(57)【要約】【課題】簡易な構造で製造が容易であるにも拘わらず、優れた放熱性を有する半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に固定された支持体と、前記半導体素子の他方の面に設けられた放熱部と、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを具備する半導体装置であって、前記放熱部が前記半導体素子の電極が形成された面に前記電極を除くようにして設けられている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に電極が形成された半導体素子と、前記半導体素子の主面に前記電極を除くようにして設けられた放熱部と、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に固定された支持体と、前記半導体素子の他方の面に設けられた放熱部と、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記放熱部は、前記半導体素子の電極が形成された面に前記電極を除くようにして設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記封止樹脂は、前記放熱部の主として放熱が行われる部分を除いて設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱部は平板状部材から一体的に形成されたものであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に係り、特に簡易な構造で放熱性に優れた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子・電気機器の小型化、軽量化のために、これに用いられる電子・電気部品についても高密度実装化のため小型化、軽量化が求められている。このような電子・電気部品の中でも、シリコンチップ等の半導体素子を搭載した半導体装置については小型化、軽量化が求められるだけでなく、これまで以上の性能向上が求められている。
【０００３】
このように小型化、軽量化したにも拘わらず性能向上が進むと、半導体素子あるいはこれを搭載する半導体装置の単位面積当たりの発熱量は従来に比べて飛躍的に増大することとなり、その熱を外部に効率的に放散する必要がある。このような熱の放散を効率的に行うものとして、例えばＥｎｈａｎｃｅｄ−ＢＧＡ、Ｈｅａｔ−Ｓｌｕｇ−ＢＧＡをはじめとする各種の放熱性に優れた半導体装置が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３４０９７０号公報（第１図、第６図等）
【特許文献２】
特開平１１−１２１４９７号公報（第１図）
【特許文献３】
特開２０００−３１３１５号公報（第１図、第６図等）
【特許文献４】
特開２０００−７７５６３号公報（第１図、第３図等）
【特許文献５】
特開２００１−１５６５０号公報（第１図、第３図等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したようなＥｎｈａｎｃｅｄ−ＢＧＡ、Ｈｅａｔ−Ｓｌｕｇ−ＢＧＡ等の半導体装置においては、放熱性に優れているものの、基板や放熱板に特殊な構造のものを用いなければならなかったり、これらと半導体素子との位置関係も複雑なものとしなければならなかったりするため、その製造は必ずしも容易ではなかった。
【０００６】
本発明は、上記したような課題を解決するためになされたものであって、従来の放熱性を重視した半導体装置に比べて構造が簡易であり、製造が容易であるとともに、優れた放熱性を有する半導体装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、主面に電極が形成された半導体素子と、前記半導体素子の主面に電極を除くようにして設けられた放熱部と、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを具備することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に固定された支持体と、前記半導体素子の他方の面に設けられた放熱部と、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを具備することを特徴とする。前記放熱部は、前記半導体素子の電極が形成された面に、前記電極を除くようにして設けられていることが好ましい。
【０００９】
前記封止樹脂は、前記放熱部のうち主として放熱が行われる部分を除いて設けられていることが好ましい。前記放熱部は例えば平板状部材から一体的に形成されたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の半導体装置をＢＧＡ半導体パッケージに適用した実施形態を示した断面図である。図１に示される半導体装置は、半導体素子１の一方の面に支持体２を固定し、他方の面に放熱部３を設けたものである。この半導体装置では、半導体素子１の一方の面を配線基板等の支持体２との固定に用いた場合であっても、支持体２との固定に用いられていない他方の面を利用して放熱部３を設けることで、容易かつ効率的に放熱性を向上させることができる。
【００１２】
以下、図１に示される半導体装置について具体的に説明する。配線基板等の支持体２は主として基材２ａからなり、その一方の面には半導体チップ等の半導体素子１を固定するための部分を除いて配線層２ｂが形成されている。支持体２（基材２ａ）の他方の面、すなわち半導体素子１が固定されていない面、すなわち実装用基板に接続される側の面には配線層２ｃが形成されるとともに、実装用基板との接続に必要なはんだバンプや金バンプ等の外部接続端子２ｄが形成されている。支持体２としては、例えばエポキシ樹脂を含浸させたガラス布を基材とし、両面に配線層となる銅箔を貼付した銅張積層板等を用いることができる。
【００１３】
支持体２の半導体素子１を固定する部分には、接着層４を介して半導体素子１が固定されている。半導体素子１は、支持体２と固定される側に電極が形成されていない面がくるように固定される。接着層４としては、半導体素子の固定に一般的に用いられるダイボンド等の接着剤が利用できる。
【００１４】
一方、半導体素子１の他方の面、すなわち支持体２との固定に利用されない面（図中、半導体素子の上側の面）には電極（図示せず）が形成された面がきており、この電極と支持体２の配線層２ｂとがボンディングワイア５よって電気的に接続されている。ボンディングワイア５としては、金ワイアやアルミニウムワイア等が利用できる。
【００１５】
半導体素子１の電極が形成されている面には、電極が形成された部分以外の部分に放熱部３が設けられている。この放熱部３は、半導体素子１からの熱を伝える熱伝達部材３ａと、この熱伝達部材３ａから伝えられた熱を外部に放散する熱放散部材３ｂとからなるものであり、熱伝達部材３ａの一端が半導体素子１の電極が形成された面に接着層６を介して固定され、他端が熱放散部材３ｂに固定されている。
【００１６】
放熱部３と半導体素子１とを固定する接着層６には、ペースト状やフィルム状の接着部材を用いることができる。また、接着性を有する熱伝導シート等も用いることができる。接着層６に用いられる接着部材は絶縁性であるものが好ましく、熱伝導性が良好なものであればより好ましい。
【００１７】
なお、半導体素子１と放熱部３とは必ずしも接着層６により固定する必要はなく、直接接触させた状態であってもよい。このような接触させただけの場合であっても、半導体素子１と放熱部３とは後述するように樹脂封止されるため、半導体素子１と放熱部３とが接触した状態で固定することができる。このような接着層６を介さず、半導体素子１と放熱部３とを直接接触した状態とすれば、半導体素子１から放熱部３へ直接的に熱伝達が行われるため、放熱性をさらに向上させることができる。このように半導体素子１と放熱部３とを直接接触した状態で固定する場合には、放熱部３のうち少なくとも熱放散部材３ｂが絶縁性材料からなるものであることが好ましい。
【００１８】
図２は、図１に示される半導体装置の半導体素子１および放熱部３付近の構造を示した斜視図である。図２に示されるように、放熱部３を構成する熱伝達部材３ａは例えば円柱状部材からなるものであり、熱放散部材３ｂは円板状部材からなるものである。これらは熱伝導性に優れる材料からなるものであることが好ましい。放熱部３を構成する熱伝達部材３ａは半導体素子１の電極（図示せず）が形成されている面に配置されるため、この電極と接触しないように配置場所、直径等が決定されている。また、この電極にはボンディングワイアが接続されるため、このボンディングワイアと熱伝達部材３ａの一端に設けられる熱放散部材３ｂが接触しないように、熱伝達部材３ａの長さ（高さ）が決定されている。
【００１９】
放熱部の材質は熱伝導性に優れるものであれば特に制限されるものではなく、例えば銅、アルミニウム等の金属材料、窒化アルミニウム、炭化ケイ素等のセラミックス材料からなるものが利用でき、熱伝達部材と熱放散部材とは同一の材料としても、異なる材料としてもよい。また、熱伝達部材と熱放散部材とは必ずしも別々に作られたものである必要はなく、一体的に形成されたものであってもよい。例えば、金属材料からなる場合については、鋳造、射出成形等により一体的に形成されたものであってもよく、１枚の金属板をプレス加工等することにより一体的に形成されたものであってもよい。
【００２０】
また、放熱部を構成する熱伝達部材および熱放散部材の形状についても特に制限されるものではなく、半導体素子の電極やボンディングワイアと接触しないような形状であれば適宜その形状を選択することができる。熱伝達部材としては、上記したような円柱状以外に、四角柱状等の各種の形状のものを利用でき、熱放散部材としては、上記したような円状以外に、正方形状、長方形状等の各種の形状のものを利用できる。
【００２１】
熱伝達部材の直径は、それが配置される面に形成されている電極に接触しない範囲であれば特に制限されるものではない。また、熱伝達部材の長さは、その一端に設けられる熱放散部材とボンディングワイアとが接触しない範囲であれば特に制限されるものではない。しかしながら、熱伝達部材の直径が小さすぎる場合や長さが長すぎる場合には、熱の伝達効率が低下するため、上記した範囲内で直径を大きくかつ長さを短くすることが好ましい。
【００２２】
これら半導体素子１、放熱部３およびボンディングワイア５は、図１に示されるように、支持体２の一方の面に封止樹脂７により封止されている。この際、放熱部３のうち主として熱の放散が行われる部分、例えば熱放散部材３ｂの表面は封止樹脂７で覆われないようにする。これは熱放散部材３ｂの表面が封止樹脂７で覆われると、熱の放散効率が低下するためである。封止樹脂はパッケージの封止材料として一般的に用いられているものを用いることができ、例えばエポキシ系、メラミン系、フェノール系、尿素系等の熱硬化性樹脂が利用できる。
【００２３】
本実施形態の半導体装置では、半導体素子の一方の面に配線基板等の支持体を固定した場合であっても、他方の面を利用して放熱部を設けることで放熱性を向上させることができる。特に、半導体素子の電極が形成されていない面を支持体との固定に利用したとしても、他方の面である電極が形成された面を利用して放熱部を設けることで、容易かつ効率的に放熱性を向上させることができる。
【００２４】
次に、放熱部の他の実施形態について説明する。図３は、図１に示された半導体装置において放熱部を変更した例を示した断面図であり、図４は要部構造を示した斜視図である。
【００２５】
図３に示される半導体装置において、放熱部３以外の構造は図１に示される半導体装置と同様である。本実施形態における放熱部３は、熱伝達部材３ａと熱放散部材３ｂとを１枚の平板状部材から一体的に形成したものであることを特徴とする。
【００２６】
図４に示されるように、放熱部３は金属板等の平板状部材の外側部分および中央部分を枠状となるように残し、これを熱放散部材３ｂとして利用し、さらにこの枠状部分の内側の平板状部材を折り曲げて熱伝達部材３ａとして利用したものである。熱伝達部材３ａの半導体素子１側端部は半導体素子１の表面に配置しやすいように、折り曲げてある。このような平板状部材から一体的に形成される放熱部３は、金属板をプレス加工等することにより容易に製造することが可能である。このような金属板としては、熱伝導性に優れるものが好ましく、例えば銅またはアルミニウム等からなる金属板を用いることができる。
【００２７】
なお、上記実施形態では長方形状の平板状部材を用いた例を示したが、本発明においては平板状部材の形状については特に制限はなく、正方形状、円状等でも構わない。また、平板状部材から形成される熱伝達部材の形状、数についても制限されるものではなく、平板状部材に熱伝達部材を形成する位置等についても制限されるものではない。これらは、熱伝達部材が配置される半導体素子の表面状態、例えば電極やボンディングワイア等との関係において適宜決定することができる。
【００２８】
次に、半導体素子の電極が形成された面を支持体側に固定し、他方の面、すなわち半導体素子の電極が形成されていない面に放熱部を設けた実施形態について説明する。以下に、半導体素子をフリップチップ実装する半導体パッケージに本発明の半導体装置を適用した場合の例について説明する。
【００２９】
図５は、支持体２に半導体素子１をフリップチップ実装した場合を示した断面図である。配線基板等の支持体２は主として基材２ａからなり、支持体２（基材２ａ）の一方の面には半導体素子１を接続するための配線層２ｂが形成されている。また、支持体２の他方の面、すなわち半導体素子１が固定されない面には配線層２ｃが形成されるとともに、実装用基板との接続に必要なはんだバンプや金バンプ等の外部接続端子２ｄが形成されている。支持体２としては、例えばエポキシ樹脂を含浸させたガラス布を基材とし、両面に銅箔を貼付した銅張積層板等を用いることができる。
【００３０】
支持体２の半導体素子１を接続する側の面には、配線層２ｂ上にはんだバンプや金バンプ等の接続端子８を介して半導体素子１がフリップチップ実装されている。半導体素子１の電極が形成された面は支持体２側となっているため、半導体素子１の電極が形成されていない面は支持体２とは反対側となり、放熱部３はこの電極が形成されていない面に設けられている。放熱部３は、例えば半導体素子１からの熱を伝える熱伝達部材３ａと、この熱伝達部材３ａから伝えられた熱を外部に放散する熱放散部材３ｂとからなるものであり、熱伝達部材３ａの一端が半導体素子１の電極が形成されていない面に接着層６を介して固定され、他端が熱放散部材３ｂに固定されている。
【００３１】
放熱部３と半導体素子１とを固定する接着層６には、ペースト状やフィルム状の接着部材を用いることができる。また、接着性を有する熱伝導シート等も用いることができる。接着層６に用いられる接着部材は絶縁性であるものが好ましく、熱伝導性が良好なものであればより好ましい。
【００３２】
なお、半導体素子１と放熱部３とは必ずしも接着層６により固定する必要はなく、直接接触させた状態であってもよい。このような接触させただけの場合であっても、半導体素子１と放熱部３とは後述するように樹脂封止されるため、半導体素子１と放熱部３とが接触した状態で固定することができる。このような接着層６を介さず、半導体素子１と放熱部３とを直接接触した状態とすれば、半導体素子１から放熱部３へ直接的に熱伝達が行われるため、放熱性をさらに向上させることができる。このように半導体素子１と放熱部３とを直接接触した状態で固定する場合には、放熱部３のうち少なくとも熱放散部材３ｂが絶縁性材料からなるものであることが好ましい。
【００３３】
放熱部は、上記他の実施形態における各種の放熱部をそのまま利用することができる。例えば、放熱部を構成する熱放散部材としては円状、正方形状、長方形状等の各種の形状のものを利用でき、熱伝達部材としては円柱状、四角柱状等の各種の形状のものを利用できる。また、図３や図４に示されるような、平板状部材から一体的に形成されたものであってもよい。
【００３４】
放熱部の材質についても上記他の実施形態と同様のものを利用することができる。すなわち、放熱部の材質としては熱伝導性に優れるものであれば特に制限されるものではなく、例えば銅、アルミニウム等の金属材料、窒化アルミニウム、炭化ケイ素等のセラミックス材料が利用できる。熱伝達部材と熱放散部材とは同一の材料としても、異なる材料としてもよい。また、熱伝達部材と熱放散部材とは必ずしも別々に作られたものである必要はなく、一体的に形成されたものであってもよい。
【００３５】
本発明の半導体装置は上記したようなＢＧＡ半導体パッケージだけでなく、他の形状のパッケージにも適用することができる。また、半導体素子が１層だけでなく、半導体素子が２層以上積層されたスタックド構造のものであってもよい。図６は一例として３層の半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃを積層した場合を示したものである。この場合には積層された半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃのうち支持体２とは反対側の端部に積層された半導体素子１ａの表面部分に放熱部３を配置するものとする。図６に示されるように、この表面部分に電極（図示せず）が形成されている面がくる場合には、この電極を除くようにして放熱部３を配置するものとする。
【００３６】
また、本発明では半導体素子を上記したようなパッケージに収容したものだけでなく、例えば図７に示されるように、半導体素子（ベアチップ）１を実装用基板等の支持体２に直接搭載したようなものであってもよい。この場合にも、上記実施形態と同様な放熱部を用いることができ、その固定も同様にして行うことができる。
【００３７】
次に、本発明の半導体装置の製造方法について図１に示される半導体装置を例に挙げて説明する。
【００３８】
配線基板等の支持体２として、例えばエポキシ樹脂を含浸させたガラス布を基材２ａとし、両面に配線層２ｂ、２ｃとなるべき銅箔を貼付した銅張積層板を用いる。一方の面に半導体チップ等の半導体素子１を固定するための部分を除いて配線層２ｂを形成し、他方の面には実装用基板との接続のための配線層２ｃを形成する。さらに、この実装用基板側の配線層２ｃには実装用基板との接続に必要なはんだバンプや金バンプ等の外部接続端子２ｄを形成する。
【００３９】
支持体２の半導体素子１を固定する部分には、ダイボンド等の接着剤からなる接着層４を介して半導体素子１を固定する。このとき半導体素子１は、支持体２と固定される側に電極が形成されていない面がくるように固定する。支持体２との固定に用いられなかった面には電極（図示せず）が形成された面がくるため、この電極と支持体２の配線層２ｂとを金ワイアやアルミニウムワイア等からなるボンディングワイア５よって電気的に接続する。
【００４０】
さらに、半導体素子１の電極が形成されている面に、電極に接触しないように絶縁ペーストや熱伝導シート等からなる接着層６を形成し、これにより放熱部３を固定する。放熱部３は、例えば熱伝達部材３ａと熱放散部材３ｂとが接合された状態となっており、熱伝達部材３ａの両端部のうち熱放散部材３ｂが接合されていない方の端部を半導体素子１に形成された接着層６に接触させて固定する。この後、例えばこれらを金型内に配置し、封止樹脂により封止する。
【００４１】
本発明の半導体装置の製造方法では、上記したような半導体素子と放熱部とを固定あるいは接触させた状態で封止を行う方法以外に、支持体に半導体素子を固定しボンディングワイアよって電気的に接続した後、放熱部を設けない状態で一旦半導体素子を封止樹脂で覆い、その後封止樹脂が硬化する前に封止樹脂の上から放熱部を押しつけ、半導体素子上の封止樹脂を放熱部で押しのけるようにして、半導体素子上にほぼ直接的に放熱部が固定されるようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体装置では、半導体素子の２つの主面のうち、一方の面に基板等の支持体を固定するとともに、他方の面に直接的、あるいは接着のために接着層を設けた以外はほぼ直接的に放熱部を設けることで、簡易な構造とすることができるとともに、放熱性も向上させることが可能となる。特に、半導体素子の電極が形成されている面はこれまで有効に利用されていなかったため、この部分に放熱部を設けることにより、効率的に放熱を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施形態を示した断面図。
【図２】図１に示される半導体装置の要部構造を示した斜視図。
【図３】本発明の半導体装置の他の実施形態を示した断面図。
【図４】図３に示される半導体装置の要部構造を示した斜視図。
【図５】本発明の半導体装置の他の実施形態を示した断面図。
【図６】半導体素子を複数積層した場合の本発明の半導体装置の実施形態を示した断面図。
【図７】実装用基板に半導体素子を直接搭載した場合の本発明の半導体装置の実施形態を示した断面図。
【符号の説明】
１…半導体素子　２…支持体　２ａ…基材　２ｂ…配線層　２ｃ…配線層　２ｄ…外部接続端子　３…放熱部　３ａ…熱伝達部材　３ｂ…熱放散部材　４…接着層　５…ボンディングワイア　６…接着層　７…封止樹脂　８…接続端子
【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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【図６】
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【図７】
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