JP2005183480A - 半導体装置とその実装体および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップから直接放熱することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、基板１０３と、基板１０３の下面に能動領域が対向するように実装された半導体チップ１０２と、半導体チップ１０２を覆うように形成された封止樹脂１０５と、半導体チップ１０２の基板１０３の反対側に形成された下面へ到達するように封止樹脂に形成された少なくとも１個のビア１０９と、半導体チップ１０２において発生した熱を半導体チップ１０２の下面から放熱するために形成された充填材料１１０および金属膜１０６とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話などの無線通信機器および情報処理機器に用いられる半導体装置とその実装体および製造方法に関する。

近年、携帯電話に代表される無線通信機器およびパソコンなどの情報処置機器の普及が急速に進んでいる。無線通信機器においては、無線出力を所定の電力レベルに増幅するための電力増幅装置における消費電力が、情報処理機器においては、ＣＰＵなどの高速演算装置における消費電力が大きく、それらに用いる半導体装置の発熱量も大きい。

このような半導体装置を用いる機器においては、発熱による誤動作および異常動作を防止するために、放熱機構が必須となる。その上、これらの機器では携帯性、高機能化が求められるため、半導体装置においても小型化が要求されている。

従来の半導体装置としては、熱源となる半導体チップを実装した基板側に放熱板を取りつけ、放熱する構造としているものがあった（例えば、特開２００３−２２４２２８号公報（特許文献１）参照）。

図８は、従来の半導体装置４００の構成を示す断面図である。図８において、４００は半導体装置、４０１は放熱板、４０２は半導体チップ、４０３は端子電極、４０５は放熱用端子、４０７はサーマルビア、４１０は封止樹脂、４１５は導体パターン形成層（基板）である。図４の半導体装置では、基板４１５に半導体チップ４０２を、端子電極４０３を介してフリップチップ実装で電気的に接続し、半導体チップ４０２の底面から、放熱用端子４０５およびサーマルビア４０７を介して放熱板４０１が付けられた基板４１５に放熱を行っている。
特開２００３−２２４２２８号公報

しかしながら、前記従来の構造では、熱源となる半導体チップ４０２から発生する熱を、半導体チップ４０２を実装した基板４１５側に放熱し、その基板４１５に取りつけた放熱板４０１によって放熱性を上げていたため、基板４１５にサーマルビア４０７などの放熱用配線部が必要となる。このため、基板４１５の配線の自由度が低下してしまう。また、半導体チップ４０２から直接放熱できていなかった上に、放熱板４０１を取りつけるため薄型化することが困難な構造になっていた。

本発明の目的は、基板の配線の自由度を確保しながら、半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップから直接放熱することができる半導体装置とその実装体および製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板の下面に能動領域が対向するように実装された半導体チップと、前記半導体チップを覆うように形成された封止樹脂と、前記半導体チップの前記基板の反対側に形成された下面へ到達するように前記封止樹脂に形成された少なくとも１個のビアと、前記半導体チップにおいて発生した熱を前記半導体チップの前記下面から放熱するために形成された放熱手段とを具備することを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の実装体は、放熱設計されたマザー基板と、請求項２記載の半導体装置に設けられた前記電極に対応するように前記マザー基板の上に形成された配線パターンと、前記配線パターンと前記電極とが接続するように前記マザー基板に実装された本発明に係る半導体装置とを具備することを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の下面に能動領域が対向するように半導体チップを実装する工程と、前記半導体チップを覆うように封止樹脂を形成する工程と、前記半導体チップの前記基板の反対側に形成された下面へ到達するように少なくとも１個のビアを前記封止樹脂に形成する工程と、前記半導体チップにおいて発生した熱を前記半導体チップの前記下面から放熱するために放熱手段を形成する工程とを包含することを特徴とする。

本発明によれば、基板の配線の自由度を確保しながら、半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップから直接放熱することができる半導体装置とその実装体および製造方法を提供することができる。

本実施の形態に係る半導体装置においては、半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップの下面から放熱するために形成された放熱手段が設けられている。このため、基板の配線の自由度を確保しながら、半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップから直接放熱することができる。

この実施の形態では、前記放熱手段は、前記ビアを覆うように形成された金属膜と、前記ビア内の前記金属膜に設けられた電極とを含んでいることが好ましい。

前記放熱手段は、前記ビアを覆うように形成された導電性樹脂を含んでいることが好ましい。

前記基板の上面に実装された電子部品をさらに具備することが好ましい。

前記電子部品は、受動素子と能動素子との少なくとも一方を含んでいることが好ましい。

前記受動素子は、コンデンサ、インダクタ、抵抗およびフィルタから選択される少なくとも１つを含んでいることが好ましい。

前記封止樹脂によって覆われるように前記基板の下面に実装された電子部品をさらに含むことが好ましい。

前記電子部品は、受動素子と能動素子との少なくとも一方を含んでおり、前記受動素子は、コンデンサ、インダクタ、抵抗およびフィルタから選択される少なくとも１つを含んでいることが好ましい。

本実施の形態に係る半導体装置の製造方法においては、半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップの下面から放熱するために放熱手段を形成する。このため、基板の配線の自由度を確保しながら、半導体チップにおいて発生した熱を半導体チップから直接放熱することができる。

この実施の形態では、前記放熱手段を形成する工程は、前記ビアを覆うように金属膜を形成する工程と、前記ビア内の前記金属膜に電極を設ける工程とを含んでいることが好ましい。

前記放熱手段を形成する工程は、前記ビアを覆うように導電性樹脂を形成する工程を含んでいることが好ましい。

前記少なくとも１個のビアを前記封止樹脂に形成する工程は、レーザ加工によって前記ビアを前記封止樹脂に形成することが好ましい。

前記封止樹脂を形成する工程は、フィルム加圧によって前記封止樹脂を形成することが好ましい。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、実施の形態に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。半導体装置１００は、基板１０３を備えている。基板１０３の下面には、半導体チップ１０２が、その能動領域が基板１０３の下面と対向するように突起電極１０７によって配線電極１０４の上に実装されている。基板１０３の下面には、半導体チップ１０２を覆うように封止樹脂１０５が形成されており、半導体チップ１０２と基板１０３との間には封止樹脂１１１が形成されている。

封止樹脂１０５には、半導体チップ１０２の基板１０３の反対側に形成された下面へ到達するように３個のビアが形成されており、この３個のビアを覆うように金属膜１０６が形成されている。各ビア内の金属膜１０６は、半導体チップ１０２の下面と電気的および熱的に接続する電極となっている。各ビア内は熱伝導を高めるため、導電性もしくは絶縁性などの充填材料１１０で埋められている。充填材料１１０に導電性材料を用いた場合には導電性も高められる。このビア内への充填材料１１０の材料と金属膜１０６を適当に変えることで、例えばコンデンサとしての機能を付加することも可能である。

封止樹脂１０５には、基板１０３の下面に形成された配線電極１０４へ到達するようにビアが形成されている。このビアを覆うように金属膜１０６が形成されており、各ビア内は熱伝導を高めるため、導電性もしくは絶縁性などの充填材料１１０で埋められている。

基板１０３の上面に形成された配線電極１０４の上には、コンデンサ、抵抗、インダクタおよびフィルタ等の受動素子および／または能動素子であるチップ部品１０８が実装されている。チップ部品１０８を覆うように封止樹脂１０５が基板１０３の上面に形成されている。

図１ではチップ部品１０８を搭載した例を示しているが、例えば薄膜素子、印刷による機能素子、半導体チップなどであってもよい。

このように構成された半導体装置１００は、以下のようにして製造される。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、基板１０３の両面に配線電極１０４を形成する。そして図２（ｂ）に示すように基板１０３の下面に形成された配線電極１０４の上に、半導体チップ１０２を、その能動領域が基板３に対向する状態にして突起電極１０７を介して配線電極１０４に接続する。突起電極１０７としては、例えば半田、金などの金属バンプが利用できる。このとき、必要であれば基板１０３の上面に形成された配線電極１０４の上にチップ部品１０８を実装しても良い。これにより、例えば半導体チップ１０２のバイアス回路に用いるバイパスコンデンサ、高周波回路ブロックの整合用素子またはフィルタを実装した半導体装置が実現できる。

次に図２（ｃ）に示すように、基板１０３の上下両面もしくは下面を封止樹脂１０５によって封止する。樹脂封止の方法としては、例えばシート状の樹脂を、熱プレスにより硬化形成する工法が挙げられる。特に、基板１０３の上下両面を一括して樹脂封止するような場合に、シート状樹脂を基板１０３の両面から一括熱プレスすることにより、基板１０３の反りが抑制できる。また、この樹脂封止の際にＰＰＳ等のフィルムや凸型の型枠等を利用して加熱加圧する方法を行えば、半導体チップ１０２の下面のみ封止樹脂の量を減らす等の効果が得られ、後述の工程での簡素化とコスト削減が図れる。

次に図２（ｄ）に示すように、封止樹脂１０５内にある半導体チップ１０２と封止樹脂１０５の下面との間と、基板１０３の下面に形成された配線電極１０４と封止樹脂１０５の下面との間に、例えばレーザー等によってビア１０９を形成する。

最後に、図１に示すように、ビア１０９内に、半導体チップ１０２の下面と電気的および熱的に接続するための金属膜１０６と、基板１０３を電気的および熱的に接続するための金属膜１０６とをメッキ処理等により形成し、金属膜１０６が形成されたビア１０９内に導電性もしくは絶縁性の充填材料１１０を充填する。

以上のように本実施の形態によれば、半導体チップ１０２において発生した熱を半導体チップ１０２の下面から放熱するために、封止樹脂１０５に形成されたビア１０９に金属膜１０６と充填材料１１０によって構成される放熱手段が設けられている。このため、基板１０３の配線の自由度を確保しながら、半導体チップ１０２において発生した熱を半導体チップ１０２から直接放熱することができる。

図３は、本実施の形態に係る他の半導体装置１０１の構成を示す断面図である。図１を参照して前述した半導体装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

前述した半導体装置１００と異なる点は、金属膜１０６と充填材料１１０との替わりに導電性樹脂１１２が形成されている点である。導電性樹脂１１２は、各ビアを覆うように形成されている。

このように構成された半導体装置１０１は、図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して前述した工程と同様にして製造した後、半導体装置１００の金属膜１０６と導電性もしくは絶縁性の充填材料１１０によって構成される電極の替わりに、該箇所に導電性樹脂１１２をパターン印刷等によって形成し、電気的熱的接続手段とすることによって製造することができる。この方法による利点は、電極形成とビア埋めを一括でできるので、工程数を削減することができることである。

図４は、本実施の形態に係るさらに他の半導体装置２００の構成を示す断面図である。図１を参照して前述した半導体装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

前述した半導体装置１００と異なる点は、半導体チップ１０２の下面の全体が露出するように１個のビアが形成されており、このビアを覆うように、半導体チップ１０２の下面を電気的、熱的に接続するための金属膜２０６が形成され、導電性もしくは絶縁性の充填材料２１０が金属膜２０６の上に形成されている点である。

このように構成された半導体装置２００は、以下のようにして製造される。図５（ａ）〜図５（ｄ）は、半導体装置２００の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

まず図５（ａ）に示すように、基板１０３の両面に配線電極１０４を形成する。そして図５（ｂ）に示すように、半導体チップ１０２を、その能動領域を上にして、突起電極１０７を介して基板１０３の下面に形成された配線電極１０４の上に接続する。次に、基板１０３の上面に形成された配線電極２０４の上に、前記半導体装置１００の構造で説明したのと同様にして、チップ部品１０８等を搭載する。

その後図５（ｃ）に示すように、基板２０３の上下両面もしくは下面を封止樹脂１０５によって封止する。そして、図５（ｄ）に示すように、封止樹脂１０５内にある半導体チップ１０２と封止樹脂１０５の下面との間と、基板１０３に形成された配線電極１０４と封止樹脂１０５の下面との間とに、ビア２０９を形成する。半導体チップ１０２と封止樹脂１０５の下面との間の封止樹脂は全て取り除かれたビア構造になっている。

そして図４に示すように、ビア２０９を覆うように、半導体チップ１０２の下面と電気的および熱的に接続するための金属膜２０６と、基板１０３を電気的および熱的に外部と接続するための金属膜２０６とを形成する。次に、金属膜２０６が形成されたビア２０９内に導電性もしくは絶縁性の充填材料２１０を充填する。

図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す半導体装置の製造方法は、図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して前述した手順のビア形成工程において、特に半導体チップ１０２の下面側の封止樹脂を略全て取り除いたものである。この樹脂を取り除く方法としては、あらかじめ半導体チップ１０２下面に金属膜等をコーティングしておき、樹脂との界面で離れやすくしておいたり、溶解しやすいような封止樹脂の選択により、エッチング処理等を用いて樹脂だけを溶解させる方法が考えられる。

このような製造方法や構造にすることにより、半導体チップがより薄くなってしまった場合や、半導体チップと同一平面内に厚みの異なる部品が混在するような状況でも対応可能になる。

図６は、本実施の形態に係るさらに他の半導体装置２０１の構成を示す断面図である。図４を参照して前述した半導体装置２００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

前述した半導体装置２００と異なる点は、金属膜２０６と導電性もしくは絶縁性の充填材料２１０との替わりに、該箇所を導電性材料２１２のみによって構成している点である。

このように構成された半導体装置２０１は、図５（ａ）〜図５（ｄ）を参照して前述した工程と同様にして製造した後、半導体装置２００の金属膜２０６と充填材料２１０との替わりに、該箇所に導電性樹脂２１２をパターン印刷等によって形成し、電気的熱的接続手段とすることによって製造することができる。

図４および図６に示した構成により、半導体チップ１０２において発生した熱を、半導体チップ１０２の下面を介して外部に放熱することができるので、放熱効率のよい半導体装置を実現することができる。

図７は、本実施の形態に係る半導体装置の実装体３００の構成を示す断面図である。図１を参照して前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

半導体装置の実装体３００は、マザー基板３１１を備えている。マザー基板３１１の表面には、配線電極３１２が形成されており、半導体装置１００に設けられた金属膜１０６が配線電極３１２に接続するように半導体装置１００が実装されている。

半導体装置１００では、ビア内の金属膜１０６が形成されていない空間に、導電性もしくは絶縁性の充填材料１１０を埋設しているが、これは図７に示すように、マザー基板３１１に半導体装置１００を実装する際に、半田等の接続材料がビア内の金属膜１０６が施されていない空間に流れ込み、半導体装置１００側の金属膜１０６電極とマザー基板３１１の配線電極３１２との接続が不十分となることを防止するためである。

図７に示す半導体装置の実装体３００の構成によれば、熱源となる半導体チップからより直接的にマザー基板等へ放熱させる事が出来る上、より薄型な構造の半導体装置が得られる。さらにビアを埋める材料を変えることでその他の効果を付加する事が出来る。

本発明は、携帯電話などの無線通信機器および情報処理機器に用いられる半導体装置とその実装体および製造方法に適用することができる。

実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本実施の形態に係る他の半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施の形態に係るさらに他の半導体装置の構成を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係るさらに他の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本実施の形態に係るさらに他の半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施の形態に係る半導体装置の実装体の構成を示す断面図である。 従来の半導体装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０２ 半導体チップ
１０３ 基板
１０４ 配線電極
１０５ 封止樹脂
１０６ 金属膜
１０８ チップ部品
１０９ ビア
１１０ 充填材料
１１２ 導電性樹脂

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板の下面に能動領域が対向するように実装された半導体チップと、
   前記半導体チップを覆うように形成された封止樹脂と、
   前記半導体チップの前記基板の反対側に形成された下面へ到達するように前記封止樹脂に形成された少なくとも１個のビアと、
   前記半導体チップにおいて発生した熱を前記半導体チップの前記下面から放熱するために形成された放熱手段とを具備することを特徴とする半導体装置。
2. 前記放熱手段は、前記ビアを覆うように形成された金属膜と、
   前記ビア内の前記金属膜に設けられた電極とを含んでいる、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記放熱手段は、前記ビアを覆うように形成された導電性樹脂を含んでいる、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記基板の上面に実装された電子部品をさらに具備する、請求項１記載の半導体装置。
5. 前記電子部品は、受動素子と能動素子との少なくとも一方を含んでいる、請求項４記載の半導体装置。
6. 前記受動素子は、コンデンサ、インダクタ、抵抗およびフィルタから選択される少なくとも１つを含んでいる、請求項５記載の半導体装置。
7. 前記封止樹脂によって覆われるように前記基板の下面に実装された電子部品をさらに含む、請求項１記載の半導体装置。
8. 前記電子部品は、受動素子と能動素子との少なくとも一方を含んでおり、
   前記受動素子は、コンデンサ、インダクタ、抵抗およびフィルタから選択される少なくとも１つを含んでいる、請求項７記載の半導体装置。
9. 前記ビアは、複数個のビアである、請求項１記載の半導体装置。
10. 前記ビアは、前記半導体チップの下面の全体が露出するように形成された１個のビアである、請求項１記載の半導体装置。
11. 放熱設計されたマザー基板と、
    請求項２記載の半導体装置に設けられた前記電極に対応するように前記マザー基板の上に形成された配線パターンと、
    前記配線パターンと前記電極とが接続するように前記マザー基板に実装された請求項２記載の半導体装置とを具備することを特徴とする半導体装置の実装体。
12. 基板の下面に能動領域が対向するように半導体チップを実装する工程と、
    前記半導体チップを覆うように封止樹脂を形成する工程と、
    前記半導体チップの前記基板の反対側に形成された下面へ到達するように少なくとも１個のビアを前記封止樹脂に形成する工程と、
    前記半導体チップにおいて発生した熱を前記半導体チップの前記下面から放熱するために放熱手段を形成する工程とを包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 前記放熱手段を形成する工程は、前記ビアを覆うように金属膜を形成する工程と、
    前記ビア内の前記金属膜に電極を設ける工程とを含んでいる、請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記放熱手段を形成する工程は、前記ビアを覆うように導電性樹脂を形成する工程を含んでいる、請求項１２記載の半導体装置。
15. 前記少なくとも１個のビアを前記封止樹脂に形成する工程は、レーザ加工によって前記ビアを前記封止樹脂に形成する、請求項１２記載の半導体装置。
16. 前記封止樹脂を形成する工程は、フィルム加圧によって前記封止樹脂を形成する、請求項１２記載の半導体装置。

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