JP2008016653A - 半導体パッケージ、その製造方法、プリント基板及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力による影響を小さくして破壊が生じにくく、一層の信頼性向上を図った、放熱体を具備する半導体パッケージを提供する。
【解決手段】上記の放熱体を、放熱板にさらに箱型形状部分を付加した形状の放熱体１３とし、この箱型形状部分内に、金属接合材１５を介して、半導体素子１２の全体を、基板１１と共に包囲するように構成し、半導体素子１２の背面のみならずその側面を含めた該半導体素子１２の外周を放熱体１３によって、その挙動が完全に該放熱体１３の中に拘束されることにより、熱応力の影響が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体パッケージ、特にＬＳＩ等の半導体素子と、この半導体素子その底面側にて支持するプリント基板（以下、「基板」）と、その半導体素子の背面側に設けられたヒートスプレッダあるいはヒートシンク等の放熱体とを備えてなる半導体パッケージに関する。また、その半導体パッケージの製造方法、ならびに該プリント基板および電子機器に関する。

近年、半導体素子の高密度実装のためにベアチップそのものを基板上にボンディングする、いわゆるフリップチップ実装に変わりつつあり、これによって、情報機器のより一層の小型化や高機能化が図られている。しかし一方、その小型化に伴う回路素子の高密度化やその高機能化に伴う回路動作速度の高速化によって、半導体素子からの発熱は著しく増大する傾向にある。

このため、半導体素子を高能率で冷却するための冷却技術が重要になってきた。この冷却技術の代表的な要素は、前述したヒートスプレッダあるいはヒートシンク等の放熱体である。この放熱体をＬＳＩ等の半導体素子の背面に設ける場合、一般的な手法によれば、その背面と放熱体との間にシリコーングリスを塗布したりあるいは放熱用シートを挿入したり、といった手法が採られてきた。

ところがこれらのシリコーングリスや放熱用シートを通して半導体素子からの発熱を外部へ伝達するといった手法では、その発熱が増大するにつれて、それらの熱抵抗が無視できないものとなり、放熱能力が限界に達してしまう。

そこで近年、上記の熱抵抗を大幅に低減できるものとして、上記のシリコーングリス等に代え、金属接合材を用いることが提案され広く実用に供され始めている。この金属接合材の好適例はハンダである。つまり、予備ハンダを施した半導体素子の背面上に、例えば銅等からなる放熱体を直接ハンダ付けする、という手法である。かくして半導体素子からの発熱はきわめて高効率で放熱体に吸収され、外部へ放散されることになった。

しかしながら、反面、上記の半導体素子そのもの、あるいはその半導体素子と放熱体との境界部分に破壊が生じやすくなり、半導体素子の冷却性能の向上は満たされたものの、逆に半導体素子の信頼性が著しく低下する、といった問題が生じるようになった。

なお本発明に関連する公知技術としては、下記の〔特許文献１〕と〔特許文献２〕がある。これらの特許文献には、後述する本発明に固有の放熱体の構造に、一見、近似した構造を開示している。しかし、詳細に検討すると、これらの特許文献に開示している放熱体の構造は、本発明とは基本的に全く相違する。これは放熱体の設計に関する技術思想が根本的に相違するからである。

特開２００２−１５８３１６号公報 特開２００２−２０３８６６号公報

半導体素子の背面部分、あるいは半導体素子と放熱体との間の境界部分に、前述した破壊が生じるのは、前記の金属接合材を用いたことによる熱伝達の向上に起因して、これらの部分に熱膨張差に基づく過大な熱応力が発生したものと考えられる。結局、冷却能力は大幅に向上するものの、過大な熱応力が生じて、上記の部分に破壊が発生し、半導体パッケージの信頼性が低下してしまうことになる。これが問題点である。

したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、熱応力による影響を小さくして破壊が生じにくく、信頼性の向上を図ることができる半導体パッケージとその製造方法を提供することを目的とするものである。

図１の（Ａ）および（Ｂ）は本発明に基づく第１および第２の基本構成をそれぞれ示す断面図である。

図１（Ａ）および（Ｂ）に示す各基本構成に係る半導体パッケージ１０は、共に半導体素子１２と、この半導体素子１２をその底面側にて支持する基板１１と、この半導体素子１２の背面側に設けられる放熱体１３とを備えてなる半導体パッケージである。まず図１（Ａ）の基本構成によれば、半導体素子１２がその外周を、基板１１と放熱体１３とにより密着して固定されるように包囲されてなる半導体パッケージが提供される。
一方、図１（Ｂ）の半導体パッケージ１０においては、上記の底面側が樹脂充填（アンダーフィル１４）された半導体素子１２の外周と、基板１１および放熱体１３との間に封入される金属接合材１５を介し、放熱体１３を半導体素子１２に対し密着させて固定することを特徴とするものである。

従来の典型的な放熱体は一枚の金属平板からなるものであり、したがって、半導体素子１２と該金属平板とは、該半導体素子１２の背面のみにて二次元的に接するのみであった。

これに対し本発明によれば、図１に示すとおり、半導体素子１２の背面のみならずその側面をも含めた該半導体素子１２の外周を放熱体１３によって三次元的に包囲するようにしている。したがって、半導体素子１２の全体は、剛体である放熱体１３によって、その挙動が完全に該放熱体１３の中に拘束されることになり、前述した熱応力の影響が抑圧される。

この結果、上述した破壊は生じ難くなり、半導体パッケージの信頼性は従来に比べて向上する。これは上記のとおり、半導体素子１２と放熱体１３との間の熱応力が、剛体である放熱体１３による拘束によって押え込まれることによるものであるが、さらなる理由がもう１つある。

これは、半導体素子１２が放熱体１３によって三次元的に包み込まれるようにしたことに起因して、半導体素子１２から放熱体１３への吸熱効果が飛躍的に増大すると共に、立体形状となった放熱体１３自身から外部への熱放散もまた飛躍的に増大することになり、その結果、半導体パッケージ１０そのものの温度が従来より相当低くなり、従来に比べて過大な熱応力が発生しなくなったからである。

結局、図１に示す本発明の構造によれば、第１に熱応力に対する耐性が向上し、また第２に外部への熱放散効率が向上することになる。

このように、半導体素子１２全体を包囲するように放熱体１３が密着かつ固定するので、半導体素子１２の外周と放熱体１３の内周面とは、金属接合材１５を介さずに、直接接合するようにしても良い。これが図１（Ａ）の構造である。

しかし、半導体素子１２の外周と放熱体１３の内周面の相互間を、全く隙間のないように完全に密着させることは実際には困難である。もしそのような隙間が散在するとそこでの熱抵抗はきわめて大きなものとなり、放熱効果が減殺されてしまう。

そこでそのような隙間を生じさせないように、半導体素子１２の外周と放熱体１３の内周面との間には、図１（Ｂ）に示すとおり金属接合材１５を介在させるのが好ましい。

かくして図１に示す本発明の構造により、半導体パッケージの信頼度を従来に比して向上させることができる。

本発明によりもたらされる効果を明確にするために、まず、前述した各特許文献に開示されている構造を示しておく。

図９は特許文献１に開示された構造を示す断面図であり、
図１０は特許文献２に開示された構造を示す断面図である。これらの図９および図１０に示す構造は、一見すると、上記図１の（Ａ）および（Ｂ）に示す本発明に係る半導体パッケージの構造に近似している。

すなわち、両図に見るとおり、半導体素子１２全体を放熱体１３が包囲する、といった構造を有する半導体パッケージ１０が示されている。なお、全図を通じて同様の構成要素には同一の参照番号を付して示すが、図９では参照番号１６，１７および１８，１８′が新たに付された参照番号であって、それぞれ、放熱用シート１６、硬化樹脂１７および硬化樹脂１７の注入口１８、開口１８′を示し、また図１０では参照番号１９が新たに付され、放熱用シートを示している。

これら図９および図１０に示す特許文献１および２に係る構造は、図１に示す本発明の構造と一見類似するが、特許文献１（図９）における構造では、放熱体１３と半導体素子１２とが密着固定せずに両者間の空間を硬化樹脂１７で埋めている点で本発明と相違する。また、特許文献２（図１０）における構造では、放熱体１３と半導体素子１２とが密着固定せずに両者間に大きな隙間を残している点で本発明と相違する。したがって、これら特許文献１および２による構造では、本発明の目的は達成することができない。

以下、図１に示す本発明の基本構造について具体的な構成例を説明する。

図２は本発明に基づく具体的な構成例を示す断面図であり、
図３は図２の放熱体１３を基板１１側から見た平面図である。ただし半導体素子１２とその底面側の構成については記載を省略する。

図２および図３を参照すると、放熱体１３は、半導体素子１２を内側に収容する箱型形状部分を有ており、この箱型形状部分と基板１１とにより半導体素子１２が包囲されている。そしてさらに好ましくは、その放熱体１３は、上記の箱型形状部分と、その箱型形状部分の底面部分よりその外側に広がる板状部分２１とから構成する。この板状部分２１は広ければ広い程冷却性能が向上するが、基板１１上に載置される隣接回路素子群の配置に支障とならない程度の大きさとする。かかる放熱体１３は、高熱伝導性の金属、例えば銅からなる。

上記図２に示すとおり、半導体素子１２と放熱体１３とを、両者の間に金属接合材１５を介在させて、密着固定することにより、半導体素子１２自体の強度が実質的に増大するこの強度の増大によりアンダーフィル１４によって樹脂充填されたＣ４接合ハンダ部（バンプ）と基板１１との間の接続信頼度も増大する。

この場合、上記の箱型形状部分と基板１１との間の両対向面（図２の２２および図３の２３）を、金属接合材１４にてさらに接合するようにすれば、半導体パッケージ１０の剛性は一層増大し、信頼度がさらに向上する。この両対向面（２２，２３）間の接合に際しては、それぞれに金属パッドを予め形成しておくのが好ましい。図４は図２および図３に示す対向面（２２，２３）部分を拡大して示す断面図であり、上述の金属パッドが参照番号２４および２５として示される。

ここで、図２に示すように、半導体素子１２の背面から上記対向面２３までにわたって半導体素子１２の外周に充填される金属接合材１５について検討すると、（ｉ）この金属接合材１５は、スズおよび鉛を含む合金、好適にはハンダからなることが望ましいが、（ii）この金属接合材１５は、高熱伝導性金属微粒子を含有する樹脂材とすることもできる。その高熱伝導性金属微粒子としては、銀、銅またはアルミニュウムとすることができる。あるいはその代替品としてアルミナを用いることも可能である。

以上述べた半導体パッケージ１０は、最終的な実装品としては電子機器に組み込まれるマザーボード上に配置される。この場合の構造を図を参照して説明する。

図５はマザーボード上に本発明の半導体パッケージが配置されるときの好適構成例を示す断面図である。すなわち、半導体パッケージ１０が、複数のハンダボール３１からなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を介してマザーボード３２の上面に載置されるときの好適構成例としては、基板１１の下面であって半導体パッケージ１０に対向するその下面の領域３３を除いて、すなわち領域３４のみにおいて、ハンダボール３１を形成するようにする。

上述の好適構成例を、図２および図３に即して言えば、放熱体１３が、半導体素子１２を内側に収容する箱型形状部分を有していて、かつ、この箱型形状部分と基板１１とにより半導体素子１２を包囲するように構成されるときには、その箱型形状部分の開口側の周縁領域（図２の対向面２２）より外側に、上記のハンダボール３１を形成するようにするのが好ましい。

このように上記図５における領域３３を避けて領域３４のみにおいてＢＧＡを形成することとしたのは、以下の理由による。なおＢＧＡを例として説明するがＬＧＡ（Land Grid Array）の場合でも同様である。

例えば前述の図１０を参照すると、本図の下端に描かれている、ハンダボール３１の群からなるＢＧＡは、基板１１を介してその上方に何らかの構造物（図１０の１０）やスティフナが存在する領域と、そのようなものが存在しない領域とでは、ＢＧＡの信頼度に差が出る。通常、ＢＧＡの上方に上記何らかの構造物が有るか否かによって、例えば温度変動による基板の伸び縮みに差が出て、その差がＢＧＡ全体として見たときの信頼度に影響を与える。そうすると、図５に示す半導体パッケージ１０が存在する領域３３においては、ＢＧＡを形成せず、それ以外の領域３４にのみＢＧＡを形成して、ＢＧＡの信頼性を低下させない方が得策である。このようにして構成されたＢＧＡは図６のようになる。

図６は図５のＢＧＡをマザーボード側から見た平面図である。ただし、基板１１上の半導体素子１２等が透けて見えるように描いている。透けて見えるのは、図４に示した金属（Ａｕ）パッド２５と、半導体素子の底面側のバンプ４１ならびにアンダーフィル１４である。

図６に示すとおり、ＢＧＡをなすハンダボール３１の群は、金属パッド２５より内側の部分を除いてそれより外側にのみ形成される。

以上述べた本発明に基づく半導体パッケージ１０は製造工程上においても利点がある。この本発明に係る半導体パッケージ１０の製造工程は、基本的に下記の第１工程、第２工程および第３工程より構成可能である。

第１工程：
半導体素子１２の底面側と基板１１との間を接合するバンプ４１間を樹脂充填（アンダーフィル１４）し、
第２工程：
その樹脂充填された半導体素子１２の背面上に金属接合材１５を載せ、
第３工程：
半導体素子１２を内側に収容するような箱型形状部分を有する放熱体１３を、上記背面上に載せた金属接合材１５の上方より降下させ、金属接合材１５が、半導体素子１２と放熱体１３との間の隙間を埋め尽くすように該放熱体１３を該半導体素子１２に向けて押圧する、
という工程である。なお、上記の第３工程は、特にハンダを用いるときは加熱状態で行う。

ここで上記第３工程に着目すると、放熱体１３の内面および半導体素子１２の背面間の第１の接合と、この放熱体１３の開口端（２３）および基板１１間の第２の接合とが、その第３工程で一度に完成してしまう。これは従来の半導体パッケージの製造上にはない利点である。例えば、図９に示した半導体パッケージの製造工程と対比すると明白である。

図７は図９に示す構造の製造工程を示す図であり、
図８は本発明に係る構造の製造工程を示す図である。

まず図７を参照すると、
ステップＳ１１：
基板１１上にバンプ４１により半導体素子１２を実装する。
ステップＳ１２：
バンプ４１間に樹脂充填を行い、アンダーフィル１４を形成する。
ステップＳ１３：
半導体パッケージ１０の周辺に配置すべき他のチップ部品５１を実装する。
ステップＳ１４：
半導体素子１２の背面に放熱用シート１６を載せた後、放熱体１３を降下させる。

ステップＳ１５：
放熱体１３を、放熱シート１６を介して半導体素子１２の背面に圧接する。
ステップＳ１６：
放熱体１３と半導体素子１２との間にできた空間を、硬化樹脂１７にて充填する。

一方、本発明における製造工程について図８を参照すると、
ステップＳ２１：図７のＳ１１と同様、
ステップＳ２２：図７のＳ１２と同様、
ステップＳ２３：図７のＳ１３と同様である。

ステップＳ２４：放熱体１３の形状と、用いる接合材１５とが図７と異なるが、図７のＳ１４とほぼ同様の工程である。

その後、本発明の製造工程は、ステップＳ２５をもって完了する。ところが、図７においては、前述のステップＳ１５およびＳ１６といった２ステップを経て目的とする半導体パッケージが完成する。つまり、本発明では、図７のステップＳ１５とＳ１６の２ステップを１つのステップＳ２５で済ませることができる。

以上説明したように本発明によれば、従来より簡素化した製造工程を用いて、熱応力に対する耐性を強化し信頼性を向上させた半導体パッケージ１０を実現することができる。

以上説明した本発明の実施の態様は以下のとおりである。
（付記１）
半導体素子と、該半導体素子をその底面側にて支持する基板と、該半導体素子の背面側に設けられる放熱体とを備えてなる半導体パッケージであって、
前記半導体素子がその外周を、前記基板と前記放熱体とにより密着して固定されるように包囲されてなることを特徴とする半導体パッケージ。

（付記２）
前記底面側が樹脂充填された前記半導体素子の外周と、前記基板および前記放熱体との間に封入される金属接合材を介し、該放熱体を該半導体素子に対し密着させて固定することを特徴とする付記１に記載の半導体パッケージ。

（付記３）
前記放熱体が、前記半導体素子を内側に収容する箱型形状部分を有し、該箱型形状部分と前記基板とにより該半導体素子が包囲されることを特徴とする付記２に記載の半導体パッケージ。

（付記４）
前記放熱体は、前記箱型形状部分と、該箱型形状部分の底面部分よりその外側に広がる板状部分とからなることを特徴とする付記３に記載の半導体パッケージ。

（付記５）
前記箱型形状部分と前記基板との間の両対向面を、前記金属接合材にて接合することを特徴とする付記３に記載の半導体パッケージ。

（付記６）
前記放熱体は、高熱伝導性の金属からなることを特徴とする付記２に記載の半導体パッケージ。

（付記７）
前記金属接合材は、スズおよび鉛を含む合金からなることを特徴とする付記２に記載の半導体パッケージ。

（付記８）
前記金属接合材は、高熱伝導性金属微粒子を含有する樹脂材からなることを特徴とする付記２に記載の半導体パッケージ。

（付記９）
前記高熱伝導性金属微粒子は、銀、銅またはアルミニュウムからなることを特徴とする付記８に記載の半導体パッケージ。

（付記１０）
前記半導体パッケージが、複数のハンダボールからなるボールグリッドアレイを介してマザーボードの上面に載置されるとき、前記基板の下面であって該半導体パッケージに対向する該下面の領域を除いて、前記複数のハンダボールを形成することを特徴とする付記２に記載の半導体パッケージ。

（付記１１）
前記放熱体が、前記半導体素子を内側に収容する箱型形状部分を有し、該箱型形状部分と前記基板とにより該半導体素子を包囲するとき、該箱型形状部分の開口側の周縁領域より外側に、前記複数のハンダボールを形成することを特徴とする付記１０に記載の半導体パッケージ。

（付記１２）
付記１記載の半導体パッケージを実装したことを特徴とするプリント基板。

（付記１３）
付記１２記載のプリント基板を内蔵したことを特徴とする電子機器。

（付記１４）
半導体素子と、該半導体素子をその底面側にて支持する基板と、該半導体素子の背面側に設けられる放熱体とを備えてなる半導体パッケージの製造方法であって、
前記半導体素子の底面側と前記基板との間を接合するバンプ間を樹脂充填する第１工程と、
前記の樹脂充填された半導体素子の背面上に金属接合材を載せる第２工程と、
前記半導体素子を内側に収容するような箱型形状部分を有する前記放熱体を、前記背面上に載せた前記金属接合材の上方より降下させ、該金属接合材が、前記半導体素子と前記放熱体との間の隙間を埋め尽くすように該放熱体を該半導体素子に向けて押圧する第３工程と、
を有することを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

（付記１５）
前記第３工程は、加熱状態で行うことを特徴とする付記１４に記載の半導体パッケージの製造方法。

（Ａ）および（Ｂ）は本発明に基づく第１および第２の基本構成をそれぞれ示す断面図である。 本発明に基づく具体的な構成例を示す断面図である。 図２の放熱体１３を基板１１側から見た平面図である。 図２および図３に示す対向面の部分を拡大して示す断面図である。 マザーボード３２上に半導体パッケージ１０が配置されるときの好適構成例を示す断面図である。 図５のＢＧＡをマザーボード側から見た平面図である。 図９に示す構造の製造工程を示す図である。 本発明の構造の製造工程を示す図である。 特許文献１に開示された構造を示す断面図である。 特許文献２に開示された構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ 半導体パッケージ
１１ プリント基板
１２ 半導体素子
１３ 放熱体
１４ アンダーフィル
１５ 金属接合材
１６ 放熱用シート
２１ 板状部分
２２ 対向面
２３ 対向面
３１ ハンダボール（ＢＧＡ）
３２ マザーボード
４１ バンプ

Claims (7)

1. 半導体素子と、該半導体素子をその底面側にて支持する基板と、該半導体素子の背面側に設けられる放熱体とを備えてなる半導体パッケージであって、
   前記半導体素子がその外周を、前記基板と前記放熱体とにより密着して固定されるように包囲されてなることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記底面側が樹脂充填された前記半導体素子の外周と、前記基板および前記放熱体との間に封入される金属接合材を介し、該放熱体を該半導体素子に対し密着させて固定することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記放熱体が、前記半導体素子を内側に収容する箱型形状部分を有し、該箱型形状部分と前記基板とにより該半導体素子が包囲されることを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージ。
4. 前記箱型形状部分と前記基板との間の両対向面を、前記金属接合材にて接合することを特徴とする請求項３に記載の半導体パッケージ。
5. 請求項１記載の半導体パッケージを実装したことを特徴とするプリント基板。
6. 請求項５記載のプリント基板を内蔵したことを特徴とする電子機器。
7. 半導体素子と、該半導体素子をその底面側にて支持する基板と、該半導体素子の背面側に設けられる放熱体とを備えてなる半導体パッケージの製造方法であって、
   前記半導体素子の底面側と前記基板との間を接合するバンプ間を樹脂充填する第１工程と、
   前記の樹脂充填された半導体素子の背面上に金属接合材を載せる第２工程と、
   前記半導体素子を内側に収容するような箱型形状部分を有する前記放熱体を、前記背面上に載せた前記金属接合材の上方より降下させ、該金属接合材が、前記半導体素子と前記放熱体との間の隙間を埋め尽くすように該放熱体を該半導体素子に向けて押圧する第３工程と、
   を有することを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

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