JP2010109246A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高熱伝導性の樹脂により被覆された半導体素子を備えた半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、搭載領域と、この搭載領域に隣接する周辺領域とを有する回路基板２を準備する工程と、前記搭載領域上に半導体素子１を搭載する工程と、半導体素子１の側面および前記周辺領域上を第１の樹脂３ｂにより被覆する工程と、第１の樹脂３ｂから露出した半導体素子１の表面および第１の樹脂３ｂ上を第２の樹脂３ａにより被覆する工程とを備え、第１の樹脂３ｂは第２の樹脂３ａより高い流動性を有し、第２の樹脂３ａは第１の樹脂３ｂより高い熱伝導率を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂により被覆された、回路基板上の半導体素子を有する半導体装置、及びその半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置分野において、外部環境からの保護や機密保持などを目的に、半導体素子を樹脂封止することは広く実用化されている。その一つの方法として、半導体素子を実装したリードフレームや回路基板を金型に入れ、この金型内に溶融した樹脂を充填し、固化する方法が知られている。また、他の方法として、シート状の樹脂を用いて半導体素子を樹脂封止する方法が知られている。
特開２００３−２４９６０７号公報 特開平１１−２５１３４７号公報 特開２００７−１４２２４７号公報

複数の半導体素子と電子部品とにより構成される回路を単一のパッケージ内に納めたＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）モジュールでは、半導体素子の実装密度が高くなるため、半導体素子で発生した熱を速やかに外部へ放熱することができる熱伝導率の高い封止樹脂の適用が検討されている。しかし、封止樹脂の熱伝導率を高くするためには樹脂中に高熱伝導性のフィラーを多量に分散して配合しなければならない。フィラーを樹脂中に多量に分散して配合することにより樹脂の流動性が低下し、その結果、樹脂封止工程においてボンディングワイヤの倒れや、半導体素子の周囲にボイドが発生する可能性がある。そのため、封止樹脂として高熱伝導性の樹脂を採用することは困難であった。
特に、フリップチップ実装タイプの半導体装置においては、半導体素子と回路基板間の狭い隙間に流動性の低い樹脂を充填することはさらに困難性が高かった。

本発明の目的は、斯かる課題を可能な限り克服した、高熱伝導性の樹脂により被覆された半導体素子を備えた半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供することである。

上記問題を解決するため、本発明に係わる半導体製造装置の製造方法および半導体装置は以下の構成を備える。
請求項１記載の半導体装置の製造方法は、搭載領域と、この搭載領域に隣接する周辺領域とを有する回路基板を準備する工程と、前記搭載領域上に半導体素子を搭載する工程と、前記半導体素子の側面および前記周辺領域上を第１の樹脂により被覆する工程と、前記第１の樹脂から露出した前記半導体素子の表面および前記第１の樹脂上を第２の樹脂により被覆する工程とを備え、前記第１の樹脂は前記第２の樹脂より高い流動性を有し、前記第２の樹脂は前記第１の樹脂より高い熱伝導率を有する。
請求項２記載の半導体装置の製造方法は、請求項１記載の構成に加え、前記第１の樹脂および前記第２の樹脂はエポキシ樹脂から構成される。
請求項３記載の半導体装置の製造方法は、請求項１または請求項２記載の構成に加え、前記第１の樹脂および前記第２の樹脂は熱伝導性セラミックから成るフィラーを含有し、前記第２の樹脂中には前記第１の樹脂中よりも多くの前記フィラーが含まれる。
請求項４記載の半導体装置の製造方法は、請求項１から３のいずれか記載の構成に加え、
前記第２の樹脂は、硬化時の熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上である。
請求項５記載の半導体装置の製造方法は、請求項１から４のいずれかに記載の構成に加え、前記第１の樹脂は第１のシート状樹脂から構成されると共に、前記第１のシート状樹脂は前記搭載領域上の前記半導体素子の外形に応じて樹脂が形成されていない未形成領域を有し、前記第２の樹脂は第２のシート状樹脂から構成されると共に、前記第２のシート状樹脂は前記第１のシート状樹脂上に重ねて形成され、この重ねて形成された前記第１及び第２のシート状樹脂を前記回路基板上の前記半導体素子と前記未形成領域とが対応するように配置した後、加熱しながら加圧することにより、前記半導体素子の側面、前記周辺領域、および前記半導体素子の露出した表面を被覆する。
請求項６記載の半導体装置の製造方法は、請求項５記載の構成に加え、前記回路基板上に搭載された前記半導体素子を枠型内に配置し、前記加圧を行うことにより、前記第１及び第２のシート樹脂の内、余剰な樹脂が前記枠型から外部にオーバーフローする。
請求項７記載の半導体装置は、回路基板と、前記回路基板上に配置された半導体素子と、
前記半導体素子の側面および前記側面近傍の前記回路基板の表面を被覆する第１の樹脂と、前記第１の樹脂から露出した前記半導体素子の表面および前記第１の樹脂上を被覆し、前記第１の樹脂より高い熱伝導率を有する第２の樹脂とを備える。
請求項８記載の半導体装置は、請求項７記載の構成に加え、前記第１の樹脂および前記第２の樹脂はエポキシ樹脂から構成される。
請求項９記載の半導体装置は、請求項８記載の構成に加え、前記第１の樹脂および前記第２の樹脂は熱伝導性セラミックから成るフィラーを含有し、前記第２の樹脂中には前記第１の樹脂中よりも多くの前記フィラーが含まれる。
請求項１０記載の半導体装置は、請求項９記載の構成に加え、前記第２の樹脂は、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上である。

請求項１記載の発明によれば、高い流動性を有する第１の樹脂により半導体素子の凹凸、隙間にまで流動して半導体素子を効果的に封止できると共に、半導体素子上に高い熱伝導率を示す第２の樹脂が配置されているので、放熱性に優れた半導体装置を形成することができる。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明により得られる効果に加え、第１及び第２の樹脂が同じ材質であるため、両者の界面での接着強度が強固になる。
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明により得られる効果に加え、第１及び第２の樹脂中の高熱伝導性フィラーの量を調整することにより、流動性及び熱伝導率の双方を所望の値に設定できる。
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３記載の発明により得られる効果に加え、パッケージ表面からの放熱を飛躍的に向上させた半導体装置を実現できる。この半導体装置は、ヒートスプレッダと半導体装置を一体的に樹脂封止した従来の構造に比べて、材料コストおよび生産コストの両面で有利である。
請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至４記載の発明により得られる効果に加え、
第１のシート状樹脂が半導体素子の凹凸、隙間の形状に追従し易くなり、より微細な構造を有す半導体装置の樹脂封止を効果的に実現できる。
請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の発明により得られる効果に加え、加圧時に余剰な樹脂が枠型からオーバーフローするので、シート状樹脂が枠型外へ流出することなく、流動性の高い樹脂が封止すべき領域へ効果的に供給される。特に、フリップチップ実装タイプの半導体装置の製造方法においては、半導体素子と基板間のアンダーフィル部への樹脂充填を効果的に行うことができる。
請求項７記載の発明によれば、放熱性に優れた半導体装置を実現できる。特に、小型化、薄肉化された半導体装置の放熱性の改善には優れた効果がある。これにより半導体装置の電気的特性も改善され、優れた機能を発揮する半導体装置が実現できる。
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の発明により得られる効果に加え、界面での接着強度が強固な封止樹脂を実現できる。
請求項９記載の発明によれば、請求項７または８記載の発明により得られる効果に加え、第１及び第２の樹脂中の高熱伝導性フィラーの量を調整することにより、流動性及び熱伝導率を所望の値に設定できる。
請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の発明により得られる効果に加え、半導体装置の表面からの放熱を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態で参酌する図面では、発明の理解を容易にするため、各要素が模式的に示されている。本欄においては、前出の要素と同じ要素に同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。

図１は、本実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、２つの半導体素子１、回路基板２、樹脂３、ボンディングワイヤ４を備える。本実施形態では、説明の簡略化のため、２つの半導体素子しか示されていないが、実際には、説明されない複数の半導体素子および電子部品が回路基板２上に実装されている。回路基板２については、種々の樹脂基板、セラミック基板、ＦＰＣ基板やリードフレーム等、半導体素子を実装でき、その表面に半導体素子と電気的に接続可能な回路が形成されている基板であれば、本発明を適用できる。

半導体素子１は回路基板２の搭載領域に実装され、その表面に形成された回路がボンディングワイヤ４を介して回路基板２上の配線に接続される。搭載領域に隣接する回路基板２の表面を周辺領域と称する。本実施形態では、接続手段としてボンディングワイヤ４を例示しているが、後述の他の実施形態にも示される通り、半導体素子と回路基板との電気的接続は、ボンディング装置により接続された金属細線に限られるものではなく、両者を電気的に接続し、電気的回路の機能を発揮できるものであれば本発明に適用可能なことは言うまでもない。

樹脂３はエポキシ樹脂から構成され、成形前において常温では固体でシート形状を保持しているが、加熱すると溶融化し流動するものである。この樹脂シート３は特性の異なるシート状の樹脂３ａ、３ｂの２層から構成されている。

樹脂３ａは樹脂中に高熱伝導性セラミックスの粉末状アルミナがフィラーとして分散して配置されている。樹脂が硬化した際の熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上となるよう高熱伝導性セラミックスの配合量を調整している。樹脂３ａ中には、樹脂３ｂよりもフィラーが多量に充填されているため、樹脂３ａの流動性は樹脂３ｂより著しく低くなる。

これに対し樹脂３ｂは、後述する成形工程において半導体素子１の凹凸形状に樹脂が追従していくほどの高い流動性（易流動性と称する場合もある）を有するものであるので、樹脂３ｂ中のフィラーの量は樹脂３ａ中のフィラーの量より少ない。樹脂３ａ、３ｂ中に配合するフィラーは同種のものを用いれば調整が容易であるが、樹脂３ａの熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上、樹脂３ｂの易流動性を維持できるものであれば、異なるフィラーを用いてもよい。

樹脂シート３ａ、３ｂの母材となる樹脂には、エポキシ樹脂を用いている。母材が同じ材質であるため、これら２層間の接着は、半導体素子１や回路基板２との界面に比べ強固である。

このような半導体装置は放熱性に優れている。特に、半導体装置が小型化、薄肉化された場合、半導体素子から発される熱の影響は大きくなるので、放熱特性の改善は優れた技術的効果がある。

次に、このような半導体装置の製造方法について説明する。説明は樹脂封止の工程を中心に説明される。図６には、樹脂封止装置のワーク設置部の概略構成図が示されている。ワークとは、図１に示される半導体装置を得るための構成要素の総称を言うものである。
この樹脂封止装置には、ワークを載置するワーク設置台１１、ワークを加圧する加圧板１０、ワークを加熱する加熱手段（図示されない）、ワーク雰囲気を真空にする真空チャンバー１３、ワークの上下から加圧力を付与する加圧手段１２から構成されている。

図６（ａ）の状態から加圧手段１２が下降し、真空チャンバ１３によりワークの周囲が外気から遮断された時（図６（ｂ）の状態）、チャンバ１３に接続された図示しない真空ポンプを作動して開始され、ワークの雰囲気が真空引きされる。その後、加圧手段１２がさらに下降し、加圧板１０がワークの上端と接触することでワークに上下方向の加圧力が付与される。なお、加圧板１０およびワーク設置台１１には図示しないヒータが内蔵されており、温度調節手段によりワークの温度をコントロールできる。

図２には、ワーク部およびその周辺の要部拡大断面図が示されている。図２（ａ）にはワークが加圧される前、図２（ｂ）にはワークが加圧されている時の様子が示されている。
半導体素子１が搭載された回路基板２はワーク固定冶具７により固定されている。半導体素子１の周囲には、素子１を包囲する枠型５が配置されている。シート状の樹脂３ａ、３ｂはシート基材６に保持される。シート基材６としては、加圧時に湾曲しないような剛性を有し、かつ、加熱時に膨張しないような低線膨張係数となるような材質のものが好ましい。また硬化後において、樹脂３との離型性が良好な表面状態を有するものが好ましい。

２層構造のシート状の樹脂３は、形状追従性を良好にし、半導体素子１の上面を高熱伝導性の樹脂シート３ａに直接接触させるため、樹脂シート３ｂの半導体素子１にかかる部位の一部を切り抜いている。切り抜いた部分を樹脂の未形成領域と称する場合もある。本実施形態では、加圧時に流動性の低い樹脂３ａによるボンディングワイヤへの圧迫を低減するため、ボンディングワイヤの上部に相当する部分は未形成領域ではない。すなわち、ボンディングワイヤ上部に対応する部分にはシート状の樹脂３ｂが形成されている。樹脂３ｂの厚さは、回路基板２からボンディングワイヤ４の最高部までの領域が樹脂３ｂにより封止できる程度に厚みが調整されている。樹脂３をこのような構成とすることにより、加圧時にボンディングワイヤを樹脂３ａから保護すると共に、封止後に樹脂シート３ａが半導体素子１の上面に接触した構造が得られ、素子１の上面から半導体装置外部への放熱経路を形成することができる。樹脂シート３ａについては、加圧時に余剰な樹脂が枠型５からオーバーフローする程度の厚さに設定されている。余剰な樹脂３ａがオーバーフローするように設定されるので、樹脂シート３ｂは外部に流出せず、易流動性の樹脂で封止すべき領域への樹脂の供給量を確保することができる。

枠型５は樹脂を加圧して封止する際に樹脂３が外側へ流出するのを防止し、さらに、加圧手段１２の加圧力が上下方向だけでなく半導体装置のあらゆる方向に付与され、半導体素子１の側面にも樹脂を押し付けられるようにするためのものである。図２（ｂ）に示すように、ワークが加圧された時、枠型５とシート基材６の間に形成された複数の隙間９から、余剰な樹脂３ａがオーバーフローする。

本実施形態の樹脂封止工程は以下の手順により実施される。
まず、図２（ａ）の状態から加圧手段１２を下降し、真空チャンバ１３よりワーク周囲を外気から遮断する。その後、真空ポンプによりワーク周囲の雰囲気を真空状態にする。

その後、加圧板１０およびワーク設置台１１に内蔵されたヒータによりワークを加熱する。樹脂３ａ、３ｂが溶融温度に到達後、加圧手段１２をさらに下降し、図２（ｂ）のように樹脂３ａ、３ｂにより半導体素子１および回路基板２を埋め込み封止する。

その後、加圧手段１２による加圧状態を保持しながら真空チャンバ１３内の真空状態を大気開放する。大気開放することで枠型５の外部からワーク内に大気圧がかかる。この状態を保持するか、もしくはこの状態からワークの温度を上げて１次硬化を行う。加圧手段１２と大気圧の作用により半導体素子１と回路基板２の凹凸形状に樹脂シート３ａ、３ｂが追従していく。ワーク内は真空状態であるため樹脂内部の隙間に空気は無く、ワーク内での樹脂の流動が空気により阻害されることはない。また、枠型５の外部は大気開放されているので枠型５に設けられたオーバーフロー用の隙間９からの樹脂流出は大気圧により抑制され、硬化時に溶融した樹脂がワークから引かれることはない。

１次硬化終了後、樹脂封止装置からワークを取り出し、取り出したワークを２次硬化させて図１に示す半導体装置が得られる。

図３には、他の実施形態に係わる半導体装置の断面図が示されている。本実施形態の半導体装置１’はフリップチップ実装により回路基板２へ接続されている。フリップチップ実装では、バンプ接合部８を介して半導体素子１と回路基板２が接続され、半導体素子１と回路基板２との間に狭ギャップの領域が形成されている。一般に、この狭ギャップの領域を封止するために、アンダーフィル充填工程と呼ばれる別工程においてアンダーフィル樹脂を充填するプロセスが採用されている。この狭ギャップの領域を有するような半導体装置へ本発明を適用すれば、さらに効果が顕著になる。本実施形態の説明においては、半導体素子１’および樹脂３の形状について中心的に説明する。その他の要素については上述の実施形態の説明を参酌できる。

本実施形態の樹脂シート３は上述の実施形態と同様の材料により構成されると共に、２層構造のものである。本実施形態では、図４に示されるように樹脂シート３ｂが半導体素子１の形状とほぼ一致するように切り抜かれている。すなわち、上述の実施形態の樹脂３ｂと比較して未形成領域が大きい。フリップチップ実装の場合、ボンディングワイヤが存在しないので、半導体素子１’の上面全体が高熱伝導性を有す樹脂シート３ａと接触するように樹脂３の形状が設定される。これにより、最終的に得られた半導体装置において半導体素子１’の放熱面積が拡大するので、より放熱効果が期待できる。

本実施形態における樹脂封止工程は、基本的には上述の封止工程と同様である。本実施形態では、ワークの１次硬化を行う際、加圧手段１２と大気圧の作用により半導体素子１’と回路基板２の凹凸形状に樹脂シート３ａ、３ｂが追従していくのと併せ、半導体素子１’と回路基板２間の狭ギャップ領域にも加圧による作用で溶融した樹脂シート３ｂが充填されていく。なお、この過程で狭ギャップ領域は真空状態になっているため、樹脂の充填が空気により阻害されないことは言うまでも無い。１次硬化終了後、樹脂封止装置からワークを取り出し、取り出したワークを２次硬化させて図３に示す半導体装置が得られる。

本発明に係わる半導体装置は、半導体素子１、１’の上面から外部までの放熱経路に熱伝導率２Ｗ／ｍＫ以上の樹脂を適用できる。このため、半導体装置のパッケージ表面からの放熱を飛躍的に向上することができる。また、放熱性を得るためにヒートスプレッダなどと半導体装置を一体的に樹脂封止するといった必要もなく、材料コストと生産コストの両面で従来に比べて優れている。

本発明の実施形態では、エポキシ樹脂を用いたが、その他に不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いてもよい。フィラーとして粉末状アルミナの他に窒化アルミ、窒化ホウ素などの高熱伝導性セラミックスなどの粉末微粒子または繊維を用いてもよい。種々の半導体装置において要求される任意の熱伝導性に応じてフィラーの配合比率を変えることにより適宜熱伝導率を設定することができる。

本発明は上述の実施形態の半導体装置に限定されるものではなく、例えば、図５に示すような複数の半導体装置が単一の回路基板上に構成された構成にも適用できる。この例では、上述の実施形態に従い回路基板上の複数の半導体装置を樹脂封止した後、図５中の点線部分（切断箇所）をダイシング工程により切断する。これによりパッケージ化された複数の半導体装置を得ることができる。この例では、複数の半導体装置の樹脂封止を一括して行うことができ、生産性をさらに向上させることができる。

さらに、本実施形態では樹脂封止装置からワークを取り出し後、２次硬化により樹脂を完全硬化させるといった手順を取ったが、装置内で樹脂の硬化を完了させることもできる。

本発明の実施形態に係わる半導体装置の断面図 本発明の実施形態に係わる樹脂封止工程を説明する工程断面図 本発明の他の実施形態に係わる半導体装置の断面図 本発明の他の実施形態に係わる樹脂封止工程を説明する工程断面図 本発明の応用例を説明する工程断面図 本発明の実施形態における樹脂封止装置の断面構成図

符号の説明

１ 半導体素子
２ 回路基板
３ａ、３ｂ 樹脂
４ ボンディングワイヤ
５ 枠型
６ シート基材
７ ワーク固定ジグ
８ バンプ接合部
９ 隙間
１０ 加圧板

Claims (10)

1. 搭載領域と、この搭載領域に隣接する周辺領域とを有する回路基板を準備する工程と、
   前記搭載領域上に半導体素子を搭載する工程と、
   前記半導体素子の側面および前記周辺領域上を第１の樹脂により被覆する工程と、
   前記第１の樹脂から露出した前記半導体素子の表面および前記第１の樹脂上を第２の樹脂により被覆する工程とを備え、
   前記第１の樹脂は前記第２の樹脂より高い流動性を有し、前記第２の樹脂は前記第１の樹脂より高い熱伝導率を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１の樹脂および前記第２の樹脂はエポキシ樹脂から構成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１の樹脂および前記第２の樹脂は熱伝導性セラミックから成るフィラーを含有し、前記第２の樹脂中には前記第１の樹脂中よりも多くの前記フィラーが含まれることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第２の樹脂は、硬化時の熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１の樹脂は第１のシート状樹脂から構成されると共に、前記第１のシート状樹脂は前記搭載領域上の前記半導体素子の外形に応じて樹脂が形成されていない未形成領域を有し、
   前記第２の樹脂は第２のシート状樹脂から構成されると共に、前記第２のシート状樹脂は前記第１のシート状樹脂上に重ねて形成され、
   この重ねて形成された前記第１及び第２のシート状樹脂を前記回路基板上の前記半導体素子と前記未形成領域とが対応するように配置した後、加熱しながら加圧することにより、前記半導体素子の側面、前記周辺領域、および前記半導体素子の露出した表面を被覆することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記回路基板上に搭載された前記半導体素子を枠型内に配置し、前記加圧を行うことにより、前記第１及び第２のシート樹脂の内、余剰な樹脂が前記枠型から外部にオーバーフローすることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 回路基板と、
   前記回路基板上に配置された半導体素子と、
   前記半導体素子の側面および前記側面近傍の前記回路基板の表面を被覆する第１の樹脂と、
   前記第１の樹脂から露出した前記半導体素子の表面および前記第１の樹脂上を被覆し、前記第１の樹脂より高い熱伝導率を有する第２の樹脂とを備えたことを特徴とする半導体装置。
8. 前記第１の樹脂および前記第２の樹脂はエポキシ樹脂から構成されたことを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
9. 前記第１の樹脂および前記第２の樹脂は熱伝導性セラミックから成るフィラーを含有し、前記第２の樹脂中には前記第１の樹脂中よりも多くの前記フィラーが含まれることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
10. 前記第２の樹脂は、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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