JP2005057126A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成により半導体装置の放熱特性を向上させる。
【解決手段】半導体装置１の半導体集積回路１０の放熱経路を最短にするため、前記半導体集積回路１０上に保護膜２６を積層し、この金属膜３０を半導体装置１を取り付ける回路基板側或いはその反対側に露出させて放熱を行う。代替的には、金属膜を間に応力緩和膜を介在させて互いに接続した上下の金属膜とするか、或いは前記金属膜の上にヒートシンクとなる金属板を配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体集積回路を備えた半導体装置に関し、特に、半導体集積回路で発生した熱を効率的に放熱するようにした半導体集積回路に関する。

半導体装置は、例えば図９に示すように、表面に保護膜２６が形成されたシリコン等からなる半導体集積回路（ＩＣチップ）１０がダイパッド１２上に載置され、半導体集積回路１０上からリード１６へ導電性ワイヤ１８を用いて接続されており、この半導体集積回路、半導体集積回路の電極とリード１８（またはバンプまたはランド）との接合部、及びリード（またはバンプまたはランド）を機械的ストレス等から保護するため、エポキシ樹脂やポリイミドなどの合成樹脂で保持つまり樹脂封止２８された構造となっている。
ところで、近年半導体集積回路チップは集積度が増すとともに、その処理スピードが非常も速いものになっているが、半導体集積回路の集積度及び処理スピードが上がるに従って単位時間に流れる電流量も増加するから、その発熱量も増加する傾向にある。

半導体集積回路の発熱量が増大すると、リーク電流が増大し、信頼性の低下等の問題が生じるだけでなく、半導体装置における各要素の熱膨張率の差に起因して各要素間に間隙が発生する。この間隙により接触不良となるだけでなく、外部から水分等異物が侵入し、その状態で半導体装置が発熱すると内部に侵入した水分等の異物が膨張して半導体装置を破壊するという問題も生じる。
また、集積度の高い半導体装置では、半導体装置における入出力用の電極（パッド）および電源用電極の数が多くなるから電極間隔は狭くなり、従ってリードは必然的に細くなるため、その放熱性がよくないという問題がある。

そこで、従来から例えば以下のような放熱手段が提案されている。
（１）ダイパッドを半導体装置の表面あるいは裏面に露出させ、その露出したダイパッドからプリント基板や電子機器の筐体に放熱させる放熱手段（特許文献１、特許文献２）。
（２）ダイパッドをインナーリードと接続し、その接続したインナーリードに絶縁層を介して放熱板を接合してプリント基板の放熱を行う放熱手段（特許文献３）。
（３）ダイパッドと全リードをテープ状の接着剤で接合し、リードを通してプリント基板に放熱させる放熱手段（特許文献４）。
（４）ＩＣチップに金属製突起部（金属バンプ）が設けられ、それぞれに金属部材（金属棒）を載置し、それにヒートシンクと呼ばれる銅板を接合し、そのヒートシンクを半導体装置の表面に露出させその露出したヒートシンクから、或いはダイパッドの裏面にも金属部材を設け露出した金属部材からプリント基板や電子機器の筐体に放熱させ放熱手段（特許文献５）。

しかしながら、前記（１）の導体集積回路の裏面側からダイパッドを通して放熱させる場合、半導体集積回路とダイパッドを接合する手段として、導電性の接着剤、絶縁性の接着剤、はんだ等を用いるのが一般的である。これらの接着剤やはんだを用いて半導体集積回路とダイパッドを接合した場合、現在の製造技術では接着剤やはんだの中に含まれるポイドを完全に無くすことは非常に困難であり、かつ、接着剤を用いて半導体集積回路とダイパッドを接合した場合、半導体装置を回路基板に実装するときの熱ストレスで、半導体集積回路とダイパッドに剥離が発生してしまうこともある。そのため、半導体装置の放熱特性が大きくばらついたり、特性が変化する欠点を有している。また、従来の半導体集積回路の裏面側からダイパッドを通して放熱させる場合放熱経路が長くなる傾向にあり、ジャンクション−ケース間熱抵抗が高くなる傾向にあった。そのため、半導体装置全体としての発熱に対する許容損失は満足していても、半導体集積回路の局部的発熱によって熱破壊に至るおそれがある。

前記（２）の「ダイパッドをインナーリードと接続し、その接続したインナーリードに絶縁層を介して放熱板を接合してプリント基板の放熱を行う」もの及び（３）の「ダイパッドと全リードをテープ状の接着剤で接合し、リードを通してプリント基板に放熱させる」ものでは、半導体装置における放熱経路が前記（１）の場合より長くなる傾向があり、そのため熱抵抗がより大きくなるという問題がある。

前記（４）の場合は、ＩＣチップで発生した熱は、金属突起から金属部材を通して外部に最短距離で放熱するため、ＩＣチップに金属製突起（金属バンプ）を設けそれに金属部材（金属棒）を載置して、両者を例えば非導電性接着剤等で固定した構造であるから、その構造は複雑であり従って製造も煩雑でコストも要するものである。

特開２００２−１００７０９号公報、 特開平９−２６０５６８号公報 特開平８−５５９４７号公報 特開平５−１４４９９１号公報 特開平７−６６３３２号公報

本発明は前記従来の問題を解決すべくなされたものであって、その第１の目的は、半導体集積回路からの発熱経路を最短化させ、ジャンクション−ケース間熱抵抗の大幅な低減化することである。
本発明の第２の目的は、半導体集積回路とダイパッドの接合状態のバラツキによる、放熱特性劣化を排除することである。
本発明の第３の目的は、半導体集積回路内の局部発熱に対する熱破壊耐性を向上させることである。

本発明は、半導体集積回路での発熱源は表面側であることに着目して、主たる放熱経路を半導体集積回路の表面側に設けると共に簡易な構成により前記問題を解決したのである。即ち、
請求項１の発明は、半導体集積回路と、該半導体集積回路の電極端子と基板電極とを接続するための導電手段を有し、樹脂封止した半導体装置において、
上記半導体集積回路上に順に積層した保護膜及び金属膜を有し、該金属膜を半導体装置の表面若しくは裏面側で上記封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置である。
請求項２の発明は、請求項１に記載された半導体装置において、上記金属膜は応力緩和層を備えていることを特徴とする半導体装置である。
請求項３の発明は、請求項２に記載された半導体装置において、上記金属膜は第１及び第２の金属膜からなり、該第１及び第２の金属膜は上記応力緩和層を介在させて少なくとも１箇所で接続されており、上記第２の金属膜を半導体装置の表面若しくは裏面側で封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置である。
請求項４の発明は、請求項１に記載された半導体装置において、上記第１の金属膜に接合された金属板を有し、かつ該金属板を上記半導体装置の表面、若しくは裏面側で封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置である。
請求項５の発明は、請求項２又は３に記載された半導体装置において、上記第２の金属膜に接合された金属板を有し、かつ該金属板を上記半導体装置の表面、若しくは裏面側で封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置である。
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載された半導体装置において、上記第１及び第２の金属膜は金、アルミニュウム、銅又はそれらを主成分とする合金からなり、上記応力緩和層はポリイミド、エポキシ樹脂、その他のエラストマー又はプラストマーであることを特徴とする半導体装置である。
請求項７の発明は、請求項１ないし６に記載された半導体装置において、半導体集積回路を搭載したダイパッドが半導体装置の表面、若しくは裏面に露出していることを特徴とする半導体装置である。
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載された半導体装置において、半導体装置の表面、あるいは裏面から露出させた金以外の金属膜又は金属板の表面にメッキ層を備えたことを特徴とする半導体装置である。

半導体集積回路の表面側のほぼ全面から最短距離で半導体集積回路で発熱した熱を放熱させることができるため、
（１）半導体集積回路からの発熱経路を最短化させ、ジャンクション−ケース間での熱抵抗の大幅な低減化が可能である。
（２）半導体集積回路側から主に放熱を行うようにしたので、従来のように、半導体集積回路とダイパッドを接合する接着剤中のボイドに起因する半導体集積回路とダイパッドの接合状態のバラツキによる放熱特性劣化を排除することができる。
（３）金属膜に応力緩和層を備えたことにより、半導体集積回路内の局部発熱に対する熱破壊耐性を向上することができる。
（４）半導体集積回路の裏面側からもダイパッドを介して放熱することもできるから、その熱効率を一層向上させることができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図であり、従来のものと同一の箇所には同一の番号を付してある。即ち、半導体装置１の半導体集積回路１０は接着剤又ははんだによりダイパッド１２上に取り付けられており、かつ図中上部、即ちその能動面上には保護膜２６が形成されていると共に保護膜２６に設けた複数の電極取りだし口（開口部）２４を介して半導体集積回路１０の金属配線に接続されたワイヤー１８がリード（或いはバンプ又はランド）１６に接続されている。また、半導体装置１全体をエポキシ樹脂等の合成樹脂２８で封止されている。

ここで、本実施形態では、半導体集積回路の表面側から放熱経路を設ける為に、半導体集積回路の表面保護膜２６の上に半導体集積回路の外部端子との接続を行う表面保護膜２６の開口部２４を除く部分に、蒸着法、若しくはメッキ法で金、アルミニュウム、銅又はそれらを主成分とする合金でできた金属膜３０を形成させる。金属膜３０を形成させる大きさは、半導体集積回路の外部端子との接続を行う表面保護膜２６の開口部２４を除く部分の概ね６０〜８０％が望ましい。
この金属膜３０は半導体装置１を覆うエポキシ樹脂２８から露出しており、この露出した金属膜３０により、半導体集積回路１０で発生した熱を接合した電子機器の筐体等に或いは大気中に放熱させることができる。

図２は本発明の半導体装置の第２の実施形態を示す断面図である。この実施形態では基本構造は図１に示した半導体装置と同様である。ただ、第１の実施形態に係る半導体装置１における金属膜３０に代えて、半導体集積回路１０と半導体装置１の露出部との応力を緩和して、半導体集積回路内の局部発熱に対する熱破壊耐性を向上させるために、保護膜２６の上に形成させた金属膜３０ａの上にさらにポリイミド等の応力緩和膜３４を設け、その上に蒸着法、若しくはメッキ法等で例えば、金、アルミニュウム、銅又はそれらを主成分とする合金でできた金属膜３０ｂを形成させている。上層の金属膜３０ｂは半導体装置１を覆うエポキシ樹脂２８から露出しており、この露出した金属膜３０ｂを電子機器の筺体等に接続させ、下層の金属膜３０ａと上層の金属膜３０ｂは少なくとも１箇所で接続されているので、半導体集積回路１０で発生した熱を金属部分を通して伝導し、上層の金属膜３０ｂに接合した電子機器の筺体等に放熱することができる。また、応力緩和層３４を備えているので、動作中半導体回路で発生するが加熱することによる熱応力で露出した金属層が歪む等の問題が生じることがない。従って、露出した金属膜３０ｂとプリント基板の電極との接続は常に安定している。

図３は本発明の半導体装置の第３の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、第１の実施形態に係る半導体装置１における金属膜３０の上層に、例えば金、アルミニュウム、銅又はこれらを主成分とする合金でできた金属板４０を配置した構造である。この構造は、半導体集積回路１０と半導体装置１の表面、あるいは裏面までに距離があり、金属膜３０で半導体装置１の表面あるいは裏面に露出させるには生産性的にも経済的にも好ましくない場合に好適な構成であって、金属膜の上に前記金、銅板等の金属板を接合して、その金属板４０を半導体装置の表面あるいは裏面に露出させている。
この場合、金属膜３０と金属板４０の接合は金−スズ接合、高温はんだ接合が望ましく、また露出させた金属板４０の表面は、金属板４０が金以外のときは金若しくははんだ、スズメッキを施しておくことが望ましい。この構成によれば、熱は金属板４０の熱容量により一時的に蓄積できるとともに、その表面から外部に放出することができるから、放熱をより効率的に行うことができる。

図４は本発明の半導体装置の第４の実施形態を示す断面図である。
この実施形態は、第２の実施形態における上層金属層３０ｂの上に第３の実施形態におけると同様の金属板４０を配置した構造である。
即ち、保護膜２６の上に形成させた金属膜３０ａの上にさらにポリイミド等の応力緩和膜３４を設け、その上に蒸着法、若しくはメッキ法等で、例えば金、アルミニュウム、銅又はこれらを主成分とする合金でできた金属膜３０ｂを形成させ、更にその上に金属板４０を配置した構造である。この場合も、下層の金属膜３０ａと上層の金属膜３０ｂは少なくとも１箇所で接続されている。
従って、この実施形態の半導体装置１は第２及び第３の実施形態の備えた前記作用効果を合わせて備えている。即ち、本半導体装置１は、ヒートシンクとなる金属板４０により半導体集積回路からの放熱が一層促進されるだけでなく、金属板４０は応力緩和膜３４により半導体回路の発熱による熱応力が緩和され、接合部の剥離や隙間の形成が確実に防止できる。

図５は、本発明の半導体装置１の第５の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、従来のダイパットと介して放熱を行う放熱方法を併用したものであって、ダイパッド１２の下側は、エポキシ樹脂等で封止されておらず実装時には回路基板に直接接触するように構成されている。
この構成では、半導体集積回路１０で発生した熱は、ダイパッド１２を通して回路基板に逃がすことができるほか、金属膜３０ａ、３０ｂ及び金属板４０から外部に放熱出来るため、その放熱効率は一層向上する。

図６は本発明の半導体装置１の第６の実施形態を模式的に示す断面図であって、図５に示す半導体装置１におけるダイパッド１２、半導体集積回路１０、保護膜２６、第１金属膜３０ａ、応力緩和膜３４、第２の金属膜３０ｂ、金属板４０を天地逆向きに配置してワイヤー１８を介してリード１６に接続している。
この構造では、第５の実施形態がもつ放熱効果に加え、実装時には金属板が直接プリント回路基板に接触しているため、半導体集積回路１０で発生した熱は金属板４０を通して回路基板に逃がすことができるとともに、ダイパッド１２が封止用エポキシ樹脂から露出しているため、半導体集積回路１０で発生した熱はダイパッド１２からもそれに接合する電子機器の筺体等を通して外部に逃がすことができる。従って、この構成によればより効率的な放熱が可能である。

図７は本発明の半導体装置１の第７の実施形態を模式的に示す断面図であって、図４に示す半導体装置１におけるダイパッド１２、半導体集積回路１０、保護膜２６、第１金属膜３０ａ、応力緩和膜３４、第２の金属膜３０ｂ、金属板４０を天地逆向きに配置してワイヤー１８を介してリード１６に接続している。
この構造では、金属板４０が実装時に直接プリント回路基板に接合され、半導体集積回路１０で発生した熱を金属板４０を介してプリント回路基板に放熱することができる。その他の作用効果は図４に示したものと同様である。

図８は本発明の半導体装置１の第８の実施形態を模式的に示す断面図であり、この実施形態では、ワイヤー１８をダイパッド１２に接合し、かつダイパッド１２の下側に複数のバンプ４２を設けて、この複数のバンプ４２を介して例えばプリント回路基板の電極に接続される。その他の構成は図５に示す半導体装置１と同様でり、その作用効果もそれと同様である。
以上の各実施形態において、露出部の金属膜或いは金属板が金以外の場合は、表面に金、はんだ、スズ等のメッキを施すこととが望ましい。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第８の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 従来の半導体装置の模式的断面図である。

符号の説明

１…半導体装置、１０…半導体集積回路、１２…ダイパッド、１４…接着剤又ははんだ、１６…リード、１８…ワイヤー、２４…電極取り出し口、２６…保護膜、３０…金属膜、３２…グランド又は電源ライン、３４…応力緩和膜、４０…金属板、４２…バンプ。

Claims (8)

1. 半導体集積回路と、該半導体集積回路の電極端子と基板電極とを接続するための導電手段を有し、樹脂封止した半導体装置において、
   上記半導体集積回路上に順に積層した保護膜及び金属膜を有し、該金属膜を半導体装置の表面若しくは裏面側で上記封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載された半導体装置において、
   上記金属膜は応力緩和層を備えていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載された半導体装置において、
   上記金属膜は第１及び第２の金属膜からなり、該第１及び第２の金属膜は上記応力緩和層を介在させて少なくとも１箇所で接続されており、上記第２の金属膜を半導体装置の表面若しくは裏面側で封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載された半導体装置において、
   上記第１の金属膜に接合された金属板を有し、かつ該金属板を上記半導体装置の表面、若しくは裏面側で封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項２又は３に記載された半導体装置において、
   上記第２の金属膜に接合された金属板を有し、かつ該金属板を上記半導体装置の表面、若しくは裏面側で封止樹脂から露出させたことを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載された半導体装置において、
   上記第１及び第２の金属膜は金、アルミニュウム、銅又はそれらを主成分とする合金からなり、上記応力緩和層はポリイミド、エポキシ樹脂、その他のエラストマー又はプラストマーであることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１ないし６に記載された半導体装置において、
   半導体集積回路を搭載したダイパッドが半導体装置の表面、若しくは裏面に露出していることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載された半導体装置において、
   半導体装置の表面、あるいは裏面から露出させた金以外の金属膜又は金属板の表面にメッキ層を備えたことを特徴とする半導体装置。

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