(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板の主面上に導体バンプを介して搭載実装され、前記主面に対して略垂直方向に貫通孔が形成された半導体素子と、該半導体素子の前記配線基板と反対側に配置され、前記半導体素子側に設けた凸部が前記貫通孔に挿入された放熱部材と、前記配線基板が搭載され、前記放熱部材が高熱伝導性接合材を介して接合される外部電気回路基板と、を具備し、前記貫通孔は前記半導体素子のチャネル部近傍に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記配線基板に前記貫通孔に対向させて基板貫通孔が形成され、該基板貫通孔にも前記凸部が挿入され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、半導体素子が配線基板に搭載されて成る半導体装置に関し、特に、半導体素子による発熱に対する放熱性を改善した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における各種の電子機器や電子装置に対しては小型化や薄型化・高機能化・低コスト化等の要求が絶えることがなく、それらの要求を実現するために、電子機器や電子装置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。
【０００３】
このような半導体装置において半導体素子を搭載するための基板となる配線基板には、例えば、酸化アルミニウム質焼結体を主成分とするセラミックス材料や窒化アルミニウム質焼結体を主成分とする高熱伝導性のセラミックス材料、あるいはガラス材料と有機材料とから成るガラスエポキシ、またはセラミック材料に比べて低温焼成が可能なガラスセラミックス等が用いられている。
【０００４】
酸化アルミニウム質焼結体を主成分とするセラミックス材料は、安定性や信頼性の高い絶縁材料であるが、約1400〜1650℃程度の高温で焼成しなければならないために配線導体の材料に高融点金属であるタングステンやモリブデン等を用いる必要があり、これら高融点金属が高比抵抗金属材料であることから、高速信号処理を行なう半導体装置には適用が困難である。
【０００５】
また、窒化アルミニウム質焼結体を主成分とする高熱伝導性のセラミックス材料は、良好な放熱性を有する点では有効であるが、一般的な民生分野の半導体装置に対しては高価であり、低コスト化を図ることが困難である。
【０００６】
また、ガラス材料と有機材料とから成るガラスエポキシは、安価であるが耐熱性が不十分であり、熱的な安定性も要求される半導体装置には不向きである。
【０００７】
これに対し、セラミックス材料に比べて低温でかつ短時間で焼成可能であるガラスセラミックスは、低コストで作製することができ、さらに配線導体の材料に低融点金属材料であるＡｕやＡｇ・Ｃｕ等の低比抵抗金属材料を使用できるため、高速信号処理を行なう半導体装置に有利である。
【０００８】
また、これらの基板は、用途によって使い分けられ、近年の高機能化に対応するために半導体素子を導体バンプを介して基板上に直接搭載実装する、いわゆるフリップチップ実装により半導体装置の小型化を実現するに際して、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いかに効率よく放熱させ、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上において重要な課題となっている。
【０００９】
このための対策としては、例えば、高熱伝導率材料からなる基板に導体バンプを介して直接に半導体素子を搭載実装する手法や、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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、発熱量が増加する傾向にある半導体素子の信頼性を確保するためには従来以上の良好な放熱性が必要とされ、さらに、小型化と低コスト化とを両立させることも必要とされることから、これに対応するために、半導体素子の実装形態として従来のワイヤー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直接に搭載実装するフェースダウン実装技術（いわゆるフリップチップ実装法）が採用されている。
【００１１】
しかしながら、この場合には、半導体素子からの発熱の伝達は熱伝導率の観点からは導体バンプが支配的となり、導体バンプ数によって放熱の能力が左右されることとなる。つまり、半導体素子に多数の導体バンプを形成することで放熱効率を向上させることができるが、形成可能な導体バンプ数はバンプ形状やバンプのピッチ、ならびにバンプ形成装置の能力により決定されることから、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。そのため、さらに半導体素子の熱放散性を高めた半導体装置の要求が強まっている。
【００１２】
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における熱放散性の改善の例として、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開示されている。また、さらに放熱フィンをこの封止した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。
【００１３】
しかしながら、このような構成においては、樹脂では金属製の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。また、半導体素子の発熱の大部分は半導体素子表面近傍のチャネル部で発生するため、上記のような構成では半導体素子を構成する半導体基板を介して樹脂に放熱させることとなり、結果的に放熱効率が悪くなってしまうという問題点もあった。また、半導体素子の発熱を回路基板全体へ放熱させることは、配線基板の小型化に伴って半導体装置の放熱容量が小さくなる傾向にあるため、逆に半導体装置内に熱を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もあった。さらには、配線基板自身が高温にさらされるため、この配線基板に搭載された他の電子部品等に電気特性の劣化や接続信頼性に悪影響を及ぼすこととなるという問題点もあった。さらに、放熱フィンを取り付けることにより半導体装置そのものが大型化してしまい、半導体装置に対する重要な要求特性である低背化・薄型化に応えることが困難となってしまうという問題点があった。
【００１４】
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・高性能であり、さらに低背で薄型・小型な半導体装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、配線基板の主面上に導体バンプを介して搭載実装され、前記主面に対して略垂直方向に貫通孔が形成された半導体素子と、この半導体素子の前記配線基板と反対側に配置され、前記半導体素子側に設けた凸部が前記貫通孔に挿入された放熱部材と、前記配線基板が搭載され、前記放熱部材が高熱伝導性接合材を介して接合される外部電気回路基板と、を具備し、前記貫通孔は前記半導体素子のチャネル部近傍に配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、前記配線基板に前記貫通孔に対向させて基板貫通孔が形成され、この基板貫通孔にも前記凸部が挿入されていることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置によれば、配線基板の主面上に導体バンプを介して搭載実装され、前記主面に対して略垂直方向に貫通孔が形成された半導体素子と、この半導体素子の配線基板と反対側に配置され、半導体素子側に設けた凸部が貫通孔に挿入された放熱部材とを具備することから、半導体素子表面近傍のチャネル部による発熱を半導体素子の貫通孔に挿入された放熱部材に、この貫通孔および凸部によって効率よく伝達させることができる。
【００１８】
さらに、このような凸部を有する放熱部材を、この凸部を半導体素子の貫通孔に挿入するとともに平板状部を半導体素子の裏面（配線基板と反対側の面）側に配置して取着することにより、従来のように平板状部のみが熱伝導率の高い樹脂等を介して半導体素子に取着される場合と比較して、半導体素子の発熱をより効率良く良好に放熱させることができる。その結果、半導体素子の温度をそのジャンクション破壊温度以下に安定に維持することができ、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い、高信頼性・高性能な半導体装置となる。
【００１９】
また、本発明の半導体装置によれば、上記構成において、配線基板に半導体素子の貫通孔に対向させた基板貫通孔が形成され、この基板貫通孔にも凸部が挿入されていることから、半導体素子の発熱を配線基板にも良好に放熱させることができ、半導体素子をより安定して動作させることができる半導体装置となる。
【００２０】
これにより、放熱フィンを特に必要とせず低背化が可能であり、その結果、半導体素子をそのジャンクション破壊温度以下に維持することができ、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、さらに低背で小型な半導体装置を提供することができる。
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の半導体装置を詳細に説明する。
【００２２】
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。図１において、半導体装置１は半導体素子４を搭載実装していわゆるキャビティダウンの形態でマザーボード９に搭載されている。半導体装置１を構成する配線基板２はその主面上、図１においては下面に半導体素子４が搭載される凹部７を有しており、半導体素子４は、配線基板２の凹部７の底面に形成された配線導体や電極パッド等で形成された電極部（図示せず）に、金属等から成る導体バンプ３を介して電気的に接続されて搭載実装される。また、半導体素子４の配線基板２と反対側、図１においては下面側には、放熱部材５が、例えばその平板状部５ｂで凹部７を塞いで凹部７内に半導体素子４を気密に封止するように配置されて、ろう材６等により半導体素子４および配線基板２に取着されている。そして、半導体装置１は配線基板２の例えば下面側の外周部に形成された電極部（図示せず）が導体バンプ８を介してマザーボード９の配線に電気的に接続されるとともに、放熱部材５が半田等の金属ろう材のような高熱伝導性接合材11を介してマザーボード９に接合されて半導体素子４の発熱に対する放熱経路が形成されている。
【００２３】
ここで、導体バンプ３には金や半田、あるいは熱硬化型Ａｇペースト等を用いることができ、例えば金を用いる場合であれば、超音波熱圧着法により半導体素子４の端子電極および配線基板２の電極部に電気的に接続させる。
【００２４】
なお、半導体素子４を搭載した後に、配線基板２との接続部や半導体素子４の素子面を保護する目的で、通常はアンダーフィル10が注入される。このアンダーフィル10には、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、アンダーフィル10の樹脂中には、熱膨張係数の調整や熱伝導性の向上を目的として各種のフィラーが添加される。
【００２５】
そして、本発明の半導体装置１においては、半導体素子４には、配線基板２の主面に対して略垂直に、すなわち半導体素子４の主面間を上下に貫通するように、貫通孔４ａが形成されている。そして、この貫通孔４ａには、放熱部材５の半導体素子４側に設けた凸部５ａが挿入されている。
【００２６】
この半導体素子４の貫通孔４ａは、半導体素子４の機能に影響を与えず、かつ半導体素子４内の発熱部にできるだけ近い部位に形成される。また、半導体素子４の貫通孔４ａの内壁および貫通孔４ａに連なる半導体素子４の裏面および表面に接地電極（図示せず）を設け、これを放熱部材５の凸部５ａを介して電気的に接地することにより、半導体素子４の電気的安定性も確保することができる。なお、貫通孔４ａとしては通常は加工しやすい円形状断面のものが形成されるが、矩形状断面等の他の形状に加工しても構わない。
【００２７】
また、放熱部材５には、半導体装置の放熱部材として一般に用いられる材料、例えば銅やアルミ等の熱伝導率の高い金属または合金等を用いることができる。放熱部材５は、半導体素子４に対して配線基板２と反対側に配置され、ろう材６等により取着される平板状部５ｂと、半導体素子４の貫通孔４ａ中に挿入されて半導体素子４の発熱を効率よく平板状部５ｂに伝達させ放熱させるための凸部５ａとから成る。このような放熱部材５によれば、半導体素子４の発熱部からの発熱はその近傍の貫通孔４ａに挿入された凸部５ａから、また半導体素子４の表面近傍のチャネル部による発熱は平板状部５ｂから効率よく伝達・放散させて極めて高効率に放熱させることが可能となる。この凹部５ａおよび平板状部５ｂの寸法や形状等は、半導体素子４による発熱量に見合った放熱部材５の断面積を確保するために断面熱流速を算出して設定するとよく、これにより極めて効率の良い放熱が可能となる。
【００２８】
放熱部材５の平版状部５ｂは、半導体素子４裏面（配線基板２と反対側の面）の一部または全部を覆うようなものとして形成される。また、配線基板２の凹部７の開口を塞ぐような平板状部５ｂとすることで、放熱部材５により半導体素子４の気密封止も行なうことができ、一層の信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００２９】
なお、半導体素子４の貫通孔４ａおよび放熱部材５の凸部５ａは、図３に分解斜視図で示すようにそれぞれ１個ずつ用いて組み合わせるだけでなく、図４に同じく分解斜視図で示すように貫通孔４ａおよび放熱部材５ａをそれぞれ複数個用いてもよい。このようにして、半導体素子４の発熱部に対応させて所望の位置および大きさに形成することで、更なる放熱性の向上を図ることができる。
【００３０】
さらに、放熱部材５の平板状部５ｂを、本発明の半導体装置１が搭載される外部電気回路基板としてのマザーボード９の電極部（図示せず）に半田等のろう材11あるいは伝熱性接着剤等を用いて接合させることにより、半導体素子４の発熱を放熱部材５の平板状部５ｂからマザーボード９へと極めて効率良く伝達させることができるものになる。これにより、半導体素子４の発熱は、凸部５ａおよび平板状部５ｂから成る熱伝導率の高い放熱部材５を介してマザーボード９へと効率良く伝えられるため、発熱により半導体素子４自身の信頼性や電気特性を劣化させることなく、また配線基板２自身が高温となることにより、他の電子部品等が搭載された場合にそれらに電気特性の劣化を生じさせたり接続信頼性への悪影響を及ぼすことなく、高信頼性でしかもより一層の小型化が可能な半導体装置１を提供することができる。
【００３１】
次に、図２に本発明の半導体装置の実施の形態の他の例の断面図を示す。図２において図１と同様の箇所には同じ符号を付してあり、この例においては、半導体装置１は配線基板２の上面に半導体素子４が搭載実装され、その上側に放熱部材５が配置されており、これらがマザーボード９の上面に搭載されている。半導体装置１を構成する基板となる配線基板２には半導体素子４が導体バンプ３を介して配線基板２に形成された電極部（図示せず）に電気的に接続される。また、半導体素子４が搭載された後に、接続部や半導体素子４の素子面を保護する目的でアンダーフィル10が注入される。
【００３２】
半導体素子４には貫通孔４ａが形成されており放熱部材５の凸部５ａが挿入される。この例では、さらに配線基板２に半導体素子４の貫通孔４ａに対向させて基板貫通孔２ａが形成され、放熱部材５の凸部５ａは半導体素子４の貫通孔４ａを貫いてこの基板貫通孔２ａにも挿入されている。ここでは、放熱部材５の凸部５ａの端面が配線基板２の裏面（下面）と同一平面に露出するように取り付けられており、この端面がマザーボード９の表面に形成された電極部（図示せず）に半田等のろう材11あるいは伝熱性接着剤等を用いて接合させている。これにより、半導体素子４の発熱部および表面近傍のチャネル部による発熱をいずれも放熱部材５の平板状部５ｂおよび凸部５ａから凸部５ａの先端を介して効率良くマザーボード９へと伝達させ放熱させることが可能となる。
【００３３】
このような本発明の半導体装置１によっても、半導体素子４による発熱は、熱伝導率の高い放熱部材５を介してマザーボード９へと効率良く放熱させることができるため、発熱により半導体素子４自身の信頼性や電気特性を劣化させることなく、また配線基板２自身が高温となることにより、他の電子部品等が搭載された場合にそれらに電気特性の劣化を生じさせたり接続信頼性への悪影響を及ぼすことなく、高信頼性でしかもより一層の小型化が可能な半導体装置１を提供することができる。
【００３４】
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。例えば、図１に示した例において、放熱部材５の凸部５ａの先端は、これに対向させて配線基板２に形成した穴部内に挿入して強固に取着させるようにしてもよく、配線基板２に形成した貫通孔に挿入して配線基板２の裏面（上面）側でさらに他の放熱部材に接続させるようにしてもよい。また、図２に示す例においても、配線基板２の貫通孔２ａを基板２の途中までの穴部としてそこからいわゆるサーマルビアホールや他の放熱経路を設けておき、この穴部内に放熱部材５の凸部５ａの先端を挿入して強固に取着させるとともにその放熱経路に接続させるようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置によれば、配線基板の主面上に導体バンプを介して搭載実装され、前記主面に対して略垂直方向に貫通孔が形成された半導体素子と、この半導体素子の配線基板と反対側に配置され、半導体素子側に設けた凸部が貫通孔に挿入された放熱部材とを具備することから、半導体素子表面近傍のチャネル部による発熱を半導体素子の貫通孔に挿入された放熱部材に、この貫通孔および凸部によって効率よく伝達させることができる。
【００３６】
このような凸部を有する放熱部材の凸部を半導体素子の貫通孔に挿入するとともに平板状部を半導体素子の裏面側に配置して取着することにより、半導体素子の発熱をより効率良く良好に放熱させることができるため、半導体素子の温度をそのジャンクション破壊温度以下に安定に維持することができ、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い、高信頼性・高性能な半導体装置となる。
【００３７】
また、本発明の半導体装置によれば、配線基板に半導体素子の貫通孔に対向させた基板貫通孔が形成され、この基板貫通孔にも凸部が挿入されていることから、半導体素子の発熱を配線基板にも良好に放熱させることができ、半導体素子をより安定して動作させることができる半導体装置となる。
【００３８】
これにより、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・高性能であり、さらに放熱フィンを特に必要とせず低背化が可能で薄型・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。
【図２】本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体装置に用いられる放熱部材および半導体素子の一例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の半導体装置に用いられる放熱部材および半導体素子の他の例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１・・・・半導体装置
２・・・・配線基板
２ａ・・・基板貫通孔
３・・・・導体バンプ
４・・・・半導体素子
４ａ・・・貫通孔
５・・・・放熱部材
５ａ・・・凸部
５ｂ・・・平板状部
【図１】
0004360577.tif 000002
【図２】
0004360577.tif 000003
【図３】
0004360577.tif 000004
【図４】
0004360577.tif 000005