JP2017143227A - 半導体集積回路素子の放熱構造、ならびに、半導体集積回路素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効果を改善することができる、半導体集積回路素子の放熱構造を提供する。【解決手段】プリント配線板３０と、プリント配線板３０に実装されていて、半導体基板１１を素体とし、半導体基板１１の実装面側に集積回路を有する半導体集積回路素子１０と、半導体基板１１の天面側に搭載された放熱板２０と、を有する、半導体集積回路素子１０の放熱構造１であって、半導体集積回路素子１０は、半導体基板１１の天面側に、一端が半導体基板１１に接した複数のビア導体１３３を有し、集積回路は、半導体基板１１およびビア導体１３３を介して、放熱板２０に熱的に接続されている。【選択図】図５

Description

本発明は、半導体集積回路素子の放熱構造、ならびに、半導体集積回路素子及びその製造方法に関し、特には、放熱効果を改善するための技術に関する。

電源回路等の大電流を流す製品では、当該電源回路用のＩＣ（Integrated Circuit）で発生する熱によって不具合が生じる場合がある。しかし、ＩＣの小型化はすすむものの、主な放熱の経路はＩＣの各端子からの熱伝導に依存しているにすぎないため、放熱が制限されることによって製品またはＩＣの温度保証範囲が妨げられる場合がある。

そこで、電子部品が実装される回路基板に放熱プレートを固定するとともに、放熱プレートと電子部品との間に放熱シート部材を挟み込む構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、半導体装置の上面にピンフィンヒートシンクを設ける構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−２１９１６９号公報 特開平６−５７５１号公報

しかしながら、回路基板（プリント配線板）に放熱プレート（放熱板）を固定する構成では、半導体集積回路素子等の電子部品で発生した熱は、主に回路基板を経由して放熱プレートに伝わり、放熱プレートから放熱される。よって、放熱経路が比較的長くなるため、放熱効果の向上が阻害される場合がある。また、半導体集積回路素子から放熱シート部材を経由して放熱プレートに伝わる放熱経路では、次のような問題がある。すなわち、放熱シート部材、あるいは、ピンフィートを設けるために必要となる接着剤は、一般的に樹脂中に導電性粉末を分散させた構成が用いられる。このため、これらの熱伝導性は、導電性粉末同士の点接触によるため、放熱効果を得るには不十分である。このように、従来の構成では、熱による不具合を低減できるような十分な放熱効果を得ることが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、放熱効果を改善することができる、半導体集積回路素子の放熱構造等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体集積回路素子の放熱構造は、プリント配線板と、前記プリント配線板に実装されていて、半導体基板を素体とし、前記半導体基板の実装面側に集積回路を有する半導体集積回路素子と、前記半導体基板の天面側に搭載された放熱板と、を有する、半導体集積回路素子の放熱構造であって、前記半導体集積回路素子は、前記半導体基板の天面側に、一端が前記半導体基板に接した複数の柱状導体を有し、前記集積回路は、前記半導体基板および前記柱状導体を介して、前記放熱板に熱的に接続されている。

このように、半導体基板の天面側に柱状導体が設けられていることにより、集積回路で発生した熱を半導体基板及び柱状導体を介して速やかに放熱板から放熱させることができる。したがって、放熱経路を短縮することができるため、放熱効果を改善することができる。

また、前記プリント配線板には、さらに、前記プリント配線板と前記放熱板とを熱的に接続する放熱補助部材が実装されていることにしてもよい。

このように、放熱補助部材が実装されていることにより、集積回路はプリント配線板及び放熱補助部材を介して放熱板に熱的に接続されていることになる。このため、集積回路で発生した熱を、放熱補助部材を介して放熱板から放熱させることができる。したがって、放熱経路の増加により、放熱効果をさらに改善することができる。

また、前記放熱補助部材は、ＬＧＡ（Land Grid Array）またはＢＧＡ（Ball Grid Array）の電極を有し、前記プリント配線板に実装されているチップ部品であることにしてもよい。

このように、放熱補助部材がＬＧＡまたはＢＧＡの電極によって実装されるチップ部品であることにより、半導体集積回路素子の集積回路で発生した熱を、当該半導体集積回路素子の周囲に実装される当該チップ部品を介して放熱板から放熱させることができる。また、当該チップ部品は、プリント配線板への実装面に電極が配置されている。このため、放熱効果の高い導電性部材を放熱板として用いた場合であっても、チップ部品の電極間のショートを防止しつつチップ部品と放熱板とを直接接触させることができる。したがって、チップ部品を経由する放熱経路の熱伝導性及び放熱効果を向上させることができる。

また、前記放熱補助部材は、底面から天面にわたって設けられた電極を両端部に有し、天面側から見て、一方の端部の電極のみが前記放熱板に重なるように前記プリント配線板に実装されているチップ部品であることにしてもよい。

このように、放熱補助部材が、一方の電極のみが放熱板に重なるチップ部品であることにより、半導体集積回路素子の集積回路で発生した熱を、当該半導体集積回路素子の周囲に実装される当該チップ部品を経由して放熱板から放熱させることができる。また、当該チップ部品の電極は、底面から天面にわたって設けられている。このため、放熱板の比較的近い位置まで電極が位置することになるので、当該電極から放熱板への熱伝導性を高めることができる。さらに、一方の電極のみが放熱板に重なることにより、放熱効果の高い導電性部材を放熱板として用いた場合であっても、チップ部品の電極間のショートを防止しつつチップ部品と放熱板とを直接接触させることができる。したがって、チップ部品を経由する放熱経路の熱伝導性及び放熱効果を向上させることができる。

また、前記柱状導体の一端は前記半導体基板に直接的に接しており、他端は前記放熱板に直接的に接していることにしてもよい。

このように、柱状導体が半導体基板及び放熱板に直接的に接していることにより、熱伝導性を有する接着剤等を介して接している場合に比べて、熱伝導性を高めることができる。具体的には、接着剤は、一般的に導電性粉末を樹脂中に分散させた構成が用いられる。このため、これらの熱伝導性は導電性粉末同士の点接触による。これに対し、本態様によれば、柱状導体と半導体基板、及び、柱状導体と放熱板は、それぞれ、点接触に比べてはるかに熱伝導性の高い面接触となる。したがって、放熱経路の熱伝導性を高めることができるので、放熱効果をさらに改善することができる。

また、本発明は上述した半導体集積回路素子の放熱構造として実現できるだけでなく、半導体集積回路素子そのものとしても実現できる。つまり、上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体集積回路素子は、半導体集積回路素子の素体であって、実装面側に集積回路を有する半導体基板と、前記半導体基板の天面側に設けられ、一端が前記半導体基板に接した複数の柱状導体と、を有する。

このような半導体集積回路素子によれば、半導体基板の天面側に柱状導体が設けられていることにより、集積回路で発生した熱が半導体基板及び柱状導体を介して、半導体集積回路素子の天面側に速やかに導かれて放熱され得る。つまり、放熱経路を短縮することができるため、放熱効果を改善することができる。

また、前記複数の柱状導体はそれぞれ、前記半導体基板に近づくにつれて断面が小さくなる逆テーパ形状を有することにしてもよい。

このように複数の柱状導体のそれぞれが逆テーパ形状であることにより、柱状導体における熱拡散性が向上する。したがって、放熱効果をさらに改善することができる。

また、前記半導体集積回路素子は、さらに、前記半導体基板の天面側に設けられた絶縁層を有し、前記複数の柱状導体は、前記絶縁層を厚み方向に貫通しているビア導体であることにしてもよい。

このように複数の柱状導体が絶縁層を貫通しているビア導体であることより、当該柱状導体の強度を高めることができる。

また、前記絶縁層は磁性体粉を含有した樹脂層であることにしてもよい。

このような磁性体粉を含有する絶縁層は、磁気シールドとして機能する。このため、集積回路で発生したノイズの半導体集積回路素子外部への漏れを抑制することができる。

また、前記柱状導体の一端は、前記半導体基板の前記天面に埋め込まれていることにしてもよい。

このように、柱状導体は、一端が半導体基板に埋め込まれていることにより半導体基板によって固定されるため、強度を高めることができる。また、一端が半導体基板に埋め込まれた柱状導体は、埋め込まれていない場合に比べて、半導体基板との接触面積が増大する。このため、半導体基板から柱状導体への熱伝導性が向上するので、半導体集積回路素子の放熱効果を改善することができる。

また、本発明は、このような半導体集積回路素子を製造する製造方法としても実現できる。つまり、本発明の一態様に係る半導体集積回路素子の製造方法は、前記半導体集積回路素子の素体であり、実装面側に集積回路を有する半導体基板の天面側に、絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を貫通して前記半導体基板を露出させる複数の貫通孔を形成する工程と、前記複数の貫通孔に導体を充填することにより、前記半導体基板の天面側に設けられ、一端が前記半導体基板に接した複数の柱状導体を形成する工程と、を含む。

このように、柱状導体を半導体集積回路素子の再配線プロセスによって作製することにより、放熱効果を改善することができる半導体集積回路素子を容易に製造することができる。

本発明によれば、半導体集積回路素子の放熱効果を改善することができる。

実施の形態に係る半導体集積回路素子の放熱構造を示す斜視図である。 放熱板を他の構成要素から分離して示す分解斜視図である。 半導体集積回路素子の放熱構造を示す上面図及び断面図である。 半導体集積回路素子の断面図及びその一部拡大図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 放熱構造において、半導体集積回路素子からの熱が伝わる様子を模式的に示す断面図である。 実施の形態の変形例に係る半導体集積回路素子の断面図及びその一部拡大図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。 半導体集積回路素子の製造プロセスを示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る半導体集積回路素子の放熱構造について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造プロセス、及び、製造プロセスの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさまたは大きさの比は、必ずしも厳密ではない。また、以下の実施の形態に示す断面図では、簡明のため、一部の構成要素について側面図とし、厳密には別断面にある構成要素を同一図面内に示して説明している場合がある。なお、以下において、数値範囲がＡ〜Ｂとは、Ａ以上、Ｂ以下であることを示す。

（実施の形態）
図１Ａは、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０の放熱構造１を示す斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示す放熱構造１において、放熱板２０を他の構成要素から分離して示す分解斜視図である。

本実施の形態では、半導体集積回路素子１０の厚さ方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直かつ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向として説明し、Ｚ軸方向プラス側を半導体集積回路素子１０の天面（上面）側として説明する。しかし、実際の使用態様においては、半導体集積回路素子１０の厚さ方向が上下方向とはならない場合もある。このため、実際の使用態様においては、半導体集積回路素子１０の天面側は上面側には限定されない。

これらの図に示す放熱構造１は、半導体集積回路素子１０で発生する熱を効率良く放熱させる半導体集積回路素子１０の放熱構造である。具体的には、当該放熱構造１は、半導体集積回路素子１０で発生する熱を、空気等に効率良く伝導することにより放熱させる。この放熱構造１は、半導体集積回路素子１０と、放熱板２０と、プリント配線板３０とを備える。また、プリント配線板３０には、チップコンデンサ４１、４２及びチップインダクタ４３が実装され、さらに金属ポスト４４が設けられている。

半導体集積回路素子１０は、プリント配線板３０に実装されていて、半導体基板を素体とし、半導体基板の実装面側に集積回路を有するＩＣチップである。本実施の形態では、半導体集積回路素子１０は、天面側から見て全体が放熱板２０に重なって配置されている。また、本実施の形態では、半導体集積回路素子１０は、天面が放熱板２０に当接している。

なお、半導体集積回路素子１０は、熱伝導性の向上を図る観点から天面全体が放熱板２０に当接していることが好ましいが、放熱板２０と熱的に接続されていればよく、これに限らない。例えば、半導体集積回路素子１０は、天面側から見て、天面の一部が放熱板２０に重なっていなくてもかまわない。半導体集積回路素子１０の詳細な構成については、後述する。

放熱板２０は、半導体集積回路素子１０の天面側に搭載され、半導体集積回路素子１０で発生した熱を放熱させるヒートシンクである。具体的には、放熱板２０は、上方に突出する複数の突起部２０ａ（放熱フィン）を有する、概形形状が板状の部材である。このような放熱板２０は、複数の突起部２０ａによって空気への伝熱面積が広げられることにより、空気との熱交換が促進されて放熱効果が高められている。

本実施の形態の放熱板２０では、Ｘ軸方向に沿って延設された突起部２０ａがＹ軸方向に等間隔に複数配置されている。しかし、放熱板２０は、このような構成に限らず、例えば、突起部２０ａがＹ軸方向に沿って延設される等、どのような構成であってもかまわない。

放熱板２０の材質は特に限定されないが、例えば、アルミニウム等を主成分とする金属または合金が用いられ得る。また、放熱板２０を半導体集積回路素子１０の天面側に載置する構成は特に限定されないが、例えば、放熱板２０と半導体集積回路素子１０とを接着する接着剤、または、放熱板２０をプリント配線板３０に締結するネジ等の締結部材が用いられ得る。

プリント配線板３０は、半導体集積回路素子１０が実装される基板であり、本実施の形態では、ＤＣＤＣコンバータ回路を形成するための各種の導体が設けられている。当該導体には、半導体集積回路素子１０、チップコンデンサ４１、４２、及び、チップインダクタ４３をプリント配線板３０に実装するための表面電極、ならびに、これらを接続するための配線及びビア導体が含まれる。

プリント配線板３０の材質は特に限定されないが、例えば、エポキシ基板等の樹脂基板またはフェライト基板等のセラミックス基板等が用いられ得る。

チップコンデンサ４１、４２、チップインダクタ４３及び金属ポスト４４は、それぞれ、プリント配線板３０と放熱板２０とを熱的に接続する放熱補助部材の一例である。例えば、これらは、空気よりも熱伝導率が高い部分を有し、特に半導体集積回路素子１０の半導体基板よりも熱伝導率が高い部分を有することが好ましい。

これらの配置態様について、さらに図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０の放熱構造１を示す上面図及び断面図である。具体的には、同図の（ａ）は放熱構造１の上面図（Ｚ軸方向プラス側から見た図）であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線における断面図である。なお、同図では、これらの配置態様の簡明のため放熱板２０を透視して示している。

図２の（ａ）に示すように、チップコンデンサ４１、４２、チップインダクタ４３及び金属ポスト４４は、半導体集積回路素子１０を囲むように配置されている。具体的には、これらは、上面視において、半導体集積回路素子１０に対して互いに異なる方向に位置するように配置されている。特に、チップコンデンサ４１、４２、チップインダクタ４３は、上面視において、半導体集積回路素子１０を中心に略均等な位置に配置されている。このような配置により、半導体集積回路素子１０で発生した熱を速やかに放熱板２０に導くことができる。なお、略均等とは、完全に均等であることを意味するだけでなく、実質的に均等であることも意味する。すなわち、「略」とは、数％程度の誤差を含む。以降の「略」を用いた他の表現についても、同様である。

なお、チップコンデンサ４１、４２、チップインダクタ４３及び金属ポスト４４の配置態様はこれに限定されず、例えば、上面視において、半導体集積回路素子１０に対して略同一方向に偏って配置されていてもかまわない。

チップコンデンサ４１、４２はそれぞれ、底面から天面にわたって設けられた電極を両端部に有するチップ部品であり、本実施の形態では、天面側から見て（Ｚ軸方向プラス側から見て）、一方の端部の電極のみが放熱板２０に重なるようにプリント配線板３０に実装されている。具体的には、チップコンデンサ４１は、一方の端部に端面電極４１１を有し、他方の端部に端面電極４１２を有し、天面側から見て端面電極４１１のみが放熱板２０に重なって配置されている。また、チップコンデンサ４２は、一方の端部に端面電極４２１を有し、他方の端部に端面電極４２２を有し、天面側から見て端面電極４２１のみが放熱板２０に重なって配置されている。

これらチップコンデンサ４１、４２は、半田材等によってプリント配線板３０に実装され、本実施の形態では、天面が放熱板２０に当接し、底面がプリント配線板３０に当接する。

チップインダクタ４３は、ＬＧＡ（Land Grid Array）の電極４３１、４３２を有し、プリント配線板３０に実装されているチップ部品であり、本実施の形態では、天面側から見て、全体が放熱板２０に重なるように実装されている。チップインダクタ４３は、素体として、磁性フェライトセラミックス等の磁性体層が積層された多層基板が用いられ得る。一般的に磁性フェライトセラミックスにより構成される基板は半導体集積回路素子を構成する半導体基板よりも熱伝導率が高い。このため、このようなチップインダクタ４３は放熱補助部材に好適である。

なお、チップインダクタ４３の構成はこれに限らず、電極４３１、４３２がＢＧＡ（Ball Grid Array）であってもかまわない。また、放熱の観点からは、天面側から見てチップインダクタ４３の全体（特に天面）が放熱板２０に重なることが好ましいが、チップインダクタ４３の一部のみが放熱板２０に重なっていてもかまわない。

金属ポスト４４は、例えば、底面側端部４４１がプリント配線板３０に挿入され、天面が放熱板２０に当接する金属部材である。金属ポスト４４の形状は、特に限定されないが、例えば、底面側端部４４１の径が小さく、他の部分が天面に近づくほど断面が小さくなるテーパ形状である。金属ポスト４４の材質は特に限定されないが、例えば、アルミニウム等を主成分とする金属または合金が用いられ得る。

以上のように構成された半導体集積回路素子１０の放熱構造１は、例えば、バッテリから供給された直流電圧を各種回路に適した直流電圧に変換して出力するＤＣＤＣコンバータモジュールに適用され得る。

この場合、半導体集積回路素子１０は、例えば、内蔵しているスイッチ素子（不図示）を所定の周波数にてスイッチングさせることにより、チップインダクタ４３に電流を断続的に供給するスイッチングＩＣチップである。また、チップコンデンサ４１は、例えば、一端が入力電圧用電源ラインに接続され、他端がグランドに接続される、入力側の平滑用のコンデンサである。また、チップコンデンサ４２は、例えば、一端が出力電圧用電源ラインに接続され、他端がグランドに接続される、出力側の平滑用のコンデンサである。

なお、放熱構造１は、このようなＤＣＤＣコンバータモジュールに限らず、別の電子回路モジュールに適用されてもかまわない。あるいは、半導体集積回路素子１０、チップコンデンサ４１、４２及びチップインダクタ４３は、少なくとも１つの回路素子が別の電子回路を構成してもかまわない。つまり、例えば、半導体集積回路素子１０と、チップコンデンサ４１、４２及びチップインダクタ４３とは、電気的に接続されていなくてもかまわない。

次に、半導体集積回路素子１０について詳細に説明する。

図３は、半導体集積回路素子１０の断面図及びその一部拡大図である。具体的には、同図の（ａ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における半導体集積回路素子１０の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。

同図に示すように、半導体集積回路素子１０は、半導体基板１１を素体とし、半導体基板１１の実装面側（底面側、すなわちＺ軸方向マイナス側）に集積回路を有する。半導体集積回路素子１０は、さらに、実装面側再配線層１２、天面側再配線層１３及び外部接続電極１４を有する。

半導体基板１１は、上記のように、実装面側に集積回路を有する。集積回路は、例えばスイッチ素子を構成するトランジスタ等の素子を含み、半導体基板１１に回路領域１１１を形成する。つまり、回路領域１１１とは、半導体の内層プロセスによって形成された集積回路によって規定される領域であり、例えば、半導体基板１１の厚み方向において中央より実装面側に形成される。

回路領域１１１は、半導体の内層プロセスにおいて、半導体基板１１の例えば実装面側から不純物をドーピングすることにより形成される。このため、回路領域１１１は、半導体基板１１の天面には形成されない。つまり、半導体基板１１は、天面と回路領域１１１との間に集積回路が形成されない中間領域１１２を有する。例えば、この中間領域１１２には、ビア導体及び配線導体等のいずれの導体も形成されない。

半導体基板１１は、一般的な半導体集積回路素子に用いられる半導体基板であればよく、材質は特に限定されないが、例えばシリコン基板等が用いられ得る。

実装面側再配線層１２は、半導体基板１１の実装面側に設けられる配線層であり、回路領域１１１が形成された半導体基板１１の実装面側の略全体に設けられる。実装面側再配線層１２は、例えば、絶縁層１２１と各種導体とを有する。この各種導体には、半導体基板１１の主面に沿って設けられた面内導体である配線導体１２２と、当該主面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に設けられたビア導体１２３とが含まれる。この各種導体によって、集積回路と外部接続電極１４とが接続されることにより、半導体集積回路素子１０の回路構成（例えばスイッチングＩＣチップの回路構成）が実現される。

実装面側再配線層１２は、本実施の形態では、半導体の再配線プロセスによって形成される。実装面側再配線層１２の材質については特に限定されないが、例えば、絶縁層１２１としてはエポキシ系の樹脂が用いられ、各種導体としては銀または銅等が用いられ得る。

天面側再配線層１３は、半導体基板１１の天面側に設けられる配線層であり、半導体基板１１の天面側の略全体に設けられる。つまり、天面側再配線層１３は、半導体基板１１の回路領域１１１と反対側に設けられる。天面側再配線層１３は、本実施の形態では、絶縁層１３１と、複数のビア導体１３３とを有する。

絶縁層１３１は、半導体基板１１の天面側に設けられ、本実施の形態では、磁性体粉を含有した樹脂層である。磁性体粉としては、例えば、酸化鉄を主成分とし、亜鉛、ニッケル及び銅のうち少なくとも１つ以上を含むフェライトが用いられる。また、樹脂の材質については特に限定されないが、例えば、実装面側再配線層１２の絶縁層１２１と同様にエポキシ系の樹脂が用いられ得る。

複数のビア導体１３３は、半導体基板１１の天面側に設けられ、一端（ここではＺ軸方向マイナス側の端）が半導体基板１１に接した複数の柱状導体である。本実施の形態では、ビア導体１３３の一端は半導体基板１１に直接的に接しており、他端（ここではＺ軸方向プラス側の端）は放熱板２０に直接的に接しており、絶縁層１３１を厚み方向に貫通している。また、複数のビア導体１３３はそれぞれ、半導体基板１１に近づくにつれて断面が小さくなる逆テーパ形状を有する。

ビア導体１３３は、例えば、天面１３３ａの径（図中のｗ）が５０〜５００μｍの略円形であり、高さ（図中のｈａ）が３０〜２００μｍの、逆テーパ形状の円柱形状である。なお、ビア導体の１３３の形状はこれに限定されず、例えば、半導体基板１１の主面に沿った仮想平面におけるビア導体１３３の断面形状が略矩形形状の柱状であってもかまわない。

また、ビア導体１３３の天面１３３ａは放熱板２０に向かって高さｈｂ分、突出している。つまり、ビア導体１３３の底面１３３ｂと半導体基板１１の天面とが当接している場合、ビア導体１３３の高さｈａは絶縁層１３１の厚みより高くなっている。なお、ビア導体１３３は放熱板２０に向かって突出していなくてもよく、例えば、ビア導体１３３の高さが絶縁層１３１の厚みより低くてもかまわない。ただし、ビア導体１３３から放熱板２０への熱伝導の観点からはビア導体１３３と放熱板２０との隙間が小さいことが好ましく、このためにはビア導体１３３の高さが絶縁層１３１の厚み以上であることが好ましい。

また、例えば、複数のビア導体１３３は、天面側再配線層１３に一様に点在しており、隣り合うビア導体１３３間のギャップｐが１００〜３００μｍで等間隔に配置されている。また、Ｚ軸方向プラス側から見て、複数のビア導体１３３の少なくとも１つは、回路領域１１１（すなわち集積回路）に重なって配置される。

また、例えば、複数のビア導体１３３の天面１３３ａは、同一平面を形成する。つまり、本実施の形態では、放熱板２０の底面と複数のビア導体１３３との隙間が略一定（ここでは隙間なし）となるように設けられる。

このように天面側再配線層１３に設けられたビア導体１３３は、実装面側再配線層１２に設けられたビア導体１２３に比べて、集積回路（回路領域１１１）と電気的には接続されずに熱的に接続される点が異なる。つまり、ビア導体１３３は、集積回路と外部接続電極１４との電気的接続を図るための導体ではなく、集積回路で発生した熱を放熱させるための導体である。このため、ビア導体１３３は、半導体基板１１を貫通しないように設けられている。つまり、半導体基板１１の天面と底面とは絶縁されており、さらには、半導体集積回路素子１０の天面と底面とも絶縁されている。なお、半導体基板１１は少なくとも回路領域１１１において絶縁されていればよく、回路領域１１１と異なる領域に設けられた導体によって天面と底面とが電気的に接続されていてもかまわない。

ビア導体１３３の材質については特に限定されないが、例えば、実装面側再配線層１２の各種導体と同様に、熱伝導性の高い銀または銅等が用いられ得る。

このような天面側再配線層１３は、本実施の形態では、実装面側再配線層１２と同様に、半導体の再配線プロセスによって形成される。

外部接続電極１４は、半導体集積回路素子１０をプリント配線板３０に実装するための電極であり、実装面側再配線層１２の底面に設けられる、例えば半田バンプである。

このように、半導体集積回路素子１０は、当該半導体集積回路素子１０の素体であって、実装面側に集積回路（すなわち回路領域１１１）を有する半導体基板１１と、半導体基板１１の天面側に設けられ、一端が半導体基板１１に接した複数のビア導体１３３と、を有する。そして、集積回路は、半導体基板１１及びビア導体１３３を介して、放熱板２０に熱的に接続されている。このため、集積回路で発生した熱を半導体基板１１及びビア導体１３３を介して放熱板２０から放熱することができる。

したがって、半導体集積回路素子１０は、集積回路として発熱量の大きな回路が設けられている場合であっても、集積回路で発生する熱による不具合を低減することができる。よって、半導体集積回路素子１０は、ＤＣＤＣコンバータモジュールのように比較的大きな電流が流れるパワー系のモジュールに用いられるパワー系のＩＣチップとして、特に好適である。

次に、半導体集積回路素子１０の製造プロセス（製造方法）について説明する。

本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０の製造プロセスでは、ビア導体１３３が半導体の再配線プロセスによって形成される。これにより、放熱効果を改善することができる半導体集積回路素子１０を容易に製造することができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０の製造プロセスを示す断面図である。なお、ここでは、半導体集積回路素子１０のうち外部接続電極１４を形成する前までのプロセスが示されている。

まず、半導体集積回路素子１０の素体であり、実装面側に集積回路（すなわち回路領域１１１）を有する半導体基板１１を準備する。つまり、内層プロセス後の半導体基板１１を準備する。本実施の形態では、図４Ａに示すように、実装面側に実装面側再配線層１２が形成された半導体基板１１を準備する。次いで、例えば、この半導体基板１１の天面側を研磨（ミラーポリッシュ）する。

次いで、図４Ｂに示すように、半導体基板１１の天面側に、絶縁層１３１Ａを形成する。具体的には、本実施の形態では、半導体基板１１の天面側に、スピンコート塗布等により硬化前の絶縁性樹脂を塗布することにより絶縁層１３１Ａを形成する。これにより、半導体基板１１の天面側の全面が絶縁層１３１Ａによって覆われる。なお、絶縁層１３１Ａを形成する工程はこれに限らない。

次いで、図４Ｃに示すように、絶縁層（ここでは絶縁層１３１Ａ）を貫通して半導体基板１１を露出させる複数の貫通孔１３１Ｂを形成する。具体的には、本実施の形態では、絶縁層１３１Ａ上にレジスト（不図示）を塗布しフォトリソグラフィまたはエッチングすることにより、複数の貫通孔１３１Ｂを形成する。なお、絶縁層１３１を形成する工程はこれに限らず、例えば、絶縁層１３１Ａに対して天面側からレーザで穴開け加工することにより複数の貫通孔１３１Ｂを形成してもかまわない。

次いで、図４Ｄに示すように、複数の貫通孔１３１Ｂに導体を充填することにより、半導体基板１１の天面側に設けられ、一端が半導体基板１１に接した複数のビア導体１３３を形成する。具体的には、本実施の形態では、ビア導体１３３を形成するペースト状の導体を貫通孔１３１Ｂに充填して上記のレジストを除去することにより、絶縁層１３１を貫通するビア導体１３３を形成する。なお、貫通孔１３１Ｂに導体を充填する工程はこれに限らず、例えば、めっき等によって充填してもかまわない。また、必要に応じて絶縁層１３１を例えばエッチングにより除去してもかまわない。

最後に、実装面側再配線層１２の底面に外部接続電極１４を形成することにより、上述した半導体集積回路素子１０が形成される。

このように、本実施の形態では、複数のビア導体１３３は、半導体の内層プロセス後の再配線プロセスによって形成される。なお、上記説明では、ビア導体１３３を形成する天面側再配線プロセスは、実装面側再配線層１２を形成する実装面側再配線プロセス後に行われるとした。しかし、この順序は特に限定されず、例えば、天面側再配線プロセスは、実装面側再配線プロセスの前に行われてもかまわない。

以上説明した本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０の放熱構造１の効果等について、図５を用いて説明する。

図５は、本実施の形態に係る放熱構造１において、半導体集積回路素子１０からの熱が伝わる様子を模式的に示す断面図である。具体的には、同図は図１ＡのＶ−Ｖ線における放熱構造１の断面図において、この熱の伝わる様子が矢印で示されている。なお、矢印の太さは、伝わる熱の大きさの一例を示し、例えば、矢印が太いほど伝わる熱が大きいことを示す。

本実施の形態に係る放熱構造１では、半導体基板１１の天面側に柱状導体（本実施の形態ではビア導体１３３）が設けられていることにより、集積回路で発生した熱を半導体基板１１及び柱状導体を介して速やかに放熱板２０から放熱させることができる。したがって、放熱経路を短縮することができるため、放熱効果を改善することができる。

また、本実施の形態に係る放熱構造１では、放熱補助部材（本実施の形態では、チップコンデンサ４１、４２、チップインダクタ４３及び金属ポスト４４）が実装されていることにより、集積回路はプリント配線板３０及び放熱補助部材を介して放熱板２０に熱的に接続されていることになる。このため、集積回路で発生した熱を、放熱補助部材を介して放熱板２０から放熱させることができる。したがって、放熱経路の増加により、放熱効果をさらに改善することができる。

また、本実施の形態に係る放熱構造１では、放熱補助部材がＬＧＡまたはＢＧＡの電極によって実装されるチップ部品（ここではチップインダクタ４３）であることにより、半導体集積回路素子１０の集積回路で発生した熱を、当該半導体集積回路素子１０の周囲に実装される当該チップ部品を介して放熱板２０から放熱させることができる。また、当該チップ部品は、プリント配線板３０への実装面に電極が配置されている。このため、放熱効果の高い導電性部材を放熱板２０として用いた場合であっても、チップ部品の電極間のショートを防止しつつチップ部品と放熱板２０とを直接接触させることができる。したがって、チップ部品を経由する放熱経路の熱伝導性及び放熱効果を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る放熱構造１では、放熱補助部材が、一方の電極のみが放熱板２０に重なるチップ部品（ここではチップコンデンサ４１、４２）であることにより、半導体集積回路素子１０の集積回路で発生した熱を、当該半導体集積回路素子１０の周囲に実装される当該チップ部品を経由して放熱板２０から放熱させることができる。また、当該チップ部品の電極（ここでは端面電極４１１、４１２、４２１、４２２）は、底面から天面にわたって設けられている。このため、放熱板２０の比較的近い位置まで電極が位置することになるので、当該電極から放熱板２０への熱伝導性を高めることができる。さらに、一方の電極（ここでは、チップコンデンサ４１の端面電極４１１、及び、チップコンデンサ４２の端面電極４２１）のみが放熱板２０に重なることにより、放熱効果の高い導電性部材を放熱板２０として用いた場合であっても、チップ部品の電極間のショートを防止しつつチップ部品と放熱板２０とを直接接触させることができる。したがって、チップ部品を経由する放熱経路の熱伝導性及び放熱効果を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る放熱構造１では、柱状導体が半導体基板１１及び放熱板２０に直接的に接していることにより、熱伝導性を有する接着剤等を介して接している場合に比べて、熱伝導性を高めることができる。具体的には、接着剤は、一般的に導電性粉末を樹脂中に分散させた構成が用いられる。このため、これらの熱伝導性は導電性粉末同士の点接触による。これに対し、本態様によれば、柱状導体と半導体基板１１、及び、柱状導体と放熱板２０は、それぞれ、点接触に比べてはるかに熱伝導性の高い面接触となる。したがって、放熱経路の熱伝導性を高めることができるので、放熱効果をさらに改善することができる。

また、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０によれば、半導体基板１１の天面側に柱状導体が設けられていることにより、集積回路で発生した熱が半導体基板１１及び柱状導体を介して、半導体集積回路素子１０の天面側に速やかに導かれて放熱され得る。つまり、放熱経路を短縮することができるため、放熱効果を改善することができる。

また、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０では、複数の柱状導体のそれぞれが逆テーパ形状であることにより、柱状導体における熱拡散性が向上する。したがって、放熱効果をさらに改善することができる。

また、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０では、複数の柱状導体が絶縁層１３１を貫通しているビア導体１３３であることより、当該柱状導体の強度を高めることができる。

また、本実施の形態に係る半導体集積回路素子１０では、磁性体粉を含有する絶縁層１３１が磁気シールドとして機能する。このため、集積回路で発生したノイズの半導体集積回路素子１０外部への漏れを抑制することができる。

また、本実施の形態では、複数の柱状導体が点在していることにより、柱状導体と半導体基板１１との熱膨張係数の違いによるクラック等の発生を抑制できる。

また、本実施の形態では、上面視において、複数の柱状導体と回路領域１１１とが重なって配置される。これにより、集積回路で発生した熱を、柱状導体を経由し放熱板２０に速やかに伝導して放熱させることができる。

また、例えば、本実施の形態の柱状導体に代わり半導体基板１１を貫通する放熱用の貫通ビアを設けると、回路領域１１１内に貫通ビアが位置した場合に集積回路が損傷する虞がある。一方、集積回路に損傷を与えることなく貫通ビアを設けようとすると、貫通ビアを避けて集積回路を形成することが必要となり、回路領域１１１の大面積化に伴うチップサイズの大型化を招く虞がある。これに対し、本実施の形態では、複数の柱状導体が半導体基板１１を貫通しないように設けられている。これにより、集積回路を損傷することなくチップサイズ（半導体集積回路素子１０のサイズ）の小型化を実現できる。

また、本実施の半導体集積回路素子１０の製造方法によれば、柱状導体を半導体集積回路素子１０の再配線プロセスによって作製することにより、放熱効果を改善することができる半導体集積回路素子１０を容易に製造することができる。

（変形例）
上記実施の形態では、半導体集積回路素子１０は、絶縁層１３１を貫通するビア導体１３３を有するとした。しかし、半導体集積回路素子の構成はこれに限らない。そこで、以下、実施の形態の変形例に係る半導体集積回路素子について詳細に説明する。

図６は、本変形例に係る半導体集積回路素子２１０の断面図及びその一部拡大図である。具体的には、同図の（ａ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する半導体集積回路素子２１０の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。

同図に示す半導体集積回路素子２１０は、図３に示す半導体集積回路素子１０と比べて、ビア導体２３３の一端が半導体基板２１の天面に埋め込まれている点が異なる。つまり、本変形例の半導体基板２１は、天面が平坦な半導体基板１１に比べて、天面にビア導体２３３が埋め込まれる凹部２１ａが設けられている。

このような構成により、ビア導体２３３は、半導体集積回路素子２１０において天面側に高さｈｃ分（ここで、ｈｃ＞ｈｂ）突出している。

また、本変形例の天面側再配線層２３は、実施の形態の天面側再配線層１３に比べて、絶縁層１３１を有さない。つまり、本変形例のビア導体２３３は、絶縁層を貫通することなく設けられている柱状導体である。すなわち、ビア導体２３３の側面は、凹部２１ａに埋め込まれている部分を除いて露出している。

以上のように構成された半導体集積回路素子２１０であっても、半導体基板２１の天面側に柱状導体（本変形例ではビア導体２３３）が設けられていることにより、集積回路（ここでは回路領域１１１）で発生した熱を半導体基板２１及び柱状導体を介して速やかに放熱板２０から放熱させることができる。したがって、実施の形態と同様に、放熱経路を短縮することができるため、放熱効果を改善することができる。

また、本変形例では、柱状導体は、一端が半導体基板２１に埋め込まれていることにより半導体基板２１によって固定されるため、強度を高めることができる。また、一端が半導体基板２１に埋め込まれた柱状導体は、埋め込まれていない場合に比べて、半導体基板２１との接触面積が増大する。このため、半導体基板２１から柱状導体への熱伝導性が向上するので、半導体集積回路素子２１０の放熱効果をさらに改善することができる。

また、本変形例では、柱状導体の突出部分の側面（すなわち半導体基板２１に埋め込まれていない部分の側面）が露出している。このため、柱状導体の側面でも空気との熱交換が行われることになり、柱状導体自体がヒートシンクとしても機能する。したがって、半導体集積回路素子２１０の放熱効果をさらに改善することができる。

このような半導体集積回路素子２１０は、次のような製造プロセスによって製造することができる。

図７Ａ〜図７Ｄは、本変形例に係る半導体集積回路素子２１０の製造プロセスを示す断面図である。なお、ここでは、半導体集積回路素子２１０のうち外部接続電極１４を形成する前までのプロセスが示されている。

まず、図７Ａに示すように、スピンコート塗布等により、半導体基板２１となる半導体基板２１Ａの天面側にレジスト２３１を塗布する。

次いで、図７Ｂに示すように、エッチング等によりレジスト２３１を貫通して半導体基板２１Ａを露出させる複数の貫通孔２３１Ｂを形成する。このとき、本変形例では、例えばオーバーエッチングにより、半導体基板２１Ａに凹部２１ａを形成する。これにより、天面に凹部２１ａが形成された半導体基板２１が形成される。

次いで、図７Ｃに示すように、複数の貫通孔２３１Ｂ及び複数の凹部２１ａに導体を充填することにより、半導体基板２１の天面側に設けられ、一端が半導体基板２１に接した複数のビア導体２３３を形成する。

次いで、レジスト２３１を除去することにより、ビア導体２３３の側面を露出させる。

最後に、実装面側再配線層１２の底面に外部接続電極１４を形成することにより、上述した半導体集積回路素子２１０が形成される。

このように、本変形例でも、複数のビア導体２３３は、半導体の内層プロセス後の再配線プロセスによって形成される。これにより、放熱効果を改善することができる半導体集積回路素子２１０を容易に製造することができる。

（その他の変形例）
以上、本発明の実施の形態及び変形例に係る半導体集積回路素子の放熱構造、ならびに、半導体集積回路素子及びその製造方法について説明したが、本発明は、個々の実施の形態及び変形例には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態及びその変形例に施したものや、異なる実施の形態及びその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、上記説明では、半導体基板の天面に設けられた柱状導体として、半導体の再配線プロセスによって形成されるビア導体を例に説明した。しかし、柱状導体の例はこれに限定されず、例えば、板金加工によって形成された導体部材であってかまわない。

また、上記説明では、柱状導体は、半導体基板及び放熱板２０に直接的に接しているとした。しかし、柱状導体は、半導体基板及び放熱板２０の少なくとも一方と、例えば放熱シート等を介して接していてもかまわない。

また、上記説明では、放熱板２０の材質としては、金属または合金が用いられ得るとしたが、これに限定されない。例えば、放熱板２０の材質として、導電性を有さない樹脂等を用いてもかまわない。このような構成にすることにより、放熱板２０とチップコンデンサ４１とが直接的に接する場合であっても、上面視において放熱板２０とチップコンデンサ４１の端面電極４１１、４１２の双方とが重なるように実装することができる。これについては、チップコンデンサ４２の端面電極４２１、４２２についても同様である。

また、上記説明では、プリント配線板３０には放熱補助部材が実装されているとしたが、実装されていなくてもかまわない。

また、上記説明では、柱状導体（上記説明ではビア導体）は、逆テーパ形状であるとしたが、これに限らず、例えば、底面から上面までの断面形状が略一定の柱状であってもかまわない。

本発明は、放熱効果を改善することにより不具合を低減できる半導体集積回路素子の放熱構造として、ＤＣＤＣコンバータモジュールなどの大電流が流れる電子部品に広く利用できる。

１ 放熱構造
１０、２１０ 半導体集積回路素子
１１、２１、２１Ａ 半導体基板
１２ 実装面側再配線層
１３、２３ 天面側再配線層
１４ 外部接続電極
２０ 放熱板
２０ａ 突起部
２１ａ 凹部
３０ プリント配線板
４１、４２ チップコンデンサ
４３ チップインダクタ
４４ 金属ポスト
１１１ 回路領域
１１２ 中間領域
１２１、１３１、１３１Ａ 絶縁層
１２２ 配線導体
１２３、１３３、２３３ ビア導体
１３１Ｂ、２３１Ｂ 貫通孔
１３３ａ 天面
１３３ｂ 底面
４１１、４１２、４２１、４２２ 端面電極
４３１、４３２ 電極
４４１ 底面側端部

Claims (11)

1. プリント配線板と、
   前記プリント配線板に実装されていて、半導体基板を素体とし、前記半導体基板の実装面側に集積回路を有する半導体集積回路素子と、
   前記半導体基板の天面側に搭載された放熱板と、
   を有する、半導体集積回路素子の放熱構造であって、
   前記半導体集積回路素子は、前記半導体基板の天面側に、一端が前記半導体基板に接した複数の柱状導体を有し、
   前記集積回路は、前記半導体基板および前記柱状導体を介して、前記放熱板に熱的に接続されている、
   半導体集積回路素子の放熱構造。
2. 前記プリント配線板には、さらに、前記プリント配線板と前記放熱板とを熱的に接続する放熱補助部材が実装されている、
   請求項１に記載の半導体集積回路素子の放熱構造。
3. 前記放熱補助部材は、ＬＧＡ（Land Grid Array）またはＢＧＡ（Ball Grid Array）の電極を有し、前記プリント配線板に実装されているチップ部品である、
   請求項２に記載の半導体集積回路素子の放熱構造。
4. 前記放熱補助部材は、底面から天面にわたって設けられた電極を両端部に有し、天面側から見て、一方の端部の電極のみが前記放熱板に重なるように前記プリント配線板に実装されているチップ部品である、
   請求項２に記載の半導体集積回路素子の放熱構造。
5. 前記柱状導体の一端は前記半導体基板に直接的に接しており、他端は前記放熱板に直接的に接している、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体集積回路素子の放熱構造。
6. 半導体集積回路素子の素体であって、実装面側に集積回路を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の天面側に設けられ、一端が前記半導体基板に接した複数の柱状導体と、
   を有する、
   半導体集積回路素子。
7. 前記複数の柱状導体はそれぞれ、前記半導体基板に近づくにつれて断面が小さくなる逆テーパ形状を有する、
   請求項６に記載の半導体集積回路素子。
8. 前記半導体集積回路素子は、さらに、前記半導体基板の天面側に設けられた絶縁層を有し、
   前記複数の柱状導体は、前記絶縁層を厚み方向に貫通しているビア導体である、
   請求項６または７に記載の半導体集積回路素子。
9. 前記絶縁層は磁性体粉を含有した樹脂層である、
   請求項８に記載の半導体集積回路素子。
10. 前記柱状導体の一端は、前記半導体基板の前記天面に埋め込まれている、
    請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体集積回路素子。
11. 半導体集積回路素子の製造方法であって、
    前記半導体集積回路素子の素体であり、実装面側に集積回路を有する半導体基板の天面側に、絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層を貫通して前記半導体基板を露出させる複数の貫通孔を形成する工程と、
    前記複数の貫通孔に導体を充填することにより、前記半導体基板の天面側に設けられ、一端が前記半導体基板に接した複数の柱状導体を形成する工程と、
    を含む、半導体集積回路素子の製造方法。

Images