JP2007059486A - 半導体装置及び半導体装置製造用基板 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置製造用基板 Download PDF

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Abstract

【課題】 優れた放熱機能を有する半導体装置を提供すること。
【解決手段】 マトリックス状に配列されたビアホール26を有する絶縁性基板21と、絶縁性基板21の表面に設けられた導電性のアイランド22と、アイランド22に導電層12を介してダイボンディングされた半導体チップ11とを備え、アイランド22が設けられた領域における絶縁性基板21には、マトリックス状に配列されたビアホール26以外に、放熱用ビアホール27が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【選択図】 図1

Description

この発明は、半導体装置及び半導体装置製造用基板に関する。
近年、プリント配線板等に半導体装置を実装する技術として、プリント配線板等に半導体装置を直接半田付けする表面実装技術が広く用いられていて、半導体装置やプリント配線板等の小型化、実装密度の向上等が図られている。
表面実装技術に用いられる半導体装置としては、QFP(Quad Flat Package)、BGA(Ball Grid array)、LGA(Land grid array)等の半導体装置が採用されているが、なかでも、BGA型半導体装置やLGA型半導体装置によれば、半導体装置の表面に多数の外部端子(半田バンプ等)を配置することができるため、半導体装置やプリント配線板等のさらなる小型化、実装密度の向上等が可能になる。
しかし、BGA型半導体装置やLGA型半導体装置等は、熱伝導性の低い樹脂やセラミック等からなる絶縁性基板に半導体チップが接合され、樹脂によって封止されているため、熱伝導性に優れたリードフレームが用いられるQFP型半導体装置等と比べると、半導体チップの放熱を充分に行うことができず、半導体チップの温度を許容温度以下に保つことが困難であるという問題があった。特に、近年では、半導体チップの高機能化に伴って半導体チップの発熱量が増加しているため、優れた放熱機能を有する半導体装置が要求されていた。
従来の半導体装置としては、例えば、半導体チップ上面の電極とワイヤにより接続されたパッドと、半導体チップが接着材を介して接合された放熱用電極(金属板等)とを備え、パッド及び放熱用電極の一部を除いて全体が樹脂により封止された半導体装置が存在する(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の半導体装置は、半導体チップから放熱用電極を介して放熱を行うものである。
また、従来の半導体装置としては、例えば、下面(実装面)に多数の接続電極が形成されるととにも、下面の周辺部に周辺補強用ダミー電極、下面の中央部に中央補強用ダミー電極が夫々形成された下面電極(フェイスダウン)型半導体チップと、接続電極に接続された接続ランド並びに各補強用ダミー電極に接続された周辺補強用ランド及び中央補強用ランドが表面に形成された絶縁性基板とを備え、この絶縁性基板には、中央補強用ランドに対応したビアホールが形成されていて、絶縁性基板の裏面には、ビアホールと接続された放熱用導体層が形成された半導体装置が存在する(例えば、特許文献2参照)。特許文献2に記載の半導体装置は、熱伝導性の高い中央補強用ダミー電極、中央補強用ランド、ビアホール及び放熱用導体層からなる熱伝導経路を介して、半導体チップから放熱を行うものである。
特開2002−158315号公報 特開2003−8186号公報
しかしながら、特許文献1に記載の半導体装置は、放熱用電極とパッドとを電気的に絶縁しなければならない構成を有していて、接着材として、熱伝導性の低い絶縁性接着剤や絶縁シートを用いなければならないため、半導体チップから放熱用電極に熱が伝わり難く、半導体チップの放熱を充分に行うことができないという問題があった。
特許文献2に記載の半導体装置は、半導体チップに設けられた電極のうち、放熱用導体層と接続された電極が、中央補強用ダミー電極のみであり、熱伝導経路が少ないため、半導体チップの放熱を充分に行うことができないという問題があった。また、中央補強ダミー電極が、半導体チップ下面の中央に位置しているため、半導体チップ全体からの放熱が困難であるという問題があった。また、半導体チップが、下面電極(フェイスダウン)型半導体チップであるため、半導体チップ下面に、放熱に充分な数の中央補強用ダミー電極を設けることが困難であるという問題があった。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた放熱機能を有する半導体装置、及び、該半導体装置の製造に用いられる半導体装置製造用基板を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明は、以下のようなものを提供する。
(1) マトリックス状に配列されたビアホールを有するとともに、導電性のアイランドが表面に設けられた絶縁性基板と、
上記アイランドに導電層を介してダイボンディングされた半導体チップと
を備え、
上記アイランドが設けられた領域における上記絶縁性基板には、マトリックス状に配列されたビアホール以外に、放熱用ビアホールが設けられていることを特徴とする半導体装置。
(1)の発明によれば、半導体チップがダイボンディングされた導電性のアイランドは、導電層を介して上記半導体チップ下面の略全域と接していて、アイランドの下側には、マトリックス状に配列されたビアホールと放熱用ビアホールとが設けられている。従って、熱伝導性の高い導電層とアイランドとビアホール及び放熱用ビアホールとによって、半導体チップからの放熱を行うための広い熱伝導経路が確保され、優れた放熱機能を有する。
本発明において「マトリックス状」とは、平面格子点上にビアホールが配列されることによって、ビアホールが行及び列をなしている状態をいう。ただし、行と列とは必ずしも直交している必要はなく、所定角(例えば60°)をなしていてもよい。
さらに、本発明は、以下のようなものを提供する。
(2) 上記(1)の半導体装置であって、
上記アイランドが設けられた領域における上記絶縁性基板の裏面には、上記ビアホールと電気的に接続された金属端子が形成されていることを特徴とする。
(2)の発明によれば、熱伝導性の高い金属端子(半田バンプ等)がビアホールと電気的に接続されているため、半導体チップから熱伝導経路を介してビアホールに伝わった熱を、さらに金属端子を介して外部(プリント配線板等)に逃がすことができ、放熱機能をより高めることができる。また、半導体チップの下面(実装面)にグランド電極を設けるとともに、上記金属端子をプリント配線板等の電極と接続することにより、上記金属端子を半導体装置のグランド電極として機能させることが可能である。
さらに、本発明は、以下のようなものを提供する。
(3) 上記(1)又は(2)の半導体装置であって、
上記ビアホール及び/又は上記放熱用ビアホールには、金属充填材が充填されていることを特徴とする。
(3)の発明によれば、ビアホール及び/又は放熱用ビアホールに、熱伝導性の高い金属充填材が充填されているため、さらに広い熱伝導経路を確保することができ、放熱機能をさらに高めることができる。
さらに、本発明は、以下のようなものを提供する。
(4) マトリックス状に配列されたビアホールを有するとともに、導電性のアイランドが表面に設けられた絶縁性基板
を備え、
上記アイランドが設けられた領域における上記絶縁性基板には、マトリックス状に配列されたビアホール以外に、放熱用ビアホールが設けられていることを特徴とする半導体装置製造用基板。
(4)の発明によれば、半導体チップがダイボンディングされる導電性のアイランドは、半導体チップの下面と略同じ面積又は該下面より大きな面積を有し、アイランドの下側には、マトリックス状に配列されたビアホールと放熱用ビアホールとが設けられている。
従って、アイランドに導電層を介して半導体チップをダイボンディングすることにより、熱伝導性の高い導電層とアイランドとビアホール及び放熱用ビアホールとによって、半導体チップからの放熱を行うための広い熱伝導経路が確保され、優れた放熱機能を有する半導体装置を製造することができる。
さらに、本発明は、以下のようなものを提供する。
(5) 上記(4)の半導体装置製造用基板であって、
上記アイランドが設けられた領域における上記絶縁性基板の裏面には、上記ビアホールと電気的に接続された金属端子が形成されていることを特徴とする。
(5)の発明によれば、熱電導性の高い金属端子(半田バンプ等)がビアホールと電気的に接続されているため、この半導体装置製造用基板を用いて半導体装置を製造することによって、半導体チップから熱伝導経路を介してビアホールに伝わった熱を、さらに金属端子を介して外部(プリント配線板等)を逃がすことが可能な半導体装置を製造することができ、半導体装置の放熱機能をより高めることができる。
さらに、本発明は、以下のようなものを提供する。
(6) 上記(4)又は(5)の半導体装置製造用基板であって、
上記ビアホール及び/又は上記放熱用ビアホールには、金属充填材が充填されていることを特徴とする。
(6)の発明によれば、ビアホール及び/又は放熱用ビアホールに、熱伝導性の高い金属充填材が充填されているため、この半導体装置製造用基板を用いて半導体装置を製造することによって、さらに広い熱伝導経路が確保された半導体装置を製造することができ、半導体装置の放熱機能をより高めることができる。
本発明によれば、優れた放熱機能を有する半導体装置、及び、該半導体装置の製造に用いられる半導体装置製造用基板を提供することができる。
まず、本発明の半導体装置の一例について説明する。
図1は、本発明に係る半導体装置の一例を模式的に示す平面透視図である。
図2は、図1に示した半導体装置の縦断面図(A−A線断面図)である。
半導体装置10が備える絶縁性基板21は、ガラス繊維を含浸したビスマレイミド−トリアジン樹脂(BT樹脂)からなるものである。なお、絶縁性基板21としては、絶縁性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、ビスマレイミド−トリアジン樹脂(BT樹脂)、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、これらの樹脂にガラス繊維等の補強材を含浸したもの、セラミック等からなる基板を挙げることができる。
絶縁性基板21の表面の中央部分には、半導体チップ11の下面(実装面)と略同じ面積を有するアイランド22が形成されている。アイランド22は、Cu層からなるものである。また、Cu層上には、Ni層やAu層等が形成されていてもよい。本発明において、アイランド22は、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではない。
絶縁性基板21の表面の周辺部分には、Cu層からなる複数の導体回路23が形成されている。導体回路23は、半導体装置10の周辺部分から中央部分に延びるパターンを有している(図1参照)。各導体回路23の周辺側の端部は、半導体装置10の各辺に沿って等間隔に配列されていて、該端部の上面には、ボンディングパッド24が形成されている。ボンディングパッド24は、Ni層やAu層等からなるものである。
絶縁性基板21の表面には、アイランド22及びボンディングパッド24を除いた表面全域を覆うソルダーレジスト層25が形成されている。
アイランド22には、導電層12を介して半導体チップ11がダイボンディングされている。半導体チップ11としては、種々のものを用いることが可能であり、その具体的な機能や内部の回路構成は、特に限定されるものではない。
半導体チップ11の上面には、複数の電極11aが設けられていて、各電極11aとボンディングパッド24とがワイヤ14によって電気的に接続されている。図1では、説明の便宜上、電極11a及びワイヤ14を図示していない。
絶縁性基板21には、アイランド22の形成領域の内部及び外部の両方を含めて全体に、マトリックス状(縦8個×横8個)に配列された64個のビアホール26が形成されている(図1参照)。そのうち、アイランド22の形成領域には、縦4個×横4個のビアホール26が配列されている。ビアホール26の直径は、120〜150μm程度である。ビアホール26は、絶縁性基板21に穿設された貫通孔の壁面に無電解メッキや電解メッキ等によって金属薄膜が形成され、さらに該貫通孔に充填材が充填されたものである。
さらに、アイランド22の形成領域における絶縁性基板21には、縦4個×横4個に配列されたビアホール26以外に、9個の放熱用ビアホール27が形成されている(図1参照)。放熱用ビアホール27は、隣接する4個のビアホール26から等間隔を空けて配置されている。放熱用ビアホール27は、絶縁性基板21に穿設された貫通孔の壁面に無電解メッキや電解メッキ等によって金属薄膜が形成され、さらに該貫通孔に充填材が充填されたものであり、ビアホール26と同様の形状及び構成を有している。ただし、図中では、ビアホール26と放熱用ビアホール27とを区別し易いように、放熱用ビアホール27には着色を施している。また、アイランド22の形成領域に配列されたビアホール26及び放熱用ビアホール27は、アイランド22と電気的に接続されている。本実施形態では、ビアホール26及び放熱用ビアホール27とアイランド22とが電気的に接続されている場合について説明したが、本発明においては、この例に限定されず、例えば、ビアホール26及び放熱用ビアホール27とアイランド22とが絶縁されていてもよい。
絶縁性基板21の裏面の中央部分には、アイランド22と略同じ面積を有する導体層28が形成されていて、導体層28には、ビアホール26及び放熱用ビアホール27が電気的に接続されている。また、絶縁性基板21の裏面の周辺部分には、各ビアホール26と電気的に接続された導体層28が形成されている。これらの導体層28は、Cu層からなるものである。また、絶縁性基板21の裏面には、導体層28の一部(ビアホール26の対応箇所)を除いた裏面全域を覆うソルダーレジスト層30が形成されている。
導体層28の露出した箇所には、Ni層やAu層等からなる半田パッド29が形成されていて、半田パッド29には、半田バンプ(金属端子)31が形成されている。本実施形態では、予め絶縁性基板21の裏面に半田バンプ31が形成されている場合について説明するが、本発明はこの例に限定されず、例えば、実装時に半田ボールや半田ペースト等を用いて直接、プリント配線板に実装することとしてもよい。
半導体装置10には、絶縁性基板21の上面全体を覆うように半導体チップ11を封止する樹脂パッケージ部19が形成されている。樹脂パッケージ部19は、例えば、エポキシ樹脂等を含有する樹脂組成物からなるものである。なお、図1では、樹脂パッケージ部19を図示していない。
半導体装置10は、半導体チップ11がダイボンディングされたアイランド22は、導電層12を介して半導体チップ11下面の略全域と接していて、アイランド22の下側には、マトリックス状に配列されたビアホール26と放熱用ビアホール27とが設けられている。従って、図2に示すように、熱伝導性の高い導電層12とアイランド22とビアホール26及び放熱用ビアホール27とによって、半導体チップ11からの放熱を行うための広い熱伝導経路が確保され、優れた放熱機能を有する。
本発明においては、本実施形態に係る半導体装置10のように、アイランド22の形成領域における絶縁性基板21の裏面には、ビアホール26と電気的に接続された半田バンプ(金属端子)31が形成されていることが望ましい。熱伝導性の高い半田バンプ31がビアホール26と電気的に接続されているため、半導体チップ11からビアホール26に伝わった熱を、さらに半田バンプ31を介して外部(プリント配線板等)に逃がすことができ、放熱機能をより高めることができるからである。
本発明においては、ビアホール26及び/又は放熱用ビアホール27に、熱伝導性の高い金属充填材が充填されていることが望ましい。さらに広い熱伝導経路を確保することができ、放熱機能をさらに高めることができるからである。
本実施形態では、放熱用ビアホール27の直径がビアホール26の直径と同じであり、放熱用ビアホール27が、隣接する4個のビアホール26から等間隔を空けて配置されている場合について説明したが、本発明において、放熱用ビアホール27の形状及び配置は、特に限定されるものではなく、例えば、図3(a)、(b)に示すものを採用することができる。
図3(a)は、他の実施形態に係る半導体装置のアイランド形成領域における絶縁性基板を模式的に示す平面図である。
アイランド形成領域における絶縁性基板32には、マトリックス状(縦4個×横4個)に配列された16個のビアホール36が形成されている。また、放熱用ビアホール37が、各ビアホール36の間、すなわち、隣接する4個のビアホール36から等間隔を空けて配置されているが、放熱用ビアホール37の直径は、ビアホール36の直径より大きい。
このように、放熱用ビアホールの直径を、ビアホールの直径より大きくすることによって、熱伝導経路を広く確保することができ、放熱効果を高めることができる。また、開口面積が同じであれば、コストの増大を抑制する点から、放熱用ビアホールの直径を大きくして貫通孔の数を減らすことが望ましい。
図3(b)は、他の実施形態に係る半導体装置のアイランド形成領域における絶縁性基板を模式的に示す平面図である。
アイランド形成領域における絶縁性基板42には、マトリックス状(縦4個×横4個)に配列された16個のビアホール46が形成されている。また、放熱用ビアホール47は、ビアホール46の直径より大きな直径を有する第一放熱用ビアホール47aと、ビアホール46の直径より小さな直径を有する第二放熱用ビアホール47bとからなり、第一放熱用ビアホール47aは、各ビアホール46の間、すなわち、隣接する4個のビアホール46から等間隔を空けて配置されている。また、第二放熱用ビアホール47bは、隣接する2つのビアホール46の中間に配置されている。
このように、放熱用ビアホールの直径は、必ずしも1種類である必要はなく、異なる直径を有する放熱用ビアホールが存在していてもよい。また、このように、異なる直径を有する放熱用ビアホールを形成することによって、絶縁性基板の機械的強度を確保しつつ、放熱用ビアホールによる開口面積を広げることが可能になる。
本発明では、図1及び図3に示したように、アイランド形成領域において、マトリックス状に配置された全てのビアホールの間に、放熱用ビアホールが配置されていることが望ましい。半導体チップの全体から均一に放熱することができるため、局所的に半導体チップの温度が上昇してしまうことを防止することができるからである。
次に、本発明の半導体装置製造用基板について説明する。
図4は、本発明に係る半導体装置製造用基板の一例を模式的に示す断面図である。
図4に示す半導体装置製造用基板20は、半導体チップ11、導電層12、ワイヤ14及び樹脂パッケージ部19を備えていない点を除くと、図1に示した半導体装置10と同じ構成を有するものである。この半導体装置製造用基板20を用いて半導体装置を製造することによって、放熱機能に優れた半導体装置を製造することができる。
次に、本発明の半導体装置製造用基板の製造方法と、上記半導体装置製造用基板を用いた本発明の半導体装置の製造方法とについて説明する。
(A)絶縁性基板21を出発材料とし、まず、絶縁性基板21の表面に、アイランド22及び導体回路23を形成するとともに、絶縁性基板21の裏面に、導体層28を形成する。アイランド22、導体回路23及び導体層28は、絶縁性基板21の両面に無電解メッキ等によりベタの金属層を形成した後、エッチング処理を施すことにより形成することができる。また、銅張基板にエッチング処理を施すことにより形成してもよい。
(B)絶縁性基板21に、ドリルやレーザ等によりマトリックス状に貫通孔(以下、第一貫通孔という)を穿設する。第一貫通孔は、ビアホール26となるものであり、第一貫通孔の直径は、例えば120〜150μm程度である。
さらに、アイランド23の形成領域に、ドリルやレーザ等により貫通孔(以下、第二貫通孔という)を穿設する。第二貫通孔は、放熱用ビアホール27となるものであり、第二貫通孔の直径は、特に限定されるものではない。
第二貫通孔の直径を第一貫通孔の直径と同じとした場合、第二貫通孔を形成する際に第一貫通孔の形成するための装置等の設定をそのまま用いることができるため、貫通孔の形成に係る手間の増大を抑制することができる。一方、第二貫通孔の直径を第一貫通孔の直径と異ならせた場合(異種径を混在させた場合)、貫通孔間の間隔を確保しつつ多数の貫通孔を形成することが可能になるため、放熱効果を高めることができる。なお、第二貫通孔は、必ずしも全てが同じ直径である必要はなく、直径の異なるものが複数種類混在していてもよい。また、開口面積が同じであれば、コストの増大を抑制する点から、貫通孔の直径を大きくして貫通孔の数を減らすことが望ましい。
次に、無電解メッキを施し、さらに電解メッキを施すことにより、貫通孔(第一貫通孔及び第二貫通孔)の壁面に金属薄膜を形成し、さらに該貫通孔に充填材を充填することにより、ビアホール26及び放熱用ビアホール27を形成する。上記充填材としては、特に限定されるものではなく、例えば、樹脂充填材、金属充填材を挙げることができるが、熱伝導経路を広く確保して放熱効果を高める点から、金属充填材を用いることが望ましい。金属充填材としては、例えば、金属粒子を含有する導電性ペーストを挙げることができる。また、上記貫通孔をメッキにより充填することにより、ビアホール26及び放熱用ビアホール27を形成してもよい。また、ビアホール26及び放熱用ビアホール27には、蓋メッキを施してもよい。
(C)次に、絶縁性基板21の表面に、未硬化のソルダーレジスト組成物をロールコータやカーテンコータ等により塗布したり、フィルム状に成形したソルダーレジスト組成物を圧着したりした後、硬化処理を施すことにより、ソルダーレジスト層25を形成する。絶縁性基板21の裏面にも、同様にしてソルダーレジスト層30を形成する。
続いて、ソルダーレジスト層25の所定箇所にレーザ処理や露光現像処理により開口を形成し、露出した箇所にNiメッキやAuメッキを行うことにより、アイランド22をNi層やAu層で被覆するとともに、ボンディングパッド24を形成する。また、ソルダーレジスト層30に対しても同様の処理を行い、半田パッド29を形成する。次に、半田パッド29上に、半田ペーストを塗布するか又は半田ボールを載置し、リフローすることにより、半田バンプ31を形成する。
上記(A)〜(C)の工程を経ることにより、半導体装置製造用基板20を製造することができる(図4参照)。
(D)次に、半導体装置製造用基板20のアイランド22に半田ペーストやAgペーストを塗布し、塗布した半田ペースト上に半導体チップ11を搭載してリフローすることにより、アイランド22に導電層12を介して半導体チップ11をダイボンディングする。
続いて、半導体チップ11の上面に設けられた電極11aと、ボンディングパッド24とをワイヤを用いてワイヤボンディングする。そして、絶縁性基板21の上面全体を覆うように、エポキシ樹脂等を含有する樹脂組成物で樹脂パッケージ部19を形成することにより、半導体装置10を製造することができる。
以上、本発明の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置製造用基板について説明したが、本発明は、この例に限定されるものではない。本実施形態においては、絶縁性基板が1層からなるものである場合について説明したが、本発明において、上記絶縁性基板は、複数の板状体が積層されたものであってもよい。また、アイランド形成領域内に配置されたビアホールの直径が、アイランド形成領域外に配置されたビアホールの直径と異なっていてもよい。
本実施形態では、アイランドが、半導体チップ下面(実装面)と略同じ大きさの矩形状を有している場合について説明したが、本発明において、アイランドの形状は、特に限定されるものではない。さらに、本実施形態では、半導体装置のパッケージ方式がBGAである場合について説明したが、本発明はこの例に限定されず、例えば、LGAであってもよい。
本発明に係る半導体装置の一例を模式的に示す平面透視図である。 図1に示した半導体装置の縦断面図(A−A線断面図)である。 他の実施形態に係る半導体装置のアイランド形成領域における絶縁性基板を模式的に示す平面図である。 本発明に係る半導体装置製造用基板の一例を模式的に示す断面図である。
符号の説明
10 半導体装置
11 半導体チップ
11a 電極
12 導電層
14 ワイヤ
19 樹脂パッケージ部
20 半導体装置製造用基板
21 絶縁性基板
22 アイランド
23 導体回路
24 ボンディングパッド
25、30 ソルダーレジスト層
26 ビアホール
27 放熱用ビアホール
28 導体層
29 半田パッド
31 半田バンプ

Claims (6)

  1. マトリックス状に配列されたビアホールを有するとともに、導電性のアイランドが表面に設けられた絶縁性基板と、
    前記アイランドに導電層を介してダイボンディングされた半導体チップと
    を備え、
    前記アイランドが設けられた領域における前記絶縁性基板には、マトリックス状に配列されたビアホール以外に、放熱用ビアホールが設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記アイランドが設けられた領域における前記絶縁性基板の裏面には、前記ビアホールと電気的に接続された金属端子が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ビアホール及び/又は前記放熱用ビアホールには、金属充填材が充填されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. マトリックス状に配列されたビアホールを有するとともに、導電性のアイランドが表面に設けられた絶縁性基板
    を備え、
    前記アイランドが設けられた領域における前記絶縁性基板には、マトリックス状に配列されたビアホール以外に、放熱用ビアホールが設けられていることを特徴とする半導体装置製造用基板。
  5. 前記アイランドが設けられた領域における前記絶縁性基板の裏面には、前記ビアホールと電気的に接続された金属端子が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置製造用基板。
  6. 前記ビアホール及び/又は前記放熱用ビアホールには、金属充填材が充填されていることを特徴とする請求項4又は5に記載の半導体装置製造用基板。
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