(57)【要約】【課題】  半導体素子の動作特性が安定し、かつ安価で薄型の高放熱型プラスチックパッケージを提供することを目的とする。【解決手段】  銅箔４に接合用樹脂５が塗布されてフィルム状に形成された銅箔付き樹脂フィルム１２と、樹脂基板６とその両面に貼り付けられた２枚の銅箔４ａ，４ｂとからなるコア銅板１３とで構成され、このコア銅板１３の上下面に銅箔付き樹脂フィルム１２が接合され、上面の銅箔付き樹脂フィルム１２に設けられたキャビティ３に半導体素子２が配置されるとともに、上下面の銅箔付き樹脂フィルム１２の銅箔４には信号層が形成され、コア銅板１３の２枚の銅箔４ａ，４ｂにはそれぞれ電源層及び接地層が形成された構造を備えるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅箔に接合用樹脂が塗布されてフィルム状に形成された銅箔付き樹脂フィルムと、樹脂基板とその両面に貼り付けられた２枚の銅箔とからなるコア銅板とを備え、このコア銅板の上下面に前記銅箔付き樹脂フィルムが接合され、上面の銅箔付き樹脂フィルムに設けられたキャビティに半導体素子が配置されるとともに、上下面の前記銅箔付き樹脂フィルムの銅箔に信号層が形成され、前記コア銅板の２枚の銅箔にそれぞれ電源層及び接地層が形成されたことを特徴とする高放熱型プラスチックパッケージ。
【請求項２】
前記コア銅板を形成する２枚の銅箔の厚さを前記銅箔付き樹脂フィルムを形成する銅箔の略２倍乃至３．５倍とすることを特徴とする請求項１に記載の高放熱型プラスチックパッケージ。
【請求項３】
前記高放熱型プラスチックパッケージは前記銅箔付き樹脂フィルムの片面に複数の半田ボールを配列したボールグリッドアレイパッケージであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高放熱型プラスチックパッケージ。
【請求項４】
銅箔に接合用樹脂を塗布してフィルム状に形成した銅箔付き樹脂フィルムの一部に略矩形状の切り欠きを穿設してキャビティとなす工程と、樹脂基板の両面に銅箔を貼り付けてコア銅板となす工程と、このコア銅板を形成する２枚の前記銅箔に導体配線パターンを形成してそれぞれ電源層及び接地層となす工程と、前記銅箔付き樹脂フィルムを前記コア銅板の両面に貼り合わせて積層する工程と、前記銅箔付き樹脂フィルムの銅箔上に導体配線パターンを形成して信号層となす工程とを備えたことを特徴とする高放熱型プラスチック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、コア銅板の上下面に銅箔付き樹脂フィルムが接合され、上面の銅箔付き樹脂フィルムに設けられたキャビティに半導体素子が配置された高放熱型プラスチックパッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高性能化に伴い、半導体素子を搭載するためのパッケージには放熱性が良く実装性に優れたものが求められている。これらの要求を満たすべく、高放熱型プラスチックパッケージの開発が進められている。
【０００３】
ボールグリッドアレイパッケージ（以下、ＢＧＡパッケージと略す。）を例にとり、高放熱型プラスチックパッケージの構造について図４を用いて説明する。図４（ａ）は従来技術に係るＢＧＡパッケージの構造を示す縦断面図であり、同図（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図である。図４（ａ）に示すように、ＢＧＡパッケージ１６は銅板１８の上下面に銅箔付き樹脂フィルム１２が接合され、銅箔付き樹脂フィルム１２には導体配線パターン１９が形成され、導体配線パターン１９の上にはソルダーレジスト膜１０が形成され、上面の銅箔付き樹脂フィルム１２の略中央部にはキャビティ３を形成するための切り欠き１７が穿設されており、キャビティ３に配置されモールド樹脂９で封止された半導体素子２はボンディングワイヤ７により導体配線パターン１９に接合され、下面のソルダーレジスト膜１０の開口部から露出している導体配線パターン１９には半田ボール１１が接合され、上下面の導体配線パターン１９同士は銅箔付き樹脂フィルム１２及び銅板１８に設けられたスルーホール１５を通じて電気的導通がとられた構造となっている。
銅板１８は半導体素子２で発生する熱を効率良く逃がすための放熱板としての機能をもち、接合用樹脂５との接合強度を向上させる目的でホーニング加工やブラックオキサイドあるいはＣＺ処理等による表面粗化処理が施されている。図４（ｂ）に示すように、銅板１８に接合される銅箔付き樹脂フィルム１２は、６〜２０μｍ程度の厚さの銅箔４に、ガラス布基材を含まない熱硬化型のＢステージ状態の接合用樹脂５をドクターブレード法やロールコーター法等で４０〜１００μｍ程度の厚さに塗布してフィルム状に形成したものであり、銅箔４の上には銅メッキ膜８が生成され、フォトリソグラフィ法とエッチングによって導体配線パターン１９が形成されている。
【０００４】
上記構造のＢＧＡパッケージ１６においては、剛性と放熱性を担保するために銅板１８を所定の厚さ以上に薄くすることができないという課題があった。また、半導体素子の動作特性を安定化させる目的で信号層を電源層や接地層から分離した層構成とすると、その分パッケージの厚さが増してしまうという課題があった。
【０００５】
このような課題に対処するため、いくつかの発明及び考案が開示されている。例えば、特許文献１には、「ＢＧＡ型半導体装置」という名称で、パッケージの軽量薄型化とコストダウンを図り、放熱性を高めたＢＧＡ型半導体装置に関する発明が開示されている。
【０００６】
以下、図５を参照しながら、特許文献１に開示された発明について説明する。図５は従来技術に係るＢＧＡ型半導体装置の断面図である。図５に示すようにＢＧＡ型半導体装置５１は底面に複数のボール端子５２を設けた多層配線基板５３と、多層配線基板５３上に載置された半導体素子５４と、半導体素子５４の電極と多層配線基板５３の表面の図示しない配線パターンを接続するＴＡＢテープキャリア５５から成り、ＴＡＢテープキャリア５５の図示しないインナーリードが半導体素子５４の図示しない電極に接続され、図示しないアウターリードが多層配線基板５３の表面の図示しない配線パターンに１０％乃至４０％の金を含む金−錫合金で接合され、半導体素子５４の表面及び接合部はエポキシ系の封止レジン５６でポッティング封止されている。
このような構造によれば、従来のモ−ルド樹脂による封止が不要となるため、ＢＧＡ型半導体装置５１を薄くすることが可能であり、放熱性を向上させることができる。
【０００７】
また、特許文献２には、「ＢＧＡパッケージ」という名称で、伝送中の信号の歪み又は電源電位若しくは接地電位の変動による半導体素子の誤動作問題を解消可能なＢＧＡパッケージに関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、導体ボールからなる複数の端子を下面に取り付けたスティフナー・プレートを有する多層配線基板と、この多層配線基板の上のインターポーザ・プレート上面に載置された半導体素子とＴＡＢテープキャリアを備え、複数の端子が半導体素子の電極端子にそれぞれ接続されている構造のＢＧＡパッケージにおいて、多層配線基板上における半導体素子の接続リードと接地層との接続位置、及び半導体素子の接続リードと電源層との接続位置は、それぞれ半導体素子周辺に接続領域を集中させて、半導体素子と接地層・電源層との相互接続距離を短くすると共に、半導体素子と信号リードとの接続位置は、その接続領域が、半導体素子と接地層・電源層との相互接続領域の外側に存在するように配置された構造を備えるものである。
このような構造のＢＧＡパッケージにおいては、電気的特性が改善され、特に接地層及び電源層のインダクタンスを小さくすることが可能になり、同時スイッチング時の電源電位、接地電位の変動を制御することができる。
【０００８】
【特許文献１】特許第２９５６４８０号公報
【特許文献２】特許第３１６３９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、高価なポリイミドを使用するため、製造コストが上がるという課題がある。また、半導体素子の動作特性を安定化する方法に関しては具体的な対策がなされていない。
【００１０】
また、特許文献２に開示された発明においては、特許文献１と同じく高価なポリイミドを使用するため、低価格化が困難である。また、半導体素子の動作特性を安定化させる具体的な方法が記載されているものの、その方法はＴＡＢテープキャリアを使用しないＢＧＡパッケージに対しては適用できないという課題があった。
【００１１】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、半導体素子の動作特性が安定し、かつ安価で薄型の高放熱型プラスチックパッケージ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】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明である高放熱型プラスチックパッケージは、銅箔に接合用樹脂が塗布されてフィルム状に形成された銅箔付き樹脂フィルムと、樹脂基板とその両面に貼り付けられた２枚の銅箔とからなるコア銅板とで構成され、このコア銅板の上下面に銅箔付き樹脂フィルムが接合され、上面の銅箔付き樹脂フィルムに設けられたキャビティに半導体素子が配置されるとともに、上下面の銅箔付き樹脂フィルムの銅箔には信号層が形成され、コア銅板の２枚の銅箔にはそれぞれ電源層及び接地層が形成された構造を備えるものである。
上記構成の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、電源層及び接地層が信号層から完全に分離されているため、同時スイッチング時に電源電位及び接地電位が変動し難いという作用を有する。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高放熱型プラスチックパッケージにおいて、コア銅板を形成する２枚の銅箔の厚さを銅箔付き樹脂フィルムを形成する銅箔の略２倍乃至３．５倍とするものである。
上記構成の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、請求項１記載の発明と同様の作用を有するとともにコア銅板に貼り付けられた銅箔が放熱板として作用する。また、信号層となる銅箔が薄いため、エッチングによるパターンニングの際に信号ラインがシャープに形成されるという作用を有する。さらに、電源層及び接地層となる銅箔が厚いため、電源電位及び接地電位が変動し難いという作用を有する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の高放熱型プラスチックパッケージにおいて、銅箔付き樹脂フィルムの片面に複数の半田ボールを配列したＢＧＡパッケージとするものである。
上記構成の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、請求項１又は請求項２に記載の発明と同様の作用を有する。
【００１５】
請求項４に記載の高放熱型プラスチックパッケージの製造方法は、銅箔に接合用樹脂を塗布してフィルム状に形成した銅箔付き樹脂フィルムの一部に略矩形状の切り欠きを穿設してキャビティとなす工程と、樹脂基板の両面に銅箔を貼り付けてコア銅板となす工程と、このコア銅板を形成する２枚の銅箔に導体配線パターンを形成してそれぞれ電源層及び接地層となす工程と、銅箔付き樹脂フィルムをコア銅板の両面に貼り合わせて積層する工程と、銅箔付き樹脂フィルムの銅箔上に導体配線パターンを形成して信号層となす工程とを備えるものである。
上記製造方法によれば、プリプレグと銅板から構成される積層板を表層に使用する場合と異なり、キャビティ加工時にドリル等による穴あけ作業を行う必要がなく、銅箔の打ち抜きを行うのみで良いため、加工工程が単純化されるという作用を有する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の請求項１に記載の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、銅板よりも薄い銅箔を用いるため、パッケージの薄型化が可能である。また、電源電位及び接地電位が安定しているため、半導体素子の誤動作が発生し難い。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏するとともに、半導体素子で発生した熱をコア銅板の銅箔により周囲へ放散することができる。また、信号ラインのファインピッチによるパターンニングが可能となるため、パッケージの小型化を図ることができるとともに伝送中の信号波形に生ずる歪みを小さく抑えることができる。これにより、半導体素子の動作特性が安定する。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、請求項１又は請求項２に記載の発明と同様の効果を奏する。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の高放熱型プラスチックパッケージの製造方法によれば、製造コストを低減させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の最良の実施の形態に係る高放熱型プラスチックパッケージ及びその製造方法の実施例についてＢＧＡパッケージを例にとり、図１乃至図３を用いて説明する（請求項１乃至請求項４に対応）。
【実施例】
【００２１】
図１は本発明の実施の形態に係る高放熱型ＢＧＡパッケージの構造を示す縦断面図である。なお、図４（ａ），（ｂ）に示したＢＧＡパッケージ１６と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１に示すように、高放熱型ＢＧＡパッケージ１は厚さ２０〜３５μｍ程度の銅箔４に接合用樹脂５が塗布されてフィルム状に形成された銅箔付き樹脂フィルム１２と、樹脂基板６の両面に厚さ７０μｍ程度の銅箔４ａ，４ｂが貼り付けられたコア銅板１３とを備え、銅箔付き樹脂フィルム１２がコア銅板１３の上下面に接合され、上面の銅箔付き樹脂フィルム１２に設けられたキャビティ３に半導体素子２が配置され、下面の銅箔付き樹脂フィルム１２に多数の半田ボール１１が配列された構造を備えるものである。また、銅箔４には銅メッキ膜８が生成されるとともに導体配線パターン１９が生成され、同様に銅箔４ａ，４ｂに図示しない銅メッキ膜と導体配線パターン１９ａ，１９ｂが形成され、それぞれ信号層、接地層及び電源層をなしている。さらに、導体配線パターン１９の上にはソルダーレジスト膜１０が形成され、下面のソルダーレジスト膜１０に形成された開口部から露出している導体配線パターン１９には半田ボール１１が接続されている。なお、半導体素子２はモールド樹脂９で封止されるとともにボンディングワイヤ７により上面の銅メッキ膜８に形成された導体配線パターン１９に接合されており、上下面の導体配線パターン１９同士は銅箔付き樹脂フィルム１２及びコア銅板１３に設けられたスルーホール１５により電気的導通がとられている。
【００２２】
次に、高放熱型ＢＧＡパッケージの製造方法について図２を用いて説明する。図２（ａ）乃至（ｅ）は、それぞれ本発明の実施の形態に係る高放熱型ＢＧＡパッケージの製造工程を模式的に表現する概念図である。図２（ａ）に示すように、銅箔４にガラス布基材を含まない熱硬化型のＢステージ状態の接合用樹脂５をドクターブレード法やロールコーター法等で塗布してフィルム状に形成し、銅箔付き樹脂フィルム１２を作製する。その後、打ち抜き加工機を用いて銅箔付き樹脂フィルム１２に切り欠き１７を穿設する。
次に、図２（ｂ）に示すように、ガラス布基材にエポキシ樹脂を含浸させた材料からなる樹脂基板６の両面に銅箔４ａ，４ｂを貼り付けてコア銅板１３を形成した後、コア銅板１３に貫通孔１４を穿設する。さらに、フォトリソグラフィ法及びエッチング、セミアディティブ法あるいはサブトラクティブ法等によって銅箔４ａ，４ｂに導体配線パターン１９ａ，１９ｂを形成し、それぞれ接地層及び電源層とする。
さらに、図２（ｃ）に示すように、接合用樹脂５との接合強度を向上させるために、コア銅板１３にホーニング加工やブラックオキサイドあるいはＣＺ処理等による表面粗化処理を施した後、接合用樹脂５を銅箔４ａ，４ｂにそれぞれ当接させ、コア銅板１３を上下から挟みこむように銅箔付き樹脂フィルム１２を積層する。なお、上面側の銅箔付き樹脂フィルム１２にはキャビティ３を形成するための切り欠き１７が穿設されている。次に、真空プレス等を用いて加熱・圧縮しながら銅箔付き樹脂フィルム１２とコア銅板１３を貼り合わせる。これによりコア銅板１３の貫通孔１４の内部は接合用樹脂５によって充填される。さらに、接合用樹脂５で充填された貫通孔１４の壁面が樹脂で被覆されるようにして貫通孔１４の径よりも小さい径からなる貫通孔をドリルマシーン等により穿設する。その後、この貫通孔の穿設により生じる樹脂のスミアをレーザーあるいは過マンガン酸カリウムなどの薬品で排除するデスミア作業を行う。
次に、この貫通孔の壁面に無電解銅メッキ及び電解メッキを施して、図２（ｄ）に示すように、銅メッキ膜８を被覆してスルーホール１５を形成する。
さらに、図２（ｅ）に示すように、銅箔４及び銅メッキ膜８にフォトリソグラフィ法とエッチングにより導体配線パターン１９を形成し、信号層とする。このとき、上下の導体配線パターン１９は接地層をなす導体配線パターン１９ａに電気的に接続されるとともに、スルーホール１５により互いに導通がとられる。次に、上下の導体配線パターン１９の上にソルダーレジスト膜１０を形成する。なお、下面側のソルダーレジスト膜１０には導体配線パターン１９の一部を露出させるための開口部を設ける。
【００２３】
次に、本実施例の高放熱型ＢＧＡパッケージの放熱性について３次元伝熱解析の結果を用いて説明する。なお、本解析は市販の解析ソフトを用いて風速０ｍ／ｓの自然空冷の条件で行った。
図３（ａ）乃至（ｃ）はＢＧＡパッケージの数値解析に用いたモデルの層構成を示した図である。なお、図１又は図２で説明した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
図３（ａ）は銅板１８の両面に銅箔付き樹脂フィルム１２が接合され、キャビティ３に銀ペースト２０を介して半導体素子２が搭載された３層からなるＢＧＡパッケージの１／４モデルである。図３（ｂ）はコア銅板１３の両面に銅箔付き樹脂フィルム１２が接合され、キャビティ３に銀ペースト２０を介して半導体素子２が搭載された４層からなるＢＧＡパッケージの１／４モデルである。図３（ｃ）は銅板１８の両面に銅箔付き樹脂フィルム１２が２枚ずつそれぞれ接合され、キャビティ３に銀ペースト２０を介して半導体素子２が搭載された５層からなるＢＧＡパッケージの１／４モデルである。各モデルの層構成は、銅板１８又はコア銅板１３に関して上下対象である。図３（ａ）乃至（ｃ）に示した各モデルについて、表層を構成する要素の材料及び厚さを表１に示し、内層を構成する要素の材料及び厚さを表２に示す。また、数値解析に用いた各構成要素の熱伝導率を表３に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
【表２】
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【００２６】
【表３】
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【００２７】
図３（ａ）乃至（ｃ）に示した各モデルについて、モデル上部に搭載された半導体素子２の接合部とモデル下部近傍の空気との間の熱抵抗を求めた結果を表４に示す。なお、表中の熱抵抗の数値は図３（ａ）のモデルの熱抵抗の値を１００とした場合の割合を示している。この結果から、本願発明の実施例に係る図３（ｂ）に示すモデルにおいては、従来技術に係る厚さ２００μｍの銅板１８を内層とする図３（ａ）に示すモデル及び両面に３０μｍの銅箔４を接合した厚さ２００μｍの銅板１８を内層とする図３（ｃ）に示すモデルと略同レベルの放熱性を有することが分かる。なお、本実施例では、本願発明の実施例に係る図３（ｂ）に示すモデルにおいて表層と内層を合わせた厚さが従来技術に係る図３（ａ）のモデルに比べて厚くなっているが、薄い樹脂板６を使用することにより薄型化が可能であることは言うまでもない。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
以上説明したように、本実施例の高放熱型プラスチックパッケージにおいては、パッケージの薄型化及び小型化を図ることができる。また、伝送中の信号波形に生ずる歪みを小さく抑えることができるとともに電源電位及び接地電位が安定しているため、半導体素子の誤動作が発生し難い。さらに、本実施例の製造方法によれば、プリプレグと銅板から構成される積層板を表層に使用する場合と異なり、キャビティ加工時にドリル等による穴あけ作業を行う必要がなく、銅箔の打ち抜きを行うのみで良いため、加工工程が単純化される。その結果、製造コストを低減させることができる。
【００３０】
本発明の高放熱型プラスチックパッケージの製造方法は上記実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、銅箔付き樹脂フィルムを使用する代わりにコア銅板と銅箔の間にプリプレグを挟んで積層した構造であっても良いし、半導体素子を半田ボールと同じ側に配したキャビティダウン型パッケージであっても良い。また、コア銅板を構成する２枚の銅箔のうち、上側を電源層とし、下側を接地層としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る高放熱型プラスチックパッケージ及びその製造方法は、半導体素子を搭載するためのプラスチックパッケージのうち、銅箔付き樹脂フィルムを使用するものに適用することができ、例えばＢＧＡパッケージなどについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る高放熱型ＢＧＡパッケージの構造を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）乃至（ｅ）は、それぞれ本発明の実施の形態に係る高放熱型ＢＧＡパッケージの製造工程を模式的に表現する概念図である。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）はＢＧＡパッケージの数値解析に用いたモデルの層構成を示した図である。
【図４】（ａ）は従来技術に係るＢＧＡパッケージの構造を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図である。
【図５】従来技術に係るＢＧＡ型半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…高放熱型ＢＧＡパッケージ  ２…半導体素子  ３…キャビティ  ４，４ａ，４ｂ…銅箔  ５…接合用樹脂  ６…樹脂基板  ７…ボンディングワイヤ  ８…銅メッキ膜  ９…モールド樹脂  １０…ソルダーレジスト膜  １１…半田ボール  １２…銅箔付き樹脂フィルム  １３…コア銅板  １４…貫通孔  １５…スルーホール  １６…ＢＧＡパッケージ  １７…切り欠き  １８…銅板  １９，１９ａ，１９ｂ…導体配線パターン  ２０…銀ペースト  ５１…ＢＧＡ型半導体装置  ５２…ボール端子  ５３…多層配線基板  ５４…半導体素子  ５５…ＴＡＢテープキャリア  ５６…封止レジン
【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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