JPH0964252A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体素子と放熱板との熱膨脹率の相違に基
づく、半導体素子のクラックを防止して半導体装置の信
頼性を向上することが可能な技術を提供する。 【構成】 半導体素子４の裏面には半田バンプのような
導電体５を介して、半導体素子４と同じ材料であるＳｉ
からなる放熱板７が取り付けられている。半導体素子４
と放熱板７とに同じ材料を用いることにより、両者間に
熱膨張率の相違はないので、半導体素子４が放熱板７に
よって応力を受けることはなくなる。よって、半導体素
子４のクラックを防止して半導体装置の信頼性を向上す
ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
に、所望の半導体材料からなる半導体素子がパッケージ
に封止されるとともに、半導体素子の表面に形成された
複数の端子電極が導電体を介してパッケージの外部に電
気的に引き出されてなる半導体装置に適用して有効な技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩで代表される最近の半導体装置
は、より高集積化、多機能化が要求されるに伴い、ます
ます多ピン化の傾向にある。このような多ピン化に対応
するパッケージ技術の一例として、例えば、日経ＢＰ社
発行、「日経エレクトロニクス」、１９９４、２−１４
号、Ｐ５９〜Ｐ７３に記載されているようなＢＧＡ（Ｂ
ａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）構造が知られている。
このＢＧＡ構造は、表面実装型のＬＳＩにおいて、配線
基板に接続する実装用の電極としてリードの代わりに半
田バンプのような球状電極を用いるようにしたものであ
り、この球状電極は半導体素子（半導体チップ）を取り
付けた支持基板の表面側と反対の裏面側に格子状に配置
されている。また、支持基板の表面は半導体素子を封止
する樹脂製のパッケージで覆われている。

【０００３】このＢＧＡ構造のパッケージは、ＬＳＩに
おいてこれ以前から用いられている代表的なパッケージ
であるＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）
に比較して、より高集積化された場合のピンピッチを小
さくでき、同じピン数の場合にはパッケージの面積を小
さくできるという利点がある。

【０００４】一方、そのように高集積化されたＬＳＩに
おいては、動作中は半導体素子から多量の熱が発生する
ので、半導体装置を熱的に安定に動作させるためには、
それらの熱を効率良く外部に放熱させる必要がある。

【０００５】このような目的で、Ｃｕのような放熱性に
優れた放熱板を用いて半導体素子をＡｇペーストのよう
な接着剤を介して取り付けるようにした樹脂封止型半導
体装置が、例えば日経ＢＰ社発行、「日経マイクロデバ
イス」、１９８８年１１月号、Ｐ７４〜Ｐ７５に記載さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記のように放熱性を
改善するためにＣｕのような放熱板に半導体素子を取り
付けた構造では、半導体素子の材料と放熱板との材料が
異なることにより、両者の熱膨張率の相違に基づき半導
体素子が放熱板によって応力を受けてクラックし易くな
るので、半導体装置の信頼性が低下するという問題があ
る。

【０００７】例えば、半導体素子を構成するＳｉの熱膨
脹率は約２．６×１／１０⁶ （２０℃）であるのに対し
て、放熱板を構成するＣｕの熱膨脹率は約１６．５×１
／１０⁶ （２０℃）であり、ＣｕはＳｉの６倍強の値を
有している。従って、半導体素子は大きな応力を受ける
ようになる。

【０００８】本発明の目的は、半導体素子と放熱板との
熱膨脹率の相違に基づく、半導体素子のクラックを防止
して半導体装置の信頼性を向上することが可能な技術を
提供することにある。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下
記の通りである。

【００１１】本発明の半導体装置は、所望の半導体材料
からなる半導体素子がパッケージに封止されるととも
に、前記半導体素子の表面に形成された複数の端子電極
が導電体を介してパッケージの外部に電気的に引き出さ
れてなる半導体装置であって、前記半導体素子の裏面に
前記半導体材料と同じ材料の放熱板が取り付けられてい
る。

【００１２】

【作用】上述した手段によれば、本発明の半導体装置
は、所望の半導体材料からなる半導体素子がパッケージ
に封止されるとともに、前記半導体素子の表面に形成さ
れた複数の端子電極が導電体を介してパッケージの外部
に電気的に引き出されてなる半導体装置であって、前記
半導体素子の裏面に前記半導体材料と同じ材料の放熱板
が取り付けられているので、半導体素子と放熱板との熱
膨脹率の相違に基づく、半導体素子のクラックを防止し
て半導体装置の信頼性を向上することが可能となる。

【００１３】以下、本発明について、図面を参照して実
施例とともに詳細に説明する。

【００１４】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の実施例１による半導体装置
を示す平面図で、ＢＧＡ構造のパッケージを有するＬＳ
Ｉに適用した例を示している。本実施例の半導体装置１
は、予め表面に所望のパターンの配線３が形成された例
えばプラスチック材料、セラミック材料などからなる絶
縁性の支持基板２が用いられて、この支持基板２の配線
３には例えばＳｉからなる半導体素子（半導体チップ）
４が半田バンプのような複数の導電体５を介してフリッ
プチップ法によって接続されている。

【００１６】支持基板２の裏面には、半田バンプのよう
な球状電極からなる複数の実装用電極６が格子状に配置
されていて、各実装用電極６はスルーホール配線（図示
せず）を介して表面の対応する配線３に導通されてい
る。これによって、半導体素子４の表面に形成されてい
る複数の端子電極は、導電体５を介して電気的に支持基
板２の裏面に引き出されたことになる。

【００１７】半導体素子４の裏面には半田バンプのよう
な導電体５を介して、半導体素子４と同じ材料であるＳ
ｉからなる放熱板７が取り付けられている。この放熱板
７は一例として、半導体素子４とほぼ同じ厚さである約
３００〜５００μｍ程度のものが用いられる。ここで、
Ｓｉは約１６８（Ｗ／ｍ・Ｋ、０℃）の熱伝導率を有し
ている。これに対して、従来、放熱板として用いられて
いるＣｕの熱伝導率は約４０３（Ｗ／ｍ・Ｋ、０℃）で
ある。Ｓｉは従来広く用いられているＣｕに比較して、
放熱性の度合いは劣るものの十分に放熱板７として機能
する。

【００１８】支持基板２の表面は半導体素子４を外部の
雰囲気から保護するように例えばエポキシ樹脂からなる
パッケージ８によって封止されている。放熱板７は少な
くとも半導体素子４と反対側の表面が露出されるように
パッケージ８で覆われている。なお、導電体５および実
装用電極６を構成する半田バンプの数は、説明を簡単に
するため限られた数で例をあげて説明しているが、実際
のＬＳＩにおいては、数１０個乃至数１００個が用いら
れる。

【００１９】次に、本実施例の半導体装置の製造方法
を、図７乃至図１０を参照して工程順に説明する。

【００２０】まず、図７に示すように、表面の所望のパ
ターンの配線３にフリップチップ法によって半田バンプ
のような導電体５を介して半導体素子４が接続された、
例えばプラスチック材料、セラミック材料などからなる
絶縁性の支持基板２を用意する。支持基板２の裏面には
この時点では実装用電極６は形成されていない。

【００２１】次に、図８に示すように、半導体素子４の
裏面に半田バンプのような導電体５を介して、半導体素
子４と同じ材料であるＳｉからなる厚さ約３００〜５０
０μｍ程度の放熱板７を取り付ける。

【００２２】続いて、図９に示すように、支持基板２を
トランスファモールド装置の上型９と下型１０との間の
キャビティ１２にセットして、ゲート１１から矢印のよ
うに流動状態の例えばエポキシ樹脂１３を充填する。こ
の際、放熱板７の少なくとも表面は樹脂で覆われないよ
うにしてトランスファモールドを行う。

【００２３】次に、図１０に示すように、トランスファ
ーモールド終了後に、支持基板２の裏面に半田バンプの
ような球状電極からなる複数の実装用電極６を格子状に
形成する。これは例えば、予め支持基板２を反転した状
態で半田片を支持基板２の裏面に供給した後、リフロー
によって加熱してその半田片をバンプとすることによっ
て形成することができる。あるいは、支持基板２の裏面
の所望位置に予めクリーム半田を印刷した後、リフロー
によって加熱してクリーム半田を溶融してバンプ化させ
ことによって形成することができる。

【００２４】以上によって、図１に示したような半導体
装置１が得られる。この本実施例による半導体装置１
は、半導体素子４とこの裏面に取り付けられた放熱板７
とが同じＳｉから構成されているので、両者間に熱膨張
率の相違はない。従って、放熱板７によって半導体素子
４が応力を受けることはなくなる。しかし、半導体素子
４には放熱板７が取り付けられているので、前記したよ
うな熱伝導率に基づいた放熱効果を得ることができる。
これは、Ｃｕのような高い熱伝導率を有する放熱板より
も放熱効果は小さくとも、半導体素子４を熱的に安定に
動作させて、半導体素子４のクラックを防止したいよう
な用途に適用して有効である。

【００２５】また、放熱板７を本来の目的に利用する他
に、この放熱板７が半導体素子４の裏面と導通している
ことを利用してグランド（接地）電極として作用させる
こともできる。これにより、例えばＭＯＳＬＳＩによっ
て半導体素子４が構成されているような場合は、ウエル
領域を接地することができるので、ノイズの影響を低減
できるようになる。これはＬＳＩを高速動作させる上で
利点となる。

【００２６】このような実施例１によれば次のような効
果が得られる。

【００２７】（１）半導体素子４の裏面には半田バンプ
のような導電体５を介して、半導体素子４と同じ材料で
あるＳｉからなる放熱板７が取り付けられているので、
半導体素子４と放熱板７との熱膨張率の相違に基づく、
半導体素子４のクラックを防止して半導体装置の信頼性
を向上することが可能となる。

【００２８】（２）半導体素子４の裏面に導通している
放熱板７をＬＳＩの接地電極として利用することができ
るので、ノイズの影響を低減することが可能となる。

【００２９】（実施例２）図２は本発明の実施例２によ
る半導体装置を示す平面図で、図１の実施例１の構造に
おいて半導体素子４の裏面に放熱板７を取り付ける導電
体５として、半田バンプに代えて導電性接着剤を用いた
例を示すものである。この導電性接着剤としては、例え
ばＡｇペーストなどを用いることができる。

【００３０】このように導電性接着剤を導電体５として
用いることにより、放熱板７を半導体素子４の裏面の全
体に取り付けることができるので、放熱板７と半導体素
子４との接触面積を増加させることができるため、極め
て効果的となる。

【００３１】この実施例２によれば、特に導電体５とし
て導電性接着剤を用いることにより、放熱板７と半導体
素子４との接触面積を増加させることができるので、半
導体素子４で発生した熱をより効率的に伝導できるとい
う効果が得られる。

【００３２】（実施例３）図３は本発明の実施例３によ
る半導体装置を示す平面図で、図１の実施例１の構造に
おいて半導体素子４の裏面に導電体５を介して取り付け
る放熱板７として、少なくとも半導体素子４よりも大き
い面積のものを用いた例を示すものである。

【００３３】放熱板７として十分に作用させる要素とし
ては板厚よりも板面積の方が大きく効いてくるので、本
実施例のように大きい面積の放熱板７を用いることは、
周囲の空間との接触面積を増加させることができるよう
になるため、極めて効果的となる。

【００３４】この実施例３によれば、特に大きい面積の
放熱板７を用いることにより、周囲の空間との接触面積
を増加させることができるので、半導体素子４で発生し
た熱の放熱能力を高められるという効果が得られる。

【００３５】（実施例４）図４は本発明の実施例４によ
る半導体装置を示す平面図で、図３の実施例３の構造に
おいて半導体素子４の裏面に放熱板７を取り付ける導電
体５として、半田バンプに代えて導電性接着剤を用いた
例を示すものである。

【００３６】この実施例４によれば、特に大きい面積の
放熱板７を用いた上で導電体５として導電性接着剤を用
いることにより、周囲の空間との接触面積を増加させる
ことができるとともに、放熱板７と半導体素子４との接
触面積を増加させることができるので、半導体素子４で
発生した熱をより効率的に伝導でき、かつ放熱能力を高
められるという効果が得られる。

【００３７】（実施例５）図５は本発明の実施例５によ
る半導体装置を示す平面図で、図１の実施例１の構造に
おいて放熱板７の裏面に導電性接着剤のような導電体５
を介して、さらに第２の放熱板１４を取り付けた例を示
すものである。

【００３８】この場合、第２の放熱板１４の材料は半導
体素子４と同じＳｉを用いることができ、あるいはＳｉ
以外のＣｕのような材料を用いることも可能である。こ
の第２の放熱板１４は直接に半導体素子４の裏面に取り
付けないので、ＣｕのようにＳｉよりも大きい熱膨脹率
を有する材料でも使用が可能になる。

【００３９】この実施例５によれば、特に放熱板７にさ
らに第２の放熱板１４を取り付けるようにしたので、よ
り一層放熱能力を高められるという効果が得られる。

【００４０】（実施例６）図６は本発明の実施例６によ
る半導体装置を示す平面図で、図２の実施例２の構造に
おいて放熱板７の裏面に導電性接着剤のような導電体５
を介して、さらに第２の放熱板１４を取り付けた例を示
すものである。

【００４１】この実施例６によれば、特に放熱板７にさ
らに第２の放熱板１４を取り付けるようにしたので、実
施例５と同じようにより一層放熱能力を高められるとい
う効果が得られる。

【００４２】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００４３】例えば、前記実施例ではＢＧＡ構造のパッ
ケージを有するＬＳＩに適用した例で説明したが、これ
に限らずＰＧＡ構造のパッケージを有するような他のタ
イプに適用することもできる。

【００４４】また、半導体素子をフリップチップ法によ
って支持基板に接続した例で説明したが、これに限らず
例えば従来例で説明したタイプのようにリードフレーム
を用いて接続する場合にも適用可能である。

【００４５】さらに、半導体素子および放熱板の材料と
してはＳｉを用いる例で説明したが、Ｓｉ以外の材料を
用いるようにしても良い。

【００４６】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野である半導体
装置の技術に適用した場合について説明したが、それに
限定されるものではない。本発明は、少なくとも半導体
素子の裏面を利用して放熱能力を高める条件のものには
適用できる。

【００４７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【００４８】半導体素子の裏面には導電体を介して半導
体素子と同じ材料からなる放熱板が取り付けられている
ので、半導体素子と放熱板との熱膨脹率の相違に基づ
く、半導体素子のクラックを防止して半導体装置の信頼
性を向上することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による半導体装置を示す断面
図である。

【図２】本発明の実施例２による半導体装置を示す断面
図である。

【図３】本発明の実施例３による半導体装置を示す断面
図である。

【図４】本発明の実施例４による半導体装置を示す断面
図である。

【図５】本発明の実施例５による半導体装置を示す断面
図である。

【図６】本発明の実施例６による半導体装置を示す断面
図である。

【図７】本発明の実施例１による半導体装置の製造方法
の一工程を示す断面図である。

【図８】本発明の実施例１による半導体装置の製造方法
の他の工程を示す断面図である。

【図９】本発明の実施例１による半導体装置の製造方法
のその他の工程を示す断面図である。

【図１０】本発明の実施例１による半導体装置の製造方
法のその他の工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１…半導体装置、２…支持基板、３…配線、４…半導体
素子（半導体チップ）、５…導電体、６…実装用電極、
７…放熱板、８…パッケージ、９…トランスファモール
ド装置の上型、１０…トランスファモールド装置の下
型、１１…トランスファモールド装置のゲート、１２…
トランスファモールド装置のキャビティ、１３…流動状
態の樹脂、１４…第２の放熱板。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所望の半導体材料からなる半導体素子が
   パッケージに封止されるとともに、前記半導体素子の表
   面に形成された複数の端子電極が導電体を介してパッケ
   ージの外部に電気的に引き出されてなる半導体装置であ
   って、前記半導体素子の裏面に前記半導体材料と同じ材
   料の放熱板が取り付けられたことを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記放熱板は、バンプ状導電体あるいは
   導電性接着剤を介して半導体素子の裏面に取り付けられ
   たことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記放熱体の裏面にさらに他の放熱体が
   取り付けられたことを特徴とする請求項１または２に記
   載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記放熱体は、前記半導体素子に対する
   接地電極として使用されることを特徴とする請求項１乃
   至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 前記半導体素子および放熱体は、シリコ
   ンからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
   １項に記載の半導体装置。