JP5381175B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

近年のＣＰＵ(Central Processing Unit)やＧＰＵ(Graphics Processing Unit)に代表される半導体素子の高速化及び高機能化に伴い、半導体素子からの発熱量が増大している。そして、半導体素子の性能維持のために半導体パッケージにおける放熱設計の重要性が増してきている。そこで、半導体パッケージの組立工程又はシステム組立工程において、半導体素子に放熱部材を装着することで、放熱性を高める手法が採られている（例えば、特許文献１を参照）。

図１２は従来の半導体装置の構成を示す側断面図である。図示した半導体装置５１は、大きくは、基板５２と、半導体素子５３と、放熱部材５４とを備えた構成となっている。基板５２は、両面プリント配線基板を用いて構成されている。半導体素子５３は、例えばシリコンチップからなる半導体チップによって構成されている。半導体素子５３の第１面には、図示しない半導体集積回路とともに、複数の接続端子５５が設けられている。各々の接続端子５５は、これを形成する導電材料として、例えばハンダ材料からなるハンダボールによって形成されている。半導体素子５３は、回路形成面となる第１面（活性面）を下向きにした、いわゆるフェースダウン構造で、基板５２の上面にフリップチップ方式で実装されている。

基板５２の上面には、半導体素子５３の実装位置や接続端子５５の配置に合わせて複数の電極部（不図示）が設けられている。また、基板５２の下面には、複数の外部接続端子５６が設けられている。半導体素子５３の接続端子５５は、基板５２上の電極部に電気的かつ機械的に接続されている。基板５２と半導体素子５３との間（隙間部分）には封止樹脂５７が充填されている。放熱部材５４は、金属板によって構成されている。放熱部材５４は、熱硬化性樹脂からなる接着層５８を介して半導体素子５３の第２面に接着されている。

上記構成からなる半導体装置５１を製造する場合は、まず、基板５２に半導体素子５３を実装し、その後、半導体素子５３に放熱部材５４を接着している。

特開２００７−１３４４７２号公報

しかしながら、半導体素子５３に放熱部材５４を接着する前の工程では、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる封止樹脂５７を加熱により硬化させるときに、半導体素子５３に反りが生じた状態になる。半導体素子５３の反りは、半導体素子５３と基板５２との熱膨張係数差や、半導体素子５３と封止樹脂５７との熱膨張係数差などにより発生する。基板５２を有機系材料で構成した場合は、半導体素子５３の第２面（上面）が凸面状となるような反りが生じやすくなる。

上述のように半導体素子５３に反りが生じた状態で放熱部材５４を接着すると、両者の間に介在する接着層５８の厚みが部分的に異なるものとなる。具体的には、半導体素子５３の中央部では接着層５８の厚みが相対的に薄くなり、半導体素子５３の端部（外周部）では接着層５８の厚みが相対的に厚くなる。半導体素子５３から放熱部材５４への熱伝達率は、接着層５８の厚みが増すほど低下する。このため、接着層５８が厚くなる半導体素子５３の端部側では熱伝導性が悪化し、このことが半導体装置５１としての放熱性を阻害する１つの要因になっている。

本発明は、基板に実装された半導体素子に放熱部材を接着することにより、半導体素子で発生した熱を放熱部材に伝えて放熱する半導体装置において、半導体素子の反りに伴う接着層の厚みのバラツキを低減することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板に第１面を対向させた状態で実装された半導体素子と、前記半導体素子の第２面に接着層を介して接着された放熱部材とを備え、前記放熱部材は、前記半導体素子の第２面が接着される被接着面を有し、かつ当該被接着面が前記半導体素子の反りに合わせて湾曲した状態で形成された構成となっている。

本発明に係る半導体装置においては、基板に実装された半導体素子の反りに合わせて放熱部材の被接着面を湾曲状態で形成し、この被接着面に接着層を介して半導体素子の第２面を接着することにより、接着層の厚みが均一化される。

本発明によれば、基板に実装される半導体素子に反りが生じていても、半導体素子と放熱部材との間に均一な厚みで接着層を形成することができる。このため、接着層の厚みのバラツキに伴う熱伝導性の悪化を防止して、半導体装置の放熱性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す側断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図（その１）である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図（その２）である。 半導体素子の反りの状態例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図（その３）である。 半導体素子の反りの状態例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す側断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置に用いられる放熱部材の構造を説明する図である。 半導体素子の反りの状態例を示す図である。 本発明の第１変形例を説明する側断面図である。 本発明の第２変形例を説明する側断面図である。 従来の半導体装置の構成を示す側断面図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は以下に記述する実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

本発明の実施の形態については、以下の順序で説明する。
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
３．変形例

＜１．第１の実施の形態＞
［半導体装置の構成］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す側断面図である。図示した半導体装置１は、大きくは、基板２と、半導体素子３と、放熱部材４とを備えた構成となっている。基板２は、例えばガラスエポキシなどの有機系材料を基材とした両面プリント配線基板を用いて構成されている。半導体素子３は、例えば平面視四角形のシリコンチップからなる半導体チップによって構成されている。半導体素子３の第１面（下面）には、図示しない半導体集積回路とともに、複数の接続端子５が設けられている。各々の接続端子５は、半導体素子３の第１面から突出する状態でボール状に形成されている。各々の接続端子５は、これを形成する導電材料として、例えばハンダ材料からなるハンダボールによって形成されている。ただし、これに限らず、例えば、ハンダ材料や他の導電材料からなる金属のバンプで接続端子５を突状に形成したものでもよい。また、接続端子５の形状は、ボール状に限らず、柱状であってもよい。半導体素子３は、回路形成面となる第１面（活性面）を下向きにした、いわゆるフェースダウン構造で、基板２の上面にフリップチップ方式で実装されている。

基板２の上面には、半導体素子３の実装位置や接続端子５の配置に合わせて複数の電極部（不図示）が設けられている。また、基板２の下面には、複数の外部接続端子６が設けられている。半導体素子３の接続端子５は、基板２上の電極部に電気的かつ機械的に接続されている。基板２と半導体素子３との間（隙間部分）には、複数の接続端子５の接続部分を覆うように封止樹脂７が充填されている。封止樹脂７は、アンダーフィル材と呼ばれるものである。封止樹脂７は、接続端子５の接続部分の応力緩和や補強などのために形成されるものである。放熱部材４は、例えばアルミニウム、銅等の金属板によって構成されている。放熱部材４は、接着層８を介して半導体素子３の第２面（上面）に接着されている。接着層８は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性の有機系接着剤を用いて形成されている。なお、放熱部材４は、半導体素子３だけでなく、半導体装置１全体の剛性を高めるため、その一部（例えば、外周部）を基板２と接着してもよい。

放熱部材４は、全体的に平板状に形成されている。放熱部材４の下面の中央部には段付き構造で突出部９が形成されている。突出部９は、平板状をなす放熱部材４の一部（下面の中央部）を厚み方向に突出させた状態で形成されている。放熱部材４の厚み方向から見たときの突出部９の外形は、半導体素子３の外形に合わせて四角形に形成されている。また、突出部９の外形寸法は、半導体素子３の外形寸法とほぼ同じ寸法に設定されている。突出部９の表面（半導体素子３と対向する面）は被接着面１０となっており、当該被接着面１０に接着層８を介して半導体素子３の第２面（裏面）が接着されている。

ここで、基板２に実装された半導体素子３は断面弧状に反っている。具体的には、半導体素子３の第２面が凸面状となるような反りが半導体素子３に生じている。半導体素子３の反りは、半導体素子３と基板２との熱膨張係数差や、半導体素子３と封止樹脂７との熱膨張係数差などにより発生するものである。これに対して、放熱部材４の被接着面１０は、半導体素子３の反りに合わせて湾曲した状態で形成されている。即ち、放熱部材４の被接着面１０は、半導体素子３の第２面と平行に配置されるように、当該半導体素子３の第２面の凸面形状に合わせて凹面状に湾曲した状態で形成されている。

［半導体装置の製造方法］
（第１の工程）
第１の工程では、まず、図２（Ａ）に示すように、基板２の上面に複数の接続端子５を介して半導体素子３をフリップチップ方式で実装する。次に、図２（Ｂ）に示すように、基板２と半導体素子３との間に液状の封止樹脂（熱硬化性樹脂）７を注入する。その後、封止樹脂７を加熱処理で硬化させる。このとき、半導体素子３と基板２との熱膨張係数差や、半導体素子３と封止樹脂７との熱膨張係数差などにより、図２（Ｃ）に示すように、半導体素子３に反りが生じる。特に、基板２をガラスエポキシなどで構成し、半導体素子３をシリコンなどで構成した場合は、封止樹脂７を硬化させるときに、基板２や封止樹脂７の熱収縮量が半導体素子３の熱収縮量よりも多くなる。このため、半導体素子３の第２面が凸面状となるような反りが生じる。

（第２の工程）
第２の工程では、図３に示すように、半導体素子３の第２面が接着される被接着面１０を有する放熱部材４を作製する。この場合、放熱部材４の一部（下面の中央部）を厚み方向に突出させて突出部９とし、この突出部９に被接着面１０を形成することにより、被接着面１０の加工が容易になる。被接着面１０は、上述した半導体素子３の反り（第２面の凸面形状）に合わせて凹面状に湾曲するように形成する。具体的な加工方法としては、例えば、プレス加工、圧延加工、絞り加工、切削加工などを用いることができる。こうした加工方法は、金属板を加工するにあたって、特殊な方法ではなく、一般的な方法である。このため、特に製造コストをアップさせることなく、所望の形状の放熱部材４を得ることができる。また、例えばプレス加工、絞り加工などでは、加工用の金型に被接着面１０の面形状に合わせた湾曲を形成しておき、この金型を用いて金属板を加工することにより、被接着面１０を有する放熱部材４を容易に得ることができる。

ここで、上記第１の工程で半導体素子３に生じる反りの状態は、半導体装置１の構成（全体の構造、各部の形成材料、半導体素子のサイズなど）によって変わる。また、１ｍｍ角程度の半導体素子３に生じる反りの量は、一般的に５〜１００μｍ程度である。ただし、同一の構成の半導体装置１であれば、反りの形状が近似したものとなり、反りの量も±５μｍ程度の範囲に収まる。このため、放熱部材４の被接着面１０をどのような形状で湾曲させるかに関しては、基板２に半導体素子３を実装したときに生じる半導体素子３の反りの状態（反りの量、形状など）をシミュレーションや実験で予め求め、その結果に基づいて半導体装置１ごとに決定すればよい。例えば、半導体素子３の反りの状態をシミュレーション又は実験的に求めたところ、図４に示すような結果が得られた場合は、半導体素子３の中央部から端部にかけての反りの形状と量に合わせて被接着面１０の湾曲状態を決定すればよい。この場合、半導体素子３の反り量は、半導体素子３の第２面の端部を基準にして、そこからの第２面の中央部の突出量をもって規定されるものとなる。

また、放熱部材４をアルミニウム、銅などの金属板を用いて形成する場合は、金属板の表面に酸化等の劣化を防ぐための表面処理（例えば、ニッケル等の電気めっき処理）を行なってもよい。この表面処理に際しては、放熱部材４の一部にこれと一体に突出部９を形成し、当該突出部９に被接着面１０を凹面状に湾曲した状態で形成しているため、表面処理後も被接着面１０の湾曲形状がそのまま維持される。したがって、金属板の加工後に表面処理を行なっても何ら問題はない。また、第１の工程と第２の工程は、どちらを先に行なってもよいし、両方を並行して行なってもよい。

（第３の工程）
第３の工程では、図５に示すように、上記第１の工程で基板２に実装された半導体素子３の第２面に接着層８を介して放熱部材４を接着する。接着層８は、予め接着剤を塗布することにより、図例のように半導体素子３の第２面に形成しておいてもよいし、図示はしないが、放熱部材４の被接着面１０に形成しておいてもよいし、その両方に形成しておいてもよい。また、熱硬化性樹脂を接着剤に用いて接着層８を形成した場合は、半導体素子３に放熱部材４を圧着した後で樹脂を硬化させる。

（第４の工程）
第４の工程では、上記図１に示すように、基板２の下面に複数の外部接続端子６を形成する。各々の外部接続端子６は、例えば、基板２の下面に設けられた電極部（不図示）にフラックスを塗布してハンダボールを搭載するか、適量のハンダ材料を印刷法等により供給した状態で、リフローすることにより、突状に形成される。以上の製造工程を経て、上記図１に示す構成の半導体装置１が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１においては、基板２に実装された半導体素子３の反りに合わせて放熱部材４の突出部９に被接着面１０を湾曲状態で形成し、この被接着面１０に接着層８を介して半導体素子３の第２面を接着した構成を採用している。このため、半導体素子３の第２面と放熱部材４の被接着面１０が互いに平行に配置され、その間に介在する接着層８の厚みが均一になる。したがって、半導体素子３の第２面に放熱部材４を平面で接着する場合に比較して、接着層８の厚みを均一化することができる。また、半導体素子３の中央部と端部で接着層８の厚みを均一にすることができる。その結果、接着層８の厚みのバラツキに伴う熱伝導性の悪化を防止して、半導体装置１の放熱性を向上させることが可能となる。

なお、上記第１の工程で半導体素子３に生じる反りの状態は、前述したとおり半導体装置１の構成によって変わる。このため、半導体素子３の反りの状態をシミュレーション又は実験的に求めたときに、例えば図６に示すような結果が得られた場合は、それに合わせて被接着面１０の湾曲状態を決定することになる。この場合、半導体素子３の反り量は、半導体素子３の第２面の端部を基準にして、そこからの第２面の中央部の凹み量をもって規定されるものとなる。また、半導体装置１の構成によっては、半導体素子３の反りの状態をシミュレーション又は実験的に求めたときに、半導体素子３の第２面が凸面状ではなく凹面状となるような反りが生じる場合もあり得る。具体的には、例えば基板２をセラミック基板で構成した場合に、半導体素子３の第２面が凹面状になるような反りが発生する場合があり得る。そのような場合に適用される本発明の実施の形態を次に説明する。

＜２．第２の実施の形態＞
図７は本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す側断面図である。図示した半導体装置１において、放熱部材４は、全体的に平板状に形成され、その一部（下面の中央部）が厚み方向に突出する突出部９となっている。放熱部材４の厚み方向から見たときの突出部９の外形は、半導体素子３の外形に合わせて四角形に形成されている。また、突出部９の外形寸法は、半導体素子３の外形寸法とほぼ同じ寸法に設定されている。突出部９の表面（半導体素子３と対向する面）は被接着面１０となっており、当該被接着面１０に接着層８を介して半導体素子３の第２面が接着されている。

また、基板２に実装された半導体素子３は断面弧状に反っている。具体的には、半導体素子３の第２面が凹面状となるような反りが半導体素子３に生じている。これに対して、放熱部材４の被接着面１０は、半導体素子３の反りに合わせて湾曲した状態で形成されている。即ち、放熱部材４の被接着面１０は、半導体素子３の第２面と平行に配置されるように、当該半導体素子３の第２面の凹面形状に合わせて凸面状に湾曲した状態で形成されている。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置１は、上述した第２の工程で放熱部材４を作製するときに、放熱部材４の被接着面１０を図８に示すように凸面状に形成することことにより得られる。その場合も、基板２に半導体素子３を実装したときに生じる半導体素子３の反りの状態（反りの量、形状など）をシミュレーションや実験で予め求め、その結果に基づいて半導体装置１ごとに決定すればよい。例えば、半導体素子３の反りの状態をシミュレーション又は実験的に求めたところ、図９に示すような結果が得られた場合は、半導体素子３の中央部から端部にかけての反りの形状と量に合わせて被接着面１０の湾曲状態を決定すればよい。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置１においては、上記第１の実施の形態と同様に、基板２に実装された半導体素子３の反りに合わせて放熱部材４の突出部９に被接着面１０を湾曲状態で形成し、この被接着面１０に接着層８を介して半導体素子３の第２面を接着した構成を採用している。このため、半導体素子３と放熱部材４との間に介在する接着層８の厚みを均一化することができる。したがって、接着層８の厚みのバラツキに伴う熱伝導性の悪化を防止して、半導体装置１の放熱性を向上させることが可能となる。

＜３．変形例＞
［第１変形例］
第１変形例に係る半導体装置１においては、図１０に示すように、半導体素子３の第２面に接着層８を介して接着される放熱部材４を放熱フィンで構成している。そして、放熱部材４の下面（フィン構造と反対側の面）の中央部に突出部９を有し、この突出部９に被接着面１０を湾曲状態で形成している。

［第２変形例］
第２変形例に係る半導体装置１においては、図１１に示すように、半導体素子３の第２面に接着層８を介して接着される放熱部材４を金属板（ヒートスプレッダ）で構成し、その上に放熱フィン１１を搭載している。そして、放熱部材４の下面（フィン搭載面と反対側の面）の中央部に突出部９を有し、この突出部９に被接着面１０を湾曲状態で形成している。

１…半導体装置、２…基板、３…半導体素子、４…放熱部材、８…接着層、９…突出部、１０…被接着面

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板に第１面を対向させた状態で実装された半導体素子と、
   前記半導体素子の第２面に接着層を介して接着された放熱部材とを備え、
   前記放熱部材は、前記半導体素子の第２面が接着される被接着面を有し、かつ当該被接着面が前記半導体素子の反りに合わせて凸面状に湾曲した状態で形成されている、
   半導体装置。
2. 前記放熱部材は、全体的に平板状に形成されるとともに、当該平板状の一部を厚み方向
   に突出させた突出部を有し、当該突出部に前記被接着面が形成されている、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 基板に第１面を対向させた状態で半導体素子を実装する第１の工程と、
   前記半導体素子の第２面が接着される被接着面を有する放熱部材を作製する第２の工程と、
   前記基板に実装された前記半導体素子の第２面に接着層を介して前記放熱部材を接着する第３の工程とを有し、
   前記第２の工程では、前記第１の工程で前記基板に前記半導体素子を実装した場合に当該半導体素子に生じる反りに合わせて、前記放熱部材の被接着面を凸面状に湾曲した状態で形成する、
   半導体装置の製造方法。

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