JP5017977B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に放熱機構を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体装置の一つである半導体集積回路素子は、シリコン或いはガリウム砒素からなる半導体基板に形成されたトランジスタなどの能動素子、容量素子などの受動素子を相互に接続して形成された電子回路を含む。
当該半導体集積回路素子(半導体素子)は、樹脂などの絶縁体により封止されるか容器に収容されて気密封止され、前記電子回路の動作の安定化が図られる。
かかる半導体装置にあっては、その動作時に半導体素子から発生する熱を、外部へ放散する必要がある。
この為、従来は、例えば図40に示す放熱構造が用いられていた。
同図40は、所謂BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体装置400を示している。
図40(A)は当該半導体装置400の上面を示し、図40(B)は(A)のX−X断面を示す。
当該半導体装置400にあっては、配線基板401上に、接着材402を介して半導体素子403が搭載され、当該半導体素子403の電極は、ボンディングワイヤ404により、前記配線基板401に設けられた端子401aに接続されている。
また、当該半導体素子403上には、当該半導体素子403を覆って、配線基板401上に接着材405により固着された放熱部材(ヒートスプレッダ)406が配置されている。
そして、当該放熱部材406と半導体素子403との間、並びに当該放熱部材406外側面を覆って封止用樹脂407が配設されている。
一方、前記配線基板401の他方の主面、即ち半導体素子403の搭載面とは反対の面には、外部接続用端子408として、複数個の半田ボールが配設されている。
このような半導体装置400に於いては、半導体素子403に於いて発生した熱は、主として半導体素子403を被覆している樹脂407を介して放熱部材406に伝わり、その上平面406aから外部へと放散される。
この他、放熱機構を備えた半導体装置としては、配線基板に実装された半導体素子の上面側に第1の放熱部材を設けると共に、配線基板を貫通して半導体素子の裏面側に第2の放熱部材を設けてなるBGAタイプの半導体装置(特許文献1参照)、或いは半導体素子を半田等を介して一対の平板の放熱部材間に配置した状態に於いて樹脂封止を行った半導体装置(特許文献2参照)が提案されている。
特開2000−294694号公報 特開2005−109526号公報
前述の如き所謂BGAタイプの半導体装置にあっては、半導体素子403及びこれを覆う放熱部材406を物理的・化学的に保護するために、配線基板401の半導体素子403実装面側の殆どが樹脂407により被覆される。
しかしながら、当該樹脂407は熱伝導性が比較的低く、半導体素子403に於いて生じた熱が放熱部材406を介して外部へ放散される効率を低下させる一因となっていた。
本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば電極が設けられた基板と、前記基板上に配置され、前記電極に対応する位置に第一の貫通孔が設けられた第一の放熱部材と、前記第一の放熱部材上に配置され、前記電極に電気的に接続された半導体素子と、前記半導体素子上を覆い、前記第一の放熱部材と熱的に接続された第二の放熱部材と、前記半導体素子と前記第二の放熱部材との間に配設された絶縁部材とを有する半導体装置が提供される。
このような半導体装置によれば、第一の放熱部材上に半導体素子が配置され、その第一の放熱部材に第二の放熱部材が熱的に接続される。これにより、半導体素子で発生した熱は、第一の放熱部材に伝熱され、半導体素子を覆い第一の放熱部材に接合された第二の放熱部材へ伝熱される。
また、本発明の一観点によれば電極が設けられた基板上に、前記電極に対応する位置に貫通孔が設けられた第一の放熱部材を配設する工程と、前記第一の放熱部材上に半導体素子を配置する工程と、前記半導体素子と前記電極とを電気的に接続する工程と、前記半導体素子を覆う第二の放熱部材を前記第一の放熱部材に熱的に接続する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
このような半導体装置の製造方法によれば、基板上に配設された第一の放熱部材上に半導体素子を配して、その半導体素子と基板の電極とを電気的に接続し、その第一の放熱部材に、半導体素子を覆う第二の放熱部材を熱的に接続する。これにより、半導体素子で発生した熱が、第一の放熱部材に伝熱され、第一の放熱部材から第二の放熱部材へ伝熱される半導体装置が形成される。
開示の技術によれば、半導体素子に於いて発生した熱を、第一の放熱部材を介して第二の放熱部材に効率的に伝熱させることができ、放熱を効率的に行うことができる。
従って、熱的に安定性の高い半導体装置を実現することができる。
以下、本発明による半導体装置について、その実施の形態をもって詳細に説明する。
本発明による半導体装置の第1の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図1は、当該第1の実施の形態に於ける半導体装置100の断面を示す。また、図2は当該半導体装置100の上面を示し、図3は当該半導体装置100の下面を示す。
尚、図1は、図2並びに図3に於けるX−X断面を示している。
本実施例に於ける半導体装置100にあっては、配線基板1の一方の主面、即ち半導体素子が搭載される面上に、エポキシ樹脂等の接着材2を介して、第1の放熱部材(ヒートスプレッダ)3が配設されている。尚、配線基板1に於ける配線パターンについては、図示することを省略している。
ここで、配線基板1は、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁性基板の表面或いは内層に、銅(Cu)等の金属層からなる配線層を具備し、またその表面には電極端子1aが配設されている。当該配線基板1は、インターポーザ、支持基板とも称される。
前記第1の放熱部材3は、図4に示されるように、平板状を有し、前記配線基板1上に配設されている電極端子1aに対応する領域に、複数個(ここでは4つ)の開口3aが設けられている。配線基板1上に当該放熱部材3が配設された状態では、開口3a内に前記電極端子1aが表出される。
当該第1の放熱部材3は、銅(Cu)、Cu合金、アルミニウム(Al)合金、ステンレス、鉄(Fe)合金、或いはニッケル(Ni)合金等からなる板状部材を用いて構成されるが、熱伝導性のより高い材料が選択される。尚、前記開口3aは、プレス法或いはエッチング法により形成される。
そして、当該第1の放熱部材3に於いて、前記開口3aより内側に位置する部位3bには、ダイボンドフィルム等のシート状接着剤、或いはペースト状接着剤からなる接着材4を介して、半導体素子5が搭載・固着されている。即ち、部位3bは、半導体素子搭載部位となる。
半導体素子5の電極(図示せず)は、金(Au)からなるボンディングワイヤ6により前記配線基板1の端子1aに接続されている。
また、前記第1の放熱部材3に於ける開口部3a間並びに外側の領域3cには、半田ペースト等の導電性接着材料7を用いて、第2の放熱部材8が固着されている。即ち、第1の放熱部材3と、第2の放熱部材8は熱的な結合が可能とされている。
当該第2の放熱部材8は、図6に示すように、平板状基部、略円錐状の傾斜面部及び上部平板状部から形成される台形状の空間を有するドーム形状を有し、前記半導体素子5及びボンディングワイヤ6を、これらから離間して覆っている。
当該第2の放熱部材8は、前記第1の放熱部材3と同様に、銅(Cu)、Cu合金、アルミニウム(Al)合金、ステンレス、鉄(Fe)合金、或いはニッケル(Ni)合金等からなる板状部材を、プレス法等を用いて加工し形成される。
当該第2の放熱部材8は、その平板状基部8aが、導電性接着材7を介して前記第1の放熱部材3の開口部3a間並びに外側の領域3c部分に固着されている。また当該第2の放熱部材8は、その略円錐状の傾斜面に複数個(図示される形態では4個)の貫通孔8bが配設されている。当該貫通孔8bは、半導体素子5周囲への、封止用樹脂9の流入を可能とする。
そして、当該第2の放熱部材8の台形状空間内に収容された半導体素子5、ボンディングワイヤ6、第2の放熱部材8の外側表面、及び前記第1の放熱部材3の露出表面が封止用樹脂9により被覆されて、前記半導体素子5は気密封止されている。
尚、第1の放熱部材3の周囲縁部3b、並びに第2の放熱部材8の上部平板状部8cは、樹脂9から露出されている。
また、前記配線基板1の他方の主面(背面側)には、外部接続用端子10として、複数個の半田ボールが配設されている。
このように、本発明の実施の態様1に於ける半導体装置100にあっては、配線基板1の一方の主面上に第1の放熱部材3を配設し、当該第1の放熱部材3上に半導体素子5を搭載・配置している。
更に当該半導体素子5を覆って、前記第1の放熱部材3に対し熱的に結合された第2の放熱部材8を配設している。このような放熱部材の配設構成により、半導体素子5で発生した熱は、先ず第1の放熱部材3に効率的に伝導され、当該第1の放熱部材3が樹脂9から露出する縁部3bから放熱される。また当該第1の放熱部材3から導電性接着材7を介して第2の放熱部材8へも伝導され、当該第2の放熱部材8の露出する上部平板状部8cからも放熱される。
このように本実施の態様1に於ける半導体装置100にあっては、第1の放熱部材3、第2の放熱部材8によって放熱経路が形成され、半導体素子5に於いて発生した熱は外部へ効率的に放散される。
尚、この半導体装置100にあっては、半導体素子5で発生した熱が、その周囲の樹脂9を介して第2の放熱部材8に伝導され、第2の放熱部材8の上部平板状部8cから放熱される経路も存在する。
更に樹脂9を介して第2の放熱部材8に伝導された熱が、第1の放熱部材3に伝導され、その縁部3bから放熱される経路も存在する。
前述の如く、第2の放熱部材8は、半田ペースト等の導電性接着材7を用いて第1の放熱部材3に固着されている。従って、第1の放熱部材3と第2の放熱部材8との間の熱的結合即ち熱の伝導効率は非常に高い。
また、前記第1の放熱部材3が、配線基板1の一方の主面に配設されることにより、当該配線基板1の剛性が実質的に高められる。これにより、樹脂9を用いて封止する際などにも、当該配線基板1に反りなどを生じない。
従って、当該配線基板1の他方の主面に配設される複数個の外部接続用端子10の平坦性を確保することができ、当該半導体装置100を、電子機器の回路基板(所謂マザーボード)等へ容易に、且つ確実に実装することができる。
続いて、前記半導体装置100の製造方法について説明する。図7乃至図13に、製造工程の概要を示す。尚、当該図7乃至図13のそれぞれに於いて、図(A)は平面形状を模式的に示し、図(B)は図(A)のA−A断面を模式的に示す。
まず、図7に示すところの配線基板1を用意する。当該配線基板1は、ガラスエポキシ樹脂などからなる絶縁性基板を複数積層し、その表面及び内部に銅(Cu)等の金属層からなる配線層が形成された所謂多層配線層構造を有する。そして、後の工程に於いて半導体素子、第1の放熱部材が配置される側の表面(一方の主面)には端子2aが配設され、また裏面(他方の主面)には、外部接続端子配設用の電極が配設されている。
次いで、前記配線基板1の一方の主面上に、エポキシ樹脂等を用いた液状接着剤或いはフィルム状接着剤からなる接着材2を配設する。かかる状態を、図8に示す。
当該接着材2は、配線基板1上の端子1aを除く領域、即ち次工程に於いて搭載・固着される第1の放熱部材3の開口部3aに対応する領域を除いた領域に選択的に配設される。
次いで、前記接着材2を用いて、配線基板1上に第1の放熱部材3を固着する。かかる状態を、図9に示す。この時、当該放熱部材3の開口3a内には、配線基板1上に配設された端子1aが表出される。
次いで、前記放熱部材3の前記開口部3aより内側に位置する部位3bに、ダイボンドフィルム等のシート状接着材或いはペースト状接着材からなる接着材4を介して、半導体素子5を搭載・配置する。かかる状態を、図10に示す。
次いで、前記半導体素子5の電極パッド5aと、配線基板1の端子1aとの間を、ボンディングワイヤ6により接続する。かかる状態を、図11に示す。
次いで、前記半導体素子5上を覆って第2の放熱部材8を配置し、その平板状基部8aを半田ペースト等の導電性接着材7を用いて第1の放熱部材3に固着する。当該第2の放熱部材8は前述の如く、その外周側面に複数個の貫通孔8bを具備する。かかる状態を、図12に示す。
次いで、封止用樹脂9の当該第2の放熱部材8の内側への充填、並びに当該樹脂9による第2の放熱部材8の外周面の被覆により、半導体素子5の気密封止(樹脂封止)処理を行う。
樹脂封止の際、樹脂9は、第2の放熱部材8に設けられた貫通孔8bを介して当該第2の放熱部材8の内側の空間へ流入し、半導体素子5はボンディングワイヤ6と共に樹脂封止される。この時、当該第2の放熱部材8は、その上側表面に於いて上部平板状部8cが露出された状態で封止される。
尚、かかる樹脂封止処理の際、前記第1の放熱部材3はその外周縁部3bが露出される状態で、樹脂9により被覆される。かかる状態を、図13に示す。
しかる後、前記配線基板2の他方の主面(裏面)の所定位置に配設されている電極パッドに、外部接続用端子10として半田ボールを配設し、前記図1に示す半導体装置100を形成する。
尚、第1の放熱部材3、第2の放熱部材8としては、前述の如く、銅(Cu)、Cu合金、アルミニウム(Al)合金、ステンレス、鉄(Fe)合金、或いはニッケル(Ni)合金等の金属材料が適用されるが、熱伝導率、半導体素子5の発熱量、或いは半導体装置100が実装される環境等を考慮して選択される。
また、第1の放熱部材3の厚さは、例えば、0.15mm〜0.25mm程度に設定することが可能であるが、熱伝導率、半導体装置100の寸法、配線基板1の厚さ等を考慮し、一定の剛性を確保することができる厚さを選択する。
また、第2の放熱部材8は、その上部平板状部8c部の厚さを0.30mm以上に設定することが可能であるが、これも熱伝導率、半導体装置100の寸法等を考慮してその厚さを選択する。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
当該第2の実施の形態の半導体装置120の構成を図14に示す。尚、図14に於いては、前記図1に示した構成要素と同一の要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。
当該半導体装置120にあっては、第2の放熱部材8の、第一の放熱部材3に接する平板状基部8aの外周縁部が、封止用樹脂9から露出されている。
尚、図示されていないが、当該第2の放熱部材21には、第1の実施の形態と同様、その外周側面に複数個の貫通孔8bが配設されており、また平板状基部8aの外周縁部、及び上部平板状部8cを残して、封止用樹脂9により封止されている。
このような構成を有する半導体装置120にあっては、半導体素子5に於いて発生し、第1の放熱部材3に伝導された熱は、半導体装置120の側部において、第1の放熱部材3の端部から放熱されると共に、第2の放熱部材8へ伝導されて、その平板状基部8aの外周縁部からも放熱される。
更に、第2の放熱部材8に伝導された熱は、その上部平板状部8cからも放熱される。
また、半導体素子5で発生した熱が、樹脂9及び第2の放熱部材8に伝導されて、その平板状基部8aの外周縁部及び上部平板状部8cから放熱される経路も存在する。
このように、第2の放熱部材8の平板状基部8aの縁部を樹脂9から露出させることにより、半導体装置120の側部からの放熱効率を向上させることができる。
尚、このような半導体装置120は、平板状基部8aの縁部が樹脂9から露出する寸法を有する第2の放熱部材81を適用する点を除き、前記第1の実施の形態の半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
当該第3の実施の形態の半導体装置130の構成を図15に示す。図15に於いても、前記図1に示した構成要素と同一の要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。
当該半導体装置130にあっては、配線基板31に於いて、端子31aに囲まれた半導体素子搭載領域にディプレス加工を施してその厚さを選択的に減じて凹部31bを設けている。
そして、当該凹部31bに、当該凹部31bの形状・深さに対応させた凹部を具備する第1の放熱部材32を配置している。
当該第1の放熱部材32は、配線基板31の端子31aに対応する領域に開口部32aを具備しており、また、その外周縁部32bは、封止用樹脂9から露出している。
このような構成を有する半導体装置130にあっては、配線基板31の、半導体素子5の搭載・固着領域に対応した部分にディプレス加工が施されて凹部が設けられ、当該凹部に半導体素子5を搭載することにより、当該半導体素子5は半導体装置内のより低い位置に配置される。
そして、これに対応して、高さを減じた第2の放熱部材8Lを適用することにより、当該半導体装置130は、前記第1、第2の実施の形態に於ける半導体装置100或いは200に比して、その厚さ(高さ)を減じることができる。
尚、図示されていないが、当該第2の放熱部材8Lには貫通孔8bが配設されており、また当該第2の放熱部材8Lは、上部平板状部8Lcを表出して樹脂9により封止されている。
このように第2の放熱部材8Lの高さを低くすることができることから、半導体素子5に於いて生じた熱が第1の放熱部材32を介して第2の放熱部材8Lの上部平板状部8Lcに伝導する経路が短縮され、より高い放熱効果を得ることができる。
更に、このように高さが低くされた第2の放熱部材8Lを適用することにより、半導体素子5と第2の放熱部材8Lとの間の間隔が狭まり、半導体素子5に於いて発生した熱が、その周囲の樹脂9を介して第2の放熱部材8Lに伝導する経路も短縮される。
尚、当該半導体装置130は、ディプレス加工した配線基板31、第1の放熱部材32、並びに所定高さの第2の放熱部材8Lを予め準備する点を除いて、前記第1の実施の形態の半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
当該第4の実施の形態の半導体装置140の構成を図16に示す。図16に於いても、図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置140にあっては、第1の放熱部材41としてより厚い金属部材を適用している。
また、当該第1の放熱部材41は、第1の実施の形態と同様、配線基板1の端子1aに対応する領域に開口部41aを有しており、また、その縁部41bは、封止用樹脂9から露出している。
第1の放熱部材41の厚さは、第2の放熱部材8の上部平板状部8c部分の厚さと同等の厚さに設定され、例えば0.30mm以上の厚さとされる。
このような構成を有する半導体装置140にあっては、半導体素子5で発生した熱の、第1の放熱部材41内に於ける伝導効率、及びその外周縁部41bからの放熱効率を高めることができる。
尚、このような半導体装置140は、所定厚さの第1の放熱部材41を準備することにより、前記第1の実施の形態に於ける半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
当該第5の実施の形態の半導体装置150の構成を図17に示す。図17に於いても、図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置150にあっては、第1の放熱部材3と第2の放熱部材8とを、導電性接着材を介さずに、溶接法によって直接接合している。
溶接方法としては、例えばレーザ溶接を適用することができる。
第1の放熱部材3と第2の放熱部材8とを、溶接法によって結合することにより、当該第1の放熱部材3と第2の放熱部材8との間の伝熱効率をより向上させることができる。
更に、溶接法を適用することにより、接着剤に起因による不具合が発生せず、信頼性の高い半導体装置150を得ることができる。
尚、当該半導体装置150の形成の際には、第1の放熱部材3の中央部に配置した半導体素子5と、端子1aとの間をボンディングワイヤ6により接続した後、当該第1の放熱部材3上に配置された第2の放熱部材8を溶接法によって接合する点を除き、前記第1の実施の形態の半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。
当該第6の実施の形態の半導体装置160の構成を図18に示す。図18に於いても、図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置160にあっては、半導体素子5が、導電性接着材61を用いて第1の放熱部材3上に固着されている。
導電性接着材61としては、例えば半田ペースト或いは銀(Ag)ペースト等を適用することができる。
半導体素子5と第1の放熱部材3とを、導電性接着材61を用いて接着することにより、エポキシ樹脂などの絶縁性接着材を用いた場合に比べ、半導体素子5から第1の放熱部材3への伝熱効率を向上させることができる。
尚、このような半導体装置160は、半導体素子固着(ダイス付け)工程に於いて導電性接着材61を用いる点を除き、前記第1の実施の形態の半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。
次に、本発明の第7の実施の形態について説明する。
当該第7の実施の形態の半導体装置170の構成を図19に示す。図19にあっても、図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置170にあっては、第2の放熱部材8に、その上部平板状部8cから内側の空間へ貫通する貫通孔(VDホール)8dが配設されている。尚、第2の放熱部材8には、前記第1の実施の形態と同様、内側に封止用樹脂9を流入させるための貫通孔が設けられている(図示せず。)。当該第2の放熱部材8は、その上部平板状部8cを表出させて、樹脂9により被覆される。
このような構成を有する半導体装置170は、第2の放熱部材8の内側にある樹脂9、接着材2,5、配線基板1に含まれる水分などを、貫通孔8dを介して、外部に放出させることが可能になる。更に、貫通孔8dを配設することにより、当該第2の放熱部材8と樹脂9との接触面積が増加し、両者の間の密着力が高まり、半導体装置170の耐熱性を高めることができる。
また、貫通孔8dを配設することにより、第2の放熱部材8に生じる応力を緩和することが可能となり、配線基板1及び/或いは半導体装置170の反りの発生を効果的に防止することができる。
このような半導体装置170は、第2の放熱部材8に予め貫通孔8dを配設する点を除き、上記第1の実施の形態の半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。尚、貫通孔(VDホール)8dの配設位置及び個数は、図19に示したものに限定されない。
次に、本発明の第8の実施の形態について説明する。
当該第8の実施の形態の半導体装置180の構成を図20に示す。図20にあっても、図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。また当該第8の実施の形態の半導体装置180に於ける第2の放熱部材を図21に示す。
当該半導体装置180に於いては、第2の放熱部材8の側壁部分に、封止用樹脂9を流入させるための貫通孔8bの他に、複数のアンカーホール8eが配設される。
当該第2の放熱部材81は、前記第1の実施の形態と同様、その上部平板状部8cを表出して、樹脂9により被覆・封止される。
このような構成を有する半導体装置180にあっては、第2の放熱部材8の側壁部分にアンカーホール8eが配設されていることにより、当該第2の放熱部材8と樹脂9との接触面積が増加する。これにより両者の密着力が高まり、半導体装置180の耐熱性を向上させることができる。
また、当該アンカーホール8eを配設することにより、当該第2の放熱部材8に生じる応力を緩和させることができ、更に第1の放熱部材3と第2の放熱部材8により、配線基板1及び/或いは半導体装置180の反りを効果的に防止することができる。
このような半導体装置180は、第2の放熱部材8に予めアンカーホール8eを配設する点を除き、上記第1の実施の形態の半導体装置100と同様の手順をもって形成することができる。尚、第2の放熱部材8に於ける、アンカーホール8eの配設位置及び個数は、図20、図21に示した状態に限定されない。
次に、本発明の第9の実施の形態について説明する。
第9の実施の形態の半導体装置190の構成を図22に示す。図22にあっても、図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置190にあっては、配線基板91上に配設される第1の放熱部材92には、当該配線基板91に於ける端子91aを表出する開口部92aの他に、複数個のアンカーホール92bが配設されている。
また、当該配線基板91と第1の放熱部材92は、接着材を介することなく例えばレーザ溶接法によって結合されている。
このような構成を有する半導体装置190にあっては、第1の放熱部材92にアンカーホール92aが配設されていることにより、封止用樹脂9は当該アンカーホール92aを介して配線基板91と接することができる。
従って、当該樹脂9と、配線基板91及び第1の放熱部材92との接触面積が増加し、耐湿性、耐熱性を向上せしめることができる。
また、配線基板91と放熱部材92間には接着材が介在しないため,当該接着材に起因する不具合が発生せず、信頼性の高い半導体装置190が得られる。
ここで、当該第9の実施の形態である半導体装置190の形成方法について図面を用いて説明する。図23乃至図28に、製造工程の概要を示す。尚、当該図23乃至図28のそれぞれに於いて、図(A)は平面形状を模式的に示し、図(B)は図(A)のB−B断面を模式的に示す。
まず、図23に示すような配線基板91を用意する。当該配線基板91には、半導体素子5の電極と接続される複数の端子91aが形成されている。また、当該配線基板91には、後の工程に於いて第1の放熱部材92をレーザ溶接によって接続(仮止め)するための、金属製接合部91bが複数個(本例では9個)配設されている。
次いで、図24に示されるように、前記配線基板91の一方の主面上に、第1の放熱部材92を載置し、当該第1の放熱部材92に於けるレーザ照射ポイント92cにレーザを照射して、配線基板91の接合部91bと溶融・一体化する。これにより、第1の放熱部材92を配線基板91上に仮止めする。
尚、同図に示されるように、当該第1の放熱部材92には、前記レーザ照射ポイント92cと共に、開口部92a並びにアンカーホール92bが予め配設されている。当該開口部92aは、前記配線基板91に配設された端子91aを表出するよう配設される。
次いで、前記第1の放熱部材92の開口部92bより内側に位置する部位92dに、ダイボンドフィルム等のシート状接着剤、或いはペースト状接着剤からなる接着材4を介して、半導体素子5を搭載・固着する。かかる状態を、図25に示す。
次いで、前記半導体素子5の電極パッド5aと、配線基板91の端子91aとの間を、ボンディングワイヤ6により接続する。かかる状態を、図26に示す。
次いで、前記半導体素子5を覆って第2の放熱部材8を配設し、半田ペースト等の導電性接着材7を用いて、第1の放熱部材92上に固着する。かかる状態を、図27に示す。
当該第2の放熱部材8と第1の放熱部材92の一体化法としては、溶接法を適用することもできる。
次いで、当該第2の放熱部材8の内側及び外側を対象に、封止用樹脂8により気密封止(樹脂封止)処理を行う。
樹脂封止処理の際、樹脂9は、第2の放熱部材8に配設されている貫通孔8bを介して当該第2の放熱部材8の内側の空間へ流入し、前記半導体素子5はボンディングワイヤ6と共に樹脂封止される。
また、当該第2の放熱部材8は、その上部平板状部8cが露出された状態で封止される。
尚、樹脂封止処理の際、前記第1の放熱部材92は、その外周縁部92eが露出されるよう樹脂9により被覆される。かかる状態を、図28に示す。
このとき、樹脂9は第1の放熱部材92のアンカーホール92b内、並びに照射ポイント92c内へも流入する。これにより、当該第1の放熱部材92と配線基板91との一体化がより強固になされる。
しかる後、前記配線基板91の他方の主面(裏面)の所定位置に配設されている電極パッドに対し、外部接続用端子10として半田ボールを配設して半導体装置190を形成する。
次に、第10の実施の形態について説明する。
当該第10の実施の形態の半導体装置200の構成を図29に示す。図29にあっても、前記図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置200にあっては、第1の放熱部材3に固着された半導体素子5の直下に位置する配線基板101部分に、放熱用貫通孔(サーマルビア)101bが複数個配設されている。
当該放熱用貫通孔101bは、配線基板101に設けられた貫通孔内に、導電性物質例えばはんだ(半田)が充填されるか、或いは当該貫通孔の内周面に金属被覆例えば銅(Cu)めっき層が配設されて構成される。
そして、当該放熱用貫通孔101bの一端は、導電性接着材102によって第1の放熱部材4と結合され、また当該放熱用貫通孔101bの他端は、放熱用端子(サーマルボール)103に接続されている。
このような構成を有する半導体装置200にあっては、半導体素子5に於いて発生し第1の放熱部材4に伝導された熱は、一つに導電性接着材102を介して放熱用貫通孔101b、サーマルボール103へと伝導されて、当該サーマルボール103が接する、即ち当該半導体装置200が実装されたマザーボードなど他の部位へ放熱される。
また、当該半導体素子5から第1の放熱部材3に伝導された熱は、樹脂9から露出した縁部3b及び/或いは第2の放熱部材8へも伝導し外部へ放出される。
このような導電性接着材102、放熱用貫通孔(サーマルビア)101b及びサーマルボール103の配置により、当該半導体装置200に於ける放熱性は向上する。
尚、放熱用貫通孔(サーマルビア)101b及びサーマルボール103の配設位置並びに個数は、図29に示した形態に限定されない。
次に、第11の実施の形態について説明する。
当該第11の実施の形態の半導体装置210の構成を図30に示す。図30にあっても、前記図1に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
当該半導体装置210にあっては、半導体素子5の搭載部直下に位置するところの第1の放熱部材112及び配線基板111に、それぞれ貫通孔(VDホール)111b,112bが配設されている。両貫通孔11b,112bは連通している。
そして、第1の放熱部材112は、配線基板111の端子111aに対応する領域に開口部112aを有し、また周囲縁部112bは封止用樹脂9から露出している。
このような構成を有する半導体装置210にあっては、第2の放熱部材8の内側に位置する樹脂8、接着材2,4、或いは配線基板111自体に含まれる水分を、当該貫通孔111b,112bを介して外部に放出させることができる。
当該貫通孔111b,112bを介して水分を放出することにより、当該半導体装置210の耐湿性を向上させることができる。
また、半導体素子5に於いて発生し、第1の放熱部材112に伝導された熱の一部は、第1の放熱部材112と配線基板111に於ける貫通孔111b,112bを介して、当該半導体装置210の外部へ放出される。
更に、半導体素子5から第1の放熱部材112に伝導された熱は、樹脂9から露出した縁部112c、第2の放熱部材8へも伝導して、半導体装置210の外部へ放出される。
尚、貫通孔(VDホール)111b,112bの配設位置並びに個数は、図30に示した形態に限定されない。
次に、第12の実施の形態について説明する。
本実施形態にあっては、1枚の基板上に複数個の半導体装置を形成し、最終的に個片化処理を行って、複数個の半導体装置を形成する製造方法を開示する。
図31乃至図39を用いて、かかる製造工程を説明する。尚、図31乃至図39のそれぞれに於いて、図(A)は平面形状を模式的に示し、図(B)は図(A)のC−C断面を模式的に示す。
本実施形態にあっては、半導体素子搭載部が複数個、所謂マトリックス状に配列された大形(大判)の基板が適用される。当該大形(大判)の基板を図31に示す。
当該大形(大判)の基板301には、半導体素子搭載部が40個マトリックス状に配列されている。各半導体素子搭載部には、それぞれ端子301aが配設されている。
当該基板301は、ガラスエポキシ樹脂などからなる絶縁性基板を複数積層し、その表面及び内部に銅(Cu)等の金属層からなる配線層が形成された所謂多層配線層構造を有する。そして、半導体素子、第一の放熱部材が配置される側の表面(一方の主面)には前記端子301aが配設され、また裏面(他方の主面)には、外部接続端子配設用の電極が配設されている。
尚、半導体素子の構成・機能・規模によっては、当該基板301が多層配線層構造を必要としない場合もあり得る。
そして、当該大形(大判)の基板301上、即ち前記一方の主面には、前記端子部301aに対応した開口が形成されるよう、即ち当該端子部301aを除いて液状接着剤或いはフィルム状接着剤からなる接着材302が選択的に配設される。かかる状態を、図32に示す。
次いで、前記接着材302を介して、大形(大判)の基板301上には、銅(Cu)板或いはアルミニウム(Al)板からなる第1の放熱部材303を固着する。即ち、当該第1の放熱部材303は、前記接着材302により基板301上に固着される。かかる状態を、図33に示す。
当該第1の放熱部材303には、予め前記複数個の半導体素子の端子部301aに対応した開口部303aが配設されている。当該開口部303aによりほぼ囲繞された領域303bは、それぞれ半導体素子搭載部となる。尚、当該第1の放熱部材303は、放熱性並びに基板301への影響を考慮して、その厚さが選択される。
次いで、前記第1の放熱部材303に於ける、複数個の半導体素子搭載部のそれぞれに、ダイボンドフィルム等の接着材304を介して半導体素子305を搭載・固着する。かかる状態を、図34に示す。
次いで、当該半導体素子305の電極パッド305aと、前記基板301に配設された端子部301aとの間を、金(Au)からなるボンディングワイヤ306により接続する。当該ワイヤ接続処理は、当該基板301上に第1の放熱部材303を介して搭載された複数個の半導体素子305の全てに対して行われる。かかる状態を、図35に示す。
次いで、第1の放熱部材303上に、接着材307を介して、半導体素子305に対応して断面が台形状の空間を有するドーム状の凸部が複数個配設された第2の放熱部材308を、搭載・固着する。
当該第2の放熱部材308に設けられるところの断面が台形状の空間を有するドーム状の凸部は、前記半導体素子305及び当該半導体素子305から導出されるボンディングワイヤ306に対し、これらから離間して覆う形状・寸法を有する。かかる状態を、図36に示す。
第2の放熱部材308に於ける断面が台形状の空間を有するドーム状の凸部は、その外周側面部に複数個の貫通孔308bを具備している。
しかる後、この様に一方の主面に第1の放熱部材303、半導体素子305、第2の放熱部材308などが固着された基板301を、樹脂モールド処理装置に装着し、当該基板301の一方の主面側に対し樹脂モールド処理を施す。
モールド処理方法としては、周知のトランスファモールド法、或いはコンプレッョンモールド法を適用することができる。また、封止用樹脂としては、エポキシ系樹脂が適用される。
かかるモールド処理により、前記第1の放熱部材303上に搭載された半導体素子305は、第2の放熱部材308に設けられた複数個の貫通孔308bを通して注入された樹脂309により封止される。
また、第2の放熱部材308に於ける、断面が台形状の空間を有するドーム状の凸部は、その上部平板状部308cが表出された状態で樹脂309によって被覆される。
この時、隣接する断面が台形状の空間を有するドーム状の凸部間は、当該樹脂309によって埋められ被覆される。かかる状態を、図37に示す。
次いで、前記基板301の他方の主面、即ち被樹脂モールド面とは反対側の面に配設されている複数個の電極に対し、外部接続端子310を構成する半田ボールを配設する。かかる状態を、図38に示す。
しかる後、前記樹脂モールド部(樹脂被覆部)、放熱部材、基板などを、その厚さ方向(積層方向)に切断して、個々の半導体装置350に分離(個片化)する。
かかる切断処理により個片化された半導体装置350のそれぞれにあっては、外周側面部に第1の放熱部材303、第2の放熱部材308の端面が表出する。かかる状態を、図39に示す。
尚、切断する手段としては、ダイシングブレードを用いての切断、或いはレーザ光を用いる切断などを適宜選択することができる。
以上のように、本発明による半導体装置にあっては、配線基板上に第1の放熱部材を配設し、当該第1の放熱部材上に半導体素子を配置し、更に当該半導体素子を覆うように第2の放熱部材を配置する。当該第2の放熱部材は、第1の放熱部材に熱的に結合可能とされる。
このような放熱部材の配設構造により、半導体素子に於いて発生した熱は、第1の放熱部材,第2の放熱部材へ有効に伝導され、外部へ効率的に放散される。
尚、前記実施の態様にあっては、第2の放熱部材の内側並びに外側を、封止用樹脂により被覆・封止する構成を示したが、当該第2の放熱部材の内側のみを当該樹脂により封止した構成とすることも可能である。
かかる構成によれば、第2の放熱部材の外側表面全体が露出し、放熱効率をいっそう高めることができる。また、前記第2の放熱部材8に配設される貫通孔8d,8eは、それぞれ別個に用いることに限られず、必要に応じて組み合わせて用いることができる。
(付記1) 第一の放熱部材と、
前記第一の放熱部材上に配置された半導体素子と、
前記半導体素子上を覆い、且つ前記第一の放熱部材と熱的に結合された第二の放熱部材と、
前記半導体素子と第二の放熱部材との間に配設された絶縁部材と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記第一の放熱部材は、前記半導体素子と電気的に接続される基板上に配置されていることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3) 前記基板の前記半導体素子が搭載された位置に、放熱用貫通孔を有していることを特徴とする付記2記載の半導体装置。
(付記4) 前記基板および前記第一の放熱部材は、前記半導体素子が搭載された位置に、連通する孔を有していることを特徴とする付記2記載の半導体装置。
(付記5) 前記第一の放熱部材には、前記基板に設けられた電極に対応する位置に貫通する孔が設けられていることを特徴とする付記2乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記6) 前記第二の放熱部材には、前記第二の放熱部材を貫通する孔が形成されていることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記7) 前記第二の放熱部材は一部を残して樹脂で封止されていることを特徴とする付記1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記8) 前記第一の放熱部材と前記第二の放熱部材とは、導電性接着材料を介して接合されていることを特徴とする付記1乃至7のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記9) 前記第一,第二の放熱部材が、溶接されていることを特徴とする付記1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記10) 前記第一,第二の放熱部材の接合部が、部分的に前記樹脂から露出していることを特徴とする付記7記載の半導体装置。
(付記11) 前記第一の放熱部材は、前記半導体素子が配置される部分が、他の部分に対してディプレスされていることを特徴とする付記1乃至10のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記12) 前記第一,第二の放熱部材が、同等の厚さを有していることを特徴とする付記1乃至10のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記13) 前記基板と前記第一の放熱部材との間の、前記放熱用貫通孔の上に、導電性接着材料が設けられていることを特徴とする付記3記載の半導体装置。
(付記14) 基板上に第一の放熱部材を配設する工程と、
前記第一の放熱部材上に半導体素子を配置する工程と、
前記半導体素子と前記基板とを電気的に接続する工程と、
前記半導体素子を覆う第二の放熱部材を前記第一の放熱部材に接合する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記15) 前記第一,第二の放熱部材を接合する工程においては、前記第一,第二の放熱部材を、導電性接着材料を用いて接合することを特徴とする付記14記載の半導体装置の製造方法。
(付記16) 前記第一,第二の放熱部材を接合する工程においては、前記第一,第二の放熱部材を、溶接によって接合することを特徴とする付記14記載の半導体装置の製造方法。
(付記17) 前記基板上に前記第一の放熱部材を配設する工程においては、前記基板と前記第一の放熱部材とを、溶接によって接合することにより、前記基板上に前記第一の放熱部材を配設することを特徴とする付記14記載の半導体装置の製造方法。
(付記18) 前記第二の放熱部材を前記第一の放熱部材に接合する工程後に、前記第一,第二の放熱部材の一部を残して樹脂で封止する工程を有することを特徴とする付記14記載の半導体装置の製造方法。
本発明による半導体装置の第1の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第1の実施の形態を示す平面模式図。 本発明による半導体装置の第1の実施の形態を示す背面模式図。 第1の放熱部材の平面模式図。 第2の放熱部材の平面模式図。 第2の放熱部材の斜視模式図。 本発明による半導体装置の第1の実施の形態に適用する配線基板の平面模式図(A)、断面模式図(B)。 配線基板上に接着材料を形成した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 配線基板上に第1の放熱部材を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第1の放熱部材上に半導体素子を固着した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 半導体素子に対するワイヤボンディング状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第2の放熱部材を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第1の実施の形態に於ける樹脂封止構造を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 本発明による半導体装置の第2の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第3の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第4の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第5の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第6の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第7の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第8の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第8の実施の形態に於いて適用される第2の放熱部材の斜視模式図。 本発明による半導体装置の第9の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第9の実施の形態に適用する配線基板の平面模式図(A)、断面模式図(B)。 配線基板上に第1の放熱部材を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第1の放熱部材上に半導体素子を固着した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 半導体素子に対するワイヤボンディング状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第2の放熱部材を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第9の実施の形態に於ける樹脂封止構造を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 本発明による半導体装置の第10の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第11の実施の形態を示す断面模式図。 本発明による半導体装置の第12の実施の形態に適用する配線基板の平面模式図(A)、断面模式図(B)。 配線基板上に接着材料を形成した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 配線基板上に第1の放熱部材を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第1の放熱部材上に半導体素子を固着した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 半導体素子に対するワイヤボンディング状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第2の放熱部材を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第12の実施の形態に於ける樹脂封止構造を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 配線基板の他方の種面に外部接続用端子を配設した状態を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 第12の実施の形態に於ける個片化処理を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。 従来の半導体装置の一例を示す平面模式図(A)、断面模式図(B)。
符号の説明
100,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,350,400 半導体装置
1,31,91,101,111,120 配線基板
1a,31a,91a,101a,111a,120a 端子
2,5,121,123 接着材料
3,32,41,92,112,122 第1の放熱部材
3a,32a,41a,92b,112b,122a 開口部
3b,21a,32b,41b,92d,112c 縁部
5,124 半導体素子
7,125 ワイヤ
8,61,102,127 導電性接着材料
9,21,33,71,81,126 第2の放熱部材
9a,81a,126a 孔
9b,21b,33a,71a,81c,126b 上面
10,128 樹脂
11,129 半田ボール
71b,111b,112a VDホール
81b,92a アンカーホール
91b 溶接端子
92c レーザ照射ポイント
101b サーマルビア
103 サーマルボール
124a,305a パッド

Claims (10)

  1. 電極が設けられた基板と、
    前記基板上に配置され、前記電極に対応する位置に第一の貫通孔が設けられた第一の放熱部材と、
    前記第一の放熱部材上に配置され、前記電極に電気的に接続された半導体素子と、
    前記半導体素子上を覆い、前記第一の放熱部材と熱的に接続された第二の放熱部材と、
    前記半導体素子と前記第二の放熱部材との間に配設された絶縁部材と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記基板の前記半導体素子が搭載された位置に第二の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記基板は、前記半導体素子が搭載された位置に、第三の貫通孔を有し、
    前記第一の放熱部材は、前記半導体素子が搭載された位置に、前記第三の貫通孔に連通する第四の貫通孔を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記第二の放熱部材には、前記第二の放熱部材を貫通する第五の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記第二の放熱部材は一部を残して樹脂で封止されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記第一の放熱部材と前記第二の放熱部材とは、導電性接着材料を介して接合されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第一の放熱部材と前記第二の放熱部材とは、溶接されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子と前記電極とは、ボンディングワイヤにより、前記第一の貫通孔を通して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 電極が設けられた基板上に、前記電極に対応する位置に貫通孔が設けられた第一の放熱部材を配設する工程と、
    前記第一の放熱部材上に半導体素子を配置する工程と、
    前記半導体素子と前記電極とを電気的に接続する工程と、
    前記半導体素子を覆う第二の放熱部材を前記第一の放熱部材に熱的に接続する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 前記半導体素子と前記電極とを電気的に接続する工程は、前記半導体素子と前記電極とを、ボンディングワイヤにより、前記貫通孔を通して電気的に接続する工程を含むことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
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