JP4225243B2 - 半導体装置及び基板接続構造 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子を保持するパッケージの基板接続面に、複数の配線接続用半田バンプと複数の放熱用半田バンプとが形成された半導体装置、およびこの半導体装置と基板とを組み合わせて構成される半導体装置の基板接続構造に関する。

図１０（ａ），（ｂ）は、半田バンプを備える従来の半導体装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。半導体装置１は、図示せぬ半導体素子（チップ）を内部に保持するパッケージ２と、このパッケージ２の基板接続面２ａに接続された多数の放熱用半田バンプ３、および基板接続用半田バンプ４とを備えている。

放熱用半田バンプ３は、基板接続面２ａの中央領域に配置され、配線接続用半田バンプ４は、中央領域を囲む周囲領域に配置されている。なお、配線接続用半田バンプ４は、内蔵する半導体素子の電極に接続されて配置されており、半導体素子の回路を外部回路に接続する接点としての機能を有している。

半導体装置１は、基板上に搭載されて熱処理（リフロー）工程を経ることにより、図１１に示すように基板５に接続される。基板５には、放熱用半田バンプ３に対応する位置に放熱用パッド６が設けられ、配線接続用バンプ４に対応する位置に配線接続用パッド７が設けられている。半導体装置１は、熱処理工程で各半田バンプを溶融させて各パッドに接合させることにより、基板５に固定される。

配線接続用半田バンプ４は、接続用端子としてそれぞれ独立して対応する配線接続用パッド７に接続される必要があり、そのため、熱処理により隣接するバンプ間で半田ブリッジが生じないように所定のピッチで配置されている。また、放熱用半田バンプ３も、図１０に示すように配線接続用半田バンプ４と同一のピッチで形成されている。

上記の構成によれば、パッケージ内の半導体素子で発生した熱が、放熱用半田バンプ３により形成される熱伝導部を介して基板５側に伝達され、拡散、放熱される。
特開平８−５５９３３号公報 特開平８−７００６２号公報

しかしながら、上述した従来の半導体装置１を用いた基板接続構造では、熱伝導部が配線接続用半田バンプと同じピッチで形成されるため、熱伝導部の断面積が比較的小さく、放熱効率が悪いという問題がある。

この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、放熱用半田バンプを用いる方式で放熱効率を従来より向上させることができる半導体装置を提供すること、そして、このような半導体装置の基板接続構造を提供することを課題（目的）とする。

本発明の半導体装置は、
樹脂封止された半導体素子を有する半導体装置において、
前記半導体装置の底面の中央領域に整列配置して設けられた複数の第１のバンプ電極と、
前記底面の前記中央領域を取り囲む周辺領域に整列配置して設けられた複数の第２のバンプ電極と、
を有し、前記半導体素子は前記中央領域に対応する位置に配置されており、前記第１のバンプ電極間のピッチは前記第２のバンプ電極間のピッチより狭いことを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、
前記底面には、前記中央領域と前記周辺領域との間に、該中央領域を取り囲むように、バンプ電極の配置されない中間領域があることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、
前記第１のバンプ電極の各々は前記底面に埋設された放熱板上に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、
前記半導体素子と前記放熱板との間には、該半導体素子及び該放熱板にそれぞれ直接接触する、放熱効率を高めるための複数の中継部を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、
前記半導体素子と前記放熱板との間には、該半導体素子より大きく、該半導体素子及び該放熱板にそれぞれ直接接触する、放熱効率を高めるための中継部を有することを特徴とする。

また、本発明の基板接続構造は、
上記のいずれか１つに記載の半導体装置を基板に接続した基板接続構造において、
前記基板は第１のパッドと第２のパッドとを有し、該第１のパッドは前記第１のバンプ電極と接合し、該第２のパッドは前記第２のバンプ電極と接合し、該第１のバンプ電極は複数個が一体化した接合層を形成していることを特徴とする。

また、本発明の基板接続構造は、
前記第１のパッドは第２のパッドより大きく、前記接合層に対応するサイズを有することを特徴とする。

なお、本発明にかかる半導体装置は、上記の目的を達成させるため、半導体素子を保持するパッケージの基板接続面に、複数の配線接続用半田バンプと複数の放熱用半田バンプとが形成された構成において、放熱用半田バンプを、基板接続面の一部の領域にまとめて配置し、基板への接合のための熱処理の際に、隣接する半田バンプ間に半田ブリッジが形成されて一体の接合層を形成するようなピッチで配置しても良い。

上記の構成によれば、基板への接続時に放熱用半田バンプがブリッジを形成して一体の接合層を形成するため、従来のように個々の放熱用半田バンプが独立して基板に接合される場合と比較して、放熱に利用される熱伝導部の有効面積の比率が高くなり、放熱効率を向上させることができる。

また、放熱用半田バンプを接続面の中央領域に配置し、配線接続用半田バンプは、中央領域を囲む周囲領域に配置することが望ましい。半導体素子は通常パッケージの中央に配置されるため、上記の配置により、半導体素子で発生した熱を一体の接合層を介して効率よく基板側に放熱することができる。

さらに、パッケージの基板接続面側に、半導体素子からの熱を伝達する熱伝導率の高い放熱板を設け、放熱用半田バンプをこの放熱板上に形成してもよい。この場合、放熱板に
、半導体素子に直接接触する中継部を形成すれば、より放熱効率を向上させることができる。中継部は、半導体素子の放熱板側の面にほぼ全面的に接するよう配置された場合に、最大の放熱効率を得ることができる。

半導体素子が基板接続面側に露出したキャビティダウン構造の場合には、放熱用半田バンプを半導体素子に直接形成することができる。また、半導体素子の表面に複数の開口を有するソルダーレジスト層を形成し、これらの開口に放熱用半田バンプを形成するようにすれば、半田バンプを容易に設計値通りの正確な位置に形成することができる。

一方、この発明にかかる半導体装置の基板接続構造は、配線接続用パッド及び放熱用パッドを備える基板と、配線接続用パッドに接合される配線接続用半田バンプ及び放熱用パットに接合される放熱用半田バンプを備える半導体装置との組み合わせにおいて、放熱用半田バンプを、基板接続面の一部の領域にまとめて配置し、熱処理により基板へ接合された際に、隣接する半田バンプ間に半田ブリッジが形成されて一体の接合層を形成するようにしても良い。

この構造によれば、半導体装置と基板との間に放熱用の一体の接合層が形成されるため、従来のように個々の放熱用半田バンプが独立して基板に接合される場合と比較して、放熱に利用される有効面積の比率が高くなり、放熱効率を向上させることができる。

隣接する放熱用半田バンプどうしを接合し易くするためには、上記の構造において、放熱用パッドの有効面積の当該領域の全面積に対する比率を、配線接続用パッドの有効面積の当該領域の全面積に対する比率より高く設定することが望ましい。また、基板の半導体装置が接合される側の面にソルダーレジスト層を形成した場合には、このソルダーレジスト層に、配線接続用及び放熱用の半田バンプを配線接続用及び放熱用のパッドに接続させるための開口を形成し、放熱用に形成された開口の径が、配線接続用に形成された開口の径より大きくなるよう設計することが望ましい。なお、放熱用半田バンプが接合される領域をカバーする連続した平面を放熱用パッドとして形成することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、基板への接続時に、例えば放熱用半田バンプによる第１のバンプ電極がブリッジを形成して一体の接合層を形成するため、従来のように個々の放熱用半田バンプが独立して基板に接合される場合と比較して、放熱に利用される有効面積の比率が高くなり、放熱効率を向上させることができる。

以下、この発明にかかる半導体装置の基板接続構造の実施形態を説明する。図１（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態にかかる半導体装置１０を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。半導体装置１０は、図示せぬ半導体素子（チップ）を内部に保持するパッケージ（封止体に相当）１１と、このパッケージ１１の基板接続面１１ａに接続された多数の放熱用半田バンプ（第１の突起電極に相当）１３、および配線接続用半田バンプ（第２の突起電極に相当）１４とを備えている。

放熱用半田バンプ１３は、基板接続面１１ａの中央領域にまとめて配置され、配線接続用半田バンプ１４は、中央領域を囲む周囲領域に配置されている。なお、配線接続用半田バンプ１４は、内蔵する半導体素子の電極に接続されて配置されており、半導体素子の回路を外部回路に接続する接点としての機能を有している。

半導体装置１０は、基板上に搭載されて熱処理（リフロー）工程を経ることにより、図２（ａ）に示すように基板２０に接続される。基板２０には、放熱用半田バンプ１３に対
応する位置に放熱用パッド２１が設けられ、配線接続用バンプ１４に対応する位置に配線接続用パッド２２が設けられている。半導体装置１０は、熱処理工程で各半田バンプを溶融させて各パッドに接合させることにより、基板２０に固定される。

配線接続用半田バンプ１４は、接続用端子としてそれぞれ独立して対応する配線接続用パッド２２に接続される必要があり、そのため、熱処理により隣接するバンプ間で半田ブリッジが生じないように所定のピッチで配置されている。一方、放熱用半田バンプ１３は、図１に示すように配線接続用半田バンプ１４より狭いピッチで形成されている。放熱用半田バンプ１３の配置ピッチは、基板２０への接合のための熱処理の際に、隣接する半田バンプ間に半田ブリッジが形成され、全ての放熱用半田バンプ１３が図２（ａ）に示すような一体の接合層３０を形成するように設定されている。なお、第１の実施形態では、図２（ｂ）に示されるように、放熱用の接合層３０が互いに独立して形成された放熱用パッド２１上に接続されている。具体的には、例えば各半田バンプの径が０．７６ｍｍである場合、放熱用半田バンプ１３の配置ピッチは１．００ｍｍ、配線接続用半田バンプ１４の配置ピッチは１．２７ｍｍ程度に設定するとよい。

上記の構成によれば、実使用時に半導体装置１内の半導体素子で発生した熱は、接合層３０を介して基板２０側に伝達され、基板２０で拡散して放熱される。このとき、半導体装置１０から基板２０側への熱伝導部が、一体の接合層３０により構成されるため、従来のように個々の放熱用半田バンプが独立して基板に接合される場合と比較して、放熱に利用される有効面積の比率が高く、放熱効率を向上させることができる。

なお、隣接する放熱用半田バンプどうしを接合し易くするためには、上記の構造において、放熱用パッドの有効面積の当該領域の全面積に対する比率を、配線接続用パッドの有効面積の当該領域の全面積に対する比率より高く設定すればよい。例えば、図３に示すように基板２０側にソルダーレジスト層４０を形成して各パッドに対応する位置に開口４１，４２を形成する場合、配線接続用パッド２２に対応する開口４２を図３（ａ）に示すように所定の径ｄ１で形成し、放熱用パッド２１に対応する開口４１を図３（ｂ）に示すようにより大きい径ｄ２で形成する。

配線接続用パッド２２用の開口４２の径、すなわち有効面積比率は、前述のように熱処理により配線接続用半田バンプ１４に半田ブリッジが形成されないように決定される。これに対して放熱用パッド２１については、その有効面積比率を高くすることにより、積極的に半田ブリッジが形成されるようにしている。このように開口４１の径を比較的大きくすることにより、放熱用半田バンプ１３の径も大きくすることができ、接合時に半田ブリッジが形成されやすくなる。

図４は、第２の実施形態にかかる半導体装置の基板接合構造を示し、（ａ）は接合状態での側面図、（ｂ）は基板の平面図、（ｃ）は（ａ）内の破線で囲まれた部分の拡大図である。この例では、半導体装置１０側の構成は第１の実施形態と同一であり、基板２０の放熱用半田バンプ（接合層３０）が接合される領域に、この領域をカバーする連続した平面が放熱用パッド２３として形成されている。

上記の構成によれば、接合時には溶融して一体とされた接合層３０が、放熱用パッド２３に全面的に接合される。したがって、接合層３０と基板２０との間の熱伝導効率を第１の実施形態より高くすることができ、パッケージ内の半導体素子で発生した熱をより効率よく基板２０側に伝達させて発散させることができる。

図５は、第３の実施形態にかかる半導体装置５０を示す断面図である。この例では、パッケージ５１の基板接続面５１ａ側に、半導体素子５２からの熱を伝達する熱伝導率の高
い放熱板５３が設けられ、放熱用半田バンプ５４をこの放熱板５３上に形成している。なお、配線接続用半田バンプ５５は、第１の実施形態と同様、周囲領域に形成されている。ワイヤ５６は、半導体素子５２の電極と、配線接続用バンプ１４が設けられるパッケージ５１側の電極との間を電気的に接続している。また、放熱用半田バンプ５４のピッチが配線接続用半田バンプのピッチより狭い点も第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態によれば、半導体素子５１で発生した熱は放熱板５３を介して効率よく放熱用半田バンプ５４に伝達される。したがって、半導体装置５０を熱処理工程を経て基板に接続し、一体の接合層を形成することにより、第１の実施形態よりも高い放熱効率を得ることができる。

図６は、図５に示した第３の実施形態の変形例を示した断面図である。この例では、第３の実施形態の構成に加え、放熱板５３に半導体素子５１に直接接触する中継部として凸部５３ａが複数形成されている。この構成によれば、半導体素子５１で発生した熱は凸部５３ａを介して、図５の例より効率よく放熱板５３に伝導する。したがって、基板に接続して接合層を形成することにより、第３の実施形態より高い放熱効率を得ることができる。

図７は、図５に示した第３の実施形態の他の変形例を示す断面図である。この例では、第３の実施形態の構成に加え、放熱板５３に半導体素子５１に直接全面的に接触する中継部として平面部５３ｂが形成されている。この構成によれば、図６の例よりさらに放熱板５３への熱伝導率を高めることができる。したがって、基板に接続して接合層を形成することにより、図６の構成より高い放熱効率を得ることができる。

なお、図７の例のように半導体素子５１と放熱板５３との間に平面部５３ｂを形成せずに、半導体素子５１を直接放熱板５３上に直接、またはダイスボンド材を介して接合することもできる。この場合、ダイパッドを放熱板５３に兼用することもできる。

図８は、この発明の第４の実施形態にかかる半導体装置６０を示す断面図である。この例では、半導体素子６１がパッケージ６２の基板接続面６２ａ側に露出したキャビティダウン構造の半導体装置６０を対象としている。放熱用半田バンプ６３は、半導体素子６１上に直接形成されている。なお、配線接続用半田バンプ６４は、第１の実施形態と同様、周囲領域に形成されている。また、放熱用半田バンプ６３のピッチが配線接続用半田バンプ６４のピッチより狭い点も第１の実施形態と同様である。

第４の実施形態によれば、半導体素子６１で発生した熱は直接放熱用半田バンプ６３に伝達されるため、半導体装置６０を熱処理工程を経て基板に接続し、一体の接合層を形成することにより、第１の実施形態よりも高い放熱効率を得ることができる。

図９は、図８に示した第４の実施形態の変形例を示す側面図であり、半導体素子６１が配置された部分を拡大して示している。この例では、半導体素子６１の表面を含むパッケージ６２の基板接続面６２ａに、複数の開口を有するソルダーレジスト層６５が形成されている。ソルダーレジスト層６５の中央領域には、放熱用半田バンプ６３を形成するための開口６６が複数形成されている。

図９のようにソルダーレジスト層６５を設けることにより、放熱用半田バンプ６３を形成する際に、放熱用半田バンプ６３を容易に設計値通りの正確な位置に形成することができる。放熱用半田バンプ６３は、基板への接合時に半田ブリッジを形成するよう狭いピッチで形成されるため、半導体装置への搭載時にその形成位置がずれると、隣接する半田バンプが互いに結合する可能性がある。そして、基板への接合前に半田バンプが結合すると
、結合した部分は単独の半田バンプより高さが低くなり、基板への接続時に基板に接触しない可能性がある。上述のようにソルダーレジスト層６５に形成された開口６６を基準に放熱用半田バンプを形成すれば、位置ずれによる半田バンプの不用意な結合を防ぎ、半田バンプの高さを揃えて基板へ接合を確実にすることができる。

第１の実施形態にかかる半導体装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図。 図１の半導体装置の基板への接続構造を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）内の破線で囲まれた部分の拡大図。 第１の実施形態の基板にソルダーレジスト層を設けた構造を示し、（ａ）は配線接続用パッドを示す断面図、（ｂ）は放熱用パッドを示す断面図。 第２の実施形態にかかる半導体装置の基板接合構造を示し、（ａ）は接合状態での側面図、（ｂ）は基板の平面図、（ｃ）は（ａ）内の破線で囲まれた部分の拡大図。 第３の実施形態にかかる半導体装置を示す断面図。 図５に示した第３の実施形態の変形例を示した断面図。 図５に示した第３の実施形態の他の変形例を示した断面図。 第４の実施形態にかかる半導体装置を示す断面図。 図８に示した第４の実施形態の変形例を示す側面図。 半田バンプを備える従来の半導体装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図。 図１０の半導体装置の基板への接続構造を示す側面図。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ パッケージ
１３ 放熱用半田バンプ
１４ 配線接続用半田バンプ
２０ 基板
２１ 放熱用パッド
２２ 配線接続用パッド
３０ 接合層

Claims (7)

1. 樹脂封止された半導体素子を有する半導体装置において、
   前記半導体装置の底面の中央領域に整列配置して設けられた放熱用の複数の第１のバンプ電極と、
   前記底面の前記中央領域を取り囲む周辺領域に整列配置して設けられた配線用の複数の第２のバンプ電極と、を有し、
   前記半導体素子は、前記中央領域に対応する位置に配置されており、
   前記第２のバンプ電極間のピッチは、基板へ接合される際の熱処理により隣接する半田バンプ間に半田ブリッジが形成されないピッチであり、
   前記第１のバンプ電極間のピッチは、前記第２のバンプ電極間のピッチよりも狭く、前記熱処理により隣接する半田バンプ間に半田ブリッジが形成されるピッチである、
   半導体装置。
2. 前記底面には、前記中央領域と前記周辺領域との間に、該中央領域を取り囲むように、バンプ電極の配置されない中間領域があることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１のバンプ電極の各々は前記底面に埋設された放熱板上に設けられて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. 前記半導体素子と前記放熱板との間には、該半導体素子及び該放熱板にそれぞれ直接接触する、放熱効率を高めるための複数の中継部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記半導体素子と前記放熱板との間には、該半導体素子より大きく、該半導体素子及び該放熱板にそれぞれ直接接触する、放熱効率を高めるための中継部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置を基板に接続した基板接続構造において、
   前記基板は第１のパッドと第２のパッドとを有し、該第１のパッドは前記第１のバンプ電極と接合し、該第２のパッドは前記第２のバンプ電極と接合し、該第１のバンプ電極は
   複数個が一体化した接合層を形成していることを特徴とする基板接続構造。
7. 請求項６記載の基板接続構造において、前記第１のパッドは第２のパッドより大きく、前記接合層に対応するサイズを有することを特徴とする基板接続構造。

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