JP2007173877A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板上に実装された半導体素子の熱をスルーホールを通じて確実に放熱する。
【解決手段】プリント基板４１には内層配線による放熱層４２が形成されていると共に、その放熱層４２を貫通するようにスルーホール４３が形成されている。このスルーホール４３の内部ははんだ４４がほぼ完全にボイド無く充填されている。プリント基板４１においてスルーホール４３上となる位置にＩＣチップ４５が実装されており、そのＩＣチップ４５とプリント基板４１とがワイヤ４６により接続されている。従って、ＩＣチップ４５の熱はスルーホール４３に充填されたはんだ４４を通じてプリント基板４１の裏面及び放熱層４２に効果的に放熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板に実装された半導体素子の熱をスルーホールを通じて放熱する手段を改善した半導体装置の製造方法に関する。

従来より、配線基板上に実装された半導体素子の熱を放熱する手段として、種々の手段が提案されている。
特開平４−２７９０９７号公報 特開平９−６９５９２号公報 特開平８−７８７９５号公報

この種の手段の一例として、配線基板に半導体素子を実装した構造において半導体素子が大電力用である場合には、配線基板の熱抵抗が大きいことから、半導体素子からの周囲への放熱性が問題になる。この問題に対処するために、特許文献１、特許文献２のものがある。これらは、図１０に示すように配線基板１に熱伝導の良好なスルーホール２を形成したり、図１１に示すように配線基板１に熱伝導の良好な高熱伝導領域３を設けた上で、配線基板１上に半導体素子４を実装し、当該半導体素子４から発生した熱を、熱伝導の良好なスルーホール２或いは高熱伝導領域３を通じて配線基板１の裏面に設けられた放熱層５に逃がすことにより、放熱性を高めるものである。

しかしながら、このような構成では、配線基板１の裏面側に放熱層５を設ける構成であることから、その領域にはコンデンサ或いは抵抗等の部品を実装できないという問題がある。また、図１２に示すように放熱層５を配線基板１中に設け、表裏の両面に絶縁層６を形成する構成の場合は、裏面にも部品が実装できるものの、この絶縁層６により放熱性が低下してしまうという不具合を生じる。

一方、配線基板の放熱性を高める手段としては、特許文献３に示されるように、配線基板にスルーホールを形成し、半導体素子の熱を配線基板の裏面に逃がす構造が提案されている。
しかしながら、通常の配線基板の製造方法で形成されるスルーホールは０．３〜１．０ｍｍ程度の孔の内壁に１０〜２０μｍ程度の銅のメッキが施されているだけでほとんどは空洞であり、熱伝導の効果は小さい。この場合、スルーホール内を例えばはんだで充填することによる熱伝導を高めることが望ましいが、半導体素子或いはその他の部品を配線基板に実装する工程においてスルーホール内にはんだを充填することができるものの、スルーホール内をはんだが完全に充填することはできない。つまり、半導体素子を配線基板にはんだ付けする構成では、通常他の表面実装部品と同様にはんだペースト印刷によりはんだをスルーホールに充填することができるが、１回の印刷で供給されるはんだ量は厚さにして約１００μｍ程度が普通であり、スルーホール内を完全に埋めるには十分ではない。このため、十分なはんだ量を供給するためには、ペーストの複数回印刷或いはディスペンスによるはんだ供給を追加して実施する必要があり、工程増加につながる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、配線基板上に実装された半導体素子の熱をスルーホールを通じて確実に放熱することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

請求項１の発明によれば、配線基板をはんだフローすると、スルーホール内にはんだが上昇して充填される。
そして、半導体素子を配線基板に実装すると、半導体素子の熱はスルーホール内に充填されたはんだを通じて効率よく放熱される。

請求項２の発明によれば、ヒートシンクを配線基板に接着した状態では、ヒートシンクの下面に形成された溝部が配線基板のスルーホールと連通する。
そして、配線基板をはんだフローすると、スルーホール内をはんだが上昇して充填されると共に、はんだがヒートシンクの溝部内に濡れ拡がって充填される。これにより、ヒートシンクに実装された半導体素子の熱はヒートシンクの溝部内及びスルーホール内に充填されたはんだを通じて効率よく放熱される。

請求項３の発明によれば、半導体素子を配線基板上に実装すると、スペース部材により半導体素子と配線基板との間に隙間部が形成される。
そして、配線基板をはんだフローすると、スルーホール内にはんだが上昇して充填されると共に、半導体素子と配線基板との隙間部にはんだが濡れ拡がって充填される。これにより、半導体素子の熱は当該半導体素子と配線基板との間の隙間部及びスルーホール内に充填されたはんだを通じて効率よく放熱される。

請求項４乃至７の発明によれば、ヒートシンクを配線基板上に実装すると、スペース部材によりヒートシンクと配線基板との間に隙間部が形成される。
そして、配線基板をはんだフローすると、スルーホール内にはんだが上昇して充填されると共に、ヒートシンクと配線基板との間の隙間部にはんだが濡れ拡がって充填される。これにより、半導体素子の熱はヒートシンクと配線基板との隙間部及びスルーホール内に充填されたはんだを通じて効率よく放熱される。

請求項８の発明によれば、はんだペーストが溶解することによりはんだが濡れ拡がるものの、はんだペーストが塗布される金属パターンはスルーホールと接合された金属パターンと分離して設けられているので、はんだがスルーホールまで濡れ拡がってしまうことはなく、半導体素子またはヒートシンクと配線基板との間に隙間部を確実に形成することができる。
請求項９の発明によれば、本発明をＩＣパッケージに適用することが可能となる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１及び図２を参照して説明する。
図１は半導体装置の断面を模式的に示している。この図１において、プリント基板４１には内層配線による放熱層４２が形成されていると共に、その放熱層４２を貫通するようにスルーホール４３が形成されている。このスルーホール４３の内部ははんだ４４がほぼ完全にボイド無く充填されている。

プリント基板４１においてスルーホール４３上となる位置にＩＣチップ４５が実装されており、そのＩＣチップ４５とプリント基板４１とがワイヤ４６により接続されている。また、ＩＣチップ４５全体は封止樹脂４７で充填されている。このような構成により、ＩＣチップ４５の熱はスルーホール４３に充填されたはんだ４４を通じてプリント基板４１の裏面及び放熱層４２に効果的に放熱することができる。

図２は上記構成の半導体装置の製造工程を示している。
（ａ）まず、プリント基板４１の表面に表面実装部品４８をはんだ印刷法を使用したリフローはんだ付けによりはんだ付けする。
（ｂ）次に、リード部品４９のリード４９ａをプリント基板４１のスルーホールに挿入し、プリント基板４１の裏面からはんだフローではんだ付けする。このとき、ＩＣチップ４５が実装されるべき部位にある放熱用のスルーホール４３内に表面張力によりはんだ４４が上昇して充填される。
（ｃ）その後、プリント基板４１のスルーホール４３上となる位置にＩＣチップ４５を実装し、ワイヤ４６によりＩＣチップ４５上の電極とプリント基板４１上の電極とを接続してから、封止樹脂４７を充填する。これにより、ＣＯＢ（Chip On Board ）実装が完成する。

このような構成によれば、はんだフローによるはんだ付けを、スルーホール４３上にＩＣチップ４５が実装されていない状態で行うようにしたので、スルーホール４３の基板表面側の開口が保たれ、スルーホール４３へのはんだの充填を円滑に行うことができ、ボイドの発生を防止することができる。

この場合、スルーホール４３を有する構造においてははんだフローによるはんだ付けは必ず必要であることから、工程が増加することはない。
また、この実施の形態は、図１に示すような部品構成の場合の工程であるが、この他の場合にも、はんだ充填時にスルーホール４３の開口部が保たれる工程であれば、自由に工程順序は設定可能である。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態を、半導体装置を斜視して模式的に示す図３及び断面を模式的に示す図４を参照して説明する。この第２の実施の形態は、半導体基板の製作順序を変更することなくスルーホール内にはんだをボイドなく充填したことを特徴とする。
即ち、上記第１の実施の形態では、表面実装部品４８とＩＣチップ４５の実装とは別工程になるが、これらの部品を同一工程または連続工程での実装の方がライン上都合が良い場合が多い。特に、両者共はんだ付け実装の場合は、１回のはんだ印刷で両者共実装可能であり、効率がよい。
また、リード部品のような比較的大形の部品がある上でのＣＯＢ実装は、ワイヤボンド工程等で難点もあるため、避ける方が好ましい場合もある。

しかしながら、このような構成を採用した場合は、図２に示す工程順が（ａ）→（ｃ）→（ｂ）となり、はんだフロー時にはスルーホール４３の開口部がＩＣチップ４５により閉鎖されてしまって、はんだフロー時にはんだがスルーホール４３を上昇しなくなり、ボイドが発生するようになる。

そこで、この第２の実施の形態では、ＩＣチップ４５の下にヒートシンク５０を使用するようにした。このヒートシンク５０はＩＣチップ４５が短時間で大電力を発生する場合などは一時的な熱の吸収のために従来構造でも使用されるものであり、斯様なＩＣチップ４５の実装に際しては新たな付加構成材料とはならない。但し、従来のヒートシンクは通常箱形の形状であるが、本実施の形態のヒートシンクはスルーホール４３の開口部を閉鎖しないように下面に溝部５１を設けた構造が採用されている。

この場合、プリント基板４１上にヒートシンク５０を接着すると共に、そのヒートシンク５０上にＩＣチップ４５を接着した状態ではんだフローすると、プリント基板４１のスルーホール４３はヒートシンク５０の溝部５１を通じて開口しているので、はんだフロー時にはんだがスルーホール４３を上昇するようになる。このとき、ヒートシンク５０の溝部５１の中もはんだが濡れ拡がって充填されることから、ヒートシンク５０の熱伝導効果及び吸熱効果も向上する。

このような構成によれば、従来の製造方法を採用しながら、スルーホール４３及びヒートシンク５０の溝部５１にはんだをボイドなく充填することができるので、ＩＣチップ４５の放熱性を高めながら容易に実施することができる。
この場合、ヒートシンク５０の形状は、図３及び図４に示す形状に限定されることなく、スルーホール４３の開口部の抜け道を形成する形状であればどのような形状であってもよい。
尚、本実施の形態では、封止樹脂４７はヒートシンク５０の溝部５１によるスルーホール４３の抜け道を閉鎖しないように塗布する必要がある。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態を半導体装置の断面を模式的に示す図５を参照して説明する。
上記第２の実施の形態では、ヒートシンクに溝部を形成する等の加工を施したが、本実施の形態では、従来通りの箱形の単純な構造のヒートシンクを用いることを特徴とする。
即ち、プリント基板４１の表面に部分的に凸部５２（スペーサ部材に相当）を形成し、その上にヒートシンク５３を載置することで、プリント基板４１とヒートシンク５３との間に隙間部を形成し、その隙間部を通じてスルーホール４３の抜け道を形成するようにした。この凸部５２はダムシルク印刷により形成することができる。このダムシルク印刷とは、通常のＣＯＢ実装構造で用いられるもので、液状封止樹脂の流れ止めのため、ＩＣチップ周囲に印刷で形成される枠を形成するのに用いられるもので、高さが数十μｍ〜数百μｍ程度のものである。このダムシルク印刷時に凸部５２も同時に印刷することにより工程及びコストが増加することはない。勿論、この凸部５２は通常のシルク印刷により形成するようにしてもよいものの、この場合、凸部５２の高さは低くなる。

このような構成によれば、第２の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
尚、凸部５２としては小さな絶縁性部品を接着によりプリント基板４１に設けるようにしてもよい。
また、ヒートシンク５３の下面は平面でよいことから、ヒートシンク５３を用いることなくＩＣチップ４５をプリント基板４１に直接装着する構成にも適用できる。この場合、ＩＣチップ４４下面がはんだ接合可能な材料となっていれば、フローはんだによるはんだがＩＣチップ４５に直接接合されるため、熱伝導効果は高くなる。

また、ＩＣチップ４５の下面にバンプを形成することによりＩＣチップ４５とプリント基板４１との間に隙間部を形成するようにしてもよい。
また、ヒートシンク５３またはＩＣチップ４５をプリント基板４１に接着剤により装着するようにしてもよく、この場合は、スルーホール４３の開口部を閉鎖しなければ凸部に接着しても、或いはプリント基板４１の表面に直接接着してもよい。

さらに、ヒートシンク５３またはＩＣチップ４５をプリント基板４１にはんだで接続する場合は、プリント基板４１上の電極にしかはんだを接合することができないが、凸部５２の高さが十分に高く、はんだペーストの印刷の高さがそれより低い場合は、電極上のみ印刷したのでは接合が困難となるため、図６に示すようにはんだペースト５４（スペーサ部材に相当）を凸部５２の上へもはみ出して印刷する。このとき、はんだペースト５４がスルーホール４３を塞がないようにする必要がある。

また、はんだまたは接着剤（スペーサ部材に相当）によりＩＣチップ４５とプリント基板４１との間に隙間部を形成するようにしてもよい。つまり、図７に示すように、はんだ（または接着剤）５５をスルーホール４３の開口部を塞がないように部分的に塗布または印刷してＩＣチップ４５を実装した状態でリフローすることによりプリント基板４１に接合する。
このとき、はんだ（または接着剤）５５はＩＣチップ４５の全面には拡散せず隙間ができ、その隙間の高さははんだまたは接着剤の接合高さ分だけ確保されることになる。

このような構成によれば、特別な形状のヒートシンクを用いたり、プリント基板４１上に特別な部品を接合したりすることなく、スルーホール４３内にはんだをボイドなく充填することができるので、ＩＣチップ４５の放熱性を高めることができる。

尚、ＩＣチップ４５をプリント基板４１にはんだ接合する場合は、溶融したはんだは電極上を横に濡れ拡がる性質があるため、プリント基板上の電極パターンは図８に示すようにスルーホール４３につながる電極５６とはんだが接合される電極５７（金属パターンに相当）を分離して形成するのが望ましい。
また、いずれの構成においても封止樹脂は第２の実施の形態と同様、スルーホールの抜け道を塞ぐことのないように塗布する必要がある。

（第４の実施の形態）
次に本発明をモールドＩＣに適用した第４の実施の形態を半導体装置の断面を模式的に示す図９を参照して説明する。
即ち、上記第２の実施の形態と同一形状のヒートシンク５０上にリードフレーム５８を介してＩＣチップ４５が実装されており、そのＩＣチップ４５上の電極がワイヤ４５によりリードフレーム５９，６０と接続されている。

ここで、ＩＣチップ４５全体は樹脂によりパッケージされており、斯様な構成のモールドＩＣ６１の下面からヒートシンク５０の下面が露出している。この場合、モールドＩＣ６１がプリント基板４１に実装された状態で、プリント基板４１に形成されたスルーホール４３とヒートシンク５０の溝部５１とが連通するようになる。
そして、このような構成のモールドＩＣ６１をはんだフローすると、はんだがスルーホール４３内を上昇してヒートシンク５０の溝部５１に濡れ拡がって充填されるようになる。

このような構成によれば、モールドＩＣ６１をプリント基板４１に実装した状態ではんだフローすることができるので、第３の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
尚、モールドＩＣ６１にヒートシンクがない場合であっても、モールドＩＣ６１自体の下面に溝等を設けても同様な作用効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態における半導体装置の断面を示す模式図 製造工程を示す図 本発明の第２の実施の形態における半導体装置を示す斜視図 半導体装置の断面を示す模式図 本発明の第３の実施の形態における半導体装置の断面を示す模式図 変形の形態におけるプリント基板の断面を示す模式図 変形の形態におけるプリント基板の断面を示す模式図 電極を示す図 本発明の第４の実施の形態におけるモールドＩＣの断面を示す模式図 従来例における半導体装置の断面を示す模式図 他の従来例を示す図１０相当図 他の従来例を示す図１０相当図 他の従来例を示す図１０相当図 他の従来例を示す図１０相当図

符号の説明

図面中、４１はプリント基板（配線基板）、４３はスルーホール、４４ははんだ、４５はＩＣチップ（半導体素子）、５０はヒートシンク、５２は凸部（スペーサ部材）、５３はヒートシンク、５４ははんだペースト（スペーサ部材）、５５ははんだ（スペーサ部材）、５６は電極（金属パターン）、６１はモールドＩＣである。

Claims (9)

1. 配線基板上に実装された半導体素子の熱を当該配線基板のスルーホールを通じて放熱する構成の半導体装置の製造方法において、
   前記配線基板をはんだフローすることにより前記スルーホールにはんだを充填してから、前記半導体素子を前記配線基板に実装したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 配線基板上にヒートシンクを介して実装された半導体素子の熱を当該ヒートシンク及び上記配線基板のスルーホールを通じて放熱する構成の半導体装置の製造方法において、
   前記ヒートシンクを当該ヒートシンクの下面に形成された溝部が前記配線基板のスルーホールと連通した状態で前記配線基板に接着してから、前記配線基板をはんだフローすることにより前記スルーホール及び前記ヒートシンクの溝部にはんだを充填したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 配線基板上に実装された半導体素子の熱を当該配線基板のスルーホールを通じて放熱する構成の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体素子をスペーサ部材により前記配線基板との間に隙間部を形成した状態で実装してから、前記配線基板をはんだフローすることにより前記スルーホール及び前記半導体素子と前記配線基板との隙間部にはんだを充填したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 配線基板上にヒートシンクを介して実装された半導体素子の熱を当該ヒートシンク及び上記配線基板のスルーホールを通じて放熱する構成の半導体装置の製造方法において、
   前記ヒートシンクをスペーサ部材により前記配線基板との間に隙間部を形成した状態で実装してから、前記配線基板をはんだフローすることにより前記スルーホール及び前記ヒートシンクと前記配線基板との隙間部にはんだを充填したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記スペーサ部材は、前記配線基板上若しくは前記半導体素子の下面に設けられた凸部であることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記スペーサ部材は、接着剤であることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記スペーサ部材ははんだペーストであり、
   前記配線基板をリフローすることにより前記半導体素子若しくは前記ヒートシンクを当該配線基板との間に隙間部を形成した状態に保持したことを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記はんだペーストが塗布される金属パターンは、前記スルーホールと接続された金属パターンと分離して設けられていることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記半導体素子は前記ヒートシンクと伝熱的に一体化された状態でモールドされていると共に、そのモールドパッケージから前記ヒートシンクが外部に露出していることを特徴とする請求項２または請求項４乃至８の何れかに記載の半導体装置の製造方法。

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