JP5036295B2 - 半導体素子の実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の実装構造体に関する。

従来より、ＩＣ（Integrated Circuit）又はＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導体素子と、該半導体素子を上面に実装可能な配線基板とを備えた半導体素子の実装構造体が知られている。

かかる配線基板として、ガラスクロスを含有する配線基板が知られている（下記特許文献１参照）。

なお、ガラスクロスは熱を伝達しにくい特徴を有している。
特開２００１−２５１０６０号公報

ところが、上述した従来の半導体素子の実装構造体は、半導体素子の発する熱が配線基板に伝達し、配線基板に含有されるガラスクロスが熱を十分に放熱することができず、配線基板自体が熱変形するという問題点があった。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、配線基板に伝達される熱を効率良く放熱することによって、配線基板が熱変形するのを抑制し、熱耐性に優れた半導体素子の実装構造体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の半導体素子の実装構造体は、平面視において第１方向に沿って配置された複数の第１繊維と、前記第１方向と異なる第２方向に沿って配置された複数の第２繊維と、を有する矩形状の配線基板と、前記配線基板に実装された矩形状の半導体素子と、を備え、前記配線基板は、平面視において、前記第１方向に沿った２つの第１辺と、前記第２方向に沿った２つの第２辺とを有しており、前記半導体素子の一辺に沿った直線は、平面視において前記第１方向に沿った直線及び前記第２方向に沿った直線の双方と交わることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記配線基板が、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されているとともに、前記貫通孔は、該貫通孔の内面に非金属無機フィラを含有する樹脂層を介してスルーホール導体が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記半導体素子が、前記スルーホール導体と電気的に接続されているとともに、前記第１繊維又は前記第２繊維は、前記樹脂層を介して前記スルーホール導体と接続されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記非金属無機フィラの一部が、前記スルーホール導体に埋入されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記非金属無機フィラが、シリカからなることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記配線基板が、前記半導体素子とバンプを介して接続されているとともに、前記バンプは、前記スルーホール導体の直上に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記第１繊維が、前記第１繊維の直径方向よりも前記第１繊維の繊維方向に熱伝導率が大きくて、前記第２繊維は、前記第２繊維の直径方向よりも前記第２繊維の繊維方向に熱伝導率が大きいことを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記第１繊維又は前記第２繊維が、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール樹脂から成ることを特徴とする。

また、本発明の半導体素子の実装構造体は、前記配線基板が、平面視して前記第１方向に沿って配列してなる複数の前記第１繊維を有する第１繊維層と、平面視して前記第２方向に沿って配列してなる複数の前記第２繊維を有する第２繊維層とを含んで積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子から発生した熱を配線基板を構成する繊維を介して効率的に放熱することによって、配線基板の熱変形を抑制することができ、耐熱性に優れた半導体素子の実装構造体を提供することができる。

以下に、本発明にかかる半導体素子の実装構造体の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。かかる半導体素子の実装構造体は、例えば各種オーディオビジュアル機器や家電機器、通信機器、コンピュータ装置又はその周辺機器などの電子機器に使用されるものである。

図１は本発明の実施形態に係る半導体素子の実装構造体の透過平面図、図２は図１に示す半導体素子の実装構造体に係る断面図である。

本実施形態に係る半導体素子の実装構造体は、配線基板１と、配線基板１上に実装されるＩＣ、ＬＳＩ等の例えばシリコンから成る矩形状の半導体素子２とを含んで構成されている。ここでは、半導体素子２は、半田等のバンプ３を介して配線基板１に実装されている。なお、半導体素子２は、平面視して配線基板１の中央に配置されている。

配線基板１は、平板状に形成されたコア基板４と、コア基板４の上面及び下面に積層された導体層５と絶縁層６とを含んで構成されている。また、絶縁層６は、上下位置の異なる導体層５同士を電気的に接続するためのビア導体７が埋設されている。

導体層５は、導電性を有し、電気信号を伝達するための伝達路としての機能を備えている。かかる導体層５は、例えば銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル又はクロム等の金属材料からなる。また、導体層５は、少なくともコア基板４の主面上に形成され、配線パターンを形成するためにコア基板４の表面の全域にわたって積層されず、コア基板４の表面上に部分的に形成される。

絶縁層６は、コア基板４又は導体層５の表面上に形成される。そして、所望の導体層５の数に応じて、絶縁層６と導体層５が交互に積層される。

絶縁層６は、絶縁性を有し、例えばポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂又はビスマレイミドトリアジン樹脂のうち少なくともいずれか一つからなるように実現されている。

絶縁層６は、コア基板４又は導体層５上に積層し、例えば加熱プレス装置を用いて加熱加圧することによって、コア基板４及び導体層５に接着して固化する。また、絶縁層６は、乾燥後の厚みが例えば１μｍから１０μｍとなるように設定されている。

ビア導体７は、絶縁層６を厚み方向に貫通するとともに、導体層５同士の間に形成されている。かかるビア導体７は、上部よりも下部が幅狭な逆テーパー状に形成されており、例えば銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル又はクロム等の導電材料からなる。なお、導体層５又はビア導体７の熱伝導率は、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）から４５０Ｗ（ｍ・Ｋ）に設定されている。

上述したコア基板４は、絶縁性を有し、例えばポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール樹脂を縦横に織り込んだ織布８にエポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂又はシアネート樹脂などの熱硬化性樹脂９を含浸させたシートなどを積層して固化することによって実現される。

コア基板４には、コア基板４を厚み方向に貫通するスルーホール（貫通孔）１０が形成されている。なお、スルーホール１０の直径は、例えば０．１ｍｍから１．０ｍｍに設定されている。スルーホール１０は、例えばドリルやレーザーによって形成することができる。かかるスルーホール１０の内面には、非金属無機フィラ１１が含有されてなる樹脂層１２が形成されている。また、樹脂層１２の内面には、導電性のスルーホール導体１３が形成されている。さらにスルーホール導体１３の内面は、絶縁体１４が形成されている。

絶縁体１４上は、導体層５が形成されており、その導体層５上にビア導体７が配置されている。かかる絶縁体１４は、スルーホール導体１３の内面を樹脂で充填するためのものであって、コア基板４の剛性を向上させるとともに、絶縁体１４上にビア導体７を形成することができ、配線基板１の小型化に寄与することができる。

コア基板４にドリル等でスルーホール１０を形成した場合、スルーホール１０の内面に凹凸が形成されることがある。コア基板４に複数のスルーホール１０を形成すると、内面に形成される凹凸の大きさによっては、隣接するスルーホール１０同士の距離が短くなることがある。そして、距離が短くなることによって、隣接するスルーホール１０同士が短絡しないように、スルーホール１０の内面には樹脂層１２が形成されている。

樹脂層１２は、絶縁層６と同様に、例えばポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、テフロン（登録商標）樹脂、シリコン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂又はビスマレイミドトリアジン樹脂等のうち少なくともいずれか一つからなるように実現されている。なお、樹脂層１２の膜厚は、例えば５０μｍから１５００μｍとなるように設定されている。また、非金属無機フィラ１１を除いた樹脂層１２自体の熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）から０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定されている。

非金属無機フィラ１１は、例えばシリカ（二酸化ケイ素）、又は酸化アルミニウム等の無機材料からなり、本実施の形態では、シリカが用いられている。また、非金属無機フィラ１１は、樹脂層１２よりも熱伝導の優れた材料が選択されている。なお、非金属無機フィラ１１の熱伝導率は、例えば１Ｗ／（ｍ・Ｋ）から３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定されている。

非金属無機フィラ１１の形状は、例えば略球状、多角形状などがあり、樹脂層１２内に充填する観点から、略球状に設定されている。かかる略球状の粒子径は、例えば３００ｎｍ以上３μｍ以下である。また、非金属無機フィラ１１の一部は、図３に示すように、スルーホール導体１３の外周面に埋入されている。そのため、スルーホール導体１３の熱が、スルーホール導体１３の外周面に埋入されている非金属無機フィラ１１に伝達する。そして、非金属無機フィラ１１同士の間で熱が順次伝達される。

コア基板４に含有されている織布８は、平面視において第１方向Ｘに沿って配置される複数の第１繊維８ａと、第１方向Ｘと異なる第２方向Ｙに沿って配置される複数の第２繊維と、を編み込んで構成されたものである。織布８の断面は、図４に示すように、複数の第１繊維８ａと複数の第２繊維８ｂが編み込まれたものが、複数厚み方向に積層され、熱硬化性樹脂で含浸されて固着されている。

第１繊維８ａ又は第２繊維８ｂの繊維に沿った繊維方向ｘは、繊維の直径方向ｙよりも熱伝導率が大きい。かかる第１繊維８ａ又は第２繊維８ｂの直径方向の熱伝導率は、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）から５Ｗ（ｍ・Ｋ）であって、繊維方向の熱伝導率は、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）から６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）となるように設定されている。そのため、第１繊維８ａ及び第２繊維８ｂは、熱が直径方向ｙよりも繊維方向ｘに効果的に伝達する特徴を有している。

第１繊維８ａ又は第２繊維８ｂは、配線基板１の端部まで延在されて配置されている。そのため、第１繊維８ａ又は第２繊維８ｂに伝達した熱は、配線基板１の端部まで伝達され、その後大気中に放熱される。なお、第１繊維８ａ及び第２繊維８ｂは、例えばポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール樹脂が採用されている。

配線基板１に実装される半導体素子２は、その一辺に沿った直線Ｌが、図１又は図５に示すように、平面視して第１方向Ｘに沿った直線Ｌｘ及び第２方向Ｙに沿った直線Ｌｙの双方と交わるように配置されている。そのため、図６に示すように、本実施形態に係る半導体素子の実装構造体は、図７に示す半導体素子の実装構造体（比較例）に比べて、平面視して第１繊維８ａ、第２繊維８ｂの半導体素子２を横切る領域Ｆを大きくすることができる。すなわち、領域Ｆは、比較例の領域ｆよりも面積を大きく設定している。なお、本実施形態に係る半導体素子の実装構造体と比較例において、配線基板１と半導体素子２の大きさ、及び繊維の密度は同じものを採用して両者を比較している。

なお、バンプ３は、配線基板１と半導体素子２との間に多数個形成されるとともに、配線基板１の一辺に沿ってマトリックス状に形成されている。

また、半導体素子２と最も隣接する織布８の第１繊維層８ａ及び第２繊維層８ｂに沿った直線Ｌｘ、Ｌｙが、上述したように半導体素子２の一辺に沿った直線Ｌと交わるように配置されていとき、半導体素子２から発生する熱が効果的に織布８に伝達しやすいため、熱を効率よく外部に放出することができる。

なお、領域Ｆが最大となる条件は、平面視して直線Ｌｘと直線Ｌｙが直交し、直線Ｌが直線Ｌｘ又は直線Ｌｙに対して４５度傾斜するように設定されていることが好ましい。

半導体素子２は、駆動時に高周波の電流が発生し、半導体素子２内部で熱を発生させる。発生した熱の一部は、大気中に放熱されるものと、半導体素子２内部から配線基板１に伝達するものとがある。配線基板１は、平面視して半導体素子２と配線基板１とが重なり合う領域が効率よく熱が伝達される。なお、従来の配線基板においては、ガラス繊維等の放熱しにくい材料から構成されていたため、配線基板に伝達された熱によって、配線基板自体が熱変形することがあった。配線基板が熱変形を起こすと、配線基板自他が湾曲し、半導体素子２が配線基板から取り外れたりすることがあるため、耐熱性や信頼性に問題があった。

本実施形態に係る半導体素子の実装構造体においては、半導体素子２内部で発生した熱は、半導体素子２の直下に位置する配線基板１に対してバンプ３や大気を介して伝達される。配線基板１に伝達される熱は、熱伝導率が絶縁層６よりも導体層５の方が大きいため、絶縁層６よりも導体層５に伝達され易い。そのため、配線基板１に伝達された熱は、スルーホール導体１３まで伝わり、熱伝導率の優れた非無機金属フィラ１０に伝達される。その後、非金属無機フィラ１１に伝達された熱は、特に熱伝導率の優れた織布８に伝わり、複数の第１繊維８ａ、第２繊維８ｂの繊維方向に沿って配線基板１の側壁まで伝達され、さらに配線基板１の側壁から大気に放熱される。その結果、従来の配線基板のように配線基板内に熱が多く保持されることがなく、配線基板内の熱を外部に放出することによって、配線基板自体が熱変形するのを抑制することができる。また、半導体素子２は、配線基板１に伝達された熱を外部に素早く放出し、配線基板１が高温になるのを抑制することができる。そのため、配線基板１に実装されている半導体素子２の温度が、高温になるのを抑制し、半導体素子２が熱によって、誤作動を起こすのを防止することができる。

なお、バンプ３は、スルーホール導体１３の直上に形成されている場合、半導体素子２に発生した熱をスルーホール導体１３に素早く伝達することができる。その結果、半導体素子２に発生する熱を配線基板１に伝達し、第１繊維８ａ、第２繊維８ｂが熱を外部に素早く放熱することができる。

本実施形態に係る配線基板１は、例えば、以下の工程を経て作製される。

まず、矩形状のコア基板４を作製する。

コア基板４は、例えばポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール樹脂を縦横に織り込んだ織布８にエポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂又はシアネート樹脂などの熱硬化性樹脂９を含浸させたシートを銅箔とともに熱プレスして硬化することによって形成する。この際、織布８を構成する第１繊維８ａ、第２繊維８ｂの繊維方向を互いに直交するようにする。そして、コア基板４の四辺に沿った方向に対して、第１繊維８ａ又は第２繊維８ｂの繊維方向が平面視して、一致するか４５度傾斜するようにして予め設定する。なお、コア基板４は、厚み寸法が例えば０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定されている。

次に、コア基板４に、従来周知のドリル加工などによって、厚み方向にスルーホール１０を形成する。そして、スルーホール１０の内面に、シリカからなる非無機金属フィラ１１を含有する例えばエポキシ樹脂を流し込み固化する。さらに、固化した樹脂に、例えばＹＡＧレーザー装置、ＣＯ_２レーザー装置を用いてレーザーを照射し、樹脂に貫通した孔を形成し、スルーホール１０の内面に樹脂層１２を形成する。

このとき、レーザーで樹脂を溶かすときに、非金属無機フィラ１０は、樹脂よりも融点が高いため溶けにくい。そのため、非金属無機フィラ１１は、樹脂層１２の内面の表面から一部突出するように形成される。

そして、樹脂層１２の内面に、電解めっきなどにより、スルーホール１０内にスルーホール導体１３を形成する。スルーホール１０は、複数形成され、直径が例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。そのあと、スルーホール１０内に例えばポリイミド等の樹脂を充填し、絶縁体１４を形成する。次に、コア基板４の上面及び下面に、従来周知の蒸着法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等によって、導体層５を構成する材料を被着する。そして、その表面にレジストを塗布し、露光現像を行った後、エッチング処理をしてコア基板４の上面及び下面に導体層５を形成する。

そして、導体層５の上面に対して、従来周知のスピンコート法等によって、接着層７を構成するポリイミドを被着し、被着層を加熱し固化して、絶縁層６を形成する。

次に、絶縁層６にレーザーを照射してビアホールを形成し、ビアホールに導電性材料を充填することによってビア導体７を形成する。

さらに、上述した積層工程を繰り返すことで、配線基板１を作製することができる。次に、配線基板１の第１繊維８ａ、第２繊維８ｂの繊維方向に対して、平面視して４５度傾斜するように半導体素子２を位置決めする。そして、位置決めした状態のままバンプ３を介して、配線基板１に半導体素子２を実装することによって、半導体素子の実装構造体を実現することができる。

なお、上述した実施形態において、コア基板４に第１繊維８ａと第２繊維８ｂが編み込まれた織布８を形成していたが、コア基板４に第１繊維８ａ、第２繊維８ｂと同材料のポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール樹脂からなる繊維を、平面方向に沿って配列して形成した繊維層を代替しても構わない。代替した場合、コア基板４は、平面視して第１方向に沿って配列してなる複数の第１繊維を有する第１繊維層と、第１方向と異なる第２方向に沿って配列してなる第２繊維を有する第２繊維層とを含んで積層されている。そのコア基板４に実装されている半導体素子２は、その一辺に沿った直線が、平面して第１方向に沿った直線及び第２方向に沿った直線の双方と交わるように配置されている。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

本発明の実施形態に係る半導体素子の実装構造体の透過平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体素子の実装構造体の断面図である。 本発明の実施形態に係る樹脂層とスルーホール導体との拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る繊維であって、（ａ）は第１繊維と第２繊維からなる織布の拡大断面図、（ｂ）は繊維方向と直径方向の説明するための斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体素子の実装構造体の透過平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体素子と第１繊維及び第２繊維と交差する領域を示した透過平面図である。 比較するための半導体素子と第１繊維及び第２繊維と交差する領域を示した透過平面図である。

符号の説明

１ 配線基板
２ 半導体素子
３ バンプ
４ コア基板
５ 導体層
６ 絶縁層
７ ビア導体
８ 織布
８ａ 第１繊維
８ｂ 第２繊維
９ 熱硬化性樹脂
１０ スルーホール
１１ 非金属無機フィラ
１２ 樹脂層
１３ スルーホール導体
１４ 絶縁体
Ｘ 第１方向
Ｙ 第２方向
ｘ 繊維方向
ｙ 直径方向
Ｌ 直線
Ｌｘ 第１方向に沿った直線
Ｌｙ 第２方向に沿った直線
Ｆ 領域

Claims (9)

1. 平面視において第１方向に沿って配置された複数の第１繊維と、前記第１方向と異なる第２方向に沿って配置された複数の第２繊維と、を有する矩形状の配線基板と、
   前記配線基板に実装された矩形状の半導体素子と、を備え、
   前記配線基板は、平面視において、前記第１方向に沿った２つの第１辺と、前記第２方向に沿った２つの第２辺とを有しており、
   前記半導体素子の一辺に沿った直線は、平面視において前記第１方向に沿った直線及び前記第２方向に沿った直線の双方と交わることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
2. 請求項１に記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記配線基板は、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されているとともに、
   前記貫通孔は、該貫通孔の内面に非金属無機フィラを含有する樹脂層を介してスルーホール導体が形成されていることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
3. 請求項２に記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記半導体素子は、前記スルーホール導体と電気的に接続されているとともに、
   前記第１繊維又は前記第２繊維は、前記樹脂層を介して前記スルーホール導体と接続されていることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
4. 請求項２又は請求項３に記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記非金属無機フィラの一部は、前記スルーホール導体に埋入されていることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記非金属無機フィラは、シリカからなることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記配線基板は、前記半導体素子とバンプを介して接続されているとともに、
   前記バンプは、前記スルーホール導体の直上に形成されていることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記第１繊維は、前記第１繊維の直径方向よりも前記第１繊維の繊維方向に熱伝導率が大きくて、
   前記第２繊維は、前記第２繊維の直径方向よりも前記第２繊維の繊維方向に熱伝導率が大きいことを特徴とする半導体素子の実装構造体。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記第１繊維又は前記第２繊維は、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール樹脂から成ることを特徴とする半導体素子の実装構造体。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の半導体素子の実装構造体において、
   前記配線基板は、平面視して前記第１方向に沿って配列してなる複数の前記第１繊維を有する第１繊維層と、平面視して前記第２方向に沿って配列してなる複数の前記第２繊維を有する第２繊維層とを含んで積層されていることを特徴とする半導体素子の実装構造体。

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