JP2005039242A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 封止材の除去作業を必要とすることなく、金属板を露出できるようにする。
【解決手段】 配線基板1に一面側を接合して電気的に接続される複数の半導体素子9〜12と、これら複数の半導体素子9〜12の他面側に一端部側が接合するとともに、他端部側を配線基板1に接合して両者を電気的に接続する複数の金属板5〜8と、これら金属板5〜8の半導体素子9〜12と接合する面と反対側の面が外部に露出するように金属板5〜8を封止して一体化する熱可塑性樹脂3と、この熱可塑性樹脂3の外周部、及び半導体素子9〜12を封止する熱硬化性樹脂2とを具備する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えば、回路基板に半導体素子をフリップチップボンディングで搭載する半導体装置に関し、特に複数の半導体素子を搭載するマルチタイプの半導体装置及びその製造方法に関する。
この種の半導体装置としては、例えば、図8及び図9に示すようなものが知られている。
図8は半導体装置を示す平面図で、図9は図8中のC―C′線に沿って示す断面図である。
この半導体装置は配線基板16を備え、この配線基板16上には第1乃至第4の半導体素子17、18、19、20が配設されている。これら第1乃至第4の半導体素子17〜20の上面部には放熱部材(以下、金属板という)21、22、23、24の一端部側が接合され、他端部側は配線基板16に接合されている。半導体素子17〜20及び放熱部材21〜24は熱硬化性樹脂25により封止されている。
上記した第1及び第2の半導体素子17,18は制御ICで、第3及び第4の半導体素子19,20はMOSFETとなっている。第3及び第4の半導体素子(MOSFET)19,20は表面にゲート電極とソース電極を備え、裏面にドレイン電極を備えている。
第3及び第4の半導体素子(MOSFET)19,20に接続された金属板23,24は半導体素子19,20で発熱した熱を外に放出する経路となっているとともに、半導体素子19,20の裏面と配線基板16とを電気的に接続する役割を担っている。
半導体素子17〜20は高融点はんだ26を用いて配線基板16にそれぞれフリップチップボンディングされている。金属板21〜24はガルウィング状に曲げられており、半導体素子17〜20の裏面と配線基板16とにそれぞれ低融点のはんだ27を用いて接続されている。
異なる融点のはんだ26,27を用いることにより、金属板21〜24のはんだ付けの際に半導体素子17〜20のフリップチップボンディング部が溶融してしまわないようにしている。
なお、半導体素子17〜20の裏面および配線基板16に対する金属板21〜24の接合を熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストで実施する場合もある。ただし、この場合には半導体素子17〜20の放熱効率が低下してしまう。
また、半導体素子の熱を放出させるものとして、フリップチップした半導体素子の上に放熱カバーを備えてなるものがある。ここでは、半導体素子の上に金属製の放熱カバーを取り付け、この放熱カバーには4本の脚が備えられている。
組立方法として、まず配線基板上に半導体素子をフリップチップボンディングで搭載し、次に放熱カバーを取り付けている。
放熱カバーの材質には銅/モリブデン、或いは銅/タングステンのような熱伝導性の良好な材料が用いられる。半導体素子と放熱カバーは熱伝導性接着剤やはんだなどで接合され、放熱カバーの脚は接着剤或いは、はんだで配線基板に接合される。
このような構成の半導体装置に大電流が流れると、半導体素子の発熱が大きく、また、半導体素子の裏面に電極があるパワーMOSFETに適用する場合、それぞれの接合は従来例に示したようにはんだを用いなければならない。装置の封止は、配線基板上に半導体素子および放熱カバーを搭載した後に樹脂封止している(例えば、特許文献1参照。)。
また、通常、半導体装置の樹脂封止は1種類の樹脂によりなされている。この樹脂にはコストや耐熱性の点から熱硬化型のエポキシ樹脂が用いられることが多い。樹脂の装置ヘの供給はトランスファーモールド或いは印刷により行われる(例えば、特許文献2参照。)。
また、半導体装置には、その装置裏面に1枚の平板を接続して放熱する構造を有すものがある。このような構造によれば放熱部分を確保することができるが、裏面から電極を取り出す構成になっているMOSFETなどには対応できない(例えば、特許文献3参照。)。
公告平5−73066号公報 特開2001−177010号公報 特開平8−250652号公報
しかしながら、従来においては、半導体素子および金属板を樹脂で封止したのち、金属板上の樹脂を除去して金属板を露出させていたため、金属板の下に位置する半導体素子のフリップチップボンディング部に負荷を与えて損傷させてしまう恐れがあった。
また、複数の金属板を個別に配線基板に取付けるため、取付角度にばらつきが生じて平行度が悪くなり、金属板上の樹脂の除去作業が困難になるという問題があった。
本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、封止材の除去作業を必要とすることなく、放熱部材を露出できるようにした半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1記載のものは、配線基板に一面側を接合して電気的に接続される複数の半導体素子と、これら複数の半導体素子の他面側に一端部側が接合するとともに、他端部側を前記配線基板に接合して両者を電気的に接続する複数の放熱部材と、これら放熱部材の前記半導体素子と接合する面と反対側の面が外部に露出するように前記複数の放熱部材を封止して一体化する第1の封止材と、この第1の封止材の外周部、及び前記半導体素子を封止する第2の封止材とを具備する。
請求項3記載のものは、複数の放熱部材をその一端部側が露出するように第1の封止材で封止して一体化しキャップを形成する工程と、この工程により一体化された前記複数の放熱部材の一端部側にそれぞれ半導体素子をマウントする工程と、この工程によりマウントされた前記半導体素子及び前記放熱部材の他端部側を配線基板に接合する工程と、この工程によって前記配線基板に接合された前記半導体素子、及び前記第1の封止材の外周部を第2の封止材によって封止する工程とを具備する。
本発明によれば、外形の寸法精度や信頼性が高い半導体装置を容易に製造することを可能とする。
以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して詳細に説明する。
図1(a)は本発明の一実施の形態である半導体装置を示す平面図で、図1(b)は図1(a)中A−A′線に沿って示す断面図である。
図1(a)および図1(b)に示す半導体装置は、ガラスエポキシ樹脂材料を基材とする配線基板1と、この配線基板1の表面に形成された配線に対して、電極や電気回路が形成された表面が対向配置され、この対向配置された電極と配線基板1の配線とがはんだバンプ13によって電気的に接続されている複数の半導体素子9,10,11,12と、この半導体素子9〜12の各々について、電極や電気回路が形成された表面について背面側に相当する表面を配線基板1の配線と接続するための、段部が設けられた金属板5,6,7,8と、この金属板5〜8と半導体素子9〜12の背面とをそれぞれ個別に接続するダイマウント部材であるはんだ14と、主として金属板の段部を形成する傾斜部分を封止することにより金属板5〜8を一体に保持するように成形され固化された熱可塑性樹脂3と、この熱可塑性樹脂3の側部、金属板5〜8、半導体素子9〜12、はんだバンプ13、はんだ14を封止する熱硬化性樹脂2、などによって構成されている。
半導体素子9〜12はMOSFET2個とこれを制御する制御IC2個であり、それぞれ発熱量が大きいパワーデバイスに用いられる半導体素子である。MOSFETは配線基板1に対向する面にソース電極とゲート電極を有しており、その背面にドレイン電極が形成されている。制御ICは配線基板1に対向する面にのみ電極が形成されている。すなわち、半導体素子9〜12は、配線基板1に対してフリップチップの状態で接続されている。
金属板5〜8は、厚さ120μmで表面がバリアメタルとしてニッケルと金のメッキが施された銅板である。配線基板1と半導体素子9〜12の背面側とを電気的に接続するとともに、半導体素子9〜12の放熱を補助する放熱板として機能する。
金属板5〜8はそれぞれ、傾斜部を介して段違い平行部を有すようにプレス成形されている。傾斜部は両端部の段差が200μmになるように形成される。半導体素子9〜12の厚さはそれぞれ200μmとなるように形成されており、金属板5〜8のそれぞれの一端部と半導体素子9〜12とは、第1の接続部材である厚さ2μmのAu−Geはんだ14によって接続されている。すなわち、金属板の他端部の配線基板1と対向する面は、半導体素子の回路形成面とほぼ同じ平面に位置する。
半導体素子9〜12及び金属板5〜8のそれぞれの他端部は、第2の接続部材であるはんだバンプ13によって、配線基板1と電気的に接合されている。制御ICを接続する金属板は基準電位(たとえば接地電位)に接続される。はんだバンプ13はSn−Ag−Cuはんだ合金で形成されている。
Sn−Ag−Cuはんだ合金の融点は、第1の接続部材を構成するAu−Geはんだ合金の融点よりも高いものとなっている。金属板5〜8は、半導体素子9〜12が接続される一端部の表面の背面側が放熱面として機能する。この放熱面は、外部に露出している。金属板5〜8のそれぞれの放熱面は、ひとつの仮想平面内に位置するよう配置されている。この仮想平面は、金属板5〜8を一体化している熱可塑性樹脂3がなす面も含む。第1の封止材である熱可塑性樹脂3は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を主成分とする熱可塑性樹脂材料で構成されている。
熱可塑性樹脂3はそれぞれの金属板5〜8の傾斜部を横断的に保持している。熱可塑性樹脂3は半導体素子の厚み方向について、金属板5〜8の放熱面から半導体素子側に位置するように形成されている。これによって、放熱面が露出する。熱可塑性樹脂3は、半導体素子の厚み方向について、半導体素子9〜12と干渉しない位置に配置されている。
第2の封止材である熱硬化性樹脂2は、エポキシ樹脂材料を主成分とする熱硬化性樹脂材料で構成されている。流動性を有する熱硬化性樹脂材料は、熱可塑性樹脂3のうち、金属板5〜8の放熱面によって囲まれた中心部分に設けられた貫通孔部4から注入され、充填後に加熱されて熱硬化性樹脂2を構成する。配線基板1の表面に電気的に接続された金属板5〜8、半導体素子9〜12、はんだバンプ13、はんだ14を、放熱面を含む仮想平面よりも配線基板側に位置して封止する。すなわち、熱硬化性樹脂3は外部に露出しており、露出した面は、金属板5〜8の放熱面よりも低い位置に設けられている。
上記したとおり、本発明の半導体装置は、複数の金属板を熱可塑性樹脂により一体化し、その他、各々の部品間の接続部分は熱硬化性樹脂によって封止した構成となっている。熱可塑性樹脂は熱硬化性樹脂に比して粘度が高いことから、成形金型内部の部材の合わせ目の隙間を同じに設定した場合に、この隙間に入り込む量が少ない。すなわち、金属板を一体化する際に放熱面を樹脂材料が覆うことが予防されるため、余分な樹脂材の除去作業を軽減できることから、応力耐性の低い半導体素子9〜12、あるいはその接続構造部分にダメージを与えることなく、放熱効率の高い半導体素子を効率的に生産することが可能となる。他方、半導体素子や接続構造部分は、外部雰囲気の侵入によって劣化するが、一般的に熱可塑性樹脂よりも熱硬化性樹脂の方が封止能力が高いことが知られている。
したがって、第1の封止材によって一体化された金属板を用いて半導体素子を配線基板に接続し、これらを第2の封止材によって封止することにより、放熱効率が高く且つ信頼性が高い半導体装置を効率的に提供することを可能とする。
図2(a)は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置を示す平面図で、図2(b)は図2(a)中B−B′線に沿って示す断面図である。
なお、上記した第1の実施の形態で示した部分と同一部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
図2(a)および図2(b)に示す半導体装置において、配線基板1’は、半導体素子9〜12によって囲まれている中心部分に供給孔部15を有している。熱硬化性樹脂2は供給孔部15に設けられた供給孔から供給されて固化されており、供給孔部15は熱硬化性樹脂2によって充填されている。
図3〜図6は、本発明の半導体装置の製造方法を示すものである。
図3〜図6に示す工程は、それぞれ種類の異なる3個の半導体素子32をモジュール化するときの例を示すものである。
使用した半導体素子32のサイズは、それぞれ2.5mm×2.2mm、2.2mm×1.8mm、2.1mm×1.8mmであり、その厚さはすべて0.25mmである。
まず、図3(a)に示すように、複数の金属板(放熱部材)34を形成した金属フレーム37を図3(b)に示すように、デプレスして金属板34に傾斜部34aを形成する。金属フレーム37には厚さが200μmの銅が使用されている。
金属板34の幅は、半導体素子32のサイズに合わせて形成されている。隣接する金属板34の間隔は1mmである。金属板34の傾斜部34aの寸法は、半導体素子32とダイマウント材(図4に示す)38の厚さを合わせた寸法に等しくされている。金属板34の一端部34bは回路基板31に接合される部分で、300μm幅のフラットな面となっている。また、各々の金属板34の一端部34bがなす面は、単一の仮想平面内に含まれるよう構成されている。
デプレスした金属フレーム37を金型のキャビティ内に入れる。この際、金型を閉じたときに、金属フレーム37がなす端部、および半導体素子がマウントされるべき表面や、放熱面として機能するその背面など、傾斜部34a以外の多くの部分が、キャビティの内壁表面に密着するように配置される。このとき、金属フレーム37のうち放熱面として機能する複数の表面部分については、それぞれが互いに同一平面内に配置されるよう、キャビティの平面部に対して密着させて配置する。
金型を閉じることによって形成されるキャビティに対して第1の封止材である熱可塑性樹脂材料39を注入する。キャビティは金属フレーム37に設けられた複数の傾斜部34aを連結するように形成される空洞部分である。こののち、熱可塑性樹脂39を冷却して硬化させ、図3(c)に示すように金属板34を一体化したキャップKを形成する。作製したキャップKの長さサイズは8mmである。
金属板34は半導体素子32をダイマウントする面、及び回路基板31に接続される面、さらに半導体素子32をダイマウントする面と反対側の面がそれぞれ外部に露出する状態で封止される。
金属板34を封止してキャップKを作製した後、サンドブラストにより樹脂バリを除去し、Arのイオンガンで金属板34の露出面を清浄化する。こののち、図4(d)に示すように複数の金属板34の熱可塑性樹脂39の内側の空間に露出した部分のそれぞれについて、半導体素子をダイマウントする。この際のプロセス温度は360℃である。
最初にダイマウントする半導体素子32のマウント位置の認識は、金属フレーム37を用いて行う。第1の接合材としてのダイマウント材38は融点280℃のAuSn共晶はんだであり、半導体素子32の裏面にあらかじめ蒸着により供給されている。ダイマウント材38には、この他にSnPbはんだ、AuGeはんだなどを用いてもよい。
次に2番目に搭載する半導体素子32をキャップKにダイマウントする。2番目にダイマウントする半導体素子32のマウント位置の認識は、最初にダイマウントした半導体素子32を用いて行う。これは、後の工程で半導体素子32の電極40と回路基板31の電極41をはんだ接合するときに、3種類の半導体素子32の電極40の位置を、回路基板31の電極41とを精度よく合わせるためである。
その後、3番目に搭載する半導体素子32をダイマウントする。3番目にダイマウントする半導体素子32のマウント位置の認識は、最初にダイマウントした半導体素子32と2番目にダイマウントした半導体素子32を用いて行う。その理由は、上述したのと同じである。
半導体素子32をダイマウントした後、キャップKを図4(e)に示すように金属フレーム37からカットして個片化する。こののち、図4(f)に示すように回路基板31の基板電極41に第2の接合材としてのはんだペースト33を供給する。このとき用いた回路基板31は、ガラスエポキシ基板であり、そのサイズは10mm×10mmで厚さは0.8mmである。基板電極41にはプリフラックス処理がなされた銅が用いられている。
ボンディングパッドは、金メッキ、銀メッキなど別の表面処理が施されたものを使用してもよい。はんだ材には、Sn−3Ag−0.5Cuが使用されている。はんだ材としては、Sn−Znはんだ、Sn−Biはんだ等でもよいが、その融点はダイマウント材38よりも低いものを使用する。
基板電極41に、はんだペースト33を供給した後、図5(g)に示すように半導体素子32をダイマウントしたキャップKを回路基板31にマウントする。このとき、キャップKの認識はキャップKにダイマウントした半導体素子32を用いて行う。これにより、半導体素子32の電極40が精度よく基板電極41と位置合せされる。
キャップKを回路基板31にマウントした後、リフロー炉に通して図5(h)に示すようにはんだ接合を行う。リフロー炉の加熱温度の一例は、図7に示すように室温から150℃まで100秒で一定速度昇温し、次に150℃から180℃まで75秒で一定速度昇温した後、最後にピーク温度の240℃まで40秒かけて一定速度昇温して冷却するプロファイルである。
加熱のピーク温度は、ダイマウント材38の融点よりも低くし、ダイマウント材38の再溶融による半導体素子32の裏面と金属板34との間のはがれ、ダイマウント部への気泡の混入を防止する。リフロー後に、フラックス残渣の洗浄を行う。例えば、市販のフラックス洗浄剤にモジュールをつけ、45kHzの超音波を3分間かけることにより、フラックス残渣が洗浄される。
フラックス残渣を洗浄した後、半導体素子32と回路基板31との間、キャップKと回路基板31との間へ第2の封止材としての熱硬化性樹脂43の充填を行う。熱硬化性樹脂43の供給は、図6(i)に示すように回路基板31に実装されたキャップKのセンターに相当する位置に開けた回路基板31の供給孔部31aにニードル42を差込んだ状態で熱硬化性樹脂43をディスペンスすることにより行う。供給孔部31aの位置は、キャップKが配置されている領域であれば他の位置でもよく、また、供給孔部31aの数は複数でもよい。
熱硬化性樹脂43の浸透性を向上させるため、樹脂充填時には、キャップKをはんだ付けした回路基板31(以下、半導体装置と称す)を70℃に加熱する。樹脂は、市販されているエポキシ系の熱硬化型樹脂を使用する。その主な主成分は、以下の通りである。ビスフェノールA型エポキシ樹脂10〜20%、脂環式エポキシ樹脂10〜20%、ビフェニル型エポキシ樹脂10〜20%、酸無水物25〜35%、二酸化珪素10〜30%カーボンブラック1%以下。
樹脂は熱硬化性樹脂43であれば、フェノール系の樹脂などを使用してもよい。また、樹脂の供給は、キャップKに開けた穴に樹脂をディスペンスすることにより行ってもよい。
最後に熱硬化性樹脂43を硬化させるため、図6(j)に示すように半導体装置をオーブンに入れる。熱硬化性樹脂43の硬化条件は、150℃で90分程度である。樹脂の封止は、半導体装置を金型に入れ、モールド材を充填してもよい。
その他、本発明は、その要旨の範囲内で種々変形実施可能なことは勿論である。
上記した本発明の製造方法の実施の形態によれば、第1の封止材によって金属板を一体化して放熱面を有するキャップを形成しておき、これに半導体素子をダイマウントし、半導体素子がダイマウントされたキャップを配線基板にフリップチップボンディングし、キャップ及び半導体素子を封止している。これによって、金属板の放熱面を同一の仮想平面内に配置することを容易化し、半導体装置の放熱面の平面化を簡単に実現している。
部材の寸法のばらつきによって、配線基板に対向する面について、電極と配線基板との距離がばらばらになる可能性もあるが、この厚さのばらつきは、はんだペーストなどの導電性接続材料の分量であとから吸収することが出来る。したがって、放熱面を他の巨大な放熱部材に密着させたりして放熱効率を高めることが出来る半導体装置を容易に提供することを可能とする。
以上説明したように本発明によれば、放熱部材の一端部側の半導体素子に接合する面と反対側の面が封止材で覆われにくく、封止材の除去作業が簡便になる。従って、応力耐性の低い半導体素子のフリップチップ接続部にダメージを与えることなく、放熱性の高い半導体装置を製造することが可能になる。
本発明の第1の実施の形態である半導体装置を示すもので、(a)はその平面図、(b)は(a)中A−A′線に沿って示す断面図。 本発明の第2の実施の形態である半導体装置を示すもので、(a)はその平面図、(b)は(a)中B−B′線に沿って示す断面図。 本発明の半導体装置の製造工程を示す図。 同半導体装置の製造工程を示す図。 同半導体装置の製造工程を示す図。 同半導体装置の製造工程を示す図。 同製造工程のリフロープロファイルを示すグラフ図。 従来の半導体装置を示す平面図。 図8中C−C′線に沿って示す断面図。
符号の説明
1…配線基板、2…熱硬化性樹脂(第2の封止材)、3…熱可塑性樹脂(第1の封止材)、4…穴、5〜8…金属板(放熱部材)、9〜12…半導体素子、13…はんだ(第2の接合材)、14…はんだ(第1の接合材)、31…配線基板、31a…供給穴、32…半導体素子、34…金属板(放熱部材)、K…キャップ、33…はんだペースト(第2の接合材)、37…金属フレーム、38…ダイマウント材(第1の接合材)、39…熱可塑性樹脂(第1の封止材)、43…熱硬化性樹脂(第2の封止材)。

Claims (9)

  1. 配線基板に一面側を接合して電気的に接続される複数の半導体素子と、
    これら複数の半導体素子の他面側に一端部側が接合するとともに、他端部側を前記配線基板に接合して両者を電気的に接続する複数の放熱部材と、
    これら放熱部材の前記半導体素子と接合する面と反対側の面が外部に露出するように前記複数の放熱部材を封止して一体化する第1の封止材と、
    この第1の封止材の外周部、及び前記半導体素子を封止する第2の封止材と
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1の封止材は熱可塑性樹脂で、前記第2の封止材は熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 複数の放熱部材をその一端部側が露出するように第1の封止材で封止して一体化しキャップを形成する工程と、
    この工程により一体化された前記複数の放熱部材の一端部側にそれぞれ半導体素子をマウントする工程と、
    この工程によりマウントされた前記半導体素子及び前記放熱部材の他端部側を配線基板に接合する工程と、
    この工程によって前記配線基板に接合された前記半導体素子、及び前記第1の封止材の外周部を第2の封止材によって封止する工程と
    を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記複数の放熱部材は、一枚の金属フレームに形成されて供給され、前記第1の封止材により封止されて前記半導体素子をマウントしたのち、前記金属フレームからカットされることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記放熱部材に最初に搭載する半導体素子は、前記放熱部材を認識することにより位置合わせを行ってマウントし、その後の半導体素子の搭載は、既にマウントされた半導体素子を認識することにより位置合せすることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記キャップは前記放熱部材にマウントされた半導体素子の位置確認に基づいて前記配線基板に対する位置決めを行うことを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記放熱部材の一端部と前記半導体素子とは第1の接合材により接合し、前記放熱部材の他端部と前記配線基板、及び前記半導体素子と前記配線基板とはそれぞれ第2の接合材により接合し、前記第2の接合材の融点は前記第1の接合材の融点よりも低いことを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記キャップは加熱により前記配線基板に接合し、その加熱時におけるピーク温度は、前記第1の接合材の融点よりも低いことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第2の封止材は、前記配線基板に設けられた少なくとも1つの供給穴から供給して充填、もしくは、前記キャップに設けた少なくとも1つの供給穴から供給して充填することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
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