(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面に凹部が形成されている第１の配線基板と、
前記凹部の底面に設けられている電極に導体バンプを介して接合して搭載実装されている半導体素子と、
前記凹部の底面および前記半導体素子の間に充填されている絶縁性樹脂と、
前記半導体素子の上面および側面を覆うように前記凹部の内に充填されている金属粉末と、
前記凹部の開口と対向しており、前記金属粉末の前記凹部の開口に露出している部位にろう材を介して接合されている放熱用導体部を有する第２の配線基板と、を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の配線基板と前記第２の配線基板とを接合している第２の導体バンプと、
前記凹部の開口周辺の部位と、これに対向する前記第２の配線基板の上面と、前記第２の導体バンプと、の間に充填されている、熱伝導性を向上させるための絶縁性のフィラーを含有している熱伝導性樹脂と、を備えていることを特徴とする請求項１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】
本発明は各種の電子機器・電子装置等の電子回路モジュール等として使用される、半導体素子を配線基板に搭載実装して構成された半導体装置に関し、特に半導体素子による発熱に対する放熱性を改善し、さらに半導体装置が搭載される配線基板との機械的接続信頼性をも改善した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の電子機器や電子装置に対する小型化・薄型化・高機能化・低コスト化等の要求はますます強まっており、それらの要求に応えるために、これら電子機器や電子装置等における電子回路モジュール等に用いられる半導体装置に対しても同様に小型化・薄型化・高機能化・低コスト化の検討が急速に押し進められている。このような半導体装置を搭載するための基板となる配線基板を構成する材料には、例えば以下の様なものが挙げられる。
【０００３】
アルミナセラミックス等を主成分とするセラミック材料は、1400〜1650℃程度の高温で焼成しなければならず、回路配線を形成するための導体材料には高融点金属であるタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高比抵抗金属材料を用いる必要がある。そのため、高速信号処理を行なう電子回路には適用が困難であるという問題点がある。
【０００４】
これに対し、セラミック材料の中でも窒化アルミニウム等の高熱伝導材料を用いた配線基板は、良好な放熱性を必要とする半導体素子搭載用基板としては有用であるが、一般的な民生分野に利用するには高価であり、低コスト化が困難であるという問題点がある。
【０００５】
また、有機絶縁材料を主成分とするガラスエポキシ基板では、安価であるが、搭載実装される半導体素子からの発熱に対する放熱性に劣るという問題点がある。
【０００６】
これらに対して、低温焼成可能なガラスセラミック基板は、セラミック材料に比べて低温で、さらに短時間で焼成可能であり、低コストな配線基板が実現できるという利点がある。また、導体材料には低融点金属材料である金（Ａｕ）・銀（Ａｇ）・銅（Ｃｕ）等の低比抵抗金属材料が使用可能であり、電子回路における高速信号処理に有利であるという特長もある。
【０００７】
これらの材料で構成される配線基板は、それぞれ用途によって使い分けられているが、近年の高機能化により必要不可欠な技術となっている半導体素子を直接搭載することで小型化を達成するのに際しては、いずれの基板においても、半導体素子の小型化・高密度化・高電力化に伴う半導体素子の発熱を如何に効率よく放熱させて半導体素子の熱的破壊や特性劣化を防止するかが、半導体素子の信頼性を確保するための重要な課題となっている。
【０００８】
この放熱対策としては、例えば、高熱伝導率材料からなる基板に直接に半導体素子を実装する手法や、半導体素子直下の基板に多数のサーマルビアホールと呼ばれる放熱部材を形成する手法等が挙げられる。
【０００９】
また、発熱に対する半導体素子の信頼性を確保するためにはより良好な放熱性が必要とされる一方で、さらに小型化と低コスト化を達成するために、半導体素子の実装技術として従来のワイヤボンディングに代わって半導体素子を導体バンプを用いて配線基板に搭載実装するフェースダウン実装技術が採用されるようになっている。この場合、半導体素子の発熱を有効に放散させることが困難となる傾向があることから、さらに半導体素子の熱放散性を高めた半導体装置の実現に対する要求が強まっている。
【００１０】
そのようなフェースダウン実装技術を用いた半導体装置の例として、例えば特開平４−346250号には、配線基板に設けたキャビティ内に半導体素子をフェースダウンで導体バンプを介して配線基板に搭載し、熱伝導率の高い樹脂で半導体素子裏面およびキャビティ内壁を封止することにより配線基板全体に放熱させることが提案されている。さらに、放熱フィンを上部に取り付けることで半導体素子の放熱性を高めている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−346250号に提案された上記のような構成においては、半導体素子の発熱を熱伝導率の高い樹脂を介して配線基板全体に伝達させ、また放熱フィンを上部に取り付ける構成となっているが、この熱伝導率の高い樹脂では、金属放熱部材に比べ十分な放熱効果を得ることが困難であるという問題点があった。
【００１２】
さらに、配線基板全体へ放熱させることは、配線基板の放熱容量が小型化に伴い小さくなるために、逆に熱を配線基板との間に閉じ込めてしまうことになり、良好な放熱効果を得ることが困難であるという問題点をもたらすこととなった。
【００１３】
さらには、配線基板自身が高温にさらされ、これに他の電子部品等が搭載された場合等は、それら電子部品の電気特性の劣化を招いたり、接続信頼性に悪影響を及ぼすこととなるという問題点があった。
【００１４】
さらに、放熱フィンを取り付ける場合には、それにより半導体装置そのものが大型化してしまい、半導体装置の重要な要求特性である低背化・小型化を満足することができなくなってしまうという問題点もあった。
【００１５】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子による発熱を良好に放散させ、半導体素子の発熱により半導体素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高信頼性・高性能であり、さらに低背で小型な半導体装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、下面に凹部が形成されている第１の配線基板と、前記凹部の底面に設けられている電極に導体バンプを介して接合して搭載実装されている半導体素子と、前記凹部の底面および前記半導体素子の間に充填されている絶縁性樹脂と、前記半導体素子の上面および側面を覆うように前記凹部の内に充填されている金属粉末と、前記凹部の開口と対向しており、前記金属粉末の前記凹部の開口に露出している部位にろう材を介して接合されている放熱用導体部を有する第２の配線基板と、を備えている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置によれば、第１の配線基板の下面に形成された凹部の底面に半導体素子を互いの表面の電極同士を対向させて導体バンプにより接合して搭載実装し、凹部の底面と半導体素子との間に絶縁性樹脂を充填するとともに凹部内に半導体素子を覆うように金属粉末を充填し、かつこの金属粉末の凹部の開口に露出した部位を第２の配線基板上の放熱用導体部にろう材を介して接合したことから、第１の配線基板の凹部内に収容された半導体素子の発熱は、その一部を絶縁性樹脂を介して凹部の底面から第１の配線基板へ伝えるとともに、その大部分を半導体素子を覆う金属粉末を介してマザーボード等の外部電気回路基板として利用できる第２の配線基板へ極めて効率よく伝えて放散させることができ、従来の半導体装置のように凹部内の半導体素子を覆った熱伝導率の高い樹脂を介して配線基板全体や放熱フィンに放熱させる場合と比較して良好に放熱させることができる。
【００１９】
その結果、発熱による半導体素子の温度上昇をジャンクション破壊温度以下に抑えることができ、半導体素子の発熱による半導体素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高信頼性・高性能な半導体装置となる。
【００２０】
さらに、半導体素子が凹部内に収容された第１の配線基板の凹部の開口周辺の部位とこれに対向する第２の配線基板の上面との間に高熱伝導性樹脂を充填したことにより、第１の配線基板に残留する熱も高熱伝導性樹脂を介して第２の配線基板に放熱させることが可能となり発熱に対する信頼性をより高めることができ、さらに、半導体装置を構成する第１の配線基板と第２の配線基板との機械的接続信頼性の向上も同時に行なうことができる。
【００２１】
これにより、従来の半導体装置のように配線基板全体へ放熱させることによる、同一配線基板上に搭載される他の電子部品への熱的悪影響を効果的に回避でき、半導体素子の発熱を第２の配線基板から良好に放熱させることが可能となる。
【００２２】
以下、本発明の半導体装置について図面に基づいて具体例を中心に詳細に説明する。図１は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００２３】
図１において、半導体装置１を構成する第１の配線基板２は、絶縁基板の表面および内部に所定の配線導体（図示せず）が形成されるともにその下面に半導体素子４が搭載される凹部２ａを有している。半導体素子４は、半導体素子４の表面の電極（図示せず）は導体バンプ３を介して凹部２ａの底面の対向する部位に形成された電極（図示せず）に接合され電気的に接続されることによって、第１の配線基板２の凹部２ａ内に搭載実装される。
【００２４】
ここで導体バンプ３には金や半田あるいは熱硬化型銀ペースト等を用いることができる。例えば金を用いる場合には、超音波熱圧着法により第１の配線基板２の凹部２ａ底面の電極と半導体素子４の電極とを接合して電気的に接続させることが可能となる。
【００２５】
このように第１の配線基板２の凹部２ａの底面に半導体素子４が導体バンプ３を介して搭載実装されていることから、凹部２ａの底面と半導体素子４との対向する表面間には所定の空間が形成されている。この空間に対し、半導体素子４が搭載された後に、第１の配線基板２の電気配線および電極部、半導体素子４との接続部や半導体素子４の素子面等を完全に絶縁保護し、半導体素子4による発熱の一部を放熱させる目的で、凹部２ａの底面と半導体素子４との間に絶縁性樹脂５を注入充填し硬化させる。
【００２６】
ここで、絶縁性樹脂５は熱硬化可能な樹脂成分と所望の熱膨張率や熱伝導性を持たせるための絶縁性フィラーとから成る。樹脂成分としては、例えばエポキシ系熱硬化性樹脂やポリイミド系熱可塑性樹脂・ビスマレイド系熱硬化性樹脂等を用いることができる。またフィラー成分としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）・炭化珪素（ＳｉＣ）・酸化ベリリウム（ＢｅＯ）・ダイヤモンド等の熱伝導率の高い金属酸化物・金属窒化物等の粉末を用いることができる。
【００２７】
次に、第１の配線基板２の凹部２ａ内に、搭載実装された半導体素子４を覆うように、半導体素子４の発熱を放散させるための伝熱部材としての金属粉末６、例えば金属フィラーを主成分とする導電性ペースト等を充填する。この金属粉末６には、熱伝導率の高い金属、具体的には金・銀・銅・アルミニウム等の単体やそれらの合金・金属炭化物・金属窒化物等の粉末を用いる。その形状は、粉末同士の接触面積を大きくとれる鱗片状粉末や多面体状粉末等の形状が好ましい。また、金属粉末６としてはこれらの金属粉末を含む導電性ペーストを用いることもでき、このようなペーストを用いれば、ディスペンサ等を利用して、第１の配線基板２の凹部２ａ内の空間に半導体素子４を覆うように充填する作業が容易となる。
【００２８】
金属粉末６として用いる導電性ペーストは、通常は熱硬化可能な樹脂成分と金属フィラーとから成る。樹脂成分としては例えばエポキシ系熱硬化性樹脂やポリイミド系熱可塑性樹脂・ビスマレイド系熱硬化性樹脂等を用いることができる。
また、金属フィラーとしては、例えば銀あるいは銀を主成分とする合金から成る鱗片状粉末や多面体状粉末等の、粉末同士の接触面積を大きくとれる形状のものを用いることが好ましい。なお、金属フィラーの配合比率は80％以上程度のものが好ましく、80％を大きく下回ると金属フィラー同士の接触面積が樹脂成分によって阻害されて減少するため、半導体素子４の発熱を放散させるための伝熱部材としての十分な機能が得られなくなる傾向がある。
【００２９】
次に、第１の配線基板２の凹部２ａの開口に露出した部位の金属粉末６と、この第１の配線基板２が搭載され、マザーボード等の外部電気回路基板としても使用できる、絶縁基板の表面および内部に所定の配線導体（図示せず）が形成された第２の配線基板７上の配線電極等を利用した放熱用導体部（図示せず）とをろう材８を介して接合する。これにより、本発明の半導体装置１が構成される。
【００３０】
ここで、ろう材８としては一般的な金属化合物を用いることができ、例えば錫／鉛や錫／銀／銅等の半田等を用いることができる。
【００３１】
また、９は第１の配線基板２の凹部２ａの開口周辺に位置する所定の配線導体とこれに対応する第２の配線基板７上面の配線導体とを電気的に接続するとともに第１の配線基板２を第２の配線基板７上に搭載実装するための導体バンプであり、第１の配線基板２と半導体素子４とを接合する導体バンプ３と同様のものからなる。なお、第１の配線基板２と第２の配線基板７との電気的な接続は、この導体バンプ９とともに、あるいは導体バンプ９に代えて、ボンディングワイヤを介して行なってもよい。
【００３２】
このように、本発明の半導体装置１においては、第１の配線基板２の凹部２ａの底面に半導体素子４を導体バンプ３により接合して搭載実装し、凹部２ａの底面と半導体素子４との間に絶縁性樹脂５を充填するとともに凹部２ａ内に半導体素子４を覆うように金属粉末６を充填し、かつ金属粉末６の凹部２ａの開口に露出した部位を第２の配線基板７上の放熱用導体部にろう材８を介して接合したことから、半導体素子４の発熱の一部を絶縁性樹脂５を介して第１の配線基板２に伝えるとともに、金属粉末６を介して半導体素子４の発熱の大部分を極めて効率よく第２の配線基板７へと伝えて放散させることができ、従来の半導体装置のように熱伝導率の高い樹脂を介して放熱させる場合と比較して半導体素子４からの熱を良好に放熱させることができる。
【００３３】
その結果、このような本発明の半導体装置１によれば、発熱による半導体素子４の温度上昇をジャンクション破壊温度以下に抑えることができ、半導体素子４の発熱による半導体素子４自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高信頼性・高性能な半導体装置１となる。
【００３４】
さらに、本発明の半導体装置１においては、第１の配線基板２の凹部２ａの開口周辺の部位と、これに対向する第２の配線基板７の上面との間の空間部分に、高熱伝導性樹脂10を注入充填し硬化させるとよい。
【００３５】
このように第１の配線基板２と第２の配線基板７との間に高熱伝導性樹脂10を充填することにより、半導体素子４による発熱のうち第１の配線基板２に残留した熱を高熱伝導性樹脂10を介して第２の配線基板７へと効率よく放散させることが可能となり、さらに、半導体装置１を構成する第１の配線基板２と第２の配線基板７との機械的接続信頼性の向上も同時に図ることができる。その結果、従来の半導体装置のように配線基板全体へ放熱させることによる、同一配線基板上の他の電子部品への熱的悪影響を回避でき、半導体素子４からの熱を第２の配線基板７を通してさらに良好に放熱させることが可能となる。
【００３６】
このような高熱伝導性樹脂10としては、熱硬化可能な樹脂成分と所望の熱膨張率や熱伝導性を持たせるための絶縁性フィラーとから成り、樹脂成分としては例えばエポキシ系熱硬化性樹脂やポリイミド系熱可塑性樹脂・ビスマレイド系熱硬化性樹脂等を用いることができる。またフィラー成分としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）・炭化珪素（ＳｉＣ）・酸化ベリリウム（ＢｅＯ）・ダイヤモンド等の熱伝導率の高い金属酸化物・金属窒化物等の粉末を用いることができる。また、その熱伝導率としては、配線基板の熱伝導率以上とすることが望ましい。
【００３７】
例えば、配線基板にガラスセラミックスを用いた場合、一般的にガラスセラミックスの熱伝導率は３〜５Ｗ／ｍ・Ｋであり、これに使用可能な高熱伝導性樹脂としては熱伝導率が８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましく、それに用いられるフィラー成分としては酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を用いることができる。酸化アルミニウムは安価であり、高熱伝導性樹脂10の低コスト化および半導体装置１としての低コスト化が可能となる。この酸化アルミニウムを用いる場合、フィラー成分配合量としては65ｗｔ％以上とすることが好ましく、65ｗｔ％以上添加することにより、フィラー成分が熱伝達経路を構成することが可能となり、第１の配線基板２に蓄積された熱を第２の配線基板７へ極めて効率よく伝えて放散させることができる。これに対し、フィラー成分が65ｗｔ％を大きく下回ると、フィラー成分が熱伝達経路を構成することが困難となり、良好な放熱性を得ることができなくなる傾向がある。
【００３８】
また、例えば配線基板材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合であれば、高熱伝導性樹脂10としては、フィラー成分に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。
【００３９】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置によれば、第１の配線基板の下面に形成された凹部の底面に半導体素子を互いの表面の電極同士を対向させて導体バンプにより接合して搭載実装し、凹部の底面と半導体素子との間に絶縁性樹脂を充填するとともに凹部内に半導体素子を覆うように金属粉末を充填し、かつこの金属粉末の凹部の開口に露出した部位を第２の配線基板上の放熱用導体部にろう材を介して接合したことから、第１の配線基板の凹部内に収容された半導体素子の発熱は、その一部を絶縁性樹脂を介して凹部の底面から第１の配線基板へ伝えるとともに、その大部分を半導体素子を覆う金属粉末を介してマザーボード等の外部電気回路基板として利用できる第２の配線基板へ極めて効率よく伝えて放散させることができ、従来の半導体装置のように凹部内の半導体素子を覆った熱伝導率の高い樹脂を介して配線基板全体や放熱フィンに放熱させる場合と比較して良好に放熱させることができる。
【００４１】
その結果、発熱による半導体素子の温度上昇をジャンクション破壊温度以下に抑えることができ、半導体素子の発熱による半導体素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高信頼性・高性能な半導体装置となる。
【００４２】
さらに、第１の配線基板の凹部の開口周辺の部位とこれに対向する第２の配線基板の上面との間に高熱伝導性樹脂を充填したことにより、第１の配線基板に残留する熱も高熱伝導性樹脂を介して第２の配線基板に放熱させることが可能となり発熱に対する信頼性をより高めることができ、さらに、半導体装置を構成する第１の配線基板と第２の配線基板との機械的接続信頼性の向上も同時に行なうことができる。
【００４３】
これにより、従来の半導体装置のように配線基板全体へ放熱させることによる、同一配線基板上に搭載される他の電子部品への熱的悪影響を効果的に回避でき、半導体素子の発熱を第２の配線基板から良好に放熱させることが可能となる。
【００４４】
また、従来の半導体装置のような放熱フィンを不要とすることができるため、低背化・小型化を図ることもできる。
【００４５】
以上により、本発明によれば、半導体素子による発熱を良好に放散させ、半導体素子の発熱により半導体素子自身の信頼性や電気特性を劣化させることがなく、高信頼性・高性能であり、さらに低背で小型な半導体装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・半導体装置
２・・・第１の配線基板
２ａ・・・凹部
３・・・導体バンプ
４・・・半導体素子
５・・・絶縁性樹脂
６・・・金属粉末
７・・・第２の配線基板
８・・・ろう材
10・・・高熱伝導性樹脂
【図１】
0004544724.tif 000002