(57)【要約】【課題】  電気特性、放熱特性に優れ、小型、薄型化可能な熱伝導材、半導体装置および製造方法を提供する。【解決手段】  熱伝導性樹脂３３と、前記熱伝導性樹脂３３内に分散して配置された熱伝導フィラー３２とを備え、前記熱伝導フィラー３２同士の総接触面積は、外部からの加熱の有無に応じて変化し、前記加熱により温度が上昇する際には前記総接触面積は大きくなり、前記加熱温度が下降する際には、前記総接触面積が小さくなる、熱伝導材から構成された熱伝導路２６。【選択図】  図３
2006032626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性樹脂と、
前記熱伝導性樹脂内に分散して配置された熱伝導フィラーとを備え、
前記熱伝導フィラー同士の総接触面積は、外部からの加熱の有無に応じて変化し、
前記加熱により温度が上昇する際には前記総接触面積は大きくなり、
前記加熱温度が下降する際には、前記総接触面積が小さくなる、熱伝導材。
【請求項２】
前記熱伝導フィラーは、熱膨張および熱収縮する性質を有する、請求項１に記載の熱伝導材。
【請求項３】
前記熱伝導フィラーは紡錘形状または楕円体形状であり、前記熱膨張および熱収縮の方向は、前記フィラー長さに対して短手方向である、請求項１に記載の熱伝導材。
【請求項４】
前記熱伝導樹脂は、前記外部からの加熱に起因する圧力に応じて体積が変化し、
前記熱伝導フィラーは、前記熱伝導樹脂の体積の変化により、互いの距離が変化する、請求項１に記載の熱伝導材。
【請求項５】
前記熱伝導フィラーは実質上球状または円柱状の形状を有する、請求項４に記載の熱伝導材。
【請求項６】
前記熱伝導フィラーは、少なくとも１つ以上の円柱状フィラーが、その側面が接して集まった外形柱状の構成を有する、請求項４に記載の熱伝導材。
【請求項７】
前記熱伝導フィラーは、前記熱伝導材内で、少なくとも１つ以上の縞または層を形成するように配置されている、請求項６に記載の熱伝導材。
【請求項８】
前記熱伝導フィラーは、前記圧力が印加されると、前記円柱状の前記側面に沿って互いに摺動して前記外形柱状の形状を変化する性質を有する、請求項７に記載の熱伝導材。
【請求項９】
外部からの加熱の有無に応じて厚みが変化する熱伝導性樹脂から構成され、
前記加熱により温度が上昇する際には前記厚みは大きくなり、
前記加熱温度が下降する際には、前記厚みが小さくなる、熱伝導材。
【請求項１０】
半導体チップと、
前記半導体チップを実装する実装基板と、
前記半導体チップと前記実装基板とを熱的に接続する放熱手段とを備え、
前記放熱手段は、請求項１から９のいずれかに記載の熱伝導材から構成される、半導体装置。
【請求項１１】
半導体チップと、
前記半導体チップを実装し、前記半導体チップと電気的に接続する端子電極を有する第１の基板と、
前記第１の基板と対向する第２の基板と、
前記第１の基板および／または前記第２の基板に設けられ、前記半導体チップの周囲を取り囲むように設けられた封止材とを備え、
前記第１の基板、前記第２の基板および前記封止材は、前記半導体チップを内蔵する密閉空間を形成し、
前記密閉空間内には、前記第２の基板上に実装された回路部品が配置されている、半導体装置。
【請求項１２】
前記封止材は、電極を兼ねている、請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記封止材は、前記第１の基板に設けられた第１の端子電極と、前記第２の基板に設けられた第２の端子電極とを少なくとも有する、請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１の基板の前記端子電極は、前記密閉空間内で、前記第２の基板に達している、請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記半導体チップは、放熱部材を介して前記第２の基板と熱的に接続している、請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記放熱部材は、前記第２の基板内に達する厚みを有する、請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記放熱部材は、その全部又は一部の材料が異なる層からなる多層構造を有する請求項１５または１６に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記放熱部材の全部または前記放熱部材の前記多層構造の一部の層は、請求項１から９のいずれかに記載の熱伝導材により構成されている、請求項１５または１６に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記一部の層は、前記半導体チップと直接接触している、請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
第１の基板に、半導体チップを実装し、前記半導体チップと電気的に接続する端子電極を形成する第１の工程と、
第２の基板に回路部品を実装する第２の工程と、
前記第１の基板および／または前記第２の基板に、前記半導体チップの周囲を取り囲むように封止材を設ける第３の工程と、
少なくとも前記第１の工程および第２の工程の後、前記第１の基板と第２の基板とを対向させて、前記半導体チップが、前記封止材と、前記第１の基板および前記第２の基板の対向面とにより形成される密閉空間内に配置されるように接合する第４の工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記第２の基板に、その主面が前記半導体チップの主面と対向する放熱部材を設ける工程を更に備えた、請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
少なくとも前記第４の工程を行うより前に、前記半導体チップが実装され、前記端子電極が形成された前記第１の基板の前記端子電極に通電することにより、前記半導体チップを検査する第５の工程を更に備えた、請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
少なくとも前記第４の工程を行うより前に、前記回路部品が実装された前記第２の基板の前記回路部品に通電することにより、前記回路部品を検査する第６の工程を更に備えた、請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記第４の工程を行った後、検査を行い、不具合が検出された場合は、前記第１の基板と前記第２の基板とを分離して、前記不具合の原因となる部品を交換した後、再び前記第１の基板および第２の基板を接合する第７の工程を更に備えた、請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は携帯電話などの無線通信機器や、情報処理機器等に用いられる半導体装置や、その半導体装置に用いられる熱伝導材等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話に代表される無線通信機器や、パソコンなどの情報処理機器の普及が急速にすすんでいる。
【０００３】
無線通信機器においては、無線出力を所定の電力レベルに増幅するための電力増幅装置、情報処理機器においては、ＣＰＵなどの高速演算装置における消費電力が大きく、それらに用いる半導体装置の発熱量も大きい。このような半導体装置を用いる機器においては、発熱による誤動作、異常動作を防止するために、放熱機構が必須となる。またこれらの機器では携帯性、高機能化が求められるため、半導体装置においても小型化・薄型化が要求される。
【０００４】
従来の半導体装置の例を図１４に示す（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
図１４において、１０２は半導体チップ、１０３は基板、１３１は基板電極、１０４は蓋、１２３は球形のバンプ、１０１はフレーム下部、１１１はフレーム上部である。図１４の半導体装置は、基板１０３上の基板電極１３１に半導体チップ１０１がフェイスダウン実装されている。半導体チップ１０２が実装された基板１３１に対してフレーム下部１０１とフレーム上部１１１とで上下から接続し、フレーム上部１１１に蓋１０４が接着されてなる、パッケージ構造を有している。なお、蓋１０４は金属または無機材料によるキャップからなる。
【０００６】
この半導体装置は、図示しない実装用基板に、他の回路装置と共に実装されることにより、通信機器や情報処理機機内に組み込まれる。
【特許文献１】特開２００２−３０５２６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したような、従来の気密封止構造を有するパッケージ構造の半導体装置には、次のような課題があった。
【０００８】
すなわち、第１に、図１４の半導体装置の構成は、半導体チップ１０２の裏面が蓋１０４から離れており、また、フリップチップ実装された半導体チップ１０２の素子側の発熱は球形のバンプを介して基板側に熱伝導することができない。つまり半導体チップの放熱対策が不十分である。
【０００９】
これに対しては従来より、半導体チップ１０２と半導体チップ１０２が実装される実装基板ａ１０３または蓋１０４との間に、樹脂、金属等を用いた熱伝導層等の放熱手段を設け、半導体チップ１０２からの放熱を行わせる対策が従来行われていた。
【００１０】
しかしながら、そのような放熱手段を設けると、半導体チップ１０２の放熱等は速やかに行われるが、例えば半導体装置の動作が繰り返し行われるような場合、半導体チップ１０２において、発熱、放熱のサイクルが頻繁に生ずることになり、半導体チップ０１２は急激な温度変化によって、その電気的特性や効率（動作速度）が低下するという問題があった。
【００１１】
また第２に、半導体チップ１０２の具体例としては、フィルタチップや振動素子等が挙げられるが、例えば、振動素子の場合、その振動面を封止樹脂で覆うことは電気特性が得られず不可能である。そこで、フィルタチップや振動素子はそれぞれ個別にキャップしたパッケージ構造とした後に、それらをＳＭＤ電子部品と実装しなければならないが、上述のようなパッケージ構造を採用すると、コスト高になる。
【００１２】
また、パッケージ構造の半導体部品や、回路部品を、図１４に示さない別途実装基板に実装するとき、各単体部品の面積サイズと厚みは大きくなる上、更にはトータル複合デバイスにした時の面積サイズや厚みは更に大きくなってしまい、小型低背化、低コスト化ができない。更に半導体チップ１０２と回路部品を同一基板に実装すると、接続プロセスが異なるため、タクトアップ、コストアップにつながり、しかも、出来上がった半導体装置を検査して不良が発生した場合には、リペアすることができない。
【００１３】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、半導体チップからの発熱を制御し、電気特性と高速化に対応させることが可能な熱伝導材、および低コスト、小型低背化が可能な半導体装置ならびにその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、第１の本発明は、熱伝導性樹脂と、前記熱伝導性樹脂内に分散して配置された熱伝導フィラーとを備え、前記熱伝導フィラー同士の総接触面積は、外部からの加熱の有無に応じて変化し、前記加熱により温度が上昇する際には前記総接触面積は大きくなり、前記加熱温度が下降する際には、前記総接触面積が小さくなる、熱伝導材である。
【００１５】
また、第２の本発明は、前記熱伝導フィラーは、熱膨張および熱収縮する性質を有する、第１の本発明の熱伝導材である。
【００１６】
また、第３の本発明は、前記熱伝導フィラーは紡錘形状または楕円体形状であり、前記熱膨張および熱収縮の方向は、前記フィラー長さに対して短手方向である、第１の本発明の熱伝導材である。
【００１７】
また、第４の本発明は、前記熱伝導樹脂は、前記外部からの加熱に起因する圧力に応じて体積が変化し、前記熱伝導フィラーは、前記熱伝導樹脂の体積の変化により、互いの距離が変化する、第１の本発明の熱伝導材である。
【００１８】
また、第５の本発明は、前記熱伝導フィラーは実質上球状または円柱状の形状を有する、第１の本発明の熱伝導材である。
【００１９】
また、第６の本発明は、前記熱伝導フィラーは、少なくとも１つ以上の円柱状フィラーが、その側面が接して集まった外形柱状の構成を有する、第４の本発明の熱伝導材である。
【００２０】
また、第７の本発明は、前記熱伝導フィラーは、前記熱伝導材内で、少なくとも１つ以上の縞または層を形成するように配置されている、第６の本発明の熱伝導材である。
【００２１】
更に、第８の本発明は、前記熱伝導フィラーは、前記圧力が印加されると、前記円柱状の前記側面に沿って互いに摺動して前記外形柱状の形状を変化する性質を有する、第７の本発明の熱伝導材である。
【００２２】
また、第９の本発明は、外部からの加熱の有無に応じて厚みが変化する熱伝導性樹脂から構成され、前記加熱により温度が上昇する際には前記厚みは大きくなり、前記加熱温度が下降する際には、前記厚みが小さくなる、熱伝導材である。
【００２３】
また、第１０の本発明は、半導体チップと、前記半導体チップを実装する実装基板と、前記半導体チップと前記実装基板とを熱的に接続する放熱手段とを備え、前記放熱手段は、前述の熱伝導材から構成される、半導体装置である。
【００２４】
また、第１１の本発明は、半導体チップと、前記半導体チップを実装し、前記半導体チップと電気的に接続する端子電極を有する第１の基板と、前記第１の基板と対向する第２の基板と、前記第１の基板および／または前記第２の基板に設けられ、前記半導体チップの周囲を取り囲むように設けられた封止材とを備え、前記第１の基板、前記第２の基板および前記封止材は、前記半導体チップを内蔵する密閉空間を形成し、前記密閉空間内には、前記第２の基板上に実装された回路部品が配置されている、半導体装置である。
【００２５】
また、第１２の本発明は、前記封止材は、電極を兼ねている、第１１の本発明の半導体装置である。
【００２６】
また、第１３の本発明は、前記封止材は前記第１の基板に設けられた第１の端子電極と、前記第２の基板に設けられた第２の端子電極とを少なくとも有する、第１２の本発明の半導体装置である。
【００２７】
また、第１４の本発明は、前記第１の基板の前記端子電極は、前記密閉空間内で、前記第２の基板に達している、第１１の本発明の半導体装置である。
【００２８】
また、第１５の本発明は、前記半導体チップは、放熱部材を介して前記第２の基板と熱的に接続している、第１１の本発明の半導体装置である。
【００２９】
また、第１６の本発明は、前記放熱部材は、前記第２の基板内に達する厚みを有している、第１５の本発明の半導体装置である。
【００３０】
また、第１７の本発明は、前記放熱部材は、その全部又は一部の材料が異なる層からなる多層構造を有する、第１５または第１６の本発明の半導体装置である。
【００３１】
また、第１８の本発明は、前記放熱部材の全部または前記放熱部材の前記多層構造の一部の層は、第１から第１０のいずれかの本発明の熱伝導材により構成されている、第１５または第１６の本発明の半導体装置である。
【００３２】
また、第１９の本発明は、前記一部の層は、前記半導体チップと直接接触している、第１８の本発明の半導体装置である。
【００３３】
また、第２０の本発明は、第１の基板に、半導体チップを実装し、前記半導体チップと電気的に接続する端子電極を形成する第１の工程と、第２の基板に回路部品を実装する第２の工程と、前記第１の基板および／または前記第２の基板に、前記半導体チップの周囲を取り囲むように封止材を設ける第３の工程と、少なくとも前記第１の工程および第２の工程の後、前記第１の基板と第２の基板とを対向させて、前記半導体チップが、前記封止材と、前記第１の基板および前記第２の基板の対向面とにより形成される密閉空間内に配置されるように接合する第４の工程とを備えた、半導体装置の製造方法である。
【００３４】
また、第２１の本発明は、前記第２の基板に、その主面が前記半導体チップの主面と対向する放熱部材を設ける工程を更に備えた、第２０の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００３５】
また、第２２の本発明は、少なくとも前記第４の工程を行うより前に、前記半導体チップが実装され、前記端子電極が形成された前記第１の基板の前記端子電極に通電することにより、前記半導体チップを検査する第５の工程を更に備えた、第２０の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００３６】
また、第２３の本発明は、少なくとも前記第４の工程を行うより前に、前記回路部品が実装された前記第２の基板の前記回路部品に通電することにより、前記回路部品を検査する第６の工程を更に備えた、第２０の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００３７】
更に、第２４の本発明は、前記第４の工程を行った後、検査を行い、不具合が検出された場合は、前記第１の基板と前記第２の基板とを分離して、前記不具合の原因となる部品を交換した後、再び前記第１の基板および第２の基板を接合する第７の工程を更に備えた、第２０の本発明の半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００３８】
以上のような本発明によれば、半導体チップからの発熱を制御し、電気特性と高速化に対応させることが可能な熱伝導材、および低コスト、小型低背化が可能な半導体装置ならびにその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
（実施の形態１）          
図１は、本発明の実施の形態１におけるフェイスダウン実装による半導体装置を示した概略断面図であり、図において、１は半導体チップ、２は電極パッド、３はバンプ、４は第１の実装基板、５は、半導体チップ１と電気的に接続する端子電極の一方の端部である電極端ａ、６は前記端子電極の他方の端部である電極端ｂ、７は第１の気密電極、８は第４の熱伝導層、９は第１の熱伝導層、１０は第１の熱伝導路、１１は金属体、１２は金属層、１３は第１の樹脂層、１４は第２の実装基板、１５は第２の気密電極、１６は回路部品２２を実装するための端子電極ａ、１７は電極端ｂ６と対向する端子電極ｂ、１８は第２の熱伝導層、１９は第２の熱伝導路、２０は第３の熱伝導層、２１は端子電極ｃ、２２は回路部品、２３は回路部品の端子電極である端子電極ｄ、２４は接合材、２５は第１の接合層、２６は第３の熱伝導路、２７は第２の接合層、２８は端子電極ｅである。また２９は第２の樹脂層である。
【００４１】
図１において、第１の実装基板４は、第１の樹脂層１３と、これと実質上同一形状であって、その上面に形成される金属層１２と、第１の樹脂層１３の内部に形成または配置される第１の熱伝導路１０および金属体１２とから構成される。また、第２の実装基板１４は、第２の樹脂層２９と、第２の樹脂層２９の内部に形成または配置される第２の熱伝導路１９および金属体１１とから構成される。
【００４２】
また、第１の実装基板４の一方の主面上であって、半導体チップ１と対向する部分には第１の熱伝導層９が配置されている。第１の熱伝導層９は、第１の樹脂層１３内の第１の熱伝導路１０と面接触している。また第１の熱伝導路１０は、第１の実装基板４の他方の主面上  半導体チップ１は、第１の実装基板４の前記一方主面上に設けられた端子電極に、電極端ａを介してバンプ３によりフェイスダウン実装される。なおバンプ３としては高温半田やＡｕがあげられる。低コスト形成するために、メッキ工法等で形成しておいてもよい。
【００４３】
端子電極には、第２の実装基板１４に向かって延伸している他方の電極端ｂを有し、電極端ｂは、第２の接合層２７を介して第２の実装基板１４上の端子電極ｂ１７に接続されている。
【００４４】
次に、半導体チップ１の裏面、すなわち電極パッドの設けられていない面は、第３の熱伝導路２６を介して、第２の実装基板１４の表面に配置された第２の熱伝導層１８と接続されている。また第２の実装基板１４の主面上の第２の熱伝導層１８と第２の熱伝導路１９とは面接触しており、また第２の実装基板１４のマザー実装側の第３の熱伝導層２６と第２の熱伝導層１８とも面接触している。
【００４５】
また、電極端ａ５の厚みと電極端ｂ６の厚みとの差は、半導体チップ１の電極パッド２が設けられた面から電極端ａ５までの高さよりも大きい。
【００４６】
また、第２の実装基板１４の主面上には回路部品２２が接合材２４によって表面実装されている。なお、回路部品２２の例としては、表面実装部品、ＣＳＰ（チップスケールパッケージ）、ＷＬＰ（ウェハーレベルパッケージ）が挙げられる。
【００４７】
また、第１の実装基板４の主面上には、第１の気密電極７が、基板外周に連なって連続的に配置されており、回路部品２２や半導体チップ１の周囲をもれなく取り囲んでいる。第１の気密電極７の配置に対応して、第２の実装基板１４の主面上の第２の気密用端子電極１５も実装基板２の外周に連なって配置されており、第１の気密電極７と第２の気密用端子電極１５とは、第１の接合層２５を介して接続されている。したがって、第１の実装基板４と第２の実装基板１４の対向面と、第１の気密電極７、第２の気密用端子電極１５および第１の接合層２５とは、半導体チップ１や回路部品２２を内蔵する、気密中空の収納空間を形成している。
【００４８】
この収納空間内において、第１の実装基板４の回路部品２２に対向するように、第４の熱伝導層８が第２の実装基板１４上に配置されている。
【００４９】
次に、第３の熱伝導路２６の説明を、図２および図３を参照して説明する。ただし図２は、図１の、第３の熱伝導路２６およびその近傍の拡大図であり、図３は第３の熱伝導路２６の詳細図である。
【００５０】
図３に示すように、第３の熱伝導路２６は、熱伝導性樹脂３３と、そこに充填、分散して配置された、実質上球形の形状を有する、多数の熱伝導製フィラー３２とから構成されている。なお、熱伝導性フィラー３２の熱伝導率は、熱伝導性樹脂３３のそれよりも大きい。また、第３の熱伝導路２６の熱膨張係数は、半導体チップ１または、バンプ３および第２の熱伝導層１８のそれぞれの熱膨張係数よりも小さい。
【００５１】
以上のような構成を有する、本発明の実施の形態の半導体装置の動作を以下に説明する。
【００５２】
半導体チップ１は通電、動作を開始すると発熱し、発生した熱は、主に面接触した第３の熱伝導路１２６を介して、第２の熱伝導層１８、第２の熱伝導路１９および第３の熱伝導層２０へ順に放熱される。
【００５３】
発熱当初は、本実施の形態の第３の熱伝導路２６においては、熱伝導性樹脂３３内の熱伝導性フィラー３２の分布は粗になっている。すなわち、個々の熱伝導フィラー同士は互いに離れて配置されており、互いに接触しているものの個数は少なく、また接触面積もさほど大きくない。したがって、熱伝導フィラー３２の総接触面積は小さくなっており、第３の熱伝導路２６内に於ける熱の伝導は、熱伝導性樹脂３３を介するものが比較的大になり、熱伝導率は小さい状態にある。これは第３の熱伝導路２６が熱抵抗として働くことを意味し、そのため半導体チップ１の温度上昇は早く起こる。
【００５４】
次に、半導体チップ１の発熱が進むと、半導体チップ１と第２の熱伝導層１８が熱膨張し、第３の熱伝導路２６に、その両面から圧力を加える。
【００５５】
圧力が加えられた第３の熱伝導路２６においては、熱伝導性樹脂３３が変形することで、全体の厚みが減じている。これにより熱伝導性樹脂３３内部の熱伝導性フィラー３２は互いに近接、接触し、接続点数が増加する。これにより、熱伝導フィラー３２の総接触面積は、半導体チップ１の発熱当初より大きくなり、半導体チップ１からの熱の伝導は、主にこの熱伝導フィラー３２を通じて、第２の熱伝導層１８へ伝達することになる。したがって熱伝導率はより大きくなる。これにより、半導体チップ１からの発熱は、速やかに第２の熱伝導層１８以下の各伝熱手段へと伝達され、半導体チップの過昇温を防止することができる。
【００５６】
一方、半導体チップ１の動作が終了し温度下降が始まると、半導体チップ１と第２の熱伝導層１９の熱膨張による圧力は低下し、上記の状態と逆のプロセスを経て、第２の熱伝導路３の熱伝導率は再び低下する。したがって、半導体チップ１からの放熱は再び抑制され、過度の温度下降が防止されることになる。
【００５７】
ここで図６に、従来の熱伝導率が一定の熱伝導材による熱伝導路と、本実施の形態の、熱伝導率が温度に応じて変化する第３の熱伝導路２６との放熱特性の比較を示す。
【００５８】
図に示すように、従来の熱伝導路は、半導体チップ１の動作開始時から効率よく放熱を行うため、温度安定化までに要する時間が長くなる一方、動作終了後は速やかに温度が低下し、再動作開始までには、当初の動作開始時まで下がっている。すなわち、従来の熱伝導路によれば、半導体チップ１は、その断続的な動作による温度変化が大きく、かつ温度が安定している時間は短い。この状態が、半導体チップ１の、レスポンスのよい高速な電気的接続と高周波特性の劣化を招くことになっていた。
【００５９】
これに対し、本実施の形態の第３の熱伝導路２６は、上述したように、半導体チップ１の動作開始時直後は放熱効率が低いため、半導体チップ１の温度を、安定状態まで速やかに上昇させることができる一方、一旦安定状態に達した後は、熱伝導率も大きくなり、適切な放熱効率で、半導体チップ１の加熱を防ぐことが出来、安定化状態を長く保つことができる。更に、動作終了後は、半導体チップ１の放熱につれて熱伝導率が小さくなるため、再動作開始時の温度は、当初の動作開始時よりも十分高く、再起動後の温度安定化が速やかに行われる。すなわち、半導体チップ１は、その断続的な動作による温度変化が小さく、かつ温度が安定している時間が長く、レスポンスのよい高速な電気的接続と高周波特性を維持できることになる。
【００６０】
このように、本発明の実施の形態による半導体装置は、半導体チップ１と面接触し、半導体チップ１の発熱を伝達する第３の熱伝導路２６に、熱伝導性樹脂３３および熱伝導フィラー３２から構成された熱伝導材を用いることにより、半導体チップ１の温度に応じて、熱伝導率を変動させて、半導体チップ１の動作に起因する温度変化を小さく、安定している時間を長期に保つことができるため、無線送受信のような、短時間に断続動作する場合に、半導体チップ１の昇温による安定動作温度到達までの時間を短縮でき、また、降温時には温度の急激な降下を防止し一定の時間、安定動作温度状態を保つことができ、安定動作を保持するとともに、半導体チップ１の再動作した際には安定動作温度に早く復帰させることができ、レスポンスのよい高速な電気的接続と高周波特性を得ることができる。
【００６１】
（実施の形態２）          
本発明の実施の形態２による半導体装置は、第３の熱伝導路２６の構成を除けば、実施の形態１と同様なので、説明には図１〜６を用い、その詳細は省略する。また、図７および図８は、本実施の形態の第３の熱伝導路２６の構成及び動作を説明するための図である。
【００６２】
本実施の形態の第３の熱伝導路２６は、熱伝導性樹脂３３内に充填、配置された熱伝導性フィラー３２の形状が、少なくとも１つ以上の円柱状フィラーが互いの側面を接して、その輪郭となる外形が柱状（以下、外形柱状と称す）の構成を有し、かつこの柱状の単位を有する１つ以上の円柱状フィラーが、熱伝導性樹脂３３内で層を形成するように配置されているという特徴を有する。
【００６３】
このような構成を有する本実施の形態における、第３の熱伝導路２６の作用を以下に説明する。
【００６４】
図７に示すように、半導体チップ１が動作直後等の低温状態にあるときは、熱伝導樹脂３３内に分散配置された柱状の円柱状フィラーにおいては、熱伝導性樹脂３３の厚みが大きいため、個々の円柱状フィラー同士の接面は小さく、結果として、外形柱状は、上下に細長く引き延ばされた実質上棒状の形状となっている。したがって熱伝導性フィラー３２の全接触面積は小さくなり、第３の熱伝導路２６としての熱伝導率は小さい。
【００６５】
一方、半導体チップ１が所定時間を経て温度が上昇すると、実施の形態１の場合と同様に、半導体チップ１および第２の熱伝導層１８は熱膨張し、第３の熱伝導層２６に、その両面から圧力を加える。このとき熱伝導性樹脂３３は厚みを減じるように変形するが、熱伝導性フィラー３２は、図８に示すように、個々の円柱状フィラーは形状を変えずに、互いに接する側面に沿って互いに接近するように摺動する。これにより外形柱状の形状は、細長い棒状から柱状に変化する。このとき、円柱状フィラーの側面は互いに全面が密着し、また、上下面はそれぞれ半導体チップ１および第２の熱伝導層１８にそれぞれ接している。これにより、熱伝導フィラー３２の全接触面積は、半導体チップ１の発熱当初より大きくなり、半導体チップ１からの熱の伝導は、主にこの熱伝導フィラー３２を通じて、第２の熱伝導層１８へ伝達することになり、第３の熱伝導路２６の熱伝導率は大きくなる。
【００６６】
また、半導体チップ１が動作終了すると、上記の逆のプロセスをへて、熱伝導フィラー３２の外形柱状の形状は、再び細長い棒状に復帰し、熱伝導率は小さくなる。
【００６７】
このような作用により、第３の熱伝導路２６は、熱伝導率が可変となり、実施の形態１と同様の効果を与える。
【００６８】
なお、上記の説明においては、外形柱状の複数の円柱状フィラーから構成された熱伝導フィラー３２は、熱伝導性樹脂３３内で一層を形成しているものとしたが、熱伝導性フィラー３２は多層構成されていてもいい。また、層を形成せずとも、面的な広がりを持たない縞状に配置されている構成であってもよい。
【００６９】
（実施の形態３）          
本発明の実施の形態３による半導体装置は、第３の熱伝導路２６の構成を除けば、実施の形態１と同様なので、説明には図１〜６を用い、その詳細は省略する。また、図９および図１０は、本実施の形態の第３の熱伝導路２６の構成及び動作を説明するための図である。
【００７０】
本実施の形態の第３の熱伝導路２６は、実施の形態１および２とは異なり、熱伝導性樹脂３２の熱膨張率は、半導体チップ１またはバンプ３および第２の熱伝導層１８のそれ以上である。また、楕円体形状を有する熱伝導性フィラー３２は、そのフィラー長さに対して短手方向に熱膨張する性質を有する。
【００７１】
このような構成を有する本実施の形態における、第３の熱伝導路２６の作用を以下に説明する。
【００７２】
図９に示すように、半導体チップ１が動作直後等の低温状態にあるときは、熱伝導樹脂３３内に分散配置された熱伝導性フィラー３２は、低温のため体積は比較的小さく、互いの距離も離れているため、熱伝導フィラー３２の全接触面積は低く、第３の熱伝導路２６としての熱伝導率は小さい。
【００７３】
一方、半導体チップ１が所定時間を経て温度が上昇すると、実施の形態１の場合と同様に、半導体チップ１および第２の熱伝導層１８は熱膨張するが、熱伝導性樹脂３３の膨張率は半導体チップ１またはバンプ３および第２の熱伝導層１８のそれ以上でなので、厚みは実質上変化しない。これに対し熱伝導性フィラー３２は、半導体チップ１からの熱が加わるとフィラー長さに対して短手方向に熱膨張するため体積が増加し、また表面積も増大する。これにより互いの距離が接近すると共に、接続点数、接続面積が増加する。これにより、熱伝導フィラー３２の総接触面積は、半導体チップ１の発熱当初より大きくなり、第３の熱伝導路２６の熱伝導率は大きくなる。
【００７４】
また、半導体チップ１が動作終了すると、上記の逆のプロセスをへて、熱伝導フィラー３２は熱収縮して、熱伝導率は小さくなる。
【００７５】
このような作用により、第３の熱伝導路２６は、熱伝導率が可変となり、実施の形態１と同様の効果を与える。
【００７６】
なお、上記の説明においては熱伝導性フィラー３２の形状は楕円体形状としたが、紡錘形状であってもよい。このときも、熱膨張の方向は、そのフィラー長さに対して短手方向であることが望ましい。
【００７７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４による半導体装置の構成は、実施の形態１と同様なので、説明には図１〜６を用いる。
【００７８】
本実施の形態の半導体装置の特徴は、第１の実装基板４，第２の実装基板１４、および第１の気密電極７と第２の気密電極１５と第１の接合層２５とから構成される封止材が、中空気密の収納空間を形成し、この内部に半導体チップ１および回路部品２２を内蔵した構成を有している点である。すなわち、従来の半導体装置は、半導体装置を独立したパッケージ構造に封入した状態で完成し、このパッケージ構造を、表面実装部品が実装される他の実装基板に実装して、通信機器や情報処理機機装置に組み込むようにしているため、実装基板を含めた全体の大型化を招いていたのに対し、本実施の形態は、回路部品２２を実装する実装基板自体が、半導体チップ１を内蔵するパッケージ構造の一部となっている。これにより、半導体装置および他の回路部品を実装した構造全体を小型化できるという利点がある。
【００７９】
次に、本実施の形態のパッケージ構造の製造方法を、図１１（ａ）〜（ｇ）を参照して説明する。
【００８０】
初めに、第２の実装基板１４の両主面上に、端子電極ｃ２１，第３の熱伝導層２０，端子電極ｅ２８, 第２の気密電極１５、端子電極ａ１６，端子電極ｂ１７，第２の熱伝導層１８を実装し、更に端子電極ａ１６の上には接合材２４を設ける。なお、第２の実装基板１４は、その主面の予め対応する箇所に貫通孔を開けて、第２の熱伝導路１９を充填成型しておく（図１１（ａ））。また接合材２４は、メッキ方法や印刷方法（メタル版印刷、スクリーン印刷）やディスペンス方法等により形成する。
【００８１】
次に、接合材２４の上部に、回路部品２２を実装する（図１１（ｂ））。このとき実装は、硬化炉または局所加熱方法またはリフロー等で、接合材２４を溶融接合もしくは熱硬化させることにより行う。なお、回路部品２２は同一の実装工法が可能なパッケージ部品（ＣＳＰ、ＷＬＰ）によって実現してもよい。
【００８２】
次に、第１の実装基板４の主面上に、電極端ａ５およびｂ６を有する端子電極と、第４の熱伝導層８と、第１の熱伝導層９と、第１の気密電極７とをメッキ法等により形成し、更に電極端ｂ６の上面に第２の接合層２７を、また第１の気密電極７の上面に第１の接合層２５をそれぞれ転写方法や印刷方法により設ける。なお、第１の実装基板４は、その主面の予め対応する箇所に貫通孔を開けて、第１の熱伝導路９を充填成型しておく（図１１（ｃ））。また、第１の接合層２５，第２の接合層２７としては、例えば半田を用いる。他の気密融着できるものであれば、金属（低融点金属）、無機（ガラス）、有機材料（ＬＣＰ）でもかまわない。また、メッキ方法、印刷方法、ディッピング方法、スタンピング方法、ディスペンス方法等により形成する。ただし、半導体チップ１からの電気的接続を保つためには、導電性材料を用いることが望ましい。また、第１の接合層２５，第２の接合層２７の融点は、半導体チップ１の電極パッド２の融点よりも低くなるようにする。
【００８３】
次に、図１１（ｃ）にて各電極が実装された第１の実装基板４に、電極パッド２およびバンプ３を介して、半導体チップ１をフリップチップ実装する（図１１（ｄ））。
【００８４】
次に、図１１（ｂ）の状態にある第２の実装基板１４において、第２の熱伝導層１８上に、第３の熱伝導路２６を設ける（図１１（ｅ））。このとき第３の熱伝導路２６は、印刷方法、転写方法、ディスペンス方法、フィルムシート貼り付け方法等によって形成する。
【００８５】
次に、図１１（ｄ）の状態にある第１の実装基板４と、図１１（ｅ）の状態にある第２の実装基板１４とを、半導体チップ１と第３の熱伝導路２６とが対向するようにして貼り合わせる。このとき、第１の気密電極７と第２の気密電極１５とは、第１の接合層２５を介して接するように、また電極端ｂ６と端子電極ｂ１７とは、第２の接合層２７を介して接するように配置する（図１１（ｆ））。
【００８６】
最後に、第１の接合層２５および第２の接合層２７を、加熱加圧ヘッド、リフローもしくは硬化炉（乾燥器）を用いた溶融接合または熱硬化によって各電極と接続する（図１１（ｇ））。
【００８７】
すでに述べたように、第１の気密電極７および第２の気密電極１５は、それぞれ第１の実装基板４および第２の実装基板１４の外周に連なって連続的に配置されており、回路部品２２や半導体チップ１の周囲をもれなく取り囲んでいるため、第１の実装基板４と第２の実装基板１４の対向面と、第１の気密電極７、第２の気密電極１５および第１の接合層２５が、半導体チップ１や回路部品２２を内蔵する、気密中空の収納空間が形成される。
【００８８】
なお、第３の熱伝導路２６は、接合材２４等を設けるのと同時に行ってもよい。
【００８９】
また、第２の実装基板１４における第１の接合層２５，第２の接合層２７の形成は、接合材２４の形成に先立って行ってもよい。また、第１の実装基板１における半導体チップ１の実装は、第１の接合層２５，第２の接合層２７の形成に先だって行ってもよい。要するに、図１１（ｄ）の状態にある第１の実装基板４と、図１１（ｅ）の状態にある第２の実装基板１４とを、半導体チップ１と第３の熱伝導路２６とが対向するようにして貼り合わせ工程を実行するまでに、各実装基板上における、電極、熱伝導層、回路部品等の形成、実装の順序は順不同としてよい。したがって、多数の部品の実装を同時に行うことにより、半導体装置全体の製造工程を短縮させることができる。例えば、第１の気密電極７，第４の熱伝導層８，端子電極の電極端ａ５および電極端ｂ６，第１の熱伝導層９は、それぞれの厚みに応じて一括して（ハーフ）エッチングにより形成してもよい。
【００９０】
また、上述したように、本実施の形態による半導体装置は、半導体チップ１が実装された第１の実装基板４と、回路部品２２が実装された第２の実装基板１４とが、貼り合わせるまでは互いに独立して完成した状態にある。
【００９１】
これにより、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、端子電極ｂ１７にプローバ３０を接触させ、ここから通電させることにより、実装した回路部品２２が正常品かどうかを半導体装置完成前に検査することができる。また図１２（ｃ）（ｄ）に示すように、別途用意した検査装置３１の検査ソケット３４に第２の接合層２７を端子として嵌合させ、ここから通電させることにより、実装した半導体チップ１が正常品かどうかを、半導体装置完成前に検査することができる。特に、第２の接合層２７が設けられた、第１の実装基板４の電極端ａ５およびｂ６を有する端子電極はソケットタイプの検査方法に適しており、加熱溶融が困難な樹脂モールドの半導体装置と異なり、本実施の形態の半導体装置において特に有効である。
【００９２】
また、第２の実装基板１４は、外部実装用の端子電極ｃ２１，ｅ２８が設けられており、図１３（ａ）に示すように、これら端子電極に対応した検査用電極３６を備えた検査装置３５を用いて、更に完成後の半導体装置の検査をも行うことができる。
【００９３】
ここで不具合が生じ、半導体チップ１または回路部品２２に不良があると想定される場合は、一旦貼り合わせた第１の実装基板４と第２の実装基板１４とを剥離させることができる。すなわち、第１の実装基板４の金属層１２の面から加熱を行い、第１の実装基板４と第２の実装基板１４との接合部をなす第１の接合層２５，第２の接合層２７を溶融させて、分離する。ここで図１３（ｂ）に示す例には、金属層１２と全面接触するヘッド加熱治具３７を用いた。ヘッド加熱処理治具３７は吸着機能を有し、分離した後の第１の実装基板４を容易に分離することができる。また、溶融した第１の接合層２５，第２の接合層２７は残滓となって実装基板上に残留するが、これは溶剤や吸着材でクリーニングすればよい。
【００９４】
後は不具合の原因となる半導体チップ１や回路部品２２を個別に検査して、原因となる部品を交換した後に、図１１に示す各工程によって再組み立てを行えばよい。
【００９５】
このように、本実施の形態によれば、完成後の半導体装置に不具合がある場合でも、故障個所を部品毎に個別に判断して、容易に修繕することができる。これは、単に完成後の試験のみならず、他の部品に比して高価な半導体チップ１が実装された実装基板１を再利用するメリットを与え、半導体装置のリサイクルを可能とし、全体として低コスト化が期待できる。
【００９６】
なお、上記の各実施の形態において、第３の熱伝導路２６は本発明の放熱手段、熱伝導材に相当し、熱伝導性樹脂３３は本発明の熱伝導性樹脂に相当し、熱伝導性フィラー３３は本発明の熱伝導性フィラーに相当し、半導体チップ１は本発明の半導体チップに相当し、電極端ａ５および電極端ｂ６を有する端子電極は本発明の端子電極に相当し、第１の実装基板４は本発明の第１の基板に相当し、第２の実装基板１４は本発明の第２の基板に相当し、第１の気密電極７，第２の気密電極１５および第１の接合層２５は本発明の封止材に相当し、回路部品２２は本発明の回路部品に相当する。
【００９７】
また、第１の気密電極７は本発明の第１の端子電極に相当し、第２の気密電極１３は本発明の第２の端子電極に相当する。
【００９８】
また、第３の熱伝導路２６、第２の熱伝導層１８および第２の熱伝導路１９は、多層構造を有する本発明の放熱手段に相当する。
【００９９】
ただし本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、例えば本発明の放熱手段として、第２の熱伝導層１８、第２の熱伝導路１９も第３の熱伝導路２６と同様本発明の熱伝導材により形成される単層構造としてもよい。また、第２の熱伝導層１８または第２の熱伝導路１９を本発明の熱伝導材で構成し、第３の熱伝導路２６は従来材料により構成してもよい。
【０１００】
また、本発明の熱伝導材を放熱手段として用いる半導体装置は、本発明の密閉空間を有する半導体装置のみならず、図１４に示すような従来例の半導体装置において実施してもよい。本発明の熱伝導材が放熱手段として半導体チップと実装基板とを熱的に接続する構成を有していれば、その具体的構成によって限定されるものではない。
【０１０１】
また、上記の実施の形態１〜３においては、熱伝導材は熱伝導性樹脂および熱伝導性フィラーから構成されるものとしたが、外部からの熱圧力により厚みが変わる熱伝導性樹脂のみにより構成されるものであってもよく、実施の形態１〜３より劣るが十分な効果が得られる。
【０１０２】
また、第２の実装基板１４は多層基板構造となってもよい、また回路部品２２は表面実装でなく、薄膜転写形成されていてもよい。更に回路部品２２は半導体のパッケージ（例えばチップスケールパッケージ、ウェハースケールパッケージ等）であってもよく、既存の回路部品の実装プロセス、接合プロセスが同じであれば、搭載部品の種類によって限定されない。
【０１０３】
また、上記の説明においては半導体チップ１はフリップチップ実装であるとしたが、ワイヤーボンディング実装によるものとしてもよい。
【０１０４】
なお、半導体チップ１としては、フィルタ素子、水晶振動子を用いてもよい。また、本発明の半導体装置は、有機ＴＦＴや有機ＥＬフィルムの裏面への無線モジュールに有効である。
【０１０５】
以上のような本発明によれば、例えば、本発明によれば、半導体チップ（フィルタ、振動素子）からの発熱を効率よく放熱伝導させ、電気特性（接続抵抗、周波数特性）と高速化を向上させた、低コストで小型化、薄型化可能な半導体装置とすることが可能となる。
【０１０６】
以上のような半導体装置の構成によれば、凹凸の端子電極と端子電極を備えた第１の実装基板の下面に半導体チップ（フィルタ、振動素子）がフリップチップ実装され、また、実装基板の上面に回路部品（ＳＭＤ部品、パッケージ部品）が実装され、半導体チップ（フィルタ、振動素子）の下面と実装基板の熱伝導層とが熱伝導路で熱的に接続され、また、実装基板の端子電極、気密用端子電極は実装基板の端子電極、気密用端子電極とそれぞれ接合層、接合層によって電気的、機械的に接続する構造とする。
【０１０７】
なお、熱伝導路は温度上昇する際に熱伝導率が徐々に大きくなり、また、温度下降する際に熱伝導率が除々に小さくなることを特徴とする熱伝導材であり、半導体チップ（フィルタ、振動素子）と熱伝導層を接続する熱伝導路に使用される。
【０１０８】
また他に、熱伝導路中の前記熱伝導性フィラーが熱膨張することで熱伝導率が大きくなり、また、前記熱伝導性フィラーが熱収縮することで熱伝導率が小さくなる熱伝導材を半導体チップ（フィルタ、振動素子）と熱伝導層２を接続する熱伝導路に使用してもよい。
【０１０９】
よって、放熱性に優れ、小型薄型化可能で樹脂充填モールド不可の半導体チップ（フィルタ、振動子）実装基板と回路部品実装基板と検査後に一括して接合層で接続することで中空気密構造にでき信頼性を向上させることができる。
【０１１０】
また、各基板毎に検査を行って実装することができ、あたかも半導体チップ（フィルタ）や回路部品が３次元内蔵実装されているかのような半導体パッケージ（複合デバイス）とすることができる。
【０１１１】
更に、中空気密構造とすることにより、中空内部の気体を熱伝導し、半導体装置の各所に設けられた熱伝導層や熱伝導路を通って放熱することができる。半導体装置には外側に金属箔層もあり、不要な電波の受信や放出を遮蔽して防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明にかかる熱伝導材、半導体装置および半導体装置の製造方法は、半導体チップからの発熱を制御し、電気特性と高速化に対応させることが可能な熱伝導材、および低コスト、小型低背化が可能な半導体装置ならびにその製造方法を提供することができ、例えば携帯電話などの無線通信機器や、情報処理機器等に用いられる半導体装置や、その半導体装置に用いられる熱伝導材等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における半導体装置の部分拡大図
【図３】本発明の実施の形態１における半導体装置の第３の熱伝導層２６の構成図
【図４】本発明の実施の形態１における半導体装置の第３の熱伝導層２６の作用を説明するための図
【図５】本発明の実施の形態１における半導体装置の第３の熱伝導層２６の作用を説明するための図
【図６】本発明の実施の形態１における半導体装置の第３の熱伝導層２６と従来の熱伝導層との比較を説明するための図
【図７】本発明の実施の形態２における半導体装置の第３の熱伝導層２６の構成およびその作用を説明するための図
【図８】本発明の実施の形態２における半導体装置の第３の熱伝導層２６の構成およびその作用を説明するための図
【図９】本発明の実施の形態３における半導体装置の第３の熱伝導層２６の構成およびその作用を説明するための図
【図１０】本発明の実施の形態３における半導体装置の第３の熱伝導層２６の構成およびその作用を説明するための図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図  （ｂ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図  （ｃ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図  （ｄ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図  （ｅ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図  （ｆ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図  （ｇ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明するための図
【図１２】（ａ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における検査工程を説明するための図  （ｂ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における検査工程を説明するための図  （ｃ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における検査工程を説明するための図  （ｄ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における検査工程を説明するための図
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における検査工程を説明するための図  （ｂ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における工程を説明するための図  （ｃ）本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法における検査工程を説明するための図
【図１４】従来の技術による半導体装置の構成図
【符号の説明】
【０１１４】
１  半導体チップ
２  電極パッド
３  バンプ
４  第１の実装基板
５  電極端ａ
６  電極端ｂ
７  第１の気密電極
８  第４の熱伝導層
９  第１の熱伝導層
１０  第１の熱伝導路
１１  金属体
１２  金属層
１３  第１の樹脂層
１４  第２の実装基板
１５  第１の気密電極
１６  端子電極ａ
１７  端子電極ｂ
１８  第２の熱伝導層
１９  第２の熱伝導路
２０  第３の熱伝導層
２１  端子電極ｃ
２２  回路部品
２３  端子電極ｄ
２４  接合材
２５  第１の接合層
２６  第３の熱伝導路
２７  第２の接合層
２８  端子電極ｅ
２９  第２の樹脂層
３０  プローバ
３１、３５  検査装置
３２  熱伝導性フィラー
３３  熱伝導性樹脂
３４  検査ソケット
３６  検査用電極
３７  ヘッド加熱治具
１１１  フレーム上部
１０２  半導体チップ
１０３  実装基板
１２３  球形のバンプ
１０１  フレーム下部
１０４  蓋
１３１  基板電極
【図１】
2006032626.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006032626.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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