JP2005183706A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線基板、半導体素子を金属製のベース上に搭載実装してなる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device formed by mounting and mounting a wiring board and a semiconductor element on a metal base.
ミリ波乃至マイクロ波帯の高周波領域で使用される半導体素子、例えば、バイポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタ(FET)等を実装する場合、単に半導体素子を接続しても、安定な電気的接続が必ずしも保証されているわけではない。また、FETを超高周波で動作させる場合は、必然的に動作電流を大きくしなければならず、発熱も大きくなり、実装面においては発熱対策も重要になってくる。 When a semiconductor element used in a high frequency region of the millimeter wave to microwave band, for example, a bipolar transistor, a field effect transistor (FET) or the like is mounted, a stable electrical connection is not necessarily achieved even if the semiconductor element is simply connected. It is not guaranteed. In addition, when the FET is operated at an ultra-high frequency, the operating current must be increased inevitably, the heat generation becomes large, and a countermeasure against heat generation becomes important on the mounting surface.
従来、半導体素子(以下、半導体チップという)を熱伝導性及び導電性のよい搭載部材を介して金属製のベース部材に搭載するとともに、配線用の配線基板をベース部材に搭載してなる半導体装置が知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。図4(A)は特許文献1に開示の半導体装置の概略を説明する図、図4(B)は特許文献2に開示の半導体装置の概略を説明する図である。図中、1は半導体装置、2は配線基板、3は半導体チップ、4は搭載部材、4aはチップ搭載面、4bは土台部、4cはチップ搭載部、5はベース部材、6は穴、7は開孔、8はボンディングワイヤ、9は導電性接着剤、10は溝を示す。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device in which a semiconductor element (hereinafter referred to as a semiconductor chip) is mounted on a metal base member via a mounting member having good thermal conductivity and conductivity, and a wiring board for wiring is mounted on the base member. Is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). 4A is a diagram for explaining the outline of the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, and FIG. 4B is a diagram for explaining the outline of the semiconductor device disclosed in
図4(A)において、半導体チップ3を搭載する搭載部材4は、熱伝導性及び導電性のよい銅などの金属から構成され、その表面に金メッキが施されている。搭載部材4の側面とベース部材5の穴6の内壁面とは同一形状で、搭載部材4はベース部材5に圧入により嵌め込まれる。ベース部材5の穴6の内壁面と搭載部材4の側面とは、密接して摩擦作用により接合されるので、締り嵌めの関係でベース部材5に対して確実に固定され、搭載部材4とベース部材5との間の熱抵抗を低減させることができるとされている。また、搭載部材4の側面とベース部材5の穴6は、角がない長円形状で形成することにより、密接度を一層高めることができ、ベース部材5に対する搭載部材4の固定を一層確実にすることができるともされている。
In FIG. 4A, the
搭載部材4の下面はベース部材5の下面とは面一にされ、搭載部材4の上面のチップ搭載面4aは、配線基板2を搭載するためのベース部材5の上面から所定高さで突出し、配線基板2の上面と実質的に同じ高さになるように設定されている。配線基板2は、ベース部材5とほぼ同形の大きさの板状で、上面に配線導体が形成されており、ボンディングワイヤ8を介して半導体チップ3に信号伝送のための電気的接続が行なわれる。この配線基板2は、開孔7に搭載部材4を挿通させた状態で、ベース部材5の上面に搭載され、導電性接着剤9により接着固定される。配線基板2とベース部材5とを半田付けでなく導電性接着剤9により接着されているため、半田付に伴うフラックスの塗布や洗浄工程が不要となり、製造工程の簡略化が可能となるとされている。
The lower surface of the
半導体チップ3は、例えば、半導体基板上にゲート領域、ソース領域及びドレイン領域を形成したFETなどの半導体素子である。この半導体チップ3は、搭載部材4のチップ搭載面4aに載置され、金錫合金(AuSn)により半田付されている。チップ搭載面4aには溝10が設けられていて、半田付した際に、余分な半田材は溝10に流れ込んで、半田材がチップ搭載面4aの全面に広がるのを抑制している。この結果、半田材の影響を受けることなくワイヤボンディングを施すことが可能となって電気的な接続をより確実なものとすることができるとされている。
The semiconductor chip 3 is a semiconductor element such as an FET in which a gate region, a source region, and a drain region are formed on a semiconductor substrate. The semiconductor chip 3 is placed on the
図4(B)は、図4(A)の搭載部材4が、チップ搭載部4cと土台部4bとで構成されている点で異なる例である。土台部4bの高さは、ベース部材5の厚さと同じになるように設定され、土台部4bの外形は配線基板2の開孔7より大きくされている。ベース部材5の穴6は、土台部4bが図4(A)の場合と同様に圧入により嵌め込まれて、密接固定するように形成されている。また、搭載部材4の土台部4bとベース部材5の穴6は、角がない長円形状で形成することにより、密接度を高めるようにもしている。
FIG. 4B is an example different in that the
配線基板2は、導電性接着剤9によりベース部材5上に接着固定される。導電性接着剤9は、ベース部材5上のみならず、搭載部材4の土台部4bの上面まで塗布され、搭載部材4、ベース部材5及び配線基板2の裏面が電気的に導通されている。これにより、土台部4bとベース部材5の摩擦接触による抵抗値にバラツキがあっても、電気的に安定した導通を図ることができ、高周波に対して安定した特性を得ることができるとされている。
図4(A)及び図4(B)のいずれの構成においても、搭載部材4とベース部材5は、圧入による嵌め込みで電気的な導通と機械的な固定が形成されている。しかしながら、良好な電気的な導通と機械的な固定を得るには、搭載部材4の嵌入部分(図4(B)においては土台部4bの部分)とベース部材5の穴6が高精度で形成されていることが必要である。このため、高精度の機械加工と組立てを必要とし、コスト的には不利となっている。また、図4(B)のように、搭載部材4とベース部材5を導電性接着剤9により導通させるとしても、導電性接着剤9は、金属導体と比べて導電率が必ずしもよいとは言えず、低抵抗接続に対しても十分ではない。
4A and 4B, the
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、半導体チップの搭載部材とベース部材とが、極めて安価な一体構造で一部材で形成され、且つ、電気的にも金属の有する抵抗のみの低抵抗値で導通された構成の半導体装置の提供を課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the mounting member and the base member of the semiconductor chip are formed as a single member with an extremely inexpensive integrated structure, and only the resistance of the metal electrically is also included. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a structure in which conduction is low.
本発明による半導体装置は、配線が形成された配線基板と、配線に電気的に接続される半導体チップと、配線基板と半導体チップが搭載される金属製のベース部材とを備えた半導体装置であって、半導体チップの搭載領域部は、配線基板の搭載面側に突き出るようにベース部材と一体に一部材で形成される。また、半導体チップの搭載領域部は、ベース部材をプレス成形して形成される。また、半導体チップの搭載領域部の搭載面には、半導体チップの搭載位置を示す溝が設けられる。さらに、半導体チップの搭載領域部は、角部が円弧状に形成されている。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a wiring board on which wiring is formed, a semiconductor chip electrically connected to the wiring, and a metal base member on which the wiring board and the semiconductor chip are mounted. Thus, the semiconductor chip mounting area is integrally formed with the base member so as to protrude toward the mounting surface of the wiring board. The semiconductor chip mounting area is formed by press-molding the base member. Further, a groove indicating the mounting position of the semiconductor chip is provided on the mounting surface of the mounting area portion of the semiconductor chip. Further, the corner area of the semiconductor chip mounting area is formed in an arc shape.
本発明の構成によれば、半導体チップの搭載領域部は金属製のベース部材と機械的な結合がない一体構造に一部材で形成されるため、結合のための機械加工や嵌め込み作業がなく、極めて安価に製造することができる。また、半導体チップの搭載領域部とベース部材は、一体構造で一部材であるため、導通抵抗が低く高周波に対する電気的特性の安定したものとすることができる。 According to the configuration of the present invention, the mounting region portion of the semiconductor chip is formed as a single member in an integrated structure that is not mechanically coupled to the metal base member, so there is no machining or fitting work for coupling, It can be manufactured at a very low cost. In addition, since the semiconductor chip mounting area and the base member are an integral structure and a single member, the conduction resistance is low and the electrical characteristics with respect to high frequencies can be stabilized.
図により本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明による半導体装置の概略を説明する図、図2(A)は半導体チップ搭載部の第1の実施形態を示す図、図2(B)は半導体チップ搭載部の第2の実施形態を示す図である。図中、11は半導体装置、12は配線基板、13は半導体チップ、14はチップ搭載部、14aはチップ搭載面、15はベース部材、16は凹部、17は開孔、18はボンディングワイヤ、19は半田材、20は溝、21はカバー、22は配線導体、23は回路素子、24は端子、25はポッティング樹脂を示す。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of a semiconductor device according to the present invention, FIG. 2 (A) is a diagram showing a first embodiment of a semiconductor chip mounting portion, and FIG. 2 (B) is a second embodiment of a semiconductor chip mounting portion. It is a figure which shows a form. In the figure, 11 is a semiconductor device, 12 is a wiring board, 13 is a semiconductor chip, 14 is a chip mounting portion, 14a is a chip mounting surface, 15 is a base member, 16 is a recess, 17 is an opening, 18 is a bonding wire, 19 Is a solder material, 20 is a groove, 21 is a cover, 22 is a wiring conductor, 23 is a circuit element, 24 is a terminal, and 25 is a potting resin.
本発明による半導体装置11は、図1に示すように配線基板12とこれに接続される半導体チップ13と、これらを搭載するベース部材15を備えている。これをカバー21により全体を覆い、外部接続用の端子24等を接続し、通常ハイブリット集積回路モジュールとも言われている半導体装置である。また、発熱のある半導体チップ13等に対しては導熱性の部材を用いてベース部材15を通して放熱が行なわれるように構成される。更に、必要に応じて、モジュール全体は、放熱フィンを備えた放熱器等に搭載して使用される。
As shown in FIG. 1, the
配線基板12は、エポキシ樹脂等の樹脂材料で多層に形成され基板上に、所定のパターンで配線導体22を形成し、例えば、コンデンサ、抵抗、インダクタ等の複数の回路素子23等を、別工程で予め300℃程度で溶融するソルダリングにより搭載しておく。また、発熱のある半導体チップ等を搭載する部分には、開孔17が設けられている。この配線基板12には、外部回路への接続ための端子24が接続され、また、必要に応じてスルホールを設けて基板下面側に接地接続のための導体が形成されている。
The
ベース部材15は、銅などの熱伝導性のよい金属板から形成され、配線基板12を搭載し得る形状の外形を有し、両端に取付け部15aを設け、表面にニッケルメッキ等を施して外装ケースの底板としての機能を備えている。このベース部材15は、例えば、幅20mm、長さ50mmで厚さ2.0mmの銅板を、プレス加工等で所望の位置に半導体チップ13の搭載領域部(以下、チップ搭載部という)14が突き出るように加工する。例えば、このプレス加工でチップ搭載部14の厚さを元の厚さの2.0mmとし、他の部分を1.2mm程度の薄さになるようにプレスする。これにより、チップ搭載部14は、接合のための機械加工や嵌め込みを行なうことなく、ベース部材15と一体に一部材で形成される。なお、取付け部15a、或いは、カバー21との結合用耳片等の形状、構造については任意であって、また、これらの加工形態も本発明の範囲外で、任意な形態で実施することができる。
The
チップ搭載部14の上面のチップ搭載面14aは、平坦度が要求されることから0.2mm程度研磨して、表面を平坦にする。この結果、厚さ1.8mmとなり、他の平面部から0.6mm程度突き出たチップ搭載部14が形成される。また、チップ搭載面14aには、半導体チップ13を半田付けする際の搭載位置を示すマークとして、例えば、コ字状の溝20を形成しておく。この溝20は、刻印用の治具やポンチを用いて簡単に形成することができ、前記したコ字状以外にロ字状、U字状、単なるバー状などであってもよく、また、プレス加工の前に形成しておいてもよく、後であってもよいものである。
Since the
ベース部材15は、プレス加工の後、全体を洗浄し全面にNiメッキを施し、更に全面にAuメッキを施すのが好ましい。しかし、本発明では、チップ搭載面14a、或いは、ベース部材15の裏面を除く上面側全体というように、限定的にAuメッキすることを排除するものではない。チップ搭載部14は、ベース部材15を機械的或いは化学的にエッチングすることによっても形成することができる。この場合、比較的精度のよいものを作製することができるが、時間がかかる上にコスト的に高いものとなる。この点、プレス加工によるものは、精度が落ちるが、比較的安価で生産性がよい。
It is preferable that the
Auメッキが施されたチップ搭載面14a上には、FET等の半導体チップ13がダイボンディングされる。ダイボンディングに際しては、チップ搭載面14a上にAuSnの半田粒を載せてベース部材15の温度を300℃に昇温し、半田粒を溶融して薄く展延させておき、その上に半導体チップ13を搭載する。半導体チップ13側の裏面にもAuメッキが施されているので、ベース部材15上のAuメッキ層、AuSn半田層、半導体チップ13の裏面のAuメッキが融合してダイボンディングされる。このとき、コ字状の溝20をマークとして、その内側に半導体チップ13をダイボンディングする。これにより、融けたAuSn半田は、コ字状の溝20の外には流れ出ないようにすることができる。
A
チップ搭載部14に半導体チップ13が搭載された後、図2(A)の第1の実施形態で示すように、ベース部材15上に配線基板12を搭載する。ベース部材15の上面にプレス加工等に突き出るように形成されたチップ搭載部14は、配線基板12の開孔17と一致するように設けられていて、これにより配線基板12との位置合わせができる。チップ搭載面14a上にダイボンディングされた半導体チップ13は、配線基板12の上面に露出する。なお、チップ搭載面14aの位置が、配線基板12の面と同じである必要はなく、多少上下していても後に説明するワイヤボンディングの作業に支障をきたさない範囲であればよい。
After the
ベース部材15には、チップ搭載部14等の突き出る部分以外の部分に、溶融温度が比較的低い220℃位の半田シートを搭載しておき、ベース部材15全体を220℃程度に昇温して溶融し、搭載された配線基板12の下面側に形成された導体と電気的並びに機械的に接続して一体化する。ベース部材15の全面に金メッキが施されていると、フラックスを使うことなく半田材19で配線基板12との接合が容易に行なうことが可能となる。
On the
配線基板12に予め搭載されている回路素子23は、300℃程度の溶融温度が高いソルダリングで搭載しておくことにより、上述の半田シートの溶融接着による影響はない。しかし、配線基板12をベース部材15に搭載するのに、使用される周波数帯域、配線基板12の配線導体の接地抵抗が特性的に許容される範囲においては、特許文献1又は2で開示の導電性接着剤を用いることもできる。
The
ベース部材15と一体に形成したチップ搭載部14上に搭載された半導体チップ13と、配線基板12上の配線導体22或いは導電パッドとは、ボンディングワイヤ18により接続される。この場合、配線基板12を搭載したベース部材15全体を150℃程度に昇温させ、Auワイヤーを用いたボールボンディングを行なう。なお、半導体チップ13がFETである場合、接地電位に接続される端子(通常はソース端子)は、チップ搭載部14のチップ搭載面14aに直接ボンディングされる。このため、上述したように、刻印等の方法によりコ字状に形成された位置決め用の溝20を利用して、半導体チップ13を接着固定するAuSn半田がチップ搭載面14aの所定領域から展延しないようにするのが望ましい。
The
また、半導体チップ13は、例えば、ペア状態で搭載されることがある。この場合、半導体チップ13の電極等が周囲環境に晒されるため半導体チップ表面を保護する必要がある。このため、ワイヤボンディング後にシリコン系のポッティング樹脂25等で封止する。この工程を通常、ポッティングと言っている。ポッティングは、半導体チップ13の表面のみならず、チップ搭載面14a及び配線基板12上のワイヤボンディングされた個所の全体を覆うように行なわれる。これにより、ポッティング樹脂25は、半導体チップ表面の保護だけでなく、ボンディングワイヤ18の機械的保護も兼ねることができる。
The
次に、図2(B)により、第2の実施形態を説明する。図2(A)では、チップ搭載部14のような突き出る部分以外をプレス等で薄くすることで、結果的に凸部を形成(プレス加工分野で、フルピアス型とも言う)している。これに対し、図2(B)では、裏面側を押し出して表面側に凸部を形成する(プレス加工分野で、ハーフピアス型とも言う)例で、ベース部材15の厚みを厚くできる構成の例である。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 2 (A), a protruding portion is formed as a result by thinning a portion other than the protruding portion such as the
銅板を用いた熱抵抗特性についてシミュレーションしてみると、図3のような結果が得られる。すなわち、銅板の厚さが厚くなればなるほど熱抵抗は小さくなる(放熱特性がよくなる)ことを示している。しかし、銅板の厚みが2.0mm前後を越えると、熱抵抗の低下の度合いは小さくなる。すなわち、銅板の厚みを2.0mmより厚くしても、その厚くした効果が次第に希薄になってくる。図3からは、銅板の厚さが2.0mmのときの熱抵抗が3.35℃/W程度であるのに対し、銅板の厚さが1.2mmの場合は3.4℃/W程度に上昇する。 When a simulation is performed on the thermal resistance characteristics using a copper plate, a result as shown in FIG. 3 is obtained. That is, as the thickness of the copper plate increases, the thermal resistance decreases (heat dissipation characteristics improve). However, when the thickness of the copper plate exceeds about 2.0 mm, the degree of decrease in thermal resistance becomes small. That is, even if the thickness of the copper plate is made thicker than 2.0 mm, the effect of increasing the thickness gradually diminishes. From FIG. 3, the thermal resistance when the thickness of the copper plate is 2.0 mm is about 3.35 ° C./W, whereas when the thickness of the copper plate is 1.2 mm, it is about 3.4 ° C./W. To rise.
半導体装置11の熱源がチップ搭載部14のような凸部である場合、図3の平板を想定して算出された熱抵抗とは多少異なる(差が少なくなる)ことが想定されるが、ベース部材15が厚い方が好ましいことは明らかである。したがって、同じ材料で同じ厚さのベース部材を用いるとすれば、チップ搭載部14をハーフピアス型で一体に形成することが好ましい。この場合、図2(A)の例と同程度の突き出し高さ(0.6mm)を得るには、平坦度確保のための0.2mmを削り分とすると、0.8mmの突き出しを行なうこととなる。
When the heat source of the
この場合、ベース部材15の裏面側に深さが0.8mmの凹部16が生じる。凹部16が生じることにより、放熱器の熱伝導面で0.8mmの空隙が生じ、熱抵抗を増加させる結果となる。しかし、凹部16内にサーマルオイル(グリス等)を介在させることにより、実質上、これによる熱抵抗増加は抑制することができる。また、その他の面は、放熱器と密接に接触され、また、ベース部材15の厚みが減じられていない分だけ、放熱器との間の熱抵抗が小さく放熱特性を向上させることができる。
In this case, a recess 16 having a depth of 0.8 mm is formed on the back side of the
図2(B)のハーフピアス型と図2(A)のフルピアス型では、ベース部材15とチップ搭載部14の一体形成方法が異なるだけで、他の構成については両者同じあるので、その他の構成については説明を省略する。なお、フルピアス型及びハーフピアス型のいずれの場合も、チップ搭載部14は、角部が円弧状に形成されていることが好ましい。このため、平面形状として、楕円状、長円状、卵状というようなものになるが、角部が円弧状となっている限り、特に形状を限定するものではない。
The half piercing type in FIG. 2B and the full piercing type in FIG. 2A are the same except for the method of integrally forming the
チップ搭載部14の角部を円弧状とすることにより、プレス加工時に角部における応力集中を緩和することができる。この結果、チップ搭載部14のチップ搭載面14aの平坦度確保のための調整厚さは、0.2mm程度とすることができる。
By making the corner portion of the
11…半導体装置、12…配線基板、13…半導体チップ、14…チップ搭載部、14a…チップ搭載面、15…ベース部材、16…凹部、17…開孔、18…ボンディングワイヤ、19…半田材、20…溝、21…カバー、22…配線導体、23…回路素子、24…端子、25…ポッティング樹脂。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体チップの搭載領域部は、前記配線基板の搭載面側に突き出るように前記ベース部材と一体に形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising: a wiring board on which wiring is formed; a semiconductor chip electrically connected to the wiring; and a metal base member on which the wiring board and the semiconductor chip are mounted,
The semiconductor device is characterized in that the mounting area portion of the semiconductor chip is formed integrally with the base member so as to protrude to the mounting surface side of the wiring board.
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