(57)【要約】【課題】半導体素子からの放熱効率の高い半導体装置を提供する。【解決手段】配線基板１上に放熱板２を介して半導体素子３が搭載され、配線基板１と半導体素子３とがワイヤ４により電気的に接続され、各ワイヤ４または放熱板２にそれぞれ接続するスルーホール５が配線基板１内に形成され、各スルーホール５に接続する外部電極６が配線基板１の裏面に形成された半導体装置において、放熱板２と半導体素子３との間に絶縁層９が形成され、かつ放熱板２は少なくとも２つ以上に分割されていることを特徴とする。これによれば、放熱板２の電位に関わらず半導体素子３の裏面は電気的に接続されない状態が保たれ、放熱設計の自由度が増すので、放熱板２にスルーホール５を介して接続した外部電極６を実装基板の放熱効率のよい配線等に接続させて、半導体素子３の熱を効率的に逃がすことが可能である。【選択図】  図４
2006261255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板上に放熱板を介して半導体素子が搭載され、配線基板と半導体素子とがワイヤにより電気的に接続され、各ワイヤまたは放熱板にそれぞれ接続するスルーホールが配線基板内に形成され、各スルーホールに接続する外部電極が配線基板の裏面に形成された半導体装置において、前記放熱板と半導体素子との間に絶縁層が形成され、かつ放熱板は少なくとも２つに分割されている半導体装置。
【請求項２】
放熱板は、配線基板形成工程で表層配線と同時に形成されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
放熱板は、配線基板上に実装されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
絶縁層は、ハンダレジスト層である請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
絶縁層は、半導体素子を接合するための絶縁性接着剤層である請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
放熱板に接続したスルーホールが基板内配線に接続された請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
分割された各放熱板に接続したスルーホールが異なる基板内配線に接続された請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
放熱板がスルーホールを介して接続された基板内配線の少なくとも一つはＧＮＤ配線または電源配線である請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に消費電力の大きな半導体素子を搭載する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信機器、事務用電子機器、家庭用電子機器、測定装置、組み立てロボット等の産業用電子機器、医療用電子機器、電子玩具等の分野は、小型軽量化が進み、半導体装置には実勢面積の小型化が強く求められてきた。これらの要求に応えるものの一つとしてＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）等がある。一方、ＢＧＡに搭載される半導体素子は、高密度化に伴って、小チップ化および高発熱への対応が求められている。
【０００３】
図５は高発熱への対応が図られたＢＧＡ型半導体装置の断面図である。配線基板１上に放熱板２を介して半導体素子３が搭載され、配線基板１の表層配線１ａと半導体素子３とがワイヤ４により電気的に接続され、各ワイヤ４または放熱板２にそれぞれ接続するように配線基板１内に設けられたスルーホール５に接続する外部電極６が配線基板１裏面に形成されるとともに、放熱板２に接続したスルーホール５は配線基板１内のＧＮＤ配線または電源配線であるベタ配線７に接続されていて、半導体素子３の高発熱を放熱板２、スルーホール５、ベタ配線７、外部電極６を通して、外部電極６が接続される実装基板（図示せず）に逃がすようになっている。ここでベタ配線とは、通常の表層配線（信号配線）よりも広い面積を有した配線パターンをいう。８は配線基板１上の素子搭載面を封止するモールド樹脂である。
【特許文献１】特開２００１−２８４１０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の半導体装置では、半導体素子３が直接にその上に搭載される放熱板２として配線基板１表面のベタ配線または銅版等が用いられており、半導体素子３と放熱板２とは接合面において同電位になる。そのため半導体素子３の電気的要求から、つまり一般には半導体素子３の裏面は電気的に接続しないかＧＮＤ電位にするのが望ましいので、放熱板２に接続するスルーホール５が接続される内部のベタ配線７は一義的にＧＮＤ層に決まってしまう。つまり、放熱板７に接続するスルーホール５はＧＮＤ層にしか繋ぐことができず、配線基板１内に同様にベタ配線７として存在する電源層がＧＮＤ層と同等かより大きくて効率的に放熱できる場合も、電源層を放熱に利用することはできない。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑み、半導体素子からの放熱効率の高い半導体装置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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、配線基板上に放熱板を介して半導体素子が搭載され、配線基板と半導体素子とがワイヤにより電気的に接続され、各ワイヤまたは放熱板にそれぞれ接続するスルーホールが配線基板内に形成され、各スルーホールに接続する外部電極が配線基板の裏面に形成された半導体装置において、前記放熱板と半導体素子との間に絶縁層が形成され、かつ放熱板は少なくとも２つに分割されていることを特徴とする。これによれば、放熱板の電位に関わらず半導体素子の裏面は電気的に接続されない状態が保たれるので、放熱板にスルーホールを介して接続した外部電極を実装基板の放熱効率のよい配線等に接続させて、半導体素子の熱を効率的に逃がすことが可能である。
【０００７】
放熱板は、配線基板形成工程で表層配線と同時に形成されていてよい。これによれば、配線基板形成と同時に放熱板を配設できるので、工数を削減できる。
また放熱板は、配線基板上に実装されていてよい。これによれば、配線基板形成における制約を受けずに自由な材料・厚さの放熱板を採用することができ、放熱効率を向上できる。
【０００８】
絶縁層は、ハンダレジスト層であってよい。また絶縁層は、半導体素子を接合するための絶縁性接着剤層であってよい。
放熱効率の観点からは、放熱板に接続したスルーホールが基板内配線に接続されるのが好ましい。分割された各放熱板に接続したスルーホールが異なる基板内配線に接続されるのがより好ましい。放熱板がスルーホールを介して接続された基板内配線の少なくとも一つはＧＮＤ配線または電源配線であるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体素子と放熱板との間に絶縁層が形成されたことで、放熱板に接続されたスルーホールの基板内での接続や外部電極を通じての装置外接続の如何に関わらず、半導体素子の裏面は電気的に接続されない状態が保たれるので、効率よい放熱設計を自由に行うことが可能となる。また放熱板をスルーホールを介して単一あるいは複数の基板内配線に接続することができるので、基板内配線を効率よく放熱に利用することも可能となる。
【００１０】
これらのことから、半導体装置の熱抵抗を低減可能になるばかりでなく、半導体装置から実装基板への放熱の経路を分散させて、特定の外部端子への熱の集中をなくし、外部端子およびその接続部の熱疲労を低減することが可能になり、半導体装置の実装信頼性の向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【００１２】
配線基板１上に放熱板２を介して半導体素子３が搭載され、配線基板１の表層配線１ａと半導体素子３とがワイヤボンド工法にてワイヤ４（信号ワイヤ４ａとＧＮＤワイヤ４ｂと電源ワイヤ４ｃ）により電気的に接続され、各表層配線１ａまたは放熱板２にそれぞれ接続するように配線基板１内に設けられたスルーホール５に接続する外部電極６が配線基板１裏面に形成されている。配線基板１上の素子搭載面は半導体素子３とワイヤ４とを覆うモールド樹脂８で封止されている。外部電極６としては一般にハンダボールが形成されるが、ハンダ以外の金属ボールやボール形状をとらないランドやバンプであってもよい。
【００１３】
この半導体装置が従来のものと相違するのは、放熱板２が少なくとも２つの放熱板２ａ，２ｂに分割され、放熱板２と半導体素子３との間に絶縁層９が介在している点である。ここでは絶縁層９としてハンダレジストが用いられており、この絶縁層９は放熱板２を完全に覆うとともに、放熱板２の周囲の素子搭載面および基板裏面も覆っている。
【００１４】
絶縁層９としてハンダレジストを用いたのは、一般に外部電極搭載面にはハンダレジスト層が形成されるので、同時に形成することが可能で工程を簡略化できるので都合よいからである。ハンダレジストであれば特に材料は問わないが、半導体素子３の裏面と放熱板２との絶縁性を特に重視する場合は、ピンホール等の発生が懸念されない程度の厚さ、具体的には１０μｍ以上に形成することが望ましい。ハンダレジストに代わる絶縁性樹脂を放熱板２と半導体素子３との間に介在させることは可能である。
【００１５】
絶縁層９上に半導体素子３を接合させるための接着剤１０としては、配線基板１などの基板上への半導体素子３の搭載に一般に用いられている接着材料を用いることができる。絶縁層９によって確実に絶縁性が保たれる場合には導電性の接着剤１０を用いても構わないが、絶縁層９を薄くしか形成できない等の理由でピンホール等が懸念される場合は、十分な絶縁性を確保するために絶縁性のものを用いるのが望ましい。好ましい絶縁性接着剤としては、たとえばエイブルスティック社製2025がある。熱特性の向上を図るために、接着材料に熱伝導効率の高いベースレジンを採用したり、シリカや窒化アルミ等の無機フィラーを添加する等の方法をとってもよい。
【００１６】
以上のように構成された半導体装置では、半導体素子３の動作により発生した熱は半導体素子３の裏面から接着剤１０及び絶縁層９を通じて放熱板２に伝導し、それよりスルーホール５を通じて外部電極６に伝導するため、放熱効果は高い。
【００１７】
このような半導体装置は通常、マザーボードに実装されて使用されるので、外部電極６に伝導した熱は更にマザーボード上に伝導することになり、放熱効果はさらに高まる。なお放熱板２にスルーホール５を介して接続した外部電極６は、放熱板２・半導体素子３間の絶縁層９によって半導体素子３から電気的に絶縁された状態にあるので、マザーボードの任意の配線層、たとえば最も放熱効率の高い配線層と繋ぐことが可能であり、より高い放熱効果を得ることが可能である。
【００１８】
よって、半導体装置の熱抵抗を低減させ、且つ実装信頼性を向上させることができる。マザーボードとの実装における熱設計に際しても、放熱板２の電位に関わらず半導体素子３の裏面は電気的に接続されない状態が保たれるので、電気的な考慮をすることなく、半導体素子３で発生する熱の伝導効率を高めるようにすればよく、設計が容易である。
【００１９】
放熱板２（２ａ，２ｂ）は、複数に分割されることによって接合の信頼性を向上することができる。半導体素子３の熱が伝わった際に、一つ一つの放熱板２ａ，２ｂが小さくなることでそれぞれのコーナー部での熱膨張による変位が小さくなり、熱応力の発生を減少させることができるからである。
【００２０】
放熱板２（２ａ，２ｂ）は、配線基板１の形成工程で表層配線１ａと同時にベタ配線として形成できる。一般に放熱板２にはＣｕ等の熱伝導率が高い金属が用いられており、これは配線基板１の配線材料と同一なので、表層配線１ａと同時に形成すれば、通常の配線基板形成工程で放熱板２も配設することができ、したがって工数を削減することができ、放熱効率の高い半導体装置を安価に提供可能となる。
【００２１】
放熱板２（２ａ，２ｂ）は、銅板より切り出すなどして配線基板１上に実装してもよい。これによれば、配線基板１の形成における制約を受けずに、配線基板１の配線材料と異なる自由な材料を用いたり、同一材料であっても配線基板１の表層配線１ａよりも厚さを増したりすることができ、放熱設計の自由度が増すので、放熱効率がより高い半導体装置を実現可能となる。
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【００２２】
この半導体装置が上記した第１の実施の形態の半導体装置と相違するのは、半導体素子３が放熱板２の上に直接に絶縁性接着剤１１で接合して搭載された点である。つまり、絶縁性接着剤１１を用いて、放熱板２上への半導体素子３の接合を確保するとともに、放熱板２と半導体素子３との間の電気的絶縁性を第１の実施の形態で説明したような別途の絶縁層を介在させることなく確保している。ここでは放熱板２の周囲の素子搭載面および裏面の絶縁層９は残したが、素子搭載面の全ての絶縁層９を除去してもかまわない。
【００２３】
絶縁性接着剤１１の樹脂材料等は特に限定されないが、安定した厚みと均一性とが確保されるフィルムタイプが本目的に最も合致する。たとえばリンテック社製のＬＥシリーズは電気的絶縁性並びに厚み安定性および均一性が良好なので好適に使用できる。熱特性の向上を図る場合には、熱伝導効率の高いベースレジンを採用したり、シリカや窒化アルミ等の無機フィラーを添加する等の方法をとってもよい。
【００２４】
以上のように構成された半導体装置では、半導体素子３の動作により発生した熱は半導体素子３の裏面から絶縁性接着剤１１を通じて放熱板２に伝導し、それよりスルーホール５を通じて外部電極６に伝導することになり、第１の実施の形態の半導体装置よりも高い放熱効果を得ることが可能である。第１の実施の形態では接着剤１０＋絶縁層９の厚さだけ熱が伝導していたのに対し、この第２の実施の形態では絶縁性接着剤１１の厚みのみを熱が伝導するので、熱の伝導経路を短縮することが可能であり、放熱板２への熱伝導効率を向上できるからである。マザーボードへの実装に関わる放熱効果の向上は第１の実施の形態と同様である。
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【００２５】
この半導体装置が上記した第２の実施の形態の半導体装置と相違するのは、放熱板２に接続したスルーホール５が配線基板１の内部配線層７のベタ配線７ａに接続されている点である。
【００２６】
ベタ配線７ａは、必ずしも他の電気的接続がある配線である必要はないが、配線の中でも最も大きなベタ配線、熱的に最も効率がよいベタ配線を選択すればよく、一般にはＧＮＤ配線または電源配線を選択するのが望ましく、ここではＧＮＤワイヤ４ｂが接続するスルーホール５に接続したＧＮＤ配線が選択されている。
【００２７】
以上のように構成された半導体装置では、半導体素子３の動作により発生した熱は半導体素子３の裏面から絶縁性接着剤１１を通じて放熱板２に伝導し、放熱板２からスルーホール５を通じてその端部の外部電極６に伝導する伝導経路と、スルーホール５を通じてベタ配線７ａに伝達し、さらにＧＮＤワイヤ４ｂが接続するスルーホール５、外部電極６に伝達する伝導経路とで伝導することになり、つまりスルーホール５より下流の熱伝導経路が複数に増えることになり、第２の実施の形態の半導体装置よりもさらに高い放熱効果を得ることができる。またベタ配線７ａがない時には放熱板２に一端が接続したスルーホール５の他端の外部電極６に集中していた熱が、より多数の外部電極６に分散されることになるため、外部電極６の熱疲労も低減され、接続信頼性が向上する。マザーボードへの実装に関わる放熱効果の向上は第１の実施の形態で説明したのと同様である。
（第４の実施の形態）
図４は本発明の第４の実施の形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【００２８】
この半導体装置が上記した第３の実施の形態の半導体装置と相違するのは、放熱板が少なくとも２つの放熱板２ａ，２ｂに分割され、放熱板２ａに接続したスルーホール５が第１の内部配線層７のベタ配線７ａに接続され、放熱板２ｂに接続したスルーホール５が第２の内部配線層１２のベタ配線１２ａに接続されている点である。ベタ配線７ａはＧＮＤ配線、ベタ配線１２ａは電源配線である。
【００２９】
以上のように構成された半導体装置では、半導体素子３の動作により発生した熱は半導体素子３の裏面から絶縁性接着剤１１を通じて放熱板２ａ，２ｂに伝導し、放熱板２ａからスルーホール５を通じてその端部の外部電極６に伝導する伝導経路と、スルーホール５からベタ配線７ａを経由して他のスルーホール５、外部電極６に伝達する伝導経路と、放熱板２ｂからスルーホール５を通じてその端部の外部電極６に伝導する伝導経路と、スルーホール５からベタ配線１２ａを経由して他のスルーホール５、外部電極６に伝達する伝導経路とで伝導することになり、第３の実施の形態よりもさらに熱伝導経路が増える。よって第３の実施の形態の半導体装置よりもさらに高い放熱効果を得ることができ、外部電極６の熱疲労も低減され、信頼性が向上する。マザーボードへの実装に関わる放熱効果の向上は第１の実施の形態で説明したのと同様である。
【００３０】
この第４の実施の形態の半導体装置は、放熱板を複数に分割することで、分割した放熱板２ａ，２ｂのそれぞれに接続したスルーホール５の電気的独立を保てるようにして、第３の実施の形態と同等のスルーホール数であっても接続可能なベタ配線７ａ，１２ａの数を増やし、熱伝導経路を増やすことを可能としたものと言うことができ、放熱板の分割数は、電位の異なる接続対象のベタ配線７ａ，１２ａ等の数量に対応させる必要がある。
【００３１】
以上説明したように、第１から第４の実施の形態の半導体装置はそれぞれ、ＬＳＩチップたる半導体素子の集積回路部を保護し、かつ外部装置との電気的接続を安定的に確保し、さらに高密度な実装を可能としたＢＧＡ半導体装置のなかで、特に消費電力の大きな半導体素子を搭載する半導体装置において、熱抵抗を低減させ、実装信頼性を向上することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の半導体装置は、消費電力の大きな半導体素子を搭載しても熱抵抗を低減できるとともに実装信頼性を向上することができ、情報通信機器、事務用電子機器、家庭用電子機器、測定装置、組み立てロボット等の産業用電子機器、医療用電子機器、電子玩具等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体装置の構造を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体装置の構造を示す断面図
【図３】本発明の第３の実施の形態の半導体装置の構造を示す断面図
【図４】本発明の第４の実施の形態の半導体装置の構造を示す断面図
【図５】従来の半導体装置の構造を示す断面図
【符号の説明】
【００３４】
１    配線基板
２    放熱板
2a,2b 放熱板
３    半導体素子
４    ワイヤ
５    スルーホール
６    外部電極
7a    ベタ配線
９    絶縁層
10    接着剤
11    絶縁性接着剤
12a   ベタ配線
【図１】
2006261255.tif 000003
【図２】
2006261255.tif 000004
【図３】
2006261255.tif 000005
【図４】
2006261255.tif 000006
【図５】
2006261255.tif 000007