JPWO2014188632A1 - 放熱構造を有する半導体装置および半導体装置の積層体 - Google Patents

放熱構造を有する半導体装置および半導体装置の積層体 Download PDF

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岳雄 越智
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Panasonic Corp
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Abstract

半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の第一の面に配置された電極と、半導体基板の第一の面と反対側の第二の面に形成された回路と、回路と電極とを接続する導電体と、半導体基板の外周に配置された第１のリードと、電極と第１のリードとを接続する接続部材と、半導体基板と第１のリードと接続部材とを封止する封止材とを備え、半導体基板の第二の面が封止材から露出している。

Description

本開示は、放熱構造を有する半導体装置とその製造方法に関する。
以下、特許文献１の半導体装置の構成について図１３を参照しながら説明する。図１３は、特許文献１の半導体装置の断面図である。
図１３に示すように、半導体装置は、半導体基板１０１、ワイヤ１０２、封止樹脂１０３、およびリード１０４からなり、半導体基板１０１の外周にリード１０４が配置されている。
電極１０８を含む回路は半導体基板１０１の上面側に形成され、半導体基板１０１の電極１０８とリード１０４の内部端子１２７とがワイヤ１０２で接続されている。
半導体基板１０１、リード１０４、およびワイヤ１０２が封止樹脂１０３で封止成形され、半導体基板１０１の下面１０６とリード１０４の下面１２６とが半導体装置の下面において封止樹脂１０３から露出する。
特許文献２の半導体装置の構成について、図１４を参照しながら説明する。図１４は、特許文献２の半導体装置の断面図である。
図１４に示すように、半導体装置は、半導体基板１０１、ワイヤ１０２、封止樹脂１０３、リード１０４からなり、半導体基板１０１の外周にリード１０４が配置されている。
電極１０８を含む回路は半導体基板１０１の上面側に形成され、半導体基板１０１の電極１０８とリード１０４の内部端子部１２７とがワイヤ１０２で接続され、半導体基板１０１、リード１０４およびワイヤ１０２が封止樹脂１０３で封止されている。
半導体基板１０１の厚さはリード１０４よりも薄く、また、リード１０４には段差があり、内部端子１２７はリード１０４の上面１２５よりも一段低く形成されている。
リード１０４の下面１２６と半導体基板１０１の下面１０６は、半導体装置の下面において同一平面で封止樹脂１０３の外部に露出し、かつリード１０４の上面１２５が、半導体装置の上面で外部に露出する。
特開２００６−１９６５５６号公報 特開２００１−１７７００５号公報
上記従来技術には放熱性の観点から以下の問題点がある。
１）半導体基板の回路が、半導体基板の上面に形成され、かつ封止樹脂で覆われているため、回路からの放熱性が悪い。
２）上記放熱性の課題への対策として放熱板を外付けする方法があるが、その場合は実装体の厚みが増加し、薄型化が困難となる。また、工程が増加し、量産性が低下する。
３）半導体装置を複数積層した場合、各層の半導体基板が、上下の半導体装置に挟まれて、更に放熱性が悪くなる。
かかる点に鑑みて、本開示の課題は、放熱性が高く、薄型化が可能な半導体装置とその積層体を提供することである。
本開示に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の第一の面に配置された電極と、半導体基板の第一の面と反対側の第二の面に形成された回路と、回路と電極とを接続する導電体と、半導体基板の外周に配置された第１のリードと、電極と第１のリードとを接続する接続部材と、半導体基板と第１のリードと接続部材とを封止する封止材とを備え、半導体基板の第二の面が封止材から露出している。
また、上記半導体装置において半導体基板の第二の面には、回路を覆うように配置された絶縁膜と、絶縁膜を覆うように配置された金属膜とを有してもよい。
本開示に係る半導体装置は、導電体により、半導体基板の回路が配置される面と電極が配置される面とを分離することができる。したがって、回路を半導体基板の第二の面に形成し、封止材から露出させることで、放熱のための追加部材を外付けせず薄型を保ったままで、放熱性が高い半導体装置を実現できる。
また、本開示に係る他の半導体装置は、半導体基板の第二の面を金属膜で被覆して、封止材から露出させることができるため、さらなる高放熱化が可能になる。
図１Ａは、第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る半導体装置に用いる、半導体基板の断面拡大図である。 図２は、第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図３Ａは、第２の実施形態の変形例に係る、半導体装置の積層体の断面図である。 図３Ｂは、第２の実施形態の変形例に係る、半導体装置の積層体の断面図である。 図４Ａは、第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であり、封止材３を透視した場合の上面図である。 図４Ｂは、第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であり、図４ＡのIVB-IVB線における断面図である。 図４Ｃは、第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であり、図４ＡのIVc-IVc線における断面図である。 図４Ｄは、第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す上面図である。 図４Ｅは、第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す底面図である。 図５（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造工程の第一の例を説明するための図である。 図６（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造工程の第二の例を説明するための図である。 図７（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造工程の第三の例を説明するための図である。 図８Ａは、第３の実施形態の変形例１に係る、半導体装置の積層体の断面図である。 図８Ｂは、第３の実施形態の変形例１に係る、半導体装置の積層体の断面図である。 図９は、第３の実施形態の変形例２に係る、半導体装置の接続体の上面図である。 図１０Ａは、第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であり、封止材３を透視した場合の上面図である。 図１０Ｂは、第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であり、図１０ＡのXb-Xb線における断面図である。 図１０Ｃは、第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図であり、図１０ＡのXc-Xc線における断面図である。 図１０Ｄは、第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す上面図である。 図１０Ｅは、第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す底面図である。 図１１Ａは、第４の実施形態に係る半導体装置の底面図の他の例である。 図１１Ｂは、第４の実施形態に係る半導体装置の底面図の他の例である。 図１２は、第４の実施形態の変形例に係る、半導体装置の接続体の上面図である。 図１３は、従来の半導体装置の構成図である。 図１４は、従来の半導体装置の別の構成図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら説明する。
図１Ａに示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板１と、接続部材２と、封止材３と、第１のリードであるリード４とを備えている。
図１Ｂに示すように、半導体基板１は、第一の面７に電極８を、第二の面に回路２３を、電極８と回路２３とを電気的に接続する導電体９を有している。
さらに、半導体基板１の第二の面６には、回路２３上に絶縁膜２４が配置され、それを覆うように金属膜１０を備えているのが望ましい。
接続部材２は、例えばワイヤ等の金属細線であり、Ａｕ線、Ｃｕ線、Ａｌ線等を用いることができる。
封止材３は、半導体基板１、接続部材２およびリード４を封止するためのもので、一般的には樹脂である。例えば、エポキシ材にＳｉフィラーを配合した熱硬化性材料を用いる。
リード４は、半導体基板１の外周に配置されている。また、半導体基板１とリード４とは半導体装置の最下層に配置され、第二の面が封止材３から露出している。半導体基板１の第一の面７に配置された電極８とリード４の内部端子２７とは、接続部材２によって接続されている。
なお、リード４の第二の面２６と半導体基板１の第二の面６は、同一平面で外部に露出していてもよい。
リード４は、ＣｕやＦｅを基材とし、ＣｕにＮｉ、Ｐｄ、Ａｕメッキを積層したものや、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇメッキを積層したもの、もしくはＦｅ−Ｎｉ合金にＡｇをメッキしたもの等を用いることができる。
リード４の第一の面２５は、半導体基板１の第一の面７と同じ高さであってもよい。
半導体基板１の上面７に形成された電極８は、例えばＡｌであり、また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕを積層して形成したもの等で形成することができる。
電極８と回路２３とは、半導体基板１の第一の面７と第二の面６を電気的に接続する導電体９によって接続されている。導電体９は、例えば第一の面７から第二の面６までを貫通する貫通電極であり、シリコンに形成した貫通孔にＳｉＯ２等の絶縁層を形成した後に、Ｔｉ及びＣｕを蒸着後、Ｃｕでメッキする等の方法で形成することができる。なお、導電体９の形状は任意である。
導電体９により、半導体基板１の回路２３と電極８とを、それぞれ第一の面６と第二の面７とに分離して配置することができる。これにより、発熱量の大きい第一の面６を封止材３から露出させることができ、放熱性を向上させた半導体装置を得られる。また、放熱性を高めるために、放熱板等を外付けする必要がないため、半導体装置の厚さを薄く保つことができる。
半導体基板１の第二の面６には、回路２３を被覆する絶縁膜２４が配置される。絶縁膜２４は、例えばＳｉＯ２やＳｉＮ、ポリイミド等の膜である。絶縁膜２４は、回路２３が形成された第二の面６の全面を被覆してもよいし、回路２３が露出した領域のみ被覆してもよい。絶縁膜２４は、回路２３と半導体基板１の外部との絶縁がとれる程度の材料と厚みであればよい。また、半導体装置の薄型化の観点からは、薄いほど望ましい。
また、絶縁膜２４の、回路２３と対向する面の反対側は、金属膜１０で被覆される。金属膜１０は、例えばＣｕやＡｌ等の膜であり、更に表面保護や接続が必要な場合は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕメッキを積層したもの、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄメッキを積層したもの、およびハンダ等で被覆してもよい。金属膜１０は、封止材３から露出し、半導体装置外部に露出している。放熱性の観点からは、金属膜１０は絶縁膜２４の全面を覆っていることが望ましい。
なお、金属膜１０の露出面とリード４の第二の面２６とは同一平面であってもよい。
以上、半導体基板１は、その第二の面６側が半導体装置の最下層になるように配置され、ダイパッドレス構造となっている。
以上、本実施形態に係る半導体装置よると、導電体９により、半導体基板１の回路２３と電極８とを、それぞれ第一の面６と第二の面７とに分離して配置できる。さらに、回路２３が配置された半導体基板１の第二の面６を、絶縁膜２４を介して金属膜１０で被覆し、封止材３で覆うことなく、半導体装置から露出させることができるため、高放熱化が可能になる。また、放熱性を高めるための放熱板等を外付けする必要がないため、半導体装置の厚さを極力薄くすることができる。さらに、放熱板の装着に要する工程の追加が不要であるため、量産性を損なわずに製造できる。また、半導体装置の外形を、放熱板がない場合と同等にできるため、放熱板を外付けする場合よりも、取り扱い性に優れる。
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る半導体装置の構成ついて、図２を参照しながら説明する。主に、第１の実施形態との相違点を説明する。
本実施形態では、リード４は半導体基板１に向かい合う側に段差を備える。具体的には、リード４の内部端子２７は、リード４の第一の面２５よりも低く形成されている。内部端子２７とリード４の第一の面２５との間における段差の数は任意である。
図２に示すように、半導体基板１の第一の面７の電極８とリード４の内部端子２７とは接続部材２で接続されているが、上述した段差により、接続部材２の頂点の高さはリード４の第一の面２５の高さよりも低い。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置では、リード４の第二の面２６と半導体基板１の第二の面６とが、封止材３から露出し、かつリード４の第一の面２５が、封止材３から露出した構成となる。つまり、半導体装置の上下面にリード４を露出することができるため、放熱性が高く薄型の半導体装置を容易に積層することができる。
なお、半導体基板１の第二の面６を覆う金属膜１０と、リード４の第二の面２６とは、同一平面で封止材３から露出してもよい。
（第２の実施形態の変形例）
次に、第２の実施形態に係る半導体装置を用いた積層体の構成について、図３Ａ、図３Ｂを参照しながら説明する。
図３Ａ、図３Ｂは各々、第２の実施形態に係る半導体装置を複数積層した、半導体装置の積層体の例を示す断面図である。図３Ａ、図３Ｂに示す第１の半導体装置１７および第２の半導体装置１８は、図２に示す半導体装置と同様の構成であり、リード４に段差を有する。
図３Ａに示す半導体装置の積層体は、第１の半導体装置１７と、第２の半導体装置１８が、互いのリード４の第一の面２５を対向して配置されて成る。すなわち、第１の半導体装置１７のリード４の第一の面２５と第２の半導体装置１８のリード４の第一の面２５とが、ハンダ１３で接続されて積層体を形成する。
このような構成により、第１および第２の半導体装置１７、１８はいずれも、回路２３が形成された、半導体基板１の第二の面６を封止材３で覆うことなく露出させることができる。また、第２の半導体装置１８の半導体基板１の第二の面６は、下側の第１の半導体装置１７と反対側を向くため、第二の面６に配置された回路２３が、第１および第２の半導体装置１７、１８の封止材３に挟まれて放熱性が悪化することを防げる。
さらに放熱性を高めるために、本変形例の半導体装置の積層体は、第２の半導体装置１８の回路２３が形成された側の面に放熱板５を取り付けてもよい。放熱板５は、例えばＣｕや４２アロイなどの合金であり、金属膜１０にハンダ１３で接合されている。
また、第１の半導体装置１７は、実装基板１４に搭載されてもよい。すなわち、第１の半導体装置１７において、リード４の第二の面２６は、ハンダ１３によって実装基板１４の配線用ランド１５に接続されている。ここで、実装基板１４は、半導体基板１に対向する箇所に放熱用ランド１６を有してもよく、半導体基板１の金属膜１０は、ハンダ１３によって放熱用ランド１６に接続されている。放熱用ランド１６は、実装基板１４を厚み方向に貫通している。
このように、図３Ａに示す半導体装置の積層体は、第１および第２の半導体装置１７、１８を、各々の半導体基板１の回路２３が形成された第二の面６を背けて積層し、さらに第１の半導体装置１７の半導体基板１の金属膜１０を実装基板１４の放熱用ランド１６に、あるいは第２の半導体装置１８の半導体基板１の金属膜１０を放熱板５に、それぞれ接続できるため、高放熱化が可能になる。
図３Ｂに示す半導体装置の積層体は、第１および第２の半導体装置１７、１８が、互いのリード４の第二の面２６を対向して配置され、第１の半導体装置１７と第２の半導体装置１８の間に、放熱板５を備える。すなわち、第１の半導体装置１７のリード４の第二の面２６と第２の半導体装置１８のリード４の第二の面２６とが、ハンダ１３で接続されて積層体を形成し、放熱板５はハンダ１３を介して、第１および第２の半導体装置１７、１８の金属膜１０と接続される。
このような構成により、第１および第２の半導体装置１７、１８はいずれも、回路２３が形成された面を封止材３で覆うことなく露出したうえ、金属膜１０に放熱板５を取り付けるため、高放熱化を実現できる。また、上下に積層した半導体装置１７、１８で１つの放熱板５を共用することができるため、放熱性を高めながら薄型化が可能である。
また、第１の半導体装置１７は、実装基板１４に搭載されてもよい。すなわち、第１の半導体装置１７において、リード４の第一の面２５は、ハンダ１３によって実装基板１４の配線用ランド１５に接続されている。
なお、実装基板１４は、図３Ａの例のように、半導体基板１に対向する箇所に放熱用ランド１６を有してもよい。
このように、図３Ｂに示す半導体装置の積層体は、第１および第２の半導体装置１７、１８を、各々の半導体基板１の回路２３が形成された第二の面６を向かい合わせて積層し、さらに第１および第２の半導体装置１７の半導体基板１の金属膜１０を共通の放熱板５に接続できるため、高放熱化と薄型化が可能になる。
なお、上記第１および第２の実施形態において、金属膜１０の代わりに放熱板５を封止材３に埋め込むなどしてパッケージ内に内蔵し、その下面を露出してもよい。
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態に係る半導体装置の構成ついて、図４Ａ〜図４Ｅを参照しながら説明する。
図４Ａは本実施形態に係る半導体装置を上から見た図であり、封止材３の内側の半導体基板１の外形、電極８の配置、リード４や接続部材２を透視した場合の内部透視図である。図４Ｂは図４ＡのIVb−IVb断面図、図４Ｃは図４ＡのIVc−IVc断面図である。また、図４Ｄは封止材３を透視しない場合の上面図、図４Ｅは半導体装置を底から見た底面図である。本実施形態では、主に、第２の実施形態との相違点を説明する。
図４Ａに示すように、第３の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板１の上方に配置された放熱板５を有する。放熱板５の第一の面２８は、封止材３から露出している。
放熱板５は、接続部材２とリード４とを含む領域に開口部３０を有する。また、放熱板５は、半導体基板１を含まない領域において、リード４と同じ厚さで半導体装置の外周部まで延伸するように形成されている。一方、放熱板５における半導体基板１を含む領域は、半導体基板１を覆うように、放熱板５の第二の面２９を削減して、外周部より薄くなっている。つまり、放熱板５のうち半導体基板１を含む領域は、半導体基板１の上方に位置している。
以上、本実施形態に係る半導体装置よると、半導体装置の底面では、リード４の第二の面２６と、半導体基板１の第二の面６と、放熱板５の外周部の第二の面２９が、封止材３から露出する。リード４の第二の面２６、半導体基板１の第二の面６、放熱板５の外周部の第二の面２９、封止材３の底面は、面一であるのが望ましい。一方、半導体装置の上面では、リード４の第一の面２５と放熱板５の第一の面２８が、封止材３から露出した構成となっている。リード４の第１の面２５、放熱板５の第一の面２８、封止材３の上面は、面一であるのが望ましい。
このような構成とすることで、放熱板５を、半導体基板１の外周部よりも外側に延伸することができ、半導体装置の外周部で放熱板５を大きくかつ厚く形成することができる。つまり、放熱板５を最大化することができるため、放熱板５の表面積が大きくなり、放熱性をさらに向上することができる。
また、半導体基板１の上面において、放熱板５を、半導体基板１の電極８とリード４の内部端子２７とを接続した接続部材２を封止するのに必要な厚さに形成することができるため、半導体装置の薄型化が可能になる。また、同時に半導体装置の封止材３の体積が減り、上下の構成のバランスも改善するため、半導体装置の強度が向上し、ダメージおよび反りの低減が可能になる。つまり、本実施形態のような放熱板内蔵型の半導体装置によると、高放熱性に加えて、薄型化および量産性、ならびに積層容易性を両立することができる。
さらに、本実施形態に係る半導体装置は、半導体装置の外形を、放熱板がない場合と同等に形成することができるため、放熱板を外付けする従来の半導体装置よりも、取り扱い性に優れる。また、製造ライン、治工具を従来品と共用化することができる。
また、本実施形態では、半導体基板１の電極８を半導体基板１の平行する２辺に集中して配置し、放熱板５を、平面視でＨ型となるように形成している。これにより、半導体装置の２つの側面を放熱板５とすることができるため、放熱板５の容量と外部露出面積を最大化することができるとともに、半導体装置の強度を向上することができる。
（第３の実施形態の製造方法）
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図５（ａ）〜（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造工程の例を工程順に示している。
まず、図５（ａ）に示すように、第１のリリースフィルム１１に半導体基板１の第二の面６を貼り付ける。リリースフィルム１１は封止成形後に取り外すことを前提とし、基材にポリイミド系やテフロン（登録商標）系等、粘着剤にオレフィン等の１７０℃以上の耐熱性の材料を使用する。
次に、図５（ｂ）に示すように、リード４と放熱板５とを有するリードフレームをリリースフィルム１１に貼り付ける。
次に、図５（ｃ）に示すように、半導体基板１の電極８とリード４とを接続部材２で接続する。
次に、図５（ｄ）に示すように、半導体基板１と、リード４と、接続部材２と、放熱板５とを、例えば圧縮成形工法により、封止材３で封止する。方法としては、第２のリリースフィルム１２上に液状材を塗布、印刷、もしくは顆粒状材をばら撒き、過熱して溶融させる。封止材３はガラスエポキシ材等の熱硬化性材料を用いる。
具体的に、図５（ｄ）に示すように、半導体基板１が搭載され、接続部材ボンドまで行われたリードフレームを、第２のリリースフィルム１２に対向するように位置合わせし、溶融状態の封止材３を間に挟んでリードフレームを第２のリリースフィルム１２に押し付けて両者を貼り合わせて圧縮し、半導体基板１と、リード４と、接続部材２と、放熱板５と、封止材３とを一体化させる。
この際、リード４と放熱板５の外周部の厚さは同一とし、半導体基板１の上方の放熱板５の厚さは半導体基板１の厚みの分だけ薄くすることが望ましい。これにより、圧縮成形する際に、放熱板５が半導体基板１に接触する前に、リード４と放熱板５の外周部とが金型と干渉して止まるため、放熱板５と半導体基板１との干渉によるダメージを自動的に防ぐことが可能になる。また、リード４と放熱板５とがスペーサーとして機能するので、金型を不要にすることも可能である。
以上のようにすると、放熱板５を半導体基板１の主面に極力近づけることができ、同時に半導体基板１や接続部材２を含む領域以外の装置内部で放熱板５を最大化することができるので放熱効果の最大化が可能である。
なお、半導体基板１と放熱板５との間隔は、放熱効果の観点からは最小化することが望ましいが、半導体基板１の主面のダメージを考慮すると封止材３のフィラーサイズよりも大きくする必要がある。
実用的には、半導体基板１や放熱板５の厚みや平行度のバラツキ、封止材３のフィラーサイズ、充填性を考慮するとその間隔は５０〜１００μｍであることが望ましい。
半導体基板１と放熱板５との間隔をより縮めるためには、封止材３のフィラーサイズを小さくし、より積極的にはフィラーレスにすることもできる。
また、半導体基板１と放熱板５との間とそれ以外の箇所とで封止材３を使い分けてもよい。例えば、半導体基板１と放熱板５との間にのみ、小フィラーもしくはフィラーレスとすることも可能である。
また、リード４と放熱板５をスペーサーとして活用することで、半導体装置の厚みを制御することもできる。この場合、モールドキャビティを省略することができるので、平板の金型で封止成形が可能になり、金型の共用性が向上する。
また、本実施形態ではコンプレッションモールド工法を用いたが、従来どおり、トランスファーモールド工法や、ポッティング、印刷により、封止成形することも可能である。
そして、封止成形後は、図５（ｅ）に示すように、リリースフィルム１１、１２を剥がして、図５（ｆ）に示すように、ダイシングして半導体装置に個片化する。
このとき、リード４の第一の面２５および第二の面２６、放熱板５の第一の面２８および第二の面２９、ならびに半導体基板１の第二の面６は、封止材３で封止する工程時にリリースフィルムによって被覆されている。そのため、成形後にリリースフィルムを剥がすことで、半導体装置の第一の面および第二の面をそれぞれ半導体装置から露出させることができる。
さらに、半導体装置の外周部に延伸した放熱板５を、一括でモールドした後にダイシングによりカット分割することで、放熱板５のカット面を半導体装置の外周に露出させることができるので、放熱板５の露出面積を最大化することができる。
ところで、このとき、放熱板５が外形と斜めに交わっていると、ダイシングの位置ずれにより、放熱板５の切断面が個片毎にまちまちになる懸念がある。しかしながら、本実施形態では、半導体装置の放熱板５は、接続部材ボンド領域の開口部３０が長方形で、平面視で全体がＨ型形状をしているため、常に外形と垂直に交わる。したがって、中途半端な切り残しは発生せず、個片毎の切断面を均一にすることができる。
本実施形態の製造方法の例では、リード４と放熱板５とを一体としたリードフレームを使用することで、材料や工程が少なくなる。また、リード４と放熱板５とを別々に用意し、封止成形時に一体化してもよい。
図６（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造工程の別の例を工程順に示している。
まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板１の第二の面６を第１のリリースフィルム１１に貼り付ける。
次に、図６（ｂ）に示すように、リード４を有するリードフレームをリリースフィルム１１に貼り付ける。
次に、図６（ｃ）に示すように、半導体基板１の電極８とリード４とを接続部材２で接続する。
次に、図６（ｄ）に示すように、第２のリリースフィルム１２に放熱板５を貼り付ける。
次に、図６（ｄ）に示すように、半導体基板１と、リード４と、接続部材２と、放熱板５とを、例えば圧縮成形工法により、封止材３で封止する。
方法としては、第２のリリースフィルム１２上に液状材を塗布、印刷、もしくは顆粒状材をばら撒き、過熱して溶融させる。
具体的に、図６（ｄ）に示すように、半導体基板１が搭載され、接続部材ボンドまで行われたリードフレームを、第２のリリースフィルム１２に対向するように位置合わせし、溶融状態の封止材３を間に挟んでリードフレームを第２のリードフレーム１２に押し付けて両者を貼り合わせて圧縮し、半導体基板１と、リード４と、接続部材２と、放熱板５と、封止材３とを一体化させる。
以降の工程は、図５（ｅ）〜（ｆ）で説明した工程と同様であるため省略する。
図６（ａ）〜（ｆ）に示す製造方法では、ワイヤボンド時に放熱板５が無いので、ワイヤボンド工程や放熱板５の形状の自由度を大きくすることができる。
また、図４の半導体装置において、半導体基板１と放熱板５とをあらかじめ接着しておき、接続部材ボンド後に封止成形してもよい。
図７（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造工程のさらに別の例を工程順に示している。
まず、図７（ａ）に示すように、半導体基板１の第一の面７とリードフレームの放熱板５の第二の面２９とを貼り付ける。接着部材３１としては、エポキシ材やアクリル材などの熱硬化性の材や、ポリイミドフィルの両面に接着剤を塗布したもの、ハンダ等の金属等を用いればよい。より放熱性を高める場合は、接着部材３１に熱伝導フィラー等を混合するか、ハンダ等の金属を使うとよい。
次に、図７（ｃ）に示すように、半導体基板１の電極８とリード４とを接続部材２で接続する。
次に、図７（ｄ）に示すように、金型内で半導体基板１と、リード４と、接続部材２と、放熱板５とを、例えば圧縮成形工法により、封止材３で封止する。
方法としては、第２のリリースフィルム１２上に液状材を塗布、印刷、もしくは顆粒状材をばら撒き、過熱して溶融させる。
具体的に、図７（ｄ）に示すように、半導体基板１が搭載され、接続部材ボンドまで行われたリードフレームを、第２のリリースフィルム１２に対向するように位置合わせし、溶融状態の封止材３を間に挟んでリードフレームを第２のリードフレームに押し付けて両者を貼り合わせて圧縮し、半導体基板１と、リード４と、接続部材２と、放熱板５と、封止材３とを一体化させる。
以降の工程は、図５（ｅ）〜（ｆ）で説明した工程と同様であるため、省略する。
なお、放熱効果の観点からは半導体基板１と放熱板５との間隔は、最小化することが望ましい。
図７（ａ）〜（ｆ）に示す製造方法では、半導体基板１と放熱板５との間には封止材３を充填しないので、封止材３に関係なく、半導体基板１と放熱板５との間隔や、接着部材３１の材料を任意に決定することができ、放熱性を向上することできる。
また、半導体基板１を第１のリリースフィルム１１に貼り付ける必要が無いので、第１のリリースフィルム１１を省略することができる。
本実施形態の半導体装置は、その上下にリード４が露出しているため、半導体装置を上下に積層することが可能であることは、図２に示す第２の実施形態に係る半導体装置と同様である。
しかし、本実施形態の半導体装置では、放熱板５が半導体装置の上面および下面で、リード４と同一面に露出しているため、上下の半導体装置のリード４どうしを接続する際に、上下の半導体装置の放熱板５同士の連結を行うことができる。
さらに、上層の半導体装置の半導体基板１の回路２３を、下層の半導体装置の放熱板５や実装基板の放熱板に直接接続できるため、高放熱な積層体の実現が可能になる。
（第３の実施形態の変形例１）
以下、第３の実施形態の変形例１に係る、半導体装置を用いた積層体の構成について、図８Ａ、図８Ｂを参照しながら説明する。
図８Ａ、図８Ｂは各々、第３の実施形態に係る半導体装置を複数積層した、半導体装置の積層体の断面図である。
図８Ａは、第３の実施形態に係る半導体装置を積層した場合における、図４Ａに示すIVb−IVb断面図であり、図８Ｂは、同じく図４Ａに示すIVc−IVc断面図である。
第１の半導体装置１７は実装基板１４に搭載され、その上に第２の半導体装置１８、第３の半導体装置１９がこの順で積層されている。
第１の半導体装置１７のリード４の第二の面２６は、実装基板１４の配線用ランド１５にハンダ１３で接続され、第１の半導体装置１７の半導体基板１の第二の面６の金属膜１０は実装基板１４の放熱用ランド１６にハンダ１３で接続されている。
第２の半導体装置１８のリード４の第二の面２６は、第１の半導体装置１７のリード４の第一の面２５にハンダ１３で接続され、第２の半導体装置１８の半導体基板１の第二の面６の金属膜１０は第１の半導体装置１７の放熱板５の第一の面２８にハンダ１３で接続されている。
第３の半導体装置１９のリード４の第二の面２６は、第２の半導体装置１８のリード４の第一の面２５にハンダ１３で接続され、第３の半導体装置１９の半導体基板１の第二の面６の金属膜１０は第２の半導体装置１８の放熱板５の第一の面２８にハンダ１３で接続されている。
また、第１の半導体装置１７の放熱板５の第二の面２９は、実装基板１４の配線用ランド１５にハンダ１３で接続されている。第２の半導体装置１８の放熱板５の第二の面２９は、第１の半導体装置１７の放熱板５の第一の面２８にハンダ１３で接続されている。そして、第３の半導体装置１９の放熱板５の第二の面２９は、第２の半導体装置１８の放熱板５の第一の面２８にハンダ１３で接続されている。このとき、上下に積層された半導体装置のリード４は互いに接続するため、各々の半導体装置から出力される信号ラインは共通化される。
本変形例に係る半導体装置の積層体によると、各層の半導体装置１７〜１９の半導体基板１の熱を効率的に放熱することが可能である。また、放熱板５を各半導体装置１７〜１９に内蔵することで、それぞれのリード４をハンダで接合するときに、同時にハンダ付けすることが可能であるため、材料や工程がシンプルとなる。
また、放熱板５を外付けする必要が無く、製品の厚さも増加しないので、積層体の薄型化が可能になる。
なお、本変形例では、上下の半導体装置１７〜１９のリード４の間の接続、および上層の半導体基板１と下層の放熱板５の接続はハンダ１３を用いたが、導電ペースト等のハンダ付け以外の方法でも良い。
また、上下の半導体装置１７〜１９のリード４の間の接続、および上層の半導体基板１と下層の放熱板５の接続は、別々の材料でも良い。
また、上層の半導体基板１の金属膜１０と下層の放熱板５の接続は単なる接触だけでも良い。
また、半導体装置の積層数は任意に設定でき、かつ上下の半導体装置が別の構成の半導体装置でも良い。
更に、本変形例では、リード４と放熱板５は半導体装置１７〜１９の第一の面、第二の面だけでなく、半導体装置１７〜１９の側面でも露出しているため、側面方向でもリード４や放熱板５を任意に接続し、電気的な導通や伝熱を行うことが可能である。そのため、半導体装置を上下左右に３次元的に積み上げて、自在に半導体装置間の電気的接続と放熱を行うことが可能である。
（第３の実施形態の変形例２）
以下、第３の実施形態の変形例２に係る、半導体装置を用いた接続体の構成ついて、図９を参照しながら説明する。
図９は、第３の実施形態に係る半導体装置を水平方向に複数接続した、接続体の上面図である。各半導体装置の側面において、封止材３から露出したリード４が端子となり、ハンダ１３等で電気的に接続されている。
さらに、放熱板５の側面同士がハンダ１３で接続されている。このような構成により、各々の半導体装置の発熱量にばらつきがある場合も、複数の放熱板を接続して互いに熱伝導を生じさせることで、温度分布を均一に近づける効果がある。すなわち、特定の半導体基板の発熱量が他と比べて高い場合も、放熱板５の連結構造により、放熱性を高めて熱による特性劣化等を防止することができる。
なお、図９に示す例では、各半導体装置の対向する全端子を接続しているが、これに限られず、特定の端子のみを接続してもよい。また、隣接する放熱板５も、対向する部分全てを接続することは必須でない。
なお、より多くの信号線を必要とする場合、以下で説明するように、半導体装置の放熱板５を放熱板兼第２のリード２１として活用することができる。
以上、第３の実施形態および変形例に係る半導体装置は、放熱板５を、接続部材２との干渉を回避しつつ半導体基板１との距離を極力近づけることができ、併せて、半導体装置内部で放熱板５のサイズを最大化できるので放熱効果を最大化できる。
また、複数の半導体装置について、放熱板５を半導体基板１などと一括封止して一体成形できるため、従来品よりも半導体装置としての薄型化、量産性の向上が可能になる。
また、半導体装置を積層体や水平方向の配置とすることで、上下左右方向への自在な接続やスルーパスの形成が可能となり、電気的配線や放熱経路の自由度を飛躍的に向上させることが可能となる。
また、半導体装置は、主面の接続部材２の領域を除く部分と、側面とを放熱板５で形成できるため、高放熱化、反りの低減化、高強度化、高信頼性化が可能になる等、従来の半導体装置よりも多くの利点がある。
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態に係る半導体装置の構成について、図１０Ａ〜図１０Ｅを参照しながら説明する。
図１０Ａは、本実施形態に係る半導体装置を上から見た図であり、封止材３の内側の半導体基板１の外形、電極８の配置、リード４や接続部材２を透視した場合の内部透視図である。図１０Ｂは、図１０ＡのXb−Xb断面図、図１０ＣはXc−Xc断面図である。また、図１０Ｄは封止材３を透視しない場合の上面図、図１０Ｅは半導体装置を底から見た底面図である。本実施形態では、主に、第３の実施形態との相違点を説明する。
本実施形態では、放熱板５の代わりに、半導体基板１の第二の面７の上方には、平面視で複数に分割された、第２のリード２１を形成している。第２のリード２１は、放熱のための構造としても、信号伝達用の端子としても、またその両方としても使用できる。すなわち、放熱板としての機能に加えて、半導体基板１からの電気的信号を流すものであってもよい。
第２のリード２１の材質は放熱板５と同じでよいが、主に放熱板として機能させる場合は熱伝導率を優先し、端子としての機能が必要な場合は導電率を優先して材料を選択するのが効果的である。
本実施形態では、一個の半導体装置において、第２のリード２１は半導体基板１の第一の面７の上に配置されているだけで、半導体基板１とは接続されていない。よって、例えば、下側の半導体装置の、図１０Ｄに示す上面のリード４と、上側の半導体装置の、図１０Ｅに示す底面のリード４とを接続するように積層した場合は、上下の半導体装置の第２のリード２１は、単に熱的に接続される。
なお、半導体基板１の第二の面６に配置された金属膜１０は、図１１Ａに示すように、第２のリード２１の形状に対応するように分割して形成されてもよい。つまり、図１１Ａに示すように、金属膜１０と放熱板兼第２のリード２１とは、それらの長手方向の辺が同一方向となるように配置されている。
これにより、半導体装置を積層する際に、第２のリードが信号経路として導電する場合も、上層の半導体装置の半導体基板１の金属膜１０と、下層の第２のリード２１とが接続時にショートしないように構成することができる。上層の半導体装置の半導体基板１の金属膜１０と第２のリード２１とを電気的に接続する場合は、金属膜１０を分割すればよい。
また、積層した半導体装置の上下の信号線を分離したい場合は、上層と下層の半導体装置を水平方向で９０度回転させて積層してもよい。例えば、下側の半導体装置の、図１０Ｄに示す上面のリード４と、上側の半導体装置の、図１１Ａに示す底面の第２のリード２１とを接続する。そうすると、上側の半導体装置の半導体基板１からの電気信号は、リード４を通り、下側の半導体装置の第２のリード２１に伝わる。このように、第２のリード２１は放熱機能に加えて信号の経路として利用することも可能である。
さらに、半導体装置を積層した場合に、上側の半導体装置が、下側の半導体装置に対して、水平方向に９０度回転して配置されることを予め想定して、半導体基板１の金属膜１０を、第２のリード２１に対して９０度回転した形状となるように形成してもよい。つまり、図１１Ｂに示すように、金属膜１０と第２のリード２１とが、それらの長手方向の辺が直交するように配置されている。
これにより、上下の半導体装置が水平方向に９０度回転して配置されていても、第２のリード２１と半導体基板１の第二の面６とがショートすることなく、接続することが可能になる。
さらに、第４の実施形態では、第２のリード２１は半導体装置の積層方向だけではなく、水平方向においても接続可能であり、上下左右の全方向への自在な接続やスルーパスの形成が可能である。
（第４の実施形態の変形例）
以下、第４の実施形態の変形例について、図１２を参照しながら説明する。
本変形例に係る半導体装置の接続体は、例えば図１０Ａに示す半導体装置を水平方向に接続して構成することができる。
隣接する半導体装置は、水平方向に９０度回転して配置されており、側面において、リード４や第２のリード２１が、隣接する半導体装置のそれと接続されている。図１２では、リード４や第２のリード２１の全端子がハンダ１３で接続されているが、一部のリード間のみ接続してもよい。また、各半導体装置を９０度回転させるかどうかは任意である。
これにより、電気的配線や放熱経路の自由度を３次元的な立体配置として、飛躍的に向上させることが可能となり、その用途が非常に大きいものとなる。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態およびその変形例を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態およびその変形例は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
例えば、上記各実施形態および変形例では、ワイヤボンド型のＱＦＮパッケージに類似した、表面実装型のリードレスパッケージを例に説明したが、これに限られるものではない。すなわち、半導体基板１の第一の面７に内部端子２７と接続する電極８を配置し、反対側の第二の面６に回路２３を配置するという考え方は、例示したパッケージや接続部材２の有無に限定されず、多様なパッケージ形態に対して有効である。
また、接続部材２の例としてワイヤを挙げたが、これに限られるものではなく、ワイヤよりも幅広のリード等であってもよい。
また、導電体９にとして貫通電極を例示したが、これに限定されるものではなく、半導体基板１の第一の面の電極と、第二の面の回路とを電気的に接続するものであればよい。
また、放熱板５として平板状の形状を例示したが、上述した効果が得られる限りこれに限られない。
また、リード４や第２のリード２１は、必ずしも上下面および側面が常に露出する必要はなく、半導体装置やモジュールに応じて露出させてもよい。
リード４や第２のリード２１の形状は、半導体基板１の対向する２辺に接続部材２を集中させて開口部３０が形成されたＨ型としているが、これに限られるものではなく、半導体基板間の伝熱や結線の設計上の必要に応じて、任意のパターンが適用可能である。
また、絶縁膜２４に開口部を設けるなどして、半導体基板１の回路２３と金属膜１０を接続することも可能である。
本開示は、高放熱化と薄型小型化が求められる電子機器に適用可能である。具体的には、スマートフォンなどの携帯機器に幅広く適用可能である。
１，１０１ 半導体基板
２，１０２ 接続部材
３，１０３ 封止材
４，１０４ リード（第１のリード）
５ 放熱板
８，１０８ 電極
９ 導電体
１０ 金属膜
２１ 第２のリード
２３，１２３ 回路
２４，１２４ 絶縁膜

Claims (20)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の第一の面に配置された電極と、
    前記半導体基板の前記第一の面と反対側の第二の面に形成された回路と、
    前記回路と前記電極とを接続する導電体と、
    前記半導体基板の外周に配置された第１のリードと、
    前記電極と前記第１のリードとを接続する接続部材と、
    前記半導体基板と前記第１のリードと前記接続部材とを封止する封止材とを備え、
    前記半導体基板の第二の面が前記封止材から露出していることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１の半導体装置において、
    前記半導体基板の第二の面には、前記回路を覆うように配置された絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２の半導体装置において、
    前記絶縁膜を覆うように配置された金属膜を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１の半導体装置において、
    前記第１のリードの第二の面は、前記封止材から露出していることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項３の半導体装置において、
    前記第１のリードの第二の面と前記金属膜の第二の面とは同一平面であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１または３の半導体装置において、
    前記第１のリードの第一の面は前記封止材から露出し、
    前記第１のリードは前記半導体基板と対向する側に段差を有し、
    前記電極は、前記接続部材を介して、前記段差に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項３の半導体装置において、
    前記金属膜に接続された放熱板を備えていることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１または３半導体装置において、
    前記半導体基板の上方に配置された放熱板を備え、
    前記放熱板は、その第一の面を露出するように、前記封止材によって封止されていることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項８の半導体装置において、
    前記封止材の第一の面と前記放熱板の第一の面とは同一平面であることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項８の半導体装置において、
    前記放熱板には、当該半導体装置の上面視における、前記第１のリードおよび前記接続部材を含む領域に、開口部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項８の半導体装置において、
    前記放熱板と前記半導体基板との隙間は５０〜１００μｍであることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項１または３の半導体装置において、
    前記導電体は、前記半導体基板を貫通するように、前記回路と前記電極とを接続する貫通電極であることを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項６の半導体装置を、第１、第２の半導体装置各々として備え、
    前記第１の半導体装置の上に、前記第２の半導体装置が、平面視で重なるように搭載されており、
    前記第１の半導体装置の前記第１のリードの第一の面と、前記第２の半導体装置の前記第１のリードの第一の面とが対向して接続されていることを特徴とする半導体装置の積層体。
  14. 請求項６の半導体装置を、第１、第２の半導体装置各々として備え、
    前記第１の半導体装置の上に、前記第２の半導体装置が、平面視で重なるように搭載されており、
    前記第１の半導体装置の前記第１のリードの第二の面と、前記第２の半導体装置の前記第１のリードの第二の面とが対向して接続されていることを特徴とする半導体装置の積層体。
  15. 請求項８の半導体装置を、第１、第２の半導体装置各々として備え、
    前記第１の半導体装置の上に、前記第２の半導体装置が、平面視で重なるように搭載されており、
    前記第１の半導体装置の前記第１のリードの第一の面と、前記第２の半導体装置の前記第１のリードの第二の面とが対向して接続され、
    前記第１の半導体装置の前記放熱板は、前記第２の半導体装置に接続されていることを特徴とする半導体装置の積層体。
  16. 請求項３の半導体装置において、
    前記半導体基板の上方に配置された第２のリードを備え、
    前記第２のリードは、前記第１のリードの前記第一の面と同じ側に配置された、第三の面を露出するように、前記封止材によって封止され、
    前記第１のリードと前記第２のリードとは垂直方向に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  17. 請求項１６の半導体装置において、
    前記第２のリードは、複数に分割されており、
    前記金属膜は複数の金属片で構成され、
    前記各金属片と前記複数に分割された第２のリードとは、これらの長手方向の辺が同一方向となるように配置されていることを特徴とする半導体装置。
  18. 請求項１６の半導体装置において、
    前記第２のリードは、複数に分割されており、
    前記金属膜は複数の金属片で構成され、
    前記各金属片と前記複数に分割された第２のリードとは、これらの長手方向の辺が直交するように配置されていることを特徴とする半導体装置。
  19. 請求項１７の半導体装置を、第１、第２の半導体装置各々として備え、
    前記第１の半導体装置上に、前記第２の半導体装置が平面視で重なるように搭載され、
    前記第１の半導体装置の前記各金属片と、前記第２の半導体装置の前記複数に分割された第２のリードとは、これらの長手方向の辺が同一方向となるように接続されていることを特徴とする半導体装置の積層体。
  20. 請求項１８の半導体装置を、第１、第２の半導体装置各々として備え、
    前記第１の半導体装置上に、前記第２の半導体装置が平面視で重なるように搭載され、
    前記第１の半導体装置の前記各金属片と、前記第２の半導体装置の前記複数に分割された第２のリードとは、これらの長手方向の辺が直交するように接続されていることを特徴とする半導体装置の積層体。
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