JP2006229163A - 積層型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子を多段積層した構成において半導体素子からの放熱を良くする。
【解決手段】 各半導体素子1−a、1−b、1−cは、スルーホール7−a、7−b、7−cにより電気的に接続されている。また、各半導体素子は熱伝導性接着剤6を介し積層されている。回路基板4の半導体素子搭載面側は封止樹脂5で封止されている。また、上段の半導体素子1−cの回路面9−cとは反対側の面に熱伝導接着剤6を介して半導体素子投影面積より大きい金属製の放熱板8が搭載されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、積層型半導体装置に関し、特に、自動車用電子制御装置で用いられる車載用積層型半導体装置に関する。

半導体装置、特に、自動車用電子制御装置では、高機能化・小型化が要求される。そのため、自動車用電子制御装置に搭載する半導体装置では、メモリやマイコンなどをワンパッケージ化して、付加価値を高めるとともに実装面積を縮小するシステム・イン・パッケージの開発が盛んになっている。さらに、多層回路基板に機能の異なる複数のチップを二次元的に（基板面内の異なるエリアに）配置するだけでなく、三次元的に（基板面の法線方向に）積層する構造も提案されている。

さらに、自動車用電子制御装置の高機能化・小型化に伴い、半導体装置の発熱量および発熱密度が大きくなっているため、放熱構造の高性能化に関する要求が高まっている。

例えば、第１の半導体素子と第２の半導体素子との２つの半導体素子が、これら半導体素子の回路面を多層回路基板の一面に対向するように配置され、これら第１及び第２の半導体素子の回路面とは反対側の面に、その回路面が対向するように第３の半導体素子が配置され、第３の半導体素子と多層回路基板とを電気的に接続する手段と、第３の半導体素子の回路面とは反対側の面に接触し、樹脂封止面から露出する放熱板を有する半導体装置が提案されている（特許文献１参照））。

特開２００３−７８１０４号公報

しかしながら、さらに放熱構造の高効率化の要請が高まってきている。

本発明は、自動車用電子制御装置で用いられる小型軽量かつ高機能な積層型半導体装置における放熱構造の高効率化を目的とする。

本発明に係る車載用積層型半導体装置は、各半導体素子間をスルーホールにより電気的に接続する高密度実装構造と露出型の放熱板を用いる高放熱構造を有する積層型半導体装置を提供するものである。

すなわち、本発明の一観点によれば、それぞれの主面に回路と電極パッドとが形成されている複数の半導体素子と、該複数の半導体素子を前記主面の法線方向にある距離をあけて支持する支持部であって、前記複数の半導体素子間に充填される熱伝導性材料を含む支持部と、前記複数の半導体素子のうちの異なる半導体素子に形成されている電極パッド間に形成されるスルーホール及び該スルーホール内に充填される熱伝導性の電導プラグと、前記主面が向く側と反対方向であって積層された前記複数の半導体素子側に設けられた放熱板とを有する積層型半導体装置が提供される。

上記構成によれば、複数の半導体素子においてそれぞれ発生する熱をスルーホールを介して放熱板から外部に逃がす際の効率が良くなる。

本発明の積層型半導体装置により以下の効果が得られる。半導体素子および放熱板を熱伝導接着剤を介し積層することで、熱を効率良く拡散でき、半導体素子と回路基板間のはんだバンプ及び外部端子の熱疲労破壊を低減することができる。また、半導体素子の回路面は半導体素子周辺部よりも低い位置に形成されているため、半導体素子の回路面を傷付けることなく積層することが可能となる。さらに、回路基板にシリコン基板を用いることで、パターンを明細化することができ、より高密度実装が可能となる。さらに、シリコンは高放熱性であることから、パワー系の電子部品が実装可能となる。

本明細書において、半導体素子とは、一般的には半導体チップと称されており、１枚のチップ基板から構成されているものを指す。半導体装置における集積化の方法としては、基板面内方向に多数の機能を集積化するのが一般的であるが、本明細書における集積化の手法は、複数の半導体チップを縦積みしていく手法に関するものである。

本実施の形態による車載用積層型半導体装置においては、発熱量の大きな半導体素子が上部に配置されるように、例えば、第１、第２、第３の半導体素子を、熱伝導接着剤を介し積層配置する。第１、第２、第３の半導体素子と、回路基板とはスルーホールにより接続することを特徴とする。樹脂封止後、熱伝導接着剤を介し放熱板を搭載することにより、半導体素子の熱を半導体装置外部へ効率良く放熱させることができる。

以下、本発明の実施の形態により車載用積層型半導体装置について、図面を参照しつつ説明を行う。まず、本実施の形態による車載用積層型半導体装置の一例について説明する。図１は、本実施の形態による車載用積層型半導体装置の一例を示す機能ブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態による車載用積層型半導体装置は、自動車における一般的なコントロールユニットの一構成例を示す図である。図１に示すように、コントロールユニット１０１は、マイコン（ＣＰＵ）１０２と、ＥＥＰＲＯＭ ＩＣ１０３と、電源回路１０４と、ドライバ回路１０５と、を含んで構成され、外部又は内蔵のセンサ１０６及び負荷１０７等を制御する。上記第１から第３までの半導体素子が、例えば、図１に示すマイコン１０２と、ドライバ回路１０５と、ＥＥＰＲＯＭ１０３と、に対応する。

図２は、本発明の第１の実施の形態による車載用積層型半導体装置の断面構造を示す図である。図２に示すように、本実施の形態による車載用積層型積層半導体装置は、第1から第３までの半導体素子1−a、1−b、1−cを後述のように順次に積層するようにする。図２に示すように、本実施の形態による車載用積層型半導体装置は、基本的に、それぞれの主面に半導体集積回路や電極パッドなどが形成されている第1から第3までの半導体素子（チップ）１−ａ〜ｃまでを、ある距離を置いて縦方向に順次積層した積層構造を有している。これらの半導体素子１−ａ〜ｃまでのそれぞれの間は、熱伝導性の良好な接着剤が充填されている。さらに、上記積層構造の積層方向の一方側に、半導体素子の主面と略平行に回路基板４が配置され、積層方向の他方側に放熱板８が配置されている。さらに、積層構造の側面側には封止樹脂５が設けられている。

より詳細には、半導体素子1−aは、その主面に形成され図２では紙面下側（回路基板４側）に向けて配置されている電極パッド9−cに接して形成されているはんだバンプ3−aにより、回路基板4の下面側に形成される外部端子3-ｂと電気的に接続されている。

第1の半導体素子1−aと回路基板4との間には封止樹脂5が充填されている。第2の半導体素子1−bは、熱伝導性接着剤6を介して第1の半導体素子1−a上に搭載されている。半導体素子1−bはスルーホール7−aにより、半導体素子1−aと電気的に接続されている。第3の半導体素子1−cも、第2の半導体素子1−bと同様に、熱伝導接着剤6を介して第2の半導体素子1−b上に搭載されている。

ここで、第3の半導体素子1−cは、例えば、スルーホール7−b、7−c及びスルーホール7−b、7−cを充填する熱導電性も高い導電性プラグにより、それぞれ第１の半導体素子1−a、第2の半導体素子1−bと、の電極パッド同士が電気的に接続されている。

回路基板４の半導体素子搭載面側（紙面上側）は封止樹脂５で封止されており、第1から第3までの半導体素子1−a、1−b、1−cを保護している。また、第３の半導体素子1−cの回路面9−aとは反対側の面に熱伝導接着剤6を介して半導体素子投影面積より大きい面積を有する金属製の放熱板8を搭載し、略箱体上の一体構造を構成している。このような構造により、半導体素子に基づく機能を高集積化するとともに、コンパクトでありながら、第1から第3までの半導体素子1−a、1−b、1−cから発生する熱を効率良く外部へ放熱することができる。

尚、好適な例では、第1の半導体素子1−aはＥＥＰＲＯＭ ＩＣ１０３であり、第2の半導体素子1−bは電源回路１０４であり、第3の半導体素子1−cはCPU（マイコン）である。このように、発熱量の大きい半導体素子の方を上段（放熱板８）側に配置するのがより好ましい。また、回路基板4はシリコン基板であるのが一般的であるが、ＳＯＩやＳｉＣなどでも良い。

図３は、本実施の形態による車載用積層型半導体装置の製造方法を示す図である。図３（Ａ）に示すように、まず、第1から第３までのぞれぞれの半導体素子1−a、1−b、1−cを製造する。この際、図２（Ａ）に示す例では、外周部に対して内側領域に半導体集積回路が形成され、その一部としてパッド電極9-a,b,cが形成される。

このようにして作成した半導体素子1−a、1−b、1−cを、パッド電極9-a,b,cを上側にして熱伝導接着剤6により接着する。この際、第３の半導体素子1−cと第２の半導体素子1−bとを接着する際には、第３の半導体素子1−cと第２の半導体素子1−bとの間のスルーホール又は第３の半導体素子1−cと第１の半導体素子1−aとの間のスルーホールを形成すべき箇所には、熱伝導性接着剤6により半導体素子を接着する前に予めスルーホールを形成し、導電性プラグにより電極パッド間を電気的に接続しておく。次いで、第２の半導体素子1−ｂと第１の半導体素子1−ａとを接着した後、第２の半導体素子1−ｂと第１の半導体素子1−ａとの間のスルーホールを形成すべき箇所に、熱伝導性接着剤6により半導体素子を接着した後にスルーホールを形成し、導電性プラグにより電極パッドを接続する。尚、スルーホールはエッチングなどにより、それぞれの半導体素子を貫通するように行われる。

次いで、図３（Ｂ）の状態から、上下を反転させて、半導体素子１−ａの下面（集積回路が形成されている側の面）に、バンプ３−ａを形成することにより図３（Ｃ）に示す状態となる。次いで、シリコン基板である回路基板4をバンプ３−ａにより、図３（Ｃ）の第1の構造に接着させる。次に、図３（Ｅ）に示すように、図３（Ｄ）に示す第1の構造を収容できる容器Ｘ内に上記構造を収容した状態で、上記構造の側面と下面（バンプ３−ａ間の隙間）とに、封止樹脂５を形成する（図４参照）。図４は、図３（Ｅ）の状態を上方から見た図であり、第3の半導体素子１−ｃを含む第１の構造が容器Ｘ内に隙間を開けて収容され、この隙間内に封止樹脂５が充填される。次いで、容器Ｘから内部に形成された第２の構造を取り出す。

次いで、図２（Ｆ）に示すように、第２の構造の上面（第3の半導体素子側）に熱伝導性接着剤６を介して放熱板８を形成する。次いで、回路基板4の下面にバンプ３−ｂを形成する。

以上により、図２に示す構造を製造することができる。以上に説明したように、本実施の形態による車載用積層型半導体装置によれば、半導体素子１−a〜ｃまでと、放熱板８とを、熱伝導接着剤６を介して積層し、半導体素子間をスルーホール及びその中に埋められた導電性プラグにより伝達することができるため、半導体素子間における熱伝達がスムーズになり、半導体素子において発生した熱を外部に逃がしやすくなるという利点がある。すなわち、半導体素子１−a〜ｃから出る熱を効率良く拡散することができ、半導体素子１−a〜ｃと回路基板４間のはんだバンプ３−ａ及び外部端子の熱疲労破壊を低減することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態による車載用積層半型導体装置について図面を参照しつつ説明を行う。図５は、本実施の形態による車載用積層型半導体装置の構成例を示す断面図である。図６は、本実施の形態による車載用積層型半導体装置の製造工程の一部を示す図である。図５に示す構成と図２に示す構成とは、以下の点で異なっている。すなわち、回路基板4の半導体素子搭載面側は封止樹脂５で封止されており、第１から第３までの半導体素子1−a、1−b、1−cを保護している。ここで、本実施の形態による車載用積層型半導体装置においては、第３の半導体素子1−cの放熱板８側の面よりも封止樹脂５の放熱板８側の面を高くしている点に特徴がある。かかる構造は、図６（Ａ）に示すように、図３（Ｅ）に対応する工程において、容器Ｘの上面における高さを、第３の半導体素子1−cの放熱板８側の高さよりも高く配置しておく（積層構造（ｄ）は図３の（Ｄ）に示す積層構造に相当する）。そして、例えば、ｄの高さの違いに相当する分の厚さを有する板体Ｙを設置した状態で封止樹脂５を充填する。その後に、板体Ｙを除去する。これにより、積層構造（ｄ）の上を封止樹脂５の上面よりも低くすることができ、クリアランスを設けることができる。このように、第３の半導体素子1−cの上面よりも樹脂封止面を高くすることで、樹脂封止工程時の機械的圧力による半導体素子の破損を低減できる。次いで、図６（Ｂ）に示すように、第３の半導体素子1−cの回路面9−cとは反対側の面に熱伝導接着剤6を介して半導体素子投影面積より大きい金属製の放熱板８を搭載し、第１から第３までの半導体素子1−a、1−b、1−cの熱を外部へ放熱する。この際も、図５に示すように、積層されている第１から第３までの半導体素子1−a、1−b、1−cを縦方向に接続するスルーホールと導電性プラグとにより、半導体素子1−a、1−b、1−c間の熱を良く伝えることで、外部に熱を逃がしやすくすることができる。

尚、好適な実施形態では、発熱量の大きい半導体素子を上段に配置することがより好ましい。

上述した各実施の形態は例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

本発明の実施の形態による車載用半導体装置の構成例を示す回路ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による車載用積層型半導体装置の構造の一例を示す断面図である。 図３（Ａ）から図３（Ｆ）までは、本発明の第１の実施の形態による車載用積層型半導体装置の製造工程を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による車載用積層型半導体装置の製造工程のうち工程（Ｅ）における上面図である。 本発明の第２の実施の形態による車載用積層型半導体装置の構造の一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態による車載用積層型半導体装置の製造工程のうち、図３の工程（Ｅ）と（Ｆ）とに対応する図である。

符号の説明

1−a 第１の半導体素子
1−b 第２の半導体素子
1−c 第３の半導体素子
2−a 接続パッド
2−b 接続パッド
3−a はんだバンプ
3−b 外部端子
4 回路基板
5 封止樹脂
6 熱伝導性接着剤
7−a スルーホール
7−b スルーホール
7−c スルーホール
8 放熱板
9−a 回路パターン
9−b 回路パターン
9−c 回路パターン

Claims (6)

1. それぞれの主面に回路と電極パッドとが形成されている複数の半導体素子と、
   該複数の半導体素子を前記主面の法線方向にある距離をあけて支持する支持部であって、前記複数の半導体素子間に充填される熱伝導性材料を含む支持部と、
   前記複数の半導体素子のうちの異なる半導体素子に形成されている電極パッド間に形成されるスルーホール及び該スルーホール内に充填される熱伝導性の電導プラグと、
   前記主面が向く側と反対方向であって積層された前記複数の半導体素子側に設けられた放熱板と
   を有する積層型半導体装置。
2. 前記支持部は、積層された前記半導体素子の側面を支持する支持体を有することを特徴とする請求項１に記載の積層型半導体素子。
3. 前記支持体の前記主面とは反対側の面の位置を前記複数の半導体素子の前記主面とは反対側の最上面よりも高くしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型半導体素子。
4. さらに、前記主面側に設けられ前記複数の半導体素子の内の前記主面側の半導体素子と直接又は間接に接続され外部端子を有する回路基板を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の積層型半導体装置。
5. 前記半導体素子において、回路面が形成されている面の周囲に凸状上部が形成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の積層型半導体装置。
6. 前記複数の半導体素子において、前記主面側からその反対側に向けて、消費電力の大きな半導体素子が配置されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の積層型半導体装置。

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