JP6121926B2 - 半導体装置及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、放熱特性を改善した半導体装置及びそれを用いた電子機器に関する。

近年の電子機器における小型化及び低消費電力化等の要求を実現するために、半導体装置の高密度実装が必要とされている。そこで、特開平８−３３５６６３号公報では、ベアチップの半導体素子が搭載された可撓性回路基板を折り曲げて、当該ベアチップを包んだ構成の３次元実装型半導体装置が開示されている。

ベアチップを可撓性回路基板に直接接続（搭載）することにより薄型化が可能になると共に、ベアチップと最終品である半導体装置との外形サイズが、概ね同じ寸法にすることができる。

しかし、特開平８−３３５６６３号公報に係る構成では、ベアチップは可撓性回路基板で包まれる構成であるため、ベアチップの消費電力の大きい場合には、当該ベアチップで発生した熱が外部に逃げ難くなってしまう。この結果、ベアチップの温度が上昇し、誤動作を起こす問題があった。

この様な観点から、ＷＯ２０１１／０４３４９３号公報においては、ベアチップと共に支持体を可撓性回路基板で包み込み、かつ、この支持体を突出させることにより、ベアチップで発生した熱の放熱効率を改善させた半導体装置が提案されている。

特開平８−３３５６６３号公報 ＷＯ２０１１／０４３４９３号公報

しかしながら、ＷＯ２０１１／０４３４９３号公報に係る構成では、支持体が可撓性回路基板から突き出した構成となるため、半導体装置の実装面積が大きくなる問題がある。

そこで、本発明の主目的は、実装面積の増大を抑制しながら発生した熱を効率よく放熱できるようにした半導体装置及びそれを用いた電子機器を提供することである。

上記課題を解決するため、ベアチップと概ね同じ厚みで、かつ、当該ベアチップに隣接して配置された支持体と、ベアチップ及び支持体が搭載され、かつ、該ベアチップ及び該支持体を包むように折り曲げられる可撓性回路基板と、ベアチップ及び支持体を包みこんだ可撓性回路基板の外面に熱接触して設けられた放熱部と、可撓性回路基板を挿通して、当該可撓性回路基板で包まれた領域な内の熱を、該可撓性回路基板で囲まれた領域の外に導く脚部と、を備える個とを特徴とする。

本発明によれば、実装面積の増大を抑制しながら発生した熱を効率よく放熱できるようになる。

第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。 可撓性回路基板の構成を説明する図で、（ａ）は展開図、（ｂ）はベアチップと支持体とを包む様子を示す断面斜視図である。 支持体側開口部の開口形状を示す図である。 ベアチップからの熱が放熱される熱伝導パスを矢印で示した図である。 半導体装置における主要要素の図で、（ａ）はベアチップの側面図、（ｂ）は支持体の上面図、（ｃ）は可撓性回路基板の断面図、（ｄ）は可撓性回路基板の上面図である。 ベアチップ等が仮搭載された可撓性回路基板の図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 可撓性回路基板によりベアチップと支持体とを包み、かつ、これらに接着して形成したパッケージの断面図である。 はんだボールで、はんだ接続したパッケージの断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の断面図である。 他の構成の半導体装置の断面図である。 他の構成の半導体装置の断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の断面図である。 ２つのベアチップを積層した半導体装置の断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を説明する。図１は本実施形態にかかる半導体装置２Ａの断面図である。かかる半導体装置２Ａは、家庭用ゲーム機、医療機器、ワークステーション、サーバー、パーソナルコンピュータ、カーナビゲーション、携帯電話、ロボット、計測器等の小型化・高集積化の要求が高い電子機器で使用することができる。

このような半導体装置２Ａは、素子部４と放熱部６とを主要構成として構成されて、実装基板１０に搭載して用いられる。

素子部４は、ベアチップ１１、支持体１２、及び、可撓性回路基板１３を含んでいる。そして、ベアチップ１１と支持体１２とは、可撓性回路基板１３に搭載されて、当該可撓性回路基板１３によって包まれている。即ち、素子部４は、可撓性回路基板１３によりベアチップ１１、支持体１２が包まれた袋状態となっている。

そこで、袋状態にある可撓性回路基板１３の外面（図１において放熱材２１側の面）を放熱側面Ｆｈと記載し、他方の外面（図１において実装基板１０側の面）を端子側面Ｆｔと記載する。また、端子側面Ｆｔの裏面（ベアチップ１１が搭載される面）をチップ搭載面Ｆｃと記載する。

ベアチップ１１として、半導体ＩＣ、パッケージ化された電子部品、コンデンサ、抵抗、インダクタ等の受動部品等が例示出来る。

支持体１２は、ベアチップ１１と概ね同じ厚みに形成されて、当該ベアチップ１１の縁端に過大な荷重が加わることを防止している。このような支持体１２の材料としては、例えば金属（鉄、アルミニウム、アルミニウムを含んだ合金、ＮｉとＦｅを含んだ合金、ＮｉとＣｒを含んだ合金、Ｃｒを含んだ合金、銅）、シリコン、樹脂材料（ナイロン、ＰＰ、エポキシ樹脂、カーボン、アラミド樹脂）、雲母（マイカ）などが利用出来る。

可撓性回路基板１３は、可撓性のプリント基板等からなる配線基板で、チップ搭載面Ｆｃにはベアチップ１１と電気的接続するための図示しないベアチップ接続用電極が形成され、このチップ搭載面Ｆｃと反対側の端子側面Ｆｔには外部端子１４と電気的接続するための図示しない外部端子用電極が形成されている。

外部端子１４は実装基板１０との接続に用いられる端子で、例えばＳｎを含んだ金属材料で構成されたいわゆる半田ボール等が好ましい。無論、半田ボールに限定するものではなく、表面実装型部品の形状であれば、対応できるのは言うまでもない。

図２は可撓性回路基板１３の構成を説明する図で、（ａ）は可撓性回路基板１３の展開図、（ｂ）は可撓性回路基板１３でベアチップ１１と支持体１２とを包む様子を示す断面斜視図である。なお、図２（ａ）においては、ベアチップ１１と支持体１２とを点線で示している。ベアチップ１１は、可撓性回路基板１３のほぼ中央に搭載され、このベアチップ１１を囲むように、支持体１２が配置されている。

そして、可撓性回路基板１３には支持体側開口部１５ａが設けられている。支持体側開口部１５ａは、可撓性回路基板１３を折り曲げてベアチップ１１と支持体１２とを包んだ際に、支持体１２の直上に位置するようになっている。但し、支持体側開口部１５ａの面積は対向する支持体１２の面積より適宜小さくなっている。従って、可撓性回路基板１３を袋状態にした際には、支持体１２の外周部近傍領域のみが可撓性回路基板１３で覆われた状態となる。

この支持体側開口部１５ａの形状は矩形形状に限定するものではなく、例えば図３に示すように楕円形状であっても良く、また長穴形状であっても良い。

次に、放熱部６について説明する。放熱部６は、放熱材２１と導熱シート２２とを含んでいる。

放熱材２１は、脚部２３、及び、放熱部２４を備える。この放熱材２１として、所謂ヒートシンクが利用できるが、導熱シート、導熱ゴム、または半導体装置２Ａをカバーしている筐体などを用いることも可能である。以下においてはヒートシンクを想定して説明する。また、脚部２３と放熱部２４とは一体物である必要はなく、少なくとも両者は密着し、その接触面で熱抵抗が発生しない（熱抵抗が小さいように）ことが要件である。以下においては、脚部２３と放熱部２４とは別体物であることを想定する。

脚部２３は、シート状部材の放熱部２４に立設され、その解放端は支持体側開口部１５ａを挿通して支持体１２と密着している。従って、支持体１２の熱は、脚部２３を介して放熱部２４に効率よく熱伝導するようになる。放熱部２４に流入した熱は、大気等の周辺の雰囲気や部材に効率よく放熱される。

導熱シート２２は、放熱部２４に密着して設けられたシート状部材である。導熱シート２２と放熱部２４とは密に面接触している。このため、放熱部２４と導熱シート２２との熱伝導パスは均一、かつ、最短となり導熱シート２２の熱は効率的に放熱部２４に伝達できるようになっている。

図４は、ベアチップ１１からの熱が放熱される熱伝導パスを矢印で示した図である。ベアチップ１１で発生した熱は、このベアチップ１１の表裏に接触している可撓性回路基板１３に伝わる。その後、可撓性回路基板１３の熱の一部は、導熱シート２２を経由して放熱部２４に伝わり、大気等に放熱される。一方、可撓性回路基板１３の残りの熱は、支持体１２に伝わる。この支持体１２には、脚部２３が密着しているので、可撓性回路基板１３からの熱は、脚部２３を介して放熱部２４に伝わって、放熱される。

次に、上述した半導体装置２Ａの製造方法について説明する。

図５は、半導体装置２Ａにおける主要要素の図で、（ａ）はベアチップ１１の側面図、（ｂ）は支持体１２の上面図、（ｃ）は可撓性回路基板１３の断面図、（ｄ）はこの可撓性回路基板１３の上面図である。また、ベアチップ１１の外形サイズを約１３ｍｍ×１３ｍｍ×高さ０．７ｍｍとし、支持体１２の外形サイズを約２３ｍｍ×１７ｍｍ×厚さ０．７ｍｍとする。可撓性回路基板１３は、外形サイズを約１７ｍｍ×３６ｍｍ×厚さ０．１４ｍｍとする。この可撓性回路基板１３として、例えば、図５（ｃ）に示すような第１絶縁層１３ａ、第２絶縁層１３ｂ、第３絶縁層１３ｃからなる配線層数が２層の基板を用いることがでる。外部端子１４は、直径約０．８ｍｍのＳｎＡｇＣｕはんだボールを、約１００個を用いる。なお、ベアチップ１１等のサイズや可撓性回路基板１３の層数、外部端子１４の数は例示である。

このとき、可撓性回路基板１３のチップ搭載面Ｆｃにおける支持体１２の表面やベアチップ１１の表面と接着する領域Ｒ（図５（ｂ）を参照）に接着層として、厚さ約２５μｍの熱可塑性（接着温度が約１５０℃）のの接着シート１３ｄを貼り付けておく。

この様な材料を用いて、先ず、可撓性回路基板１３におけるチップ搭載面Ｆｃのベアチップ接続用電極１３ｅにフラックス又はクリーム半田を塗布し、フリップベアチップ実装マウンターやベアチップマウンターを用いて、ベアチップ１１、支持体１２を図６に示すように仮搭載する。図６は、ベアチップ１１等が仮搭載された可撓性回路基板１３の図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。

次に、ベアチップ１１等が仮搭載された可撓性回路基板１３を１８０℃に加熱したヒーターステージ上に吸着固定させる。そして、この状態で、加圧ツールを用いて可撓性回路基板１３を辺Ｋ（図６（ｂ）参照）で折り曲げ、ベアチップ１１と支持体１２の表面に接着させる。これにより、可撓性回路基板１３は、ベアチップ１１と支持体１２とを包み、かつ、これらに接着する。図７は、この様にして形成されたパッケージの断面図である。

その後、可撓性回路基板１３における端子側面Ｆｔの外部端子１４に、はんだボールをフラックスで仮搭載した後、リフロー炉に投入して、はんだ接続を行った。図８は、はんだボールで、はんだ接続したパッケージの断面図である。

次に、導熱シート２２を配置し、可撓性回路基板１３における支持体側開口部１５ａから見える支持体１２と放熱部２４とを接触させる。

そして、半導体装置２Ａをマウンターにより実装基板１０に搭載し、リフロー装置を用いて、これらの半導体装置２Ａを実装基板１０に、はんだ接続させた。

なお、上記製造方法は一例であることを敢えて付言する。従って、発明の精神を逸脱しない範囲でさらに多くの改変を施しえるのは言うまでも無いことである。

以上説明したように、可撓性回路基板１３の支持体側開口部１５ａに露出している支持体１２を、脚部２３を介して放熱部２４に熱伝導させることが可能になって、ベアチップ１１で発生した熱が効率的に放熱できるようになる。放熱性が向上することは、実装面積の増大が抑制でき、また高密度実装が可能になることを意味する。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と、同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

第１実施形態においては、脚部２３は、支持体１２とのみ熱接触する構成であった。しかし、本発明はこれに限定されず、例えば図９に示すように、ベアチップ１１とも熱接触するようにしても良い。なお、図９において導熱シートは図示省略されている。

図９に示す半導体装置２Ｂは、ベアチップ１１に対向した可撓性回路基板１３の領域を開口してベアチップ側開口部１５ｂを形成すると共に、このベアチップ側開口部１５ｂに対応して脚部２５を追加して設けている。

これにより、ベアチップ１１の熱は脚部２５からも放熱されるので、これまで述べた効果に加え、さらに放熱効率が向上する。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。なお、上述した実施形態と、同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。これまでの各実施形態においては、放熱効率を向上させるために、脚部２３，２５等を設けてベアチップ１１の熱を放熱部２４に導く構成について説明した。しかし、本発明は、かかる構成に限定されるものではない。例えば図１０に示すように、熱を、脚部２３を介して実装基板１０に流動させるようにしてもよい。

なお、図１１に示すように、可撓性回路基板１３にベアチップ１１と対向するベアチップ側開口部１５ｂのみを設けた構成の半導体装置２Ｄでも良い。また、図１２に示すように、可撓性回路基板１３に支持体側開口部１５ａとベアチップ側開口部１５ｂとを設けて、脚部２３，２５により放熱する構成の半導体装置２Ｅでも良い。

これら図１０〜図１２に示す半導体装置２Ｃ〜２Ｅは、実装基板１０が放熱部２４の放熱機能を兼ねた構成である。これにより、これまで述べた効果に加え、半導体装置の高さを高くすることなくベアチップ１１の発熱を外部に効率よく放熱できるようになる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態を説明する。なお、上述した実施形態と、同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

これまで説明した半導体装置においては、脚部２３，２５は、放熱部２４側又は実装基板１０側のいずれか一方に設けた。これに対し、本実施形態では、脚部を放熱部２４側と実装基板１０側との両方に設けた。図１３は、この様な構成の半導体装置２Ｆの断面図である。

この半導体装置２Ｆでは、支持体１２を挟んで上下に脚部２３が設けられ、この脚部２３に放熱部２４や実装基板１０が熱接触している。従って、これまで述べた効果に加え、放熱パスが増大することによる放熱効率が向上する。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態を説明する。なお、上述した実施形態と、同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

上述した各実施形態においては、半導体装置は、１つのベアチップを含む構成であった。しかし、本発明は係る構成に限定されない。即ち、複数のベアチップを含んでも良い。このとき、各ベアチップは同種類又は異なる種類であってもよい。

図１４は、２つのベアチップ１１ａ，１１ｂを積層した半導体装置２Ｇの断面図である。即ち、半導体装置２Ｇは、第１実施形態に係る半導体装置２Ａの下部に第３実施形態に係る半導体装置２Ｃを配置して、これらを実装基板１０に搭載した構造となっている。

このとき、半導体装置２Ａと半導体装置２Ｃとは、外部端子１４により電気的に接続されて、半導体装置２Ａ，２Ｃへの信号は実装基板１０を介して行われる。

このように、複数のチップを積層した構成にすることで、実装面積の増大を抑制しながら、放熱効率の優れた半導体装置を得ることができる。

なお、図１４に示す半導体装置２Ｇは、半導体装置２Ａと半導体装置２Ｃとを積層した構造であるが、積層する半導体装置を限定するものではないことを敢えて付言する。

２Ａ〜２Ｇ 半導体装置
４ 素子部
６ 放熱部
１０ 実装基板
１１，１１ａ，１１ｂ ベアチップ
１２ 支持体
１３ 可撓性回路基板
１５ａ 支持体側開口部
１５ｂ ベアチップ側開口部
２１ 放熱材
２２ 導熱シート
２３ 脚部
２４ 放熱部
２５ 脚部

Claims (10)

1. 実装基板に搭載されるベアチップを備えた半導体装置であって、
   前記ベアチップと概ね同じ厚みで、かつ、当該ベアチップに隣接して配置された支持体と、
   前記ベアチップ及び前記支持体が搭載され、かつ、該ベアチップ及び該支持体を包むように折り曲げられる可撓性回路基板と、
   前記ベアチップ及び前記支持体を包みこんだ前記可撓性回路基板の外面に熱接触して設けられた放熱部と、
   前記可撓性回路基板を挿通して、当該可撓性回路基板で包まれた領域内の熱を、該可撓性回路基板で囲まれた領域の外に導き、前記支持体、及び、前記ベアチップの大部分に形成される脚部と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記支持体に対向する前記可撓性回路基板における前記放熱部側の領域が開口されて、前記脚部が当該開口を挿通して、前記支持体と前記放熱部とを熱接続することを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記支持体に対向する前記可撓性回路基板における前記実装基板側の領域が開口されて、前記脚部が当該開口を挿通して、前記支持体と前記実装基板とを熱接続することを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記ベアチップに対向する前記可撓性回路基板における前記放熱部側の領域が開口されて、前記脚部が当該開口を挿通して、前記ベアチップと前記放熱部とを熱接続することを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記ベアチップに対向する前記可撓性回路基板における前記放熱部側の領域と前記実装基板側の領域の両方が開口されて、前記脚部が当該両方の開口を挿通して、前記ベアチップ並びに前記放熱部及び前記実装基板とを熱接続することを特徴とする半導体装置。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記開口は矩形形状、楕円形状、円形状の少なくとも１つの形状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
   
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記ベアチップ及び前記支持体を包む前記可撓性回路基板が複数積層されて、前記実装基板に搭載されていることを特徴とすることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記支持体は、Ｆｅ、ＮｉとＦｅを含んだ合金、アルミニウム、アルミニウムを含んだ合金、銅、ＮｉとＣｒを含んだ合金、Ｃｒを含んだ合金、シリコン、樹脂材料、雲母、マイカのうちいずれか１つの材料を含むことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記ベアチップは、半導体ＩＣ、パッケージ化された電子部品、コンデンサ、抵抗、インダクタのいずれか１つを含むことを特徴とする半導体装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置を搭載した電子機器。

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