JP2011054806A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】封止樹脂を含む半導体装置の放熱特性を良好に制御するとともに、品質を向上させる。
【解決手段】半導体装置１００は、基板１０２と、基板１０２上に搭載された半導体チップ１０４と、半導体チップ１０４を封止する封止樹脂１１０と、半導体チップ１０４上に配置されるとともに、封止樹脂１１０と接触して設けられた放熱材料（１３０）と、を含み、封止樹脂１１０は、第１の樹脂組成物により構成された第１の樹脂領域１１２、第２の樹脂組成物により構成された第２の樹脂領域１１６と、第１の樹脂領域１１２および第２の樹脂領域１１６の間に形成されるとともに第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物が混合された混合層１１４とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、とくに放熱材料を含む半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体素子を基板に搭載した後、封止樹脂で封止して半導体パッケージを形成する技術が知られている。また、半導体素子の高速化に伴い、半導体素子の発熱が問題となっている。そのため、半導体素子の熱を外部に逃がすための放熱板等の放熱材料が設けられるようになっている。たとえば放熱板は、半導体パッケージ内で、半導体素子の上に配置され、封止樹脂と接触するように設けられている。
従来、半導体パッケージは、単一の樹脂組成物を用いて封止が行われていた。しかし、半導体素子と基板との電気的接続を行う端子と接する部分では、半導体装置の電気特性を良好にするために、絶縁性の高い材料を用いることが好ましい。一方、放熱性を考慮すると、たとえば金属材料等の熱伝導性が高い材料を用いることが好ましい。また、放熱材料は、たとえば銅等、熱伝導性の高い金属材料により構成されているが、このような材料と封止樹脂との密着性も良好にする必要がある。さらに、ボンディングワイヤが存在する場合、封止樹脂で半導体素子の封止を行う際に、ワイヤが樹脂中で流れて倒れてしまうのを防ぐ必要がある。また、封止後の半導体パッケージの反り挙動を制御する必要がある。単一の樹脂組成物を用いた場合、このような要望を同時に満たすために樹脂材料を最適化するのが困難だった。そのため、最適な特性を得るために、樹脂材料を多数準備、開発する必要があり、コストがかかり、生産性も悪かった。
特許文献１（特開平８−１６２５７３号公報）には、回路が形成された基板上に、接着剤層を介して半導体素子が搭載され、半導体素子が樹脂硬化体内層と樹脂硬化体外層の層構造の樹脂硬化体層によって封止された半導体装置が記載されている。ここで、樹脂硬化体内層中の充填材含有量が、樹脂硬化体外層中の充填材含有量より少なく設定されている。これにより、ワイヤ流れの発生が抑制され、しかも反りの発生が低減された半導体装置が提供されるとされている。ここで、樹脂硬化体内層と樹脂硬化体外層とは、トランスファ成形により形成されている。
特許文献２（特開平８−２７９５７６号公報）には、半導体素子が搭載された基板の搭載面に形成されている基板側接続部と半導体素子の素子側接続部とを電気的に接続する接続部分を覆う絶縁性樹脂層と、半導体素子及び絶縁性樹脂層を覆う、半導体素子の耐熱温度以下の温度で溶融される低融点金属から成る低融点金属層とを具備し、且つ前記低融点金属層と接触する絶縁性樹脂層の表面に、溶融された低融点金属に対する濡れ性向上層としての金属粉末層が形成された構成が記載されている。低融点金属としては、ろう材に使用される合金、特にはんだ合金を好適に使用できると記載されている。また、金属粉末層は、低融点金属層を形成する低融点金属の融点よりも高融点を有する金属粉末であって、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の金属粉末を好適に使用でき、これら金属粉末を単独でも二種以上を混合して使用してもよいと記載されている。
特開平８−１６２５７３号公報 特開平８−２７９５７６号公報
しかし、特許文献１に記載の技術では、樹脂硬化体内層と樹脂硬化体外層とがそれぞれトランスファ成形で形成されている。そのため、樹脂硬化体内層と樹脂硬化体外層との間に境界線ができる。また、樹脂硬化体内層表面には離型剤やオイル成分が存在することになり、層間の密着性が阻害され、層剥離等が生じて品質が低下するという問題があった。
同様に、特許文献２に記載の技術でも、濡れ性向上層として金属粉末層が形成されてはいるものの、絶縁性樹脂層と低融点金属層とは別々に形成されており、層間の密着性が阻害され、層剥離等が生じて品質が低下するという問題がある。また、特許文献２に記載の技術では、低融点金属層は樹脂材料を含まないため、封止後の半導体パッケージの反り挙動を制御する効果が得られない。
本発明によれば、
基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
前記半導体素子上に配置されるとともに、前記封止樹脂と接触して設けられた放熱材料と、
を含み、
前記封止樹脂は、第１の樹脂組成物により構成された第１の樹脂領域と、第２の樹脂組成物により構成された第２の樹脂領域と、前記第１の樹脂領域および前記第２の樹脂領域の間に形成されるとともに前記第１の樹脂組成物および前記第２の樹脂組成物が混合された混合層と、を含む半導体装置が提供される。
本発明によれば、
基板上に搭載された半導体素子を、封止樹脂により封止する工程と、
前記半導体素子上に、前記封止樹脂と接触する放熱材料を配置する工程と、を含み、
前記封止樹脂により封止する工程において、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とを用いて、前記封止樹脂が、前記第１の樹脂組成物により構成された第１の樹脂領域と、前記第２の樹脂組成物により構成された第２の樹脂領域と、前記第１の樹脂領域および前記第２の樹脂領域の間に形成され、前記第１の樹脂組成物および前記第２の樹脂組成物が混合された混合層とを含むように前記半導体素子を封止する半導体装置の製造方法が提供される。
これにより、目的に応じて選択された第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とを用いて半導体チップを封止できるとともに、第１の樹脂領域と第２の樹脂領域との密着性を良好にすることができ、これらの間の剥離を防止することができる。たとえば半導体素子と基板との電気的接続を行う端子と接する部分に第１の樹脂組成物を配置した場合、第１の樹脂組成物を、導電性材料を含まない絶縁性の高い樹脂で構成することにより、半導体装置の電気特性を良好にすることができる。また、同時に、第２の樹脂組成物を熱伝導性が高い樹脂で構成することにより、半導体装置の放熱特性を良好にすることができる。これにより、量産性と信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、封止樹脂を含む半導体装置の放熱特性を良好に制御するとともに、品質を向上させることができる。
本発明の実施の形態における半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の一例を示す平面図である。 図１に示した半導体装置の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の種々の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の種々の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の他の例の製造手順を示す断面図である。 本発明の実施の形態において、圧縮成形装置を用いて半導体装置を製造する手順を示す工程断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、本実施の形態における半導体装置１００の一例を示す断面図である。図２は、本実施の形態における半導体装置１００の構成を示す平面図である。図１は、図２のＡ−Ａ’断面図である。
半導体装置１００は、基板１０２と、基板１０２上に搭載された半導体チップ１０４（半導体素子）と、半導体チップ１０４と基板１０２とを電気的に接続するボンディングワイヤ１０６と、半導体チップ１０４およびボンディングワイヤ１０６を埋め込む封止樹脂１１０と、封止樹脂１１０と接触して設けられた放熱板１３０（放熱材料）と、を含む。基板１０２は、配線層を含む配線基板とすることができる。本実施の形態において、基板１０２は、複数の配線層が接続された多層配線基板とすることができる。
本実施の形態において、封止樹脂１１０は、第１の樹脂組成物により構成された第１の樹脂領域１１２と、第２の樹脂組成物により構成された第２の樹脂領域１１６と、第１の樹脂領域１１２および第２の樹脂領域１１６の間に形成されるとともに第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物が混合された混合層１１４とを含む。第１の樹脂領域１１２と混合層１１４との界面、および第２の樹脂領域１１６と混合層１１４との界面は、それぞれ、起伏を有する。ここで、起伏を有するとは、界面の断面視で、複数の凹凸が形成された構成となっていることをいう。
図１に示した例では、基板１０２上の全面に第１の樹脂領域１１２が形成されるとともに、第１の樹脂領域１１２の上に第２の樹脂領域１１６が形成されている。第１の樹脂領域１１２と第２の樹脂領域１１６との間の領域には、全面にわたって混合層１１４が形成されている。半導体チップ１０４の本体およびボンディングワイヤ１０６は、第１の樹脂領域１１２で埋め込まれている。
本実施の形態において、放熱板１３０は、半導体チップ１０４の上方において基板１０２の面内方向と平行な方向に延在する面を有する。ここで、基板１０２の面内方向と平行とは、基板１０２の面内方向に平行となることを意図して配置された構成とすることができ、略平行とすることができる。本例では、放熱板１３０は、板状に形成されたものとすることができる。図２に示すように、平面視において、放熱板１３０は半導体装置１００の全面にわたって設けられている。また、放熱板１３０は、少なくとも第２の樹脂領域１１６と接して設けられている。本例では、放熱板１３０は、第２の樹脂領域１１６の上面の半導体装置１００の表面に配置されている。
放熱板１３０は、たとえば銅等、樹脂組成物よりも熱伝導性の高い金属材料により構成することができる。一例として、放熱板１３０は、銅により構成され、表面にニッケル等のめっき膜が形成された構成とすることができる。
ここで、第１の樹脂領域１１２を構成する第１の樹脂組成物、および第２の樹脂領域１１６を構成する第２の樹脂組成物は、原材料として、それぞれ、主剤となる樹脂、硬化剤、および充填剤（フィラー）を含むことができる。また、第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物は、原材料として、さらに、可撓剤、硬化促進剤、潜伏性触媒、離型剤、シリコーンオイル、低応力剤、着色剤等を含むことができる。充填剤は、たとえばシリカやアルミナ充填剤等とすることができる。
第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、たとえば、硬化前の封止時に加熱した際の流動性が異なるものとすることができる。また、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、たとえば、異なる硬化収縮特性を有するものとすることができる。また、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、たとえば、異なるガラス転移温度（Ｔｇ）を有するものとすることができる。第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物のガラス転移温度の差は、たとえば５℃以上とすることができる。
また、たとえば、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、それぞれの樹脂組成物全体に対する充填剤の含有量（重量％）が異なるものとすることができる。充填剤の含有量（重量％）を少なくすることにより、樹脂組成物の流動性を高くすることができる。第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物のそれぞれの樹脂組成物全体に対する充填剤の含有量（重量％）の差は、たとえば１％以上とすることができる。
また、たとえば、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、その中に含まれる充填剤の平均粒径が異なるものとすることができる。充填剤の平均粒径を大きくすることにより、樹脂組成物の流動性を高くすることができる。第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物の中にそれぞれ含まれる充填剤の平均粒径の差は、たとえば５μｍ以上とすることができる。
また、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、たとえば、原材料の種類または比率が異なるものとすることができる。第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とは、たとえば、主剤となる樹脂や硬化剤が異なるものとすることができる。
高流動性の樹脂組成物を用いることにより、ボンディングワイヤ１０６が樹脂中で流れて倒れてしまうのを防ぐことができる。一方、低流動性の樹脂組成物を用いることにより、一般的に、硬化後の樹脂の収縮を小さくすることができ、反りを生じにくくすることができる。
本実施の形態において、ボンディングワイヤ１０６を埋め込む第１の樹脂領域１１２を構成する第１の樹脂組成物は、導電性材料を含まない絶縁性の高い材料で構成することができる。これにより、ボンディングワイヤ１０６等、半導体チップ１０４と基板１０２との電気的接続を行う端子の他の部品との絶縁性を保つことができ、半導体装置１００の電気特性を良好にすることができる。また、ボンディングワイヤ１０６を埋め込む第１の樹脂領域１１２を構成する第１の樹脂組成物は、半導体チップ１０４やボンディングワイヤ１０６の埋め込みを良好にする機能を有する。たとえば、第１の樹脂組成物は、高流動性のものとすることができる。高流動性の第１の樹脂組成物で半導体チップ１０４のボンディングワイヤ１０６を埋め込むことにより、ボンディングワイヤ１０６の流れを防ぐことができる。
本実施の形態において、第２の樹脂領域１１６を構成する第２の樹脂組成物は、たとえば半導体チップ１０４で発生した熱を放熱する効果の高い熱伝導性が高い樹脂や、放熱板１３０との密着性が高い材料とすることができる。第２の樹脂組成物は、たとえば、熱伝導性が高い材料の充填剤を含むことができる。このような充填剤は、たとえばアルミナ等の導電性材料とすることができる。また、第２の樹脂組成物は、このようなアルミナ等の導電性材料の比較的大きい充填剤を含むことができる。さらに、第２の樹脂組成物は、放熱板１３０との密着性を良好にするためのシランカップリング剤等の密着付与剤を含むこともできる。一方、第２の樹脂組成物は、第１の樹脂組成物よりも低流動性のものとすることができる。
第２の樹脂組成物が導電性材料の充填剤を含む構成とすることにより、第２の樹脂領域１１６の放熱性を高めることができる。さらに、第２の樹脂組成物が密着付与剤を含む構成とすることにより、第２の樹脂領域１１６と放熱板１３０との密着性を高めることができる。また、低流動性の第２の樹脂組成物で封止して封止樹脂１１０を構成することにより、半導体装置１００の反りを低減することができる。
さらに、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物との構成比率を変更することにより、反り挙動を制御することができるので、多数樹脂組成物を準備しなくても、封止時の反りおよびパッケージ反りが少ない高信頼性のパッケージ構造を得ることができる。ここで、たとえば、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物との構成比率は、第１の樹脂組成物：第２の樹脂組成物＝９９：１以上１：９９以下とすることができ、好ましくは、９０：１０以上１０：９０以下とすることができる。これにより、半導体装置１００の反り量を良好に制御することができる。
さらに、本実施の形態において、第１の樹脂領域１１２と第２の樹脂領域１１６との間に、混合層１１４が存在するようにすることにより、第１の樹脂領域１１２と第２の樹脂領域１１６との密着性を良好にすることができ、これらの間の剥離を防止することができる。また、本実施の形態において、第１の樹脂領域１１２と混合層１１４との界面、および第２の樹脂領域１１６と混合層１１４との界面が、それぞれ、平坦ではなく起伏を有するため、第１の樹脂領域１１２と混合層１１４、および混合層１１４と第２の樹脂領域１１６との密着性をさらに向上させることができる。
封止樹脂１１０の膜厚（モールド厚）は、とくに限定されないが、たとえば、０．１０ｍｍ以上１．２０ｍｍ以下程度とすることができる。これにより、最適なパッケージ構造が得られる。
次に、本実施の形態における半導体装置１００の製造手順の一例を説明する。
本実施の形態において、半導体装置１００は、基板１０２上に搭載された半導体チップ１０４を、封止樹脂１１０により封止する工程と、半導体チップ１０４上に、封止樹脂１１０と接触する放熱板１３０を配置する工程と、を含む。半導体装置１００は、封止樹脂１１０により封止する工程において、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とを用いて、封止樹脂１１０が、第１の樹脂領域１１２と、第２の樹脂領域１１６と、第１の樹脂領域１１２および第２の樹脂領域１１６の間に形成され、第１の樹脂組成物および第２の樹脂組成物が混合された混合層１１４とを含むように半導体チップ１０４を封止することにより製造される。すなわち、本実施の形態において、封止樹脂１１０は、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とをそれぞれがある程度形状を保った状態で基板１０２上に配置し、１回の硬化処理で硬化することにより形成することができる。これにより、互いに混合した領域が存在しないようにするとともに、間に互いに混合した領域が存在するようにすることができる。また、このような手順により、第１の樹脂領域１１２と混合層１１４との界面および第２の樹脂領域１１６と混合層１１４との界面が起伏を有するようにすることができる。このように、第１の樹脂領域１１２と混合層１１４との界面および第２の樹脂領域１１６と混合層１１４との界面が起伏を有し、凹凸を有するような形状とすることにより、密着性を良好にすることができる。
本実施の形態において、半導体装置１００の封止樹脂１１０は、たとえば、圧縮成形プロセスにより形成することができる。
図３および図１７を参照して説明する。
図３は、半導体装置１００の形成手順を模式的に示す断面図である。
ここで、樹脂組成物の形態は任意とすることができるが、硬化する際に、複数の樹脂組成物が混じり合わないように、ある程度形状が保持される形態とすることができる。本実施の形態において、樹脂組成物は、プリフォーム体とすることができる。プリフォーム体は、樹脂組成物の原料を混合、混練して粘土状となった樹脂を冷却して粉砕した顆粒樹脂を規定の容器に入れて、低温で加熱して平らな板状樹脂としたもの（半硬化したもの）とすることができる。
基板１０２の半導体チップ１０４およびボンディングワイヤ１０６上に、第１の樹脂組成物により構成された第１のプリフォーム体１１２ａおよび第２の樹脂組成物により構成された第２のプリフォーム体１１６ａをこの順で配置し、第２のプリフォーム体１１６ａ上にさらに放熱板１３０を配置して、圧縮成形を行う。つまり、ここで、半導体チップ１０４を封止樹脂１１０により封止する工程と放熱板１３０を半導体チップ１０４の上に配置する工程とは同時に行われる。なお、ここでは図示していないが、半導体チップ１０４は、ダイボンディング材等により、基板１０２に接着された構成とすることができる。
図１７は、圧縮成形装置３００を用いて半導体装置１００を製造する手順を示す工程断面図である。
圧縮成形装置３００は、樹脂組成物が配置されるキャビティ３０４ａを有する上型３０４と、下型３０２とを含む。キャビティ３０４ａの外周壁と上型３０４本体との間にはスプリング３０６が取り付けられている。このような構成の圧縮成形装置３００において、下型３０２に、基板１０２上に搭載された半導体チップ１０４が上型３０４と対向するようにして基板１０２を取り付ける。また、キャビティ３０４ａ内に放熱板１３０を配置する（図１７（ａ））。つづいて、キャビティ３０４ａ内の放熱板１３０上に樹脂組成物をセットする。図１７では、キャビティ３０４ａ内に放熱板１３０を配置し、さらにその上に第１の樹脂組成物により構成された第１のプリフォーム体１１２ａと第２の樹脂組成物により構成された第２のプリフォーム体１１６ａとを積層してキャビティ３０４ａ内にセットした例を示す（図１７（ｂ））。また、プリフォーム体ではなく、プリフォーム体にする前の顆粒樹脂や顆粒樹脂をタブレットにした塊である硬化前の樹脂組成物を用いて圧縮成形することもできる。
このような状態で、下型３０２をキャビティ３０４ａの外周壁の方向に押圧するとともに加熱して圧縮成形すると、キャビティ３０４ａの外周壁が上型３０４本体の方向に移動し、キャビティ３０４ａの深さが浅くなる。これにより、キャビティ３０４ａ内にセットされた第１のプリフォーム体１１２ａおよび第２のプリフォーム体１１６ａが溶融して、硬化して封止樹脂１１０が成形される（図１７（ｃ）、図１７（ｄ））。
図３に戻り、ここで、第１のプリフォーム体１１２ａと第２のプリフォーム体１１６ａとは、ほぼ同じ幅を有する形状とすることができる。これにより、図１に示したのと同様の構成の半導体装置１００を得ることができる。本実施の形態において、第１のプリフォーム体１１２ａと第２のプリフォーム体１１６ａとを積層させた状態で同時に硬化することにより、第１の樹脂領域１１２と第２の樹脂領域１１６との間に混合層１１４が形成されるとともに、第１の樹脂領域１１２および第２の樹脂領域１１６の混合層１１４との界面を波打ったような起伏を有する構成とすることができる。また、放熱板１３０が第２のプリフォーム体１１６ａと接するように構成されるので、封止樹脂１１０と放熱板１３０との密着性も良好にすることができる。
次に、図１から図３に示した半導体装置１００の他の例を説明する。
図４は、図１から図３に示した半導体装置１００の他の例の製造手順を示す図である。本例では、放熱板１３０は図３に示したのと同様の構成とすることができる。しかし、半導体装置１００の封止樹脂１１０内に、スペーサ１４０が設けられている点で図１から図３に示した例と異なる。
スペーサ１４０は、放熱板１３０が半導体チップ１０４上に配置されたときに、放熱板１３０の位置決めをするための台座として機能する。スペーサ１４０は、たとえば、シリコン等により構成することができる。本例では、半導体チップ１０４を第１のプリフォーム体１１２ａおよび第２のプリフォーム体１１６ａで封止する際に、半導体チップ１０４上にスペーサ１４０を配置しておく（図４（ａ））。そして、その上に第１のプリフォーム体１１２ａ、第２のプリフォーム体１１６ａ、および放熱板１３０をこの順で積層して、たとえば図１７を参照して説明したのと同様に圧縮成形により半導体チップ１０４を封止樹脂１１０で封止する（図４（ｂ））。これにより、放熱板１３０を半導体チップ１０４に対して所望の高さに配置することができる。
図５は、図４に示した半導体装置１００の他の例の製造手順を示す図である。
ここで、放熱板１３０が第２の樹脂領域１１６の上面にあるのではなく、放熱板１３０が封止樹脂１１０中に埋設されており、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成されている点で図４に示した例と異なる。
本例では、半導体チップ１０４を封止樹脂１１０により封止する工程において、放熱板１３０を第１のプリフォーム体１１２ａと第２のプリフォーム体１１６ａとの間に挟んで、第１のプリフォーム体１１２ａと第２のプリフォーム体１１６ａとを同時に圧縮成形する。ここでも、放熱板１３０が半導体チップ１０４上に配置されたときに、放熱板１３０の位置決めをするための台座として機能するスペーサ１４０が設けられている。スペーサ１４０は、放熱板１３０が封止樹脂１１０の上面ではなく、封止樹脂１１０の間に位置するような高さに形成される。本例では、半導体チップ１０４を第１のプリフォーム体１１２ａおよび第２のプリフォーム体１１６ａで封止する際に、半導体チップ１０４上にスペーサ１４０を配置しておく（図５（ａ））。そして、その上に第１のプリフォーム体１１２ａ、放熱板１３０、および第２のプリフォーム体１１６ａをこの順で積層して、たとえば図１７を参照して説明したのと同様に圧縮成形により半導体チップ１０４を封止樹脂１１０で封止する（図５（ｂ））。これにより、放熱板１３０を半導体チップ１０４に対して所望の高さに配置することができる。ここで、スペーサ１４０の高さは、放熱板１３０の大部分が封止樹脂１１０のうちの第２の樹脂領域１１６中に存在するような高さに設定することができる。
図６は、図５に示した半導体装置１００の放熱板１３０が形成された面を示す平面図である。ここでは説明のために放熱板１３０上に形成された第２の樹脂領域１１６を省略しているが、放熱板１３０の上には第２の樹脂領域１１６が形成されている。図５（ｂ）は、図６のＢ−Ｂ’断面に対応する。
ここで、平面視において、放熱板１３０は、半導体装置１００の面積よりも小さく形成されている。これにより、樹脂組成物が放熱板１３０の下側と上側に移動可能となり、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成された構成の半導体装置１００を良好に得ることができる。本件では、放熱板１３０には、開口部１３２が設けられている。これにより、樹脂組成物が開口部１３２を通じて放熱板１３０の下側と上側に移動可能となり、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成された構成の半導体装置１００を良好に得ることができる。
また、放熱板１３０の外形は、種々の形状とすることができる。たとえば図６（ａ）に示したように半導体装置１００の外縁と同様の矩形形状とすることもでき、図６（ｂ）に示したように、円形形状とすることもできる。たとえば放熱板１３０を円形形状とすることにより、放熱板１３０の基板１０２に対する配置角度が多少ずれた場合でも放熱板１３０が基板１０２からはみ出すことなく、良好に配置することができる。また図示していないが、放熱板１３０は、楕円形等とすることもできる。また、図６に示した例では、開口部１３２が放熱板１３０の中心部に設けられているが、後述するように、開口部１３２の位置も種々の配置とすることができる。さらに、ここでは、放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズと等しい構成を示しているが、後述するように、放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズよりも小さい構成とすることもできる。また、図１から図４に示した構成においても、放熱板１３０に開口部１３２が設けられた構成とすることができる。また、図１から図４に示した構成においても、放熱板１３０の外縁形状は、円形や楕円形等種々の構成とすることができる。
図７は、本実施の形態における半導体装置１００のまた他の例を示す断面図である。ここで、放熱板１３０は、平面視で半導体チップ１０４に対応した部位のみが、半導体チップ１０４の方向に突出して厚く形成された構成となっている。このような構成とすることにより、半導体チップ１０４と放熱板１３０との距離を近くすることができ、放熱板１３０により放熱効果を高めることができる。なお、図７（ａ）は、放熱板１３０に開口部１３２が設けられていない例、図７（ｂ）は、放熱板１３０に開口部１３２が設けられた例を示す。また、本例の放熱板１３０を用いて、図５に示したように、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成された構成とすることもできる。
図８および図９は、図１から図３に示した半導体装置１００のまた他の例の製造手順を示す図である。図８は、半導体装置１００の製造手順を示す断面図、図９は、半導体装置１００の平面図を示す。図８（ｂ）は、図９のＣ−Ｃ’断面図である。本例では、平面視における放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズよりも小さい点で図１から図３に示した半導体装置１００の構成と異なる。図示していないが、本例でも、放熱板１３０には、開口部１３２が設けられた構成とすることができる。
図１０は、図８および図９に示した半導体装置１００の他の例の製造手順を示す図である。
本例でも、平面視における放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズよりも小さい。また、本例では、図５に示した構成と同様、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成されており、半導体チップ１０４と放熱板１３０との間にスペーサ１４０が設けられている。また、本例において、放熱板１３０には開口部１３２が形成されている。
図１１は、図１０に示した半導体装置１００の放熱板１３０が形成された面を示す平面図である。ここでは説明のために放熱板１３０上に形成された第２の樹脂領域１１６を省略しているが、放熱板１３０の上には第２の樹脂領域１１６が形成されている。図１０（ｂ）は、図１１のＤ−Ｄ’断面に対応する。ここでも、放熱板１３０は、たとえば図１１（ａ）に示したように円形形状とすることもでき、図１１（ｂ）に示したように矩形形状とすることもできる。
さらに、本例のように、放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズよりも小さい構成の場合、放熱板１３０には開口部１３２が設けられていない構成としてもよい。開口部１３２が設けられていなくても、平面視において、放熱板１３０が、半導体装置１００の面積よりも小さく形成されているので、樹脂組成物が放熱板１３０の下側と上側に移動可能となり、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成された構成の半導体装置１００を良好に得ることができる。
図１２から図１３は、放熱板１３０の種々の例を示す平面図である。説明のために、基板１０２の外縁形状を破線で示す。ここでは、放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズよりも小さい構成を示しているが、放熱板１３０の外縁のサイズが半導体装置１００の外縁のサイズと等しい場合も同様とすることができる。
図１２では、放熱板１３０の平面形状が矩形の場合を示す。図１２（ａ）に示した構成では、放熱板１３０の角部の四隅にそれぞれ開口部１３２が設けられている。このような構成とすると、放熱板１３０が平面視で半導体チップ１０４と対応する箇所の放熱板１３０の面積を広くすることができ、放熱板１３０による放熱効果を高めることができる。
図１２（ｂ）に示した構成では、放熱板１３０に複数の開口部１３２がマトリクス状に配置されている。このような構成とすると、封止樹脂１１０が開口部１３２を介して放熱板１３０の上下に移動しやすくすることができ、放熱板１３０の上下に封止樹脂１１０が形成された構成の半導体装置１００の製造効率を高めることができる。
図１２（ｃ）に示した構成では、放熱板１３０の外周部に複数の開口部１３２が配置されている。このような構成とすると、封止樹脂１１０が開口部１３２を介して放熱板１３０の上下に移動しやすくすることができるとともに、放熱板１３０が平面視で半導体チップ１０４と対応する箇所の放熱板１３０の面積を広くすることができる。
図１３では、放熱板１３０の平面形状が円形の場合を示す。図１３（ａ）に示した構成では、放熱板１３０の外周部の四箇所にそれぞれ開口部１３２が設けられている。このような構成とすると、放熱板１３０が平面視で半導体チップ１０４と対応する箇所の放熱板１３０の面積を広くすることができ、放熱板１３０による放熱効果を高めることができる。
また、図１３（ｂ）に示した構成では、放熱板１３０の外周部に複数の開口部１３２が配置されている。このような構成とすると、封止樹脂１１０が開口部１３２を介して放熱板１３０の上下に移動しやすくすることができるとともに、放熱板１３０が平面視で半導体チップ１０４と対応する箇所の放熱板１３０の面積を広くすることができる。
また、放熱板１３０の外縁が円形の場合も、図１２（ｂ）に示したように、放熱板１３０の全面に複数の開口部１３２がマトリクス状に配置された構成とすることもできる。
図１から図１３に示した例では、各半導体装置１００に設けられる放熱板１３０が一枚の部材で構成される例を示したが、放熱板１３０は、複数の部材から構成されたものとすることもできる。図１４および図１５は、このような構成の半導体装置１００を示す図である。図１４は、半導体装置１００の平面図、図１５は、半導体装置１００の製造手順を示す断面図である。図１５（ｂ）は、図１４のＥ−Ｅ’断面図である。
ここで、放熱板１３０は、複数の板状部材により構成することができる。このような構成の半導体装置１００は、図１５に示すように、半導体チップ１０４上に第１のプリフォーム体１１２ａおよび第２のプリフォーム体１１６ａを配置した後に、第２のプリフォーム体１１６ａの上に複数の放熱板１３０を配置して（図１５（ａ））、これらを同時に圧縮成形することにより得られる（図１５（ｂ））。
また、たとえば第２の樹脂領域１１６を構成する第２の樹脂組成物が、銅等の熱伝導性の高い金属材料により構成された放熱材料を含む構成とすることもできる。図１６は、このような構成の半導体装置１００を示す図である。ここでは、第２のプリフォーム体１１６ａが、放熱材料１３４を含む構成となっている。放熱材料１３４は、たとえば銅等の熱伝導性の高い金属材料により構成することができる。放熱材料１３４は、樹脂中に均一に分散されるように、楕円または球形状とすることができる。ここで、放熱材料１３４の直径は、少なくとも５００μｍ以上とすることができる。また、放熱材料１３４は、表面に突起等を有さず、滑らかな構成とすることができる。
以上の構成によれば、目的に応じて選択された複数の樹脂組成物を用いて半導体チップを封止できるとともに、各樹脂領域間に混合層が形成されるので、各樹脂領域の密着性を良好にすることができ、これらの間の剥離を防止することができる。たとえば半導体素子と基板との電気的接続を行う端子と接する部分に第１の樹脂組成物を配置した場合、第１の樹脂組成物を、導電性材料を含まない絶縁性の高い材料で構成することにより、半導体装置の電気特性を良好にすることができる。また、同時に、第２の樹脂組成物を熱伝導性が高い樹脂により構成することにより、半導体装置の放熱特性を良好にすることができる。そのため、従来のように最適な特性を得るために、樹脂材料を多数準備、開発しなくても、放熱特性および電気特性に優れた高信頼性のパッケージ構造を得ることができる。
また、たとえば、半導体チップを封止する工程において、たとえばワイヤ流れ軽減重視の高流動の樹脂組成物と反り挙動を押さえる低流動の樹脂組成物を用いることで、相反する両方の特性を充分に発揮できる。これにより、単一の樹脂組成物を用いた場合には実現できない量産性と信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、封止樹脂を含む半導体装置の反り挙動等の特性を良好にすることができる。また、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物との構成比率を変更することにより、反り挙動を制御することができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以上では、圧縮成形プロセスを例として示したが、トランスファ成形プロセス、ポッティングプロセス、または印刷プロセス等により形成することもできる。
たとえば、図１６に示したような構成の半導体装置１００をトランスファ成形プロセスで形成する場合、金型に複数のノズルを設けた構成とすることができる。このような構成の金型を用いて、一のノズルから第１の樹脂組成物を導入した後、時間差で別のノズルから第２の樹脂組成物を導入する。ここで、後から導入する樹脂組成物は、先に導入された樹脂組成物が硬化する前に導入され、２つの樹脂組成物は一度の硬化処理で形成される。これにより、第１の樹脂領域１１２、混合層１１４、および第２の樹脂領域１１６を含む封止樹脂１１０を成形することができる。また、このようなトランスファ成形プロセス金型に、予め放熱板１３０を置いておき、放熱板１３０を含む構成の半導体装置をトランスファ成形プロセスで形成することもできる。
また、以上の実施の形態では第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物の２種を用いる例を示したが、封止樹脂１１０は、３種以上の樹脂組成物を含む構成とすることができる。この場合も、複数の樹脂組成物の硬化を同時に行うことにより、各樹脂組成物の間に混合層が形成された構成とすることができ、２種の樹脂組成物を用いた場合と同様の効果が得られる。
また、封止樹脂１１０において、第１の樹脂領域１１２と第２の樹脂領域１１６との構成比率や配置は種々に変えることができる。たとえば、プリフォーム体である第１のプリフォーム体１１２ａや第２のプリフォーム体１１６ａを、目的の封止樹脂１１０中に含まれる各樹脂領域の形状に応じて配置することにより、所望の樹脂領域配置とすることができる。
また、以上の実施の形態では、半導体チップ１０４がボンディングワイヤ１０６を介して基板１０２と電気的に接続される構成を示したが、半導体チップ１０４は、フリップチップ接続で基板１０２と電気的に接続される構成とすることもできる。半導体チップ１０４がフリップチップ接続で基板１０２と電気的に接続される構成においては、半導体チップ１０４のフリップチップ端子と基板１０２の端子との接続部には、封止樹脂１１０とは異なるアンダーフィル樹脂が設けられた構成とすることができる。
１００ 半導体装置
１０２ 基板
１０４ 半導体チップ
１０６ ボンディングワイヤ
１１０ 封止樹脂
１１２ 第１の樹脂領域
１１２ａ 第１のプリフォーム体
１１４ 混合層
１１６ 第２の樹脂領域
１１６ａ 第２のプリフォーム体
１３０ 放熱板
１３２ 開口部
１３４ 放熱材料
１４０ スペーサ
３００ 圧縮成形装置
３０２ 下型
３０４ 上型
３０４ａ キャビティ
３０６ スプリング

Claims (17)

  1. 基板と、
    前記基板上に搭載された半導体素子と、
    前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
    前記半導体素子上に配置されるとともに、前記封止樹脂と接触して設けられた放熱材料と、
    を含み、
    前記封止樹脂は、第１の樹脂組成物により構成された第１の樹脂領域と、第２の樹脂組成物により構成された第２の樹脂領域と、前記第１の樹脂領域および前記第２の樹脂領域の間に形成されるとともに前記第１の樹脂組成物および前記第２の樹脂組成物が混合された混合層と、を含む半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記放熱材料は、少なくとも前記第２の樹脂領域と接して設けられた半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
    前記放熱材料は、前記半導体素子の上方において前記基板の面内方向と平行な方向に延在する面を有する放熱板である半導体装置。
  4. 請求項３に記載の半導体装置において、
    前記放熱板の前記面の上下には、前記封止樹脂が形成された半導体装置。
  5. 請求項３または４に記載の半導体装置において、
    前記放熱板は、平面視における面積が前記封止樹脂よりも小さい半導体装置。
  6. 請求項３から５いずれかに記載の半導体装置において、
    前記放熱板には、貫通孔が設けられた半導体装置。
  7. 請求項１から６いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第２の樹脂組成物は、導電性材料により構成された充填剤を含み、前記第１の樹脂組成物よりも熱伝導性が高い半導体装置。
  8. 請求項１から７いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第１の樹脂領域と前記混合層との界面、および前記第２の樹脂領域と前記混合層との界面は起伏を有する半導体装置。
  9. 請求項１から８いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第１の樹脂組成物と前記第２の樹脂組成物とは、封止時の流動性が異なる半導体装置。
  10. 請求項１から９いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第１の樹脂組成物と前記第２の樹脂組成物とは、それぞれの樹脂組成物全体に対する充填剤の含有量（重量％）が異なる半導体装置。
  11. 請求項１から１０いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第１の樹脂組成物と、前記第２の樹脂組成物とは、原材料の種類または比率が異なる半導体装置。
  12. 基板上に搭載された半導体素子を、封止樹脂により封止する工程と、
    前記半導体素子上に、前記封止樹脂と接触する放熱材料を配置する工程と、を含み、
    前記封止樹脂により封止する工程において、第１の樹脂組成物と第２の樹脂組成物とを用いて、前記封止樹脂が、前記第１の樹脂組成物により構成された第１の樹脂領域と、前記第２の樹脂組成物により構成された第２の樹脂領域と、前記第１の樹脂領域および前記第２の樹脂領域の間に形成され、前記第１の樹脂組成物および前記第２の樹脂組成物が混合された混合層とを含むように前記半導体素子を封止する半導体装置の製造方法。
  13. 請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記封止樹脂により封止する工程は、前記第１の樹脂組成物により構成された第１のプリフォーム体と前記第２の樹脂組成物により構成された第２のプリフォーム体とを同時に圧縮成形する工程を含む半導体装置の製造方法。
  14. 請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記封止樹脂により封止する工程は、硬化前の前記第１の樹脂組成物と硬化前の前記第２の樹脂組成物とを同時に圧縮成形する工程を含む半導体装置の製造方法。
  15. 請求項１２から１４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記放熱材料は、前記半導体素子の上方において前記基板の面内方向に延在する面を有する放熱板であって、
    前記封止樹脂により封止する工程と前記放熱材料を配置する工程とは同時に行われ、
    前記封止樹脂により封止する工程において、前記基板上の前記半導体素子上に、前記第１の樹脂組成物、前記第２の樹脂組成物、および前記放熱板をこの順で積層し、前記第１の樹脂組成物と前記第２の樹脂組成物とを同時に圧縮成形する工程を含む半導体装置の製造方法。
  16. 請求項１２から１４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記放熱材料は、前記半導体素子の上方において前記基板の面内方向に延在する面を有する放熱板であって、
    前記封止樹脂により封止する工程と前記放熱材料を配置する工程とは同時に行われ、
    前記封止樹脂により封止する工程において、前記放熱板を前記第１の樹脂組成物と前記第２の樹脂組成物との間に挟んで、前記第１の樹脂組成物と前記第２の樹脂組成物とを同時に圧縮成形する工程を含む半導体装置の製造方法。
  17. 請求項１５または１６に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記放熱板には、貫通孔が設けられた半導体装置の製造方法。
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