JP2008103369A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板の縮小化に伴い金属板を小さくする場合も、フェイスダウン構造の場合も、放熱性を確保できる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置を、第一の導体層４と第二の導体層９とが基板３の表裏面に形成され、第一の導体層４と第二の導体層９とを接続する導電性材料１１がスルーホール１０内に設けられた配線基板Ｂと、第一の導体層４にパターン形成された第一の導体配線４ａに基板３に背反する側から突起電極２を介して接続された半導体素子１と、第二の導体層９に接続された金属板７とを有する構造とする。フェイスダウン構造であるが、半導体素子１の熱は、第一の導体層４と導電性材料１１とを通じて第二の導体層９に伝わり、この第二の導体層９から放熱されるとともに、第二の導体層９から金属板７に伝わってそこから放熱される。配線基板の片面にある第二の導体層９、金属板７の全体から放熱されるため、放熱効率は高い。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に放熱性に優れた半導体装置およびその製造方法に関する。

近年、集積回路の高集積化、半導体チップの縮小化が進み、微細ピッチの端子接続に対応可能な実装技術が要求されている。この要求に対応できる実装技術として、ＴＣＰ（Tape Carrier Package）等に利用されるＴＡＢ（Tape Automated Bonding）や、異方性導電膜（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）を利用したＣＯＧ（Chip On Glass）あるいはＣＯＦ（Chip On Film）といった実装形態が知られている。

これらの実装形態の基本構成は、半導体チップの各電極パッド上にバンプと呼ばれる突起電極をＡｕや半田を用いて形成し、樹脂テープやガラス基板上に形成された金属配線に前記半導体チップのバンプを一括に接合するというものである。集積回路の高集積化に伴い、高電圧、高電流が使用されるようになってきたことから、発熱対策もとられている。

この種の半導体装置の構成を図６に示す。半導体チップ１は、一方の面（以下、主面という）に突起電極２が形成されており、半導体チップ１と相似形状の開口部（デバイスホール）を持った配線基板に対して、具体的にはデバイスホールを持った絶縁性フィルム３上の導体層４にパターン形成された第一の導体配線４ａに対して、絶縁性フィルム３側から前記突起電極２により電気的に接続されている。接続部分及び半導体チップ１の主面は封止樹脂５によって覆われている。

半導体チップ１のもう一方の面（以下、裏面という）はグリース６を介して熱的に金属板７に接続されている（たとえば特許文献１の図４）。図示したように、半導体チップ１の接地端子の突起電極２が接続された導体層４が導通ねじ８を用いて金属板７に電気的に接続されているものもある。

このような半導体装置においては、半導体チップ１が駆動する際に発生する熱は、半導体チップ１裏面からグリース６を通じて金属板７に伝わって空気中に放熱されると同時に、突起電極２を通じて導体層４に伝わって空気中に放熱される。一方で、半導体チップ１の接地端子信号は、突起電極２から導体層４と導通ねじ８とを通じて金属板７に流れることになり、接地を充分に取ることが可能であるため、ノイズの低減、ＥＭＩ対策を行うことが可能となる。

一方、半導体チップ１を導体配線４ａに対して、図６に示したのとは逆に、絶縁性フィルム３に背反する側から接続させたい場合がある（以下、この向きの接続をフェイスダウンという）。またたとえば導体配線４ａの幅（リード幅）を細くして端子の配置ピッチを小さくする場合は、導体配線４ａを図示したように宙に浮かせるのでなく支持する構造にする必要がある。

これに適合するものとして、スルーホールを形成した絶縁性フィルムにデバイスホールを開口させることなく導体層を形成し、その導体配線上に半導体チップをフェイスダウンで接続した構造であって、導体層を形成していない絶縁性フィルムのもう一方の面に金属板を配置したものや、絶縁性フィルムの両面に導体層を設けておき、半導体チップを接続させた導体層上に金属板を配置したものがある（特許文献１の図２、図５）。
特開平１０−４１４２８号公報

しかしながら、図６に示したような従来の半導体装置では、装置小型化のために配線基板を縮小化する場合は同時に金属板７も小さくするので、放熱性が低下するという問題がある。

また上記したフェイスダウン構造の半導体装置の内、前者は、半導体チップを接続した導体層をスルーホールを通じて金属板に接続しているものの、半導体チップと金属板とを熱的に直接接続するものではなく、金属板に直接に熱伝導するのはスルーホール部分のみである。後者は、スルーホールで接続された一方の導体層の上に半導体チップと金属板とを配置したものであることから、金属板の設置面積が限られる。そのためいずれも半導体装置も所望の放熱性が得られないことがある。

仮に、図６に示した配線基板に対するフェイスダウン構造を考えてみても、半導体チップ１と金属板７とを熱的に直接接続することはできず、金属板７に直接に熱伝導するのは導通ねじ８部分のみである。絶縁性フィルム３にスルーホールを設けた場合も同様である。このため、上述したように半導体チップ１の裏面をグリース６を介して金属板７に接続させる構造をとっているのが現状である。

本発明は上記問題を解決するもので、配線基板の縮小化に伴い金属板を小さくする場合も、フェイスダウン構造の場合も、放熱性を確保できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、第一の導体層と第二の導体層とが基板の表裏面に形成され、前記第一の導体層と第二の導体層とを接続する導電性材料がスルーホール内に設けられた配線基板と、前記第一の導体層にパターン形成された第一の導体配線に前記基板に背反する側から突起電極を介して接続された半導体素子と、前記第二の導体層に接続された金属板とを有することを特徴とする。

この半導体装置は、半導体素子を突起電極を介して第一の導体層に対してフェイスダウンで接続した構造であるが、半導体素子の熱は、第一の導体層とスルーホールとを通じて第二の導体層に伝わり、この第二の導体層から放熱されるとともに、第二の導体層から金属板に伝わってそこから放熱される。配線基板の片面にある第二の導体層と金属板の全体から放熱されるため、放熱効率は高い。

また、前記半導体素子の接地端子と前記第二の導体層とが電気的に接続されていることを特徴とする。これによれば、半導体素子の接地端子は第二の導体層を介して金属板と電気的に接続されることになり、ノイズの低減、ＥＭＩ対策を行うことができる。

また、前記配線基板は前記半導体素子の搭載領域に開口部を有し、前記金属板は前記開口部内に配置される突起部を有することを特徴とする。これによれば、半導体素子の近傍に伝熱性の高い金属板の突起部が配置されることになり、熱伝導性、放熱性が向上する。よって、配線基板の縮小化に伴い金属板を小さくする場合も放熱性を確保できる。

本発明の半導体装置の製造方法は、第一および第二の導体層を基板の表裏面に有し、両導体層を接続する導電性材料をスルーホール内に有した配線基板に対して、前記第一の導体層にパターン形成された第一の導体配線に接続される突起電極を有した半導体素子を前記基板に背反する側から位置合わせする工程と、前記第一の導体配線と前記突起電極とを熱圧着もしくは超音波接合する工程と、前記第二の導体層上に導電導熱性材料を配置する工程と、前記第二の導体層に前記導電導熱性材料を介して金属板を接続させる工程とを有することを特徴とする。位置合わせは当然ながら相対的に行えばよい。

本発明によれば、表裏の第一および第二の導体層をスルーホール内の導電性材料で接続した配線基板を用い、第一の導体層に半導体素子を接続し、第二の導体層に金属板を接続するようにしたことにより、従来のフェイスダウン構造よりも高い放熱性を確保できる。

また、半導体素子の接地端子を、金属板に接続している第二の導体配線に電気的に接続させるようにしたことにより、ノイズの低減、ＥＭＩ対策を行うことができる。
また、突起部を有する金属板を用いることにより、突起部が半導体素子に近づくこととなり、熱伝導距離が短くなり、熱抵抗を下げることができ、配線基板の縮小化に伴って金属板の面積を小さくせざるをえない場合も、効率よく放熱することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す。半導体チップ（半導体素子）１は、主面（回路形成面）に突起電極２が形成されており、この突起電極２を介して、半導体チップ１と相似形状の開口部（デバイスホール）を持った配線基板Ｂに電気的に接続されている。

詳細には、配線基板Ｂは、半導体チップ１よりも大きい開口部３ａを持った絶縁性フィルム３の一方の面に蒸着などで形成された第一の導体層４に第一の導体配線４ａがパターン形成され、もう一方の面に蒸着などで形成された第二の導体層９に第二の導体配線（図示せず）がパターン形成されたものであり、第一の導体配線４ａのみが開口部３ａ内まで延びている。第一の導体層４と第二の導体層３とは、絶縁性フィルム３を貫通するスルーホール１０内に充填された導電性材料１１によって電気的かつ熱的に接続されている。

そしてこの配線基板Ｂの第一の導体配線４ａに対して、上述した半導体チップ１がその突起電極２により絶縁性フィルム３に背反する側から電気的に接続されている。つまりフェイスダウン構造である。第一の導体配線４ａと突起電極２との接続部分及び半導体チップ１の主面は封止樹脂５によって覆われている。

絶縁性フィルム３の第二の導体層９側には金属板７が配置されている。この金属板７は、開口部３ａを覆い得るサイズであり、一方の面の中央部に突起部７ａを有していて、この突起部７ａを半導体チップ１の方向へ向けて、つまり突起部７ａを開口部３ａ内に侵入させた状態で、第二の導体層９上であって開口部３ａ近傍部分にグリース６によって電気的かつ熱的に接続されている。上記の封止樹脂５は、図示したように金属板７まで充填されている。

なお、突起電極２は例えばＡｕ、又はＮｉ上にＡｕ被覆を施したものである。絶縁性フィルム３は例えばポリイミドを主体としたものであり、第一の導体層４と第二の導体層９はともに例えばＣｕにＳｎあるいはＡｕ被覆を施したものである。導電性材料１１は例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの絶縁性樹脂の中に銅粒子、銀粒子、ニッケル粒子などの導電性フィラーを添加した導電性樹脂や半田等の金属である。封止樹脂５は例えばエポキシ系樹脂である。

上記構成により、半導体チップ１が駆動する際に発生する熱は、半導体チップ１表面から封止樹脂５を通じて突起部７ａへ伝わり、金属板７全体から空気中に放熱される。また半導体チップ１の突起電極２から第一の導体層４と導電性材料１１とを通じて第二の導体層９へ伝わり、この第二の導体層９からグリース６を通じて金属板７に伝わり、金属板７から空気中に放熱されると同時に、第二の導体層９自体も放熱性を有しているためそこから空気中に放熱される。絶縁性フィルム３の片面にある第二の導体層９と金属板７の全体から放熱されるため、放熱効率は高い。

一方で、半導体チップ１の突起電極２の中には接地端子上に形成されているものもあるので、半導体チップ１の接地端子信号は該当する突起電極２から第一の導体層４と導電性材料１１とを通じて第二の導体層９へ伝わり、次いでグリース６を通じて金属板７に伝わることとなり、接地を充分に取ることが可能であるため、ノイズの低減、ＥＭＩ対策を行うことが可能となる。

この半導体装置を実装するときは、図２に示すように、配線基板Ｂを、ガラスパネル基板１２などの実装基板に第一の導体層４を接合させるように、またガラスパネル基板１２を囲うように配置する。半導体チップ１はその突起電極２が形成された面（回路形成面）が基板面と同じ向きとなり、背面において基板面に支持されることとなり、半導体チップ１よりも外周側に（基板面を基準にして）、第一の導体層４と絶縁フィルム３と第二の導体層４と金属板７とが順に配置される。放熱の役割を持った金属板７が最外周に配置されることになる。

この半導体装置のように、第一の導体層４に対して絶縁性フィルム３に背反する側から半導体チップ１を接続させるフェイスダウン構造の場合には、半導体チップ１に直接に金属板７を接続させることができないため、上述の構造が必要となるのである。金属板７が外気に曝されない配置では熱交換ができない。なお、先に図６を用いて説明した従来の半導体装置は、フェイスダウン構造でないため、半導体チップ１の裏面に直接に接続した金属板７を最外周に配置することが可能である。

上記の本発明の半導体装置の製造方法について図３および図４を用いて説明する。
図３（ａ）に示すように、ボンディングステージ２１上に、突起電極２を有する半導体チップ１を配置する。半導体チップ１の上方に、第一の導体層４と第二の導体層９と導電性材料１１とを有する絶縁性フィルム３を配置し、突起電極２と第一の導体配線４ａとを位置合わせする。

次に、図３（ｂ）に示すように、ボンディングツール２２を半導体チップ１上に配置することで、ボンディングツール２２と突起電極２との間に第一の導体配線４ａを挟み込み、接合に必要な温度加熱、荷重印可または超音波振動を与える。このことにより、突起電極２の表面のＡｕと第一の導体配線４ａの表面のＡｕもしくはＳｎが共晶または金属間結合にて接合される。なおボンディングステージ２１およびボンディングツール２２は鋼材もしくはセラミック材で形成されている。

次に、図３（ｃ）に示すように、半導体チップ１上に封止樹脂５を滴下して図示したように第二の導体層９の開口近傍部分までを覆う。
次に、図４（ａ）に示すように、第二の導体層９上であって封止樹脂５の周囲にグリース６を塗布し、その後に、図４（ｂ）（ｃ）に示すように、金属板７を封止樹脂５上に配置して突起部７ａを封止樹脂５に埋入させ、金属板７の周縁部分をグリース６上に載せる。この状態で、封止樹脂５を硬化させる熱処理を加える。

図５は本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す。この実施の形態２の半導体装置が上記した実施の形態１の半導体装置と相違するのは、絶縁性フィルム３には開口部３ａ（図１参照）は形成されておらず、金属板７は平板状であってその一面全体が第二の導体層９の上にグリース６により電気的かつ熱的に接続されている点である。

詳細には、第一の導体層４の複数の第一の導体配線４ａは、絶縁性フィルム３に密着した状態で半導体チップ１のダイボンド領域内まで、つまり突起電極２が接続可能な位置まで、延びていて、互いの間に間隙を有している。封止樹脂５は、第一の導体配線４ａと突起電極２との接続部分を覆い、半導体チップ１の主面と第一の導体配線４ａおよび絶縁性フィルム３の露出部との間に充填されている。第二の導体層５は第一の導体配線４ａどうしの間隙に対応する位置に、つまり半導体チップ１の中央に対応する位置に、間隙（あるいは開口）を有しており、この間隙内にもグリース６が充填されている。

この実施の形態２の半導体装置では、半導体チップ１が駆動する際に発生する熱は、半導体チップ１表面から封止樹脂５を介して第一の導体層４へ、また半導体チップ１の突起電極２から第一の導体層４へと伝わり、そこからスルーホール１０内の導電性材料１１を通じて第二の導体層９へ伝わる。そしてこの第二の導体層９からグリース６を通じて金属板７に伝わり、空気中に放熱されると同時に、第二の導体層９自体も放熱性を有しているためそこから空気中に放熱される。実施の形態１の半導体装置に比べて、絶縁性フィルム３に開口部を設けることなく、高放熱性を実現するものである。

一方で、半導体チップ１の接地端子信号は、突起電極２から第一の導体層４と導電性材料１１とを通じて第二の導体層９へ伝わり、さらにグリース６を通じて金属板７に流れることになり、接地を充分に取ることが可能であるため、また導体層９で被覆した構造であるため、ノイズの低減、ＥＭＩ対策を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明に係る半導体装置は、半導体チップの発熱を容易に外部へ逃がすことができ、また基板を被覆した導体層によりシールド性が向上するので、ガラスパネル基板等への実装後に他のシールド板などを用いる必要もない。

なお、第一の導体層４および第二の導体層９を絶縁性フィルム３の両面に形成するものとして説明したが、これに限られず、絶縁性フィルム３に代えてガラス基板などの絶縁性基板を用いてもよい。第二の導体層９と金属板７とをグリース６によって電気的かつ熱的に接続するものとして説明したが、同様の性能を有する放熱シートを用いてもよい。

本発明に係る半導体装置は、半導体チップ（半導体素子）の放熱性およびシールド性に優れるので、集積回路の高集積化、半導体チップの縮小化に対応するものとして有用である。

本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図 図１の半導体装置をガラスパネル基板へ実装した状態を示す断面図 図１の半導体装置を製造する前半工程を説明する工程断面図 図１の半導体装置を製造する後半工程を説明する工程断面図 本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図 従来の半導体装置の構成を示す断面図

符号の説明

１ 半導体チップ
２ 突起電極
３ 絶縁性フィルム
４ （第一の）導体層
５ 封止樹脂
６ グリース
７ 金属板
7a 突起部
８ 導通ねじ
９ 第二の導体層
10 スルーホール
11 導電性材料
12 ガラスパネル基板
21 ボンディングステージ
22 ボンディングツール

Claims (4)

1. 第一の導体層と第二の導体層とが基板の表裏面に形成され、前記第一の導体層と第二の導体層とを接続する導電性材料がスルーホール内に設けられた配線基板と、前記第一の導体層にパターン形成された第一の導体配線に前記基板に背反する側から突起電極により接続された半導体素子と、前記第二の導体層に接続された金属板とを有する半導体装置。
2. 前記半導体素子の接地端子と前記第二の導体層とが電気的に接続されている請求項１記載の半導体装置。
3. 前記配線基板は前記半導体素子の搭載領域に開口部を有し、前記金属板は前記開口部内に配置される突起部を有する請求項１記載の半導体装置。
4. 第一および第二の導体層を基板の表裏面に有し、両導体層を接続する導電性材料をスルーホール内に有した配線基板に対して、前記第一の導体層にパターン形成された第一の導体配線に接続される突起電極を有した半導体素子を前記基板に背反する側から位置合わせする工程と、前記第一の導体配線と前記突起電極とを熱圧着もしくは超音波接合する工程と、前記第二の導体層上に導電導熱性材料を配置する工程と、前記第二の導体層に前記導電導熱性材料を介して金属板を接続させる工程とを有する、半導体装置の製造方法。

Images