(57)【要約】【課題】ヒートシンクが設置された半導体装置の冷却効率を向上させる。【解決手段】半導体装置１００は、配線基板１２０、半導体チップ１４０、封止樹脂１８０、及びヒートシンク２００を有する。配線基板１２０は、本実施形態では金属性のリードフレームである。半導体チップ１４０は、電極パッドが上を向いている状態で、配線基板１２０上に搭載されている。封止樹脂１８０は、配線基板１２０と半導体チップ１４０を封止するための樹脂である。また、ヒートシンク２００は、封止樹脂１８０の半導体チップ１４０側に設けられている。ヒートシンク２００は、ベース板部２２０と、少なくとも一つ以上のフィン２４０を備える。ベース板部２２０は、封止樹脂１８０上面とは重なっていない延出領域２０２を有し、フィン２４０は、少なくとも延出領域２０２に設置されている。【選択図】図１
2012044016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板と、
前記配線基板上に搭載された半導体チップと、
前記配線基板と前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
前記封止樹脂に設けられたヒートシンクを有し、
前記ヒートシンクは、ベース板部と、
前記ベース板部上に設けられた少なくとも一つ以上のフィンと、を備え、
前記ベース板部は前記封止樹脂上面とは重なっていない延出領域を有し、
前記フィンは少なくとも前記延出領域に設置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記フィンが配置された領域の中心から、前記封止樹脂の中心までのずれ距離Ｓと、ずれ方向における前記封止樹脂の長さＤとの比率Ｓ／Ｄが
１／２ ≦ Ｓ／Ｄ ≦ １
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】
前記ヒートシンクは、アルミニウム及び銅の少なくとも一方で構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記フィンは、板状、またはピン状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記延出領域は、前記フィンと前記フィンとの間に開口部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
配線基板上に半導体チップを搭載する工程と、
前記配線基板と前記半導体チップを封止樹脂にて封止する工程と、
前記封止樹脂上面よりも広い延出領域を有するベース板部と、前記ベース板部上の前記延出領域に設けられた少なくとも一つ以上のフィンと、を備えるヒートシンクを、
前記フィンの少なくとも一つが平面視で前記半導体チップとは重ならないように前記封止樹脂上に固定する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップの高集積化が進み、半導体チップからの発熱量が増大したため、冷却方法の一つとして、半導体パッケージ上に熱伝導率の高い金属性のヒートシンクを設けた冷却方法が採用されている。このようなヒートシンクとしては、各種ヒートシンク構造が提案されているが、その代表的なものとして、特許文献１のようなものが挙げられる。特許文献１のヒートシンクでは、曲げ翼状に成形された放熱フィンを、伝熱板の中心に向かう渦巻線上に沿って放射状に配列した構造となっている。これにより、特に半導体チップ上の中心部において螺旋状に上昇気流を促進させることが出来ると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平０６-０２９１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、半導体パッケージ上面から発生した上昇気流による放熱だけとなるため、半導体チップがより高集積化し、さらに高温に発熱した際には、冷却効果が不十分であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、配線基板と、
前記配線基板上に搭載された半導体チップと、
前記配線基板と前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
前記封止樹脂に設けられたヒートシンクを有し、
前記ヒートシンクは、ベース板部と、
前記ベース板部上に設けられた少なくとも一つ以上のフィンと、を備え、
前記ベース板部は前記封止樹脂上面とは重なっていない延出領域を有し、
前記フィンは少なくとも前記延出領域に設置されていることを特徴とする半導体装置
が提供される。
【０００６】
本発明によれば、配線基板上に半導体チップを搭載する工程と、
前記配線基板と前記半導体チップを封止樹脂にて封止する工程と、
前記封止樹脂上面よりも広い延出領域を有するベース板部と、前記ベース板部上の前記延出領域に設けられた少なくとも一つ以上のフィンと、を備えるヒートシンクを、
前記フィンの少なくとも一つが平面視で前記半導体チップとは重ならないように前記封止樹脂上に固定する工程と、
を含む半導体装置の製造方法
が提供される。
【０００７】
本発明者は、特に半導体チップ底面側からの冷却効果を得ることができるよう、半導体チップ底面に気流を生じさせることを考え、上記した発明を創出した。
本発明によれば、ヒートシンクからの上昇気流が封止樹脂の中心よりもずれることにより、半導体パッケージ周囲において気圧差が生じることで、半導体パッケージ底面と実装ボードとの間に空気の流れを発生させることが出来る。すなわち、半導体パッケージ底面からの冷却を実現することが出来る。
また、この製造方法によれば、上記効果を得ることが出来る半導体装置を容易に製造することが出来る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ヒートシンク上面からの冷却効果だけでなく、半導体パッケージ底面からの冷却効果を増すことができ、したがって、自然空冷による冷却効率を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一の実施形態の半導体装置の実施形態を示す図である。
【図２】本実施形態の半導体装置周辺における空気の流れを示した図である。
【図３】本実施形態のフィン配置領域のずれ距離Ｓを定義する図である。
【図４】本実施形態の半導体装置の熱抵抗のシミュレーション値を示した図である。
【図５】第二の実施形態の半導体装置を示した断面図である。
【図６】第三の実施形態の半導体装置を示した上面図である。
【図７】第四の実施形態の半導体装置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１１】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態の半導体装置１００の図である。（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ'断面図を示している。本実施形態の半導体装置１００は、配線基板１２０、半導体チップ１４０、封止樹脂１８０、及びヒートシンク２００を有する。配線基板１２０は、本実施形態では金属性のリードフレームである。半導体チップ１４０は、電極パッドが上を向いている状態で、配線基板１２０上に搭載されている。封止樹脂１８０は、配線基板１２０と半導体チップ１４０を封止するための樹脂である。また、ヒートシンク２００は、封止樹脂１８０の半導体チップ１４０側に設けられている。ヒートシンク２００は、ベース板部２２０と、少なくとも一つ以上のフィン２４０を備える。ベース板部２２０は、封止樹脂１８０上面とは重なっていない延出領域２０２を有し、フィン２４０は、少なくとも延出領域２０２に設置されている。以下、詳細に説明する。
【００１２】
図１（ｂ）の配線基板１２０は、一実施形態として、金属性のリードフレームを示している。
【００１３】
図１（ｂ）のように、半導体チップ１４０は、電極パッドが上を向いている状態で、配線基板１２０のダイパッド１２２上に固定されている。さらに、半導体チップ１４０上の電極パッドは、Ａｕなどのボンディングワイヤにより、配線基板１２０のインナリード１２４と電気的に接続されている。
【００１４】
半導体チップ１４０の搭載された配線基板１２０は、アウタリード１２６を除いて、封止樹脂１８０で封止されている。封止樹脂１８０は、例えば熱伝導率が０．５〜１Ｗ／ｍＫであるシリコン系樹脂などが用いられる。
【００１５】
上記のように、ヒートシンク２００は、封止樹脂１８０の半導体チップ１４０側に設けられている。本実施形態では、ヒートシンク２００は、ベース板部２２０と、複数の板状のフィン２４０を備える。ベース板部２２０は、封止樹脂１８０上面と全面で接している。また、ベース板部２２０は、封止樹脂１８０上面とは重なっていない延出領域２０２を有し、フィン２４０は、少なくとも延出領域２０２に設置されている。すなわち、フィン２４０が配置された領域は、平面視で封止樹脂１８０からずれて配置されている。
ここで、「フィン２４０が配置された領域」とは、図３のフィン配置領域２０４であり、フィン２４０が接する、延出側の端に位置するフィン２４０から半導体チップ１４０側の端に位置するフィン２４０までの領域を意味する。
【００１６】
また、ヒートシンク２００は、例えば熱伝導率が２００〜４００Ｗ／ｍＫの材料で形成される。アルミニウム及び銅の少なくとも一方で構成されていることが望ましい。
【００１７】
ベース板部２２０は、例えば、厚さ０．５〜１ｍｍである。また、フィン２４０は、例えば、板厚０．５〜１ｍｍで、高さは５〜５０ｍｍである。フィン間隔は、冷却効率を考慮して設計されるが、例えば２〜５ｍｍである。
【００１８】
次に、図１に示した半導体装置１００の製造方法について説明する。まず、個片化した半導体チップ１４０を準備する。半導体チップ１４０を、電極パッドが上を向いている状態で、配線基板１２０上に搭載する。次いで、配線基板１２０と半導体チップ１４０を封止樹脂１８０にて封止する。次いで、ヒートシンク２００を、フィン２４０の少なくとも一つが平面視で半導体チップ１４０とは重ならないように、封止樹脂１８０上に固定する。以下、詳細に説明する。
【００１９】
まず、個片化した半導体チップ１４０を準備する。次いで、半導体チップ１４０を、電極パッドが上を向いている状態で、配線基板１２０のダイパッド１２２上にシリコン系の接着剤（非表示）などを用いて固定する。さらに、Ａｕなどのボンディングワイヤにより、半導体チップ１４０上の電極パッドと、配線基板１２０のインナリード１２４とを電気的に接続する。次いで、配線基板１２０とダイパッド１２２は、所定の形でプレス加工される。
【００２０】
次に、配線基板１２０と半導体チップ１４０を、金型（非表示）に投入する。このとき、配線基板１２０のアウタリード１２６は、金型の樹脂成型部分から除かれる。次いで、金型に封止樹脂１８０を注入し、ベーク炉にて加熱することで、樹脂を硬化させる。硬化後に、金型を取り外す。
【００２１】
次に、ヒートシンク２００を、封止樹脂１８０の半導体チップ１４０側に、シリコン系の接着剤等（非表示）を用いて固定する。シリコン系の接着剤としては、例えば、熱伝導率０．２〜３Ｗ／ｍＫのものである。このとき、フィン２４０を、フィン２４０の少なくとも一つが平面視で半導体チップ１４０とは重ならないように配置する。なお、ヒートシンク２００を、封止樹脂１８０を成型する時と同時に金型内に投入して固定する方法でもかまわない。
【００２２】
その後、適宜、配線基板１２０のアウタリード１２６を、半田（非表示）などにより実装基板３００等と電気的に接続する。
【００２３】
以上により、本実施形態の半導体装置１００を容易に製造することが出来る。
【００２４】
図２は、半導体装置１００周辺における空気の流れを説明するための図である。半導体チップ１４０から生じた熱は、封止樹脂１８０を介して、ヒートシンク２００のベース板部２２０を伝搬し、フィン２４０から放出される。フィン２４０からの放熱により空気が熱せられて、フィン２４０上で上昇気流を発生させる。このとき、フィン２４０が配置された領域は封止樹脂１８０よりもずれて配置されているので、ヒートシンク２００の延出側と半導体チップ側とで、気圧差が生じる。その結果、空気の流れが、半導体パッケージ底面と実装基板３００との間に生じ、冷却効果を上げることが出来る。
【００２５】
図３は、フィン配置領域のずれ距離Ｓを定義する図である。ずれ距離Ｓとは、フィン２４０が配置された領域（フィン配置領域２０４）の中心から、封止樹脂１８０の中心までの距離を示している。また、距離Ｄとは、延出方向における封止樹脂１８０の長さを示している。
【００２６】
図４は、フィン配置領域のずれ距離Ｓに対する、半導体装置１００の熱抵抗（θｊａ）のシミュレーション値を示した図である。正方形の封止樹脂１８０の一辺の長さＤを１４ｍｍ、フィン２４０が配置された領域（フィン配置領域２０４）も正方形とし、一辺の長さＬを同じく１４ｍｍとした。ヒートシンク２００の材質は、アルミ合金（熱伝導率１３７Ｗ／ｍＫ）とした。また、ベース板部は板厚０．３ｍｍであり、フィン２４０は、板状（板厚０．８ｍｍ）、高さ５．７ｍｍのもので、等間隔に５つ配置した場合を想定している。
図４のように、Ｓ／Ｄが大きくなるにつれて、熱抵抗は小さくなる傾向がある。特に、Ｓ／Ｄ＝０．５から大きくなるにつれて、熱抵抗は顕著に下がっていく。
【００２７】
以上より、フィン２４０が配置された領域の中心から、封止樹脂１８０の中心までのずれ距離Ｓと、ずれ方向における封止樹脂１８０の長さＤとの比率Ｓ／Ｄが、
１／２  ≦  Ｓ／Ｄ  ≦  １
であることが望ましい。
【００２８】
（第二の実施形態）
図５は、第一の実施形態の配線基板１２０を変更した場合の断面図である。配線基板が、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）用のインターポーザ基板１３０である。半田ボール１３２を介して、実装基板３００と接続されている。配線基板１２０を除いて、第一の実施形態に係る半導体装置１００と同様の構成であり、同様の製造方法を用いることが出来る。
【００２９】
上記実施形態では、第一の実施形態と同様の原理により、空気が半田ボール１３２の隙間を通って流れる。したがって、半導体装置１００が、小エリアにおいて同一の冷却効果を得ることが出来る。
【００３０】
（第三の実施形態）
図６は、第一の実施形態のヒートシンクを変更した場合の上面図である。フィン２６０の形状が、ピン状のものを用いることが出来る。フィン２６０の形状を除いて、第一の実施形態に係る半導体装置１００と同様の構成であり、同様の製造方法を用いることが出来る。
【００３１】
上記実施形態では、半導体装置１００の水平方向の様々な方向から気流を生じさせることが出来、結果的に半導体装置１００周辺の気圧分布が不均一になり、半導体パッケージ底面の気流をさらに効率よく生じさせることが出来る。
【００３２】
（第四の実施形態）
図７は、第一の実施形態のヒートシンクを変更した場合の図である。（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ'断面図を示している。延出領域２０２は、フィンとフィンとの間に、貫通した開口部２８０を設けている。ベース板部２２０の形状を除いて、第一の実施形態に係る半導体装置１００と同様の構成であり、同様の製造方法を用いることが出来る。
【００３３】
上記実施形態では、半導体パッケージ底面で発生した気流を、開口部２８０から上に抜けて循環させることが出来、さらに冷却効率を向上させることが出来る。
【００３４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１００  半導体装置
１２０  配線基板
１２２  ダイパッド
１２４  インナリード
１２６  アウタリード
１３０  インターポーザ基板
１３２  半田ボール
１４０  半導体チップ
１６０  ボンディングワイヤ
１８０  封止樹脂
２００  ヒートシンク
２０２  延出領域
２０４  フィン配置領域
２２０  ベース板部
２４０  フィン
２６０  ピン状フィン
２８０  開口部
３００  実装基板
【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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