JP3894935B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ等の情報処理装置に使用される半導体装置に関し、より詳細には配線導体を有する絶縁基体上に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子を樹脂製被覆材で被覆することにより封止してなる樹脂封止型の半導体装置に関するものである。

従来、コンピュータ等の情報処理装置に使用される樹脂封止型の半導体装置として、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等の電気絶縁材料から成る絶縁基体に半導体素子を搭載するとともに、この半導体素子を例えばエポキシ樹脂等の樹脂から成る樹脂製被覆材で被覆することにより半導体素子を封止してなる半導体装置が知られている。

この半導体装置は、例えば絶縁基体の上面中央部に半導体素子を搭載するための搭載部が形成されているとともにその搭載部周辺から下面にかけて導出する複数個の配線導体が配設されており、絶縁基体の搭載部に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子の各電極をボンディングワイヤ等を介して配線導体に電気的に接続した後、絶縁基体の上面に半導体素子を覆うようにして液状の樹脂製被覆材を滴下し、この滴下された液状樹脂を例えば熱硬化させることにより製作される。そして、配線導体の絶縁基体下面に導出した部位を外部電気回路基板の接続用導体に当接させ、配線導体と外部電気回路基板の接続用導体とを半田等を介して接合させることにより外部電気回路基板上に実装され、それと同時に半導体素子の各電極が配線導体を介して外部電気回路に電気的に接続されるようになっている。

しかしながら、この従来の半導体装置は、絶縁基体を形成する酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等の熱膨張係数が約４〜10×10-6／℃であるのに対し、エポキシ樹脂等の樹脂から成る樹脂製被覆材の熱膨張係数が３×10-5／℃であり、両者が大きく相違するものである。そのため、絶縁基体と樹脂製被覆材との両方に半導体素子が作動時に発生する熱等が繰り返し印加されると、絶縁基体と樹脂製被覆材との熱膨張係数の相違に起因して絶縁基体と樹脂製被覆材との間に大きな熱応力が発生するとともにこの大きな熱応力が絶縁基体と樹脂製被覆材との接合部、特に絶縁基体の外周縁における接合部に樹脂製被覆材の剥離を発生させ、この剥離が絶縁基体の中心部に向かって徐々に進行していき、ついには半導体素子の封止が破れてしまい、その結果、半導体素子を長期間にわたり安定に作動させることができなくなってしまうという解決すべき問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、絶縁基体と樹脂製被覆材とを強固に接合させ、樹脂製被覆材による半導体素子の封止を完全なものとして半導体素子を長期間にわたり安定に作動させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明の半導体装置は、上面および下面まで達しており上面視して円形または長円形を２分割または４分割した形状の切欠き部が側面に形成された絶縁基体と、前記絶縁基体の前記上面に搭載された半導体素子と、前記絶縁基体の前記上面および前記半導体素子を被覆しているとともに一部が前記切欠き部に入り込んで前記絶縁基体に接合された樹脂製被覆材と、を備えているものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、次の工程を有する。（ａ）半導体素子が搭載される複数の絶縁基体領域が配列されてとともに、該複数の絶縁基体領域の分割線上に、上面視して円形または長円形の貫通孔が形成された母基板を準備する工程 （ｂ）前記母基板の前記複数の絶縁基体領域のそれぞれに半導体素子を搭載する工程 （ｃ）前記半導体素子および前記複数の絶縁基体領域の上面を樹脂製被覆材で被覆するとともに、前記樹脂製被覆材を前記貫通孔内に入り込ませて前記樹脂性被覆材と前記母基板とを接合する工程 （ｄ）前記複数の絶縁基体領域および前記貫通孔内の前記樹脂製被覆材を前記分割線に沿って分割する工程

本発明の半導体装置によれば、絶縁基体の側面に内面が凹曲面状をなす切欠き部を形成するとともに、この切欠き部内に半導体素子を含む絶縁基体の上面を被覆する樹脂製被覆材を入り込ませて接合したことから、切欠き部内に入り込んだ部分により樹脂製被覆材が絶縁基体に対して３次元的に強固に係止されることとなる。その結果、絶縁基体と樹脂製被覆材との熱膨張係数の相違に伴う熱応力が作用したとしても絶縁基体の外周縁において絶縁基体と樹脂製被覆材との間に剥離が発生することが有効に阻止され、樹脂製被覆材で半導体素子を常に確実に被覆して封止することができ、半導体素子を長期間にわたり安定に作動させることが可能となる。

また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、母基板に配列形成された各絶縁基体領域に半導体素子を搭載した後、各半導体素子を含む絶縁基体領域の上面を樹脂製被覆材で被覆するとともにこの樹脂製被覆材を多数の絶縁基体領域の各分割線上に形成した内面が曲面状をなす貫通孔内に入り込ませて接合し、その後、母基板および樹脂製被覆材を各分割線に沿って分割することから、貫通孔およびこの中に入り込んだ樹脂製被覆材も分割されて各絶縁基体の側面に樹脂製被覆材を入り込ませた内面が凹曲面状をなす切欠き部が形成されることとなる。これによって、樹脂製被覆材が絶縁基体に対して絶縁基体の上面と側面の切欠き部とを介して３次元的に強固に接合された半導体装置を多数個集約的に容易に製造することができる。

以上のように本発明によれば、絶縁基体と樹脂製被覆材とを強固に接合させ、樹脂製被覆材による半導体素子の封止を完全なものとして半導体素子を長期間にわたり安定に作動させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することができた。

次に、本発明の半導体装置について添付の図面を基にして詳細に説明する。

図１は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図、図２は図１に示す半導体装置の斜視図である。これらの図中、１は絶縁基体、２は配線導体、３は半導体素子、４は樹脂製被覆材であり、主にこれらで本発明の半導体装置が構成されている。

絶縁基体１は、例えば大きさが数ｍｍ〜数ｃｍ角程度の略四角形状の平板であり、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等の電気絶縁材料から形成されている。

絶縁基体１は、例えばその上面中央部に半導体素子３を搭載するための搭載部１ａを有しており、この搭載部１ａには半導体素子３が搭載されている。

半導体素子３は、例えばシリコンやガリウム砒素等の半導体材料から形成されているダイオードやトランジスタ・集積回路等の電子回路用素子である。

また、絶縁基体１は、その搭載部１ａ周辺の上面から下面にかけて導出するタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成る配線導体２が配設されている。

この配線導体２は半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続するための導電路として機能し、その搭載部１ａ周辺の部位には半導体素子３の各電極が例えば金やアルミニウムから成るボンディングワイヤ５等を介して接続される。また、その絶縁基体１の下面に導出した部位は、図示しない外部電気回路基板の接続用導体に半田等を介して接続される。

そして、半導体素子３およびボンディングワイヤ５ならびに少なくとも搭載部１ａを含む絶縁基体１上面はエポキシ樹脂等の樹脂から成る樹脂製被覆材４によって被覆されている。

この樹脂製被覆材４は、厚さが例えば数十μｍから数ｍｍ程度であり、半導体素子３および搭載部１ａを被覆することにより半導体素子３を封止し、これによって半導体素子３を外部環境から保護する作用をなす。

さらに、絶縁基体１は、その側面に切欠き部１ｂが設けられており、この切欠き部１ｂ内には樹脂製被覆材４の一部を入り込ませている。

切欠き部１ｂは、幅および深さが例えば数十μｍ〜数ｍｍ程度であり、上面視で例えば略半円形状をしており、絶縁基体１の厚み方向にわたって略同じ幅および深さで形成されている。

さらには、切欠き部１ｂは、絶縁基体１を厚み方向に略同じ幅および深さで貫通しているものに限らず、例えば図３や図４に図２と同様の斜視図で示すように、その側面に段差部や傾斜面を有し、これにより絶縁基体１の下面側の幅および深さが絶縁基体１の上面側の幅および深さより大きなものとなっていてもよい。

このように、切欠き部１ｂの側面に段差部や傾斜面を有することにより切欠き部１ｂの幅および深さを絶縁基体１の上面側より下面側で大きなものとしておくと、切欠き部１ｂ内に入り込ませた樹脂製被覆材４が上方に抜けて外れてしまうことが防止され、樹脂製被覆材４を絶縁基体１に対してより強固に係止することが可能となる。

このように、絶縁基体１の側面に切欠き部１ｂが設けられているとともに、この切欠き部１ｂ内にも樹脂製被覆材４の一部を入り込ませていることによって、絶縁基体１と樹脂製被覆材４とが３次元的に強固に接合される。そして、これにより絶縁基体１と樹脂製被覆材４との熱膨張係数の相違に伴う熱応力が絶縁基体１と樹脂製被覆材４との間に作用したとしても、絶縁基体１から樹脂製被覆材４が剥離することが有効に防止される。

なお、切欠き部１ａに入り込ませた樹脂製被覆材４は、必ずしも切欠き部１ｂを完全に埋めている必要はなく、例えば図５に断面図で示すように、切欠き部１ｂの途中まで入り込んでいるものであってもよい。

また、切欠き部１ｂに入り込ませた樹脂製被覆材４は、図６に断面図で示すように、切欠き部１ｂの周辺の絶縁基体１下面まで回り込んでいてもよい。この場合には、絶縁基体１と樹脂製被覆材４との接合がさらに強固なものとなるとともに、絶縁基体１の下面に回り込んだ樹脂製被覆材４の高さを所定の高さとしておくことによって、この絶縁基体１の下面に回り込んだ樹脂製被覆材４を半導体装置を外部電気回路基板に実装する際に絶縁基体１と外部電気回路基板との間に所定の隙間を形成するためのスペーサとして機能させることができる。

かくして、本発明の半導体装置によれば、半導体素子３の封止を完全なものとして半導体素子３を長期間にわたり安定に作動させることが可能となる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法について添付の図面を基にして詳細に説明する。

まず、図７に斜視図で示すように、分割後にそれぞれが絶縁基体１となる多数の絶縁基体領域10を縦横に一体的に配列形成するとともに、各絶縁基体領域10の境界である分割線Ｂ上にその両側の絶縁基体領域10にわたる貫通孔Ａを形成して成る母基板11を準備する。

母基板11は、例えば従来周知のセラミックグリーンシート積層法および厚膜メタライズ法を採用することによって製作するこができる。

母基板11は、例えば複数の絶縁層を積層して成り、その外周部には枠状の捨て代領域12を有している。

捨て代領域12は、母基板11の取り扱いや加工を容易なものとするためのものであり、この例ではその外周部位が上面側に枠状に厚くなっている。そして、捨て代領域12の外周部位が上面側に枠状に厚くなっていることにより、母基板11の機械的強度が大きなものとなるとともに、後述するように、母基板11上に樹脂製被覆材４となる液状樹脂13を滴下する際に液状樹脂13が母基板11の外部に流出することを有効に防止することができるものとなる。

なお、捨て代領域12はその外周部位が必ずしも上面側に厚くなっている必要はなく、たとえば絶縁基体領域10と同じ厚みの略平坦なものであってもよい。

また、母基板11に配列形成された各絶縁基体領域10は、前述したように、例えばその上面中央部に搭載部１ａを有しており、搭載部１ａ周辺の上面から下面にかけて導出する複数個の配線導体２が被着形成されている。そして、母基板11が各分割線Ｂに沿って分割されることにより個々の絶縁基体１として独立するようになっている。

母基板11の各絶縁基体領域10の分割線Ｂ上にその両側の絶縁基体領域10にわたるように形成された貫通孔Ａは、各絶縁基体１に図２で示したような切欠き部１ｂを形成するためのものであり、分割後の絶縁基体１の側面に相当する絶縁基体領域10の各辺の略中央に例えば上面視で略円形に形成されている。そして、母基板11が分割線Ｂで分断されることにより２つに別れ、各々が例えば図２で示した用な略半円状の切欠き部１ｂを形成するものである。

このような貫通孔Ａは、例えば上面視で円形とする場合であれば、その直径を数十μｍ〜数ｍｍ程度、より具体的には30μｍ〜３ｍｍ程度としておけばよい。

貫通孔Ａの直径が約30μｍ未満となると、後述するように母基板11の上面に液状樹脂13を滴下する際に貫通孔Ａ内に液状樹脂13を良好に入り込ませることが困難になる傾向にある。他方、約３ｍｍを超えると、絶縁基体１に占める切欠き部１ｂの割合が大きなものとなり、絶縁基体１に配線導体２や搭載部１ａを空間効率よく形成することが困難になる傾向にある。

なお、貫通孔Ａは、必ずしも上面視で円形である必要はなく、例えば図１１や図１２に要部拡大斜視図で示すように長円形であってもよい。

また、貫通孔Ａは、その側面に段部や傾斜面が形成されているものであってもよい。この場合には、図３や図４に示したように側面に段差部や傾斜面を有する切欠き部１ｂが形成される。

さらに、貫通孔Ａは、必ずしも絶縁基体領域10の各辺の略中央部に１個ずつ形成されている必要はなく、例えば図１３に要部拡大斜視図で示すように絶縁基体の各辺に２個ずつ、あるいはそれ以上の個数ずつ形成されていてもよい。また、図１４に要部拡大斜視図で示すように絶縁基体領域10の各角部にも位置するように形成されていてもよい。

次に、図８に斜視図で示すように、母基板11の各絶縁基体領域10の搭載部１ａに半導体素子３を搭載固定するとともに、半導体素子３の各電極とこれに対応する配線導体２とをボンディングワイヤ５等を介して電気的に接続する。

搭載部１ａへの半導体素子３の固定は、例えばエポキシ樹脂や低融点ガラス・金−シリコンろう材等の接着剤を用いて行なえばよい。また、半導体素子３の各電極と配線導体とのボンディングワイヤ５を介した接続は、ボールボンディング法や超音波ボンディング法を採用して行なえばよい。

なお、半導体素子３の各電極とこれに対応する配線導体２との電気的接続は、必ずしもボンディングワイヤ５を介して行なわれる必要はなく、例えば半田や金等のバンプを介して行なわれてもよい。この場合には、半導体素子３はいわゆるフリップチップとなる。

次に、図９に斜視図で示すように、母基板11の上面に各半導体素子３および各搭載部１ａを含む絶縁基体領域10の上面を覆うようにして未硬化の液状樹脂13を滴下し、全ての半導体素子３および搭載部１ａを液状樹脂13で被覆するとともに液状樹脂13の一部を各貫通孔Ａ内に充填し、しかる後、この液状樹脂13を硬化させる。

未硬化の液状樹脂13としては、例えばエポキシ樹脂主剤と硬化剤とを混合したものが好適に用いられる。

そして、この液状樹脂13を母基板11の上面に半導体素子３および搭載部１ａを含む絶縁基体領域10を覆うように滴下するには、液状樹脂13を一定量ずつ吐出可能なノズルＮを母基板11の上方に配置するとともに、このノズルＮを水平方向に移動させながらノズルＮから一定量の液状樹脂13を吐出させる方法が採用され得る。

なお、このとき、母基板11の捨て代領域12の外周部位を上面側に枠状に厚いものとしておくと、この枠状に厚い外周部位により液状樹脂13が母基板11の外部に流出するのを有効に防止することができるとともに液状樹脂13の上面を平坦なものとすることが容易にできる。したがって、母基板11の捨て代領域12の外周部位は、上面側に枠状に厚いものとしておくことが好ましい。

また、母基板11の上面に液状樹脂13を滴下する際に、母基板11の下面に例えばポリエチレンテレフタレート等の樹脂から成るフィルムを貼着しておくと、母基板11の上面に滴下された液状樹脂13が貫通孔Ａを通り抜けて母基板11の下面側から外部に洩れ出てしまうことをこのフィルムにより有効に防止することができる。したがって、母基板11の上面に液状樹脂13を滴下する際には、母基板11の下面に例えばポリエチレンテレフタレート等の樹脂から成るフィルムを貼着しておくことが好ましい。

さらに、母基板11の下面にフィルムを貼着する場合に、このフィルムを例えば２重構造にする等して貫通孔Ａ周辺の母基板11の下面とフィルムとの間に所定高さの隙間が形成されるようにすると、母基板11の上面に液状樹脂13を滴下した際に貫通孔Ａ内に充填された液状樹脂13が貫通孔Ａ周辺の絶縁基体領域10の下面に回り込み、これを硬化させると樹脂製被覆材４が図６で示したように絶縁基体１の切欠き部１ｂ周辺の下面にまで回り込んで被着されることとなり、この切欠き部１ｂ周辺の絶縁基体１の下面に回り込んだ樹脂製被覆材４により絶縁基体１と樹脂製被覆材４とがより強固に接合されるとともに、絶縁基体１の下面に回り込んだ樹脂製被覆材４を半導体装置を外部電気回路基板に実装する際に絶縁基体１下面と外部電気回路基板との間を所定の間隔に保つためのスペーサとして機能させることができる。

なお、このようなフィルムは母基板11の上面に滴下した液状樹脂13が硬化した後、母基板11の下面から剥ぎ取ればよい。

そして、液状樹脂13の硬化は、例えば液状樹脂13がエポキシ樹脂主剤と硬化剤とを混合したものである場合であれば、液状樹脂13が滴下された母基板11をオーブン等の加熱装置により約100 〜200 ℃程度の温度で数分〜数時間程度加熱し、これにより液状樹脂13を熱硬化させる方法が採用される。

硬化した液状樹脂13は、例えばエポキシ樹脂となり、これにより半導体素子３および搭載部１ａを含む絶縁基体１の上面が樹脂製被覆材４で被覆されるとともに、貫通孔内Ａが樹脂製被覆材４の一部で充填されることとなる。

なお、液状樹脂13は、必ずしもエポキシ樹脂である必要はなく、例えばポリイミド樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂・シリコーン樹脂等の他の樹脂によるものであってもよい。

そして最後に、図１０に斜視図で示すように、樹脂製被覆材４により各半導体素子３および搭載部１ａを含む絶縁基体領域10の上面が被覆されるとともに各貫通孔Ａ内に樹脂製被覆材４の一部が充填された母基板11および樹脂製被覆材４を、ダイヤモンドカッタやレーザビームカッタ等の切断手段を採用して各絶縁基体領域10の分割線Ｂに沿って分割することによって、貫通孔Ａおよびこの貫通孔Ａ内に入り込ませた樹脂製被覆材４も分割されて、それぞれ各絶縁基体１の側面に樹脂製被覆材４を入り込ませた切欠き部１ｂを有する、図１および図２に示すような本発明の半導体装置が多数個集約的に製作される。

本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の斜視図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す斜視図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す斜視図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の一例を説明するための斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の一例を説明するための斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の一例を説明するための斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の一例を説明するための斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の他の例を説明するための要部拡大斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の他の例を説明するための要部拡大斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の他の例を説明するための要部拡大斜視図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態の他の例を説明するための要部拡大斜視図である。

符号の説明

１・・・・・・絶縁基体
１ａ・・・・・搭載部
１ｂ・・・・・切欠き部
２・・・・・・配線導体
３・・・・・・半導体素子
４・・・・・・樹脂製被覆材
10・・・・・・絶縁基体領域
11・・・・・・母基板
12・・・・・・捨て代領域
13・・・・・・液状樹脂
Ａ・・・・・・貫通孔
Ｂ・・・・・・分割線

Claims (6)

1. 上面および下面まで達しており上面視して円形または長円形を２分割または４分割した形状の切欠き部が側面に形成された絶縁基体と、
   前記絶縁基体の前記上面に搭載された半導体素子と、
   前記絶縁基体の前記上面および前記半導体素子を被覆しているとともに一部が前記切欠き部に入り込んで前記絶縁基体に接合された樹脂製被覆材と、を備えた半導体装置。
2. 前記絶縁基体の前記切欠き部は、段差部または傾斜面を有することにより、前記絶縁基体の上面側より前記絶縁基体の下面側の方が大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記樹脂製被覆材が、前記絶縁基体の前記上面と前記下面との間まで入り込んでいることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
4. 前記樹脂製被覆材が、前記絶縁基体の前記下面まで回り込んでいることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
5. 半導体素子が搭載される複数の絶縁基体領域が配列されてとともに、該複数の絶縁基体領域の分割線上に、上面視して円形または長円形の貫通孔が形成された母基板を準備する工程と、
   前記母基板の前記複数の絶縁基体領域のそれぞれに半導体素子を搭載する工程と、
   前記半導体素子および前記複数の絶縁基体領域の上面を樹脂製被覆材で被覆するとともに、前記樹脂製被覆材を前記貫通孔内に入り込ませて前記樹脂性被覆材と前記母基板とを接合する工程と、
   前記複数の絶縁基体領域および前記貫通孔内の前記樹脂製被覆材を前記分割線に沿って分割する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記母基板の下面にフィルムを貼着して前記母基板の上面に液状の樹脂を滴下することにより、前記半導体素子および前記複数の絶縁基体領域の前記上面を前記樹脂製被覆材で被覆することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

Images