JP2006165383A

JP2006165383A - 半導体モジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006165383A
Application number: JP2004356834A
Authority: JP
Inventors: Tomio Yamada; 富男山田
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】半導体素子をフェイスダウン実装する半導体モジュールの放熱特性を向上させる。
【解決手段】基板の一方の面に半導体素子を実装し、基板を貫通する伝熱経路を介して前記半導体素子の発生する熱を基板の他方の面に伝熱する半導体モジュールにおいて、前記半導体素子は基板の一方の面にフェイスダウンで実装し、基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドを基板の一方の面に形成し、半導体素子の裏面とパッドとを伝熱部材によって熱的に接続する。またその製造方法において、前記基板には、基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドを基板の一方の面に形成し、前記半導体素子を基板の一方の面にフェイスダウンで実装する工程と、前記半導体素子の裏面と前記パッドとを伝熱部材によって熱的に接続する工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュール及びその製造方法に関し、特に、半導体モジュールの放熱特性の向上に適用して有効な技術に関するものである。

無線による移動体通信の端末機器いわゆる携帯電話では、カメラ機能の搭載等に見られる多機能化が進められており、今後更に多くの機能を携帯電話に内蔵することが予想される。

多機能化について具体的には、例えばＲＦ回路の半導体モジュールでは、欧州・北米を中心に世界的に主流になっているＧＳＭ(Global System for Mobile communications)方式の携帯電話端末では、９００ＭＨｚ帯や１８００ＭＨｚ帯等の複数の周波数帯が用いられており、携帯電話の汎用性の確保という観点から、特に端末の送受信系の回路、すなわちＲＦ回路モジュールについて、複数の周波数帯の信号を単一のモジュールで処理することが要請されている。

このため、こうした複数の周波数帯の信号を単一のモジュールで処理する所謂デュアルバンド対応のモジュールが一般的であるが、今後はさらに他の周波数帯にも対応できるトリプルバンド対応やトリプルバンドにデータ通信機能(ＥＤＧＥ:Enhanced Data rates for GSM Evolution)を付加したモジュールが市場では要求されている。

また、多機能化によって端末機の外形寸法が増大するのを防止するためには構成要素の小型化が必要であり、加えて多機能化によって部品点数が増加するのを回避するために、複数の機能をワンチップ化することが求められている。例えば、携帯電話端末機では、単一のアンテナを送信と受信とで共用するためにアンテナスイッチが設けられている。このアンテナスイッチ或いはフィルタ等をパワーアンプの半導体素子とワンチップにして、高周波出力増幅器モジュールに一体化することが進められている。

携帯電話の主要部分である通信回路を構成する高周波出力増幅器モジュールでは、従来は、セラミックス等を用いた多層基板のダイパッドに半導体素子の裏面を取り付け、最上層の導体層の端部であるボンディングパッドと半導体素子の接続端子とをボンディングワイヤによって接続している。多層基板のダイパッドは、半導体素子の発生した熱を放出するための伝熱経路となるサーマルビアと呼ばれる多層基板を貫通する複数のビア配線と直下に位置する中間の導体層とを介して、最下層の導体層である放熱板に接続されており、この放熱板から半導体モジュールが実装される基板へ放熱している。

前述した半導体モジュールの高機能化によって、半導体モジュールに搭載する半導体素子にはより多くの接続端子が必要となり、ボンディングワイヤを用いた半導体モジュールの構造では、接続端子数の増加に対応することができなくなっている。

このため、半導体素子の回路形成面に面状にバンプ電極を配置し、半導体素子の回路形成面を多層基板に対向させて、前記半導体素子をバンプ電極によって多層基板に接続するフェイスダウンで実装を行なう必要がある。加えて、こうしたバンプ電極による接続では、半導体素子の固定と電気的な接続とが同時に行なわれるので、工程数が減少し、ボンディングワイヤのインダクタンスがなくなるので高周波特性が向上するという利点もある。

しかしフェイスダウン実装では、半導体素子と多層基板との間の伝熱経路が、多層基板に接続されたバンプ電極となるために、半導体素子裏面の全面をダイパッドに接続して伝熱経路として用いていた従来の実装と比較して、伝熱経路が縮小することになり放熱特性の低下を招くことになる。

このため、下記特許文献１には半導体素子の裏面に熱伝導性材料を介してシールドキャップを備えたモジュールが開示され、下記特許文献２には半導体素子の裏面に放熱手段を設けたモジュールが開示されている
特開平１０−１２５８３０号公報特開２００２−１５８３１０号公報

しかし、携帯電話端末機では各種部品及び基板等によって筐体内部の空間の大部分が既に占められ残余の空間が少なくなっており、加えて内部に滞留する空気の移動が難しい等の空間的な問題から、半導体素子の裏面からモジュール外部に接続する放熱機構が機能し難いため、前記特許文献１，２に記載の方法では、放熱の効果があまり期待できない。

加えて、前記特許文献１に記載の方法では、シールドキャップと半導体素子との間隔を一定に保つ必要があり、半導体モジュールの組立に高い精度が求められるといった問題或いは半導体素子とシールドキャップとの接着に銀ペースト等を用いるためにベークに時間を要するといった問題がある。また前記特許文献２に記載の方法では、放熱手段の付加によってモジュールの高さが増加してしまうといった問題も生じてしまう。

本発明の課題は、これらの問題点を解決し、半導体素子をフェイスダウン実装する半導体モジュールの放熱特性を向上させることが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
基板の一方の面に半導体素子を実装し、基板を貫通する伝熱経路を介して前記半導体素子の発生する熱を基板の他方の面に伝熱する半導体モジュールにおいて、前記半導体素子は基板の一方の面にフェイスダウンで実装し、基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドを基板の一方の面に形成し、半導体素子の裏面とパッドとを伝熱部材によって熱的に接続する。

またその製造方法において、前記基板には、基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドを基板の一方の面に形成し、前記半導体素子を基板の一方の面にフェイスダウンで実装する工程と、前記半導体素子の裏面と前記パッドとを伝熱部材によって熱的に接続する工程とを有する。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）本発明によれば、前記パッドを基板の一方の面に形成し、前記基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドと半導体素子の裏面とを伝熱部材によって熱的に接続することによって、フェイスダウン実装した半導体素子の裏面から半導体モジュールの実装面に放熱することが可能となるという効果がある。
（２）本発明によれば、上記効果（１）により、半導体素子をフェイスダウン実装した半導体モジュールの放熱特性を向上させることができるという効果がある。
（３）本発明によれば、上記効果（２）により、半導体モジュールの動作を安定化させることができるという効果がある。
（４）本発明によれば、半導体モジュールの厚さが増加するのを抑えることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１に示すのは本発明の一実施の形態である半導体モジュールを示す平面図であり、図２は図１中のａ‐ａ線に沿った縦断面図である。なお、図１中では説明のために封止体を透過させて示してある。

本実施の形態のモジュールでは多層基板１を用いており、この多層基板１は、銅或いは銀等を用いた０．０１ｍｍ程度の金属薄膜の導体層２とセラミックス等を用いた厚さが０．１５ｍｍ程度のシート状の絶縁層３とを交互に積層し、低温焼成によって焼結させてある。この多層基板１では、６層の導体層２と５層の絶縁層３とを交互に積層して構成されている。多層基板１の最上層の導体層２と最下層の導体層２とは、中間層の導体層２及び層間を連絡するビア配線４によって電気的に接続されている。

多層基板１の部品搭載面では、最上層の導体層２の端部が、実装する電子部品を接続するためのパッド５となっている。能動素子として、単結晶シリコン或いはＧａＡｓ等の半導体基板に高周波増幅用のＦＥＴ等が形成された半導体素子６が、回路形成面を多層基板１に対向させたフェイスダウンで、このパッド５にバンプ電極７を介して接続されている。

他に受動素子であるコンデンサ、抵抗或いはインダクタ等の電子部品８がハンダ９によりパッド５に接続されている。多層基板１の部品搭載面には、全面にシリコーン樹脂或いはエポキシ樹脂等を用いた封止体１０が形成され、この封止体１０によって搭載した半導体素子６及び電子部品８を被覆してある。

多層基板１の裏側となる基板実装面に形成された最下層の導体層２は、熱を放出するための放熱板１１或いは電子装置への基板実装のための外部端子１２となっており、放熱板１１或いは外部端子１２には例えばニッケル／金のメッキ処理が施されている。

この半導体モジュールの伝熱経路について、半導体素子６で発生した熱は、バンプ電極７を通って、パッド５からビア配線４と直下に位置する中間の導体層２とを経由して、最下層の導体層２に至る構成となっており、最下層の導体層２からモジュール外部に放出されている。特に、半導体素子の中央部に配置されたバンプ電極７は、放熱を主な目的として設けられたものであり、サーマルビア４ａと呼ばれる複数のビア配線と直下に位置する中間の導体層２とを経由して、最下層の導体層２である放熱板１１に至る構成となっており、この放熱板１１からモジュール外部に放出されている。サーマルビア４ａについては、伝熱性を向上させるために金属を充填しておくのが望ましい。

本実施の形態では、バンプ電極７が形成された半導体素子６の回路形成面とは反対側の裏面に、金或いはチタン／ニッケル／金等の金属膜をメッキによって形成するメタライズ処理を施し、この半導体素子６の裏面と多層基板１の部品搭載面に設けたパッド５とを伝熱部材であるリボンワイヤ１３によって熱的に接続している。

リボンワイヤは、アルミニュウム等を用い、幅が１ｍｍ程度で厚さが１００μｍ〜３００μｍ程度となっており、水平方向の幅が厚みに比べて広くなっている。このため、伝熱部材と半導体素子裏面との接触面積及び伝熱部材とパッドとの接触面積を増加させて、半導体モジュールの高さの増加を抑制することができる。

半導体素子６で発生した熱は、半導体素子６裏面からリボンワイヤ１３を通って、パッド及びビア配線４を通って中間の導体層２とを経由して、最下層の導体層２である放熱板１１に至る構成となっており、この放熱板１１からモジュール外部に放出されている。

リボンワイヤ１３は、半導体素子６裏面の熱分布に応じて最も効率的な位置を選択して接続することが可能であり、伝熱経路と接続するパッド５を余分に配置しておけば、リボンワイヤ１３の数を増やすことによって発熱の増加等に容易に対処することができる。

また、例えば半導体素子６に形成されているＦＥＴがＬＤＭＯＳ(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)の場合には、半導体素子６の裏面はソース電極となっており、リボンワイヤ１３は熱的な接続の他にソース配線としての電気的な導通にも利用することができる。

本実施の形態の半導体モジュールの製造では、先ず図３に示すように、多層基板１に半導体素子６をフェイスダウン実装する。次に図４に示すように、リボンワイヤ１３の一端を半導体素子６の裏面にワイヤボンディングの技術によって固定する。このボンディングでは、ワイヤボンダのホーン１４の先端に取り付けたウェッジ１５の下面によってリボンワイヤ１３を半導体素子６裏面に押圧し、この状態でホーン１４に接続された超音波振動子（図示せず）によりウェッジ１５に超音波振動を加えて、リボンワイヤ１３を半導体素子６裏面の金属膜に接合させる。

続いて、リボンワイヤ１３を繰り出しながらウェッジ１５を移動させ、図５に示すように、パッド５に同様のボンディングを行なってリボンワイヤ１３をパッド５に固定して、半導体素子６裏面とパッド５とをリボンワイヤ１３によって熱的に接続する。この後、リボンワイヤ１３を切断して、多層基板１の部品搭載面を封止樹脂によって被覆する封止体１０を形成すると図２に示す状態となる。

ワイヤボンディングの技術によって伝熱部材となるリボンワイヤ１３を接続しているので、接着やハンダ付けによって接続する場合と比較して、加熱等の処理が不要になり処理に要する時間が短いという利点がある。また、ワイヤボンダの設定によって、半導体素子６裏面とリボンワイヤ１３との接続位置を容易に変更することが可能である。

本実施の形態のリボンワイヤ１３では、リボンワイヤ１３が半導体素子６裏面に接触しても問題がないので通常のワイヤボンディングに必要なループ高さが不用になる。このため半導体モジュールの高さの増加はリボンワイヤ１３の厚さ程度に抑えることができる。

（実施の形態２）
図６に示すのは本発明の他の実施の形態である半導体モジュールを示す平面図であり、図７は図６中のａ‐ａ線に沿った縦断面図である。なお、図６中では説明のために封止体を透過させて示してある。

本実施の形態のモジュールでは、前述した実施の形態と同様に、多層基板１の部品搭載面に、能動素子として、単結晶シリコン或いはＧａＡｓ等の半導体基板に高周波増幅用のＦＥＴ等が形成された半導体素子６が、回路形成面を多層基板１に対向させたフェイスダウンで、多層基板１のパッド５にバンプ電極７を介して接続されている。

本実施の形態では、半導体素子６の回路形成面とは反対側の裏面と多層基板１の部品搭載面に設けたパッド５とを伝熱部材であるプレート１６によって熱的に接続している。この半導体素子６の裏面にプレート１６を銀ペースト或いは接着剤によって固定する場合にはメタライズ処理が不要である。ハンダ等によりプレート１６を半導体素子６の裏面に固定する場合には、金或いはチタン／ニッケル／金等の金属膜をメッキによって形成するメタライズ処理を半導体素子裏面に施しておく。本実施の形態のプレート１６では、半導体モジュールの高さの増加はプレート１６の厚さ程度に抑えることができる。

プレート１６は、銅等の薄板を用い、半導体素子６の裏面の略全域を覆い、プレート１６の端部は複数のリード１６ａとなっており、このリード１６ａの部分は半導体素子６の取り付け高さに合わせてガルウイング形状に成形され、リード１６ａの端部をパット５と接続する。プレート１６では、多層基板１との接続部分を複数のリード１６ａに分割してあるので、その間には配線を通すことが可能である。

半導体素子６で発生した熱は、半導体素子６裏面からプレート１６を通って、パッド５及びビア配線４を通って中間の導体層２とを経由して、最下層の導体層２である外部端子１２に至る構成となっており、この外部端子１２からモジュール外部に放出されている。本実施の形態では、伝熱部材であるプレート１６と接続する伝熱経路を、バンプ電極７と接続する伝熱経路から独立させてあるが、前述の実施の形態と同様に放熱板１１に接続される伝熱経路としてもよい。

例えば半導体素子に形成されているＦＥＴがＬＤＭＯＳ(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)の場合には、半導体素子６の裏面はソース電極となっており、半導体素子６裏面とプレート１６とを導電性の材料によって接続し、プレート１６と接続するパッド５をソース端子となる外部端子１２に導通させておけば、プレート１６は伝熱の他にソース配線としての電気的な導通にも利用することができる。

前述した形態では、半導体素子６裏面の略全域にプレート１６を接続したが、プレートは半導体素子６裏面の熱分布に応じて最も効率的な範囲に限定して接続してもよい。

本実施の形態の半導体モジュールの製造では、図８に示すように、予め接着剤等によりプレート１６を裏面に固定した半導体素子６を多層基板１にフェイスダウン実装し、ハンダ９等によりプレート１６のリード１６ａの端部をパッド５に固定して、半導体素子６裏面とパッド５とをプレート１６によって熱的に接続する。この後、多層基板１の部品搭載面を封止樹脂によって被覆する封止体１０を形成すると図７に示す状態となる。

プレート１６は、半導体モジュールの製造と併行して予め半導体素子に固定しておくことが可能であり、プレート１６取り付けの工程を半導体素子６或いは電子部品８の取り付けと同時に行なうことにより、プレート１６取り付けによる作業時間の増加を回避することができる。プレート１６を、ハンダによって半導体素子６裏面に取り付ける場合には、先ず半導体素子６のボンディングを行ない、続いて電子部品８を取り付ける際に同時に取り付けることも可能である。

以上、本発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の一実施の形態である半導体モジュールを示す平面図である。図１中のａ‐ａ線に沿った縦断面図である。本発明の一実施の形態である半導体モジュールを工程ごとに示す縦断面図である。本発明の一実施の形態である半導体モジュールを工程ごとに示す縦断面図である。本発明の一実施の形態である半導体モジュールを工程ごとに示す縦断面図である。本発明の他の実施の形態である半導体モジュールを示す平面図である。図６中のａ‐ａ線に沿った縦断面図である。本発明の他の実施の形態である半導体モジュールを工程ごとに示す縦断面図である。

符号の説明

１…多層基板、２…導体層、３…絶縁層、４…ビア配線、５…パッド、５ａ…回路用パッド、５ｂ…固定用パッド、６…半導体素子、７…バンプ電極、８…電子部品、９…ハンダ、１０…封止体、１１…放熱板、１２…外部端子、１３…リボンワイヤ、１４…ホーン、１５…ウェッジ、１６…プレート。

Claims

基板の一方の面に半導体素子を実装し、基板を貫通する伝熱経路を介して前記半導体素子の発生する熱を基板の他方の面に伝熱する半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子は前記基板の一方の面にフェイスダウンで実装し、前記基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドを基板の一方の面に形成し、半導体素子の裏面と前記パッドとを伝熱部材によって熱的に接続することを特徴とする半導体モジュール。
前記パッドに接続する伝熱経路と前記半導体素子に接続する伝熱経路とが熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
前記伝熱部材が金属のリボンワイヤであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
前記伝熱部材が金属のプレートであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
基板の一方の面に半導体素子を実装し、基板を貫通する伝熱経路を介して半導体素子の発生した熱を基板の他方の面に伝熱する半導体モジュールの製造方法において、
前記基板には、基板を貫通する伝熱経路と熱的に接続するパッドを基板の一方の面に形成し、
前記半導体素子を前記基板の一方の面にフェイスダウンで実装する工程と、
前記半導体素子の裏面と前記パッドとを伝熱部材によって熱的に接続する工程とを有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。