JP2010165813A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成の複雑化や製造効率の低下等を招くことなく、半導体素子を中心にした上下シンメトリな構成の半導体装置を容易かつ確実に実現できるようにする。
【解決手段】半導体素子２と、前記半導体素子２を上下から挟むように配された上側基板３および下側基板４と、前記上側基板３と前記下側基板４との間に充填されて前記半導体素子２を封止する封止樹脂５と、前記半導体素子２と前記下側基板４との間隔に相当する粒径を有し、少なくとも前記半導体素子２と前記下側基板４との間に介在する前記封止樹脂５に混入される第１の球状フィラー１１とを備えて、半導体装置１を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

近年、半導体装置については、高速化や大電力化等の進展に伴い、熱放散性の向上が望まれている。これに対応すべく、半導体装置の中には、二層の放熱板を備えて構成されたものがある。さらに詳しくは、半導体素子を上下から挟むように二層の放熱板となる上側基板および下側基板が配されているとともに、これらの間に充填された封止樹脂が当該半導体素子を封止するように構成されたものがある。このような構成の半導体装置は、上側基板および下側基板が放熱板として機能することで、熱放散性が良好でパッケージの大型化や薄型化に対応した信頼性の高いものとなる（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−９２６６７号公報

ところで、上述したような二層の放熱板に半導体素子がサンドイッチされた構成の半導体装置では、当該半導体素子が上下の基板間の略中央に位置していることが望ましい。半導体素子が略中央に位置しており、当該半導体素子を中心にして上下シンメトリ（対象）に構成されていれば、応力歪による特性変動を抑制し得る等の利点が得られるからである。
しかしながら、従来構成では、上下の基板と半導体素子との間には封止樹脂が介在しているため、当該半導体素子を中心にして上下シンメトリに構成することが必ずしも容易ではない。半導体素子に重力が作用すると、封止樹脂の流動性等に起因して、当該半導体素子の位置が確定せずに変動し得るからである。
これを回避するためには、封止樹脂とは別に、半導体素子と下側の基板との間に、当該半導体素子の支持柱等を形成することが考えられる。ただし、その場合には、封止樹脂の充填に加えて、支持柱等の形成が必要となってしまい、装置構成の複雑化や製造効率の低下等を招いてしまう。

そこで、本発明は、装置構成の複雑化や製造効率の低下等を招くことなく、半導体素子を中心にした上下シンメトリな構成を容易かつ確実に実現することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために案出された半導体装置で、半導体素子と、前記半導体素子を上下から挟むように配された上側基板および下側基板と、前記上側基板と前記下側基板との間に充填されて前記半導体素子を封止する封止樹脂と、前記半導体素子と前記下側基板との間隔に相当する粒径を有し、少なくとも前記半導体素子と前記下側基板との間に介在する前記封止樹脂に混入される第１の球状フィラーとを備える。

上記構成の半導体装置では、半導体素子と下側基板との間に、封止樹脂に混入された第１の球状フィラーが並ぶように配される。したがって、半導体素子と下側基板との間は、その間隔の大きさが、第１の球状フィラーの粒径によって規定されることになる。つまり、封止樹脂の流動性等に影響されることなく、また半導体素子の支持柱等の形成を要することなく、半導体素子と下側基板との間隔が物理的に規定され、これにより当該下側基板に対する当該半導体素子の位置が確定することになる。

本発明によれば、半導体素子と下側基板との間隔が第１の球状フィラーの粒径によって物理的に規定されるので、例えば当該半導体素子に重力が作用した場合であっても、封止樹脂の流動性等に起因する当該半導体素子の位置変動が生じてしまうことがない。したがって、装置構成の複雑化や製造効率の低下等を招くことなく、半導体素子を中心にした上下シンメトリな構成の半導体装置を、容易かつ確実に実現することができる。

本発明に係る半導体装置の概略構成例を示す側断面図である。 本発明に係る半導体装置の特徴的な構成例を示す説明図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法の一具体例を示す流れ図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法の他の具体例を示す流れ図である。 応力緩和のメカニズムの概要を示す説明図である。 熱放散性向上のメカニズムの概要を示す説明図である。

以下、図面に基づき本発明に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。

［半導体装置の概略構成例］
先ず、半導体装置の概略構成を説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の概略構成例を示す側断面図である。
図１（ａ）に示すように、半導体装置１は、半導体素子２と、上側基板３および下側基板４と、封止樹脂５と、リードフレーム６と、を備えている。
半導体素子２は、半導体装置１のコアチップとなるもので、例えばシリコン（Ｓｉ）基板を基材として構成されたものである。
上側基板３および下側基板４は、半導体素子２を上下から挟むように配されている。これら上側基板３および下側基板４は、半導体素子２と同等の物性を有する形成材料によって形成されていることが望ましい。具体的には、半導体素子２の基材と同等の物性を有するシリコン（Ｓｉ）基板によって形成することが考えられる。または、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を形成材料とすることも考えられる。
封止樹脂５は、上側基板３と下側基板４との間に充填されて、半導体素子２を封止するものである。封止樹脂５としては、一般に電子部品封止用として用いられるエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を主成分とする熱硬化性材料、または、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の結晶性高分子を主成分とする熱可塑性材料等を使用することが考えられる。
リードフレーム６は、半導体素子２と導通して、当該半導体素子２からの電気信号の取り出しを行うためのものである。この電気信号の取り出しのために、リードフレーム６は、例えば金属薄板によって形成されており、上側基板３と下側基板４との間から封止樹脂５による封止領域外に延出するように配されている。
なお、封止樹脂５による封止領域内において、半導体素子２とリードフレーム６との間は、例えば図１（ｂ）に示すように、ボンディングワイヤ７によって導通が確保されている。ただし、例えば図１（ｃ）に示すように、上側基板３または下側基板４に形成された配線層８と、当該配線層８とリードフレーム６とを接続するバンプ９とによって、導通が確保されていてもよい。
また、封止樹脂５による封止領域内には、例えば図１（ｄ）に示すように、複数の半導体素子２が配設されていてもよい。

［半導体装置の要部構成例］
続いて、半導体装置の要部構成を説明する。ここで説明する要部構成が、本発明に係る半導体装置の特徴点に相当する。
図２は、本発明に係る半導体装置の特徴的な構成例を示す説明図である。

図２（ｂ）に示すように、上側基板３と下側基板４との間に充填されて半導体素子２を封止する封止樹脂５には、球状フィラー１１，１２が混入されている。
球状フィラー１１，１２は、封止樹脂５の形成材料に添加混入されて、その封止樹脂５に熱伝導性や寸法安定性等の特性を付与するものである。球状フィラー１１，１２の形成材料は、封止樹脂５に付与すべき特性に応じて、例えばシリカ（ＳｉＯ₂）といった公知のものを用いればよく、特に限定されるものではない。
ただし、封止樹脂５に混入される球状フィラー１１，１２の粒径については、以下に述べるようになっている。

少なくとも半導体素子２と下側基板４との間に介在する封止樹脂５には、第１の球状フィラー１１が混入される。すなわち、少なくとも半導体素子２の直下の領域部分には、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５が配されるのである。
第１の球状フィラー１１は、半導体素子２と下側基板４との間隔（設計値）に相当する粒径を有している。具体的には、例えばφ８０〜１２０μｍ程度で均一な大きさの粒径を有している。

一方、半導体素子２と下側基板４との間以外に充填される封止樹脂５には、第２の球状フィラー１２が混入される。すなわち、半導体素子２と上側基板３との間や当該半導体素子２の側方領域部分等には、第２の球状フィラー１２が混入された封止樹脂５が配されるのである。
第２の球状フィラー１２は、第１の球状フィラー１１よりも小さい粒径を有している。具体的には、例えばφ３〜１０μｍ程度で均一な大きさの粒径を有している。

［半導体装置の製造方法］
次に、以上のような構成の半導体装置１の製造方法について説明する。

図３は、本発明に係る半導体装置の製造方法の一具体例を示す流れ図である。図例は、上側基板３または下側基板４に配線層８がなく、半導体素子２とリードフレーム６との導通をボンディングワイヤ７によって確保する場合における製造手順を示している。
図例のように、半導体装置１の製造にあたっては、先ず、下側基板４を用意し（ステップ１０１、以下ステップを「Ｓ」と略す。）、その下側基板４の上面に第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を配する（Ｓ１０２）。そして、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を配したら、その上に半導体素子２を配する（Ｓ１０３）。これにより、少なくとも半導体素子２と下側基板４との間には、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５が介在することになる。
その後は、半導体素子２および第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５の周りを囲うようにリード接着剤２１を配するとともに（Ｓ１０４）、そのリード接着剤２１に重ねてリードフレーム６を配する（Ｓ１０５）。そして、ワイヤボンディングを行って、半導体素子２とリードフレーム６との間をボンディングワイヤ７で導通する（Ｓ１０６）。
ワイヤボンディング後は、半導体素子２やボンディングワイヤ７等の周りを囲うように形成された金型２２を装着する（Ｓ１０７）。そして、金型２２で囲われた内側領域に、第２の球状フィラー１２が混入された封止樹脂５を充填する（Ｓ１０８）。これにより、半導体素子２やボンディングワイヤ７等は、第２の球状フィラー１２が混入された封止樹脂５によって封止されることになる。
さらに、その後は、封止樹脂５に重ねて上側基板３を配する（Ｓ１０９）。そして、封止樹脂５を硬化させた後に金型２２を取り外せば、上述した構成（例えば、図１（ｂ）参照。）の半導体装置１が製造されることになる（Ｓ１１０）。

図４は、本発明に係る半導体装置の製造方法の他の具体例を示す流れ図である。図例は、上側基板３および下側基板４に配線層８があり、その配線層８を利用して半導体素子２とリードフレーム６との導通を確保する場合における製造手順を示している。
図例の場合にも、先ず、下側基板４を用意し（Ｓ２０１）、その下側基板４の上面に第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を配する（Ｓ２０２）。そして、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を配したら、その上に半導体素子２を配する（Ｓ２０３）。これにより、少なくとも半導体素子２と下側基板４との間には、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５が介在することになる。
その後は、半導体素子２および第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５の周囲における下側基板４上での配線層８の形成箇所にバンプ９を配するとともに（Ｓ２０４）、そのバンプ９に重ねてリードフレーム６を配する（Ｓ２０５）。そして、ワイヤボンディングを行って、半導体素子２とリードフレーム６との間をボンディングワイヤ７で導通する（Ｓ２０６）。
ワイヤボンディング後は、上側基板３における配線層８の形成箇所に対応するようにリードフレーム６に重ねてバンプ９を配するとともに（Ｓ２０７）、そのバンプ９に重ねて上側基板３を配する（Ｓ２０８）。そして、上側基板３と下側基板４との間、特に当該下側基板４上に配されている半導体素子２と上側基板３との間に、第２の球状フィラー１２が混入された封止樹脂５を注入し充填する。これにより、半導体素子２やボンディングワイヤ７等は、第２の球状フィラー１２が混入された封止樹脂５によって封止されることになる。
その後、封止樹脂５を硬化させれば、上述した構成（例えば、図１（ｃ）参照。）の半導体装置１が製造されることになる（Ｓ２０９）。

なお、上述した各製造方法において、金型２２の形成材料や封止樹脂５の充填手法等については、公知技術を利用して行えばよいため、その説明を省略している。すなわち、特段の説明がない点については、公知技術を利用して行えばよく、その内容が特に限定されるものではない。

［半導体装置の特性］
次に、以上のような構成の半導体装置１の特性について説明する。

上述した構成の半導体装置１は、図２（ｂ）に示すように、半導体素子２と下側基板４との間に、封止樹脂５に混入された第１の球状フィラー１１が並ぶように配される。第１の球状フィラー１１は、球状に形成されており、均一な大きさの粒径を有している。したがって、このような第１の球状フィラー１１が並ぶと、半導体素子２と下側基板４との間は、その間隔の大きさが、第１の球状フィラー１１の粒径によって規定されることになる。つまり、第１の球状フィラー１１のそれぞれの姿勢によらず、一列に並ぶ第１の球状フィラー１１の粒径によって、半導体素子２と下側基板４との間隔が物理的に規定されるのである。ここで、物理的とは、第１の球状フィラー１１が空間に位置を占めることによりという意である。

半導体素子２と下側基板４との間隔が物理的に規定されると、これにより当該下側基板４に対する当該半導体素子２の位置が確定することになる。具体的には、例えば、封止樹脂５が未硬化の段階で、半導体素子２に重力が作用しても、あるいは半導体素子２が上方側から押圧されても、第１の球状フィラー１１の粒径より半導体素子２と下側基板４との間隔が小さくなることがない。しかも、そのために、半導体素子２と下側基板４との間に支持柱等を設ける必要がなく、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を配するだけでよい。つまり、封止樹脂５の流動性等に影響されることなく、また半導体素子２の支持柱等の形成を要することなく、下側基板４に対する半導体素子２の位置が確定するのである。

このように、下側基板４に対する半導体素子２の位置が物理的に確定すると、封止樹脂５の流動性等に起因する当該半導体素子２の位置変動が生じてしまうことがない。したがって、下側基板４に対する上側基板３の位置さえ管理すれば、図２（ａ）に示すように、半導体素子２を当該上側基板３と当該下側基板４との間の略中央に位置させることが容易に実現可能となる（図中矢印Ａ参照）。つまり、封止樹脂５の流動性等に影響されることなく、また装置構成の複雑化や製造効率の低下等を招くことなく、半導体素子２を中心にした上下シンメトリ（対象）な構成の半導体装置１を、容易かつ確実に実現することができる。

上下シンメトリな構成の半導体装置１は、上下シンメトリでない構成に比べて、応力緩和特性や熱放散特性等に優れたものとなる。

図５は、応力緩和のメカニズムの概要を示す説明図である。図例は、半導体素子２の中心から上側基板３の上面までの距離Ｌupと、当該半導体素子２の中心から下側基板４の下面までの距離Ｌdownとが、Ｌup＝Ｌdownの関係にあり、上下シンメトリに構成された半導体装置１を示している。
このような構成の半導体装置１では、Ｌup＝Ｌdownとすることにより、半導体素子２を中心とした上下の厚さが同じとなる。すなわち、半導体素子２の上下部分および上側基板３と下側基板４とについて、その厚さ、大きさ、材質等が、当該半導体素子２を中心としてシンメトリ（対象）になっている。したがって、中央の半導体素子２に加わる応力が、バランスの採れたものとなる。つまり、応力の不均一さが解消される。
しかも、中央の半導体素子２は、その上下が封止樹脂５に封止されているので、その封止樹脂５の弾性等によっても応力緩和が図れる。その上、半導体装置１の全体については、リードフレーム６の存在によって、応力が緩和され得る。さらには、所定硬度を持つ上側基板３および下側基板４が半導体素子２を上下からサンドイッチしているので、これら上側基板３および下側基板４が補強板としての機能を果すことになり、これにより当該半導体素子２に生じる歪も緩和されることになる。
これらのことから、上下シンメトリな構成の半導体装置１は、上下シンメトリでない構成に比べて、応力緩和特性に優れたものとなる。

図６は、熱放散性向上のメカニズムの概要を示す説明図である。
図例のように、上側基板３および下側基板４が半導体素子２を上下からサンドイッチする構成の半導体装置１では、上側基板３が半導体素子２からの熱を空中へ放散するヒートシンクとして機能することになる。また、下側基板４と半導体装置１を搭載する電子回路基板とを接合させれば、当該下側基板４を通じて、半導体素子２からの熱が当該電子回路基板へ伝播することになる。さらに、リードフレーム６が半導体装置１の側方への放熱を行うことにもなる。特に、封止樹脂５が薄ければ、熱伝導率の大きい上側基板３または下側基板４へ半導体素子２の熱を逃がし易くなる。
このように、半導体装置１は、上側基板３および下側基板４が半導体素子２を上下からサンドイッチする構成とすることで、当該半導体素子２からの熱が全方向に向けて放散される。
したがって、上下シンメトリな構成の半導体装置１は、上下シンメトリでない構成に比べて、熱放散特性についても優れたものとなる。これにより、半導体素子２が熱源となる場合であっても、半導体装置１における熱応力を抑制し得るようになる。

ところで、上下シンメトリな構成の半導体装置１を得るためには、少なくとも半導体素子２と下側基板４との間に第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を介在させればよい。したがって、半導体素子２と下側基板４との間以外については、第１の球状フィラー１１が混入された封止樹脂５を充填することも考えられるし、あるいはフィラーが全く混入されていない封止樹脂５を充填することも考えられる。
ただし、上述した構成の半導体装置１では、既に説明したように、半導体素子２と下側基板４との間以外に、第２の球状フィラー１２が混入された封止樹脂５が充填されている。これは、以下に述べる理由によるものである。
第２の球状フィラー１２は、第１の球状フィラー１１よりも小さい粒径を有している。そのため、第１の球状フィラー１１が混入された場合に比べると、小さな隙間にも充填し易くなる。すなわち、例えば半導体素子２と上側基板３との間にボンディングワイヤ７が存在する場合であっても、ボンディングワイヤ７やリードフレーム６等の形状に合わせて、効率よく、かつ、確実に、封止樹脂５を充填することが可能となる。
また、第２の球状フィラー１２を混入すると、フィラーが全く混入されていない場合に比べて、封止樹脂５の粘性が高くなる。そして、その粘性は、第２の球状フィラー１２を混入量等によって調整することが可能である。したがって、第２の球状フィラー１２を混入すれば、封止樹脂５を上側基板３と下側基板４との間に充填する上で好適な粘性に調整することが容易に実現可能となる。つまり、フィラーを全く混入しない場合とは異なり、例えば封止樹脂５の粘性が足りずに流れてしまうといったことが生じるのを未然に防止することができ、上側基板３と下側基板４との間への封止樹脂５の充填を、良好かつ確実に行うことが可能となる。

また、上述した構成の半導体装置１では、上側基板３および下側基板４が、半導体素子２と同等の物性を有する形成材料によって形成されている。このことは、上側基板３および下側基板４と、半導体素子２との間で、それぞれの熱膨張係数についても同等であることを意味する。
したがって、上側基板３および下側基板４が半導体素子２を上下からサンドイッチする構成であっても、それぞれの熱膨張係数の相違に起因して半導体装置１に歪みが生じてしまうことがない。このことによっても、優れた応力緩和特性や熱放散特性等が得られることになる。

また、上述した構成の半導体装置１では、半導体素子２と導通するリードフレーム６が、上側基板３と下側基板４との間から封止樹脂５による封止領域外に延出するように配されている。したがって、リードフレーム６が半導体素子２からの熱を空中へ放散する放熱手段として機能して、これにより半導体装置１の側方への放熱が行われることになる。つまり、リードフレーム６を利用して、優れた熱放散特性が実現されることになる。さらには、リードフレーム６の存在によって、半導体装置１の応力が緩和され得るので、優れた応力緩和特性も実現されることになる。

なお、上述した実施の形態では、本発明の好適な実施具体例を説明したが、本発明はその内容に限定されることはない。
例えば、上述した実施の形態で例示した具体的な形成材料や数値等は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
このように、本発明は、本実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することが可能である。

１…半導体装置、２…半導体素子、３…上側基板、４…下側基板、５…封止樹脂、６…リードフレーム、１１…第１の球状フィラー、１２…第２の球状フィラー

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子を上下から挟むように配された上側基板および下側基板と、
   前記上側基板と前記下側基板との間に充填されて前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
   前記半導体素子と前記下側基板との間隔に相当する粒径を有し、少なくとも前記半導体素子と前記下側基板との間に介在する前記封止樹脂に混入される第１の球状フィラーと
   を備える半導体装置。
2. 前記第１の球状フィラーよりも小さい粒径を有し、前記半導体素子と前記下側基板との間以外に充填された前記封止樹脂に混入される第２の球状フィラー
   を備える請求項１記載の半導体装置。
3. 前記上側基板および前記下側基板は、前記半導体素子と同等の物性を有する形成材料によって形成されている
   請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子と導通するリードフレームが、前記上側基板と前記下側基板との間から前記封止樹脂による封止領域外に延出するように配されている
   請求項１、２または３記載の半導体装置。
5. 下側基板の上面に第１の球状フィラーが混入された封止樹脂を配する工程と、
   前記封止樹脂を介在させた状態で前記下側基板の上方側に半導体素子を配して、当該下側基板と当該半導体素子との間が前記第１の球状フィラーの粒径に相当する間隔になるようにする工程と、
   前記下側基板および前記半導体素子の上方側を封止樹脂で覆う工程と、
   前記封止樹脂を介在させた状態で前記下側基板および前記半導体素子の上方側に上側基板を配して、当該上側基板および当該下側基板が当該半導体素子を上下から挟みつつ、当該半導体素子が前記封止樹脂によって封止されるようにする工程と
   を含む半導体装置の製造方法。

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