(57)【要約】【課題】  基板材料としてどのような材料を用いた場合でも、放熱性の高い半導体パッケージ及びその製造方法を提供することである。【解決手段】  絶縁性を有する基板１と、基板１の表面に形成された電気回路１０と、基板１の表面に実装された半導体素子１１とを備えた半導体パッケージ１５において、基板１の裏面に配された高熱伝導層２０と、基板における半導体素子１１の直下の非回路部位４に設けられ高熱伝導層２０を底部とする有底穴２５と、有底穴２５内に充填された熱伝導率の高い材料よりなる高熱伝導材３０とを備える。【選択図】図２
2006013162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する基板と、基板の表面に形成された電気回路と、基板の表面に実装された半導体素子とを備えた半導体パッケージにおいて、基板の裏面に配された高熱伝導層と、基板における半導体素子の直下の非回路部位に設けられ高熱伝導層を底部とする有底穴と、有底穴内に充填された高熱伝導材とを備えることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項２】
前記基板の半導体素子を実装する部位が凹部であり、かつこの凹部の内底部分に有底穴が設けられてい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。
【請求項３】
前記半導体素子が基板に対して隙間を有するように実装されており、かつこの隙間内で基板の表面から突出するように形成された高熱伝導材を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
下記の工程を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
（１）基板の裏面に高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程。
（２）半導体素子を実装する基板の部位に基板の表面側からレーザを照射して、高熱伝導層を      底部とする有底穴を基板に形成する有底穴形成工程。
（３）基板の表面の電気回路となる部位及び有底穴の側壁に導電性薄膜を形成する導電性薄膜      形成工程。
（４）電気めっきにより導電性薄膜を厚膜化して、基板の表面に電気回路を形成すると共に有      底穴の内部に高熱伝導材を充填形成する厚膜化工程。
【請求項５】
前記導電性薄膜形成工程として電気回路となる部位と有底穴の側壁の導電性薄膜を絶縁するように形成し、かつ前記厚膜化工程として電気回路となる部位の導電性薄膜と有底穴の側壁の導電性薄膜とに異なる電圧を負荷して電気めっきすることを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージの製造方法。
【請求項６】
前記有底穴形成工程として径または幅が１０μｍから３００μｍの有底穴を形成することを特徴とする請求項４または５に記載の半導体パッケージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を収容する半導体パッケージ、特に発光素子等の自己発熱性を備えた半導体素子を収容する半導体パッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特開２００３−２４３７１７号公報に示される如く、液晶パネル用光源等に用いられ、発光素子等の半導体素子を基板表面に実装した半導体パッケージは知られている。この種の半導体パッケージでは、一般に、同公報でも説明されているように、基板が凹部を備え、この凹部に半導体素子が実装されるものであった。そして、自己発熱性を備えた発光素子自身の温度上昇を抑えるために、基板材料として樹脂よりも熱伝導率の高いセラミックが用いられていた。
【０００３】
しかしながら、この場合でも半導体パッケージの放熱性能はセラミック材料の熱的特性に大きく依存しており、その特性以上の性能を実現することは困難であった。また、基板にセラミックを用いることにより、樹脂を用いた場合と比較すると、材料コストが高くなるという問題もあった。
【特許文献１】特開２００３−２４３７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、基板材料としてどのような材料を用いた場合でも、放熱性の高い半導体パッケージ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本願発明は、絶縁性を有する基板と、基板の表面に形成された電気回路と、基板の表面に実装された半導体素子とを備えた半導体パッケージにおいて、基板の裏面に配された高熱伝導層と、基板における半導体素子の直下の非回路部位に設けられ高熱伝導層を底部とする有底穴と、有底穴内に充填された高熱伝導材とを備えたものである。
【０００６】
また、本願発明の半導体パッケージの製造方法においては、上記に加え、基板の裏面に高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程と、半導体素子を実装する基板の部位に基板の表面側からレーザを照射して、高熱伝導層を底部とする有底穴を基板に形成する有底穴形成工程と、基板の表面の電気回路となる部位及び有底穴の側壁に導電性薄膜を形成する導電性薄膜形成工程と、電気めっきにより導電性薄膜を厚膜化して、基板の表面に電気回路を形成すると共に有底穴の内部に高熱伝導材を充填形成する厚膜化工程とを含むものである。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の半導体パッケージにおいては、基板の裏面に配された高熱伝導層と、半導体素子の直下の非回路部位に設けられ高熱伝導層を底部とする有底穴と、有底穴内に充填された高熱伝導材とを備えることにより、半導体素子内で発熱した熱が高熱伝導材を経由して効率よく高熱伝導層まで伝導する。そして、熱伝導率が高い高熱伝導層内で全面が略等しい温度となるので、高熱伝導層の全面から大気中への放熱が生じるので、半導体パッケージの放熱性が向上する。
【０００８】
また、本願発明の半導体パッケージの製造方法においては、厚膜化工程において基板の表面及び有底穴の側壁の導電性薄膜を厚膜化することにより、電気回路と高熱伝導材の形成を同時に行うことができるので、電気回路及び高熱伝導材を別々に形成した場合と比較すると、生産性が大きく向上するものである。また、基板の裏面に高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程後に、レーザを用いて基板に高熱伝導層を底部とする有底穴を形成する有底穴形成工程を行うことにより、図５に示すように断面が格子形状の有底穴を形成する場合や、複数個の有底穴を高密度に形成する場合でも、高熱伝導層で強度が保持されるので、後工程において有底穴の近傍での基板のカケ・割れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施形態１）
図１は、本願の請求項１・２に対応した実施形態１の半導体パッケージ１５を示している。この実施形態で用いる半導体パッケージ１５は、図２に示す如く、絶縁性を有する基板１と、基板１の表面に形成された電気回路１０と、基板１の表面に実装された半導体素子１１と、基板１の裏面に配された高熱伝導層２０と、基板１における半導体素子１１の直下の非回路部位４に設けられ高熱伝導層２０を底部とする有底穴２５と、有底穴２５内に充填された高熱伝導材３０とを備えている。
【００１０】
又、この実施形態の半導体パッケージ１５は、基板の半導体素子を実装する部位が凹部２であり、かつこの凹部２の内底部分に有底穴２５が設けられている。
【００１１】
以下、この実施形態の半導体パッケージ１５を、より具体的に説明する。この実施形態の半導体パッケージ１５は、照明用光源等に用いられるものであり、図１・２に示す如く、表面に凹凸形状を備えた基板１の中央部に位置する凹部２に発光素子である半導体素子１１が接着剤を用いて基板１に接着されている。また、基板１の表面には基板１の中央部と端部を電気的に繋ぐための電気回路１０が形成されており、この電気回路１０と半導体素子１１の電極パッド１２とはワイヤーボンディング接続されており、図示はしていないが基板１の端部にはフレキシブル基板が電気的に接続されており、半導体素子１１に電気を供給する構造となっている。また、基板１の裏面には全面に亘って高熱伝導層２０が設けられており、半導体素子１１の直下の電気回路１０が形成されていない部位、つまり基板１の非回路部位４には、下方向に延び、かつ高熱伝導層２０を底部とする有底穴２５を備えており、その有底穴２５の内部には高熱伝導材３０が充填されているものである。
【００１２】
基板１には、エポキシ樹脂・ポリフェニレンスルファイド樹脂・ポリフタルアミド樹脂等の樹脂材料や、アルミナ・チッ化アルミ等のセラミック材料が用いられ、中央部には半導体素子１１を収容可能な凹部２を、端部にはフレキシブル基板を良好に接続することができるように凸部３を備えており、この凹部２及び凸部３の側壁は電気回路１０が形成し易いように傾斜面となっている。
【００１３】
基板１の表面に備えられた電気回路１０は、厚み０．１〜１μｍのニッケル・銅等の導電性薄膜４５と、この導電性薄膜４５の上に１０〜５０μｍの厚みで形成された銅膜５０との２層構造を成しており、回路幅は３０〜１００μｍで形成されている。また、形成されている電気回路１０のパターンは基板１の凸部３に形成された電気回路１０から基板１の中央部に位置する凹部２に実装された半導体素子１１に電気を供給可能なパターンとなっている。なお、電気回路１０に用いる材質は電気伝導性を備えたものであれば上記以外の材質でも良く、構造も単層構造や３層以上の多層構造のものを用いても良い。
【００１４】
半導体素子１１は表面を発光面１３とする発光素子であり、その表面には外部の電気回路１０から電気を供給できるように電極パッド１２を備えているものであり、形状は約１ｍｍ（縦）×１ｍｍ（横）×０．５ｍｍ（厚み）となっている。
【００１５】
基板１の裏面に配された高熱伝導層２０は、基板１より熱伝導率の高い金・銅等の材質よりなり、厚み１０〜５０μｍの薄膜層となっており、基板１の裏面を全面に亘って覆っている。なお、高熱伝導層２０に用いる材質は基板１より熱伝導率の高い材質であれば、上記以外の材質でも良く、構造も２層以上の多層構造のものを用いても良い。また、高熱伝導層２０は基板１の裏面を全面に亘って覆うものでなくても、基板１の裏面における半導体素子１１の直下の部位を覆っていれば良い。
【００１６】
基板１の有底穴２５は、半導体素子１１の直下に基板１の表面側から開けられたテーパ穴となっており、基板１の表面側の径または幅が１０〜３００μｍとなっている。また、穴の深さは基板１の裏面に配されている高熱伝導層２０を底部とするものとなっている。また、図５に示す如く、断面が格子形状の有底穴にすることも可能である。
【００１７】
高熱伝導材３０は、有底穴２５の側壁と底部を覆うように配された厚み０．１〜１μｍのニッケル・銅等の導電性薄膜４５と、導電性薄膜４５の上部に銅充填材５１が充填された構造を成しており、いずれの材質も基板１に用いられる樹脂材料やセラミック材料よりも熱伝導率が高い材料で構成されているものである。なお、材質としては基板１に用いられている材質よりも熱伝導率が高い材質であれば上記以外でも良く、導電性薄膜４５がなくても良い。また、高熱伝導材３０の充填度合いも基板１の有底穴２５の内部全域に充填されていることが好ましいが、半導体素子１１の直下の部位が基板材料のみで構成されているときよりも熱伝導性が向上する程度充填されていれば良い。
【００１８】
以上の構成を備えることにより、半導体素子１１内で発熱した熱が高熱伝導材３０を経由して効率よく高熱伝導層２０まで伝導し、かつ熱伝導率が高い高熱伝導層２０内で全面が略等しい温度となるので、高熱伝導層２０全面から大気中への放熱が生じるので、半導体パッケージ１５の放熱性が向上する。
【００１９】
また、基板１の半導体素子１１を実装する部位を半導体素子１１が収容可能な凹部２とすることにより、半導体素子１１を封止する際に凹部２に封止材を滞留させることを容易に行うことができるものである。
（実施形態２）
図３は、上記実施形態１と異なる本願の請求項３に対応した実施形態２の半導体パッケージ１５を示している。この実施形態の半導体パッケージ１５は、図３に示す如く、基板１に対して隙間３５を有するように実装された半導体素子１１と、かつこの隙間３５内で基板１の表面から突出するように形成された高熱伝導材３０とを備えている。実施形態１との違いは、半導体素子１１が実装される凹部２の近傍が裏面においても凹部５となる形状を備えた基板１を用いていることであり、そのことにより半導体素子１１の直下における基板１の厚みを薄くすることができ、半導体素子１１内で発熱した熱が高熱伝導材３０を経由して効率よく高熱伝導層２０まで伝わる構造となっている。また、半導体素子１１が電極パッド１２を下面に備え、基板１に半田バンプ５５を介してフリップチップ実装されており、そのため半導体素子１１と基板１との間に電気回路１０と半田バンプ５５の厚み分だけ隙間３５が生じる。そして、この隙間において、半導体素子１１の裏面に接触しない程度に高熱伝導材３０が基板１の表面より突出するように形成されているものである。第2の実施形態に係る半導体パッケージ１５は、この点を除いて基本的に第１の実施形態に係る半導体パッケージ１５と同じであり、共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００２０】
以上の構成を備えることにより、半導体素子１１を基板１にフリップチップ実装するような半導体素子１１と基板１との間に隙間３５があるときでも、半導体素子１１と高熱伝導材３０との間の隙間３５を小さくでき、半導体素子１１内で発熱した熱が高熱伝導材３０を経由して効率よく高熱伝導層２０まで伝えることができるものである。
（実施形態２の製造方法）
図４は、本願の請求項４〜６に対応した実施形態２の製造方法である半導体パッケージ１５の製造方法を示している。
【００２１】
図４（ａ）に、基板１の裏面に基板１よりも熱伝導率の高い材料よりなる高熱伝導層２０を形成する高熱伝導層形成工程を示す半導体パッケージ１５の断面図を示している。図４（ａ）に示すように、この実施形態では射出成形またはトランスファー成形、プレス成形等により凹凸面を備えて形成された基板１の裏面に無電解銅めっきを施して、厚さ１０〜５０μｍの銅よりなる高熱伝導層２０を形成している。この高熱伝導層２０を形成する方法としては、無電解めっき以外にも基板１の裏面をスパッタ法により導電性の薄膜を形成した後、電気めっきを施すことによっても形成でき、また銅箔を基板１の裏面に接合することで形成しても良い。
【００２２】
図４（ｂ）に、半導体素子１１を実装する基板１の部位に基板１の表面側からレーザ４０を照射して、高熱伝導層２０を底部とする有底穴２５を基板１に形成する有底穴形成工程を示す半導体パッケージ１５の断面図を示している。図４（ｂ）に示すように、基板１の表面側からUV―YAGレーザを用いて、基板１の半導体素子１１が実装される部位に高熱伝導層２０が露出するように有底穴２５の加工を行っている。このときレーザ４０の焦点位置を高熱伝導層２０と基板１との境界部近傍とすることにより、容易に有底穴２５をテーパ形状に形成することができ、後工程である導電性薄膜形成工程時に容易に導電性薄膜を有底穴の側壁に形成することが可能となる。また、このときのレーザ条件としては、レーザエネルギー１ｍＪ／パルス、スポット径φ１０μｍであり、穴径または幅が１０〜３００μｍの有底穴２５を形成している。なお、このとき有底穴２５の径または幅が１０μｍ以下であると、後工程である表面薄膜形成工程時において有底穴２５内に導電性薄膜４５を形成することが困難となり、３０μｍ以上であると、後工程である厚膜化工程時において電気めっきにより有底穴２５内に高熱伝導材３０を充填するのに多大な時間を要して、生産性が悪くなる。また、使用するレーザ４０としては、UV-YAGレーザの他にもエキシマレーザや炭酸ガスレーザ等を用いることもでき、好ましくはTHG−YAGレーザやエキシマレーザ等の短波長短パルスレーザを用いることにより、基板１に微細な有底穴２５を容易に形成することができる。
【００２３】
図４（ｃ）（ｄ）に、基板１の表面の電気回路１０となる部位及び有底穴２５の側壁に導電性薄膜４５を形成する導電性薄膜形成工程を示す半導体パッケージ１５の断面図を示している。図４（ｃ）に示すように、基板１の表面にスパッタリング・蒸着等の乾式めっきにより、全面にニッケル・銅等の導電性薄膜４５を厚さ０．１〜１μｍで形成している。そして、図４（ｄ）に示すように、基板１の表面側からレーザ４１を照射することにより、導電性薄膜４５の電気回路１０となる部位及び有底穴２５の周辺部位を残し、かつ電気回路１０となる部位と有底穴２５の側壁の導電性薄膜４５を絶縁するように導電性薄膜４５の一部を除去して、導電性薄膜４５の選択的な形成を行っている。なお、導電性薄膜形成工程に用いる選択的に導電性薄膜４５を形成する方法としては、上記以外にも電気回路１０の製造方法として通常用いられる露光法を用いても良い。
【００２４】
図４（ｅ）に、電気めっきにより導電性薄膜４５を厚膜化して、基板１の表面に電気回路１０を形成すると共に有底穴２５内の高熱伝導材３０を充填形成する厚膜化工程を示す半導体パッケージ１５の断面図を示している。図４（ｅ）に示すように、導電性薄膜４５が形成された基板１を硫酸銅のめっき液５５に漬けて、基板１の表面に形成された電気回路１０の一部となる導電性薄膜４５と、基板１の裏面に形成された高熱伝導層２０の両方に各々電圧を負荷することにより、電気回路１０の一部となる導電性薄膜４５の厚膜化と有底穴２５の内部における高熱伝導材３０の形成を同時に行っているものである。このとき、電気回路１０の一部となる導電性薄膜４５には電流密度約４A／ｄｍ２、高熱伝導層２０には約２A／ｄｍ２の電流が流れるように電圧（V１、V２）を調整して通電を行うことにより、電気回路１０の一部となる導電性薄膜４５上には１０〜２０μｍの銅膜５０を、１０〜３００μｍの径を備えた有底穴２５には基板１の表面から約１００μｍ程度突出するように銅充填材５０が形成されている。また、このとき高熱伝導層２０も全面に亘って電圧が負荷されることとなるので、約５〜１５０μｍだけ厚膜化される。上記のように導電性薄膜形成工程時に電気回路１０となる部位と有底穴２５の側壁の導電性薄膜４５を絶縁するように形成し、かつ厚膜化工程時に電気回路１０となる部位の導電性薄膜４５と有底穴２５の側壁の導電性薄膜４５とを異なる電圧を負荷して電気めっきすることにより、必要以上に高熱伝導材３０が基板１の表面より突出したり、電気回路１０の厚さが薄くなることを防止できるものである。
【００２５】
図４（ｆ）に、半導体素子１１を実装する半導体素子実装工程を示す半導体パッケージ１５の断面図を示している。図４（ｆ）に示すように、基板１の表面の電気回路１０上に半田バンプ５５を配置した後、半導体素子１１の電極パッド１２を半田バンプ５５に押し当てつつ半導体素子１１に熱を負荷することにより、基板１の表面に半導体素子１１をフリップチップ実装している。
【００２６】
以上の構成を備えることにより、厚膜化工程において基板１の表面及び有底穴２５の側壁の導電性薄膜４５を厚膜化することにより、電気回路１０と高熱伝導材３０の形成を同時に行うことができるので、電気回路１０及び高熱伝導材３０を別々に形成した場合と比較すると、生産性が大きく向上するものである。また、基板１の裏面に高熱伝導層２０を形成する高熱伝導層形成工程後に、レーザ４０を用いて基板１に高熱伝導層２０を底部とする有底穴２５を形成する有底穴形成工程を行うことにより、図５に示すような格子状の有底穴２５を形成する場合や、複数個の有底穴２５を高密度に形成する場合でも、高熱伝導層２０で強度が保持されるので、後工程における有底穴２５近傍で基板１のカケ・割れが発生するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本願発明の実施形態１に係る半導体パッケージの全体斜視図。
【図２】本願発明の図１におけるＡ−Ａ断面図。
【図３】本願発明の実施形態２に係る半導体パッケージの断面図。
【図４−１】本願発明の実施形態２に係る製造方法を示す各工程での断面図。
【図４−２】本願発明の実施形態２に係る製造方法を示す各工程での断面図。
【図５】本願発明の実施形態２に係る有底穴形成工程後の凹部の拡大斜視図。
【符号の説明】
【００２８】
１    基板
２    凹部
３    凸部
４    非回路部位
５    凹部
１０  電気回路
１１  半導体素子
１２  電極パッド
１３  発光面
１５  半導体パッケージ
２０  高熱伝導層
２５  有底穴
３０  高熱伝導材
３５  隙間
４０  レーザ
４１  レーザ
４５  導電性薄膜
５０  銅膜
５１  銅充填材
５５  めっき液
６０  半田バンプ
【図１】
2006013162.tif 000003
【図２】
2006013162.tif 000004
【図３】
2006013162.tif 000005
【図４−１】
2006013162.tif 000006
【図４−２】
2006013162.tif 000007
【図５】
2006013162.tif 000008