JP2011222706A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】プリント配線板の表面の一部に搭載された半導体チップの周囲をモールド樹脂層で封止し、放熱のための凹凸をモールド樹脂層の表面に有する薄型半導体パッケージにおいて、半導体チップから発生する熱を効率よく放散し、且つはんだリフロー等の熱処理における半導体パッケージの反り量を低減させる手段を提供する。
【解決手段】半導体チップ３０１上におけるモールド樹脂２０１層の凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離を、半導体チップが搭載されていない領域上におけるモールド樹脂層の凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離より短くした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージに関し、熱処理工程における半導体パッケージ及び半導体チップの反り量低減、及び半導体チップ動作時に生じる熱を効果的に逃がすために好適な半導体パッケージ構造に関するものである。

従来、半導体チップを基板に実装し、半導体チップの周囲を樹脂層で封止した構造の半導体パッケージが用いられている。近年、半導体チップ内のトランジスタ数の増加や動作周波数の上昇に伴い、半導体チップ動作時に発生する熱が増加しており、熱を効率よく逃がすための手段が注目されている。

半導体チップ動作時に発生する熱を逃がす技術としては、半導体パッケージの表面に放熱板を取り付け、放熱板を介して積極的に空気へ熱を逃がす技術が知られている。（特許文献１参照）
しかしながら、この技術では放熱板を取り付けることで、半導体パッケージのサイズが大きくなってしまう問題があった。この問題を解決しながら半導体パッケージ動作時に発生する熱を逃がす手段としては、半導体パッケージの樹脂層の表面に複数の凹凸を設け、空気との接触面積を増やすことで放熱量を増やす技術が知られている。（特許文献２参照）

特開２００１−０１５６７５号公報 特開平５−２１８２３４号公報

ところが放熱のために半導体パッケージの樹脂層の表面に凹凸を設けると、凹部では樹脂層の厚みが薄く全体として半導体パッケージの剛性が低下してしまう。そして剛性の低下によって、はんだリフロー等の熱処理工程の際に半導体パッケージの反り量が増加してしまう。このような半導体パッケージの反り量の増加は、半導体パッケージをプリント配線板にはんだ接合する際の歩留まり悪化を招くため、避けなくてはならない。

一方で剛性を高めるために樹脂層の部分を厚くすると放熱特性の低下を招き、さらに半導体パッケージの薄型化が困難となってしまう。

以上の様に、半導体パッケージにおいて、半導体パッケージ及び半導体チップの放熱特性を維持しつつこれらの反り量の低減を行う事が困難であった。

本発明は上記課題に鑑み、半導体パッケージ及び半導体チップの放熱特性の確保、半導体パッケージの薄型化、半導体パッケージの反り量の低減を同時に達成し得る半導体パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、半導体チップと、表面の一部に前記半導体チップを搭載したプリント配線板と、前記半導体チップを封止するように、半導体チップ上及び半導体チップが搭載されていない領域の前記プリント配線板の表面上に形成されたモールド樹脂層とから構成される半導体パッケージにおいて、前記モールド樹脂層の表面には複数の凹凸が形成されており、前記プリント配線板の表面から見た前記凹凸の凸部先端の高さが一定であり、前記半導体チップ上における前記凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離が、前記半導体チップが搭載されていない領域上における前記凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離より短いことを特徴とする。

本発明によれば、半導体パッケージのサイズを変えること無く、半導体チップ動作時の放熱特性を確保しつつ、熱処理工程における半導体パッケージの反り量を低減することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体パッケージの断面図。 本発明の第１の実施形態に係る半導体パッケージの上面図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体パッケージの断面図。 本発明の第３の実施形態に係る半導体パッケージの断面図。 本発明の第４の実施形態に係る半導体パッケージの断面図。 従来技術を用いて作製した比較例を示す半導体パッケージの断面図。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る半導体パッケージの最良な実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述により限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

（第１の実施形態）
図１及び図２は本発明の第１の実施形態を示す図である。図１は半導体パッケージの断面図であり、図２は本発明に係る半導体パッケージを上から見た図である。図１及び図２において、同一の部材には同一の符号を付している。半導体パッケージ１０１は、モールド樹脂層２０１、半導体チップ３０１、プリント配線板４０１、はんだ接合部５０１より構成される。プリント配線板４０１の一部の表面上に半導体チップ３０１が実装され、半導体チップ３０１の周囲をモールド樹脂層２０１で封止してある。モールド樹脂層２０１の表面には複数の凹凸が形成されている。またプリント配線板４０１の半導体チップ３０１が搭載された面とは反対側の面にはんだ接合部５０１が設けられている。

半導体パッケージ１０１の大きさは、例えば縦１６．０ｍｍ、横１６．０ｍｍである。半導体パッケージ１０１のはんだ接合部５０１を除いた高さは０．４５ｍｍである。

モールド樹脂層２０１の表面の凹凸は、プリント配線板４０１の表面から見た時凸部の高さが一定と成るように形成されている。また凸部先端から凹部下端までの距離が、半導体チップ３０１上の領域より半導体チップ３０１上以外の領域の方が深くなるように形成されている。

モールド樹脂層２０１表面の凹凸は、凹凸構造の型に熱硬化性樹脂を流し込み、半導体チップを搭載したプリント基板を重ね、加熱する事で得られる。若しくは光硬化性樹脂を透明な凹凸構造の型に流し込み、プリント基板を重ね、紫外光を照射する事によっても得られる。

モールド樹脂層２０１の表面に形成されている凸部の幅は０．５ｍｍ、凹部の幅は０．５ｍｍ、また凹部の深さは半導体チップ３０１上の領域で０．０７ｍｍ、それ以外の領域で０．１５ｍｍである。モールド樹脂層２０１の材質はエポキシ系であるが、シリコン系などの別の材質でもよい。

半導体チップ３０１の大きさは縦１１．２ｍｍ、横１１．２ｍｍ、高さ０．１ｍｍである。半導体チップ３０１は、ボール電極を介してプリント配線版４０１に接続するフリップチップ形態であるが、ワイヤーボンディングにより半導体チップ３０１とプリント配線版４０１が接続する形態でもよい。半導体チップ３０１の材質はシリコンであるが、ガリウム砒素等別の材質でもよい。半導体チップ３０１は、複数のチップが厚さ方向に積層されている形態や、複数のチップが平面方向に配置されている形態でもよい。

プリント配線板４０１の厚さは０．１５ｍｍである。プリント配線板４０１はガラスクロスとエポキシの複合材であるが、セラミック基板等別の基板でもよい。

はんだ接合部５０１の組成は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系であるが、Ｓｎ−Ｂｉ系などの別の組成であってもよい。

この半導体パッケージ１０１に熱が加わった場合、プリント配線板４０１、モールド樹脂層２０１及び半導体チップ３０１の各間での線膨張係数の違いによって反りが生じる。本発明に係る半導体パッケージ１０１においては、プリント配線板４０１とモールド樹脂層２０１との線膨張係数の差に対して、プリント配線板４０１と半導体チップ３０１の間及び半導体チップ３０１とモールド樹脂層２０１の間に大きな線膨張係数の差が在る。このため、半導体チップ３０１が存在する領域では反り量が大きくなる。また半導体チップ３０１とプリント配線板４０１は固着され一体となっており、半導体チップ３０１とプリント配線板４０１のどちらかに反りが生じれば、他方もそれに伴い反りが生じる。

よって本発明では半導体チップ３０１上の樹脂層の凹部における厚さを厚くすることで剛性を高め、反り量を低減させている。そして半導体チップ３０１が存在しない領域では高い剛性は必要無いため、凹凸構造の溝を深くする事で樹脂層の表面積を大きくし、放熱特性を高めている。

図６に従来技術を用いて作製した比較例を示す。比較例における半導体パッケージ１０５の大きさは縦１６．０ｍｍ、横１６．０ｍｍである。半導体パッケージ１０５のはんだ接合部５０５を除いた高さは、０．４５ｍｍである。半導体チップ３０５の大きさは縦１１．２ｍｍ、横１１．２ｍｍ、高さ０．１ｍｍである。プリント配線板４０５の厚さは、０．１５ｍｍである。モールド樹脂層２０５の表面に形成されている凸部の幅は０．５ｍｍ、凹部の幅は０．５ｍｍ、また凹部の深さは０．１ｍｍで一様ある。半導体チップ３０５上の領域におけるモールド樹脂層２０５の厚さは０．１ｍｍである。

表１は、図１に示す第１の実施形態について、半導体パッケージの反り量と半導体チップの温度をそれぞれシミュレーションし、本発明の効果を検証した結果である。

半導体パッケージの反り量は、有限要素法による弾性解析で求めている。半導体パッケージの反り量は、四角形である半導体パッケージ底面の角における、初期状態の半導体パッケージ底面に垂直な方向の変位量の最大値とした。

半導体パッケージの反り量は、初期温度２５度の時点でゼロであるとし、２００度まで温度を上昇させたときの値とした。半導体チップのヤング率は１７０ＧＰａ、ポアソン比は０．２８、また線膨張係数は３．５ｐｐｍ／度として計算した。モールド樹脂層のヤング率は２３ＧＰａ、ポアソン比は０．３、また線膨張係数は１１ｐｐｍ／度として計算した。

その結果、本実施形態の半導体パッケージ１０１の反り量は３１．４マイクロメートルで、比較例の反り量は４６．１マイクロメートルであった。これより、本実施形態の半導体パッケージ１０１の反り量は比較例よりも１４．７マイクロメートル小さく、反り量の低減に十分な効果があることが確認できる。

また、半導体チップの温度は、コントロールボリューム法による熱流体解析で求めた。
チップ温度は、半導体チップに一様な２Ｗの発熱条件を設定し、定常状態になった時の半導体チップの温度とした。半導体パッケージ面に平行に、２５度の大気が１．５ｍｍ／Ｓの速度で流れており、半導体パッケージと大気の間で熱交換が行われる。また、半導体パッケージは、縦４０．０ｍｍ、横４０．０ｍｍ、高さ１．０ｍｍのプリント配線板の中央に、高さ０．５ｍｍのはんだ接合部を介して接続されている条件とした。

この結果より、本実施形態の半導体チップ３０１の温度は６２．８度で、比較例と同じであり、本実施形態の半導体チップ３０１から発生する熱を逃がす能力は、比較例と同程度であることが確認できる。

つまり、本実施形態は、はんだリフロー時における半導体パッケージ１０１の反り量を低減し、同時に半導体チップ３０１動作時においても、半導体チップ３０１から生じる熱を逃がす能力を確保しているのである。

さらに本実施形態において、半導体チップ３０１上の領域におけるモールド樹脂層２０１の凹部における厚さは、プリント配線板４０１の厚さと同等か、より大きく設定する事が望ましい。その理由は、半導体チップ３０１上のモールド樹脂層２０１の剛性と、半導体チップ３０１下のプリント配線板４０１の剛性差が、半導体パッケージ１０１の反り量に影響しているためである。

また、一般的にモールド樹脂層２０１のヤング率はプリント配線板４０１と同等か、より小さいため、同じ厚さの条件ではモールド樹脂層２０１の剛性の方が低くなるためである。半導体チップ３０１上の領域におけるモールド樹脂層２０１の凹部の厚さを、半導体チップ３０１下のプリント配線板４０１の厚さと同等か、それ以上とすることで、最大限に半導体パッケージ１０１の反り量の低減効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示す半導体パッケージの模式的断面図である。１０２は半導体パッケージ、２０２はモールド樹脂層、３０２は半導体チップ、４０２はプリント配線板、５０２ははんだ接合部である。

半導体パッケージ１０２及び半導体チップ３０２の大きさ、プリント配線板４０１の厚さについては第１の実施形態と同様である。モールド樹脂層２０２、半導体チップ３０２、プリント配線板４０２、はんだ接合部５０２の材質についても第１の実施形態と同様である。

モールド樹脂層２０２の表面に形成されている凹部の幅は０．５ｍｍ、凸部の幅は０．５ｍｍである。半導体チップ３０２上の領域における凹部の深さは、半導体チップ３０２の中心で最も深く０．０７ｍｍであり、半導体チップ３０２外周に向かって徐々に浅くなり、半導体チップ３０２外周部で０．０３ｍｍである。半導体チップ３０２上の領域以外では０．１５ｍｍである。

半導体チップ３０２上の領域における凹部の深さが、半導体チップ３０２の中心から外周に向かって徐々に浅くなることにより、半導体チップ３０２上のモールド樹脂層２０２の剛性は、半導体チップ３０２の中心側より外周側が強くなる。

はんだリフロー中の半導体チップ３０２の反り量は、半導体チップ３０２の変形中心より遠い領域で大きくなるため、本実施形態の様に半導体チップ３０２上において中心から遠い領域の凹部におけるモールド樹脂層２０２の厚さを厚くする事で、効率的に半導体チップ３０２の反り量を低減する事が出来る。

表２は、図３に示す実施形態について、半導体パッケージの反り量をシミュレーションし、本発明の効果を検証した結果である。シミュレーションの条件は第１の実施形態と同じである。

この結果、本実施形態の半導体パッケージ１０２の反り量は、第１の実施形態よりも３．２マイクロメートル小さく、第１の実施形態に対してさらに１０％の反り量の低減を実現できることが確認できる。また半導体チップ３０２動作時の温度については第１の実施形態の実験結果と同様であった。

よって、本実施形態を用いることではんだリフロー時の半導体パッケージ１０３の反り量を更に低減し、かつ第１の実施形態と同等の放熱特性を保持することが可能となる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態を示す半導体パッケージの模式的断面図であり、１０３は半導体パッケージ、２０３はモールド樹脂層、３０３は半導体チップ、４０３はプリント配線板、５０３ははんだ接合部である。

半導体パッケージ１０３及び半導体チップ３０３の大きさ、プリント配線板４０３の厚さについては第１の実施形態と同様である。モールド樹脂層２０３、半導体チップ３０３、プリント配線板４０３、はんだ接合部５０３の材質についても第１の実施形態と同様である。

モールド樹脂層２０３の表面に形成されている凹部の幅は０．５ｍｍ、凸部の幅は０．５ｍｍ、凹部の深さは半導体チップ３０３上の領域で０．０７ｍｍ、それ以外の領域で０．２５ｍｍである。モールド樹脂層２０３の表面に形成されている、半導体チップ３０３上の領域以外における凹部の深さは０．２５ｍｍであり、第１の実施形態における同凹部の深さ０．１５ｍｍよりも大きい。

これにより、半導体チップ３０３と、モールド樹脂層２０３の表面に形成されている半導体チップ３０３上の領域以外における凹部との距離が、第１の実施形態よりも近くなる。そのために、半導体チップ３０３で発生した熱は、よりモールド樹脂層２０３の表面に到達しやすくなり、放熱効果が増す。

また、半導体チップ３０３上の領域以外における凹部の深さが第１の実施形態における同凹部の深さより大きいため、モールド樹脂層２０３と周囲の空気が接する面積をより大きく確保することができる。これにより半導体チップ３０３で生じた熱をより効率的に逃がすことが可能となる。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態を示す半導体パッケージの模式的断面図であり、１０４は半導体パッケージ、２０４はモールド樹脂層、３０４は半導体チップ、４０４はプリント配線板、５０４ははんだ接合部である。

半導体パッケージ１０４及び半導体チップ３０４の大きさ、プリント配線板４０４の厚さについては実施形態１と同様である。またモールド樹脂層の表面の凹凸の構造も第１の実施形態と同様である。モールド樹脂層２０４、半導体チップ３０４、プリント配線板４０４、はんだ接合部５０４の材質についても第１の実施形態と同様である。

モールド樹脂層２０４に形成された凹凸の、凸部の上面および凹部の底面の表面には、蒸着により厚さ１マイクロメートルの銅の薄膜が形成されているが、薄膜の形成方法は他の方法、例えばスパッタでもよく、薄膜の材質は他の材質、例えばアルミニウムやクロムでもよい。

ここで、モールド樹脂層の熱伝導率は０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、銅は３８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。モールド樹脂層の千倍以上の熱伝導率である銅の薄膜を凹凸表面に形成することによって、モールド樹脂層２０４の半導体チップ３０４上の領域に熱が集中することなく、薄膜を伝ってモールド樹脂層２０４の上面全体に熱がすばやく広がる。そして、モールド樹脂層２０４と空気の接触面積がより大きい、半導体パッケージ外周部まで熱が広がるため、より一層放熱能力が高くなる利点がある。

また、銅の薄膜は、凸部の上面および凹部の底面のみならず、凸部の側面の表面に形成されているとさらに放熱能力が高まるため、望ましい。

表３は、図５に示す実施形態について、半導体パッケージの温度をシミュレーションし、本発明の効果を検証した結果である。

半導体チップの温度は、コントロールボリューム法による熱流体解析で求めた。半導体チップの温度は、半導体チップに一様な２Ｗの発熱条件を設定し、無限に時間が経過した状態（定常状態）のチップ温度とした。

半導体パッケージ面に平行に、２５度の大気が１．５ｍ／ｓの速度で流れており、半導体パッケージと大気の間で熱交換が行われる。

また、半導体パッケージは、縦４０．０ミリメートル、横４０．０ミリメートル、高さ１．０ミリメートルのプリント配線板の中央に、高さ０．５ｍｍのはんだ接合部を介して接続されている条件とした。

モールド樹脂層の凹部の上面、および凹部の底面には、厚さ１マイクロメートルの銅の薄膜が形成されている。ここでモールド樹脂層の熱伝導率は０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、銅は３８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）として解析を行っている。

この条件でシミュレーションした結果、本実施形態の半導体チップ３０４の温度は６１．７度で、実施形態１よりも１．１度低くなった。

この結果より、同等の放熱能力を得るためには、本実施形態の半導体チップ３０４上の領域におけるモールド樹脂層２０４の凹部の深さを、第１の実施形態よりも小さくできる。そして、本実施形態の半導体チップ３０４上の領域におけるモールド樹脂層２０４の剛性は、第１の実施形態よりも大きくなり、本実施形態はより大きい反り量の低減効果を得ることができる。

また、ここで銅の薄膜を、凸部の上面および凹部の底面のみならず、凸部の側面の表面にも形成することで、さらに本実施形態の反り量の低減効果は大きくなる。

１０１ 本発明の第１の実施形態に係る半導体パッケージ
２０１ モールド樹脂層
３０１ 半導体チップ
４０１ プリント配線板
５０１ ボール電極

Claims (4)

1. 半導体チップと、表面の一部に前記半導体チップを搭載したプリント配線板と、前記半導体チップを封止するように、半導体チップ上及び半導体チップが搭載されていない領域の前記プリント配線板の表面上に形成されたモールド樹脂層とから構成される半導体パッケージにおいて、
   前記モールド樹脂層の表面には複数の凹凸が形成されており、
   前記プリント配線板の表面から見た前記凹凸の凸部先端の高さが一定であり、
   前記半導体チップ上における前記凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離が、前記半導体チップが搭載されていない領域上における前記凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離より短いことを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記半導体チップ上における前記凹凸に関し、前記半導体チップの表面から前記凹凸の凹部下端までの距離が、前記プリント配線板の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記半導体チップ上における前記凹凸の凸部先端から凹部下端までの距離が、前記半導体チップの外周から中心に向かって大きくなっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体パッケージ。
4. 前記凹凸の少なくとも凹部の底面及び凸部の上面が、前記モールド樹脂層よりも熱伝導性の高い物質により被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。

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