JP3632960B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱用の金属板を備えており、高集積化された半導体素子を搭載した樹脂封止型の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の更なる高密度実装化が要求されてきていることから半導体素子が高集積化してきている。そして、半導体素子の高集積化に伴ってその作動中に発生する発熱量が増大してきている。例えば、光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等の分野で用いられる高周波信号で作動する半導体素子や、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）に代表される高速演算処理をおこなう半導体素子、高電流のスイッチングをおこなうパワー半導体素子等では、作動時の発熱量が極めて大きくなっている。その結果、半導体素子が正常に作動する温度範囲の上限である約１００℃を超えて温度が上昇するという問題点があった。また、半導体素子とそれを搭載する絶縁基板との熱膨張差により、半導体素子の接合部に生じる応力によってその接合部が剥離したり、絶縁基板に亀裂が発生し、半導体装置の信頼性を維持することができなくなるという問題点もあった。そのため、半導体装置の放熱性を向上させて、半導体素子の熱を効率良く放熱して冷却する必要があった。
【０００３】
そこで、放熱特性の向上を図った半導体装置として、高い放熱性を得るために熱伝導性の良好な各種放熱板を設けたものが知られている。
【０００４】
例えば、図４に示す半導体装置４０１では、半導体素子４０３が金属板４０７の下面に搭載されており、半導体素子４０３が絶縁基板４０２の貫通孔に挿置されるようにして、金属板４０７の下面で半導体素子４０３の周囲が絶縁基板４０２の上面に接着されている。半導体素子４０３はボンディングワイヤ４０４によって絶縁基板４０２の電極に電気的に接続されている。また、半導体素子４０３は、封止樹脂４０６によって覆われ保護されている。絶縁基板４０２の下面には、外部の実装絶縁基板に接続するための金属端子（導体バンプ）４０８が形成されている。この構成の半導体装置４０１では、搭載された半導体素子４０３から発生する熱は、金属板４０７を通じて半導体素子４０３の裏面より直接、外部に放熱され冷却される。
【０００５】
また、図５に示す半導体装置５０１では、半導体素子５０３が絶縁基板５０２上に搭載されるとともにボンディングワイヤ５０４によってリード端子５０８と電気的に接続されている。また、半導体素子５０３を保護するために封止樹脂５０６によってモールド封止されている。半導体素子５０３の上方の封止樹脂５０６の上面には窪みが設けられ、その窪みに金属板５０７が接着されている。半導体素子５０３の熱は金属板５０７の露出面から外部に放熱され冷却される。
【０００６】
これら従来の半導体装置４０１、５０１では、いずれも金属板４０７、５０７が放熱板として機能し、熱抵抗の低減に有効な構造となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４の半導体装置４０１においては、絶縁基板４０２の下面の封止樹脂４０６が存在する領域には金属端子４０８を設けることができない。現在、半導体素子の高集積化に伴いＩ／Ｏ数（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ数；入出力端子数）は増加してきている。また、実装面積を小さくしたいという要求から半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージという）も小さくなる傾向がある。即ち、小型の絶縁基板４０２の下面になるべく多くの金属端子４０８を設けようとすれば、絶縁基板４０２の下面全面に金属端子４０８を設けることが望ましいが、半導体装置４０１では、絶縁基板４０２の下面全面に金属端子４０８を設けることができない。そのため、Ｉ／Ｏ数を増加させることができない。また、Ｉ／Ｏ数を増加させると半導体パッケージも大きくなる。その結果、半導体装置４０１自体も大型化されて、小型化の要求を満足できないという問題点があった。
【０００８】
また、図５の半導体装置５０１においては、その製造時に、半導体素子５０３を搭載した絶縁基板５０２とリード端子５０８の一端部を樹脂封止するために、封止空間を形成した金型で絶縁基板５０２とリード端子５０８を固定し型締めし、封止樹脂を注入して樹脂封止している。そのため、金型とボンディングワイヤ５０４との間隙が狭くなると封止樹脂を均一に充填することが困難となったり、製造後にボンディングワイヤ５０４が露出したりする恐れがあった。その他、金型とボンディングワイヤ５０４との間隙が狭いことから、注入される封止樹脂の流速が早くなり、ボンディングワイヤ５０４が倒れて短絡するといった問題点があった。その結果、半導体素子５０３に入出力される高周波信号を正確に伝達できなかったり、半導体素子５０３と金属板５０７とを十分に近づけることができず、満足できる放熱効果が得られないという問題点があった。
【０００９】
従って、本発明は上記問題点を解決すべく完成されたものであり、その目的は、既存のボンディングワイヤを用いて半導体素子をワイヤボンディング実装しながら絶縁基板のＩ／Ｏ数を増加させることができ、薄型化かつ小型化が可能であり、また半導体素子の放熱性に優れた高い信頼性を有する樹脂封止型の半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、絶縁基板の上側主面に搭載された半導体素子と、該半導体素子の上面の外周部に形成された電極および前記上側主面の前記半導体素子の周囲に形成された電極パッドを電気的に接続した第１のボンディングワイヤと、前記電極および前記電極パッド、前記電極同士または前記電極パッド同士を電気的に接続し、前記第１のボンディングワイヤよりも最高位置が高くかつ略同じ高さを有する第２のボンディングワイヤと、前記半導体素子および前記第１のボンディングワイヤを覆うように設けられた封止樹脂層と、前記半導体素子の上方に配置されるとともに下面が前記封止樹脂層の上部に埋め込まれ上面が露出している金属板とを具備し、前記金属板は複数の前記第２のボンディングワイヤで支持されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、半導体素子の上方に配置されるとともに下面が封止樹脂層の上部に埋め込まれ上面が露出している金属板が、第１のボンディングワイヤよりも高くかつ略同じ高さを有する複数の第２のボンディングワイヤで支持されていることから、金属板が第１のボンディングワイヤと接触して短絡せず、また金属板を半導体素子の極めて近くに配置することができる。その結果、既存のボンディングワイヤを用いて半導体素子をワイヤボンディング実装しながらも、半導体素子のワイヤボンディング面（上面）から半導体素子の熱を効率的に放散して冷却することができる。従って、半導体素子に入出力される高周波信号を正確に伝達でき、高い信頼性が得られる。また、半導体装置を薄型化することができる。
【００１２】
さらに、半導体素子が搭載された絶縁基板の下面の全面に金属端子を設けることができ、その結果Ｉ／Ｏ数を増加させることができるとともに、金属端子を設けるために絶縁基板の下面の面積を増大させる必要がないため半導体装置を小型化することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は、本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は、絶縁基板２、半導体素子３、第１のボンディングワイヤ４、第２のボンディングワイヤ５、封止樹脂層６、金属板７および金属端子８から成る半導体装置である。
【００１４】
本発明の半導体装置１は、絶縁基板２の上側主面に搭載された半導体素子３と、半導体素子３の上面の外周部に形成された電極および上側主面の半導体素子３の周囲に形成された電極パッドを電気的に接続した第１のボンディングワイヤ４と、電極および電極パッド、電極同士または電極パッド同士を電気的に接続し、第１のボンディングワイヤ４よりも最高位置が高くかつ略同じ高さを有する第２のボンディングワイヤ５と、半導体素子３および第１のボンディングワイヤ４を覆うように設けられた封止樹脂層６と、半導体素子３の上方に配置されるとともに下面が封止樹脂層６の上部に埋め込まれ上面が露出している金属板７とを具備しており、金属板７は複数の第２のボンディングワイヤ５で支持されている。従って、金属板７は、下面が封止樹脂層６の上部に埋設され上面が露出しているとともに、第１のボンディングワイヤ４に接触せずに第２のボンディングワイヤ５の頂部で下面が支持されている。
【００１５】
本発明の絶縁基板２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス、炭化珪素（ＳｉＣ）セラミックス、ガラスセラミックス等のセラミック材料、または鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ａｌ、銅（Ｃｕ）等の金属から成る。特に、軽量で安価である点でセラミックスが好ましい。
【００１６】
本発明の半導体装置１は放熱性に優れているため、半導体素子４として、光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等の分野で用いられる高周波信号で作動する半導体素子、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）に代表される高速演算処理を行なう半導体素子、または高電流のスイッチングを行なうパワー半導体素子等の作動中の発熱量が極めて大きいものに対して有効である。
【００１７】
また、ワイヤボンディングによる実装であるため、ほとんどの半導体素子に適応でき、フリップチップ実装ができない半導体素子へも適応可能である。即ち、フリップチップ実装では一般に錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）合金を用いて実装しており、実装の際に２３０℃以上の温度を加えてＳｎ−Ｐｂ合金を溶融し冷却して接続を行うが、ＩｎＰを主成分とする半導体素子の中には２３０℃程度の温度に耐えられないものがあるのに対して、ワイヤボンディングによる実装では何ら問題は無い。
【００１８】
本発明の第１のボンディングワイヤ４は、半導体素子３の上面の電極と絶縁基板２の上側主面の電極パッドとを電気的に接続するようにボンディングされている。そして、複数の第２のボンディングワイヤ５は、それらの最高位置が第１のボンディングワイヤ４より高くなっているとともに、略同じ高さとなるようにワイヤリングされている。これにより、第２のボンディングワイヤ５は、金属板７を第１のボンディングワイヤ４に接触させることなく、金属板７を半導体素子３に可能な限り近づけて支持する支持体として機能する。
【００１９】
なお、第２のボンディングワイヤ５は、半導体素子３の上面の電極と絶縁基板２の上側主面の電極パッドとを接続するもの（図１）、または絶縁基板２の上側主面の異なる電極パッド同士を接続するもの（図２）、さらには半導体素子３の上面の異なる電極同士を接続するものである。
【００２０】
第２のボンディングワイヤ５が半導体素子３の上面の電極に接続される場合、第２のボンディングワイヤ５が接続される電極は、接続されても半導体素子３の性能に影響を及ぼすことのないものであることが良い。また、第２のボンディングワイヤ５が接続される電極として、例えばグランドを取るための電極（接地電極）としてもよく、その場合金属板７を通じて電気的なグランドを取ることが可能になる。
【００２１】
本発明では、金属板７の下面が半導体素子３の上面に略平行になるようにして金属板７を支持して放熱を均一に行なうためには、３本以上の第２のボンディングワイヤ５を設けるのがよい。また、第２のボンディングワイヤ５を４本以上設ける場合であっても３本の第２のボンディングワイヤ５が金属板７に接触していればよい。勿論第２のボンディングワイヤ５の全てが金属板７に接触していてもよい。また、第２のボンディングワイヤ５は、金属板７の下面の中心に関する角度間隔が略同じであるのがよく、金属板７を安定的に支持できる。例えば、３本の場合、第２のボンディングワイヤ５の金属板７下面の中心に関する角度間隔は約１２０°がよい。なお、第２のボンディングワイヤ５の本数は多すぎても本数に比例して支持機能が向上するものではないため、コスト面からも１０本程度以下が好ましい。
【００２２】
さらに、第２のボンディングワイヤ５が奇数本の場合、金属板７に対して略等間隔に配置することが好ましい。また偶数本の場合、金属板７に対して略等間隔に配置するか、または２本づつ互いに対向するように配置することが好ましい。このように、第２のボンディングワイヤ５を配置して金属板７を支持することにより、封止樹脂層６で半導体素子３を保護する際にも、金属板７を安定的にかつ半導体素子３に略平行にして、さらに第１のボンディングワイヤ４と金属板７とを接触させずに信頼性良く支持することが可能となる。
【００２３】
また、第１のボンディングワイヤ４と第２のボンディングワイヤ５との最高位置（頂部）の高さの差は、熱抵抗の低い金属板７が可能な限り半導体素子３の近くに配置されるとともに、第１のボンディングワイヤ４と金属板７とが短絡しないように配置されるようにすることが必要である。従って、半導体素子３の良好な放熱性、金属板７との短絡防止および半導体装置の薄型化、小型化の点から、第１のボンディングワイヤ４と第２のボンディングワイヤ５との最高位置の高さの差は５０〜１００μｍ程度であることが好ましい。
【００２４】
本発明のボンディングワイヤとしては、電気伝導率が良くかつボンディング結合が可能なものを使用する。例えば、その直径が１５〜１００μｍの線状のボンディングワイヤ、または厚さが１０〜５０μｍで幅が１００〜５００μｍのリボン状のボンディングワイヤが好ましい。線状のボンディングワイヤの場合、その直径が１５μｍ未満では、ボンディングする際にワイヤが蛇行し易く、最高位置の高さを制御して金属板７を第１のボンディングワイヤ４に短絡させずに支持することが困難となる。また、その直径が１００μｍを超えると、ボンディングする際にボンディングワイヤを簡単に切断することが困難となり、作業性に問題がある。
【００２５】
またリボン状のボンディングワイヤの場合、厚さが１０μｍ未満または幅が１００μｍ未満では、ボンディングワイヤとして腰（強度）が弱くなり金属板７を第１のボンディングワイヤ４に短絡させずに支持することが困難となる。また、その厚さが５０μｍを超えるかまたは幅が５００μｍを超えると、ボンディングする際にボンディングワイヤを簡単に切断することが困難となり、作業性に問題がある。
【００２６】
本発明のボンディングワイヤとしては、半導体素子３の電極および絶縁基板２の電極パッドも小型化されてきていることから、ファインピッチボンディングに対応するために、その線径は２５〜３２μｍが好ましい。
【００２７】
また、ボンディングワイヤの材質としてはＡｌ，Ａｕ，Ｃｕ等の電気伝導率の良いものが好ましい。
【００２８】
本発明の封止樹脂層６は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリエーテルアミン系樹脂等の封止樹脂から成る。これらの封止樹脂が第２のボンディングワイヤ５の最高位置よりも高くなるようにプリント法、ポッティング法等により厚く塗布されることによって、封止樹脂層６が形成される。これらの封止樹脂は、半導体素子３および第１，第２のボンディングワイヤ４，５を覆って充填させるための作業性のうえで液状であることが好ましい。
【００２９】
上記本発明の構成により、半導体素子３と、第２のボンディングワイヤ５に支持された金属板７との間に介在する、熱伝導率の低い封止樹脂層６の厚さを極めて薄くすることができることから、封止樹脂層６の熱抵抗を小さくすることができる。また、熱伝導性の良い金属板７をその下面を封止樹脂層６中に埋設して発熱する半導体素子３に極力近づけて配置できることから、半導体素子３と金属板７との間の熱抵抗を効果的に低減させることができる。
【００３０】
本発明の金属板７は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等から成り、放熱性の点でＡｌが好ましい。この金属板７は封止樹脂層６の硬化前に封止樹脂層６の上面に載置されるのがよい。封止樹脂層６が硬化する前であれば、金属板７は自重によって半導体素子３に近づくように封止樹脂層６中に沈降する。そして、第２のボンディングワイヤ５の最高位置の高さが第１のボンディングワイヤ４の最高位置よりも高くなっているため、第２のボンディングワイヤ５の最高位置よりも金属板７が半導体素子３に近づくことは無い。また、金属板７が第１のボンディングワイヤ４と短絡して、高周波信号の伝送特性を劣化させたり電気的なグランドを乱すことはないため、半導体素子３に入出力する高周波信号の伝送特性が良好に維持される。
【００３１】
また金属板７の外形寸法は、半導体素子３の上面に対する角度が４５°以下である伝熱経路で放熱される半導体素子３の熱が金属板７の下面にほとんど到達することが効果的な放熱の点でよいことから、半導体素子３の外形寸法以上で絶縁基板２の外形寸法以下であるのが好ましい。金属板７の冷却能力および金属板７の封止樹脂層６との密着力を考慮すると、上記の通り、半導体素子３の上方にその上面に対する角度が４５°以下で放散される熱のほとんどが到達する範囲内に、金属板７を設けることがよい。なお、本発明の金属板７は、放熱板としての機能に加えて、半導体素子３の電磁的なシールド板として用いることも可能である。
【００３２】
【実施例】
本発明の半導体装置の実施例について以下に説明する。
【００３３】
（実施例）
図１の構成の半導体装置１を以下のように構成した。縦１２ｍｍ×横１２ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの外形寸法のアルミナセラミックスから成る正方形の絶縁基板２を用い、その上側主面の中央部に、縦７．５ｍｍ×横７．５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの外形寸法であり高周波信号で作動する正方形の半導体素子３をエポキシ樹脂で接着して搭載した。次に、絶縁基板２の上側主面で半導体素子３の周囲に設けられた電極パッドと、半導体素子３の上面の外周部の電極とを、第１のボンディングワイヤ４で電気的に接続した。次に、半導体素子３の上面の四隅に設けられ、半導体素子３の機能に影響を及ぼさない電極と、絶縁基板２の上側主面の電極パッドとを、第２のボンディングワイヤ５で結線した。
【００３４】
第１，第２のボンディングワイヤ４，５は、いずれも２５μｍの直径を有する金線とした。第１のボンディングワイヤ４の最高位置の高さは半導体素子３の上面から０．１５ｍｍであり、また第２のボンディングワイヤ５の最高位置の高さは、第１のボンディングワイヤ４の最高位置よりも０．１ｍｍ高くなるように半導体素子３の上面から０．２５ｍｍの高さに設定した。
【００３５】
その後、エポキシ樹脂から成る液状の封止樹脂をプリント法によって、半導体素子３および第１，第２のボンディングワイヤ４，５が覆われるように、厚さ０．７５ｍｍで塗布した。封止樹脂層６を硬化させる前に、外形寸法が縦９ｍｍ×横９ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの正方形の金属板７を、絶縁基板２の中心と金属板７の中心とが重なるように位置合わせして封止樹脂層６の上面に載置した。この工程は、半導体素子３を絶縁基板２に搭載する設備、例えばロボットアーム等を有する実装機などと同じ設備を用いて行うことができる。
【００３６】
その後、３０分間放置して金属板７を封止樹脂層６中に所定位置まで沈降させた後、封止樹脂層６をキュアして硬化させ、半導体素子３の上方に半導体素子３上面から約０．２５ｍｍの距離に金属板７が埋設された半導体装置１（サンプルＡ）を作製した。
【００３７】
また、比較例として、金属板７を有していないこと以外は上記実施例の半導体装置１と同様の構成の半導体装置（サンプルＢ）を作製した。
【００３８】
そして、サンプルＡ，Ｂにそれぞれ通電して半導体素子３を駆動させたところ、半導体素子３はいずれも駆動時に３Ｗの熱を発熱した。サンプルＡ，Ｂの放熱性の比較をするため、半導体素子３の駆動時に、サンプルＡの外表面に露出した金属板７上面の中央部の温度と、サンプルＢの封止樹脂層６上面の中央部の温度とをそれぞれ測定した。その結果、サンプルＡでは、露出した金属板７上面の中央部の表面温度が４７℃であったのに対して、サンプルＢの封止樹脂層６上面の中央部の表面温度は７４℃であり、サンプルＡはサンプルＢに対して２７℃もの放熱性の改善が認められた。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、図２に示すように、第２のボンディングワイヤ５をボンディングする際に半導体素子３上面の電極が選択できない場合、第２のボンディングワイヤ５を絶縁基板２の上側主面の電極パッド間で接続しても良い。また、金属板７は図１，図２に示すような完全な平板状でなくてもよく、図３に示すように、金属板７’の上面に凹凸を設けて表面積を大きくし、より放熱効果のある形状としても良い。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、絶縁基板の上側主面に搭載された半導体素子と、半導体素子の上面の外周部に形成された電極および上側主面の半導体素子の周囲に形成された電極パッドを電気的に接続した第１のボンディングワイヤと、電極および電極パッド、電極同士または電極パッド同士を電気的に接続し、第１のボンディングワイヤよりも最高位置が高くかつ略同じ高さを有する第２のボンディングワイヤと、半導体素子および第１のボンディングワイヤを覆うように設けられた封止樹脂層と、半導体素子の上方に配置されるとともに下面が封止樹脂層の上部に埋め込まれ上面が露出している金属板とを具備し、金属板は複数の第２のボンディングワイヤで支持されていることにより、金属板が第１のボンディングワイヤと接触して短絡せず、また金属板を半導体素子の極めて近くに配置することができる。その結果、既存のボンディングワイヤを用いて半導体素子をワイヤボンディング実装しながらも、半導体素子のワイヤボンディング面（上面）から半導体素子の熱を効率的に放散して冷却することができる。従って、半導体素子に入出力される高周波信号を正確に伝達でき、高い信頼性が得られる。また、半導体装置を薄型化することができる。
【００４１】
さらに、半導体素子が搭載された絶縁基板の下面の全面に金属端子を設けることができ、その結果Ｉ／Ｏ数を増加させることができるとともに、金属端子を設けるために絶縁基板の下面の面積を増大させる必要がないため半導体装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】従来の半導体装置の断面図である。
【図５】従来の半導体装置の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：半導体装置
２：絶縁基板
３：半導体素子
４：第１のボンディングワイヤ
５：第２のボンディングワイヤ
６：封止樹脂層
７，７’：金属板

Claims (1)

  1. 絶縁基板の上側主面に搭載された半導体素子と、該半導体素子の上面の外周部に形成された電極および前記上側主面の前記半導体素子の周囲に形成された電極パッドを電気的に接続した第１のボンディングワイヤと、前記電極および前記電極パッド、前記電極同士または前記電極パッド同士を電気的に接続し、前記第１のボンディングワイヤよりも最高位置が高くかつ略同じ高さを有する第２のボンディングワイヤと、前記半導体素子および前記第１のボンディングワイヤを覆うように設けられた封止樹脂層と、前記半導体素子の上方に配置されるとともに下面が前記封止樹脂層の上部に埋め込まれ上面が露出している金属板とを具備し、前記金属板は複数の前記第２のボンディングワイヤで支持されていることを特徴とする半導体装置。
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