JP2011014722A - 半導体チップの基板実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの実装基板として樹脂基板を使用しても、チップ及び基板の間の高い接合信頼性と、チップの放熱性との両方を確保することができる半導体チップの基板実装構造を提供する。
【解決手段】パワーベアチップ４の実装基板として樹脂基板２を使用する。パワーベアチップ４と樹脂基板２との間に、金属板６を介装する。この金属板６は、基板２上のパワーベアチップ４ごとに切り分けることにより個片化する。また、これら金属板６は、電気的に同電位で電気接続する箇所であっても、それぞれ切り分けて個別化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップを基板に実装するときに用いる半導体チップの基板実装構造に関する。

従来、パワーベアチップの実装先の基板としては、一般的にセラミック基板や金属基板（特許文献１，２等参照）が使用されている。これは、パワーベアチップには使用時において大電流が流れるので、同チップが発熱する傾向にあることが理由である。このため、基板としてセラミック基板や金属基板を使用すれば、基板が熱膨張し難くなるので、パワーベアチップと基板との接合箇所の信頼性が高いレベルで確保され、また基板自体が熱を持ち難いことにより、耐熱性にも優れる利点も得られる。

特開２００２−１８５０８９号公報 特開２００３−０２３２２３号公報

しかし、セラミック基板や金属基板には、一般的に樹脂基板と比べてコストが高いという欠点があるので、部品コストを低く抑えるために、樹脂基板を使用しても、この種のベアチップの接合信頼性及び放熱性を確保できる技術の開発が要望されていた。また、この種のセラミック基板や金属基板では、素子やパターンの高密度化が困難であるという現状があり、逆に樹脂基板であれば高密度化が可能であるので、この点からも樹脂基板を使用したいニーズがあった。

本発明の目的は、半導体チップの実装基板として樹脂基板を使用しても、チップ及び基板の間の高い接合信頼性と、チップの放熱性との両方を確保することができる半導体チップの基板実装構造を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、半導体チップを基板に実装するときに使用する半導体チップの基板実装構造において、前記基板として樹脂基板を使用するとともに、金属部材を介して前記半導体チップを前記樹脂基板に実装したことを要旨とする。

この構成によれば、半導体チップの実装基板として樹脂基板を使用するので、基板に必要となる部品コストを、例えばセラミック基板や金属基板のときと比較して低く抑えることが可能となる。しかし、この種の樹脂基板と半導体チップとの間には、熱膨張率に大きな差があるので、もし仮に半導体チップを樹脂基板に直に実装すると、熱膨張の際に一方が他方に対して大きく形状変化してしまうことから、この形状変化に伴って接合箇所から２者が剥がれ、これが接合信頼性の問題点になってしまう。また、樹脂基板には熱が伝わり難い特性があるので、半導体チップに発生する熱の逃がしところもなくなり、放熱性に関しても問題が発生する。

しかし、本構成の場合、金属部材を介して半導体チップを樹脂基板に実装するので、もし仮に半導体チップを樹脂基板に直付けする場合と比較して、半導体チップとその取付箇所（ここでは金属部材）との２者間の面積サイズの差を小さく抑えることが可能となる。よって、もし仮に熱膨張によって半導体チップとその取付箇所とが形状変化をとっても、一方が他方に対して大きく形状変化してしまう状況とならずに済むので、半導体チップがその取付箇所から剥がれてしまう状況を少なく抑えることが可能となる。また、半導体チップの発生熱を金属部材に拡散することも可能となるので、半導体チップに熱も蓄積され難くなる。以上により、半導体チップの実装基板として樹脂基板を使用しても、半導体チップの高い接合性と放熱性とを確保することが可能となる。

本発明では、前記金属部材を半導体チップ単位で区分けすることにより、前記金属部材を個片化したことを要旨とする。
この構成によれば、金属部材を半導体チップ単位（半導体チップごと）で個片化したので、半導体チップとその取付先である金属部材との間の面積サイズ差を、より一層小さく抑えることが可能となる。このため、半導体チップと金属部材との２者において、熱膨張により一方が他方に対してとる形状変化をより少なく抑えることが可能となるので、半導体チップの接合信頼性をより高いものとすることが可能となる。

本発明では、前記半導体チップの発生熱を、前記樹脂基板の裏面側に伝えて放熱する放熱部材を設けたことを要旨とする。
この構成によれば、半導体チップの発生熱が放熱部材によって樹脂基板の裏面側に逃がされるので、半導体チップの熱上昇をより低く抑えることが可能となる。よって、半導体の発生熱がより積極的に外部に送られるようになるので、半導体チップの放熱性をより高いものとすることが可能となる。

本発明では、前記半導体チップは、ボイドに対して耐性の高い材料又は工法によって前記金属部材に取り付けられていることを要旨とする。
この構成によれば、半導体チップと金属部材との間の接着面にボイドが含まれ難くなるので、半導体チップが金属部材へより強固に取り付き、かつ効率的に半導体チップの熱を逃がすことが可能となる。このため、半導体チップが金属部材から剥がれ難くなり、結果として半導体チップと樹脂基板との間の接合信頼性をより向上することが可能となり、しかも半導体チップの放熱性も高いレベルで確保することが可能となる。

本発明では、前記半導体チップは、表面がパッケージ化されていないベアチップであることを要旨とする。
この構成によれば、この種のベアチップにおいて高い接合信頼性や放熱性を確保することが可能となる。

本発明によれば、半導体チップの実装基板として樹脂基板を使用しても、チップ及び基板の間の高い接合信頼性と、チップの放熱性との両方を確保することができる。

一実施形態において車載パワーモジュールを実装面から見た外観を示す斜視図。 車載パワーモジュールの内部構成を示す縦断面図。 パワーベアチップの実装状態を示す斜視図。 車載パワーモジュールを基板裏面から見た外観を示す斜視図。

以下、本発明を具体化した半導体チップの基板実装構造の一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１及び図２に示すように、車載機器に電力を供給する車載パワーモジュール１には、各種電子部品の実装先として樹脂基板２が設けられている。樹脂基板２は、樹脂材料から形成された板形状の基板であって、実装面２ａ及びその裏面２ｂに基板配線としてプリント配線３（図２参照）が形成されている。この種の樹脂基板２は、材質が樹脂であるので、周知の通り非常に安価で、しかも入手し易い。なお、樹脂基板２が基板に相当し、実装面２ａが基板の表面に相当し、裏面２ｂが基板の裏面に相当する。

図１〜図３に示すように、樹脂基板２の実装面２ａには、車載機器にパワー（電力）を供給するＩＣ（Integrated Circuit）チップとしてパワーベアチップ４が複数実装されている。パワーベアチップ４は、表面がパッケージングされていない状態のＩＣチップであって、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）やダイオード等からなる。パワーベアチップ４は、ワイヤボンディングによって樹脂基板２に実装され、樹脂基板２に対して複数のボンディングワイヤ５，５…により接続されている。パワーベアチップ４は、実動作の際に大電流が流れるもので、発熱し易いＩＣチップである。なお、パワーベアチップ４が半導体チップ（ベアチップ）に相当する。

樹脂基板２と各パワーベアチップ４との間には、樹脂基板２とパワーベアチップ４との強い接合性を保ったり、更にはパワーベアチップ４の発生熱を外部に逃がしたりするための機能を持つ金属板６が介装されている。即ち、パワーベアチップ４は、樹脂基板２に対して高い接合信頼性とパワーベアチップ４の放熱性とを確保する１枚の金属板６を介して樹脂基板２に実装されている。金属板６の材質には、例えばＣｕや42アロイ等が使用されている。金属板６は、各々のパワーベアチップ４ごとに切り分けられて設けられることにより個片化されている。これら金属板６は、仮に互いが同電位で電気的に接続する場合であっても個片化される。また、金属板６は、例えば取り付いているパワーベアチップ４よりも若干大きい面積で形成されている。なお、金属板６が金属部材に相当する。

金属板６は、図２に示すように、樹脂基板２に対して金属接合部材７により接着されている。金属接合部材７は、金属板６の裏面一帯に塗布され、金属板６を強く樹脂基板２に接着するものである。金属接合部材７には、例えば鉛フリーはんだ、鉛含有はんだ、高温はんだ、熱伝導性導電ペースト等が使用されている。

パワーベアチップ４は、金属板６に対してベアチップ接合部材８により接着されている。ベアチップ接合部材８は、パワーベアチップ４の裏面一帯に塗布され、パワーベアチップ４を強く樹脂基板２に接着するものである。ベアチップ接合部材８は、ボイド（気泡）に対して耐性の高い部材又は工法によって２者間に塗布されている。例えば、ベアチップ接合部材８には、例えば鉛フリーはんだ、鉛含有はんだ、高温はんだ、熱伝導性導電ペースト等が使用されている。また、ボイドに対して耐性の高い工法としては、例えば真空でベアチップ接合部材８を２者間に塗布する工法がある。

樹脂基板２の裏面２ｂには、各パワーベアチップ４に発生した熱を放熱する板形状のヒートシンク９が１枚取り付けられている。ヒートシンク９の材質には、例えばＡｌ、Ｃｕ，Ｆｅ等が使用されている。ヒートシンク９は、樹脂基板２に埋設された複数のサーマルスルーホール１０，…を介して複数の金属板６と接続されている。即ち、各金属板６に発生した熱は、複数のサーマルスルーホール（サーマルビア）１０を介してヒートシンク９に伝達可能となっている。また、ヒートシンク９は、樹脂基板２に対してヒートシンク接合部材１１により接着されている。ヒートシンク接合部材１１は、ヒートシンク９の表面一帯に塗布され、ヒートシンク９を樹脂基板２に強く接着する。ヒートシンク接合部材１１の材質には、熱伝導接着剤等が使用されている。なお、ヒートシンク９及びサーマルスルーホール１０が放熱部材を構成する。

樹脂基板２の上面には、基板２上の複数のパワーベアチップ４を上面から保護するベアチップ保護材１２が一帯に設けられている。ベアチップ保護材１２は、例えば樹脂材により形成され、表面がパッケージされていないパワーベアチップ４の表面を保護する。なお、ベアチップ保護材１２が保護部材に相当する。

さて、パワーベアチップ４に電流（大電流）が流れた際には、パワーベアチップ４に熱が発生する。ところで、パワーベアチップ４（材料：Ｓｉ）の熱膨張率は約２〜３ppm／Ｋ、金属板６（材料：Ｃｕ）の熱膨張率は約１７ppm／Ｋ、樹脂基板２の熱膨張率は約１４〜１６ppm／Ｋとなっている。ここで、もし仮にパワーベアチップ４を樹脂基板２に直付けした場合を想定すると、熱膨張率の低い面積サイズが小のパワーベアチップ４を、面積膨張率の高い面積サイズが大の樹脂基板２に取り付けることになる。このため、これら２部材が熱膨張した際には、パワーベアチップ４よりも樹脂基板２が大きく熱変形するので、これら２部材が剥がれ易くなる傾向になってしまい、高い接合信頼性が確保できない問題に繋がる。

しかし、本例の場合は、パワーベアチップ４を樹脂基板２に取り付けるに際して、個片化した金属板６を間に介してパワーベアチップ４を樹脂基板２に実装する。よって、パワーベアチップ４と金属板６という、２者間に熱膨張率の差は存在しつつも面積差の小さいもの同士を取り付ける構造をとるので、仮に熱膨張により金属板６が形状変化をとっても、この形状変化はこれら２者間の接合状態に関して無視できる程度のもので済む。このため、熱膨張に起因する形状変化がパワーベアチップ４の取り付けに大きな影響を及ぼさなくなるので、パワーベアチップ４を金属板６に対して非常に剥がれ難いものとなり、パワーベアチップ４と金属板６との間の接合性を確保することが可能となる。

続いて、樹脂基板２と金属板６との２者に目を向けると、これら２者の間には大きな面積差が発生してしまっている。しかし、樹脂基板２と金属板６とは熱膨張率の差が少ないものとなっているので、これら２者が熱膨張して形状変化が生じても、同様の比率で一様に形状変化することになる。よって、樹脂基板２と金属板６との２者において、一方が他方に対して大きく形状変化することがなくなるので、これら２者間の接合性も確保することが可能となる。

また、パワーベアチップ４の実装基板として樹脂基板２を用いると、樹脂基板２の熱伝導率は０．４〜０．７Ｗ／m・Kという値をとるように、セラミック基板の熱伝導率の３〜２４Ｗ／m・Kに比較して、熱伝導率が極端に低くなってしまう欠点がある。しかし、熱を蓄える蓄熱効果が高い金属板６を介して、パワーベアチップ４を樹脂基板２に取り付けるので、パワーベアチップ４の発生熱は基板２により拡散される。このため、実装基板として樹脂基板２を使用しても、パワーベアチップ４の熱が金属板６により逃がされるので、パワーベアチップ４の高い放熱性を確保することが可能となる。

また、樹脂基板２の裏面２ｂにヒートシンク９を取り付けて、パワーベアチップ４の発生熱を、基板２のサーマルスルーホール１０を介してヒートシンク９に伝達し、この発生熱をパワーベアチップ４から逃がすようにしている。このため、パワーベアチップ４の発生熱を外部に逃がす放熱効果がより高いものとなるので、パワーベアチップ４の放熱性を一層高くすることが可能となる。また、パワーベアチップ４の発生熱は、樹脂基板２に形成された放熱用の配線パターン３ａ（図３参照）によっても逃がされるので、放熱効果をより一層高いものとすることが可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）パワーベアチップ４を樹脂基板２に実装するに際して、個片化された金属板６を２者間に介在させた状態で、パワーベアチップ４を樹脂基板２に取り付ける。このため、実装基板にかかる部品コストを考慮し、パワーベアチップ４の実装基板として樹脂基板２を使用しても、パワーベアチップ４の高い接合信頼性と、パワーベアチップ４の放熱性との両方を確保することができる。

（２）樹脂基板２とパワーベアチップ４との間に介在する金属板６を、パワーベアチップ４，４…ごとに区分けして個片化したので、金属板６の面積サイズを、パワーベアチップ４に近づけることが可能となる。このため、熱膨張率が大きく異なるパワーベアチップ４と金属板６とがパワーベアチップ４の発生熱により形状変化したとしても、金属板６がパワーベアチップ４に対してとる形状変化をより少なく抑えることが可能となる。よって、パワーベアチップ４と金属板６との間の接合面に破損が生じ難くなるので、パワーベアチップ４の接合信頼性をより高いものとすることができる。

（３）樹脂基板２の裏面２ｂにヒートシンク９を取り付けて、パワーベアチップ４の発生熱を、基板２のサーマルスルーホール１０を介してヒートシンク９に逃がして、熱を外部に放出させるので、パワーベアチップ４の熱上昇を低く抑えることができる。よって、パワーベアチップ４の発生熱を積極的に外部に拡散可能となるので、パワーベアチップ４の放熱性を、より高いものとすることができる。

（４）パワーベアチップ４をベアチップ接合部材８によって金属板６に実装する際、ベアチップ接合部材８にボイドが含まれ難い材料や工法によってパワーベアチップ４を金属板６に取り付けるので、パワーベアチップ４が金属板６により強固に取り付くことになる。よって、パワーベアチップ４が金属板６から一層剥がれ難くなるので、結果としてパワーベアチップ４が樹脂基板２から脱落し難くなる。このため、パワーベアチップ４と樹脂基板２との間の接合信頼性を、より高いものとすることができる。

（５）ＩＣチップとしてベアチップ４を採用したので、この種のＩＣ表面がパッケージ化されていないＩＣチップにおいて、高い接合信頼性や放熱性を確保することができる。
（６）樹脂基板２の実装面２ａに、パワーベアチップ４を上から保護するベアチップ保護材１２を設けたので、パワーベアチップ４がベアチップ保護材１２により保護される。このため、樹脂基板２に実装されるＩＣが非パッケージのチップ４であったとしても、この種のチップ４を破損から保護することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・ パワーベアチップ４，４…は、全てが同じ種類（機能、形状、サイズ等）であることに限らず、種類が異なるものでもよい。

・ パワーベアチップ４と金属板６とは、１枚の金属板６に１つのパワーベアチップ４が乗ることに限らず、例えば１枚の金属板６に、複数のパワーベアチップ４が乗る構造をとってもよい。

・ 金属板６は、全てが同じ形状（面積、高さ等）をとることに限定されず、互いに異なる形状をとるものでもよい。
・ 金属部材は、１枚の板からなる金属板６に限定されず、金属製の部品であれば、形状は適宜変更可能である。

・ 金属板６を個片化する場合、これは２部品に完全に分断するものに限らず、例えば単なる溝でもよい。
・ 金属板６は、必ずしも個片化されることに限定されず、個片化されていない１枚の大きな板からなるものでもよい。

・ 金属板６の厚さは、接合信頼性及び放熱性を考慮に入れて、適宜変更可能である。
・ ベアチップ接合部材８の接合に施すボイド対策は、必ずしも実施形態に述べた材料や工法に限らず、ボイドを少なくすることが可能なものであれば、どのようなものを採用してもよい。

・ パワーベアチップ４を金属板６に取り付ける際の工法は、必ずしもベアチップ接合部材８による接着に限定されず、種々の工法が採用可能である。
・ 金属板６を樹脂基板２に取り付ける際の工法は、必ずしも金属接合部材７による接着に限らず、種々の工法が採用可能である。

・ 半導体チップは、パワーベアチップ４等のパワー系チップに限定されず、例えば信号系チップを採用してもよい。また、半導体値チップは、パッケージされていない部チップに限定されず、パッケージ化されたチップでもよい。

・ 基板裏面のヒートシンク９は、サーマルスルーホール１０を介して金属板６を繋がることに限らず、例えば樹脂基板２の実装面２ａから裏面２ｂに配線を這わせて、この配線により金属板６とヒートシンク９とを繋げてもよい。

・ 放熱部材は、必ずしもヒートシンク９により構成されることに限らず、熱を積極的に逃がすことが可能なものであれば、特に限定されない。
・ ベアチップ保護材１２は、必ずしも必要なものではなく、ＩＣチップがパッケージ化されたものであれば、これを省略してもよい。

・ ベアチップ保護材１２の材質は、種々のものが採用可能であることは言うまでもない。
・ 半導体チップは、Ｓｉ（シリコン）を主原料とするものに限定されず、種々のものが採用可能である。

・ パワーモジュール１は、必ずしも車載用に限定されず、種々の機器や装置のモジュールに応用可能である。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

（イ）請求項１〜５のいずれかにおいて、前記金属部材は、前記半導体チップの１つひとつごとに個片化されている。この構成によれば、金属部材の面積が半導体チップにより近づくので、半導体チップと金属部材との面積差がより小さくなる。よって、金属部材が仮に熱膨張したとしても、この熱膨張による金属部材の変位量が少量で済むので、熱膨張による金属部材の変位が半導体チップの剥がれ大きな影響を与えず、半導体チップの高い接合信頼性を確保することが可能となる。

（ロ）請求項３〜５、前記技術的思想（イ）のいずれかにおいて、前記放熱部材は、前記樹脂基板にプリント形成された複数のサーマルスルーホールと、前記樹脂基板の裏面に取り付けられるとともに、当該サーマルスルーホールを介して前記金属部材と繋がるヒートシンクとにより構成されている。この構成によれば、金属部材に溜まった熱を、サーマルスルーホール及びヒートシンクを介して基板裏面に逃がすことが可能となるので、放熱性をより高いものとすることが可能となる。

（ハ）請求項１〜５、前記技術的思想（イ），（ロ）のいずれかにおいて、前記樹脂基板の表面には、基板実装後の前記半導体チップを上から覆うことにより、当該半導体チップを保護する保護部材が取り付けられている。この構成によれば、半導体チップが保護部材によって保護されるので、半導体チップに外部から破損等に繋がる衝撃が加わり難くなり、半導体チップを破損から守ることが可能となる。

２…基板としての樹脂基板、２ａ…表面としての実装面、２ｂ…裏面、４…半導体チップ（ベアチップ）としてのパワーベアチップ、６…金属部材としての金属板、９…放熱部材を構成するヒートシンク、１０…放熱部材を構成するサーマルスルーホール、１２…保護部材としてのベアチップ保護材。

Claims (5)

1. 半導体チップを基板に実装するときに使用する半導体チップの基板実装構造において、
   前記基板として樹脂基板を使用するとともに、金属部材を介して前記半導体チップを前記樹脂基板に実装したことを特徴とする半導体チップの基板実装構造。
2. 前記金属部材を半導体チップ単位で区分けすることにより、前記金属部材を個片化したことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップの基板実装構造。
3. 前記半導体チップの発生熱を、前記樹脂基板の裏面側に伝えて放熱する放熱部材を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体チップの基板実装構造。
4. 前記半導体チップは、ボイドに対して耐性の高い材料又は工法によって前記金属部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の半導体チップの基板実装構造。
5. 前記半導体チップは、表面がパッケージ化されていないベアチップであることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の半導体チップの基板実装構造。

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