッドアレイ(Ball Grid Array、以下、BGAと称す)型のパッケージが多く求められている。
【0003】
図5(A)に示すように、この従来のBGA型のパッケージの一例である半導体素子収納用パッケージ50は、プラスチック回路基板からなる絶縁基体51の一方の面に多数の半田ボールを接合して外部接続端子52を配列するための外部接続端子パッド53を設けた表面実装タイプのパッケージである。この半導体素子収納用パッケージ50には、絶縁基体51の他方の面に半導体素子54が実装され、ボンディングワイヤ55と、絶縁基体51に形成されている回路導体を介して外部接続端子パッド53と電気的に導通状態とし、半導体素子54を封止樹脂56で気密に封止した後、外部接続端子パッド53に外部接続端子52を形成している。また、一般的に、この半導体素子収納用パッケージ50は、半導体素子54からの発熱を放熱させるために、半導体素子54が実装される絶縁基体51の半導体素子搭載部に接続して設けられたスルーホール57の導体金属と、スルーホール57に接続された外部接続端子52aを介してボード等に放熱させる構造となっている。
【0004】
しかしながら、上記の半導体素子収納用パッケージ50は、半導体素子54からの発熱を効率よく放熱させることが難しく、最近の電子機器装置の高性能化に伴う半導体素子54の発熱量増大の問題に対応するためには限界がある。そこで、図5(B)に示すように、半導体素子収納用パッケージ50aは、高放熱対応のために開発されたパッケージであり、中央部に切り欠き空間を有する絶縁基体51の一方の面に放熱用の伝熱板58を接着し、絶縁基体51の他方の面に外部接続端子52を配列する表面実装タイプのパッケージである。この半導体素子収納用パッケージ50aには、伝熱板58と絶縁基体51の切り欠き空間とで形成されるキャビティ部59に半導体素子54が実装され、ボンディングワイヤ55と、絶縁基体51に形成されている回路導体を介して外部接続端子パッド53と電気的に導通状態としている。この半導体素子収納用パッケージ50aには、半導体素子54を封止樹脂56で気密に封止した後、外部接続端子パッド53に半田ボールを接合して外部接続端子52を形成している。
【0005】
また、従来の放熱タイプのBGA型の半導体素子収納用パッケージには、半導体素子の上表面側に放熱用の金属板を取り付けて半導体素子からの発熱を上表面側に放熱させる構造のものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−209348号公報(第1−8頁、第5図)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体素子収納用パッケージには、未だ解決すべき次のような問題がある。
(1)絶縁基体の一方の面に放熱用の伝熱板を接着した半導体素子収納用パッケージは、半導体素子搭載部と外部接続端子の接合部が同一側にあるので、半導体素子を実装して封止樹脂で気密封止し、更に、外部接続端子を取り付ける時に、それぞれの位置合わせを正確に行わなければ、位置ズレによって実装ができなくなる場合が発生する。また、封止樹脂の高さが高くなりすぎると外部接続端子がボート等に取り付けることができなくなる。
(2)絶縁基体の一方の面に放熱用の伝熱板を接着した半導体素子収納用パッケージは、ボード等に実装後、上面側からの放熱は比較的高いものの、ボード側からの放熱を行うことができない。
(3)絶縁基体の上面に半導体素子が搭載され、絶縁基体の下面に外部接続端子が設けられ、更に半導体素子の上表面側に、半導体素子に近接させて放熱用の金属板を取り付けて、半導体素子からの発熱を上表面側に放熱させる構造のものは、半導体素子の上に金属板を近接させて取り付けるので、接合時に半導体素子や、ボンディングワイヤを傷付ける場合があり、半導体素子の信頼性や、ボンディングワイヤの接続信頼性を低下させる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、半導体素子の搭載やボード等への実装が容易で正確にでき、半導体素子の放熱性が高く実装信頼性の高い半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第1の発明に係る半導体素子収納用パッケージは、1又は複数枚の絶縁基体の中央部に切り欠き空間からなる半導体素子を搭載するための半導体素子搭載部を有し、絶縁基体の最下面に外部接続端子を接合するための外部接続端子パッドを有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージにおいて、半導体素子搭載部に半導体素子からの発熱を下方に放熱するための切り欠き空間の一方を閉塞するようにして絶縁基体に接合する伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有する。これにより、半導体素子と外部接続端子は、それぞれ互いに反対面に接合されるので、半導体素子の実装、封止樹脂での気密封止、及び、外部接続端子の取り付けにおいて、位置ズレがなく、容易に取り付けることができる。また、封止樹脂での気密封止は、ボード等に取り付ける側と反対側であるので、封止樹脂の高さによるボード等への取り付け不可の問題は発生しない。また、半導体素子からの発熱は、伝熱板を介してパッケージの下方と、熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱するので、信頼性の高い半導体素子とすることができる。更に、半導体素子の上表面側には、放熱用の金属板が存在せず、半導体素子を傷付ける様な問題は発生しないので、実装信頼性の高いパッケージとすることができる。
【0009】
前記目的に沿う第2の発明に係る半導体素子収納用パッケージは、1又は複数枚の絶縁基体の上面側に半導体素子を搭載するための半導体素子搭載部を有し、絶縁基体の最下面に外部接続端子を接合するための外部接続端子パッドを有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージにおいて、半導体素子搭載部の絶縁基体の下面側に接合して半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有する。これにより、半導体素子と外部接続端子は、それぞれ互いに反対面に接合されるので、半導体素子の実装、封止樹脂での気密封止、及び、外部接続端子の取り付けにおいて、位置ズレがなく、容易に取り付けることができる。また、封止樹脂での気密封止は、ボード等に取り付ける側と反対側であるので、封止樹脂の高さによるボード等への取り付け不可の問題は発生しない。また、半導体素子からの発熱は、伝熱板を介してパッケージの下方と、熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱するので、信頼性の高い半導体素子とすることができる。更に、半導体素子の上表面側には、放熱用の金属板が存在せず、半導体素子を傷付ける様な問題は発生しないので、実装信頼性の高いパッケージとすることができる。
【0010】
ここで、第1又は第2の発明に係る半導体素子収納用パッケージは、熱拡散層が絶縁基体の最上面及び/又は中間に設けられているのがよい。これにより、半導体素子からの発熱を容易に熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0011】
また、半導体素子収納用パッケージは、熱拡散層の上面に半導体素子が搭載されるのがよい。これにより、半導体素子からの発熱を容易に効率よく熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0012】
更に、半導体素子収納用パッケージは、熱拡散層が伝熱板の上面に接続して設けられているのがよい。これにより、半導体素子からの発熱を熱拡散層と伝熱板の両方を介して効率的にパッケージの上方、側面、及び下方から放熱することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1(A)、(B)はそれぞれ第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、A−A’線縦断面図、図2(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図、図3(A)、(B)はそれぞれ第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、B−B’線縦断面図、図4(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図である。
【0014】
図1(A)、(B)に示すように、第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ10は、セラミックや、プラスチックからなる1又は複数枚の絶縁基体11の中央部の切り欠き空間12に形成された半導体素子13を搭載するため半導体素子搭載部14を有し、絶縁基体11の最下面に半田ボール等からなる外部接続端子15を接合するための外部接続端子パッド16を有するBGA(ボールグリッドアレイ)型のパッケージである。半導体素子搭載部14は、半導体素子13が載置された時に、半導体素子13からの発熱を下方に放熱させるための伝熱板17が絶縁基体11の切り欠き空間12の一方を閉塞するようにして接合されて形成されている。絶縁基体11には、半導体素子13からの発熱を熱拡散層18を介して横方向に拡散しながらパッケージの上面や側面から放熱するために、絶縁基体11と熱膨張係数が近似し、放熱特性のよい金属板や、メタライズ膜等からなる熱拡散層18が絶縁基体11の上面に設けられている。
【0015】
この半導体素子収納用パッケージ10においては、熱拡散層18の中央部に絶縁基体11に設ける切り欠き空間12と実質的に同等程度の大きさの切り欠き空間12aと、熱拡散層18の切り欠き空間12aの周辺部に絶縁基体11の表面に形成されたワイヤボンドパッド19を表面から露出させるための切り欠き部20を設けている。そして、この半導体素子収納用パッケージ10においては、半導体素子13が半導体素子搭載部14に形成された伝熱板17の上に接合材を介して直接接合され、半導体素子13とワイヤボンドパッド19との間をボンディングワイヤ21で接続した後、封止樹脂22で半導体素子13を気密に封止している。更に、半導体素子収納用パッケージ10には、外部接続端子15が外部接続端子パッド16に取り付けられる。この半導体素子収納用パッケージ10に搭載された半導体素子13からの発熱は、半導体素子13と直接接続している伝熱板17を介して下方側に放熱されると同時に、半導体素子13に近接する熱拡散層18を介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱される。
【0016】
図2(A)、(B)を参照しながら、第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ10の変形例のそれぞれの半導体素子収納用パッケージ10a、10bを説明する。
図2(A)に示すように、半導体素子収納用パッケージ10aは、絶縁基体11に設ける切り欠き空間12と実質的に同等程度の大きさの切り欠き空間12aを有する金属板や、メタライズ膜等からなる切り欠き部20を有さない熱拡散層18aが絶縁基体11と絶縁基体11の中間に設けられている。なお、図示しないが、絶縁基体11の最上面には、切り欠き部20を有する熱拡散層18が、更に、設けられていてもよい。また、熱拡散層18aは、3枚以上の複数枚の絶縁基体11の間にそれぞれ設けることもできる。この半導体素子収納用パッケージ10aには、半導体素子13が伝熱板17に直接接続されるので、半導体素子13からの発熱が伝熱板17を介して下方側に速やかに放熱されると同時に、半導体素子収納用パッケージ10aの設計に併せて熱拡散層18、18aを半導体素子13に最も近接する位置に設けることができるので、熱拡散層18、18aを介して熱を横方向に拡散して上方側や、側面側に放熱することができる。
【0017】
図2(B)に示すように、半導体素子収納用パッケージ10bは、金属板からなる半導体素子搭載部14に延設する熱拡散層18bが伝熱板17の上面と接するようにして絶縁基体11に接合して設けられている。熱拡散層18bには、半導体素子13と絶縁基体11のワイヤボンドパッド19とをボンディングワイヤ21で接続するために切り欠き部20を設けている。この半導体素子収納用パッケージ10bには、半導体素子13が伝熱板17と接する熱拡散層18bの上面に搭載することができるので、半導体素子13からの発熱は、熱拡散層18bを介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱されると同時に、伝熱板17を介して下方側に効率よく放熱することができる。なお、図示しないが、半導体素子収納用パッケージ10bには、熱拡散層18bに追加して複数枚の絶縁基体11の間に、絶縁基体11に設ける切り欠き空間12と実質的に同等程度の大きさの切り欠き空間12aを有する熱拡散層18aを設けることもできる。また、半導体素子収納用パッケージ10bには、熱拡散層18bと伝熱板17の間に絶縁基体11を設けることもできる。
【0018】
次いで、図3(A)、(B)、図4(A)、(B)を参照しながら、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30、及び半導体素子収納用パッケージ30の変形例のそれぞれの半導体素子収納用パッケージ30a、30bを説明する。
図3(A)、(B)に示すように、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30は、セラミックや、プラスチックからなる1又は複数枚の絶縁基体11の上面側に半導体素子13を搭載するため半導体素子搭載部14aを有し、絶縁基体11の最下面に半田ボール等からなる外部接続端子15を接合するための外部接続端子パッド16を有するBGA型のパッケージである。半導体素子搭載部14aは、半導体素子13が載置された時に、半導体素子13からの発熱を下方に放熱させるための伝熱板17aが絶縁基体11の下面側に接合されて形成している。絶縁基体11には、半導体素子13からの発熱を熱拡散層18cを介して横方向に拡散しながらパッケージの上面や側面から放熱するために、金属板や、メタライズ膜等からなる熱拡散層18cが絶縁基体11の上面に設けられている。
【0019】
この熱拡散層18cは、中央部に切り欠き空間12bが設けられ、切り欠き空間12bの周辺部の絶縁基体11の表面にワイヤボンドパッド19を表面から露出させている。そして、この半導体素子収納用パッケージ30においては、半導体素子13が絶縁基体11の表面上の半導体素子搭載部14aに接合され、半導体素子13とワイヤボンドパッド19との間をボンディングワイヤ21で接続した後、封止樹脂22で半導体素子13を気密に封止している。更に、半導体素子収納用パッケージ30には、外部接続端子15が外部接続端子パッド16に取り付けられる。この半導体素子収納用パッケージ30に搭載された半導体素子13からの発熱は、絶縁基体11及び伝熱板17を介して下方側に放熱されると同時に、半導体素子13に近接する熱拡散層18cを介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱される。
【0020】
図4(A)に示すように、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30の変形例の半導体素子収納用パッケージ30aは、絶縁基体11と実質的に同等程度の大きさで切り欠き空間12bを有さない金属板や、メタライズ膜等からなる熱拡散層18dが絶縁基体11と絶縁基体11の中間に設けられている。なお、図示しないが、絶縁基体11の最上面には、切り欠き空間12bを有する熱拡散層18c(図3(B)参照)が、更に、設けられていてもよい。また、熱拡散層18dは、3枚以上の複数枚の絶縁基体11の間にそれぞれ設けることもできる。更に、下面側の絶縁基体11には、切り欠きを設け、この切り欠きに伝熱板17aを挿入し、熱拡散層18dと伝熱板17aが接続する構造としてもよい。これらの構造からなるそれぞれの半導体素子収納用パッケージ30aは、半導体素子13からの発熱が絶縁基体11や、熱拡散層18dや、伝熱板17を介して下方側に速やかに放熱されると同時に、熱拡散層18dを介して熱を横方向に拡散して上方側や、側面側に放熱することができる。
【0021】
図4(B)に示すように、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30の他の変形例の半導体素子収納用パッケージ30bは、金属板や、金属膜等からなる半導体素子搭載部14aに延設する熱拡散層18eが絶縁基体11に接合して設けられている。熱拡散層18eには、半導体素子13と絶縁基体11のワイヤボンドパッド19とをボンディングワイヤ21で接続するために切り欠き部20を設けている。この半導体素子収納用パッケージ30bには、半導体素子13が熱拡散層18eの上面に搭載することができるので、半導体素子13からの発熱は、熱拡散層18eを介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱されると同時に、熱拡散層18e、絶縁基体11、及び伝熱板17aを介して下方側に効率よく放熱することができる。なお、図示しないが、半導体素子収納用パッケージ30bには、熱拡散層18bに追加して複数枚の絶縁基体11の間に、熱拡散層18eを設けることもできる。
【0022】
【実施例】
本発明者は、高耐熱性、誘電特性、絶縁特性、加工性等に優れた樹脂の一例であるBT樹脂(ビスマレイミドトリアジンを主成分にした樹脂)からなるコア材に銅箔を接合して基材とする絶縁基体を用い、通常のパッケージ製造方法で作製した外形寸法が15mm角の実施例、比較例、及び従来例の半導体素子収納用パッケージについて、有限要素法によるシミュレーションの3次元1/4モデル、自然空冷によって半導体素子の熱抵抗値を測定した。実施例のサンプルは、絶縁基体及び熱拡散層に切り欠き空間を有し、1枚の絶縁基体の上面に熱拡散層が設けられ、半導体素子載置部が伝熱板で構成され、伝熱板に外形4.0×4.0mm、厚み0.35mmの半導体素子が直接搭載される構造とした。比較例のサンプルは、実施例のサンプルから熱拡散層を除去した構造とした。従来例のサンプルは、絶縁基体に切り欠き空間、及び熱拡散層を有さないで、半導体素子が直接絶縁基体に搭載される構造とした。実施例、比較例、及び従来例のそれぞれのシミュレーションの測定結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
実施例は、従来例に比較して熱抵抗が約138%減少し、熱拡散板を取り外した比較例に比較しても約7%の減少があり、放熱性が向上していることが確認された。
【0025】
【発明の効果】
請求項1とこれに従属する請求項3〜5記載の半導体素子搭載用パッケージは、半導体素子搭載部の絶縁基体の下面側に接合して半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有するので、半導体素子と外部接続端子は、それぞれ互いに反対面に接合されるので、半導体素子、封止樹脂、及び外部接続端子の取り付けにおける位置ズレがなく、容易に取り付けることができる。また、封止樹脂は、ボード等と反対側であり、封止樹脂の高さによるボード等への取り付け不可の問題は発生しない。また、半導体素子からの発熱は、伝熱板と、熱拡散層で効率よく放熱するので、信頼性の高い半導体素子とすることができる。更に、半導体素子の上表面側には、放熱用の金属板が存在せず、半導体素子を傷付ける様な問題の発生がなく、実装信頼性の高いパッケージとすることができる。
【0026】
請求項2とこれに従属する請求項3〜5記載の半導体素子搭載用パッケージは、半導体素子搭載部の絶縁基体の下面側に接合して半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有するので、上記請求項1とこれに従属する請求項3〜5記載の半導体素子搭載用パッケージの場合と実質的に同様の効果を得ることができる。
【0027】
特に、請求項3記載の半導体素子搭載用パッケージは、熱拡散層が絶縁基体の最上面及び/又は中間に設けられているので、半導体素子からの発熱を容易に効率よく熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0028】
また、請求項4記載の半導体素子搭載用パッケージは、熱拡散層の上面に半導体素子が搭載されるので、半導体素子からの発熱を容易に効率よく熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0029】
更に、請求項5記載の半導体素子搭載用パッケージは、熱拡散層が伝熱板の上面に接続して設けられているので、半導体素子からの発熱を熱拡散層と伝熱板の両方を介して効率的にパッケージの上方、側面、及び下方から放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)、(B)はそれぞれ第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、A−A’線縦断面図である。
【図2】(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図である。
【図3】(A)、(B)はそれぞれ第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、B−B’線縦断面図である。
【図4】(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図である。
【図5】(A)、(B)はそれぞれ従来の半導体素子収納用パッケージの説明図である。
【符号の説明】
10、10a、10b:半導体素子収納用パッケージ、11:絶縁基体、12、12a、12b:切り欠き空間、13:半導体素子、14、14a:半導体素子搭載部、15:外部接続端子、16:外部接続端子パッド、17、17a:伝熱板、18、18a、18b、18c、18d、18e:熱拡散層、19:ワイヤボンドパッド、20:切り欠き部、21:ボンディングワイヤ、22:封止樹脂、30、30a、30b:半導体素子収納用パッケージ
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載するためのBGA型の半導体素子収納用パッケージに係り、より詳細には、半導体素子からの発熱の放熱性を向上させる半導体素子収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化に伴い、半導体素子収納用パッケージには、高密度化、高速化、多端子化等の要求が益々高まっており、その対応のために半田ボール等を外部接続端子パッドに接合して外部接続端子を設けるボールグリッドアレイ(Ball Grid Array、以下、BGAと称す)型のパッケージが多く求められている。
【0003】
図5(A)に示すように、この従来のBGA型のパッケージの一例である半導体素子収納用パッケージ50は、プラスチック回路基板からなる絶縁基体51の一方の面に多数の半田ボールを接合して外部接続端子52を配列するための外部接続端子パッド53を設けた表面実装タイプのパッケージである。この半導体素子収納用パッケージ50には、絶縁基体51の他方の面に半導体素子54が実装され、ボンディングワイヤ55と、絶縁基体51に形成されている回路導体を介して外部接続端子パッド53と電気的に導通状態とし、半導体素子54を封止樹脂56で気密に封止した後、外部接続端子パッド53に外部接続端子52を形成している。また、一般的に、この半導体素子収納用パッケージ50は、半導体素子54からの発熱を放熱させるために、半導体素子54が実装される絶縁基体51の半導体素子搭載部に接続して設けられたスルーホール57の導体金属と、スルーホール57に接続された外部接続端子52aを介してボード等に放熱させる構造となっている。
【0004】
しかしながら、上記の半導体素子収納用パッケージ50は、半導体素子54からの発熱を効率よく放熱させることが難しく、最近の電子機器装置の高性能化に伴う半導体素子54の発熱量増大の問題に対応するためには限界がある。そこで、図5(B)に示すように、半導体素子収納用パッケージ50aは、高放熱対応のために開発されたパッケージであり、中央部に切り欠き空間を有する絶縁基体51の一方の面に放熱用の伝熱板58を接着し、絶縁基体51の他方の面に外部接続端子52を配列する表面実装タイプのパッケージである。この半導体素子収納用パッケージ50aには、伝熱板58と絶縁基体51の切り欠き空間とで形成されるキャビティ部59に半導体素子54が実装され、ボンディングワイヤ55と、絶縁基体51に形成されている回路導体を介して外部接続端子パッド53と電気的に導通状態としている。この半導体素子収納用パッケージ50aには、半導体素子54を封止樹脂56で気密に封止した後、外部接続端子パッド53に半田ボールを接合して外部接続端子52を形成している。
【0005】
また、従来の放熱タイプのBGA型の半導体素子収納用パッケージには、半導体素子の上表面側に放熱用の金属板を取り付けて半導体素子からの発熱を上表面側に放熱させる構造のものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−209348号公報(第1−8頁、第5図)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体素子収納用パッケージには、未だ解決すべき次のような問題がある。
(1)絶縁基体の一方の面に放熱用の伝熱板を接着した半導体素子収納用パッケージは、半導体素子搭載部と外部接続端子の接合部が同一側にあるので、半導体素子を実装して封止樹脂で気密封止し、更に、外部接続端子を取り付ける時に、それぞれの位置合わせを正確に行わなければ、位置ズレによって実装ができなくなる場合が発生する。また、封止樹脂の高さが高くなりすぎると外部接続端子がボート等に取り付けることができなくなる。
(2)絶縁基体の一方の面に放熱用の伝熱板を接着した半導体素子収納用パッケージは、ボード等に実装後、上面側からの放熱は比較的高いものの、ボード側からの放熱を行うことができない。
(3)絶縁基体の上面に半導体素子が搭載され、絶縁基体の下面に外部接続端子が設けられ、更に半導体素子の上表面側に、半導体素子に近接させて放熱用の金属板を取り付けて、半導体素子からの発熱を上表面側に放熱させる構造のものは、半導体素子の上に金属板を近接させて取り付けるので、接合時に半導体素子や、ボンディングワイヤを傷付ける場合があり、半導体素子の信頼性や、ボンディングワイヤの接続信頼性を低下させる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、半導体素子の搭載やボード等への実装が容易で正確にでき、半導体素子の放熱性が高く実装信頼性の高い半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第1の発明に係る半導体素子収納用パッケージは、1又は複数枚の絶縁基体の中央部に切り欠き空間からなる半導体素子を搭載するための半導体素子搭載部を有し、絶縁基体の最下面に外部接続端子を接合するための外部接続端子パッドを有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージにおいて、半導体素子搭載部に半導体素子からの発熱を下方に放熱するための切り欠き空間の一方を閉塞するようにして絶縁基体に接合する伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有する。これにより、半導体素子と外部接続端子は、それぞれ互いに反対面に接合されるので、半導体素子の実装、封止樹脂での気密封止、及び、外部接続端子の取り付けにおいて、位置ズレがなく、容易に取り付けることができる。また、封止樹脂での気密封止は、ボード等に取り付ける側と反対側であるので、封止樹脂の高さによるボード等への取り付け不可の問題は発生しない。また、半導体素子からの発熱は、伝熱板を介してパッケージの下方と、熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱するので、信頼性の高い半導体素子とすることができる。更に、半導体素子の上表面側には、放熱用の金属板が存在せず、半導体素子を傷付ける様な問題は発生しないので、実装信頼性の高いパッケージとすることができる。
【0009】
前記目的に沿う第2の発明に係る半導体素子収納用パッケージは、1又は複数枚の絶縁基体の上面側に半導体素子を搭載するための半導体素子搭載部を有し、絶縁基体の最下面に外部接続端子を接合するための外部接続端子パッドを有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージにおいて、半導体素子搭載部の絶縁基体の下面側に接合して半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有する。これにより、半導体素子と外部接続端子は、それぞれ互いに反対面に接合されるので、半導体素子の実装、封止樹脂での気密封止、及び、外部接続端子の取り付けにおいて、位置ズレがなく、容易に取り付けることができる。また、封止樹脂での気密封止は、ボード等に取り付ける側と反対側であるので、封止樹脂の高さによるボード等への取り付け不可の問題は発生しない。また、半導体素子からの発熱は、伝熱板を介してパッケージの下方と、熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱するので、信頼性の高い半導体素子とすることができる。更に、半導体素子の上表面側には、放熱用の金属板が存在せず、半導体素子を傷付ける様な問題は発生しないので、実装信頼性の高いパッケージとすることができる。
【0010】
ここで、第1又は第2の発明に係る半導体素子収納用パッケージは、熱拡散層が絶縁基体の最上面及び/又は中間に設けられているのがよい。これにより、半導体素子からの発熱を容易に熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0011】
また、半導体素子収納用パッケージは、熱拡散層の上面に半導体素子が搭載されるのがよい。これにより、半導体素子からの発熱を容易に効率よく熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0012】
更に、半導体素子収納用パッケージは、熱拡散層が伝熱板の上面に接続して設けられているのがよい。これにより、半導体素子からの発熱を熱拡散層と伝熱板の両方を介して効率的にパッケージの上方、側面、及び下方から放熱することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1(A)、(B)はそれぞれ第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、A−A’線縦断面図、図2(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図、図3(A)、(B)はそれぞれ第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、B−B’線縦断面図、図4(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図である。
【0014】
図1(A)、(B)に示すように、第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ10は、セラミックや、プラスチックからなる1又は複数枚の絶縁基体11の中央部の切り欠き空間12に形成された半導体素子13を搭載するため半導体素子搭載部14を有し、絶縁基体11の最下面に半田ボール等からなる外部接続端子15を接合するための外部接続端子パッド16を有するBGA(ボールグリッドアレイ)型のパッケージである。半導体素子搭載部14は、半導体素子13が載置された時に、半導体素子13からの発熱を下方に放熱させるための伝熱板17が絶縁基体11の切り欠き空間12の一方を閉塞するようにして接合されて形成されている。絶縁基体11には、半導体素子13からの発熱を熱拡散層18を介して横方向に拡散しながらパッケージの上面や側面から放熱するために、絶縁基体11と熱膨張係数が近似し、放熱特性のよい金属板や、メタライズ膜等からなる熱拡散層18が絶縁基体11の上面に設けられている。
【0015】
この半導体素子収納用パッケージ10においては、熱拡散層18の中央部に絶縁基体11に設ける切り欠き空間12と実質的に同等程度の大きさの切り欠き空間12aと、熱拡散層18の切り欠き空間12aの周辺部に絶縁基体11の表面に形成されたワイヤボンドパッド19を表面から露出させるための切り欠き部20を設けている。そして、この半導体素子収納用パッケージ10においては、半導体素子13が半導体素子搭載部14に形成された伝熱板17の上に接合材を介して直接接合され、半導体素子13とワイヤボンドパッド19との間をボンディングワイヤ21で接続した後、封止樹脂22で半導体素子13を気密に封止している。更に、半導体素子収納用パッケージ10には、外部接続端子15が外部接続端子パッド16に取り付けられる。この半導体素子収納用パッケージ10に搭載された半導体素子13からの発熱は、半導体素子13と直接接続している伝熱板17を介して下方側に放熱されると同時に、半導体素子13に近接する熱拡散層18を介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱される。
【0016】
図2(A)、(B)を参照しながら、第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ10の変形例のそれぞれの半導体素子収納用パッケージ10a、10bを説明する。
図2(A)に示すように、半導体素子収納用パッケージ10aは、絶縁基体11に設ける切り欠き空間12と実質的に同等程度の大きさの切り欠き空間12aを有する金属板や、メタライズ膜等からなる切り欠き部20を有さない熱拡散層18aが絶縁基体11と絶縁基体11の中間に設けられている。なお、図示しないが、絶縁基体11の最上面には、切り欠き部20を有する熱拡散層18が、更に、設けられていてもよい。また、熱拡散層18aは、3枚以上の複数枚の絶縁基体11の間にそれぞれ設けることもできる。この半導体素子収納用パッケージ10aには、半導体素子13が伝熱板17に直接接続されるので、半導体素子13からの発熱が伝熱板17を介して下方側に速やかに放熱されると同時に、半導体素子収納用パッケージ10aの設計に併せて熱拡散層18、18aを半導体素子13に最も近接する位置に設けることができるので、熱拡散層18、18aを介して熱を横方向に拡散して上方側や、側面側に放熱することができる。
【0017】
図2(B)に示すように、半導体素子収納用パッケージ10bは、金属板からなる半導体素子搭載部14に延設する熱拡散層18bが伝熱板17の上面と接するようにして絶縁基体11に接合して設けられている。熱拡散層18bには、半導体素子13と絶縁基体11のワイヤボンドパッド19とをボンディングワイヤ21で接続するために切り欠き部20を設けている。この半導体素子収納用パッケージ10bには、半導体素子13が伝熱板17と接する熱拡散層18bの上面に搭載することができるので、半導体素子13からの発熱は、熱拡散層18bを介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱されると同時に、伝熱板17を介して下方側に効率よく放熱することができる。なお、図示しないが、半導体素子収納用パッケージ10bには、熱拡散層18bに追加して複数枚の絶縁基体11の間に、絶縁基体11に設ける切り欠き空間12と実質的に同等程度の大きさの切り欠き空間12aを有する熱拡散層18aを設けることもできる。また、半導体素子収納用パッケージ10bには、熱拡散層18bと伝熱板17の間に絶縁基体11を設けることもできる。
【0018】
次いで、図3(A)、(B)、図4(A)、(B)を参照しながら、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30、及び半導体素子収納用パッケージ30の変形例のそれぞれの半導体素子収納用パッケージ30a、30bを説明する。
図3(A)、(B)に示すように、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30は、セラミックや、プラスチックからなる1又は複数枚の絶縁基体11の上面側に半導体素子13を搭載するため半導体素子搭載部14aを有し、絶縁基体11の最下面に半田ボール等からなる外部接続端子15を接合するための外部接続端子パッド16を有するBGA型のパッケージである。半導体素子搭載部14aは、半導体素子13が載置された時に、半導体素子13からの発熱を下方に放熱させるための伝熱板17aが絶縁基体11の下面側に接合されて形成している。絶縁基体11には、半導体素子13からの発熱を熱拡散層18cを介して横方向に拡散しながらパッケージの上面や側面から放熱するために、金属板や、メタライズ膜等からなる熱拡散層18cが絶縁基体11の上面に設けられている。
【0019】
この熱拡散層18cは、中央部に切り欠き空間12bが設けられ、切り欠き空間12bの周辺部の絶縁基体11の表面にワイヤボンドパッド19を表面から露出させている。そして、この半導体素子収納用パッケージ30においては、半導体素子13が絶縁基体11の表面上の半導体素子搭載部14aに接合され、半導体素子13とワイヤボンドパッド19との間をボンディングワイヤ21で接続した後、封止樹脂22で半導体素子13を気密に封止している。更に、半導体素子収納用パッケージ30には、外部接続端子15が外部接続端子パッド16に取り付けられる。この半導体素子収納用パッケージ30に搭載された半導体素子13からの発熱は、絶縁基体11及び伝熱板17を介して下方側に放熱されると同時に、半導体素子13に近接する熱拡散層18cを介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱される。
【0020】
図4(A)に示すように、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30の変形例の半導体素子収納用パッケージ30aは、絶縁基体11と実質的に同等程度の大きさで切り欠き空間12bを有さない金属板や、メタライズ膜等からなる熱拡散層18dが絶縁基体11と絶縁基体11の中間に設けられている。なお、図示しないが、絶縁基体11の最上面には、切り欠き空間12bを有する熱拡散層18c(図3(B)参照)が、更に、設けられていてもよい。また、熱拡散層18dは、3枚以上の複数枚の絶縁基体11の間にそれぞれ設けることもできる。更に、下面側の絶縁基体11には、切り欠きを設け、この切り欠きに伝熱板17aを挿入し、熱拡散層18dと伝熱板17aが接続する構造としてもよい。これらの構造からなるそれぞれの半導体素子収納用パッケージ30aは、半導体素子13からの発熱が絶縁基体11や、熱拡散層18dや、伝熱板17を介して下方側に速やかに放熱されると同時に、熱拡散層18dを介して熱を横方向に拡散して上方側や、側面側に放熱することができる。
【0021】
図4(B)に示すように、第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージ30の他の変形例の半導体素子収納用パッケージ30bは、金属板や、金属膜等からなる半導体素子搭載部14aに延設する熱拡散層18eが絶縁基体11に接合して設けられている。熱拡散層18eには、半導体素子13と絶縁基体11のワイヤボンドパッド19とをボンディングワイヤ21で接続するために切り欠き部20を設けている。この半導体素子収納用パッケージ30bには、半導体素子13が熱拡散層18eの上面に搭載することができるので、半導体素子13からの発熱は、熱拡散層18eを介して横方向に拡散されて上方側や、側面側に放熱されると同時に、熱拡散層18e、絶縁基体11、及び伝熱板17aを介して下方側に効率よく放熱することができる。なお、図示しないが、半導体素子収納用パッケージ30bには、熱拡散層18bに追加して複数枚の絶縁基体11の間に、熱拡散層18eを設けることもできる。
【0022】
【実施例】
本発明者は、高耐熱性、誘電特性、絶縁特性、加工性等に優れた樹脂の一例であるBT樹脂(ビスマレイミドトリアジンを主成分にした樹脂)からなるコア材に銅箔を接合して基材とする絶縁基体を用い、通常のパッケージ製造方法で作製した外形寸法が15mm角の実施例、比較例、及び従来例の半導体素子収納用パッケージについて、有限要素法によるシミュレーションの3次元1/4モデル、自然空冷によって半導体素子の熱抵抗値を測定した。実施例のサンプルは、絶縁基体及び熱拡散層に切り欠き空間を有し、1枚の絶縁基体の上面に熱拡散層が設けられ、半導体素子載置部が伝熱板で構成され、伝熱板に外形4.0×4.0mm、厚み0.35mmの半導体素子が直接搭載される構造とした。比較例のサンプルは、実施例のサンプルから熱拡散層を除去した構造とした。従来例のサンプルは、絶縁基体に切り欠き空間、及び熱拡散層を有さないで、半導体素子が直接絶縁基体に搭載される構造とした。実施例、比較例、及び従来例のそれぞれのシミュレーションの測定結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
実施例は、従来例に比較して熱抵抗が約138%減少し、熱拡散板を取り外した比較例に比較しても約7%の減少があり、放熱性が向上していることが確認された。
【0025】
【発明の効果】
請求項1とこれに従属する請求項3〜5記載の半導体素子搭載用パッケージは、半導体素子搭載部の絶縁基体の下面側に接合して半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有するので、半導体素子と外部接続端子は、それぞれ互いに反対面に接合されるので、半導体素子、封止樹脂、及び外部接続端子の取り付けにおける位置ズレがなく、容易に取り付けることができる。また、封止樹脂は、ボード等と反対側であり、封止樹脂の高さによるボード等への取り付け不可の問題は発生しない。また、半導体素子からの発熱は、伝熱板と、熱拡散層で効率よく放熱するので、信頼性の高い半導体素子とすることができる。更に、半導体素子の上表面側には、放熱用の金属板が存在せず、半導体素子を傷付ける様な問題の発生がなく、実装信頼性の高いパッケージとすることができる。
【0026】
請求項2とこれに従属する請求項3〜5記載の半導体素子搭載用パッケージは、半導体素子搭載部の絶縁基体の下面側に接合して半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、絶縁基体に半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有するので、上記請求項1とこれに従属する請求項3〜5記載の半導体素子搭載用パッケージの場合と実質的に同様の効果を得ることができる。
【0027】
特に、請求項3記載の半導体素子搭載用パッケージは、熱拡散層が絶縁基体の最上面及び/又は中間に設けられているので、半導体素子からの発熱を容易に効率よく熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0028】
また、請求項4記載の半導体素子搭載用パッケージは、熱拡散層の上面に半導体素子が搭載されるので、半導体素子からの発熱を容易に効率よく熱拡散層を介して横方向に拡散しながらパッケージの上方及び側面に放熱することができる。
【0029】
更に、請求項5記載の半導体素子搭載用パッケージは、熱拡散層が伝熱板の上面に接続して設けられているので、半導体素子からの発熱を熱拡散層と伝熱板の両方を介して効率的にパッケージの上方、側面、及び下方から放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)、(B)はそれぞれ第1の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、A−A’線縦断面図である。
【図2】(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図である。
【図3】(A)、(B)はそれぞれ第2の発明の一実施の形態に係る半導体素子収納用パッケージの平面図、B−B’線縦断面図である。
【図4】(A)、(B)はそれぞれ同半導体素子収納用パッケージの変形例の説明図である。
【図5】(A)、(B)はそれぞれ従来の半導体素子収納用パッケージの説明図である。
【符号の説明】
10、10a、10b:半導体素子収納用パッケージ、11:絶縁基体、12、12a、12b:切り欠き空間、13:半導体素子、14、14a:半導体素子搭載部、15:外部接続端子、16:外部接続端子パッド、17、17a:伝熱板、18、18a、18b、18c、18d、18e:熱拡散層、19:ワイヤボンドパッド、20:切り欠き部、21:ボンディングワイヤ、22:封止樹脂、30、30a、30b:半導体素子収納用パッケージ
Claims (5)
- 1又は複数枚の絶縁基体の中央部に切り欠き空間からなる半導体素子を搭載するための半導体素子搭載部を有し、前記絶縁基体の最下面に外部接続端子を接合するための外部接続端子パッドを有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージにおいて、
前記半導体素子搭載部に前記半導体素子からの発熱を下方に放熱するための前記切り欠き空間の一方を閉塞するようにして前記絶縁基体に接合する伝熱板を有し、しかも、前記絶縁基体に前記半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。 - 1又は複数枚の絶縁基体の上面側に半導体素子を搭載するための半導体素子搭載部を有し、前記絶縁基体の最下面に外部接続端子を接合するための外部接続端子パッドを有するボールグリッドアレイ型の半導体素子収納用パッケージにおいて、
前記半導体素子搭載部の前記絶縁基体の下面側に接合して前記半導体素子からの発熱を下方に放熱するための伝熱板を有し、しかも、前記絶縁基体に前記半導体素子からの発熱を横方向に拡散しながら放熱するための1又は複数の熱拡散層を有することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。 - 請求項1又は2記載の半導体素子収納用パッケージにおいて、前記熱拡散層が前記絶縁基体の最上面及び/又は中間に設けられていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項1〜3のいずれか一項記載の半導体素子収納用パッケージにおいて、前記熱拡散層の上面に前記半導体素子が搭載されることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項1〜4のいずれか一項記載の半導体素子収納用パッケージにおいて、前記熱拡散層が前記伝熱板の上面に接続して設けられていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
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