(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
一端が前記半導体素子の回路形成面に形成された電極と電気的に接続されたリードと、
前記リードから延長された配線に電気的に接続された外部端子と、
前記半導体素子の前記回路形成面とは反対側に配設されたCu/Cu２O複合合金ヒートスプレッダと、
前記リードと前記電極の接続部を被覆する樹脂と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記Cu/Cu2O複合合金のCu2O含有率が20〜80Vol.％であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記配線が絶縁性テープあるいは絶縁性樹脂基板の少なくとも一面に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体素子と、
マトリックス状に配置された外部端子と、
前記半導体素子と前記外部端子とを電気的に接続する配線を有する樹脂基板とを有し、
前記半導体素子と、前記樹脂基板の前記配線を有する側とが封止樹脂によって保護され、
前記封止樹脂の表面にヒートスプレッダが搭載され、
前記ヒートスプレッダがCu2Oを20〜80Vol.％含むCu/Cu2O複合合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体素子と、
リードフレームと、
前記半導体素子と前記リードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤとを有し、
前記半導体素子と、前記ボンディングワイヤと前記リードフレームとの電気接続部と、が封止樹脂によって保護され、
前記半導体素子の裏面にヒートスプレッダが搭載され、
前記ヒートスプレッダがCu2Oを20〜80Vol.％含むCu/Cu2O複合合金であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ヒートスプレッダを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェイスダウンチップの周囲に外部電極をマトリックス状に設けるＦａｎ−ｏｕｔタイプのＢＧＡの放熱性を高める構造の従来技術を紹介する。Ｆａｎ−ｏｕｔ  ＢＧＡでは，一般に，薄い絶縁テープか，樹脂基板に銅配線を引き回し，半導体素子との電気接続はこの銅配線を延長させたビーム状のリードか，ワイヤボンディングで行う。薄い絶縁テープを用いる場合は，金属製のスティフナに貼り付けて使用することで，外部電極の平坦性を保つ。本構造で高放熱化する場合には，平成９年９月号の「電子材料（３７ページ）」に掲載されるＦａｎ−ｏｕｔ型のＢＧＡのようにスティフナと半導体素子の裏面を面位置にしてヒートスプレッダを貼る，もしくは，特開平７ー２８３３３６号公報や特開平８ー２０３９５８号公報に開示されるように，スティフナを用いずにキャビティを設けたヒートスプレッダだけを装着する。平成９年９月号の「電子材料（６５〜６６ページ）」にはスティフナに要求される特性として十分な剛性を有することが必要であり，一般的に０．２５  ｍｍから０．３５  ｍｍの厚みの銅合金かステンレス鋼が採用されていると記載されている。さらに，スティフナと併用されるヒートスプレッダの素材は無酸素銅や高熱伝導銅合金であると記載されている。また，特開平９ー２１３８３７号公報に開示されるように，ヒートスプレッダとして銅，アルミニウム，またはこれらの合金を用いたＦａｎ−ｏｕｔタイプのＢＧＡの構造がある。
【０００３】
一方，日経マイクロデバイス（１９８９年９月号９６〜９９ページ）によれば，従来のリードフレームを使用した樹脂封止型のＱｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ  （ＱＦＰ）やＳＯＰ    （Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）では，銅合金製のヒートスプレッダをリードフレームのタイバーにかしめる，あるいはダイパッド部に接着するなどして，半導体装置の高放熱化を図る例が紹介されている。これらのヒートスプレッダは，耐湿性の問題から封止樹脂中に内蔵させるタイプと，その上にアルミフィンを後付けする，あるいは実装基板にはんだ実装するために表面に露出させるタイプがある。銅合金は半導体素子との線膨張係数差が大きいため，ヒートスプレッダの接合材としては，ヤング率低いエポキシ系あるいはポリイミド系の接着材が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記半導体装置の部材の線膨張係数は，ヒートスプレッダ材として用いられる銅合金が１７×１０￣６／℃，アルミニウムが２２×１０￣６／℃，ステンレスが１７×１０￣６／℃，半導体素子であるシリコンが３×１０￣６／℃，封止樹脂が１２〜２５×１０￣６／℃と互いに大きく異なっている。このため，樹脂封止からの冷却や，信頼性試験のための温度サイクル試験などでは，半導体装置内部に熱応力が発生する。温度サイクル試験では，この熱応力が繰り返し負荷されるため，ダイパッドやリードフレームの端部から樹脂に疲労き裂が発生したり，ボンディングワイヤやテープ上の配線等が疲労により断線することがある。また，基板実装後の温度サイクル試験や電子機器内でのオン・オフの繰り返しでは，半導体装置と実装基板の線膨張係数差によって，リードのはんだ接合部やはんだバンプなどにも疲労破壊が生じることがある。
【０００５】
また，比較的チップサイズや発熱量の大きいマイコンやＡＳＩＣを搭載する多ピン系のＱＦＰでは，自己インダクタンスが小さく高周波動作に向き，放熱性が高いことから，銅合金系のリードフレームが使用されてきた。しかしながら，素子との線膨張係数差が大きいため，ぺ付け材には，ヤング率低いエポキシ系の接着材（銀ペーストなど）しか使用できす，小さいチップで用いられているように熱伝導率の大きいはんだで接着することが困難である。
【０００６】
最近の小型携帯機器では，Ｃｈｉｐ  Ｓｃａｌｅ  Ｐａｃｋａｇｅ（ＣＳＰ）と呼ばれる構造のはんだバンプで電気接続をとる小型の半導体装置が増えている。ＣＳＰは，半導体装置に占める素子の体積比率が大きく，見かけの線膨張係数が素子側に近い。このため，ＣＳＰが多数搭載される小型携帯機器の実装基板では，線膨張係数を従来の１５×１０￣６／℃程度から８×１０￣６／℃程度に小さした低熱膨張基板の使用が一般化し，使用される樹脂も低熱膨張な材料が多くなっている。このため，銅合金を用いたヒートスプレッダが装着，あるいは内蔵された半導体装置では，低膨張基板との線膨張係数差は増すため，はんだ接続部の寿命低下や樹脂クラックが生じる懸念がある。
【０００７】
本発明の目的は，上記の問題点のすくなくとも一つを解決することにより、強度信頼性を確保しつつ，放熱性も高い半導体装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、例えば、樹脂封止型半導体装置を以下のように構成することにより解決される。すなわち，ヒートスプレッダ材として従来より使用されてきた銅合金並の高い熱伝導率を持ちながら，銅合金に比べて小さい線膨張係数を持つように焼結されたＣｕ２ＯとＣｕの複合合金を用いる。Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金では，Ｃｕ２Ｏの配合を増やすと線膨張係数，熱伝導率，ヤング率が小さくなる（図９）。Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金の物性を調査した範囲は，Ｃｕ２Ｏの配合比率で２０〜８０ｖｏｌ．％で，このとき熱伝導率は２８０〜４１Ｗ／（ｍＫ），線膨張係数は１３．８〜５．５×１０￣６／℃であった。たとえば，高放熱化のために半導体で用いられている銅合金に匹敵する熱伝導率１５０Ｗ／（ｍＫ）以上が必要な場合は，Ｃｕ２Ｏの配合比を２０〜４６％にすれば良い。このとき，Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金の線膨張係数は１３．８〜１０．５×１０￣６／℃程度となり，銅合金の線膨張係数１７×１０￣６／℃に比べチップの線膨張係数３×１０￣６／℃に近くなる。しかしながら，応力緩和のために４２ａｌｌｏｙ並の線膨張係数４〜５×１０￣６／℃が必要な場合は，Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金のＣｕ２Ｏの配合比を８０％にすれば，線膨張係数で５．５×１０￣６／℃，熱伝導率で４１Ｗ／（ｍＫ）が得られる。これは，４２ａｌｌｏｙの熱伝導率１５Ｗ／（ｍＫ）に比べ，２．７倍も大きい。このように，目的によって配合比率を自由に調整すればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第一実施例の半導体装置の断面図を図１に示す。半導体素子１は絶縁テープ２の表面に形成された配線３から延長されたビームリード４と素子電極５で電気的に接続されており，バンプランド６以外の配線３はレジスト７で被覆されている。バンプランド６には外部端子としてバンプ状電極８が接続されている。ビームリード４と半導体素子１の電極５との接続部は樹脂９によって封止されている。絶縁テープ２の配線形成面の裏面には，接着層１０を介して金属製のスティフナ１１が接着されている。スティフナ材料としては銅合金，アルミ合金，ステンレスなどが一般的である。スティフナ１１と半導体素子１の上表面の一部には，Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金製の平板状のヒートスプレッダ１２が接着層１３を介して接着されている。バンプ状電極８は，実装基板２３のフットプリント２５に電気的に接続される。半導体素子１への電気的なアクセスによって生じる熱は半導体素子１の裏面からヒートスプレッダ１２を介してスティフナ１１へ伝導し，バンプ状電極９を介して実装基板２３へ放熱される。バンプ状電極９には，例えば，はんだを用いる。この実装基板２３が線膨張係数が８×１０￣６／℃程度の低熱膨張基板である場合，第一実施例の構成の半導体装置を用いれば，構成部材間の線膨張係数差は縮小され，温度サイクル試験時や実環境でのオン・オフサイクルに対し，はんだの接続寿命を向上させることができる。図１の実施例において，金属製のスティフナ１１の線膨張係数は１７〜２２×１０￣６／℃であるが，ヒートスプレッダと同じＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金であれば，ヒートスプレッダ，および絶縁テープ（線膨張係数が約９×１０￣６／℃）との線膨張係数差が小さくなり，半導体パッケージの信頼性をさらに高めることができる。
【００１０】
本発明の第二実施例の半導体装置の断面図を図２に示す。半導体素子１は絶縁テープ２の表面に形成された配線３から延長されたビームリード４と素子電極５で電気的に接続されており，バンプランド６以外の配線３はレジスト７で被覆されている。バンプランド６には外部端子としてバンプ状電極８が接続されている。ビームリード４と半導体素子１の電極５との接続部は樹脂９によって封止されている。絶縁テープ２の配線形成面の裏面と半導体素子１の裏面には，接着層１０および接着層１２を介してキャビティを設けたＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金製のヒートスプレッダ１２が接着されている。キャビティは均一な厚さの板の切削加工か，あるいは型で焼結するなどして形成することができる。図２では，スティフナとヒートスプレッダが一体となった構成であり，接着層が一層削減されている。このため，放熱性は図１の構成より優れる。
【００１１】
本発明の第三実施例の半導体装置の断面図を図３に示す。半導体素子１は絶縁テープ２の表面に形成された配線３から延長されたビームリード４と素子電極５で電気的に接続されており，バンプランド６以外の配線３はレジスト７で被覆されている。バンプランド６には外部端子としてバンプ状電極８が接続されている。ビームリード４と半導体素子１の電極５との接続部は樹脂９によって封止されている。絶縁テープ２の配線形成面の裏面と半導体素子１の裏面には，接着層１０および接着層１２を介してキャビティを設けたＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金製のヒートスプレッダ１２が接着されている。キャビティは均一な厚さの板を曲げ加工するなどして形成することができる。図３では，ヒートスプレッダの厚さが均一であり，軽量化の点から図２の構成より優れている。
【００１２】
本発明の第四実施例の半導体装置の断面図を図４に示す。半導体素子１は樹脂基板１７の表面に形成された配線３から延長されたビームリード４と素子電極５で電気的に接続されており，バンプランド６以外の配線３はレジスト７で被覆されている。バンプランド６には外部端子としてバンプ状電極８が接続されている。ビームリード４と半導体素子１の電極５との接続部は樹脂９によって封止されている。樹脂基板１７の裏面，および半導体素子１の裏面には，接着層１０を介してＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金製の平板状のヒートスプレッダ１２が接着されている。樹脂基板１７には内層に配線２０やスルーホール１８が設けられているため，複雑な配線の引き回しが可能であり，テープを用いた図１から図３の構成よりも多くの出力端子を設けることができ，また内層にグランドや電源を設けられることから，高周波での動作特性にも優れる。
【００１３】
本発明の第五実施例の半導体装置の断面図を図５に示す。半導体素子１は樹脂基板１７に接着層２１を介して搭載され，樹脂基板の配線２０と半導体素子１はボンディングワイヤ１６で電気的な接続を行っている。樹脂基板の下面に設けられたバンプ状電極８はスルーホール１８を介して樹脂基板上面の配線２０と電気的に接続されている。樹脂基板の上面は樹脂９で封止され，その表面には接着層１５を介してＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金製のヒートスプレッダ１２が装着されている。樹脂基板には放熱のためにサーマルビア１９が設けられ，バンプ状電極を介して放熱する。
【００１４】
本発明の第六実施例の半導体装置の断面図を図六に示す。半導体素子１はＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金からなるヒートスプレッダ１２にぺ付け材２１で接着され，ボンディングワイヤ１６でリードフレームのリード２２と電気接続が行われている。半導体素子１と電気接続部は樹脂９で封止されている。リード２２は，実装基板２３のフットプリント２５にはんだ２４で接続される。ヒートスプレッダ１２の裏面は，封止樹脂下面に露出している。このヒートスプレッダ裏面を実装基板２３にはんだ付けすることにより，高放熱化を図ることができる。ヒートスプレッダ裏面がはんだ付けされる配線にはサーマルビア２８が設けられ，基板内層の面状配線へ放熱を促進する。第三実施例の半導体装置の従来例は，銅合金をヒートスプレッダに用いたＱｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ  （ＱＦＰ）やＳｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ  （ＳＯＰ）などがある。外形が２８ｍｍ角の大型のＱＦＰには，ＡＳＩＣやマイコンなど素子面積も比較的大きいものが搭載される。この場合，ぺ付け材２には，剛性の大きいはんだを用いることができず，放熱性を犠牲にして柔らかい銀ペーストを用いている。しかしながら，本発明のＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金からなるリードフレーム材を用いれば，熱伝導の良いはんだによるぺ付けも可能となり，半導体装置の更なる高放熱化が可能となる。また，通常の高放熱パッケージのリードフレームには銅合金が用いられているが，リードフレームにＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いれば，さらなる半導体装置の高信頼化が図れる。
【００１５】
本発明の第七実施例の半導体装置の断面図を図７に示す。半導体素子１はＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金からなるヒートスプレッダ１２にぺ付け材２１で接着され，ボンディングワイヤ１６でリードフレームのリード２２と電気接続が行われている。半導体素子１と電気接続部は樹脂９で封止されている。ヒートスプレッダ１２は，封止樹脂に内蔵されている。
【００１６】
本発明の第八実施例の半導体装置の別の断面図を図８に示す。半導体素子１はＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金からなるヒートスプレッダ１２にフェイスダウンにぺ付け材２１で接着され，ボンディングワイヤ１６でリードフレームのリード２２と電気接続が行われている。半導体素子１と電気接続部は樹脂９で封止されている。ヒートスプレッダ１２は，封止樹脂上部に露出している。図８の場合，ヒートスプレッダ露出面に放熱フィン（図示せず）を搭載すれば，更なる高放熱化を図ることができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、強度信頼性を確保しつつ，放熱性も高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一実施例の半導体装置において，平板状のＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いたヒートスプレッダを装着したテープ式ＢＧＡが基板に実装された断面図。
【図２】本願発明の第一実施例の半導体装置において，板厚変化によってキャビティを形成したＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いたヒートスプレッダを装着したテープ式ＢＧＡの断面図。
【図３】本願発明の第一実施例の半導体装置において，クランクによってキャビティを形成したＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いたヒートスプレッダを装着したテープ式ＢＧＡの断面図。
【図４】本願発明の第一実施例の半導体装置において，平板状のＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いたヒートスプレッダを装着した樹脂基板式ＢＧＡが基板に実装された断面図。
【図５】本願発明の第二実施例の半導体装置において，封止樹脂表面にＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いたヒートスプレッダを装着した樹脂基板式ＢＧＡの断面図。
【図６】本願発明の第三実施例の半導体装置において，半導体素子下面にＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いた露出型のヒートスプレッダを接着したＨＱＦＰあるいは，ＨＳＯＰの断面図。
【図７】本願発明の第三実施例の半導体装置において，半導体素子下面にＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いた内蔵型のヒートスプレッダを接着したＨＱＦＰあるいは，ＨＳＯＰの断面図。
【図８】本願発明の第三実施例の半導体装置において，半導体素子をフェイスダウンに搭載し，素子上面にＣｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金を用いた露出型のヒートスプレッダを接着したＨＱＦＰあるいは，ＨＳＯＰの断面図。
【符号の説明】
１…半導体素子，２…絶縁テープ，３…絶縁テープ上の配線，４…ビームリード，５…半導体素子の電極，６…バンプランド，７…レジスト，８…バンプ状電極，９…樹脂，１０…絶縁テープとスティフナ間の接着層，１１…スティフナ，１２…Ｃｕ／Ｃｕ２Ｏ複合合金のヒートスプレッダ，１３…ヒートスプレッダとスティフナ間の接着層，１４…ヒートスプレッダ下と半導体素子の接着層，１５…樹脂とヒートスプレッダ間の接着層，１６…ボンディングワイヤ，１７…樹脂基板，１８…樹脂基板のスルーホール，１９…樹脂基板のサーマルビア，２０…樹脂基板の配線，２１…半導体素子と樹脂基板間の接着層，２２…リードフレーム，２３…実装基板，２４…リードと実装基板のはんだ接合部，２５…実装基板のフットプリント，２６…実装基板のスルーホール，２７…リードとヒートスプレッダの絶縁接着層，２７…実装基板のサーマルビア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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