JP5081578B2 - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、樹脂封止型半導体装置に関し、特に、半導体チップが搭載される基板を備えた樹脂封止型半導体装置に関する。
近年、半導体装置の高消費電力化および高集積化に伴い、半導体装置の動作時の発熱量が大きくなってきている。このような動作時における半導体装置の発熱量の増大は、半導体素子の誤動作や寿命低下などの原因となるため、半導体装置においては、放熱特性の向上が強く求められている。
そのため、従来、発生した熱を効率よく放熱することが可能な樹脂封止型半導体装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、樹脂封止型半導体装置の一例であるＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型半導体装置において、パッケージ（封止樹脂層）の上面に放熱用の凹凸形状が形成された半導体装置の構造が開示されている。この従来のＢＧＡ型半導体装置では、放熱用の凹凸形状をパッケージ（封止樹脂層）の上面に形成することによって、パッケージ（封止樹脂層）の表面積を大きくすることが可能となるので、その分、パッケージ（封止樹脂層）表面と空気との接触面積を大きくすることが可能となる。これにより、放熱用の凹凸形状が形成されていな場合に比べて、発生した熱を効率よく放熱することが可能となる。
特開平１１−２６６５８号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来のＢＧＡ型半導体装置では、パッケージ（封止樹脂層）表面に凹凸形状を形成することによって、一定の放熱特性向上の効果は得られるものの、発熱量がより大きな半導体チップが搭載された場合には、半導体チップで発生した熱を十分に放熱することが困難になるという不都合がある。これにより、半導体素子の誤操作や寿命低下などの発生を抑制することが困難となるので、半導体装置の信頼性が低下するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、放熱特性をより向上させることにより、信頼性の低下を抑制することが可能な樹脂封止型半導体装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による樹脂封止型半導体装置は、半導体チップが所定領域上に搭載された基板と、この基板の半導体チップが搭載された領域とは異なる領域に形成され、互いに所定の間隔を隔てて配列された複数の放熱部材と、半導体チップと放熱部材の少なくとも一部とを覆う封止樹脂層とを備えている。
この一の局面による樹脂封止型半導体装置では、上記のように、基板における半導体チップが搭載された領域とは異なる領域に、互いに所定の間隔を隔てて配列された複数の放熱部材を形成することによって、半導体チップで発生した熱を外部に放熱させ易くすることができる。このため、樹脂封止型半導体装置の放熱特性をより向上させることができるので、発熱量がより大きな半導体チップが搭載された場合でも、半導体チップで発生した熱を十分に放熱することができる。これにより、半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
上記一の局面による樹脂封止型半導体装置において、好ましくは、複数の放熱部材の少なくとも一部は、封止樹脂層の上面から一部が露出するように形成されている。このように構成すれば、放熱部材の露出部分を介して、容易に、半導体チップで発生した熱を外部に放熱することができる。
上記一の局面による樹脂封止型半導体装置において、好ましくは、複数の放熱部材は、それぞれ、金属柱から構成されており、平面視において、半導体チップを囲むように配列されている。このように構成すれば、より容易に、半導体チップで発生した熱を外部に放熱することができる。
上記放熱部材の一部が封止樹脂層の上面から露出された構成において、好ましくは、樹脂封止層の上面上に搭載されるヒートシンクをさらに備え、このヒートシンクと放熱部材とは、互いに熱的に接続されている。このように構成すれば、ヒートシンクを介して、半導体チップで発生した熱を効果的に外部に放熱することができる。
上記放熱部材の一部が封止樹脂層の上面から露出された構成において、基板は、所定の配線パターンに形成された複数の配線層を含む配線基板であり、複数の放熱部材の各々は導電性材料から構成されているとともに、複数の放熱部材の少なくとも一部は、所定の配線層と電気的に接続されていてもよい。
上記一の局面による樹脂封止型半導体装置において、半導体チップが封止樹脂層で封止されることによって、樹脂封止型半導体装置をＢＧＡ型のパッケージ形態に構成することができる。
以上のように、本発明によれば、放熱特性をより向上させることにより、信頼性の低下を抑制することが可能な樹脂封止型半導体装置を容易に得ることができる。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、樹脂封止型半導体装置の一例であるＢＧＡ型半導体装置に本発明を適用した場合について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。図２は、本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の平面図である。図３は、本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の全体斜視図である。なお、図１は、図２の１００−１００線に沿った断面を示している。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の構造について説明する。
第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置は、図１に示すように、少なくとも、配線基板１と、この配線基板１上に搭載される半導体チップ１０と、配線基板１の上面において半導体チップ１０を覆う封止樹脂層２０とを備えている。なお、配線基板１は、本発明の「基板」の一例である。
配線基板１は、基材層２の上面上および下面上に、それぞれ、複数の配線層３および４が形成された両面基板から構成されている。この配線基板１の基材層２は、たとえば、樹脂材料、有機高分子材料またはセラミクス材料などの絶縁性材料から構成されている。また、配線基板１の配線層３および４は、それぞれ、銅などの導電性材料から構成されている。さらに、基材層２の上面上に形成された複数の配線層３は、半導体チップ１０が搭載される搭載部３ａと接続電極層３ｂとを含んでおり、基材層２の下面上に形成された複数の配線層４は、接続電極層４ａを含んでいる。なお、配線基板１の配線層３および４は、それぞれ、所定のパターン形状に形成されている。
また、配線基板１（基材層２）には、上面から下面まで厚み方向に貫通する複数のスルーホール５が形成されている。このスルーホール５には、たとえば、金属材料などからなるプラグ５ａが埋め込まれている。そして、上記したスルーホール５（プラグ５ａ）を介して、配線基板１の上面側の接続電極層３ｂと配線基板１の下面側の接続電極層４ａとが、互いに電気的に接続されている。なお、スルーホール５にプラグ５ａを埋め込む代わりに、スルーホール５の側壁に導体層を形成してもよい。あるいは、スルーホール５の側壁に導体層を形成した後、スルーホール５の穴埋め処理を行ってもよい。
半導体チップ１０は、たとえば、シリコン基板の一方主面（上面）に図示しない集積回路などが形成された構造を有している。この半導体チップ１０は、一方主面（集積回路などが形成されている面）が上側（配線基板１と反対側）となるように配置された状態で、ハンダなどからなる接着層１１を介して、配線基板１の搭載部３ａ上に固定されている。そして、半導体チップ１０は、金細線などからなるボンディングワイヤ１２を介して、配線基板１の上面側の接続電極層３ｂと電気的に接続されている。
また、図１および図３に示すように、配線基板１の下面上には、外部端子として機能する半田ボール６が複数設けられている。この半田ボール６は、図１に示すように、配線基板１の下面側の接続電極層４ａ上に形成されている。すなわち、半田ボール６は、スルーホール５などを介して半導体チップ１０と電気的に接続されている。
封止樹脂層２０は、たとえば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂から構成されており、半導体チップ１０やボンディングワイヤ１２などを樹脂封止するように、配線基板１の上面上に形成されている。この封止樹脂層２０は、半導体チップ１０やボンディングワイヤ１２などを樹脂封止することによって、ガスや水分などから半導体チップ１０やボンディングワイヤ１２などを保護する機能を有している。
ここで、第１実施形態では、配線基板１上の所定領域（半導体チップ１０が搭載された領域とは異なる領域）に、銅からなる複数の金属バンプ３０が形成されている。この複数の金属バンプ３０は、図１および図２に示すように、半導体チップ１０を囲むように、互いに所定の間隔を隔てて配列されている。なお、金属バンプ３０は、本発明の「放熱部材」および「金属柱」の一例である。
また、第１実施形態では、図１〜図３に示すように、複数の金属バンプ３０の各々は、上記した封止樹脂層２０によって覆われている一方、その一部が封止樹脂層２０の上面から露出している。このような構成は、たとえば、金属バンプ３０を封止樹脂層２０で封止した後、封止樹脂層２０の上面を研磨等により所定量だけ除去することによって得られる。なお、この場合には、封止樹脂層２０の上面と金属バンプ３０の露出面とは同一面となる。
第１実施形態では、上記のように、配線基板１上の所定領域に、互いに所定の間隔を隔てて配列された複数の金属バンプ３０を設けることによって、半導体チップ１０で発生した熱を外部に放熱させ易くすることができる。このため、ＢＧＡ型半導体装置の放熱特性をより向上させることができるので、半導体チップ１０の発熱量が大きい場合でも、半導体チップ１０で発生した熱を十分に放熱することができる。これにより、ＢＧＡ型半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
また、第１実施形態では、複数の金属バンプ３０の各々を、封止樹脂層２０の上面から一部が露出するように設けることによって、金属バンプ３０の露出部分を介して、容易に、半導体チップ１０で発生した熱を外部に放熱することができる。
図４は、第１実施形態の変形例によるＢＧＡ型半導体装置の平面図である。図１および図４を参照して、第１実施形態の変形例によるＢＧＡ型半導体装置では、基材層２（図１参照）の上面上に形成された複数の配線層３は、放熱用の導体層３ｃと、この放熱用の導体層３ｃと半導体チップ１０が搭載される搭載部３ａとを熱的に接続するための４つの接続部３ｄとをさらに含んでいる。
放熱用の導体層３ｃは、配線基板１の外周部近傍の領域に、平面視において半導体チップ１０およびボンディングワイヤ１２を囲むように枠状に形成されている。また、４つの接続部３ｄは、搭載部３ａの４つの角部の各々に１つずつ配置されており、平面視において、放射状に広がるように形成されている。なお、放熱用の導体層３ｃ、４つの接続部３ｄおよび搭載部３ａは、一体的に連結されている。また、ボンディングワイヤ１２を介して半導体チップ１０と電気的に接続される接続電極層３ｂ（図１参照）は、搭載部３ａ、導体層３ｃおよび接続部３ｄに囲まれた領域１３にそれぞれ形成されている。また、放熱用の導体層３ｃの上面上には、上記した金属バンプ３０が形成されている。
なお、第１実施形態の変形例のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
第１実施形態の変形例では、上記のように、放熱用の導体層３ｃ上に複数の金属バンプ３０を形成するとともに、この放熱用の導体層３ｃと半導体チップ１０が搭載される搭載部３ａとを接続部３ｄを介して熱的に接続することによって、半導体チップ１０で発生した熱を容易に金属バンプ３０に伝達させることができるので、容易に、複数の金属バンプ３０を介して、半導体チップ１０で発生した熱を外部に放熱することができる。
なお、第１実施形態の変形例のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。次に、図５を参照して、この第２実施形態によるＢＧＡ型半導体装置では、上記した第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置において、さらに、ヒートシンク４０を備えている。このヒートシンク４０はアルミニウムなどの熱伝導性の優れた金属材料から構成されており、複数の放熱フィン４１を有している。そして、ヒートシンク４０は、複数の金属バンプ３０の各々と熱的に接続された状態で、封止樹脂層２０の上面上に固定されている。
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
第２実施形態では、上記のように、封止樹脂層２０の上面上に、金属バンプ３０と熱的に接続されたヒートシンク４０を備えることによって、このヒートシンク４０を介して、半導体チップ１０で発生した熱を効果的に外部に放熱することができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。次に、図６を参照して、この第３実施形態によるＢＧＡ型半導体装置では、複数の金属バンプ３０の少なくとも一部が、所定の接続電極層３ｂと電気的に接続するように形成されている。これにより、接続電極層３ｂと電気的に接続された金属バンプ３０を電気配線として機能させることができる。
上記のように構成された第３実施形態によるＢＧＡ型半導体装置では、ＢＧＡ型半導体装置上に他の半導体装置５０を搭載することによってパッケージオンパッケージ（ＰｏＰ）構造に構成した際に、上側の半導体装置５０を下側のＢＧＡ型半導体装置に容易に電気的に接続することができる。そして、上側に配置された半導体装置５０に放熱対策が施されている場合には、ＢＧＡ型半導体装置からの熱を、半導体装置５０から放熱することが可能となる。
なお、第３実施形態のその他の構成および効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。続いて、図１および図７を参照して、この第４実施形態によるＢＧＡ型半導体装置では、上記第１〜第３実施形態と異なり、配線基板１には、金属バンプ３０（図１参照）に代えて金属ピン１３０（図７参照）が設けられている。なお、金属ピン１３０は、本発明の「放熱部材」および「金属柱」の一例である。この金属ピン１３０は、熱伝導性の優れた銅から構成されており、半導体チップ１０の厚み方向に伸びるように、配線基板１に固定されている。具体的には、配線基板１の所定領域に、上面から厚み方向に所定の深さを有する凹部２ａが複数形成されており、この複数の凹部２ａの各々に、上記した金属ピン１３０が挿入されている。
第４実施形態では、上記のように、配線基板１に複数の金属ピン１３０を設けることによって、上記した第１〜第３実施形態と同様、半導体チップ１０で発生した熱を外部に放熱させ易くすることができる。
また、第４実施形態では、配線基板１に複数の金属ピン１３０を設けることによって、放熱特性向上の効果に加えて、半導体チップ１０の反りを抑制する効果も得られる。
第４実施形態のその他の構成は、上記第１、第２または第３実施形態と同様である。また、第４実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。続いて、図８を参照して、本発明の第５実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の構造について説明する。
この第５実施形態によるＢＧＡ型半導体装置では、上記第１〜第４実施形態と異なり、配線基板１０１が多層基板から構成されている。具体的には、配線基板１０１は、基材層１０２が複数積層された構造を有している。この基材層１０２の上面上および下面上には、それぞれ、配線層３または配線層４が形成されている。なお、基材層１０２は、たとえば、樹脂材料、有機高分子材料またはセラミクス材料などの絶縁性材料から構成されている。また、配線基板１０１（基材層１０２）の配線層３および４は、それぞれ、銅などの導電性材料から構成されている。さらに、配線基板１０１（基材層１０２）の配線層３は、配線基板１０１の上面に形成されるとともに半導体チップ１０が搭載される搭載部３ａと、同じく上面に形成された接続電極層３ｂと、内層側に形成された内層配線層３ｃとを含んでいる。一方、配線基板１０１（基材層１０２）の配線層４は、配線基板１０１の下面に形成された接続電極層４ａを含んでいる。なお、配線基板１０１は、本発明の「基板」の一例である。
また、配線基板１０１（基材層１０２）の所定部分には、上層側の配線層と下層側の配線層とを電気的に接続するためのスルーホール（ヴィアホール）５が形成されている。このスルーホール（ヴィアホール）５には、たとえば、金属材料などからなるプラグ５ａが埋め込まれている。なお、スルーホール（ヴィアホール）５にプラグ５ａを埋め込む代わりに、スルーホール５の側壁に導体層を形成してもよい。あるいは、スルーホール（ヴィアホール）５の側壁に導体層を形成した後、スルーホール（ヴィアホール）５の穴埋め処理を行ってもよい。
また、第５実施形態では、上記第４実施形態と同様、配線基板１０１には、複数の金属ピン１３０が設けられている。この金属ピン１３０は、熱伝導性の優れた銅から構成されており、半導体チップ１０の厚み方向に伸びるように、配線基板１０１に固定されている。具体的には、配線基板１０１の所定領域に、上面から厚み方向に所定の深さを有する凹部１０２ａが複数形成されており、この複数の凹部１０２ａの各々に、上記した金属ピン１３０が挿入されている。
ここで、第５実施形態では、複数の凹部１０２ａの少なくとも一部が内層配線層３ｃに対応する領域に形成されている。また、これらの凹部１０２ａは、内層配線層３ｃに達する深さに構成されている。これにより、内層配線層３ｃに対応する領域に形成された凹部１０２ａに挿入された金属ピン１３０は、配線基板１０１の内層配線層３ｃと電気的に接続された状態となっている。すなわち、複数の凹部１０２ａの各々に挿入された複数の金属ピン１３０の少なくとも一部は、配線基板１０１の内層配線層３ｃと電気的に接続された状態となっている。
上記のように構成された第５実施形態によるＢＧＡ型半導体装置では、複数の金属ピン１３０の少なくとも一部を、内層配線層３ｃと電気的に接続された状態にすることによって、内層配線層３ｃと電気的に接続された金属ピン１３０を電気配線として機能させることができる。
第５実施形態のその他の構成は、上記第４実施形態と同様である。また、第５実施形態のその他の効果は、上記第１〜第４実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１〜第５実施形態では、樹脂封止型半導体装置の一例であるＢＧＡ型半導体装置に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＢＧＡ型半導体装置以外の樹脂封止型半導体装置に本発明を適用してもよい。
また、上記第１〜第５実施形態では、放熱部材（金属バンプ、金属ピン）の一部が封止樹脂層の上面から露出するように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、放熱部材（金属バンプ、金属ピン）の一部が封止樹脂層から露出しない構成にしてもよい。また、封止樹脂層の上面から露出するように構成される放熱部材は、複数の放熱部材のうちの一部であってもよい。
また、上記第１〜第５実施形態では、平面視において、半導体チップを囲むように複数の放熱部材（金属バンプ、金属ピン）を配置（配列）した例について示したが、本発明はこれに限らず、複数の放熱部材（金属バンプ、金属ピン）は、上記（第１〜第５実施形態）とは異なる配置（配列）となるように構成してもよい。
なお、上記第1〜第５実施形態では、放熱部材の一例として金属バンプまたは金属ピンを用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、金属バンプまたは金属ピン以外の放熱部材を用いてもよい。また、金属柱以外の形状を有する放熱部材を用いても良い。
また、上記第１〜第４実施形態では、両面基板からなる配線基板を用いてＢＧＡ型半導体装置（樹脂封止型半導体装置）を構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、両面基板以外の例えば多層基板からなる配線基板を用いてＢＧＡ型半導体装置（樹脂封止型半導体装置）を構成してもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、金属バンプを銅（Ｃｕ）から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、金属バンプを銅（Ｃｕ）以外の金属材料から構成してもよい。たとえば、金属バンプをアルミニウム（Ａｌ）から構成してもよい。
また、上記第１実施形態の変形例では、放熱用の導体層を枠状に形成するとともに、搭載部から放射状に広がるように形成された４つの接続部を介して、放熱用の導体層と搭載部とを熱的に接続した構成例について説明したが、本発明はこれに限らず、放熱用の導体層および接続部の構成は、上記した構成（上記第１実施形態の変形例で示した構成）以外の構成であってもよい。
また、上記第４および第５実施形態では、金属ピンを銅（Ｃｕ）から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、金属ピンを銅（Ｃｕ）以外の金属材料から構成してもよい。たとえば、金属ピンをアルミニウム（Ａｌ）から構成してもよい。
本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。 本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の平面図である。 本発明の第１実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の全体斜視図である。 第１実施形態の変形例によるＢＧＡ型半導体装置の平面図である。 本発明の第２実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。 本発明の第３実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。 本発明の第４実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。 本発明の第５実施形態によるＢＧＡ型半導体装置の断面図である。
符号の説明
１、１０１ 配線基板（基板）
２、１０２ 基材層
３ 配線層
３ａ 搭載部
３ｂ 接続電極層
３ｃ 放熱用の導体層
３ｄ 接続部
４ 配線層
４ａ 接続電極層
５ スルーホール
５ａ プラグ
６ 半田ボール
１０ 半導体チップ
１１ 接着層
１２ ボンディングワイヤ
２０ 封止樹脂層
３０ 金属バンプ（放熱部材、金属柱）
４０ ヒートシンク
４１ フィン
１３０ 金属ピン（放熱部材、金属柱）

Claims (7)

  1. 半導体チップが搭載され、配線層を有する基板と、
    前記基板に形成された外部接続電極と、
    前記基板の前記半導体チップが搭載された領域とは異なる領域において、前記外部接続電極が形成された面とは反対の面に形成され、導電性材料からなる複数の放熱部材と、
    前記放熱部材の少なくとも一部が露出する露出部を備えるように前記半導体チップを覆う封止樹脂層と、
    を含み、
    前記基板はその基板上に、前記放熱部材が接続された導体層と、前記半導体チップが搭載される搭載部と、前記導体層と前記搭載部とを接続する放射状に広がるように形成された接続部とを含む配線層を有し、
    前記放熱部材の少なくとも一部は、所定の前記配線層と電気的に接続されており、前記複数の放熱部材はそれぞれが金属柱から形成されており、平面視において前記半導体チップを囲むように配列されていることを特徴とする、樹脂封止型半導体装置。
  2. 前記封止樹脂層は、前記放熱部材が同一平面で露出するように前記半導体チップを覆うことを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
  3. 前記封止樹脂層は、前記放熱部材が同一平面で露出するように前記半導体チップと前記放熱部材とを覆うことを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
  4. 前記樹脂封止層の上面上に搭載されるヒートシンクをさらに備え、
    前記ヒートシンクと前記放熱部材とは、互いに熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂封止型半導体装置。
  5. 前記半導体チップが前記封止樹脂層で封止されることによって、ＢＧＡ型のパッケージ形態に構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹脂封止型半導体装置。
  6. 前記基板は、樹脂材料、有機高分子材料およびセラミクス材料の少なくとも１つを含む構成材料から構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項に記載の樹脂封止半導体装置。
  7. 前記接続部が、前記搭載部における４つの角部の各々に１つずつ形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の樹脂封止半導体装置。
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