JP2006165043A

JP2006165043A - 回路基板及び半導体装置

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Publication number: JP2006165043A
Application number: JP2004349984A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Kudo; 英弘工藤; Kyoichi Kinoshita; 恭一木下; Katsuaki Tanaka; 勝章田中; Tomohei Sugiyama; 知平杉山; Eiji Kono; 栄次河野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】応力緩和材を用いなくても配線層の表面上に搭載された半導体素子との間に発生する熱応力を緩和することができる回路基板を提供する。
【解決手段】金属からなる基板１の表面上に絶縁樹脂層２が形成され、絶縁樹脂層２の表面上に、基板１を形成する金属の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する金属からなる配線層６が形成される。配線層６を構成する金属の熱膨張係数が低いほど、また配線層６が厚いほど、配線層６の表面における熱膨張係数が低くなる。配線層６の表面における熱膨張係数が、配線層６の表面上に搭載される半導体素子の熱膨張係数に近い値となるように、配線層６を構成する金属の熱膨張係数と配線層６の厚さを選択する。
【選択図】図１

Description

この発明は、回路基板に係り、特に半導体素子が搭載される回路基板に関する。
また、この発明は、このような回路基板を用いた半導体装置にも関している。

例えば特許文献１に示されている従来の半導体装置の構成を図４に示す。Ａｌから形成された基板１の表面上に絶縁層２及び配線層３を順次形成することによりＡｌ回路基板Ａが形成されている。そして、配線層３の上にはんだ４を介して半導体素子５が接合されている。
基板１は熱伝導率の優れたＡｌから形成されているため、半導体素子５で発生した熱は配線層３及び絶縁層２を経て基板１へ伝わった後、この基板１から効率よく外部へ放散される。

特開平６−３１０８２５号公報

ところで、半導体素子５に使用されているＳｉ等の半導体材料の熱膨張係数に比べて、基板１を形成するＡｌはかなり大きな熱膨張係数を有しており、このため温度変化に対してＡｌ回路基板Ａと半導体素子５との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、半導体素子５に反りが発生したり、半導体素子５を接合するはんだ４に亀裂を生じるおそれがある。
このため、例えば自動車等、温度差が激しい環境で使用される半導体装置にあっては、半導体素子５とＡｌ回路基板Ａとの間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。

しかしながら、このような応力緩和材の組み付けは、半導体装置の部品点数を増加して複雑化するだけでなく、半導体装置全体の熱抵抗が増加するという問題を引き起こしてしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、応力緩和材を用いなくても配線層の表面上に搭載された半導体素子との間に発生する熱応力を緩和することができる回路基板を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような回路基板を用いて熱応力を緩和した半導体装置を提供することも目的としている。

この発明に係る回路基板は、金属からなる基板と、基板の表面上に形成された絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の表面上に形成された配線層とを備えており、配線層が、基板を形成する金属の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する金属から形成されたものである。
なお、基板を形成する金属として銅またはアルミニウムを用い、配線層を形成する金属としてインバー、モリブデン及びタングステンのうちのいずれかを用いることができる。
また、この発明に係る半導体装置は、上記の回路基板の配線層の表面上に半導体素子を搭載したものである。

この発明によれば、応力緩和材を用いなくても配線層の表面上に搭載された半導体素子との間に発生する熱応力を緩和することが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態に係る回路基板Ｂの構成を図１に示す。金属からなる基板１の表面上に絶縁樹脂層２が形成され、この絶縁樹脂層２の上に配線層６が形成されている。配線層６の材料としては、基板１を形成する金属の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する金属が使用される。

ここで、熱膨張係数１７．７×１０^−６／Ｋの銅からなる厚さ４．０ｍｍの基板１の表面上にエポキシ樹脂からなる厚さ１２０μｍの絶縁樹脂層２を形成し、さらに絶縁樹脂層２の表面上にＮｉ含有率３６％のインバー−３６からなる厚さ１０５μｍの配線層６を形成した。なお、インバー−３６の熱膨張係数は、１．２×１０^−６／Ｋである。配線層６の表面における熱膨張係数を測定したところ、銅の熱膨張係数１７．７×１０^−６／Ｋより低い１５．９×１０^−６／Ｋを示した。

また、同じく熱膨張係数１７．７×１０^−６／Ｋの銅からなる厚さ４．０ｍｍの基板１の表面上にエポキシ樹脂からなる厚さ１２０μｍの絶縁樹脂層２を形成し、この絶縁樹脂層２の表面上に形成される配線層６を構成する金属の熱膨張係数と配線層６の厚さとを種々変化させた場合の配線層６の表面における熱膨張係数を算出したところ、図２に示されるような結果が得られた。図２において、Ｃ１〜Ｃ９は、それぞれ配線層６の厚さを３５μｍ、７０μｍ、１０５μｍ、１４０μｍ、１７５μｍ、２１０μｍ、２４５μｍ、３００μｍ及び３５０μｍとした場合の配線層６を構成する金属の熱膨張係数と配線層６の表面における熱膨張係数との関係を表している。

図２から、配線層６を構成する金属の熱膨張係数が低いほど、また配線層６が厚いほど、配線層６の表面における熱膨張係数が低くなることがわかる。したがって、配線層６を構成する金属の熱膨張係数と配線層６の厚さを選択することにより、配線層６の表面における熱膨張係数を調整して任意の値にすることができる。

この実施の形態の回路基板Ｂは、図４に示した従来の回路基板Ａと同様の製造方法によって製造することができる。すなわち、配線層６となる金属フィルムと絶縁樹脂層２となる樹脂フィルムとをロール加工やプレス加工により接合し、さらにこの接合フィルムをプレス加工により基板１の表面上に接合することにより回路基板Ｂが製造される。あるいは、配線層６となる金属フィルムと絶縁樹脂層２となる樹脂フィルムと基板１とを同時にプレス加工して回路基板Ｂを製造することもできる。
従って、既存の製造ラインを使用することができ、低コストで大量生産することが可能となる。

この実施の形態の回路基板Ｂを用いて製造された半導体装置を図３に示す。回路基板Ｂの配線層６の表面上にはんだ４を介して半導体素子５が接合されている。
このような半導体装置に用いられる半導体素子５としては各種の素子があるが、例えばチップ抵抗は７×１０^−６／Ｋ程度の、チップコンデンサは１０×１０^−６／Ｋ程度の、Ｓｉ半導体回路チップは２．６×１０^−６／Ｋ程度の熱膨張係数をそれぞれ有している。そこで、配線層６の表面における熱膨張係数が、搭載される半導体素子５の熱膨張係数に近い値となるように配線層６を構成する金属の熱膨張係数と配線層６の厚さを選択して回路基板Ｂを製造し、この回路基板Ｂの配線層６の表面上に半導体素子５を搭載する。

これにより、半導体素子５と回路基板Ｂとの間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けなくても、温度変化に対して回路基板Ｂと半導体素子５との間に大きな熱応力が発生することを防止することができる。従って、自動車等の温度差が激しい環境で用いても、半導体素子５に反りが発生したり、はんだ４に亀裂が生じる虞がなく、信頼性が高く且つ長寿命の半導体装置が実現される。また、ヒートスプレッダを用いないため、部品点数が減少し、半導体装置構造が簡素となり、組み付け工数やコスト低減といった効果ももたらされる。

なお、基板１としては、半導体素子５で発生した熱を効率よく放出するために熱伝導率の優れた金属が好ましく、銅のほか、アルミニウムを使用することもできる。

また、配線層６を構成する金属としては、上述した熱膨張係数１．２×１０^−６／Ｋのインバー−３６のほか、図２に示されるように、熱膨張係数４．５×１０^−６／Ｋのタングステン、熱膨張係数５．１×１０^−６／Ｋのモリブデン、熱膨張係数４．５〜６．０×１０^−６／Ｋ程度のインバー−４２等を用いることができる。また、タングステンやモリブデンを含んだ合金、例えば銅−タングステン合金や、銅−モリブデン合金を用いてもよい。これらの金属は、いずれも基板１を構成する銅（熱膨張係数１７．７×１０^−６／Ｋ）やアルミニウム（熱膨張係数２３．５×１０^−６／Ｋ）より低い熱膨張係数を有しており、これらの金属で配線層６を形成することによって配線層６の表面における熱膨張係数を基板１の熱膨張係数より低くすることが可能となる。

さらに、絶縁樹脂層２の材料としては、エポキシ系樹脂のほか、フェノール系樹脂等、各種の樹脂を用いることができる。

この発明の実施の形態に係る回路基板の構成を示す断面図である。配線層を構成する金属の熱膨張係数と配線層の厚さとを種々変化させた場合の配線層の表面における熱膨張係数を示すグラフである。実施の形態に係る回路基板を用いた半導体装置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

１基板、２絶縁樹脂層、４はんだ、５半導体素子、６配線層、Ｂ回路基板。

Claims

金属からなる基板と、
前記基板の表面上に形成された絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層の表面上に形成されると共に前記基板を形成する金属の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する金属から形成された配線層と
を備えたことを特徴とする回路基板。
前記基板を形成する金属が銅またはアルミニウムからなり、
前記配線層を形成する金属がインバーからなる請求項１に記載の回路基板。
前記基板を形成する金属が銅またはアルミニウムからなり、
前記配線層を形成する金属がモリブデンまたはタングステンまたはそれらを含む合金からなる請求項１に記載の回路基板。
請求項１から３のいずれか一項に記載の回路基板と、
前記回路基板の配線層の表面上に搭載された半導体素子と
を備えたことを特徴とする半導体装置。