JP2012015225A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高発熱ＩＣを使った半導体パッケージの小型化、高集積化、低熱抵抗化を図る。
【解決手段】 配線付部材１と、配線付部材１にワイヤボンディング接続によって搭載された下チップ２ｂと、上チップ２ａと、チップの発熱をパッケージ外部環境に効率的に放出させるための放熱板３と、放熱板を露出させた状態で一括封止する封止樹脂４とからなり、放熱板と上チップ間、半導体チップ間、及び半導体チップと配線付部品間の接着層を、シート状接着剤を硬化して形成する。
【選択図】 図１Ｂ

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体装置の低熱抵抗化、小型化、高集積化、低価格化に有効な技術に関する。

半導体装置の高機能化、高集積化に有効な技術として、ＳＩＰ(Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ)がある。ＳＩＰの中で、半導体チップを積層する実装技術（チップスタックドパッケージ）が有り、この構造は、チップの高集積化ができるため、多方面に活用されている（たとえば、非特許文献１参照）。

佐藤俊彦、「ＳｉＰ実装技術(<特集>ＳｉＰ実装における最新技術と将来像)」、エレクトロニクス実装学会誌、２００４年６月、Ｖｏｌ.７、Ｎｏ.２、ｐ.１１１−１１５

非特許文献１に記載されるように半導体チップを平面方向に並べた場合、半導体チップを積層したパッケージと比較して、半導体チップから外部への放熱が容易となり、低熱抵抗化を達成できる。しかし、半導体チップを平面に二次元的に配置するためには、実装面積は半導体チップサイズの合計に依存し、半導体チップを積層した場合よりも実装面積が大きくなり、小型化、高集積化を達成することができない。

また、非特許文献１に記載されるように半導体チップを立体的に積層する場合（チップスタックドパッケージ）は、実装面積を半導体チップサイズの合計よりも小さくすることができるため、半導体チップを平面方向に並べた場合に比べて、小型化、高集積化が図ることができる。しかし、半導体チップを積層させるため、パッケージの単位面積当たりの発熱量が増加、パッケージ外部への放熱が困難である。

このように、従来のＳＩＰには、半導体パッケージとして必要な低熱抵抗化、小型化、高集積化を全て達成する構造が存在せず、電子装置の高機能化と小型化に制約が有った。

また、本願に先立って本発明者らは、液状型接着剤を用いて半導体チップを立体的に積層することを検討した。しかしながら、液状型接着剤は液状であるために、半導体チップ搭載時の接着層の厚さの制御が半導体チップの搭載荷重に依存してしまう。そのため、厚さバラツキが生じやすく、接着層の厚さの制御が困難となり、放熱制御、さらには薄型化に伴う低熱抵抗化、小型化が困難であった。

このような事情に鑑み、本発明の目的は、半導体パッケージとして必要な低熱抵抗化、小型化、高集積化を達成する構造を提供し、電子機器の高機能化と小型化に寄与することにある。

また、本発明の他の目的は、半導体装置の低価格化を図ることができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

積層される複数の半導体チップと、最上段の半導体チップの素子形成面に搭載される放熱板と、複数の半導体チップを封止する封止樹脂と、を有する半導体装置である。放熱板は封止樹脂の表面に露出しており、複数の半導体チップ、及び、最上段の半導体チップと放熱板は、接着層を介して積層され、接着層は、シート状接着剤を硬化して形成される。

本発明によれば、半導体パッケージの小型化と低熱抵抗化、さらには放熱のコントロールを図ることができる。

実施例１の半導体装置の平面図の例である。 実施例１の半導体装置の断面図の例である。 放熱板と半導体チップ、半導体チップと半導体チップ、半導体チップと配線付部材の接着部の拡大断面図の例である。 図２で、シート状接着剤の厚さを変えた場合の半導体装置の断面図の例である。 図２で、放熱板の厚さを半導体チップの厚さより薄くした場合の半導体装置の断面図の例である。 図２で、シート状接着剤の厚さを変え、さらに放熱板の厚さを半導体チップの厚さより薄くした場合の半導体装置の断面図の例である。 放熱板の側面に段差を設けた場合の例である。 図６の変形例を示す図の例である。 配線付部材が配線基板である場合を示す平面図の例である。 配線付部材が配線基板である場合を示す断面図の例である。 実施例１の半導体装置の製造方法における部材準備工程の例である。 実施例１の半導体装置の製造方法におけるチップ積層工程の例である。 実施例１の半導体装置の製造方法におけるワイヤボンディング工程の例である。 実施例１の半導体装置の製造方法における樹脂封止工程の例である。 放熱板表面に窪み加工を施した平面図の例である。 放熱板表面に窪み加工を施した断面図の例である。 放熱板の窪み加工部の拡大図の例である。 半導体装置上面に、熱伝導接着樹脂で熱拡散板を取り付けた状態を示す平面図の例である。 半導体装置上面に、熱伝導接着樹脂で熱拡散板を取り付けた状態を示す断面図の例である。 実施例２のシングルチップパッケージ構造の平面図の例である。 実施例２のシングルチップパッケージ構造の断面図の例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

なお、以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップなどを含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合などを除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは前記数値及び範囲についても同様である。

また、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１Ａは、本発明の実施例１である半導体装置の平面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ’断面を示す断面図である。図１Ａに示すように、放熱板３は封止樹脂４の表面に露出している。また、図１Ｂに示すように、配線付部材１と、配線付部材１にボンディングワイヤ５によって接続されて搭載された半導体チップ２（下チップ２ｂと上チップ２ａ）と、上チップ２ａの素子形成面に搭載されチップの発熱をパッケージ外部環境に効率的に放出させるための放熱板３と、放熱板３を露出させた状態で半導体チップを一括封止する封止樹脂４と、シート状接着剤６からなる。シート状接着剤６は、放熱板と上チップ間のシート状接着剤６ａと、半導体チップ間のシート状接着剤６ｂと、半導体チップと配線付部品間のシート状接着剤６ｃからなる。

放熱板３の材料としては、例えばシリコンやアルミナなどのセラミック、銅などの金属が挙げられる。

ここで、シート状接着剤はシート製造時の厚さとほぼ同じ接着剤厚さで半導体チップの搭載が可能であるのに対して、液状型接着剤は液状であるためにチップ搭載時の接着層厚さの制御はチップ搭載荷重に依存する。このため、液状型接着剤は、シート状接着剤に比べて厚さバラツキを生じやすく、接着層の厚さの制御が困難である。

そこで、本実施例では、放熱板３を封止樹脂４の表面に露出させ、かつ、放熱板と上チップ間の接着層、半導体チップ間の接着層、半導体チップと配線付部品間の接着層がシート状接着剤を硬化して形成されることを特徴とする。

これにより、液状型接着剤を用いた構造と比べ、接着層の厚さを制御することが可能になり放熱の制御が可能となる。さらには、接着層の薄型化を図ることができ、半導体パッケージの低熱抵抗化、小型化を図ることができる。また、封止樹脂の表面に露出させた放熱板を設けることにより、半導体パッケージの低熱抵抗化を図ることができる。

図２は、放熱板３と上チップ２ａ、上チップ２ａと下チップ２ｂ、下チップ２ｂと配線付部材１の接着部構造を説明するための拡大断面図である。

また、図２において、放熱板と上チップ間のシート状接着剤６ａ、半導体チップ間のシート状接着剤６ｂ、半導体チップと配線付部材間のシート状接着剤６ｃの厚みは同一である。

積層した半導体チップ全ての放熱性を向上させて、半導体パッケージの低熱抵抗化を図るためには、できるだけ薄いシート状接着剤を使用することが有効であるので、放熱板と上チップ間のシート状接着剤６ａ、半導体チップ間のシート状接着剤６ｂ、半導体チップと配線付部材間のシート状接着剤６ｃ全て同じ厚みの薄いシート状接着剤を使用することが有効である。

また、生産管理・コストの観点からも同一仕様(シート厚み)の材料に統一することが有効である。

図３は、放熱板３と上チップ２ａ、上チップ２ａと下チップ２ｂ、下チップ２ｂと配線付部材１の接着部構造を説明するための拡大断面図である。図３では、接着層の厚さを制御可能である点を利用して、上チップ２ａと下チップ２ｂの特性に応じてシート状接着剤の厚さを変えることを特徴とする。シート状接着剤６の厚さを設計することで接着層の熱抵抗を制御することができ、放熱の制御が可能となる。

例えば、上チップ２ａの発熱量が下チップ２ｂの発熱量より大きい特性を持つ半導体装置である場合、上チップ２ａと放熱板３間の熱抵抗を上チップ２ａと下チップ２ｂ間の熱抵抗より小さく設計することで、上チップ２ａが発生する熱を、放熱板３に効率的に伝導させ、さらに半導体装置外部に放熱させることが可能である。

さらに、下チップ２ｂが温度感度の高い特性を持つ半導体装置である場合、チップ内の温度勾配を少なくすることがその性能安定化のためには重要となる。このために上チップ２ａと下チップ２ｂ間は熱抵抗を大きく設計することで、下チップ２ｂへの上チップ２ａの熱影響を小さくすることが有効である。

このために、放熱板と上チップ間のシート状接着剤６ａの厚さ７ａを薄く、半導体チップ間のシート状接着剤６ｂの厚さ７ｂを厚く設計することで、上チップ２ａの効率的な放熱と、下チップ２ｂ内の温度勾配低減が可能となる。

図４は、放熱板３と上チップ２ａ、上チップ２ａと下チップ２ｂ、下チップ２ｂと配線付部材１の接着部構造を説明するための拡大断面図である。上チップ２ａと下チップ２ｂの特性に応じて、放熱板の厚さ８ａ、上チップ２ａの厚さ８ｂ、下チップ２ｂの厚さ８ｃを設計することを特徴とする。図４では、放熱板の厚さを半導体チップの厚さより薄くし、上チップの厚さを下チップの厚さより厚くしている。

例えば、上チップ２ａの発熱量が下チップ２ｂの発熱量より大きい半導体装置である場合、放熱板３の厚さ８ａを上チップ２ａの厚さ８ｂより薄く設計することで、上チップ２ａが発生する熱を、放熱板３に効率的に伝導させることが可能である。これは、パッケージの熱抵抗には、材料の熱伝導率、熱伝達面積、熱伝導材の厚みが関係するため、放熱板３の厚みが薄いほど放熱効率が高まるからである。

さらに、下チップ２ｂが温度感度の高い半導体装置である場合、上チップ２ａの厚さ８ｂを下チップ２ｂの厚さ８ｃより厚く設計することで上チップの熱が拡散し、温度感度の高い下チップ２ｂに対する上チップ２ａの熱影響を小さくすることが可能である。

図５は、図３と図４を用いて説明した特徴を組み合わせた半導体装置の断面図を示す。すなわち、放熱板３と上チップ間のシート状接着剤の厚さ７ａを薄く、半導体チップ間のシート状接着剤の厚さ７ｂを厚く、さらに、放熱板３の厚さ８ａを薄く、上チップ２ａの厚さ８ｂを厚く設計する。これにより、上チップ２ａが発生する熱を、放熱板３に効率的に伝導させ、さらに、温度感度の高い下チップ２ｂへの上チップ２ａの熱影響を小さくすることが可能である。

なお、図１Ａから図５においては、半導体チップが２個の場合を示しているが、半導体チップが３個以上の場合でも、同様の効果が得られる。

図６は、本発明の実施の形態の変形例で、図１Ｂに示す放熱板３の側面に段差３ａを設けた場合の断面図である。

放熱板３をダイシングする方法の一つに、微小なカケ発生を防止する目的でステップカットという２段階のダイシング方法がある（ダイシング刃の厚みを変えることで図６のように側面に段差ができる）。図６は、放熱板３の放熱効果を高めるために、放熱板３の面積が大きい面を、封止樹脂４から露出させたパッケージ構造である。

図７は、図６の変形例であり、段差３ａを設けて放熱板２の面積が小さい面を、封止樹脂４から露出させたパッケージ構造である。図６と比較して、パッケージ表面から露出している放熱板３の面積は小さくなり放熱性の効果は若干減少するが、放熱板３と封止樹脂４の接合表面積が増加し、半導体装置の耐久性を高めることができる。

仮にパッケージ外部から応力が加わり封止樹脂４から露出した放熱板３外周部にクラックが発生した場合、クラックは放熱板３の側面段差３ａで止まり、パッケージ内部へのクラック進展を防止することができる。

図８Ａおよび図８Ｂは、本実施例の半導体装置で使用する配線付部材１が内層配線９ａを有する配線基板９であり、さらに配線基板９の下部にマザーボードと接続用はんだボール９ｂを形成してあるＢＧＡ構造パッケージを示す平面図と断面図である。図８Ｂは、図８ＡのＡ−Ａ’断面を示す断面図である。

また、配線付部材１は、ＢＧＡ構造に限らず、はんだボールの代わりに平面電極パッドを格子状に並べたＬＧＡ構造であってもよい。

また、配線付部材１は、表層配線とその表層配線と絶縁層を介して内部に形成される接地導体層を有するものであってもよい。

また、配線付部材１は、電気的に半導体チップと外部端子間の導通がとれればFPC（Flexible Printed Circuit）やリードフレームなどのように機械的に半導体チップを保持するものでもよい。

図９Ａ〜図９Ｄは、本実施例の半導体装置の製造方法を示すフローチャートの一例で示す。図９Ａは部材準備工程を、図９Ｂはチップ積層工程を、図９Ｃはワイヤボンディング工程を、図９Ｄは樹脂封止工程を示す。

本実施例に使用するシート状接着剤は、たとえば、ダイシングテープとボンディング剤としての機能を持ちあわせたフィルム形態(ダイシングダイボンドフィルム、たとえば、日立化成工業株式会社製のＨＦ−９００)で供給される。

図９Ａに示す部材準備工程では、シリコンウエハ裏面に上記シート状フィルムを貼り付け、ウエハのダイシング後にＵＶ照射することで、半導体チップ２ａ、２ｂの裏面にシート状接着剤６ｂ、６ｃが被着した状態でピックアップすることができる。また、放熱板３の裏面にもシート状接着剤６ａが被着した状態でピックアップする。

図９Ｂに示すチップ積層工程では、配線付部材１に下チップ２ｂを仮圧着し（ａ-１）、次いで下チップの上面に上チップ２aを仮圧着し（ａ-２）、ついで上チップの上面に放熱板３を仮圧着する（ａ-３）。

図９Ｃに示すワイヤボンディング工程では、ボンディングワイヤ５にてワイヤボンディングを行い、半導体チップ２と配線付部材１間の電気接続を行う。

図９Ｄに示す樹脂封止工程では、放熱板３表面を露出させるために、封止樹脂４が放熱板３表面を覆わないように、パッケージ金型と放熱板３間に隙間がない状態にして樹脂封止を行う。このように樹脂封止を行うことにより、放熱板と上チップ間の接着層、半導体チップ間の接着層、半導体チップと配線付部品間の接着層が、シート状接着剤を硬化して形成される。これにより、接着層の厚さを制御することが可能になり放熱制御が可能にあるとともに、接着層の薄型化により半導体パッケージの低熱抵抗化、小型化を図ることができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本実施例の変形例を示す。図１０Ａは、放熱板３表面に窪み加工を施した平面図であり、図１０Ｂは、図１０ＡのＡ−Ａ’断面を示す断面図である。また、図１０Ｃは、放熱板の窪み加工部の拡大図である。

パッケージの熱抵抗には、材料の熱伝導率、熱伝達面積、熱伝導材の厚みが関係する。放熱板３の面積を増加させることができれば、放熱効率を高めることができるのだが、放熱板３サイズが大きくなるとパッケージサイズも大きくなってしまい、パッケージ小型化を図ることができなくなる。そこで、放熱板３自体のサイズはそのままにして、放熱板の表面積を増加させることが有効である。

放熱板３の表面積を増やす方法としては、放熱板の外部露出面をフィン形状またはディンプル形状に加工する方法がある。図１０Ｃに示す例では、外部露出面１０に窪み１１を加工する場合を示している。窪み１１の形成方法は、珪砂等のような非金属粒や金属粒を高速度で噴きつけるブラスト処理や、化学的なエッチング工法などの方法がある。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、本実施例の変形例を示す。図１１Ａは、半導体装置上面に、熱伝導接着樹脂で熱拡散板を取り付けた状態を示す平面図であり、図１１Ｂは、図１１ＡのＡ−Ａ’断面を示す断面図である。放熱効率を高めるためには、放熱板の表面積を増加させることが有効である。

そこで、図１Ａおよび図１Ｂの構造に、熱伝導接着剤１４を塗布して熱拡散板１３を接着させることを特徴とする。熱拡散板１３の材料としては、例えばシリコンやアルミナなどのセラミック、銅などの金属などが挙げられる。

なお、この熱拡散板１３の表面積を増やすため、フィン等の形状を採用することも可能である。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、半導体チップを積層しないシングルチップパッケージ構造の平面図と断面図である。図１２Ｂは、図１２ＡのＡ−Ａ’断面を示す断面図である。シングルチップ構造であっても放熱板３を封止樹脂４の表面に露出させ、かつ、放熱板とチップ間の接着層、半導体チップと配線付部品間の接着層がシート状接着剤を硬化して形成されることにより、半導体パッケージの放熱制御、低熱抵抗化、小型化を図ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、高発熱ＩＣを使った半導体パッケージの小型化、高集積化、低熱抵抗化に有効である。

１ 配線付部材
２ 半導体チップ
２ａ 上チップ
２ｂ 下チップ
３ 放熱板
３ａ 放熱板側面の段差
４ 封止樹脂
５ ボンディングワイヤ
６ シート状接着剤
６ａ 放熱板〜上チップ間のシート状接着剤
６ｂ 半導体チップ間のシート状接着剤
６ｃ 半導体チップ〜配線付部品間のシート状接着剤
７ａ 放熱板〜上チップ間のシート状接着剤厚さ
７ｂ 半導体チップ間のシート状接着剤厚さ
８ａ 放熱板厚さ
８ｂ 上チップ厚さ
８ｃ 下チップ厚さ
９ 配線基板
９ａ 内層配線
９ｂ はんだボール
１０ 外部露出面
１１ 窪み
１３ 熱拡散板
１４ 熱伝導接着剤

Claims (11)

1. 積層される複数の半導体チップと、
   最上段の上記半導体チップの素子形成面に搭載される放熱板と、
   上記複数の半導体チップを封止する封止樹脂と、を有し、
   上記放熱板は上記封止樹脂の表面に露出しており、
   上記複数の半導体チップ、及び、上記最上段の半導体チップと上記放熱板は、接着層を介して積層され、
   上記接着層は、シート状接着剤を硬化して形成された半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記最上段の半導体チップの発熱量が、上記最上段の半導体チップより下段の半導体チップの発熱量より大きく、かつ、
   上記放熱板と上記最上段の半導体チップ間の熱抵抗が、上記複数の半導体チップ間の熱抵抗より小さくなるように設計された半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記最上段の半導体チップの発熱量が、上記最上段の半導体チップより下段の半導体チップの発熱量より大きく、かつ、
   上記放熱板と上記最上段の半導体チップ間の接着層が、上記複数の半導体チップ間の接着層より薄い半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記放熱板がシリコンである半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記最上段の半導体チップの発熱量が、上記最上段の半導体チップより下段の半導体チップの発熱量より大きく、かつ、
   上記放熱板の厚さは、上記最上段の半導体チップの厚さより薄い半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記放熱板の側面部に段差を形成した半導体装置。
7. 請求項１に記載の半導体装置において、
   表層配線と、上記表層配線と絶縁層を介して内部に形成された接地導体層とを有する配線基板を有し、
   上記配線基板に上記複数の半導体チップ及び上記放熱板が積層される半導体装置。
8. 請求項１に記載の半導体装置において、
   ＬＧＡ構造またはＢＧＡ構造である配線基板を有し、
   上記配線基板に上記複数の半導体チップ及び上記放熱板が積層される半導体装置。
9. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記放熱板の外部露出面がフィンまたはディンプル形状に加工された半導体装置。
10. 請求項１に記載の半導体装置において、
    上記放熱板の外部露出面に放熱部品が取り付けられた半導体装置。
11. 請求項１に記載の半導体装置において、
    上記複数の半導体チップ間の接続および上記半導体チップそれぞれから配線基板への接続はワイヤボンディングである半導体装置。