(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、該半導体素子を搭載する基板と、該半導体素子と熱的に接続すると共に前記基板に固定される放熱部材と、前記基板の前記放熱部材が配設される面と反対側の面に複数配設される外部接続端子とを有する半導体装置において、
前記放熱部材を前記基板に固定する固定位置が、前記基板の中心位置を中心とすると共に前記基板に内接する内接円上に実質的に位置するよう構成し、
前記内接円の半径をＲとし、前記基板の中心位置から前記基板のコーナー部までの距離をＳ、前記基板の中心位置から前記基板の最短外周縁までの距離をＴとした場合、（Ｓ／２）≦Ｒ≦Ｔとしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記固定位置の平面視した時の形状を、少なくとも六角形以上の多角形としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記放熱部材を前記基板に固定する固定位置を、前記内接円上において複数位置に分割したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に係り、特に放熱部材を有した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高密度化に伴い、半導体素子から発生する熱量が増大している。このため、半導体素子と熱的に接続した放熱部材（ヒートシンク等）を設け、これにより半導体素子から発生する熱を効率的に放熱する構成の半導体装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、高密度化を図りうる半導体装置のパッケージ構造として、ＢＧＡ(Ball Grid Array)が知られている。ＢＧＡタイプの半導体装置は、多ピン化を図れると共に製造効率を高めることができる。このＢＧＡタイプの半導体装置は、基板の一面に半導体素子を搭載すると共に、この素子搭載面と反対側の面にはんだバンプをマトリックス状或はペリフェラル状に配設した構成とされている。また、通常素子搭載面に配設された半導体素子は、樹脂により封止された構成とされている。
【０００４】
更に、ＢＧＡタイプの半導体装置に放熱部材を設けることにより、高密度化と放熱性を共に良好とした半導体装置が提供されている。図１は、この種の半導体装置の一例を示している。
【０００５】
図１に示す半導体装置１Ａは、大略すると半導体素子２，基板３，ヒートスプレッダ４Ａ，及び半田ボール５等により構成されている。基板３はセラミック基板であり、半導体素子２はこの基板３の素子搭載面３Ａにフリップチップ接合されている。また、半導体素子２と基板３との間には、アンダーフィル樹脂６が配設されている。
【０００６】
ヒートスプレッダ４Ａは熱伝導性が良好な材料により形成されている。このヒートスプレッダ４Ａの中央部は、半導体素子２と熱的に接続されている。よって、半導体素子２で発生した熱はヒートスプレッダ４Ａを介して外部に放出されることとなり、半導体素子２で発生した熱の放熱特性を高めることができる。
【０００７】
また、ヒートスプレッダ４に一体的に形成された脚部７Ａは、基板３の素子搭載面３Ａに接着剤８を用いて接着される。これにより、ヒートスプレッダ４Ａは基板３に固定される。また、半田ボール５は、回路基板３の放熱板４が配設された面と反対側の面（端子配設面３Ｂ）に配設されている。この半田ボール５は、端子配設面３Ｂの略全面にわたりマトリックス状に多数個配設されている。このように、ＢＧＡタイプの半導体装置１Ａは、基板３の端子配設面３Ｂの略全面に半田ボール５を配設するため、装置の小型化と多ピン化を実現することができる。
尚、図１では、上記構成とされた半導体装置１Ａが、半田ボール５を用いてマザーボード９に実装された状態を示している。
【特許文献１】特開平０９−１５３５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２は、図１に示した半導体装置１Ａにおいて、ヒートスプレッダ４Ａを取り外した状態を示す平面図である。同図に示すように、従来では、接着剤８は素子搭載面３Ａ（基板３）の外周縁に沿って矩形状に塗布されていた。よって、ヒートスプレッダ４Ａの基板３に対する固定位置（接着剤８の配設位置）は、素子搭載面３Ａの外周縁近傍で、その形状は矩形状とされていた。
【０００９】
しかしながら、このようにヒートスプレッダ４Ａを素子搭載面３Ａの外周縁近傍で固定する構造では、マザーボード９またはヒートスプレッダ４Ａに外力が印加された場合、端子配設面３Ｂの略全面にマトリックス状に配設された半田ボール５の内、特にコーナー部（図２に破線で囲った矢印Ａで示す領域）に配設された半田ボール５に大きな応力が発生し、このコーナー部Ａに配設された半田ボール５が破壊されてしまうおそれがあるという問題点があった。
【００１０】
一方、上記した問題点を解決する半導体装置として、図３に示す半導体装置１Ｂが知られている。尚、図３において、図１に示した構成と同一構成については同一符号を付している。
【００１１】
この半導体装置１Ｂは、ヒートスプレッダ４Ｂに形成される脚部７Ｂを図１に示した脚部７Ａの配設位置よりも内側（半導体素子２に近接した位置）に形成し、この脚部７Ｂを接着剤８で素子搭載面３Ａに固定することにより、ヒートスプレッダ４Ｂを基板３に固定した構成とされている。
【００１２】
この構成とされた半導体装置１Ｂでは、マザーボード９またはヒートスプレッダ４Ｂに外力が印加された場合、コーナー部Ａに形成された半田ボール５に印加される応力は低減され、よってコーナー部Ａにおいて半田ボール５が破壊されることを防止できる。
【００１３】
しかしながら、ヒートスプレッダ４Ｂの外周部分は、脚部７Ｂと基板３との固定位置より外側に向け長く延出した構成となる。このため、ヒートスプレッダ４Ｂのコーナー部Ａに外力が印加された場合、ちょうど固定位置を支点とし、コーナー部Ａを力点としたてこの作用が発生してしまう。よって、例えばヒートスプレッダ４Ｂの図３における右端部に外力が印加された場合、ヒートスプレッダ４Ｂの左端部は図中矢印Ｘで示す力が発生し、この力が大きい場合にはヒートスプレッダ４Ｂが基板３から離脱してしまうおそれがあるという問題点があった。
【００１４】
ところで、近年では半導体素子２の小型化及び高密度化に伴い、外部ノイズに対する耐性を高める必用がある。また、半導体素子２が高速化することにより、半導体素子２が発生する電磁界が外部機器に悪影響を与えないようにする必要がある。
【００１５】
従来の半導体装置１Ａ，１Ｂにおいてこのようなノイズ対策を行うには、ヒートスプレッダ４Ａ，４Ｂとは別個にシールド部材を設けることが行なわれていた。しかしながら、この構成では部品点数が増大すると共に装置の小型化が図れないという問題点があった。また、半導体装置１Ａ，１Ｂにヒートスプレッダ４Ａ，４Ｂとシールド部材を共に設ける構成では、それぞれが互いに干渉してしまい、それぞれを効率の高い形状及び構造とすることができないという問題点があった。
【００１６】
本発明は、上述した従来技術の課題を解決する、改良された有用な半導体装置及びその製造方法を提供することを総括的な目的とする。
【００１７】
本発明のより詳細な目的は、外力が印加されても外部接続端子及び放熱部材に損傷が発生しない信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【００１８】
更に、本発明の他の目的は、少ない部品点数で外部ノイズによる影響を防止しうる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この目的を達成するため、本発明では、半導体素子と、該半導体素子を搭載する基板と、該半導体素子と熱的に接続すると共に前記基板に固定される放熱部材と、前記基板の前記放熱部材が配設される面と反対側の面に複数配設される外部接続端子とを有する半導体装置において、前記放熱部材を前記基板に固定する固定位置が、前記基板の中心位置を中心とすると共に前記基板に内接する内接円上に実質的に位置するよう構成し、前記内接円の半径をＲとし、前記基板の中心位置から前記基板のコーナー部までの距離をＳ、前記基板の中心位置から前記基板の最短外周縁までの距離をＴとした場合、（Ｓ／２）≦Ｒ≦Ｔとしたことを特徴とするものである。
【００２０】
上記発明によれば、放熱部材を基板に固定する固定位置が、基板の中心位置を中心とすると共に基板に内接する内接円上に実質的に位置するよう構成したことにより、基板のコーナーと固定位置とは離間するため、基板のコーナー部に配設された外部接続端子に過大な応力が印加されることを防止できる。これにより、外力が放熱部材に印加された際、特に基板のコーナー部に配設された外部接続端子が損傷することを防止できる。
【００２１】
また、固定位置が基板に内接する内接円上に実質的に位置するよう構成されているため、基板の中心位置に対して固定位置は比較的離間した位置にある。このため、放熱部材を基板に安定した状態で固定することができ、外力が印加されても放熱部材が基板から離脱してしまうことを防止できる。尚、ここで実質的とは、上記の安定性を実現しうる範囲で固定位置が内接円からずれている構成であっても、本請求項に係る発明に属することを意味するものである。
【００２２】
また、上記発明において、前記固定位置の平面視した時の形状を、少なくとも六角形以上の多角形とすることが望ましい。
【００２３】
また、上記発明において、前記放熱部材を前記基板に固定する固定位置を、前記内接円上において複数位置に分割した構成としてもよい。
【００２４】
この構成とすることにより、例えば半導体装置の実装時等において加熱処理が行なわれ放熱部材内の空気が加熱膨張しても、この膨張した空気は分割配置された固定位置の間（間隙）を通り外部に放出する。このため、加熱時に放熱部材内の空気膨張により放熱部材が基板から離脱することを防止できる。また、洗浄処理においては、洗浄液が分割配置された固定位置の間（間隙）を流れるため、洗浄効率の向上及び洗浄液が放熱部材内に残留することを防止できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、基板のコーナー部に配設された外部接続端子に過大な応力が印加されることを防止でき、基板のコーナー部に配設された外部接続端子が損傷することを防止できる。また、放熱部材により半導体素子に対し外部ノイズが侵入したり、また半導体素子から外部にノイズが漏洩したりすることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００３０】
図５及び図６は、本発明の第１実施例である半導体装置１０Ａを説明するための図である。図５は半導体装置１０Ａの断面図であり、図６は図５に示した半導体装置１０Ａにおいて、ヒートスプレッダ１４Ａを取り外した状態を示す平面図である。
【００３１】
図５及び図６に示す半導体装置１０ＡはＢＧＡタイプの半導体装置であり、大略すると半導体素子１２，基板１３，ヒートスプレッダ（放熱部材）１４Ａ，及び半田ボール１５（外部接続端子）等により構成されている。基板１３はセラミック基板であり、基板表面及び内部には配線が形成されている。以下の説明では、基板１３の半導体素子１２が搭載される面を素子搭載面１３Ａといい、半田ボール１５が配設される面を端子配設面１３Ｂというものとする。尚、基板１３は、必ずしも多層基板である必要はなく、また樹脂基板に限定されるものでもない。
【００３２】
半導体素子１２は高密度化された素子であり、多数の電極が設けられている。この多数電極にはバンプが形成されており、半導体素子１２は基板１３にフリップチップボンディングされる。また、フリップチップボンディングされた半導体素子１２と基板１３との間には、バンプの保護を図るためにアンダーフィル樹脂１６が配設されている。
【００３３】
ヒートスプレッダ１４Ａは熱伝導性が良好な金属材等（例えば、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＳｉＣ等）により形成されている。このヒートスプレッダ１４Ａの中央部は、半導体素子１２と熱的に接続されている。この際、半導体素子１２とヒートスプレッダ１４Ａとの間に、高熱伝導性を有する材料（樹脂或は金属）を介在させる構成としてもよい。
【００３４】
このように、半導体素子１２とヒートスプレッダ１４Ａが熱的に接続することにより、半導体素子１２で発生した熱はヒートスプレッダ１４Ａを介して外部に放出されることとなり、半導体素子１２で発生した熱を効率よく装置外部に放熱することができる。
【００３５】
また、ヒートスプレッダ１４Ａには脚部１７Ａが一体的に形成されており、この脚部１７Ａが素子搭載面１３Ａに接着剤１８Ａを用いて接着される。これにより、ヒートスプレッダ１４Ａは基板１３に固定される。この脚部１７Ａは、後述する接着剤１８Ａの配設位置に対応するよう構成されている。
【００３６】
本実施例では、脚部１７Ａは半導体素子１２を囲繞するよう環状に形成されている。よって、脚部１７Ａを基板１３に接着固定することにより、半導体素子１２はヒートスプレッダ１４Ａに封止された構成となる。即ち、ヒートスプレッダ１４Ａが半導体素子１２を保護するリッドとしても機能することとなる。このように、ヒートスプレッダ１４Ａが放熱部材としてばかりでなく、リッドとしても機能する構成とすることにより、半導体素子１２の保護を少ない部品点数で確実に行うことが可能となる。
【００３７】
半田ボール１５は、端子配設面１３Ｂの略全面にわたりマトリックス状に多数個配設されている。このように、半導体装置１０Ａは、端子配設面１３Ｂの略全面に外部接続端子となる半田ボール１５を配設するため、装置の小型化と多ピン化を実現することができる。尚、図５では、上記構成とされた半導体装置１０Ａが、マザーボード１９に実装された状態を示している。
【００３８】
ここで、本実施例におけるヒートスプレッダ１４Ａを基板１３に固定する固定位置に注目する。本実施例では、ヒートスプレッダ１４Ａを基板１３に固定する固定位置、即ち接着剤１８Ａの配設位置を、基板１３の中心位置（図６にＰで示す）を中心とすると共に、基板１３に内接する内接円２０上に実質的に位置するよう構成している。
【００３９】
本実施例における内接円２０とは、必ずしもヒートスプレッダ１４Ａの外周縁に接する円のみを意味するのではなく、所定の範囲を有している。具体的には、内接円２０の半径をＲとし、基板１３の中心位置Ｐから基板１３のコーナー（基板１３の角をいう）までの距離をＳ、基板１３の中心位置Ｐから基板１３の最短外周縁までの距離をＴとした場合、（Ｓ／２）≦Ｒ≦Ｔの条件を満足するよう内接円２０は設定されている（図６参照）。
【００４０】
また、固定位置（接着剤１８Ａの配設位置）が内接円２０上に実質的に位置するとは、ヒートスプレッダ１４Ａが基板１３に固定された際、必ずしも固定位置の中央が内接円２０の中心に位置することを意味するのではない。即ち、固定位置の中央が内接円２０から若干ずれていても、安定性してヒートスプレッダ１４Ａを基板１３に固定しうる範囲である限り、本実施例ではこの固定位置は内接円２０上にあるというものとする。更に具体的には、固定位置の少なくとも一部が内接円２０と接触している場合、固定位置は内接円２０上にあるというものとする。
【００４１】
また、内接円２０と接着剤１８Ａとの接触範囲は、接着剤１８Ａの幅寸法（図６に矢印Ｗで示す）によっても変化する。よって、この幅寸法Ｗを過剰に設定した場合には、従来と同様にコーナー部Ａが接着剤１８Ａにより固定される構成も含まれてしまう。しかしながら、本実施例においては、接着剤１８Ａの幅寸法Ｗは、ヒートスプレッダ１４Ａを基板１３に確実に固定しうる略最小の値に設定されている。
【００４２】
上記構成とすることにより、基板１３のコーナーと固定位置（接着剤１８Ａ）とは離間するため、基板１３のコーナー部（基板１３のコーナーを含む一定の領域であり、図６に破線で囲む矢印Ａで示す領域）に配設された半田ボール１５に過大な応力が印加されることを防止できる。これにより、外力がマザーボード１９またはヒートスプレッダ１４Ａに印加された際、基板１３のコーナー部Ａに配設された半田ボール１５が損傷することを防止でき、よって半導体装置１０Ａの信頼性を向上させることができる。
【００４３】
また、図３及び図４に示した従来の半導体装置１Ｂの構成に比べ、固定位置が基板１３の中心位置Ｐに対して比較的離間した位置にあるため、ヒートスプレッダ１４Ａを基板１３に安定した状態で固定することができる。よって、外力が印加されてもヒートスプレッダ１４Ａが基板１３から離脱してしまうことを防止でき、これによっても半導体装置１０Ａの信頼性を向上させることができる。
【００４４】
ところで、固定位置の平面視した形状（接着剤８の配設位置の形状）としては、バランスの面からは円形であることが望ましいが、但し円形に限定されるものではない。しかしながら、ヒートスプレッダ１４Ａを高い信頼性を持って基板１３に固定するには、少なくとも六角形以上の多角形とすることが望ましい。本実施例では、平面視した接着剤１８Ａの形状を八角形状としている。
【００４５】
続いて、図７乃至図１０を用い、本発明の第２及び第３実施例について説明する。尚、図７乃至図１０において、図５及び図６に示した構成と同一構成についは同一符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
図７及び図８は、第２実施例である半導体装置１０Ｂを示している。前記した第１実施例に係る半導体装置１０Ａは、脚部１７Ａを環状に形成し、よって半導体素子２をヒートスプレッダ１４Ａにより完全に封止する構成とした。これに対して本実施例に係る半導体装置１０Ｂは、ヒートスプレッダ１４Ａを基板１３に固定する固定位置を、前記した内接円２０上において複数位置に分割したことを特徴としている。
【００４７】
具体的には、ヒートスプレッダ１４Ａに一体的に形成される脚部１７Ｂを複数個（本実施例では８個）に分割し、この分割された脚部１７Ｂを素子搭載面１３Ａに接着剤１８Ｂを用いて固定した構成としている。これにより隣接する脚部１７Ｂの間には間隙部２１が形成されることになり、この間隙部２１を介してヒートスプレッダ１４Ａの内部空間（以下、キャビティ２２という）と装置外部は間隙部２１を介して連通した構成となる。
【００４８】
上記構成とすることにより、例えば半導体装置１０Ｂのマザーボード１９への実装時等において加熱処理が行なわれ、キャビティ２２内の空気が加熱膨張しても、この膨張した空気は間隙部２１を通り外部に放出する（図７に、間隙部２１を通る空気の流れを破線の矢印ＡＲで示す）。このため、加熱時にキャビティ２２内の空気膨張によりヒートスプレッダ１４Ａが基板１３から離脱することを防止でき、半導体装置１０Ｂの信頼性を高めることができる。
【００４９】
また、例えば半導体装置１０Ｂの製造工程においてを基板１３に半田ボール１５を半田付けされた後、フラックスの洗浄処理が行なわれる。このような洗浄処理は半導体装置１０Ｂの製造工程において何度か実施され、また主に洗浄液を流すことにより洗浄が行なわれる。
【００５０】
従来の半導体装置１Ａ，１Ｂでは、ヒートスプレッダ４Ａ，４Ｂを基板３に半導体素子１２を封止するよう配設していたため、仮にキャビティ内に洗浄液が侵入した場合、この侵入した洗浄液は容易にキャビティ内から排出することができない。このように、キャビティ内に洗浄液が残存した状態で加熱処理が行なわれると、洗浄液が気化することによる体積膨張により、ヒートスプレッダ４Ａ，４Ｂを基板３から離脱してしまうおそれが生じる。
【００５１】
しかしながら、本実施例に係る半導体装置１０Ｂは、隣接する脚部１７Ｂの間に間隙部２１が形成されているため、半導体装置１０Ｂを洗浄しても洗浄液は間隙部２１を通り円滑に排出されるため、キャビティ２２内に残存することはない（図８に、間隙部２１を通る洗浄液の流れを実線の矢印ＷＡで示す）。よって、洗浄処理後に加熱処理が実施されても、ヒートスプレッダ１４Ａが基板１３から離脱することを防止でき、半導体装置１０Ｂの信頼性を高めることができる。
【００５２】
図９及び図１０は、第３実施例である半導体装置１０Ｃを示している。前記した第１及び第２実施例に係る半導体装置１０Ａ，１０Ｂは、ヒートスプレッダ１４Ａを放熱部材としてのみ使用し、電磁的な作用については考慮されていなかった。これに対して本実施例に係る半導体装置１０Ｃは、ヒートスプレッダ１４Ｂを導電性材料により形成すると共に、このヒートスプレッダ１４Ｂを基板１３に形成されているグランド電極２４に接続したことを特徴とするものである。
【００５３】
ヒートスプレッダ１４Ｂは、その形状は前記した第１或は第２実施例に係る半導体装置１０Ａ，１０Ｂに用いたヒートスプレッダ１４Ａと同一の形状とされているが、材質は特に電磁ノイズのシールドに有効な導電性材料（例えば、Ｃｕ，ＡｌＳｉＣ等）により形成されている。一方、基板１３において、ヒートスプレッダ１４Ｂの脚部１７Ｃが素子搭載面１３Ａに固定される位置の全部或は一部にはグランド電極２４が形成されている。本実施例では、脚部１７Ｃが素子搭載面１３Ａに固定される一部にグランド電極２４が形成された例を示している。
【００５４】
ヒートスプレッダ１４Ｂとグランド電極２４は、導電性接着剤２３を用いて機械的かつ電気的に接続している。このように、導電性接着剤２３を用いることにより、ヒートスプレッダ１４Ｂとグランド電極２４を容易かつ確実に接続することができる。また、導電性材料により形成されたヒートスプレッダ１４Ｂが基板１３のグランド電極２４に電気的に接続されることにより、ヒートスプレッダ１４Ｂは放熱部材としてばかりでなく、シールド部材しても機能することとなる。よって、部品点数の少数化を図りつつ、ヒートスプレッダ１４Ｂにより半導体素子１２に対し外部ノイズが侵入したり、また半導体素子１２から外部にノイズが漏洩したりすることを防止できる。よって本実施例によれば、低コストで耐ノイズ特性に優れた信頼性の高い半導体装置１０Ｃを実現することができる。
【００５５】
尚、本実施例ではヒートスプレッダ１４Ｂとグランド電極２４との接続に導電性接着剤２３を用いたが、ヒートスプレッダ１４Ｂとグランド電極２４とを接続する部材は接着剤に限定されるものではなく、半田等の金属を用いても、また他の接合材料を用いてもよい。
【００５６】
また、導電性接着剤２３に代えて接着剤１８Ａ，１８Ｂに導電性を持たせると共に基板１３にグランド電極を形成し、この導電性を持たせた接着剤１８Ａ，１８Ｂを基板１３に形成されたグランド電極に接続することにより、ヒートスプレッダ１４Ｂとグランド電極２４とを接続する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】従来の一例を示す半導体装置の断面図である。
【図２】従来の一例である半導体装置のヒートスプレッダを取り除いた状態の平面図であり、接着剤を基板の外周位置近傍に配設した状態を示す図である。
【図３】従来の一例を示す半導体装置の断面図であり、接着剤を基板の中心位置近傍に配設した状態を示す図である。
【図４】従来の一例である半導体装置のヒートスプレッダを取り除いた状態の平面図であり、接着剤を基板の中心位置近傍に配設した状態を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例である半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の第１実施例である半導体装置のヒートスプレッダを取り除いた状態の平面図であり、接着剤を基板の外周位置近傍に配設した状態を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例である半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第２実施例である半導体装置のヒートスプレッダを取り除いた状態の平面図であり、接着剤を基板の外周位置近傍に配設した状態を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例である半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例である半導体装置の平面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０Ａ〜１０Ｃ  半導体装置
１２  半導体素子
１３  基板
１４Ａ，１４Ｂ  ヒートスプレッダ
１５  半田ボール
１８Ａ，１８Ｂ  接着剤
１９  マザーボード
２０  内接円
２１  間隙部
２３  導電性接着剤
２４  グランド電極
【図１】
0004593616.tif 000002
【図２】
0004593616.tif 000003
【図３】
0004593616.tif 000004
【図４】
0004593616.tif 000005
【図５】
0004593616.tif 000006
【図６】
0004593616.tif 000007
【図７】
0004593616.tif 000008
【図８】
0004593616.tif 000009
【図９】
0004593616.tif 000010
【図１０】
0004593616.tif 000011