(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極を備える半導体素子搭載基板と、
前記半導体素子搭載基板に搭載されて第２の電極を備える半導体素子と、
前記第１の電極と前記第２の電極とを接続するワイヤと、
前記ワイヤの周囲を覆うように設けられる第１の封止材料からなる第１の樹脂硬化体層と、
前記半導体素子と前記第１の樹脂硬化体層とを含む前記半導体素子搭載基板の半導体素子搭載面を樹脂封止する第２の封止材料からなる第２の樹脂硬化体層と、
前記半導体素子搭載基板の前記第２の封止材料が封止される領域の外周に沿って形成される第１の溝と、
前記半導体素子搭載基板の前記半導体素子の搭載領域から前記外周方向に放射状に形成される第２の溝と
を有し、
前記半導体素子の一部の表面と前記第２の樹脂硬化体層とが直接接触するように前記第２の樹脂硬化体層を配置し、
前記第２の封止材料の方が前記第１の封止材料よりフィラー充填率が高く、前記第１の封止材料の方が前記第２の封止材料より流動性が高く、前記第２の封止材料の方が前記第１の封止材料より放熱性が高い、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子搭載基板に前記半導体素子を接着させるダイボンドとして前記第１の封止材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ダイボンドとして用いられる前記第１の封止材料が前記接着される半導体素子からはみ出した状態であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の封止材料から前記半導体素子の角部が露出し、露出した面が前記第２の封止材料と接することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の樹脂硬化体層と直接接触する前記半導体素子の一部の表面は前記半導体素子の上面中心部であり、前記上面中心部の周囲に前記第２の電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の封止材料の粘度が１．０Ｐａ・ｓ以上３０Ｐａ・ｓ以下であり、前記第２の封止材料の熱伝導率が１．０ｗ／ｍ・ｋ以上５．０ｗ／ｍ・ｋ以下とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の封止材料のフィラー充填率が５ｗ％以上４０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２の封止材料のフィラー充填率が６０ｗ％以上９５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１の電極あるいは前記第２の電極の少なくとも一方が前記第１の封止材料で覆われることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の電極及び前記第２の電極の両方が前記第１の封止材料で覆われることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子とボンディングワイヤを樹脂封止してなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路が形成された半導体素子と、これと基板とを電気的に接続する構造としてワイヤボンディング構造とフリップチップ構造が挙げられる。これらの構造を封止材料により包埋することにより、半導体装置が形成される。なかでも、ワイヤボンディング構造においては、放熱効率を考慮して充填剤を多く含んだ封止材料を用いてパッケージングする際、ワイヤに高い圧力がかかり、ワイヤ流れによる不良や電極との接続不良が発生するという問題がある。封止材料の流動性を向上させるためには、封止材料に充填されるフィラーの量を減らすことが有効である。そのため、ワイヤ流れの問題に対し特許文献１では、樹脂硬化体内層と外層の２層構造を取り、内層すなわちワイヤと接する材料の充填剤量を減らしてワイヤへの圧力を低減する方法を取っている。また、電極との接続不良という課題に対して、特許文献２では、半導体素子を積層する構造において、ワイヤボンディング後に１段目の素子と基板との間にアンダーフィルを注入することで、仮にアンダーフィルが基板側の電極に達しても接続不良は生じない構造を取っている。
【０００３】
一方近年では、ＬＳＩの集積度の向上とともにチップの発熱量が増し、封止材料の放熱性向上が要求されている。放熱性の向上に対してはフィラーの種類、充填量を変更し、例えば、フィラーの量を多くすることによって放熱性の向上を図っている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１６２５７３号公報
【特許文献２】特開２００５−１９１２２９号公報
【特許文献３】特開２００８−１０６１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年の半導体装置では、さらなる放熱性の向上が要求されるようになってきている。
本発明の半導体装置は、上記のような課題を解決するため、材料の充填性向上とワイヤ流れの抑制、及びパッケージの放熱性向上を同時に実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、第１の電極を備える半導体素子搭載基板と、前記半導体素子搭載基板に搭載されて第２の電極を備える半導体素子と、前記第１の電極と前記第２の電極とを接続するワイヤと、前記ワイヤの周囲を覆うように設けられる第１の封止材料からなる第１の樹脂硬化体層と、前記半導体素子と前記第１の樹脂硬化体層とを含む前記半導体素子搭載基板の半導体素子搭載面を樹脂封止する第２の封止材料からなる第２の樹脂硬化体層と、前記半導体素子搭載基板の前記第２の封止材料が封止される領域の外周に沿って形成される第１の溝と、前記半導体素子搭載基板の前記半導体素子の搭載領域から前記外周方向に放射状に形成される第２の溝とを有し、前記半導体素子の一部の表面と前記第２の樹脂硬化体層とが直接接触するように前記第２の樹脂硬化体層を配置し、前記第２の封止材料の方が前記第１の封止材料よりフィラー充填率が高く、前記第１の封止材料の方が前記第２の封止材料より流動性が高く、前記第２の封止材料の方が前記第１の封止材料より放熱性が高い、ことを特徴とする。
【０００７】
また、前記第１の封止材料の粘度が１．０Ｐａ・ｓ以上３０Ｐａ・ｓ以下であり、前記第２の封止材料の熱伝導率が１．０ｗ／ｍ・ｋ以上５．０ｗ／ｍ・ｋ以下とすることが好ましい。
【０００８】
また、前記第１の封止材料のフィラー充填率が５ｗ％以上４０ｗｔ％以下であることが好ましい。
また、前記第２の封止材料のフィラー充填率が６０ｗ％以上９５ｗｔ％以下であることが好ましい。
【０００９】
また、前記第２の樹脂硬化体層と直接接触する前記半導体素子の一部の表面は前記半導体素子の上面中心部であり、前記上面中心部の周囲に前記第２の電極が形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記第１の電極あるいは前記第２の電極の少なくとも一方が前記第１の封止材料で覆われることが好ましい。
また、前記第１の電極及び前記第２の電極の両方が前記第１の封止材料で覆われることが好ましい。
【００１２】
また、前記第１の封止材料から前記半導体素子の角部が露出し、露出した面が前記第２の封止材料と接することが好ましい。
【００１３】
また、前記半導体素子搭載基板に前記半導体素子を接着させるダイボンドとして前記第１の封止材料を用いることが好ましい。
また、前記ダイボンドとして用いられる前記第１の封止材料が前記接着される半導体素子からはみ出した状態であることが好ましい。
【００１５】
以上により、材料の充填性向上とワイヤ流れの抑制、及びパッケージの放熱性向上を同時に実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、ワイヤの周囲をフィラー充填量の少ない封止材料で樹脂封止し、それを含めた全体をフィラー充填量の多い封止材料で樹脂封止することにより、材料の充填性向上とワイヤ流れの抑制、及びパッケージの放熱性向上を同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の半導体装置の構造を示す概略図
【図２】本発明の半導体装置における電極周辺の封止材料充填の様子を示す概略図
【図３】本発明の半導体装置における半導体素子周辺の封止材料充填の様子を示す概略図
【図４】本発明の半導体装置の製造方法を説明する概略図
【図５】本発明の半導体装置の製造方法を説明する概略図
【図６】本発明の半導体装置の製造方法における樹脂材料充填方法を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、図１を用いて本発明の半導体装置の特徴を説明する。
図１は本発明の半導体装置の構造を示す概略図であり、封止領域を明確にするために断面図と平面図を示し、平面図では樹脂硬化体層の内部構造を透視的に示している。
【００１９】
本発明の半導体装置は、図１に示すように、半導体素子３を搭載する半導体素子搭載基板４の片面に半導体素子３が搭載され、この半導体素子３の電極７ａはワイヤ５を介して半導体素子搭載基板４の電極７ｂと接続されており、半導体素子３が搭載された半導体素子搭載基板面側のみが封止材料等の樹脂硬化体層によって封止された半導体装置であって、フィラー充填量が少ない封止材料１をワイヤ５上部やワイヤ５下部といったワイヤ５周辺部の少なくとも一部に充填・硬化し、封止材料１よりもフィラー充填量の多い封止材料２で封止材料１を含む全面を覆ってパッケージングする構造をとることを特徴とする。フィラー充填率を低くして流動性を向上させた封止材料１をワイヤ５およびワイヤ５下部等のワイヤ５周辺部のみに充填させることにより、封止材料２導入時のワイヤ流れを効果的に防止できるとともに、封止材料１の硬化後、半導体素子搭載基板４の封止領域上の封止材料１が充填されていない領域全面に放熱性の高い封止材料２を充填することにより、ワイヤ５周辺以外の全面を放熱性の高い封止材料２で樹脂封止することができるため、封止材料２が封止材料１や半導体素子３と接する面積を大きくすることができ、パッケージ全体の放熱性を著しく向上させることが可能となる。
【００２０】
ここで、封止材料１の粘度が１．０〜３０Ｐａ・ｓとなるようにフィラー充填率を調整することによりワイヤを損傷しない流動性を確保することができ、そのために、一般的には、封止材料１のフィラー充填率を５ｗ％〜４０ｗ％にする必要があり、約４０ｗ％とすることがより好ましい。フィラー充填率を５ｗ％未満にして粘度が１．０Ｐａ・ｓ未満になると粘度が低すぎて封止樹脂１をワイヤ５周囲に保持することが困難となり、フィラー充填率を４０ｗ％より大きくして粘度が３０Ｐａ・ｓを超えると粘度が高くなってワイヤ５の流れや塗付機からの吐出不良が発生するからである。また、封止材料２の熱伝導率を０．２〜０．７ｗ／ｍ・ｋとなるようにフィラー充填率を調整することにより十分な放熱性を確保することができ、そのために、一般的には、封止材料２のフィラー充填率を６０ｗ％〜９５ｗ％にする必要があり、約９５ｗ％とすることがより好ましい。フィラー充填率を６０ｗ％未満にして熱伝導率を０．２ｗ／ｍ・ｋ未満にすると封止材料１との熱伝導率の差が小さいため放熱効率を十分確保できず、フィラー充填率を９５ｗ％より大きくして熱伝導率を０．７ｗ／ｍ・ｋより大きくすると流動性が小さすぎてパッケージ内の空隙の原因となるからである。
【００２１】
また、フィラーとしては、アルミナ，シリカ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどを用いることができ、分散性に影響する比重や、熱伝導性，コスト，充填性などの観点からアルミナを用いることが好ましい。
【００２２】
以下、詳細な構成について、図１〜図３を用いて説明する。
図２は本発明の半導体装置における電極周辺の封止材料充填の様子を示す概略図、図３は本発明の半導体装置における半導体素子周辺の封止材料充填の様子を示す概略図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の直線Ｂにおける断面図である。
【００２３】
上記半導体装置において、封止材料１のワイヤ５およびワイヤ下部を充填する構造において、ワイヤ５が接する素子側あるいは半導体素子搭載基板側の電極の少なくとも一方を覆うように封止材料１を充填することが好ましい。図２（ａ）の直線Ａに沿って切り取ったときの断面図を図２（ｂ）、（ｃ）に示す。図２（ｂ）に示すように、電極７ａ、７ｂとワイヤ５の間に封止材料１を充填せず、封止材料２も回り込むことができずに空隙１０が残ると、内部に含まれる空気の膨張・収縮の繰り返しに伴い、ワイヤに圧力が集中するため、破損の原因となる。また、封止材料２が回り込むことによってもワイヤ５が変形，破損する場合がある。そこで、図２（ｃ）に示すように、完全にワイヤ下部の空隙を無くすように封止材料１を充填することにより、ワイヤの破損を防止できるとともに、熱伝導率の低い空気の層を極力無くし、パッケージの放熱性を向上させることができる。また、より好ましくは、素子側の電極７ａ、半導体素子搭載基板側の電極７ｂの両方を覆うように封止材料１を充填する構造をとることにより、さらに放熱性を向上させることができる。
【００２４】
上記各半導体装置において、図１に示すように、ワイヤ下部の空間８が、半導体素子３および半導体素子搭載基板４で形成される角まで封止材料１によって完全に充填されていることが好ましい。図１に示すように、封止材料１によって、ワイヤ５の周りだけでなく、半導体素子３に接する部分にまでも封止材料１を充填し、この空間の空隙発生を抑制することにより、半導体素子３を補強し、かつワイヤの損傷を防止することができるとともに、電極７ａ、７ｂの周囲と同様に、空気の層を極力無くすことにより、パッケージの放熱性をさらに向上させることができる。
【００２５】
上記各半導体装置において、封止材料１の充填・硬化時に半導体素子３の一部の表面を露出させ、その露出した表面を覆うように封止材料２を封止することが好ましい。図１に示すように、封止材料２と半導体素子３の例えば上面中心部９を直接接触させることにより、放熱性の高い封止材料２が半導体素子３からの発熱を直接パッケージ外部へと伝導させることが可能となり、パッケージ全体の放熱性を向上させることができる。特に好ましくは、前記露出されている一部の表面は、半導体素子３表面の周囲近傍に設けられている上面電極７ａの形成領域の内部領域とする。これにより、少なくとも電極７ａ周囲を封止材料１で充填してワイヤ５の変形，破損を防止し、それ以外の半導体素子３表面を封止材料２と接触させることにより放熱性を向上させることができる。
【００２６】
上記各半導体装置において、半導体素子３を半導体素子搭載基板４に接着するためのダイボンドとして、半導体素子３と半導体素子搭載基板４との間に封止材料１を使用して固定することが好ましい。図１に示すように、封止材料１をダイボンドとして用いることにより、半導体素子３の下面および側面が同じ材料で封止されることになり、熱応力の差による半導体素子３自体の変形が抑制される効果があるとともに、同じ材料を用いることでコスト低減にも繋がると考えられる。さらに、充填性がよいため、未充填空隙による空気の層を極力無くすことができ、パッケージの放熱性を向上させることができる。さらに好ましくは、半導体素子３と半導体素子搭載基板４の接する界面を上面側から見た際に、ダイボンドとして用いる封止材料１を半導体素子３の外側にはみ出させることが好ましい（図３（ａ））。図３（ｃ）に示すように、封止材料１のはみ出しが無い場合、封止材料２を充填する際に、ワイヤ５の無い部分では、封止材料２が半導体素子３に到達しととしても、半導体素子３と半導体素子搭載基板４が接する角部への充填が困難である。しかしながら、図３（ｄ）に示すように、封止材料１のはみ出し１２がある場合、材料が半導体素子３に到達すると、はみ出し１２に沿って、上向きに封止材料２の流れが作られるため、封止材料２の充填がスムーズになるとともに、空隙の発生も抑制できる。これにより、充填時のタクトを短縮でき、パッケージ全体としての放熱性を向上させることができる。
【００２７】
上記各半導体装置において、ワイヤ５の周囲の内、各ワイヤ５の隣接方向に対する両側にも封止材料１を充填し、ワイヤ５の側面部に封止材料１からなる構造１３を設ける構成とすることが好ましい。図３（ｅ）に示すように、ワイヤ５側面に封止材料１が充填されていない場合、ワイヤ５側面への封止材料２の充填性が悪く、空隙を発生するおそれがある。したがって、図３（ｆ）に示すように、ワイヤ５両側に封止材料１を充填することにより、封止材料２の流動をスムーズにし、充填性を向上することができる。これにより、充填時のタクトを短縮でき、パッケージ全体としての放熱性が向上する。
【００２８】
上記各半導体装置において、半導体素子３表面の４隅の角部１１には封止材料１を充填せず、角部１１を直接封止材料２と接触させることが好ましい。図３（ｂ）に示すように、封止材料１が半導体素子３の角部１１を露出することにより、放熱性の高い封止材料２と半導体素子３とが直接接するため、パッケージ全体としての放熱性が著しく向上させることができる。
【００２９】
上記各半導体装置において、図１に示すように、半導体素子搭載基板４表面に溝６を切ることが好ましい。この溝６は、少なくとも半導体素子搭載基板４と封止材料２が接する領域に設けられ、封止材料２形成領域の外周に形成される溝と、封止材料２形成領域内部に半導体素子３搭載領域から外周方向に放射状に形成される溝とからなる。封止材料２の流動性は低いため、空隙等の充填不良が生じることがあるが、溝６を切ることにより、封止材料２の流動性を確保することができる。さらに、封止材料２の周囲にバリが生じることがあるが、封止材料２を囲うように溝６を形成することにより、溝６を越えて周囲に封止材料２が濡れ広がることが抑制され、バリの発生を抑制することができる。これにより、封止材料２のムダを削減するとともに、タクトを短縮し、半導体素子搭載基板４と封止材料２の接触する表面積を増やすことにより、封止材料２からの放熱性をさらに向上させることもできる。
【００３０】
次に、図４〜図６を用いてこの半導体装置の具体的な作製方法を例示する。
図４，図５は本発明の半導体装置の製造方法を説明する概略図であり、平面図と直線Ｃにおける断面図からなる。図６は本発明の半導体装置の製造方法における樹脂材料充填方法を示す概略図である。
【００３１】
ここで用いる封止材料１、２は以下の通りである。
封止材料１：ＣＶ５３１４ＰＡＸ  （パナソニック電工製）
フィラー充填率４０ｗｔ％
封止材料２：高放熱封止材料
フィラー充填率９５ｗｔ％
まず、半導体素子３を半導体素子搭載基板４に実装するため、図４（ａ）に示すように、ダイボンドとして封止材料１を、半導体素子搭載基板４の半導体素子３形成領域よりはみ出させて適量印刷または塗布を行い、半導体素子３を搭載したのちに硬化する。この際の材料供給は、スクリーン印刷機または塗布装置で供給する。
【００３２】
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体素子搭載基板４上の電極７ｂと半導体素子３上面の電極７ａをワイヤ５で接続する。ワイヤ５の供給はワイヤボンディング装置を用いて行う。
【００３３】
次に、図５（ａ）に示すように、封止材料１をワイヤ５の周囲およびワイヤ５近辺の半導体素子搭載基板４、半導体素子３上等に塗布する。この際、塗布機には非接触塗布機Ｓ−９２０（アシムテック製）などを用いてワイヤ５の間から塗布する。ワイヤ５下およびワイヤ５の上側にかかるまで塗布を行う。その後、半導体素子搭載基板４と半導体素子３の界面で、ワイヤ５のない部分にも先述した塗布機にて封止材料１の塗布を行い、所定の硬化条件で硬化する。
【００３４】
最後に、図５（ｂ）に示すように、半導体素子３上や封止材料１上を含む半導体素子搭載基板４上の封止材料２塗布領域に封止材料２を充填する。充填方法としては、封止材料２の形態により、真空印刷法またはトランスファーモールド法を用いる。封止材料２が液状熱硬化樹脂の場合、真空印刷法を用い、タブレット状の場合はトランスファーモールド法を用いる。
【００３５】
特にトランスファーモールド法を用いる場合、図６に示すように、封止材料２はゲート口１６から注入され、矢印に示されるように充填が進んでいく。
なお、ダイボンド材料と封止材料１は同じ材料でなくても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、材料の充填性向上とワイヤ流れの抑制、及びパッケージの放熱性向上を同時に実現することができ、半導体素子とボンディングワイヤを樹脂封止してなる半導体装置等に有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１    封止材料
２    封止材料
３    半導体素子
４    半導体素子搭載基板
５    ワイヤ
６    溝
７ａ    電極
７ｂ    電極
８    空間
９    中心部
１０    空隙
１１    角部
１２    はみ出し
１３    構造
１６    ゲート口
【図１】
0005586185.tif 000002
【図２】
0005586185.tif 000003
【図３】
0005586185.tif 000004
【図４】
0005586185.tif 000005
【図５】
0005586185.tif 000006
【図６】
0005586185.tif 000007