JP4352076B2

JP4352076B2 - 半導体装置の放熱構造

Info

Publication number: JP4352076B2
Application number: JP2007036038A
Authority: JP
Inventors: 高野口
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2007180574A

Description

本願発明は、放熱効果が高く薄型化に対応した半導体装置の放熱構造、及びその製造方法に関するものである。

従来、基板に搭載された半導体装置の放熱構造として、いくつか提案がなされている。その１つとして、半導体装置がフリップチップ実装された基板に、半導体装置を覆うように印刷やディスペンサなどを使用して高熱伝導性樹脂を塗布し、半導体装置から発生した熱を高熱伝導性樹脂に伝導させ、放熱を行う構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１２５８３４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、半導体装置の上面と基板の上面とを連続して覆うように高熱伝導性樹脂が形成されているので、製造過程における熱処理工程や実際に製品として使用される環境化での温度変化等により高熱伝導性樹脂が変形する際、半導体装置と基板との熱膨張係数が異なる場合、半導体装置との界面と基板との界面とでは高熱伝導性樹脂の変形に差が生じてしまい、この変形の差による応力が高熱伝導性樹脂の一部に集中してしまい、高熱伝導性樹脂にクラックが発生してしまう可能性や、高熱伝導性樹脂が半導体装置、若しくは、基板から剥離してしまう可能性があり、十分な放熱を行うことができない可能性があった。

上述した課題を解決する為、本願の代表的な発明の一つでは、半導体装置が搭載される第１の領域と、第１の領域を包囲する第２の領域とを表面に備える基板と、第１の面と第１の面と対向する第２の面とを備え、第１の面上に複数の端子が形成された半導体装置とを有し、第１の面が基板の表面と対向するように、半導体装置は基板上に搭載され、基板の第２の領域上には第１の放熱膜が形成され、半導体装置の第２の面上には第１の放熱膜と離間して第２の放熱膜が形成されている。

本願の代表的な発明によれば、薄型化に対応し、かつ、高い放熱効果を得ることが可能な半導体装置の放熱構造を提供することが可能となる。

基板の第２の領域上には第１のセラミックスを材料とする熱放射膜が形成され、半導体装置の第２の面上には第１の熱放射膜と離間してセラミックスを材料とする第２の熱放射膜が形成されている。

以下、本願発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。なお、全図面を通して同様の構成には同様の符号を付与する。

図１は本願発明の実施例１における半導体装置の放熱構造を示す断面図であり、図２はその平面図である。図３は本実施例における半導体装置の放熱構造の熱伝導の様子を示す断面図である。図４は本実施例における半導体装置の放熱構造における放熱膜の変形の様子を示す断面図である。図５は本実施例の変形例における半導体装置の放熱構造を示す断面図である。

本願発明の実施例１における半導体装置の放熱構造は、図１に示すように、半導体装置１００が搭載される基板２００を備える。基板２００には、搭載される半導体装置１００と電気的に接続される配線２１０が表面２０１に設けられ、この配線２１０により半導体装置１００は基板２００に搭載される他の電子部品等と電気的に接続される。

また、基板２００が、図１４に示すように、半導体装置１００が複数搭載され、実装基板等の外部基板２００´と接続される外部電極１５０´を備える基板（インターポーザ基板とも称す）である場合に対しても本願発明を適用することが可能である。この場合、半導体装置１００は、搭載基板２００´には直接搭載されず、まず、基板２００に搭載される。その後、半導体装置１００が搭載された基板２００は、外部電極１５０´を介して搭載基板２００´と接続される。本実施例では、外部電極１５０´の材料は半田であり、外部電極１５０´は基板２００の裏面に設けられている。

図１、図２に示されるように、基板２００は、半導体装置１００が搭載される領域２２０と、この領域を包囲する領域２３０、すなわち、半導体装置１００から露出している領域２３０とを備える。

この基板２００の表面２０１上には半導体装置１００が搭載される。本実施例では、半導体装置１００は、図１に示すように、基板２００と電気的に接続される端子１５０が複数形成される第１の面１０１と、第１の面と対向する第２の面１０２と、側面１０３とを備える。ここで、半導体装置１００は、半導体素子１１０をパッケージングしたものでも良いし、パッケージングされていない半導体素子１１０であっても良い。

本実施例では、半導体装置１００に半導体素子１１０をパッケージングしたものを用いており、パッケージにはウエハレベルチップサイズパッケージ（以下、ＷＣＳＰと称する）を用いている。ここで、ＷＣＳＰについて説明すると、半導体素子が複数形成されたウエハを、ウエハ状態で樹脂封止し、その後、ウエハを切断して半導体素子毎に個別化するパッケージングであって、半導体素子のサイズとパッケージのサイズとがほとんど同じであることが特徴であり、小型化の要求に対応可能なパッケージとして近年注目されている。

すなわち、本実施例の半導体装置１００は、電子回路が表面に形成された半導体素子１１０を有し、この表面上に電子回路と電気的に接続される電極１２０が複数形成されている。さらに、ポリイミド樹脂等の保護膜１３０が電極１２０の表面を露出するように半導体素子１１０の表面上に形成されている。保護膜１３０上には電極１２０から端子１５０の搭載位置まで銅（Ｃｕ）等の配線１４０が延在している。この配線１４０は再配線と称され、この配線１４０を引き回すことで端子１５０を所定の位置に設定することが可能となる。さらに、保護膜１３０上には、配線１４０を覆い、かつ、端子１５０の搭載位置を露出するように、樹脂封止層１６０が形成される。端子１５０は樹脂封止層１６０から突出するように形成され、配線１４０を介して電極１２０と電気的に接続される。つまり、本実施例では、半導体装置１００の第１の面１０１は樹脂封止層１６０の表面に相当し、半導体装置１００の第２の面１０２は半導体素子１１０の裏面に相当する。

半導体装置１００は基板２００の領域２２０に、第１の面１０１が基板２００の表面２０１と対向するように、すなわち、半導体素子１１０と基板２００の表面２０１との間に樹脂封止層１６０が位置するように搭載される。

ここで、基板２００の表面２０１上には配線２１０が形成されており、半導体装置１００の端子１５０と基板２００の配線２１０とは電気的に接続されている。

さらに、半導体装置１００の第２の面１０２上および基板２００の領域２３０上には放熱膜３００が形成される。この放熱膜３００は空気等の雰囲気中に露出している。

これにより、半導体装置１００から発生した熱は、図３の矢印１０で示されるように、半導体装置１００の第２の面１０２から放熱膜３００を介して雰囲気中に放出され、さらに、端子１５０を介して基板２００中に伝導して基板２００の表面２０１から放熱膜３００を介して雰囲気中に放出される。つまり、半導体装置１００から発生した熱は、半導体装置１００の第２の面１０２と、基板２００の表面２０１とから雰囲気中に放出される。

これにより、半導体装置１００の放熱を十分に行うことが可能となり、この半導体素装置の信頼性を大幅に向上させることが可能となる。

さらに、本実施例では、小型化が要求される半導体装置においても、薄い膜を設けることのみで十分な放熱性を得ることが可能となるので、例えば、半導体装置上に放熱フィン等を設けることで放熱を行う場合と比べ、半導体装置の厚さを薄く維持することが可能となる。

また、図５に示すように、半導体装置１００の第２の面１０２に、レーザー若しくはインク等による製品番号等の捺印１０２´が設けられている場合には、放熱膜３００は、第２の面１０２の捺印された箇所を露出するように形成される。これにより、複雑な工程を施さなくとも、目視により捺印を確認することが可能となり、捺印確認のための工程を低減することが可能となる。

ここで、放熱膜３００は、放熱性を高めるため、熱伝導性および熱放射（輻射）性を有しているものが望ましい。熱導電性を有することで半導体装置１００から発生した熱を放熱膜３００に集中させることが可能となり、さらに、熱放射性を有することで、この集中した熱を雰囲気中に効率良く放出することが可能となる。これにより、高い放熱性を得ることが可能となる。

さらに、放熱膜３００は絶縁性を有していることが望ましい。放熱膜３００が絶縁性を有することで、放熱膜３００を形成したことによって半導体装置１００内の配線もしくは基板２００上の配線２１０がそれぞれ電気的に接続してしまうような可能性は低減され、半導体装置１００の特性を維持することが可能となる。これにより、設計段階にて、各配線が想定の範囲をこえて電気的に接続してしまうような可能性を考慮せずとも良いので、設計を複雑にすることなく放熱膜３００を形成することが可能となります。

このような性質、すなわち、熱導電性、熱放射性および絶縁性を得るべく、本実施例では放熱膜３００に、セラミックスを材料とする熱放射膜を用いている。このような熱放射膜は与えられた熱を赤外線に変換して放射する機能を有し、高い放熱性を有している。

さらに具体的には、本実施例では放熱膜３００に、シリカアルミナ系のセラミックスを材料とする熱放射膜を用いている。これにより、放熱性をさらに向上させることが可能である。

セラミックスを材料とする熱放射膜は、膜厚が薄くとも十分な放熱性を得ることができるので、ＷＣＳＰのような薄型化が求められる半導体装置においても、十分に対応することが可能である。

セラミックスを材料とする熱放射膜の厚さは３０μｍ以上であることが望ましい。これにより、応力等に対する熱放射膜の強度を十分に維持しつつ高い放熱性を得ることが可能となる。また、半導体装置の薄型化を維持しつつ高い放熱性を得るために、この熱放射膜の厚さは２００μｍ以下であることが望ましい。

さらに、本実施例では、図１に示すように、放熱膜３００は基板２００の表面２０１に形成された配線２１０を覆うように形成されている。配線２１０は通常、金属で構成されているため熱導電性が高く半導体装置１００で発生する熱を伝導し易いため、この上に放熱膜３００を形成することで、半導体装置１００で発生する熱を効率良く放出することが可能となる。特に、配線２１０が銅（Ｃｕ）により構成されている場合、銅（Ｃｕ）の熱伝導性は非常に高い為、より効果的に熱の放出を行うことが可能となる。

さらに、本実施例では、図１に示すように、半導体装置１００の第２の面１０２上に形成される放熱膜３００（以下、放熱膜３００ａと称する）と、基板２００の領域２３０上に形成される放熱膜３００（以下、放熱膜３１０ｂと称する）とは、互いに独立するように、すなわち、離間するように形成される。これにより、本実施例では、半導体装置１００の側面１０３は放熱膜３００から露出している。

この構成によれば、図４に示すように、製造過程の熱処理工程や実際に製品として使用される環境化での温度変化等により放熱膜３００が変形する際、半導体装置１００と基板２００との熱膨張係数の差により半導体装置１００との界面と基板２００との界面とで放熱膜３００の変形に差が生じる場合であっても、放熱膜３００ａと放熱膜３００ｂとは離間しているので、変形により生じる応力（図中の矢印２０，２０´）が互いに干渉する可能性は低減され、変形の差によって生じる応力が一部に集中してしまう可能性は低減される。これにより、放熱膜３００にクラック等が発生してしまう可能性や、放熱膜３００が半導体装置１００、若しくは、基板２００から剥離してしまう可能性を低減することが可能となる。これにより、半導体装置１００の放熱性を高め、かつ、半導体装置１００の信頼性を大幅に向上させることが可能となる。

さらに、本実施例では、放熱膜３００ａと放熱膜３００ｂとは、共通の材料で構成されている。これにより、例えば、放熱膜３００を構成する材料をスプレー等により基板２００の上方から供給することで、放熱膜３００ａと放熱膜３００ｂとを一括処理にて形成することが可能となり、工程を大幅に削減することが可能となる。これにより、コストを大幅に増大させることなく本願発明を実現することが可能となる。

また、半導体装置１００と基板２００との熱膨張係数が大きく異なる場合は、放熱膜３００ａと放熱膜３００ｂとで、熱膨張係数の異なる材料を用いることが望ましい。すなわち、放熱膜３００ａと放熱膜３００ｂとで、熱膨張係数の異なる材料を使い分けることにより、半導体装置１００と放熱膜３００ａとの間、および、基板２００と放熱膜３００ｂとの間に発生する応力を緩和するように、それぞれの放熱膜３００の材料を設定することが可能となる。

さらに、熱膨張係数の差によって発生する応力をさらに低減させる場合、図５に示すように、放熱膜３００に開口部３１０を設けることが望ましい。これにより、応力はこの開口部３１０によって吸収されるので、応力によって放熱膜３００にクラックが発生してしまう可能性をさらに低減させることが可能となる。本実施例では、開口部３１０は、放熱膜３００ａと放熱膜３００ｂとにそれぞれ設けられている。さらに、開口部３１０は複数設けられ、それぞれの開口部３１０が一定間隔離れて配置されている。これにより、放熱膜３００に発生する応力を、層内で均一に吸収することが可能となり、一部に応力が集中してしまう可能性を低減でき、クラックの発生をさらに低減させることが可能となる。

また、上述したように半導体装置１００の第２の面１０２に捺印１０２´が設けられている場合には、捺印１０２´を露出するように開口部３１０を設けることにより、開口部３１０を設けることのみで、捺印確認のための工程を低減しつつ応力も緩和することが可能となる。

次に、実施例１の半導体装置の放熱構造における製造方法について、本願発明の実施例２として説明する。図６〜図１０は、本願発明の実施例２を説明する工程図である。

本願発明の実施例２では、図６に示すように、まず、半導体装置１００が搭載される基板２００を準備する。

次に、図７に示すように、この基板２００上に半導体装置１００を搭載する。

次に、図８，図９に示すように、液状の放熱材３０１を基板２００の表面２０１および半導体装置１００の表面１０２に供給して放熱膜３００の前駆体３００´を形成する。

本実施例では、放熱材３０１に液状のセラミックスを用い、これをスプレー等の供給部４００により霧状にして基板２００の上方から吹き付けている。これにより、半導体装置１００の側面１０３を露出するように半導体装置１００の表面１０２上および基板２００の表面２０１上に放熱膜３００の前駆体３００´が形成される。

放熱材３０１を霧状にすることで、放熱材３０１の粒子をより細かくして供給することが可能となるので、半導体装置１００および基板２００に放熱膜３００の前駆体３００´を薄く、かつ、均一に供給することが可能となる。特に、液状のセラミックスは粒子が細かく、粘性が小さいので、このような供給方法に適している。

また、スプレー等により放熱材３０１を広範囲に拡散して吹きつけることにより、半導体装置１００および基板２００に一括処理にて放熱材３０１を供給することが可能となるので、工程を大幅に増大させることなく発明を実現することが可能となる。

その後、図１０に示すように、前駆体３００´を加熱して硬化させることにより、放熱膜３００が形成される。ここで、放熱膜３１０の厚さは、３０〜２００μｍ程度である。この加熱処理より、放熱膜３００が半導体装置１００および基板２００から剥れてしまう可能性は低減される。

また、半導体装置１００の他に電子部品が基板２００上に搭載される場合、半導体装置１００を含めた所定の電子部品を全て基板２００に搭載した後、基板２００の上方から放熱材３０１を供給し、電子部品を覆うように放熱膜３００を形成することで、基板２００に搭載された電子部品の放熱性の向上を一括して実現させることが可能となる。すなわち、複数の電子部品で構成されるシステムの信頼性を、工程を大幅に増大させることなく、大幅に向上させることが可能となる。

次に、本願発明の半導体装置の放熱構造における、他の実施例を実施例３として説明する。図１１は本実施例における半導体装置の放熱構造を示す断面図であり、図１２，図１３は本実施例の変形例における半導体装置の放熱構造を示す断面図である。

本願発明の実施例３における半導体装置の放熱構造は、図１１に示すように、基板２００上に半導体装置１００が搭載されている。さらに、基板２００上には半導体装置１００を覆うように樹脂等を材料とする絶縁層５５０が形成されている。

このように、基板上に形成される樹脂等の絶縁層に半導体装置等の電子部品を埋め込むような実装構造が近年存在する。このような実装構造では、半導体装置等の電子部品が樹脂等の絶縁層に埋め込まれるため、電子部品から発生した熱がこもってしまい、放熱を十分に行うことができない可能性があった。本実施例は、このような実装構造において、放熱性を向上させることが可能な半導体装置の放熱構造を提案するものである。

本実施例では、基板２００は、ベース基板５００と樹脂等を材料とする絶縁層５１０とを備える。ベース基板５００上には電子部品５２０が搭載され、この電子部品５２０を覆うように、ベース基板５００上に絶縁層５１０が形成されている。

基板２００上には、半導体装置１００と電子部品５２０とを電気的に接続する配線パターン５３０が形成されている。さらに、基板２００上には、配線パターン５３０と電気的に接続される導電体５４０が形成されている。

さらに、基板２００上には、半導体装置１００および配線パターン５３０を覆い、かつ、導電体５４０の表面の一部を露出するように樹脂を材料とする絶縁層５５０が形成されている。

絶縁層５５０上には、導電体５４０と電気的に接続し銅（Cｕ）等を材料とする配線パターン５６０が形成されている。

絶縁層５５０上、若しくは、ベース基板５００の裏面には、放熱膜３００が形成されている。これにより、電子部品５２０、若しくは、半導体装置１００から発生した熱は、図中の矢印１０に示すように、絶縁層５５０、若しくは、基板２００を介して放熱膜３００に伝導し雰囲気中に放出される。ここで、放熱膜３００には、実施例１の放熱膜と同様の構成を有する膜を用いている。

本実施例では、絶縁層５５０上に形成された放熱膜３００は、配線パターン５６０を覆うように形成されている。これにより、電子部品５２０、若しくは、半導体装置１００から発生した熱は、導電体５４０を介して配線パターン５６０に伝導し、配線パターン５６０上に設けられた放熱膜３００により放熱されるので、放熱性をより高めることが可能となる。つまり、電子部品５２０、若しくは、半導体装置１００から発生する熱を効率良く放熱膜３００に伝導させることが可能となるので、放熱性をより高めることが可能となる。

また、放熱膜３００は、図１２に示すように、絶縁層５５０の全面、若しくは、ベース基板５００の裏面全体に形成することで、放熱性をより向上させることが可能となる。

また、熱膨張等により発生する応力を緩和する必要がある場合には、図１３に示すように、放熱膜３００は、開口部３１０を備えることが望ましい。この開口部３１０により応力は緩和されるため、この構成によれば、放熱性を維持しつつ、放熱膜３００に熱膨張等によるクラック等が発生してしまう可能性を低減させることが可能となる。

実施例１の半導体装置の放熱構造を説明する断面図である。実施例１の半導体装置の放熱構造を説明する平面図である。実施例１の半導体装置の放熱構造における放熱の様子を説明する断面図である。実施例１の半導体装置の放熱構造における放熱膜の変形の様子を説明する断面図である。実施例１の半導体装置の放熱構造における変形例を説明する断面図である。実施例２の半導体装置の放熱構造の製造方法を説明する工程図である。実施例２の半導体装置の放熱構造の製造方法を説明する工程図である。実施例２の半導体装置の放熱構造の製造方法を説明する工程図である。実施例２の半導体装置の放熱構造の製造方法を説明する工程図である。実施例２の半導体装置の放熱構造の製造方法を説明する工程図である。実施例３の半導体装置の放熱構造を説明する断面図である。実施例３の半導体装置の放熱構造の変形例を説明する断面図である。実施例３の半導体装置の放熱構造の変形例を説明する断面図である。実施例１の半導体装置の放熱構造の変形例における断面図である。

符号の説明

１００半導体装置
１１０半導体素子
１２０電極
１３０保護膜
１４０，２１０，５３０，５６０配線
１５０端子
１６０樹脂層
２００基板
３００放熱膜
４００供給源
５００ベース基板
５１０，５５０絶縁層
５２０電子部品
５４０導電体

Claims

半導体装置が搭載される第１の領域と、該第１の領域を包囲する第２の領域とを表面に備える基板と、
第１の面と該第１の面と対向する第２の面とを備え、該第１の面上に複数の端子が形成された前記半導体装置とを有し、
前記第１の面が前記基板の前記表面と対向するように、前記半導体装置は前記基板上に搭載され、
前記基板の前記表面上には前記第１の領域を露出し且つ前記第２の領域を覆うように熱放射性を有する第１の熱放射膜が形成され、前記半導体装置の前記第２の面上には該第１の熱放射膜と離間して熱放射性を有する第２の熱放射膜が形成されていることを特徴とする半導体装置の放熱構造。
前記基板は外部基板と接続される外部電極を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の放熱構造。
前記基板は外部基板と接続される外部電極を備え、
前記半導体装置が前記基板上に複数個搭載されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の放熱構造。
前記基板は外部基板と接続される外部電極を備え、
前記外部電極は前記基板の裏面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の放熱構造。
前記基板の前記表面には配線が形成され、
前記半導体装置の前記端子と前記基板の前記配線とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記半導体装置は、
電子回路が形成された半導体素子と、
前記半導体素子上に形成された樹脂層とを有し、
前記端子は、前記樹脂層上に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１および第２の熱放射膜の表面は露出していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記基板の前記表面には配線が形成され、
前記第１の熱放射膜は前記配線を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１の熱放射膜には開口部が設けられ、
前記開口部により前記基板の前記表面の一部が露出していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第２の熱放射膜には開口部が設けられ、
前記開口部により前記半導体装置の前記第２の面の一部が露出していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記半導体装置の前記第２の面には捺印が施され、
前記第２の熱放射膜には開口部が設けられ、
前記捺印が露出するように前記開口部が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１および前記第２の熱放射膜の厚さは、３０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１および前記第２の熱放射膜は、共通の材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１の熱放射膜と前記第２の熱放射膜とでは、熱膨張係数が異なることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１および前記第２の熱放射膜に、絶縁性を有する膜を用いていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１および前記第２の熱放射膜の材料は、セラミックスであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。
前記第１および前記第２の熱放射膜の材料は、シリカアルミナ系のセラミックスであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の半導体装置の放熱構造。