JP2005135969A - 放熱板付きｂｇａ型半導体装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャビティダウン方式のＢＧＡ型半導体パッケージにおいて放熱板の防食表面処理を必要とせず、パッケージ厚の薄型化を図る半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 放熱板２には半導体素子１の接着領域の周りに沿って複数の貫通孔２ａが形成されている。放熱板２の下面には、複数の貫通孔２ａが形成された箇所のさらに外周を囲む形状の配線基板４が接着されている。配線基板４の中央に開口部が形成されていて、放熱板２に配線基板４を接着したときに配線基板４の開口部内に、放熱板２の下面の半導体素子１が隙間を介して収容されるとともに、その開口部の内周縁が複数の貫通孔２ａを囲むように位置する。放熱板２における半導体素子１の接着面とは反対側面、放熱板２の貫通孔２a、ならびに配線基板４の開口部に収容された半導体素子１の周りに封止樹脂５が存在している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放熱板を備えたＢＧＡ（Ball Grid Array）型半導体装置（以下、「半導体装置」と記す。）のパッケージ構造に関する。特に、半導体素子をパッケージ下面に向けた方式（キャビティダウン方式）のＢＧＡ型半導体装置であって、半導体素子の裏面を放熱板に接着したパッケージ構造に関する。

近年、半導体素子の電極数が多くなり、集積度もますます高くなり、パッケージのピン（外部端子）の数もそれに伴い多くなり、かつ、処理速度に対する要求が高まる中で、パッケージの放熱性を考慮に入れる必要がでてきた。また、ＩＣの消費電力が多くなった結果、その放熱を行うことの重要性が増している。

ＳＯＰ（Small Outline L-leaded Package）、ＱＦＰ（Quad Flat Gull Wing Leaded Package）など、リードフレーム上に半導体素子を置いた伝統的なパッケージでは、ピン数の増加に対して、組立てコストと製造技術の困難性とが増し、将来的に需要に対応できないおそれがある。さらに、伝統的な、リードフレームに半導体素子を取り付けたＩＣの速度は最大でも約１００ＭＨｚ以下であり、これも将来的に需要を満たせなくなることが予想される。

このようなリードフレームを用いたパッケージの課題を解決するものとして、内部配線が形成され、裏面に外部端子としてのボールが形成された基板を用いるＢＧＡ（Ball Grid Array）型パッケージがある。このパッケージの特徴は、入出力のピンを、伝統的な長いもの（リードピン）から、短小で、損壊や変形を起こしにくいボール状としたことにあり、このＩＣの電気的な伝送の距離は短く、速度は速く、将来の高速度の要求に対応できる。ボール状の端子の配列はマトリックス配列とされ、伝統的なパッケージ方法でＩＣの周囲に配列されていたのとは異なり、簡単にリード端子の数を増加できるため、将来の高ピン数の需要に対応できる。

このＢＧＡ型パッケージには、以下のような種々のパッケージが提案されている。

一つは、図７に示すように、配線基板１０１の中央部に開口を設け、配線基板１０１の裏面に、該基板の内部配線に電気接続する多数の半田ボール１０５を形成し、配線基板１０１の開口を塞ぐように配線基板１０１の上面に放熱板１０２を貼り付け、配線基板１０１の開口内にて半導体素子１０３の裏面を放熱板１０２に接着し、配線基板１０１の内部配線と半導体素子１０３の電極とを電気的に接続し、配線基板１０１の開口に封止樹脂１０４を充填して半導体素子１０３を封止したパッケージである（例えば特許文献１の図３参照）。このように半導体素子１０３をパッケージ下面に向けた方式をキャビティダウン方式と呼ぶ。

この他のBGＡパッケージとしては、図８に示すように、配線基板２０１の裏面に、該基板の内部配線に電気接続する多数の半田ボール２０５を形成し、配線基板２０１の表面のチップ取付け領域に半導体素子２０２を接着し、配線基板２０１の内部配線と半導体素子２０２の電極とを電気的に接続し、半導体素子２０２上に放熱片２０３を接着し、半導体素子２０２の外側および放熱片２０３の上下を絶縁樹脂２０４で覆ったパッケージがある（例えば特許文献１の図１４参照）。

また、図９に示すように、配線基板３０１の中央部に開口を設け、配線基板３０１の裏面に、該基板の内部配線に電気接続する多数の半田ボール３０６を形成し、配線基板３０１の上面に放熱板３０２を貼り付け、放熱板３０２における基板３０１の開口部周辺の一部に対応する箇所に貫通孔３０３を形成し、配線基板３０１の中央部の開口内に挿入した半導体素子３０４の裏面を放熱板３０２に接着し、半導体素子３０４の電極と配線基板３０１の内部配線とを電気的に接続し、貫通孔３０３を通して配線基板３０１の開口内に樹脂３０５を充填することで半導体素子３０４を封止したパッケージがある（例えば特許文献２参照）。

さらに、図１０に示すように、配線基板４０１に半導体素子格納用孔４０２を開け、配線基板４０１の裏面に、該基板の内部配線に電気接続する多数の半田ボール４０７を形成し、半導体素子格納用孔４０２を塞ぐように配線基板４０１の裏面に放熱板４０３を貼り付け、放熱板４０３の表面に半導体素子４０４を搭載し、半導体素子４０４の電極と配線基板４０１の内部配線とを電気的に接続し、放熱板４０３に貫通孔４０５を形成し、貫通孔４０５を通じて放熱板４０３の上下および半導体素子４０４の外側を樹脂４０６で覆うパッケージもある（例えば特許文献３参照）。
特開平１０−２０９３４８号公報（段落番号［０００７］、［００３５］、図３、図１４参照） 特願平７−８０３９８４号 特開平８−７８５６５号公報（段落番号[００１１]〜[００１３]、［００１６］、図１、図３、図６、図７参照）

しかし、図７に示される特許文献１のパッケージ構造では、放熱板の腐食を防止するため、放熱板１０２の表面にＮｉめっき１０６のような防食表面処理を必要とし、製造コストが高くなるという問題がある。

また、図８に示される特許文献１の別のパッケージ構造では、配線基板表面より上に半導体素子とボンディング線（金線）と放熱板を設けて、かつその各々の間隙に封止樹脂を流し込むことが必要なため、パッケージ厚が厚くなるという問題がある。

また、図９に示される特許文献２のパッケージは、放熱板の半導体素子搭載側の面を封止するだけのものであり、この面と反対側の面である放熱板表面を樹脂で封止する構造ではない。このため、放熱板の腐食を防止することができない。

また、図１０に示される特許文献３のパッケージは、配線基板４０１の両面より半導体素子４０４が突出することなく、さらに、放熱板４０３に形成した貫通孔４０５を通じて放熱板４０３の上下および半導体素子４０４の外側を樹脂４０６で覆う構成であるので、パッケージ厚の薄型化が図れるとともに、放熱板の腐食の心配もない。しかしながら、パッケージの別基板への実装面側に放熱板を設ける構成のため、半導体素子４０４の放熱の経路はパッケージ下側の実装基板に向けられているので蓄熱のおそれがある。さらに、放熱特性を向上するためには放熱板を厚み方向に大形化する以外はない。この場合は、特許文献３の段落［００１６］（同文献の図６、図７）に記載されているように、パッケージの実装の妨げにならないように実装基板に予め逃げ孔を開けておくか、中間基板を介して実装する必要性が生じてしまう。

本発明の目的は、上述した実状における問題に鑑み、放熱板を備えた、特にキャビティダウン方式のＢＧＡ型半導体パッケージにおいて、放熱板の防食表面処理を必要とせず、パッケージ厚の薄型化を図りつつ、高い放熱特性を発揮する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のＢＧＡ型半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子が下面に接着され、半導体素子の接着領域の周りに沿って複数の貫通孔が形成された放熱板と、この放熱板の、複数の貫通孔が形成された箇所のさらに外周を囲む形状であって、一面が放熱板に接着され、もう一面が複数のボール状端子を備えている配線基板と、半導体素子を封止する樹脂で、放熱板における半導体素子の接着領域側から複数の貫通孔を経て、放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面を覆っている封止樹脂と、を備えたことを特徴とする。

上記のＢＧＡ型半導体装置は、封止樹脂の、放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面を覆っている部分の厚みが２０μm以上１５０μm以下であることが好ましい。

また、本発明のBGＡ型半導体装置の製造方法は、半導体素子と、該半導体素子を収容可能な開口部が形成された配線基板と、半導体素子が開口部内に収容されるように半導体素子および配線基板が搭載される領域を持ち、開口部に対応する複数の貫通孔が形成されている放熱板と、を用意する段階１と、放熱板の裏面に配線基板および半導体素子を接着しつつ半導体素子を開口部内に収容する段階２と、半導体素子の電極と配線基板の内部配線と繋がる電極とを電気的に接続する段階３と、開口部内に樹脂を充填して半導体素子を封止しつつ、樹脂を放熱板の複数の貫通孔を通して、放熱板の配線基板とは反対側面を樹脂で被覆する段階４と、を有する。

上記の段階４は、放熱板の上表面に封止樹脂を形成するキャビティを持つ上型と、配線基板の開口部に充填する封止樹脂を形成するキャビティを持つ下型とからなる射出成形用金型を用い、射出成形用金型の上型と下型とで、配線基板および半導体素子を接着した放熱板をクランプし、下型の樹脂注入ゲートより配線基板の開口部へ樹脂を注入することにより行うことが好ましい。

さらに、射出成形用金型において、上型のキャビティの、下型における配線基板の押圧部に相対する部分に、放熱板を支える突起をもつ金型を用いることが好ましい。

本発明の半導体装置は、下面に半導体素子が接着された放熱板において半導体素子の接着領域の周りに沿って複数の貫通孔を形成し、この放熱板の下面に、複数の貫通孔が形成された箇所のさらに外周を囲む形状の配線基板を接着し、半導体素子を封止する樹脂で、放熱板における半導体素子の接着領域側から複数の貫通孔を経て、放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面を覆ったパッケージ構造とした。このように、放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面にＮｉめっきのような防食表面処理を必要とする従来のパッケージ（図７）と比べ、放熱板も樹脂で覆っているため、防食表面処理の必要がなく、安価な放熱板を用いることが可能である。

また、半導体素子が上面を向いているキャビティアップ方式のパッケージ（図８）の場合は、配線基板より上に半導体素子とボンディング線（金線）と放熱板を設けて、かつその各々の隙間に樹脂を入れ込むことが必要なため、パッケージ厚が厚くなる欠点をもっているが、本発明はキャビティダウン方式のパッケージで、放熱板を封止樹脂で覆う構造および方法を提供しており、薄型の半導体装置の実現が可能である。

また、射出成形用金型の上型と下型とで、配線基板および半導体素子を接着した放熱板をクランプし、下型の樹脂注入ゲートより配線基板の開口部へ樹脂を注入することにより、放熱板表面の樹脂封止行うことが可能である。

このとき、射出成形用金型において、上型のキャビティの、下型における配線基板の押圧部に相対する部分に、放熱板を支える突起をもつ金型を用いることにより、樹脂注入時に金型をより強い力でクランプすることが可能であり、下型のクランプ部からの樹脂もれを防止することが可能である。

さらに、封止樹脂の、放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面を覆っている部分の厚みを２０μm以上１５０μm以下にすることにより、放熱板からの放熱効果を損なうことなく、上記の各効果を実現することが可能である。つまり、樹脂厚が２０μmを下回ると、樹脂注入時に封止樹脂のフィラーが引っ掛かり、良好な注入性が得られない。また、レーザーで捺印を彫るときに、樹脂層が消失して下地が露出する恐れがあり、放熱板の腐食が防止できないためである。一方、樹脂厚が１５０μmを超えると、放熱性は極端に悪くなり、放熱板としての機能が損なわれる。そのため、発熱量の多い半導体素子を搭載する場合などには、樹脂厚を特に１００μm以下と薄くして放熱性を充分に確保するのがより望ましい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態による放熱板付きＢＧＡ型半導体装置（以下、半導体装置）のパッケージ構造を示す縦断面図である。

図１に示す形態の半導体装置は、半導体素子１の裏面を放熱板２に接着し、半導体素子１をパッケージ下面に向けた、キャビティダウン方式のＢＧＡパッケージの構造をとっており、図７の従来構成と同様の方式である。

この半導体装置は半導体素子１と放熱板２と配線基板４と封止樹脂５とを備えてなる。放熱板２の下面に半導体素子１の裏面が接着されている。さらに放熱板２には、半導体素子１の接着領域の周りに沿って複数の貫通孔（スリット）２ａが形成されている。また、放熱板２の下面には、複数の貫通孔２ａが形成された箇所のさらに外周を囲む形状の配線基板４が接着されている。配線基板４の中央に開口部が形成されていて、放熱板２に配線基板４を接着したときに配線基板４の開口部内に、放熱板２の下面の半導体素子１が隙間を介して収容されるとともに、その開口部の内周縁が複数の貫通孔２ａを囲むように位置する。つまり、複数の貫通孔２ａが配線基板４の開口部の内側に位置している。

配線基板４の、放熱板２とは反対側の面には、配線基板４の内部配線と繋がる複数のボール状端子としての半田ボール３が配置されている。配線基板４の内部配線は半導体素子１の電極とボンディングワイヤなどで適宜、電気接続されている。

さらに、放熱板２における半導体素子１の接着面とは反対側面（パッケージ上表面）、放熱板２の貫通孔２a、ならびに配線基板４の開口部に収容された半導体素子１の周りに封止樹脂５が存在している。

また、前記パッケージ上表面の封止樹脂５の厚みは２０μm以上１５０μm以下とする。これは、樹脂厚が２０μmを下回ると、樹脂注入時に封止樹脂のフィラーが引っ掛かり、良好な注入性が得られない。また、レーザーで捺印を彫るときに、樹脂層が消失して下地が露出する恐れがあり、放熱板の腐食が防止できないためである。

一方、樹脂厚が１５０μmを超えると、放熱性は極端に悪くなり、放熱板としての機能が損なわれる。そのため、発熱量の多い半導体素子を搭載する場合などには、樹脂厚を特に１００μm以下と薄くして放熱性を充分に確保するのがより望ましい。

図２は図１に示した半導体装置の放熱板の形状を示す平面図、図３は図２に示した放熱板２に配線基板４を貼付け、半導体素子１を搭載した後の平面図である。これらの図に示すように放熱板２は四角形の板であり、半導体素子１を搭載する四角形の中央エリアと、該中央エリアを環状に囲み、枠形状（または環状）の配線基板４を搭載する外周エリアとの中間にスリット状の貫通孔２ａを有している。細長い矩形の貫通孔２ａは中央エリアの外周に沿って複数、形成されている。

次に、図１〜図６を参照し、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。なお、図４は、封止用金型の上型６と下型７の間に、配線基板４と半導体素子１を固着した放熱板２を、半導体素子１が下面を向くように配置させた状態を示した縦断面図であり、図５は図４の状態から上型６と下型７の間を閉じて、配線基板４と半導体素子１を固着した放熱板２をクランプした状態を示した縦断面図である。これらの図に示すように、封止用金型は、放熱板２の上表面に封止樹脂を形成するキャビティ（空間部）６ａを持つ上型６と、配線基板４の開口部４ａに充填する封止樹脂を形成するキャビティ（空間部）７ａを持つ下型７とからなる。キャビティ７ａは下型７の外側より樹脂注入ゲート８を通じて樹脂を注入可能となっている。下型７と配線基板４が圧接している状態では、配線基板４の半田ボールが形成される予定の領域を、下型７に設けられた空間部７ｃによって逃げている。

また、図６は図４及び図５に示した金型の変形例であり、上型６のキャビティ６ａの、下型７のキャビティ７ａのクランプ部（配線基板４の押圧部）７ｂに相対する部分に、放熱板２を支える突起９を持った金型による樹脂封止工程を示している。

まず、図２に示される放熱板２を用意する。

次いで、この放熱板２の片面の中央の四角のエリアに、図３に示すように半導体素子１を導電ペーストなどにより接着、固定し、さらに、四角の中央エリアの周囲のエリアに、枠状の配線基板４を接着剤にて貼り付ける。

その後、半導体素子１の電極（パッド）と、配線基板４の内部配線と繋がる電極（ボンディングステッチ）が、ボンディングワイヤ１１（金線など）によりボンディングされる。

次に、図４に示される金型の上型６と下型７の間に、配線基板４と半導体素子１を固着した放熱板２を配置する。その後、図５もしくは図６に示されるように金型の上型６と下型７とでクランプされ、下型７の樹脂注入ゲート８より封止樹脂５が注入される。封止樹脂５は下型７のキャビティ７ａに充填された後、配線基板４の開口部４ａ内の半導体素子１およびボンディングワイヤ（不図示）を覆い、該ボンディングワイヤの上方に位置する放熱板２の貫通孔２ａを通り、放熱板２の裏側に回り込み、上型６のキャビティ６ａに充填される。このような射出成形法を行うとき、図６に示した突起９を有する金型を使用した方が、充填時に金型をより強い力でクランプすることが可能であり、下型７のクランプ部７ｂからの樹脂もれを防止することが可能である。

その後、封止樹脂５が硬化したら、封止後の半導体装置を金型から取り除き、配線基板４に外部端子としての半田ボールを形成する。完成した半導体装置は、図１に示したような形状、すなわち、封止樹脂５が配線基板４および放熱板２の両面に回りこんだパッケージ形状を形作っている。

本発明の実施の形態による放熱板付きＢＧＡ型半導体装置（以下、半導体装置）のパッケージ構造を示す縦断面図である。 図１に示した半導体装置の放熱板の平面図である。 図２に示した放熱板に配線基板を貼付け、半導体素子を搭載した後の平面図である。 図１に示した半導体装置を製造する際の樹脂封止工程における型開き状態を表した縦断面図である。 図１に示した半導体装置を製造する際の樹脂封止工程における型閉じ状態（クランプ状態）を表した縦断面図である。 図５に示した封入金型の変形例および、これによる樹脂封止工程を表した縦断面図である。 従来の放熱板付きＢＧＡ型半導体装置を示す縦断面図である。 従来の放熱板付きＢＧＡ型半導体装置を示す縦断面図である。 従来の放熱板付きＢＧＡ型半導体装置を示す縦断面図である。 従来の放熱板付きＢＧＡ型半導体装置を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 放熱板
２ａ 貫通孔
３ 半田ボール
４ 配線基板
５ 封止樹脂
６ 上型
６ａ キャビティ
７ 下型
７ａ キャビティ
７ｂ クランプ部
７ｃ 空間部
８ 樹脂注入ゲート
９ 突起

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子が下面に接着され、前記半導体素子の接着領域の周りに沿って複数の貫通孔が形成された放熱板と、
   前記放熱板の、前記複数の貫通孔が形成された箇所のさらに外周を囲む形状であって、一面が前記放熱板に接着され、もう一面が複数のボール状端子を備えている配線基板と、
   前記半導体素子を封止する樹脂で、前記放熱板における前記半導体素子の接着領域側から前記複数の貫通孔を経て、前記放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面を覆っている封止樹脂と、を備えたBGＡ型半導体装置。
2. 前記封止樹脂の、前記放熱板の半導体素子接着面とは反対側の面を覆っている部分の厚みが２０μm以上１５０μm以下である、請求項１に記載のBGＡ型半導体装置。
3. BGＡ型半導体装置の製造方法であって、
   半導体素子と、該半導体素子を収容可能な開口部が形成された配線基板と、前記半導体素子が前記開口部内に収容されるように前記半導体素子および前記配線基板が搭載される領域を持ち、前記開口部に対応する複数の貫通孔が形成されている放熱板と、を用意する段階１と、
   前記放熱板の裏面に前記配線基板および前記半導体素子を接着しつつ前記半導体素子を前記開口部内に収容する段階２と、
   前記半導体素子の電極と前記配線基板の内部配線と繋がる電極とを電気的に接続する段階３と、
   前記開口部内に樹脂を充填して前記半導体素子を封止しつつ、前記樹脂を前記放熱板の前記複数の貫通孔を通して、前記放熱板の前記配線基板とは反対側面を前記樹脂で被覆する段階４と、を有するBGＡ型半導体装置の製造方法。
4. 段階４は、
   前記放熱板の上表面に封止樹脂を形成するキャビティを持つ上型と、前記配線基板の開口部に充填する封止樹脂を形成するキャビティを持つ下型とからなる射出成形用金型を用い、
   前記射出成形用金型の前記上型と前記下型とで、前記配線基板および前記半導体素子を接着した前記放熱板をクランプし、前記下型の樹脂注入ゲートより前記配線基板の開口部へ樹脂を注入することにより行う、請求項３に記載のBGＡ型半導体装置の製造方法。
5. 前記射出成形用金型において、前記上型のキャビティの、前記下型における前記配線基板の押圧部に相対する部分に、前記放熱板を支える突起をもつ金型を用いる、請求項４に記載のBGＡ型半導体装置の製造方法。
   
   

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