(57)【要約】【課題】基板の内部に拡散する熱を効率的に外部に放熱することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】プリント基板に半導体チップが実装される。半導体チップは、基板の、プリント基板に対向する第１面に能動素子が形成されている。能動素子とは異なる位置に、基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導膜が設けられている。第１面の上に、能動素子及び熱伝導膜を覆う絶縁膜が配置されている。絶縁膜の上に、熱伝導膜に電気的に接続されたバンプが設けられている。第１面とは反対側の第２面から熱伝導膜まで達する貫通ビアホールが設けられている。平面視において能動素子と重なる第２面の領域から、貫通ビアホールの内面まで連続して、基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導部材が配置されている。半導体チップのバンプがプリント基板のランドに接続されており、半導体チップが封止樹脂で封止されている。【選択図】図２
2019192729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装面にランドが設けられたプリント基板と、
前記プリント基板に実装された半導体チップと
を有し、
前記半導体チップは、
基板の、前記プリント基板に対向する第１面に形成された能動素子と、
前記基板の前記第１面の、前記能動素子とは異なる位置に設けられ、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導膜と、
前記基板の前記第１面の上に配置され、前記能動素子及び前記熱伝導膜を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に配置され、前記熱伝導膜に電気的に接続されたバンプと、
前記基板の前記第１面とは反対側の第２面から前記熱伝導膜まで達する貫通ビアホールと、
平面視において前記能動素子と重なる前記第２面の領域から、前記貫通ビアホールの内面まで連続して配置され、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導部材と
を有し、
前記バンプが前記ランドに接続されており、前記半導体チップが封止樹脂で封止されている半導体装置。
【請求項２】
前記バンプと前記熱伝導膜とが、平面視において少なくとも部分的に重なって配置されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体チップは、さらに、前記基板の前記第２面に形成された凹部を有し、
前記凹部は、平面視において前記能動素子と少なくとの部分的に重なり、前記凹部の領域内に前記貫通ビアホールが配置されており、前記凹部の内面に前記熱伝導部材が配置されている請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記熱伝導部材は、前記貫通ビアホールの内面を覆っており、
さらに、前記貫通ビアホールの内部に埋め込まれた熱伝導性ペーストを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記熱伝導部材は、前記貫通ビアホール及び前記凹部の内面を覆っており、
さらに、前記貫通ビアホールの内部及び前記凹部の内部に埋め込まれた熱伝導性ペーストを有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項６】
基板の第１面に形成された能動素子と、
前記基板の前記第１面の、前記能動素子とは異なる位置に設けられ、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導膜と、
前記基板の前記第１面の上に配置され、前記能動素子及び前記熱伝導膜を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に配置され、前記熱伝導膜に電気的に接続されたバンプと、
前記基板の前記第１面とは反対側の第２面に設けられ、平面視において前記能動素子及び前記熱伝導膜と少なくとも部分的に重なる凹部と、
前記凹部の内面に設けられ、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導部材と
を有し、
前記凹部の底面に配置された前記熱伝導部材と前記熱伝導膜とは、前記基板の一部分を挟んで対向している半導体装置。
【請求項７】
前記バンプと前記熱伝導膜とが、平面視において少なくとも部分的に重なって配置されている請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
さらに、前記凹部の内部に埋め込まれた熱伝導性ペーストを有する請求項６または７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記能動素子の発熱源から前記熱伝導部材までの最短距離と、前記熱伝導膜から前記熱伝導部材までの最短距離との和が、前記発熱源から前記熱伝導膜までの距離以下である請求項６乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップに組み込まれた電力増幅器の動作時にトランジスタが自己発熱し、半導体チップの性能がトランジスタの動作温度の上昇とともに劣化する場合がある。半導体チップの劣化を抑制するために、発熱源であるトランジスタから半導体チップの外部に効率的に放熱することが望まれる。
【０００３】
特許文献１に、モジュール基板に実装した半導体チップからの伝熱経路についての記載がある。特許文献１に記載された発明では、半導体チップのバンプから、モジュール基板の上面に形成された端子、及びモジュール基板の上面から下面まで達する放熱ビアを介して、モジュール基板の下面に形成された接地用の電極に至る伝熱経路が形成される。
【０００４】
接地用の電極には、トタンジスタのエミッタまたはソースが接続される。従って、エミッタやソースが伝熱経路の一部に含まれる。バンプに接続されて伝熱経路となるエミッタやソースは、通常、小面積であり、伝熱経路のうちエミッタやソースに接続される箇所が隘路になってしまう。このため、伝熱経路の熱抵抗を十分低くすることが困難である。
【０００５】
特許文献２に、放熱特性を向上させた半導体装置が開示されている。特許文献２に開示された半導体装置においては、外部接続パッドから、活性素子が形成された半導体基板の上面まで達する放熱構造が設けられている。半導体基板の上面に形成されたトランジスタで発生した熱は、放熱構造が配置された位置まで半導体基板の上面に沿って横方向に伝わり、その後、放熱構造を介して放熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１９８８６６号公報
【特許文献２】特開２０１４−９９４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
トランジスタ等の発熱源で発生した熱は、半導体基板の上面に沿って横方向に伝わるほかに、半導体基板を厚さ方向にも伝わる。従来の半導体装置では、半導体基板の表面の発熱源で発生し、半導体基板の内部に拡散する熱を効率的に外部に放熱することが困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、基板の内部に拡散する熱を効率的に外部に放熱することが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によると、
実装面にランドが設けられたプリント基板と、
前記プリント基板に実装された半導体チップと
を有し、
前記半導体チップは、
基板の、前記プリント基板に対向する第１面に形成された能動素子と、
前記基板の前記第１面の、前記能動素子とは異なる位置に設けられ、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導膜と、
前記基板の前記第１面の上に配置され、前記能動素子及び前記熱伝導膜を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に配置され、前記熱伝導膜に電気的に接続されたバンプと、
前記基板の前記第１面とは反対側の第２面から前記熱伝導膜まで達する貫通ビアホールと、
平面視において前記能動素子と重なる前記第２面の領域から、前記貫通ビアホールの内面まで連続して配置され、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導部材と
を有し、
前記バンプが前記ランドに接続されており、前記半導体チップが封止樹脂で封止されている半導体装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、
基板の第１面に形成された能動素子と、
前記基板の前記第１面の、前記能動素子とは異なる位置に設けられ、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導膜と、
前記基板の前記第１面の上に配置され、前記能動素子及び前記熱伝導膜を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に配置され、前記熱伝導膜に電気的に接続されたバンプと、
前記基板の前記第１面とは反対側の第２面に設けられ、平面視において前記能動素子及び前記熱伝導膜と少なくとも部分的に重なる凹部と、
前記凹部の内面に設けられ、前記基板より熱伝導率の高い材料からなる熱伝導部材と
を有し、
前記凹部の底面に配置された前記熱伝導部材と前記熱伝導膜とは、前記基板の一部分を挟んで対向している半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
能動素子で発生して基板側に拡散する熱が、熱伝導部材、熱伝導膜、及びバンプを通って外部に放熱される。このため、基板の内部に拡散する熱を効率的に外部に放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａは、第１実施例による半導体装置のブロック図であり、図１Ｂは、第１実施例による半導体装置の各回路のレイアウトを示す平面図であり、図１Ｃは、第１実施例による半導体装置の概略断面図である。
【図２】図２Ａは、第１実施例による半導体装置に含まれる半導体チップに形成されている出力段増幅回路の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。
【図３】図３は、第１実施例による半導体装置のバンプの近傍の断面図である。
【図４】図４は、第２実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【図５】図５Ａは、第３実施例による半導体装置に含まれる半導体チップに形成されている出力段増幅回路の平面図であり、図５Ｂは、図５Ａの一点鎖線５Ｂ−５Ｂにおける断面図である。
【図６】図６は、第４実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【図７】図７Ａは、第５実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図であり、図７Ｂは、第５実施例による半導体装置の各回路のレイアウトを示す平面図である。
【図８】図８は、第６実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【図９】図９は、第６実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施例］
図１Ａから図３までの図面を参照して、第１実施例による半導体装置について説明する。
図１Ａは、第１実施例による半導体装置のブロック図である。入力信号が、入力端子１５からインピーダンス整合回路１０を介してドライバ段増幅回路１１に入力される。ドライバ段増幅回路１１で増幅された信号が、インピーダンス整合回路１２を介して出力段増幅回路１３に入力される。出力段増幅回路１３で増幅された信号が出力端子１６から出力される。ドライバ段増幅回路１１にインダクタ１７を介して直流電力が供給される。出力段増幅回路１３にインダクタ１８を介して直流電力が供給される。
【００１４】
図１Ｂは、第１実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０の各回路のレイアウトを示す平面図である。半導体基板４０の表面に、インピーダンス整合回路１０、１２、ドライバ段増幅回路１１、出力段増幅回路１３、及び制御回路１４が形成されている。出力段増幅回路１３が形成されている領域に、半導体基板４０を厚さ方向に貫通する貫通ビアホール４１が設けられている。
【００１５】
貫通ビアホール４１は、後述するように、出力段増幅回路１３を構成するトランジスタで発生する熱を効率的に半導体チップ３０の外部まで伝導させる機能を持つ。ドライバ段増幅回路１１のトランジスタの発熱量は、出力段増幅回路１３のトランジスタの発熱量に比べて少ない。このため、出力段増幅回路１３に対応して貫通ビアホール４１を設けることが好ましい。ドライバ段増幅回路１１に対しては、貫通ビアホールを設けてもよいし、設けなくてもよい。
【００１６】
図１Ｃは、第１実施例による半導体装置の概略断面図である。プリント基板２０の実装面（図１Ｂにおいて上面）に半導体チップ３０が実装されている。半導体チップ３０は、半導体基板４０のプリント基板２０に対向する面（以下、第１面という。）に形成された複数のバンプ３１を含む。プリント基板２０は、実装面に形成された複数のランド２１、及び下面（実装面とは反対側の面）に形成された外部接続用の複数の電極２３を含む。
【００１７】
複数のランド２１のうち少なくとも１つはグランド用のランド２１であり、複数の電極２３のうち少なくとも１つはグランド用の電極２３である。グランド用のランド２１とグランド用の電極２３とが、複数のビア導体２４及び内層の配線２５を介して電気的に接続されている。
【００１８】
半導体チップ３０のバンプ３１がプリント基板２０のランド２１に接続されている。半導体チップ３０の複数のバンプ３１のうち少なくとも１つはグランド用のバンプ３１であり、グランド用のバンプ３１は、プリント基板２０のグランド用のランド２１に接続されている。半導体チップ３０は、封止樹脂２８によって封止されている。
【００１９】
図２Ａは、第１実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０に形成されている出力段増幅回路１３（図１Ａ）の平面図である。出力段増幅回路１３は、例えば相互に並列に接続され、一列に配列した４個のトランジスタ４２（能動素子）を含む。以下、トランジスタ４２が配列する方向を、単に「配列方向」という。トランジスタ４２は、例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタである。
【００２０】
トランジスタ４２の各々は、エミッタ電極Ｅ０、ベース電極Ｂ０、及びコレクタ電極Ｃ０を含む。図２Ａにおいて、エミッタ電極Ｅ０、ベース電極Ｂ０、及びコレクタ電極Ｃ０の領域にハッチングを付している。１つのトランジスタ４２に着目すると、配列方向に関してエミッタ電極Ｅ０の両側にそれぞれベース電極Ｂ０の一部分が配置され、さらにその両側にそれぞれコレクタ電極Ｃ０が配置されている。エミッタ電極Ｅ０の両側に配置されたベース電極Ｂ０の一部分は、エミッタ電極Ｅ０の外側で相互に連続している。例えば、ベース電極Ｂ０は、平面視においてエミッタ電極Ｅ０を三方向からＵ字状に取り囲んでいる。相互に隣り合うトランジスタ４２は、１つのコレクタ電極Ｃ０を共用している。
【００２１】
複数の１層目のエミッタ配線Ｅ１が、それぞれ複数のエミッタ電極Ｅ０と重なるように配置されている。複数の１層目のベース配線Ｂ１が、それぞれ複数のベース電極Ｂ０の一部に重なり、重なり箇所から外側に引き出されている。線状部と複数の櫛歯部とを含む１層目のコレクタ配線Ｃ１の複数の櫛歯部が、それぞれ複数のコレクタ電極Ｃ０と重なっている。コレクタ配線Ｃ１の線状部は、コレクタ電極Ｃ０に隣接して、配列方向に関して一方の端のトランジスタ４２が配置された位置から他方の端のトランジスタ４２が配置された位置まで及び、複数の櫛歯部の各々に接続されている。
【００２２】
トランジスタ４２とは異なる位置に、熱伝導膜４３が配置されている。例えば、トランジスタ４２から見て１層目のコレクタ配線Ｃ１の線状部とは反対側に、熱伝導膜４３が配置されている。熱伝導膜４３は配列方向に長い形状を持ち、配列方向に関して一方の端のトランジスタ４２が配置された位置から他方の端のトランジスタ４２が配置された位置まで及んでいる。熱伝導膜４３は、１層目のベース配線Ｂ１、エミッタ配線Ｅ１、及びコレクタ配線Ｃ１と同一の金属材料、例えばＡｕで形成されており、同一の工程で成膜される。平面視において熱伝導膜４３の内側に貫通ビアホール４１が配置されている。
【００２３】
２層目のコレクタ配線Ｃ２が１層目のコレクタ配線Ｃ１の線状部と重なるように配置されている。２層目のエミッタ配線Ｅ２が、１層目のエミッタ配線Ｅ１及び熱伝導膜４３に重なるように配置されている。
【００２４】
最上層にバンプ３１が配置されている。バンプ３１は、平面視において２層目のエミッタ配線Ｅ２と重なるとともに、複数のエミッタ電極Ｅ０及び熱伝導膜４３と部分的に、または複数のエミッタ電極Ｅ０及び熱伝導膜４３の全体に重なる。
【００２５】
図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。半導体基板４０の上面（第１面）にトランジスタ４２が形成されている。半導体基板４０は、例えば半絶縁性のＧａＡｓからなる支持基板と、その上にエピタキシャル成長されたＧａＡｓからなるエピタキシャル成長層とを含む。エピタキシャル成長層のうち、トランジスタ４２が配置された領域には導電性が付与され、その他の領域は絶縁性とされている。
【００２６】
トランジスタ４２は、コレクタ層、ベース層、及びエミッタ層からなる半導体メサと、ベース電極Ｂ０、及びエミッタ電極Ｅ０を含む。コレクタ電極Ｃ０（図２Ａ）は図２Ｂの断面には現れていない。半導体基板４０の上面の上に、トランジスタ４２を覆うＳｉＮ等の絶縁膜４５が配置されている。絶縁膜４５の上に、１層目のエミッタ配線Ｅ１、ベース配線Ｂ１、コレクタ配線Ｃ１、及び熱伝導膜４３が配置されている。１層目のエミッタ配線Ｅ１及びベース配線Ｂ１は、それぞれ絶縁膜４５に設けられた開口内を経由してエミッタ電極Ｅ０及びベース電極Ｂ０に接続されている。図２Ｂに示した断面においては、１層目のコレクタ配線Ｃ１の直下の絶縁膜４５には開口が設けられていない。熱伝導膜４３は、絶縁膜４５に設けられた開口内を経由して半導体基板４０の上面に接している。
【００２７】
１層目のエミッタ配線Ｅ１、ベース配線Ｂ１、コレクタ配線Ｃ１、及び熱伝導膜４３には、例えばＡｕ等の金属が用いられる。熱伝導膜４３に用いられる金属の熱伝導率は、半導体基板４０の熱伝導率より高い。
【００２８】
絶縁膜４５の上に、１層目のエミッタ配線Ｅ１、ベース配線Ｂ１、コレクタ配線Ｃ１、及び熱伝導膜４３を覆うように、絶縁膜４６が配置されている。絶縁膜４６は、例えばＳｉＮ膜と樹脂膜との２層構造を有し、絶縁膜４６の上面は平坦化されている。
【００２９】
絶縁膜４６の上に、２層目のエミッタ配線Ｅ２及び２層目のコレクタ配線Ｃ２が配置されている。２層目のエミッタ配線Ｅ２は、絶縁膜４６に設けられた開口内を経由して１層目のエミッタ配線Ｅ１に接続されるとともに、他の開口内を経由して熱伝導膜４３にも接続されている。２層目のコレクタ配線Ｃ２は、絶縁膜４６に設けられた開口内を経由して１層目のコレクタ配線Ｃ１に接続されている。
【００３０】
絶縁膜４６の上に、絶縁膜４７が配置されている。絶縁膜４７に、２層目のエミッタ配線Ｅ２の一部を露出させる開口が設けられ、開口内の２層目のエミッタ配線Ｅ２の上、及び開口の周囲の絶縁膜４７の上にバンプ３１が配置されている。バンプ３１には、例えば、Ｃｕピラー３２と、その上面に設けられたはんだバンプ３３とを含むＣｕピラーバンプが用いられる。エミッタ配線Ｅ２、Ｅ１を介してエミッタ電極Ｅ０に接続されているバンプ３１はグランド用のバンプである。
【００３１】
半導体基板４０に、その下面（第２面）から熱伝導膜４３まで達する貫通ビアホール４１が形成されている。平面視において、半導体基板４０の下面の、トランジスタ４２と重なる領域から、貫通ビアホール４１の内面まで連続して熱伝導部材５１が配置されている。熱伝導部材５１として、例えば、Ａｕ等の金属膜が用いられる。一例として、熱伝導部材５１は、半導体基板４０の下面の全域を覆い、貫通ビアホール４１の側面及び底面の全域を覆う。貫通ビアホール４１の底面には熱伝導膜４３が露出しているため、熱伝導部材５１は熱伝導膜４３に接触する。
【００３２】
次に、図３を参照して第１実施例の優れた効果について説明する。
図３は、第１実施例による半導体装置のバンプ３１の近傍の断面図である。半導体チップ３０のグランド用のバンプ３１がプリント基板２０のグランド用のランド２１に電気的に接続されるとともに、機械的に固定されている。ランド２１は、プリント基板２０に設けられている内層の複数の配線２５及び複数のビア導体２４を介して、実装面とは反対側の面に形成された外部接続用の電極２３に接続されている。
【００３３】
トランジスタ４２の動作時に、平面視においてエミッタ電極Ｅ０と重なる半導体領域に動作電流が流れることにより、熱が発生する。平面視において、トランジスタ４２の半導体領域のうちエミッタ電極Ｅ０と重なる部分が発熱源４８となる。半導体基板４０の厚さ方向に関しては、トランジスタ４２のコレクタ層、ベース層、及びエミッタ層からなる領域が発熱源４８となる。発熱源４８で発生し、半導体基板４０とは反対側に流れる熱は、エミッタ電極Ｅ０、エミッタ配線Ｅ１、Ｅ２、及びバンプ３１で構成される熱経路Ｔ０を経由してプリント基板２０のランド２１まで伝導する。
【００３４】
さらに、発熱源４８で発生した熱の一部は、半導体基板４０の内部に拡散する。半導体基板４０の内部に拡散した熱は、半導体基板４０、熱伝導部材５１、熱伝導膜４３、２層目のエミッタ配線Ｅ２、及びバンプ３１で構成される熱経路Ｔ１を経由してプリント基板２０のランド２１まで伝導する。
【００３５】
プリント基板２０のランド２１まで伝わった熱は、ビア導体２４及び配線２５を経由して、外部接続用の電極２３まで伝わる。電極２３は、例えばマザーボード等の大きなグランド導体に接続される。従って、電極２３まで伝わった熱は、半導体チップ３０に比べて十分大きな熱容量を持つ外部のグランド導体に向かって排出される。
【００３６】
第１実施例では、発熱源４８で発生し半導体基板４０を横方向（厚さ方向に対して直交する方向）に拡散する熱は、貫通ビアホール４１の側面を覆う熱伝導部材５１まで伝わり、その後、熱伝導膜４３まで伝わる。発熱源４８で発生し、半導体基板４０を厚さ方向に拡散する熱は、半導体基板４０の実装面とは反対側の面を覆う熱伝導部材５１まで伝わり、その後、熱伝導部材５１を経由して熱伝導膜４３まで伝わる。熱伝導部材５１には、半導体基板４０よりも熱伝導率の高い材料が用いられているため、熱伝導部材５１を配置しない構成と比べて熱経路Ｔ１の熱抵抗を低減させることができる。
【００３７】
第１実施例では、熱経路Ｔ０のみならず、半導体基板４０内に拡散する熱を熱経路Ｔ１を経由して外部に放熱させるため、トランジスタ４２の温度上昇を抑制することができる。熱伝導部材５１と熱伝導膜４３とが、絶縁材料や半導体材料を介することなく直接接触しているため、熱経路Ｔ１の熱抵抗の上昇が抑制される。このため、熱経路Ｔ１を経由して効率的に放熱を行うことができる。
【００３８】
熱経路Ｔ１の熱抵抗を低減させるために、平面視において、貫通ビアホール４１及び熱伝導膜４３を、絶縁膜４６に設けられた開口及びバンプ３１に少なくとも部分的に重ねて配置することが好ましい。さらに、平面視において、プリント基板２０のグランド用のランド２１をグランド用の電極２３と少なくとも部分的に重ねて配置することが好ましい。ここで、「少なくとも部分的に重ねる」とは、平面視において、一方の部材の一部と他方の部材の一部とを重ねる状態、一方の部材の全域を他方の部材の一部に重ねる状態、及び一方の部材の全域を他方の部材の全域に重ねる状態のいずれかを意味する。熱経路Ｔ１の一部を構成するバンプ３１として、他のバンプに比べて大きな面積を持つグランド用のバンプを用いることが好ましい。
【００３９】
次に、第１実施例の変形例について説明する。
第１実施例では、半導体基板４０として例えばＧａＡｓからなる基板を用いたが、その他の半導体からなる基板を用いてもよし、能動素子の半導体領域をエピタキシャル成長させることが可能な絶縁性基板を用いてもよい。また、第１実施例では、トランジスタ４２としてヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いたが、その他の能動素子、例えばＭＩＳトランジスタ、ＭＥＳトランジスタ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等を用いてもよい。また、第１実施例では、バンプ３１としてＣｕピラーバンプを用いたが、その他の構造のバンプを用いてもよい。
【００４０】
［第２実施例］
次に、図４を参照して第２実施例による半導体装置について説明する。以下、第１実施例による半導体装置（図１Ａから図２Ｂ）と共通の構成については説明を省略する。
【００４１】
図４は、第２実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。第１実施例では、貫通ビアホール４１（図２Ｂ）の側面と底面が熱伝導部材５１で覆われており、貫通ビアホール４１内の残りの部分は空洞であるか、または封止樹脂（図１Ｃ）で充填されていた。第２実施例では、貫通ビアホール４１内の残りの部分に熱伝導性ペースト４９が埋め込まれている。ここで、「埋め込まれている」とは、貫通ビアホール４１内の空間が熱伝導性ペースト４９で完全に充填されていることを意味しない。例えば、熱伝導性ペースト４９の表面がやや窪んでいるような場合でも、「埋め込まれている」ということができる。
【００４２】
熱伝導性ペースト４９の熱伝導率は、封止樹脂２８の熱伝導率よりも高い。熱伝導性ペースト４９として、ペースト状物質に、金属やセラミックの粉末を分散させたものを用いることができる。ペースト状物質には、例えばエポキシ樹脂等の樹脂を用いることができる。金属やセラミックの粉末には、例えば銀、ＳｉＣ、ＡｌＮ等を用いることができる。「ペースト」とは、一般的に流動性と高い粘性を持つ物質を意味するが、本明細書において、ペーストが加熱等によって硬化されたものもペーストと呼ぶ。
【００４３】
次に、第２実施例の優れた効果について説明する。第２実施例では、貫通ビアホール４１内の熱伝導性ペースト４９が、熱経路Ｔ１（図３）の一部として機能する。このため、熱経路Ｔ１の断面積が大きくなり、熱抵抗が低下する。その結果、熱経路Ｔ１を経由した熱伝導の効率を高めることができる。
【００４４】
熱伝導性ペースト４９は、硬化後においても、半導体基板４０よりも低いヤング率を持つ。熱伝導性ペースト４９は、半導体基板４０の熱変形に応じて柔軟に変形するため、貫通ビアホール４１内に金属部材を充填する構成と比べて、半導体基板４０が熱変形しても半導体チップ３０が損傷を受けにくいという効果が得られる。
【００４５】
［第３実施例］
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、第３実施例による半導体装置について説明する。以下、第１実施例による半導体装置（図１Ａから図２Ｂ）と共通の構成については説明を省略する。
【００４６】
図５Ａは、第３実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０に形成されている出力段増幅回路１３（図１Ａ）平面図である。図５Ｂは、図５Ａの一点鎖線５Ｂ−５Ｂにおける断面図である。第３実施例では、半導体基板４０の底面に凹部６０が形成されている。凹部６０は、半導体基板４０の上面までは到達していない。平面視において、凹部６０はトランジスタ４２と少なくとも部分的に重なり、凹部６０の領域内に貫通ビアホール４１が配置されている。図５Ａでは、平面視においてトランジスタ４２が凹部６０の内部に配置されている例を示している。貫通ビアホール４１は、凹部６０の底面から熱伝導膜４３まで達する。
【００４７】
半導体基板４０の下面、凹部６０の側面と底面、及び貫通ビアホール４１の側面と底面が、熱伝導部材５１で覆われている。
【００４８】
次に、第３実施例の優れた効果について説明する。第３実施例では、半導体基板４０に凹部６０が形成されているため、半導体基板４０の厚さ方向に関して発熱源４８から熱伝導部材５１までの距離が、第１実施例の場合と比べて短くなる。熱経路Ｔ１が短くなることにより熱抵抗が低下するため、熱経路Ｔ１を通した熱伝導の効率を高めることができる。半導体基板４０を薄くしてしまうと、半導体チップ３０の機械的強度が低下してしまうが、第３実施例では、熱経路Ｔ１として機能する領域以外では、半導体基板４０を薄くしていない。このため、半導体チップ３０の十分な機械的強度を維持することができる。
【００４９】
熱伝導部材５１の熱伝導度は半導体基板４０の熱伝導度より十分高いと見なすことができる。このとき、熱経路Ｔ１の熱抵抗を低下させることによる十分な効果を得るために、発熱源４８から凹部６０の底面までの距離Ｌ２を、発熱源４８から貫通ビアホール４１までの横方向の距離Ｌ１より短くすることが好ましい。発熱源４８から貫通ビアホール４１までの距離Ｌ１の起点は、エミッタ電極Ｅ０の端部と定義するとよい。発熱源４８から凹部６０の底面までの距離Ｌ２の起点は、トランジスタ４２を構成するコレクタ層の下面と定義するとよい。
【００５０】
［第４実施例］
次に、図６を参照して、第４実施例による半導体装置について説明する。以下、第３実施例による半導体装置（図５Ａ、図５Ｂ）と共通の構成については説明を省略する。
【００５１】
図６は、第４実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０の断面図である。第４実施例では、凹部６０及び貫通ビアホール４１の内部が熱伝導性ペースト６１で埋め込まれている。熱伝導性ペースト６１として、例えば第２実施例による半導体装置に用いられている熱伝導性ペースト４９（図４）と同一のものを用いるとよい。
【００５２】
次に、第４実施例の優れた効果について説明する。第４実施例では、凹部６０及び貫通ビアホール４１の内部が熱伝導性ペースト６１で埋め込まれているため、第２実施例と同様に、熱伝導の効率を高めることができる。その結果、トランジスタ４２の温度上昇を抑制することができる。
【００５３】
また、熱伝導性ペースト６１は、硬化後においても、半導体基板４０よりも低いヤング率を持つ。熱伝導性ペースト６１は、半導体基板４０の熱変形に応じて柔軟に変形するため、貫通ビアホール４１と凹部６０との内部に金属部材を充填する構成と比べて、半導体基板４０が熱変形しても半導体チップ３０が損傷を受けにくいという効果が得られる。
【００５４】
さらに、凹部６０に埋め込まれた熱伝導性ペースト６１により、凹部６０が設けられたことにより半導体基板４０が薄くなった部分の機械的強度の低下を補償することができる。これにより、チップダイシング等の加工工程で機械的応力が加わることによる半導体チップの破損を抑制することができる。
【００５５】
［第５実施例］
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、第５実施例による半導体装置について説明する。以下、第１実施例による半導体装置（図１Ａから図２Ｂ）と共通の構成については説明を省略する。
【００５６】
図７Ａは、第５実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０の断面図である。第１実施例では半導体基板４０に下面から上面の熱伝導膜４３（図２Ｂ）まで達する貫通ビアホール４１が設けられていた。第５実施例では、貫通ビアホールは設けられておらず、半導体基板４０の下面に、上面まで達しない凹部６０が設けられている。凹部６０の側面及び底面が熱伝導部材５１で覆われている。平面視において、凹部６０は、トランジスタ４２のエミッタ電極Ｅ０及び熱伝導膜４３と少なくとも部分的に重なっている。凹部６０の底面に配置された熱伝導部材５１と熱伝導膜４３とは、半導体基板４０の一部分を挟んで対向しており、接触はしていない。凹部６０には、封止樹脂２８（図１Ｃ）が埋め込まれる。
【００５７】
図７Ｂは、第５実施例による半導体装置の各回路のレイアウトを示す平面図である。第１実施例では、出力段増幅回路１３が配置された領域に貫通ビアホール４１（図１Ｂ）が配置されていた。第５実施例では、出力段増幅回路１３を内部に含むよう凹部６０が配置されている。
【００５８】
次に、第５実施例の優れた効果について説明する。第５実施例では、第１実施例の熱経路Ｔ０（図３）と同様に、発熱源４８からエミッタ電極Ｅ０、及びエミッタ配線Ｅ１、Ｅ２を経由してバンプ３１に至る熱経路Ｔ０が形成される。その他に、発熱源４８から半導体基板４０を横方向に伝わり、熱伝導膜４３、２層目のエミッタ配線Ｅ２を経由してバンプ３１に至る熱経路Ｔ２が形成される。さらに、発熱源４８で発生した熱が半導体基板４０を厚さ方向に拡散し、熱伝導部材５１を横方向に伝導し、その後、半導体基板４０を厚さ方向に伝導してバンプ３１に至る熱経路Ｔ３が形成される。
【００５９】
熱経路Ｔ３の一部を構成する熱伝導部材５１の熱伝導率は、半導体基板４０の熱伝導率より高い。また、凹部６０を設けると、熱経路Ｔ３のうち熱伝導率の低い半導体基板４０によって構成される部分が短くなる。このため、熱経路Ｔ３の熱抵抗が低くなり、熱経路Ｔ３を経由する熱伝導の効率を高めることができる。
【００６０】
半導体基板４０の全体を薄くすると、十分な機械的強度が確保できなくなる。第５実施例では、熱経路Ｔ３として機能する領域以外では、半導体基板４０を薄くしていない。このため、半導体チップ３０の十分な機械的強度を維持することができる。
【００６１】
［第６実施例］
次に、図８を参照して第６実施例による半導体装置について説明する。以下、第５実施例による半導体装置（図７Ａ、図７Ｂ）と共通の構成については説明を省略する。
【００６２】
図８は、第６実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０の断面図である。第５実施例では、平面視において凹部６０（図７Ａ）が発熱源４８及び熱伝導膜４３の両方に、少なくとも部分的に重なっていた。第６実施例では、凹部６０が発熱源４８及び熱伝導膜４３の両方に重なっているとは限らない。図８では、平面視において凹部６０が発熱源４８と重なり、熱伝導膜４３とは重なっていない例を示している。凹部６０は、平面視において発熱源４８と熱伝導膜４３とに挟まれた領域と部分的に重なって配置される。
【００６３】
第６実施例においても、熱伝導部材５１が、発熱源４８で発生して半導体基板４０に拡散する熱をバンプ３１まで伝導させる熱経路の一部を構成する。
【００６４】
次に、凹部６０、発熱源４８、及び熱伝導膜４３の好ましい相対的位置関係について説明する。発熱源４８から凹部６０の底面に配置された熱伝導部材５１までの最短距離をＬ３で表す。熱伝導膜４３から熱伝導部材５１までの最短距離をＬ４で表す。平面視において、発熱源４８の幾何学的重心位置から熱伝導膜４３までの最短距離をＬ５で表す。熱伝導部材５１の熱伝導度は半導体基板４０の熱伝導度より十分高いと見なすことができる。このとき、凹部６０を形成して熱伝導部材５１を配置することによる十分な効果を得るために、Ｌ３＋Ｌ４がＬ５以下になるように、凹部６０の位置及び深さを設定することが好ましい。
【００６５】
［第７実施例］
次に、図９を参照して第７実施例による半導体装置について説明する。以下、第５実施例による半導体装置（図７Ａ、図７Ｂ）と共通の構成については説明を省略する。
【００６６】
図９は、第６実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０の断面図である。第５実施例では、半導体チップ３０をプリント基板２０（図１Ｃ）に実装した後に、凹部６０の内部に封止樹脂２８（図１Ｃ）が埋め込まれる。第７実施例では、凹部６０の内部が、熱伝導性ペースト６２で埋め込まれている。熱伝導性ペースト６２には、例えば、第２実施例による半導体装置で用いた熱伝導性ペースト４９（図４）と同一のものを用いることができる。
【００６７】
次に、第７実施例の優れた効果について説明する。第７実施例では、熱伝導性ペースト６２が、熱経路Ｔ３のうち熱伝導部材５１を横方向に延びる部分の断面積を拡大させる役割を持つ。このため、熱経路Ｔ３の熱抵抗が低下し、熱経路Ｔ３を経由する熱伝導の効率を高めることができる。その結果、トランジスタ４２の温度上昇を抑制することができる。
【００６８】
また、凹部６０に埋め込まれた熱伝導性ペースト６２により、凹部６０を設けることにより半導体基板４０が薄くなった部分の機械的強度の低下を補償することができる。これにより、チップダイシング等の加工工程で機械的応力が加わることによる半導体基板４０の破損を抑制することができる。
【００６９】
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７０】
１０  インピーダンス整合回路
１１  ドライバ段増幅回路
１２  インピーダンス整合回路
１３  出力段増幅回路
１４  制御回路
１５  入力端子
１６  出力端子
１７、１８  インダクタ
２０  プリント基板
２１  ランド
２３  外部接続用の電極
２４  ビア導体
２５  内層の配線
２８  封止樹脂
３０  半導体チップ
３１  バンプ
３２  Ｃｕピラー
３３  はんだバンプ
４０  半導体基板
４１  貫通ビアホール
４２  トランジスタ（能動素子）
４３  熱伝導膜
４５、４６、４７  絶縁膜
４８  発熱源
４９  熱伝導性ペースト
５１  熱伝導部材
６０  凹部
６１、６２  熱伝導性ペースト
Ｂ０  ベース電極
Ｂ１  １層目のベース配線
Ｃ０  コレクタ電極
Ｃ１  １層目のコレクタ配線
Ｃ２  ２層目のコレクタ配線
Ｅ０  エミッタ電極
Ｅ１  １層目のエミッタ配線
Ｅ２  ２層目のコレクタ配線
Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３  熱経路
【図１】
2019192729.tif 000003
【図２】
2019192729.tif 000004
【図３】
2019192729.tif 000005
【図４】
2019192729.tif 000006
【図５】
2019192729.tif 000007
【図６】
2019192729.tif 000008
【図７】
2019192729.tif 000009
【図８】
2019192729.tif 000010
【図９】
2019192729.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月25日(2019.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
接地用の電極には、トランジスタのエミッタまたはソースが接続される。従って、エミッタやソースが伝熱経路の一部に含まれる。バンプに接続されて伝熱経路となるエミッタやソースは、通常、小面積であり、伝熱経路のうちエミッタやソースに接続される箇所が隘路になってしまう。このため、伝熱経路の熱抵抗を十分低くすることが困難である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】図１Ａは、第１実施例による半導体装置のブロック図であり、図１Ｂは、第１実施例による半導体装置の各回路のレイアウトを示す平面図であり、図１Ｃは、第１実施例による半導体装置の概略断面図である。
【図２】図２Ａは、第１実施例による半導体装置に含まれる半導体チップに形成されている出力段増幅回路の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。
【図３】図３は、第１実施例による半導体装置のバンプの近傍の断面図である。
【図４】図４は、第２実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【図５】図５Ａは、第３実施例による半導体装置に含まれる半導体チップに形成されている出力段増幅回路の平面図であり、図５Ｂは、図５Ａの一点鎖線５Ｂ−５Ｂにおける断面図である。
【図６】図６は、第４実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【図７】図７Ａは、第５実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図であり、図７Ｂは、第５実施例による半導体装置の各回路のレイアウトを示す平面図である。
【図８】図８は、第６実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【図９】図９は、第７実施例による半導体装置に含まれる半導体チップの断面図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１Ｃは、第１実施例による半導体装置の概略断面図である。プリント基板２０の実装面（図１Ｃにおいて上面）に半導体チップ３０が実装されている。半導体チップ３０は、半導体基板４０のプリント基板２０に対向する面（以下、第１面という。）に形成された複数のバンプ３１を含む。プリント基板２０は、実装面に形成された複数のランド２１、及び下面（実装面とは反対側の面）に形成された外部接続用の複数の電極２３を含む。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
図９は、第７実施例による半導体装置に含まれる半導体チップ３０の断面図である。第５実施例では、半導体チップ３０をプリント基板２０（図１Ｃ）に実装した後に、凹部６０の内部に封止樹脂２８（図１Ｃ）が埋め込まれる。第７実施例では、凹部６０の内部が、熱伝導性ペースト６２で埋め込まれている。熱伝導性ペースト６２には、例えば、第２実施例による半導体装置で用いた熱伝導性ペースト４９（図４）と同一のものを用いることができる。