(57)【要約】【課題】小型化された半導体装置においても、効率よく放熱することが可能であり、放熱不足による劣化や故障を低減した半導体装置を提供する。【解決手段】  本発明の半導体装置は、半導体素子１０の一面が半田バンプ２０を介してプリント基板２にフリップチップ実装された半導体装置１Ａ（１）であって、前記半導体素子の他面が、弾性を有する放熱体３を介して前記半導体素子及び前記プリント基板とは異なる物体４に接触し、かつ、接触したときに前記放熱体が弾性変形した状態にあること、を特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の一面が半田バンプを介してプリント基板にフリップチップ実装された半導体装置であって、
前記半導体素子の他面が、弾性を有する放熱体を介して前記半導体素子及び前記プリント基板とは異なる物体に接触し、かつ、接触したときに前記放熱体が弾性変形した状態にあること、を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱体は、コイル状のばねであること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱体は、板状のばねであること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱体は、銅またはアルミニウムからなること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱体は、その一端側を、絶縁性接着剤を介して前記半導体素子の前記他面に固定されていること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記物体は、板状をなし、前記半導体素子よりも大きな面積を有すること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記物体は、筐体であること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記物体は、前記半導体素子のキャップであること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれか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、放熱機構を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に「ウエハレベルＣＳＰ」と呼ばれる製法では、シリコンウエハ上に絶縁層、再配線層、封止層等を形成し、半田バンプを形成する。そして最終工程において、ウエハを所定のチップ寸法に切断することでパッケージ構造を具備した半導体チップを得ることが可能となる。ウエハレベルＣＳＰの製造方法における特徴は、パッケージを構成する材料をすべてウエハの形状において加工することにある。すなわち、絶縁層、再配線層、封止樹脂層、半田バンプ等はすべてウエハをハンドリングすることで形成される。
【０００３】
ウエハレベルＣＳＰでは、完成した半導体装置は、半導体素子と同サイズという非常に小型になるという利点があるが、その反面、放熱性に問題がある。それはウエハレベルＣＳＰが、基板に面実装されること、かつ小型であることから、シリコン基板裏面からの放熱がほとんど期待できないためである。一方で、半導体素子は微細化及び駆動周波数の高速化により、単位面積あたりの発熱量は増加し続けている。その結果、半導体素子の放熱不足による劣化や故障が問題となっている。
【０００４】
これを解決する手段として、シリコン基板裏面にヒートシンクを取り付ける手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ヒートシンクでの放熱機能は、外気に対流熱伝導する表面積を増やすのみであり、また実装面積が小さいというウエハレベルＣＳＰのメリットを活かすと、ヒートシンクのサイズは、チップサイズと同サイズ以下となってしまうため、発熱量の大きな半導体装置には放熱性が十分とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６６４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、小型化された半導体装置においても、効率よく放熱することが可能であり、放熱不足による劣化や故障を低減した半導体装置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】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の半導体装置は、半導体素子の一面が半田バンプを介してプリント基板にフリップチップ実装された半導体装置であって、前記半導体素子の他面が、弾性を有する放熱体を介して前記半導体素子及び前記プリント基板とは異なる物体に接触し、かつ、接触したときに前記放熱体が弾性変形した状態にあること、を特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体装置は、請求項１において、前記放熱体は、コイル状のばねであること、を特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体装置は、請求項１において、前記放熱体は、板状のばねであること、を特徴とする。
本発明の請求項４に記載の半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記放熱体は、銅またはアルミニウムからなること、を特徴とする。
本発明の請求項５に記載の半導体装置は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記放熱体は、その一端側を、絶縁性接着剤を介して前記半導体素子の前記他面に固定されていること、を特徴とする。
本発明の請求項６に記載の半導体装置は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記物体は、板状をなし、前記半導体素子よりも大きな面積を有すること、を特徴とする。
本発明の請求項７に記載の半導体装置は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記物体は、筐体であること、を特徴とする。
本発明の請求項８に記載の半導体装置は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記物体は、前記半導体素子のキャップであること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、半導体素子の他面が、弾性を有する放熱体を介して前記半導体素子及び前記プリント基板とは異なる物体に接触しているので、半導体素子自体の小型化がさらに進んだ場合においても、放熱体自身からの放熱に加え、該物体を介して効率よく放熱することができる。また、接触したときに前記放熱体が弾性変形した状態にあるので、例えば、ねじ止めなどの固定を行わなくても、放熱体と前記半導体素子及び前記物体との接触を確実に維持することができるので、設計自由度の高い半導体装置が得られる。これにより、前記半導体素子で発生した熱を、前記放熱体を介して前記物体に効率よく伝達することができる。その結果、本発明は、小型化された半導体装置においても、効率よく放熱することが可能であり、放熱不足による劣化や故障を低減した半導体装置の提供に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の半導体装置の第一実施形態を模式的に示す断面図。
【図２】図１に示す半導体装置において、半導体素子部分を拡大して示す図。
【図３】本発明の半導体装置の第二実施形態を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の半導体装置の第三実施形態を模式的に示す断面図。
【図５】本発明の半導体装置の他の実施形態を模式的に示す断面図。
【図６】本発明の半導体装置の他の実施形態を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の半導体装置の好適な実施形態について説明する。
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の半導体装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。
本発明の半導体装置１Ａ（１）は、半導体素子１０の一面１０ａが半田バンプ２０を介してプリント基板２にフリップチップ実装された半導体装置であって、前記半導体素子１０の他面１０ｂが、弾性を有する放熱体３を介して前記半導体素子１０及び前記プリント基板２とは異なる物体４に接触し、かつ、接触したときに前記放熱体３が弾性変形した状態にあること、を特徴とする。
【００１１】
本発明では、半導体素子１０の他面１０ｂが、弾性を有する放熱体３を介して前記半導体素子１０及び前記プリント基板２とは異なる物体４に接触しているので、半導体素子１０自体の小型化がさらに進んだ場合においても、放熱体３自身からの放熱に加え、該物体４を介して効率よく放熱することができる。また、接触したときに前記放熱体３が弾性変形した状態にあるので、例えば、ねじ止めなどの固定を行わなくても、放熱体３と前記半導体素子１０及び前記物体４との接触を確実に維持することができる。これにより、前記半導体素子１０で発生した熱を、前記放熱体３を介して前記物体４に効率よく伝達することができるので、設計自由度が高い半導体装置が得られる。その結果、本発明の半導体装置１Ａ（１）は、小型化された半導体装置１Ａ（１）においても、効率よく放熱することが可能であり、放熱不足による劣化や故障が低減されたものとなる。
【００１２】
ここで図２は、図１に示す半導体装置１Ａ（１）において、半導体素子部分を拡大して示す図である。
半導体素子１０は、半導体基板１１と、その表面に形成された電極パッド１４と、半導体基板１１の表面に設けられた絶縁樹脂層１５と、この絶縁樹脂層１５の上に配された第一配線部１６と、を備えている。絶縁樹脂層１５は、電極パッド１４と整合する位置に開口部１５ａを有しており、第一配線部１６は、絶縁樹脂層１５の開口部１５ａを通して電極パッド１４と電気的に接続されている。
【００１３】
半導体基板１１は、Ｓｉの他に、ＳｉＧｅ，ＧａＡｓ等の化合物半導体からなる半導体ウエハでもよく、半導体ウエハをチップ寸法に切断（ダイシング）した半導体チップであってもよい。半導体基板１１が半導体チップである場合は、まず、半導体ウエハの上に、各種半導体素子やＩＣ等を複数組、形成した後、チップ寸法に切断することで複数の半導体チップを得ることができる。半導体基板１１の厚さは、例えば５０〜５００μｍである。
【００１４】
半導体基板１１の表面には、ＳｉＮまたはＳｉＯ２  等のパッシベーション膜（不動態化による絶縁層：不図示）が形成されている。
パッシベーション膜には、電極と整合する位置に開口部が設けられており、この開口部を通して電極パッド１４が露出されている。パッシベーション膜は、例えばＬＰ−ＣＶＤ法等により形成することができ、その膜厚は例えば０．５〜３μｍである。
【００１５】
電極パッド１４の材質としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−シリコン−銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）合金等の導電性に優れる材質が好適に用いられる。
【００１６】
絶縁樹脂層１５を構成する樹脂としては、ポリイミド、エポキシ、ポリベンゾオキサゾール等の絶縁樹脂が挙げられ。絶縁樹脂層１５の形成方法としては、液状樹脂のスピンコートやスプレーコート、フィルム状樹脂のラミネート法等が挙げられる。絶縁樹脂層１５の開口部１５ａは、例えばフォトリソグラフィ技術やスクリーン印刷を利用したパターニングなどにより形成することができる。フォトリソグラフィ技術を利用する場合には、感光性を有する絶縁樹脂が用いられる。
【００１７】
第一配線部１６は、各種金属や合金等の導電体などのうち１種あるいは２種以上を選択して用いることができる。第一配線部１６は、複数の導電体の層が積層されたものであっても良い。第一配線部１６の形成は、例えば、電解銅メッキ法等のメッキ法、スパッタリング法、蒸着法、または２つ以上の方法の組み合わせにより形成することができる。
【００１８】
また、この半導体素子１０では、第一配線部１６に設けたパッド１７の上に半田バンプ２０を設けるとともに、第一配線部１６のパッド１７以外の部分は封止樹脂層１８で覆って封止した構造にしている。封止樹脂層１８には、パッド１７と整合する位置に開口部１８ａが設けられ、半田バンプ２０は、開口部１８ａに露呈されるパッド１７を介して第一配線部１６と電気的に接続される。
【００１９】
封止樹脂層１８は、絶縁樹脂層１５を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂から構成することもでき、または異なる絶縁樹脂から構成することもできる。封止樹脂層１８を構成する絶縁樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。封止樹脂層１８の形成方法としては、液状樹脂のスピンコートやスプレーコート、フィルム状樹脂のラミネート法等が挙げられる。封止樹脂層１８の開口部１８ａは、例えばフォトリソグラフィ技術やスクリーン印刷を利用したパターニングなどにより形成することができる。フォトリソグラフィ技術を利用する場合には、感光性を有する絶縁樹脂が用いられる。
【００２０】
半田バンプ２０の形成方法としては、半田ペーストを印刷法にてパッド１７上に転写したのちリフローしてバンプ状にする方法、半田ボールをボール搭載法にてパッド１７上に載せたのちリフローしてパッド１７と融着させる方法、めっき法にて形成する方法等が挙げられる。半田バンプ２０を構成する半田としては、例えばＳｎ−Ｐｂ共晶タイプ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ―Ｂ合金等の鉛フリータイプが挙げられるが、本発明において半田の組成には特に制限はない。
【００２１】
そして本発明の半導体装置１Ａ（１）は、上述したような半導体素子１０の他面１０ｂが、弾性を有する放熱体３を介して前記半導体素子１０及び前記プリント基板２とは異なる物体４に接触し、かつ、接触したときに前記放熱体３が弾性変形した状態にある。
【００２２】
前記放熱体３は、例えばコイル状のばねとする。放熱体３をばねとすることで、放熱体３が弾性変形した状態において、例えば、ねじ止めなどの固定を行わなくても、放熱体３と前記半導体素子１０及び前記物体４との接触を確実に維持することができる。
なお、半導体素子１０が半田バンプを介してフリップチップ実装されたプリント基板２を電子機器に組み立てる際に、放熱体３の自然長を半導体装置１Ａ（１）の他面と物体４との間のスペースよりも長くする必要がある。これにより放熱体３が弾性変形した状態を維持することができる。
【００２３】
前記放熱体３を構成する材料としては、特に限定されるものではないが、半導体基板１１を構成する材料より熱伝導率の高い材料が好ましい。放熱体３を、熱伝導性に優れた材料から構成することで、放熱体３自身から効率よく放熱できることに加え、前記半導体素子１０で発生した熱を前記物体４に効率よく伝達することができる。
半導体基板１１が一般的なＳｉからなる場合、Ｓｉよりも熱伝導率の高い材料として、例えば銅またはアルミニウムが挙げられる。
【００２４】
前記放熱体３は、その一端側を、絶縁性接着剤を介して前記半導体素子１０の他面１０ｂに固定されていてもよい。これにより半導体素子１０と放熱体３との絶縁性を確保することができる。
【００２５】
前記物体４は、板状をなし、前記半導体素子１０よりも大きな面積を有することが好ましい。物体４が板状をなし、前記半導体素子１０よりも大きな面積を有することで、半導体素子１０から放熱体３を介して伝達された熱を、面積の大きな板状部から効率よく放熱することができる。
このような物体４としては、特に限定されるものではないが、例えば、半導体素子１０が半田バンプを介してフリップチップ実装されたプリント基板２が組み込まれる電子機器の筺体が挙げられる。
【００２６】
このように、本発明の半導体装置では、小型化された場合においても、放熱体３自身からの放熱に加え、半導体素子１０で発生した熱を、放熱体３を介して物体４に伝達させ、該物体４を介して効率よく放熱することが可能であり、放熱不足による劣化や故障を低減することができる。
【００２７】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の半導体装置の第二実施形態について説明する。
なお、以下に示す説明では、上述した実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。
図３は、本実施形態の半導体装置１Ｂ（１）の一構成例を模式的に示す断面図である。
【００２８】
上述した第一実施形態では、放熱体３がコイル状のばねであったが、本実施形態においては、放熱体３が板状のばねとしている。放熱体３を板状のばねとし、放熱体３を平面状に構成することで、外気に露出する面積が広くなり、放熱体３の平面部からより多く放熱させることができる。また、前記半導体素子１０で発生した熱を前記物体４に効率よく伝達することができる。
【００２９】
＜第三実施形態＞
次に、本発明の半導体装置の第三実施形態について説明する。
なお、以下に示す説明では、上述した実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。
図４は、本実施形態の半導体装置１Ｃ（１）の一構成例を模式的に示す断面図である。
【００３０】
上述した実施形態では、前記物体４が、電子機器の筺体であったが、本実施形態においては、前記物体４が、前記半導体素子１０のキャップとしている。放熱体３を電子機器の筐体に接触させるのではなく、モジュールのアルミキャップ等に接触させることでも放熱効果を上げることが可能である。
【００３１】
また、本発明の半導体装置は、上述したような実施形態の他にも様々な構成をとることができる。例えば図５に示すように、放熱体３を波型状のばねとしてもよい。また、図６に示すように、放熱体３を、弾性を有する球体としてもよい。また、放熱体３は、その全体が熱導電性の高い材料から構成されている必要はなく、少なくとも表面が熱導電性の高い材料から構成されていればよい。
【００３２】
以上、本発明の半導体装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、半導体装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ（１）  半導体装置、２  プリント基板、３  放熱体、４  物体、１０  半導体素子、２０  半田バンプ。
【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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