半導体装置
【課題】本発明は、半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性の向上、熱抵抗の低減を実現する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置において、基板と、基板上に配置される半導体素子と、半導体素子上に配置される放熱部材と、基板の上部と、半導体素子と、放熱部材とを被覆する封止部材とを備え、放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいことを特徴とする。本発明に係る半導体装置によれば、封止部材内部に放熱部材を埋め込むことによって、従来の放熱部材より小さな面積の放熱部材によって半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性を向上させ、熱抵抗の低減を図ることが可能となる。
【解決手段】半導体装置において、基板と、基板上に配置される半導体素子と、半導体素子上に配置される放熱部材と、基板の上部と、半導体素子と、放熱部材とを被覆する封止部材とを備え、放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいことを特徴とする。本発明に係る半導体装置によれば、封止部材内部に放熱部材を埋め込むことによって、従来の放熱部材より小さな面積の放熱部材によって半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性を向上させ、熱抵抗の低減を図ることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体素子動作時の熱を放出する放熱部材を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置を使用する電子機器の高性能化に伴い、半導体装置の高速動作が要求され、半導体素子動作時に発生する熱量が増大している。半導体素子の温度が高くなると、半導体素子動作時に誤作動が発生して動作信頼性が低下するため、半導体素子動作時に発生する熱を放出する手段が必要となる。
【０００３】
図１に放熱部材を搭載しない従来の半導体装置の断面図を示す。
【０００４】
従来の半導体装置１０は、基板１上に接着剤２を介して半導体素子３が搭載されており、半導体素子３は基板１とＡｕまたはＣｕ等を材料とするボンディングワイヤ４で接続されている。その半導体素子３はエポキシなどを主原料とする封止部材５により周囲を封止されている。このような半導体装置１０において、半導体素子３が動作する際に発生する熱は半導体素子３上の封止部材５に熱伝導し、封止部材５の表面から大気へ熱伝達するという経路で放熱される。
【０００５】
また、図２又は図３に示すように、半導体装置２０、３０の放熱性を上げるために、封止部材５の表面に金属等からなる放熱部材７、３１を搭載し、封止部材５の熱伝導率を３［Ｗ／ｍＫ］程度に上げることによって放熱性を向上させる方法もある。このような放熱部材を有する半導体装置には、放熱部材がない半導体装置に比べて１０〜１５％程度の熱抵抗が低減されるものもある。
【０００６】
特許文献１では、半導体チップ上に導電性ペーストを介して放熱板が接着され、放熱板の縁部上面側が放熱板押え部によって保持されている例が記載されている。この例によれば、半導体チップから発生する熱は導電性ペーストを介して放熱板に伝導し、放熱板上に配置されたヒートシンク等の放熱手段から大気に熱伝達するという経路で放出される。
【０００７】
また、特許文献２では、半導体チップ上に接着剤を介してシート状の放熱板が半導体チップを覆うように配置されている例が記載されている。この例によれば、半導体チップから発生する熱は接着剤を介して放熱板に伝導し、放熱板から大気に熱伝達するという経路で放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７―３０５７６１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年の電子機器の薄型化・小型化に応じて、半導体装置上にヒートシンクを搭載しない、または搭載できない環境が多くなり、このような環境において更なる半導体素子温度の低下、つまり半導体装置の熱抵抗の低減を実現する手段が要求されている。そのような手段として、図２又は３に示す従来の半導体装置のように封止部材の表面に金属等からなる放熱部材７、３１が大気に露出するように搭載された半導体装置では、放熱部材７、３１と半導体素子３と間に数十〜数百［μ］の厚さの封止部材５が介在し、この封止部材５の熱伝導率は０．５〜３［Ｗ／ｍＫ］程度であって金属等に比べると熱伝導率が低いため、熱抵抗が大きく、半導体素子３から発生した熱は封止部材５内部で十分に拡散されない。また、従来の放熱板部材７、３１が大気に露出するように半導体装置の上部に搭載された半導体装置２０、３０においては、半導体素子３上から発生する熱が放熱部材７、３１へ到達するまでの放熱面積が限られているために、半導体装置表面から十分な放熱効果が得られない。
【００１０】
したがって、このような従来の構造では、半導体装置２０、３０表面から充分な放熱がなされず、半導体素子３の温度の低下を実現する手段としては限界がある。
【００１１】
本発明は、半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性の向上、熱抵抗の低減を実現することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施例に係る半導体装置は、基板と、基板上に配置される半導体素子と、半導体素子上に配置される放熱部材と、基板の上部と、半導体素子と、放熱部材とを被覆する封止部材とを備え、放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は１つ又は積層された複数の部材からなるものであってもよい。
【００１４】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が凹凸であってもよい。
【００１５】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が平坦であってもよい。
【００１６】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に固着されてもよい。
【００１７】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層された半導体素子上に固着されてもよい。
【００１８】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層されたスペーサ上に固着されてもよい。
【００１９】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、接着剤はグリースであってもよい。
【００２０】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、接着剤はサーマルインターフェースマテリアルであってもよい。
【００２１】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、接着剤はペーストであってもよい。
【００２２】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面が非平坦であってもよい。
【００２３】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に凹凸を有するものでもよい。
【００２４】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面にスリットを有するものでもよい。
【００２５】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に孔を有するものでもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、半導体装置において、封止部材内部に放熱部材を埋め込むことによって、従来の放熱部材より小さな面積の放熱部材によって半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性を向上させ、熱抵抗の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の放熱部材を搭載しない半導体装置を示す断面図である。
【図２】従来の放熱部材を搭載した半導体装置の一例を示す断面図である。
【図３】従来の放熱部材を搭載した半導体装置の一例を示す断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の実施形態１に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ―Ａ´線における断面図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る半導体装置の断面図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施形態４に係る半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施例に係る半導体装置において、放熱部材の一辺の長さと厚みとをそれぞれ変更して熱抵抗θｊａを解析した結果を示す図である。
【図１５】本発明の実施例に係る半導体装置の放熱部材の一辺の長さと厚みとをそれぞれ変更した場合における熱抵抗θｊｃを示す図である。
【図１６】本発明の実施例に係る半導体装置において、放熱部材の厚みと封止部材の熱伝導率とをそれぞれ変更した場合に、従来の半導体装置と同じθｊａ値を実現する半導体素子面積に対する放熱部材の面積比を示す図である。
【図１７】図１４に示す各プロットの数値を示す表である。
【図１８】図１５に示す各プロットの数値を示す表である。
【図１９】図１６に示す各プロットの数値を示す表である。
【図２０】（Ａ）は本発明の実施形態６に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、（Ｂ）は図２０（Ａ）のＢ―Ｂ´線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。
【００２９】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る半導体装置について図面を参照して説明する。
【００３０】
［半導体装置の構成］
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は実施形態１に係る半導体装置１００の概略構成を示す図である。図４（Ａ）は半導体装置１００の概略構成を示す平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示すＡ−Ａ´線から見た半導体装置１００の断面図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、半導体装置１００は、基板１０１と、基板１０１上に接着剤１０２Ｂを介して配置される半導体チップ１０３と、半導体チップ１０３の上に接着剤１０２Ａを介して配置される放熱部材１０７と、基板１０１の上部と半導体素子１０３と放熱部材１０７とを被覆する封止部材１０５とを備える。
【００３１】
実施形態１の半導体装置を製造する方法としては、まず、基板１０１に搭載された半導体素子１０３の上面に、例えばＡｇペーストなどの接着剤１０２Ａを介して、放熱部材１０７を搭載する。この接着剤１０２Ａは、Ａｇペーストに限られるものではなく、シート状のものでもよいが、できるだけ熱伝導率の高いものを用いることが好ましい。また、放熱部材１０７には、封止部材１０５の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料、例えばＣｕなどの材料を使用する。この放熱部材１０７の材料は、その他金属もしくはセラミック等を使用してもよい。このようにして製造された基板１０１上の半導体素子１０３及び放熱部材１０７を封止部材１０５で封止することによって、放熱部材１０７を封止部材１０５内部に埋め込んだ半導体装置１００を製造する。封止部材１０５は例えば樹脂からなるものでもよい。
【００３２】
図４（Ａ）に示すように、放熱部材１０７は、半導体素子１０３の発熱面（図中の上面）の面積より大きな面積を有するように形成される。図４（Ａ）では、放熱部材１０７の形状は図８に示すような正方形であるが、放熱部材１０７の形状はこれに限定するものではなく、半導体素子の発熱面より放熱部材の半導体素子が配置される面の方が大きな面積を有するものであれば他の形状に適宜変更してもよい。放熱部材の他の形状の具体例としては、例えば図９から図１３に示すように、円形、多角形等がある。
【００３３】
図４（Ｂ）に示すように、実施形態１にかかる半導体装置１００においては、放熱部材１０７の表面が半導体装置１００の表面に露出していない。放熱部材１０７は、その全体が封止部材の内部に埋め込まれており、半導体素子１０３から放熱部材１０７に伝導した熱は、直ちに大気に伝達されるのではなく、封止部材内部を熱伝導してから、半導体装置１００表面上から大気へ熱伝達するという経路で放出される。
【００３４】
従来の半導体装置１０、２０、３０は、半導体素子３上から発生する熱の放熱経路において、熱伝導率の低い封止部材５が介在するために、封止部材５内部へ十分に熱が拡散されず、また、放熱板部材７、３１を半導体装置の上部に搭載した半導体装置２０、３０においても、半導体素子３上から発生する熱が放熱部材７、３１に到達するまでの放熱面積が限られていたために、十分な放熱効果が得られなかった。しかし、本発明に係る半導体装置１００では、封止部材１０５内部に半導体素子１０３の発熱面の面積より大きな面積を有する放熱部材１０７を半導体素子１０３付近に配置することにより、半導体素子１０３から発生した熱を放熱部材１０７によって効果的に半導体素子１０３上の封止部材１０５内部に拡散させ、すなわち放熱面積を広げることによって、半導体装置１００の放熱特性を向上させることができる。
【００３５】
このように、本発明によれば、半導体素子１０３上に半導体素子１０３より大きく熱伝導率の高い放熱部材１０７を搭載することによって、半導体素子１０３から発生する熱を半導体素子１０３上の封止部材１０５に伝導すると共に、特に封止部材１０５内部の横方向にも効果的に熱を拡散させることによって、半導体素子１０３から封止部材１０５表面に至るまでの放熱面積、すなわち放熱経路を広げることができる。したがって、本発明に係る半導体装置１００は、図２又は図３に示す従来の半導体装置にみられるような、封止部材５上に放熱部材７、３１が露出している半導体装置２０、３０よりも、半導体装置の熱抵抗θｊａを低減することが可能である。
【００３６】
（実施例）
図１４から図１６に示す熱解析結果に基づき、本発明の実施例における半導体装置の放熱特性を従来の放熱部材を有する半導体装置と比較して説明する。
【００３７】
図１４は、図４に示す本発明に係る半導体装置の構造において、放熱部材１０７の１辺の長さを１０［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２７．７［ｍｍ］と変更し、又は放熱部材１０７の厚みｔを０．３［ｍｍ］、０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］と変更して、ＪＥＤＥＣ標準に基づく半導体装置熱抵抗θｊａ［ｄｅｇＣ／Ｗ］を熱流体解析ソフトを用いて解析した結果を示す図である。
【００３８】
図１４において解析対象とした本実施例と従来の半導体装置は、共に半導体装置の１辺の長さが３１［ｍｍ］、半導体素子の１辺の長さが８［ｍｍ］であり、Ｃｕからなり、図８に示す正方形の形状を有する放熱部材を使用して解析した。また、図１４に示す各プロットの数値は図１７のとおりである。ただし、図１４に示す従来例の数値は、放熱部材の厚みが０．３［ｍｍ］であり、放熱部材の１辺の長さが２７．７［ｍｍ］であり、かつ、封止部材１０５の熱伝導率が３．１Ｗ／ｍＫである場合の熱抵抗θｊａ９．３［ｄｅｇＣ／Ｗ］を示す。
【００３９】
図１４において、１辺の長さが約２７．７［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合についてみると、本発明の実施例におけるθｊａは、従来の構造における半導体装置に比べて約１４％ものθｊａが低減されている。また、従来の半導体装置において１辺の長さが約２７．７［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合のθｊａと、本発明の実施例において１辺の長さが約１５［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合のθｊａとが同等の数値であることから、本発明の実施例によれば従来の半導体装置より小さな放熱部材を使用しても従来と同等の放熱効果を得ることができることがわかる。
【００４０】
次に、図１５は、図４に示す本発明に係る半導体装置の構造において、放熱部材１０７の１辺の長さを１０［ｍｍ］、１６［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２７．７［ｍｍ］と変更し、又は放熱部材１０７の厚みｔを０．３［ｍｍ］、０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］と変更して、ＪＥＤＥＣ標準に基づく半導体装置熱抵抗θｊｃ［ｄｅｇＣ／Ｗ］を熱流体解析ソフトを用いて解析した結果を示す図である。
【００４１】
図１５において解析対象とした本実施例と従来の半導体装置は、共に半導体装置の１辺の長さが３１［ｍｍ］、半導体素子の１辺の長さが８［ｍｍ］であり、Ｃｕからなり、図８に示す正方形の形状を有する放熱部材を使用して解析した。また、図１５に示す各プロットの数値は図１８のとおりである。ただし、図１５に示す従来例の数値は、放熱部材の厚みが０．３［ｍｍ］であり、放熱部材の１辺の長さが２７．７［ｍｍ］であり、かつ、封止部材１０５の熱伝導率が３．１Ｗ／ｍＫである場合の熱抵抗θｊｃ（１．７４［ｄｅｇＣ／Ｗ］）を示す。
【００４２】
図１５に示すθｊｃの解析結果によると、１辺の長さが約２７．７［ｍｍ］の放熱部材と同じ寸法の放熱部材を本発明の半導体装置に用いた場合のθｊｃは、従来構造のθｊｃより約４２％も低下している。このことから、本発明の実施例における半導体装置に従来と同程度の大きさの放熱部材を用いた場合、従来の半導体装置に比べて大幅な熱抵抗の低減が可能であることがわかる。
【００４３】
さらに、図１６は、図４に示す本発明に係る半導体装置の構造において、樹脂からなる封止部材１０５の熱伝導率を０．６［Ｗ／ｍｋ］、１．０［Ｗ／ｍｋ］、３．１［Ｗ／ｍｋ］と変更し、又は放熱部材１０７の厚みｔを０．３［ｍｍ］、０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］と変更して、図１４に示す従来の半導体装置に１辺の長さが２７．７［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合のθｊａを満たす放熱部材の面積比を示す図である。
【００４４】
図１６において解析対象とした本実施例の半導体装置は、半導体装置の１辺の長さが３１［ｍｍ］、半導体素子の１辺の長さが８［ｍｍ］であり、Ｃｕ合金からなり、図８に示す正方形の形状を有する放熱部材を使用して解析した。また、図１６に示す各プロットの数値は図１９のとおりである。図１６の右上領域に記載された数式ｙ≧２２４．０ｘ−０．５は、本発明の実施例における放熱部材の厚み：ｙ［ｍｍ］と、放熱部材の半導体素子に対する面積比：ｘとの関係を示す数式である。同数式は、図１６に斜線で示す領域を示している。同数式のｘｙ数値を満たす半導体装置は、従来の半導体装置よりも優れた熱抵抗低減効果を有する。ただし、図１６の解析結果は本実施例の半導体装置が従来の半導体装置よりも優れた熱抵抗低減効果を示すことを表す一例にすぎない。例えば、図１６で解析対象とした本実施例の半導体装置よりも半導体装置の１辺の長さが短い半導体装置を対象として同様の解析を行った場合や、図１６で解析対象とした本実施例の半導体装置よりも熱伝導率が高い封止部材を用いた半導体装置を対象として同様の解析を行った場合には、図１６に斜線で示す領域よりも放熱部材の厚みが小さく、放熱部材の面積が小さい場合でも従来の半導体装置と同等の放熱効果を得ることができる。
【００４５】
このように、本発明の実施形態１によれば、従来の半導体装置と同じ物性の放熱部材を用いた場合でも、従来の半導体装置に比べて小さな面積の放熱部材によって従来と同等の放熱効果を得ることができる。また、本発明に係る半導体装置の表面全体は封止部材１０５で覆われているため、従来のような半導体装置表面に金属等からなる放熱部材が露出する構造に比べて、半導体装置表面からの熱の放射率及びマークの視認性を向上させ、半導体装置の外観不良発生も低減することが可能となる。
【００４６】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体装置２００について図面を参照して説明する。本発明の実施形態２は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間にスペーサ２０１が配置される例を説明するものである。
【００４７】
図５は実施形態２に係る半導体装置２００の概略構成を示す断面図である。なお、実施形態２に係る半導体装置２００は、放熱部材１０７が半導体素子１０３との間にスペーサ２０１を介して配置されることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置２００の製造方法や実施形態２における半導体装置２００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００４８】
図５に示すように、実施形態２に係る半導体装置２００は放熱部材１０７が半導体素子１０３との間にスペーサ２０１を介して配置されることを特徴とする。図５に示すように、実施形態１の半導体装置１００と同様の半導体装置構造内の半導体素子１０３上に、ボンディングワイヤ１０４の高さを確保するためにスペーサ２０１を搭載してもよい。スペーサ２０１の材料としては、例えばシリコンなどを使用してもよい。図５には半導体素子１０３と放熱部材１０７との間に接着剤１０２Ａ、１０２Ｃを介してスペーサ２０１を搭載した例を示したが、放熱部材１０７とスペーサ２０１との間を固着する接着剤１０２Ａは、半導体素子１０３と基板１０１との間を固着する接着剤１０２Ｂと同じものであってもよいし、異なる材料からなる接着剤であってもよい。
【００４９】
また、本発明の実施形態２におけるスペーサ２０１の形状は、図５に示す形状のスペーサ２０１に限られるものではない。スペーサ２０１の形状は、半導体チップ１０３と基板１０１とを接続するボンディングワイヤ１０４の高さを保持することができれば、他の形状であってもよい。その他の構成及び製造方法は実施形態１と同様である。本発明の実施形態２によれば、半導体チップ１０３と基板１０１とを接続するボンディングワイヤ１０４の高さを保持したまま、本発明の放熱部材１０７による優れた放熱特性を得ることができる。
【００５０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体装置について図面を参照して説明する。本発明の実施形態３は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間に、更に半導体素子２０３が配置される構成例を説明するものである。
【００５１】
図６は実施形態３に係る半導体装置３００の概略構成を示す図である。なお、実施形態３に係る半導体装置３００は、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間に、更に半導体素子２０３が配置されることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置３００の製造方法や実施形態３における半導体装置３００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００５２】
図６に示すように、実施形態３に係る半導体装置３００は、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間に、更に半導体素子２０３が配置されることを特徴とする。本発明に係る半導体装置に配置される半導体素子は１つに限られるものではなく、複数の半導体素子が積層されて配置されていてもよい。図６に、半導体素子２０３がチップスタック実装された本発明の実施形態３における断面構造を示す。積層された２つの半導体素子１０３と２０３とは半田バンプなどの接続端子３０１によって電気的に接続され、その接続端子の間をアンダーフィル剤と呼ばれる樹脂２０２で封止している。上段の半導体素子２０３は、実施形態１と同様に接着剤１０２Ａを介して放熱部材１０７が接続され、さらに放熱部材１０７の全体が封止部材１０５内部に埋め込まれるように封止されている。
【００５３】
図６では、上段の半導体素子２０３が下段の半導体素子１０３にチップスタック実装されている例を示したが、本発明の実施形態３に係る半導体装置の積層構造はこの例に限定されるものではない。その他の構成及び製造方法は実施形態１と同様である。
【００５４】
本発明の実施形態３によれば、複数の半導体素子を搭載した高性能な半導体装置であって、かつ、本発明の放熱部材１０７による優れた放熱特性を有する半導体装置を得ることができる。
【００５５】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る半導体装置４００について図面を参照して説明する。本発明の実施形態４は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材の構造を変えた例を説明するものである。
【００５６】
図７（Ａ）（Ｂ）は実施形態４に係る半導体装置４００の概略構成を示す図である。なお、実施形態４に係る半導体装置４００は、放熱部材１０７が複数の部材からなることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置４００の製造方法や実施形態４における半導体装置４００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００５７】
図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、実施形態４に係る半導体装置４００、５００は、放熱部材が複数の部材４０７Ａ〜Ｄ又は５０７Ａ〜Ｄからなることを特徴とする。本発明に係る半導体装置において、放熱部材は１つでなく複数の部材からなるものであってもよい。図７（Ａ）（Ｂ）は放熱部材が複数搭載されている本発明の半導体装置の断面構造を示す。複数の部材４０７Ａ〜Ｄ又は５０７Ａ〜Ｄは接着剤又はサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）など４０１Ａ〜Ｃを介して互いに接続され、放熱部材全体が封止部材１０５内部に埋め込まれるように封止されている。
【００５８】
実施形態４における複数の部材からなる放熱部材は、図７（Ａ）に示すように放熱部材の側面が凹凸を有するように積層されてもよい。また、複数の部材からなる放熱部材１０７は、図７（Ｂ）に示すように放熱部材の側面が平坦であるように積層されてもよい。その他の構成及び製造方法は実施形態１と同様である。
【００５９】
本発明の実施形態４によれば、複数の部材４０７Ａ〜Ｄ又は５０７Ａ〜Ｄを積層して所望の厚みを有する放熱部材を製造し、実施形態１と同様の効果を有する半導体装置を得ることができる。また、図７（Ａ）のように、放熱部材の側面が凹凸を有するように複数の部材の中心位置をずらして積層することによって、放熱部材１０７と封止部材１０５、との接着面積を増やし、放熱部材１０７と封止樹脂１０５との密着性を向上させることができる。
（実施形態５）
本発明の実施形態５に係る半導体装置について図面を参照して説明する。本発明の実施形態５は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材１０７の外部形状を変えた例を説明するものである。
【００６０】
図８から１３は実施形態５に係る半導体装置に配置される放熱部材１０７の外部形状の例を示す図である。なお、実施形態５に係る半導体装置は、半導体素子１０３に配置される放熱部材１０７の面が非平坦であることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置の製造方法や実施形態５における半導体装置の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００６１】
実施形態５に係る半導体装置に配置される放熱部材の外部平面の形状は、図８に示すような正方形の放熱部材７００でもよく、図９に示すような円形の放熱部材８００でもよく、図１０に示すような多角形の放熱部材９００でもよい。図１０には正六角形の形状を有する放熱部材９００を示すが、実施形態５に配置される多角形の放熱部材の形状はこれに限られるものではなく、他の多角形の形状であってもよい。
【００６２】
また、実施形態５に係る半導体装置に配置される放熱部材の外部形状は、図１１の断面図に示す放熱部材１０００のように、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面に凹凸１００１を有し、複数の小さな円形又は多角形の窪み（ディンプル）を有するものでもよく、図１２の断面図に示す放熱部材１１００のように、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面にスリット１１０１（切り込み）を有するものでもよく、あるいは図１３の平面図に示す放熱部材１２００のように、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面に孔１２０１を有するでもよい。なお、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面の凹凸１００１やスリット１１０１や孔１２０１は、一つ又は複数形成されてもよい。その他の構造及び製造方法は実施形態１と同様である。
【００６３】
本発明の実施形態５によれば、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面を非平坦にすることによって、放熱部材の非平坦面と接着剤１０２Ａとの密着性を向上させ、半導体素子１０３と放熱部材との接着性が向上した半導体装置を得ることができる。
【００６４】
なお、上記実施形態１〜５に示した放熱部材はシリコンにより形成してもよい。優れた熱伝導率を有するシリコンを放熱部材１０７の材料とすることで、本発明の放熱部材による優れた放熱特性を有する半導体装置を得ることができる。
【００６５】
（実施形態６）
本発明の実施形態６に係る半導体装置について図面を参照して説明する。本発明の実施形態６は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、複数の半導体素子１０３が並べて配置される例を説明するものである。なお、実施形態６に係る半導体装置６００は、複数の半導体素子１０３が同一基板１０１上に並べて配置されることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置６００の製造方法や実施形態６における半導体装置６００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００６６】
図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は実施形態６に係る半導体装置６００の概略構成を示す図である。図２０（Ａ）は半導体装置６００の概略構成を示す平面図、図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）に示すＢ−Ｂ´線から見た半導体装置６００の断面図である。図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）において、半導体装置６００は、基板１０１と、基板１０１上に接着剤１０２Ｂを介して並んで配置される複数の半導体チップ１０３と、半導体チップ１０３の上に接着剤１０２Ａを介して配置される放熱部材１０７と、基板１０１の上部と半導体素子１０３と放熱部材１０７とを被覆する封止部材１０５とを備える。図２０では半導体素子１０３が２つ配置されている例を図示するが、並んで配置される半導体素子１０３の数は２つ以上であってもよい。
【００６７】
本発明の実施形態６によれば、複数の半導体素子１０３が並んで配置された半導体装置６００においても、複数の半導体素子１０３上に各半導体素子１０３より大きく熱伝導率の高い１つの放熱部材１０７を搭載することによって、各半導体素子１０３から発生する熱を各半導体素子１０３上の封止部材１０５に伝導すると共に、特に封止部材１０５内部の横方向にも効果的に熱を拡散させることによって、各半導体素子１０３から封止部材１０５表面に至るまでの放熱面積、すなわち放熱経路を広げることができる。
【００６８】
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、基板と、基板上に配置される半導体素子と、半導体素子上に配置される放熱部材と、基板の上部と、半導体素子と、放熱部材とを被覆する封止部材とを備え、放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいものでもよい。
【００６９】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材はシリコンであってもよい。
【００７０】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は１つ又は積層された複数の部材からなるものであってもよい。
【００７１】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が凹凸であってもよい。
【００７２】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が平坦であってもよい。
【００７３】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積に対する放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積比ｘと放熱部材の厚みｙとの関係がｙ≧２２４．０ｘ−０．５であってもよい。
【００７４】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に固着されてもよい。
【００７５】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層された半導体素子上に固着されてもよい。
【００７６】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層されたスペーサ上に固着されてもよい。
【００７７】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、接着剤はグリースであってもよい。
【００７８】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、接着剤はサーマルインターフェースマテリアルであってもよい。
【００７９】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、接着剤はペーストであってもよい。
【００８０】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面が非平坦であってもよい。
【００８１】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に凹凸を有するものでもよい。
【００８２】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面にスリットを有するものでもよい。
【００８３】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に孔を有するものでもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１００、２００、３００、４００…半導体装置、１０１…基板、１０３、２０３…半導体素子、１０７、４０７Ａ〜Ｄ、５０７Ａ〜Ｄ…放熱部材、１０５…封止部材、１０２Ａ〜Ｃ、４０１Ａ〜Ｃ…接着材、２０１…スペーサ、１００１…凸凹、１１０１…スリット、１２０１…孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体素子動作時の熱を放出する放熱部材を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置を使用する電子機器の高性能化に伴い、半導体装置の高速動作が要求され、半導体素子動作時に発生する熱量が増大している。半導体素子の温度が高くなると、半導体素子動作時に誤作動が発生して動作信頼性が低下するため、半導体素子動作時に発生する熱を放出する手段が必要となる。
【０００３】
図１に放熱部材を搭載しない従来の半導体装置の断面図を示す。
【０００４】
従来の半導体装置１０は、基板１上に接着剤２を介して半導体素子３が搭載されており、半導体素子３は基板１とＡｕまたはＣｕ等を材料とするボンディングワイヤ４で接続されている。その半導体素子３はエポキシなどを主原料とする封止部材５により周囲を封止されている。このような半導体装置１０において、半導体素子３が動作する際に発生する熱は半導体素子３上の封止部材５に熱伝導し、封止部材５の表面から大気へ熱伝達するという経路で放熱される。
【０００５】
また、図２又は図３に示すように、半導体装置２０、３０の放熱性を上げるために、封止部材５の表面に金属等からなる放熱部材７、３１を搭載し、封止部材５の熱伝導率を３［Ｗ／ｍＫ］程度に上げることによって放熱性を向上させる方法もある。このような放熱部材を有する半導体装置には、放熱部材がない半導体装置に比べて１０〜１５％程度の熱抵抗が低減されるものもある。
【０００６】
特許文献１では、半導体チップ上に導電性ペーストを介して放熱板が接着され、放熱板の縁部上面側が放熱板押え部によって保持されている例が記載されている。この例によれば、半導体チップから発生する熱は導電性ペーストを介して放熱板に伝導し、放熱板上に配置されたヒートシンク等の放熱手段から大気に熱伝達するという経路で放出される。
【０００７】
また、特許文献２では、半導体チップ上に接着剤を介してシート状の放熱板が半導体チップを覆うように配置されている例が記載されている。この例によれば、半導体チップから発生する熱は接着剤を介して放熱板に伝導し、放熱板から大気に熱伝達するという経路で放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７―３０５７６１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年の電子機器の薄型化・小型化に応じて、半導体装置上にヒートシンクを搭載しない、または搭載できない環境が多くなり、このような環境において更なる半導体素子温度の低下、つまり半導体装置の熱抵抗の低減を実現する手段が要求されている。そのような手段として、図２又は３に示す従来の半導体装置のように封止部材の表面に金属等からなる放熱部材７、３１が大気に露出するように搭載された半導体装置では、放熱部材７、３１と半導体素子３と間に数十〜数百［μ］の厚さの封止部材５が介在し、この封止部材５の熱伝導率は０．５〜３［Ｗ／ｍＫ］程度であって金属等に比べると熱伝導率が低いため、熱抵抗が大きく、半導体素子３から発生した熱は封止部材５内部で十分に拡散されない。また、従来の放熱板部材７、３１が大気に露出するように半導体装置の上部に搭載された半導体装置２０、３０においては、半導体素子３上から発生する熱が放熱部材７、３１へ到達するまでの放熱面積が限られているために、半導体装置表面から十分な放熱効果が得られない。
【００１０】
したがって、このような従来の構造では、半導体装置２０、３０表面から充分な放熱がなされず、半導体素子３の温度の低下を実現する手段としては限界がある。
【００１１】
本発明は、半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性の向上、熱抵抗の低減を実現することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施例に係る半導体装置は、基板と、基板上に配置される半導体素子と、半導体素子上に配置される放熱部材と、基板の上部と、半導体素子と、放熱部材とを被覆する封止部材とを備え、放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は１つ又は積層された複数の部材からなるものであってもよい。
【００１４】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が凹凸であってもよい。
【００１５】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が平坦であってもよい。
【００１６】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に固着されてもよい。
【００１７】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層された半導体素子上に固着されてもよい。
【００１８】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層されたスペーサ上に固着されてもよい。
【００１９】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、接着剤はグリースであってもよい。
【００２０】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、接着剤はサーマルインターフェースマテリアルであってもよい。
【００２１】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、接着剤はペーストであってもよい。
【００２２】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面が非平坦であってもよい。
【００２３】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に凹凸を有するものでもよい。
【００２４】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面にスリットを有するものでもよい。
【００２５】
また、本発明の一実施例に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に孔を有するものでもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、半導体装置において、封止部材内部に放熱部材を埋め込むことによって、従来の放熱部材より小さな面積の放熱部材によって半導体素子動作時の熱を効果的に封止部材内部に拡散させ、半導体装置の放熱性を向上させ、熱抵抗の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の放熱部材を搭載しない半導体装置を示す断面図である。
【図２】従来の放熱部材を搭載した半導体装置の一例を示す断面図である。
【図３】従来の放熱部材を搭載した半導体装置の一例を示す断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の実施形態１に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ―Ａ´線における断面図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る半導体装置の断面図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施形態４に係る半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の放熱部材の外形を変更した例を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施例に係る半導体装置において、放熱部材の一辺の長さと厚みとをそれぞれ変更して熱抵抗θｊａを解析した結果を示す図である。
【図１５】本発明の実施例に係る半導体装置の放熱部材の一辺の長さと厚みとをそれぞれ変更した場合における熱抵抗θｊｃを示す図である。
【図１６】本発明の実施例に係る半導体装置において、放熱部材の厚みと封止部材の熱伝導率とをそれぞれ変更した場合に、従来の半導体装置と同じθｊａ値を実現する半導体素子面積に対する放熱部材の面積比を示す図である。
【図１７】図１４に示す各プロットの数値を示す表である。
【図１８】図１５に示す各プロットの数値を示す表である。
【図１９】図１６に示す各プロットの数値を示す表である。
【図２０】（Ａ）は本発明の実施形態６に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、（Ｂ）は図２０（Ａ）のＢ―Ｂ´線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。
【００２９】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る半導体装置について図面を参照して説明する。
【００３０】
［半導体装置の構成］
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は実施形態１に係る半導体装置１００の概略構成を示す図である。図４（Ａ）は半導体装置１００の概略構成を示す平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示すＡ−Ａ´線から見た半導体装置１００の断面図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、半導体装置１００は、基板１０１と、基板１０１上に接着剤１０２Ｂを介して配置される半導体チップ１０３と、半導体チップ１０３の上に接着剤１０２Ａを介して配置される放熱部材１０７と、基板１０１の上部と半導体素子１０３と放熱部材１０７とを被覆する封止部材１０５とを備える。
【００３１】
実施形態１の半導体装置を製造する方法としては、まず、基板１０１に搭載された半導体素子１０３の上面に、例えばＡｇペーストなどの接着剤１０２Ａを介して、放熱部材１０７を搭載する。この接着剤１０２Ａは、Ａｇペーストに限られるものではなく、シート状のものでもよいが、できるだけ熱伝導率の高いものを用いることが好ましい。また、放熱部材１０７には、封止部材１０５の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料、例えばＣｕなどの材料を使用する。この放熱部材１０７の材料は、その他金属もしくはセラミック等を使用してもよい。このようにして製造された基板１０１上の半導体素子１０３及び放熱部材１０７を封止部材１０５で封止することによって、放熱部材１０７を封止部材１０５内部に埋め込んだ半導体装置１００を製造する。封止部材１０５は例えば樹脂からなるものでもよい。
【００３２】
図４（Ａ）に示すように、放熱部材１０７は、半導体素子１０３の発熱面（図中の上面）の面積より大きな面積を有するように形成される。図４（Ａ）では、放熱部材１０７の形状は図８に示すような正方形であるが、放熱部材１０７の形状はこれに限定するものではなく、半導体素子の発熱面より放熱部材の半導体素子が配置される面の方が大きな面積を有するものであれば他の形状に適宜変更してもよい。放熱部材の他の形状の具体例としては、例えば図９から図１３に示すように、円形、多角形等がある。
【００３３】
図４（Ｂ）に示すように、実施形態１にかかる半導体装置１００においては、放熱部材１０７の表面が半導体装置１００の表面に露出していない。放熱部材１０７は、その全体が封止部材の内部に埋め込まれており、半導体素子１０３から放熱部材１０７に伝導した熱は、直ちに大気に伝達されるのではなく、封止部材内部を熱伝導してから、半導体装置１００表面上から大気へ熱伝達するという経路で放出される。
【００３４】
従来の半導体装置１０、２０、３０は、半導体素子３上から発生する熱の放熱経路において、熱伝導率の低い封止部材５が介在するために、封止部材５内部へ十分に熱が拡散されず、また、放熱板部材７、３１を半導体装置の上部に搭載した半導体装置２０、３０においても、半導体素子３上から発生する熱が放熱部材７、３１に到達するまでの放熱面積が限られていたために、十分な放熱効果が得られなかった。しかし、本発明に係る半導体装置１００では、封止部材１０５内部に半導体素子１０３の発熱面の面積より大きな面積を有する放熱部材１０７を半導体素子１０３付近に配置することにより、半導体素子１０３から発生した熱を放熱部材１０７によって効果的に半導体素子１０３上の封止部材１０５内部に拡散させ、すなわち放熱面積を広げることによって、半導体装置１００の放熱特性を向上させることができる。
【００３５】
このように、本発明によれば、半導体素子１０３上に半導体素子１０３より大きく熱伝導率の高い放熱部材１０７を搭載することによって、半導体素子１０３から発生する熱を半導体素子１０３上の封止部材１０５に伝導すると共に、特に封止部材１０５内部の横方向にも効果的に熱を拡散させることによって、半導体素子１０３から封止部材１０５表面に至るまでの放熱面積、すなわち放熱経路を広げることができる。したがって、本発明に係る半導体装置１００は、図２又は図３に示す従来の半導体装置にみられるような、封止部材５上に放熱部材７、３１が露出している半導体装置２０、３０よりも、半導体装置の熱抵抗θｊａを低減することが可能である。
【００３６】
（実施例）
図１４から図１６に示す熱解析結果に基づき、本発明の実施例における半導体装置の放熱特性を従来の放熱部材を有する半導体装置と比較して説明する。
【００３７】
図１４は、図４に示す本発明に係る半導体装置の構造において、放熱部材１０７の１辺の長さを１０［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２７．７［ｍｍ］と変更し、又は放熱部材１０７の厚みｔを０．３［ｍｍ］、０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］と変更して、ＪＥＤＥＣ標準に基づく半導体装置熱抵抗θｊａ［ｄｅｇＣ／Ｗ］を熱流体解析ソフトを用いて解析した結果を示す図である。
【００３８】
図１４において解析対象とした本実施例と従来の半導体装置は、共に半導体装置の１辺の長さが３１［ｍｍ］、半導体素子の１辺の長さが８［ｍｍ］であり、Ｃｕからなり、図８に示す正方形の形状を有する放熱部材を使用して解析した。また、図１４に示す各プロットの数値は図１７のとおりである。ただし、図１４に示す従来例の数値は、放熱部材の厚みが０．３［ｍｍ］であり、放熱部材の１辺の長さが２７．７［ｍｍ］であり、かつ、封止部材１０５の熱伝導率が３．１Ｗ／ｍＫである場合の熱抵抗θｊａ９．３［ｄｅｇＣ／Ｗ］を示す。
【００３９】
図１４において、１辺の長さが約２７．７［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合についてみると、本発明の実施例におけるθｊａは、従来の構造における半導体装置に比べて約１４％ものθｊａが低減されている。また、従来の半導体装置において１辺の長さが約２７．７［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合のθｊａと、本発明の実施例において１辺の長さが約１５［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合のθｊａとが同等の数値であることから、本発明の実施例によれば従来の半導体装置より小さな放熱部材を使用しても従来と同等の放熱効果を得ることができることがわかる。
【００４０】
次に、図１５は、図４に示す本発明に係る半導体装置の構造において、放熱部材１０７の１辺の長さを１０［ｍｍ］、１６［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２７．７［ｍｍ］と変更し、又は放熱部材１０７の厚みｔを０．３［ｍｍ］、０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］と変更して、ＪＥＤＥＣ標準に基づく半導体装置熱抵抗θｊｃ［ｄｅｇＣ／Ｗ］を熱流体解析ソフトを用いて解析した結果を示す図である。
【００４１】
図１５において解析対象とした本実施例と従来の半導体装置は、共に半導体装置の１辺の長さが３１［ｍｍ］、半導体素子の１辺の長さが８［ｍｍ］であり、Ｃｕからなり、図８に示す正方形の形状を有する放熱部材を使用して解析した。また、図１５に示す各プロットの数値は図１８のとおりである。ただし、図１５に示す従来例の数値は、放熱部材の厚みが０．３［ｍｍ］であり、放熱部材の１辺の長さが２７．７［ｍｍ］であり、かつ、封止部材１０５の熱伝導率が３．１Ｗ／ｍＫである場合の熱抵抗θｊｃ（１．７４［ｄｅｇＣ／Ｗ］）を示す。
【００４２】
図１５に示すθｊｃの解析結果によると、１辺の長さが約２７．７［ｍｍ］の放熱部材と同じ寸法の放熱部材を本発明の半導体装置に用いた場合のθｊｃは、従来構造のθｊｃより約４２％も低下している。このことから、本発明の実施例における半導体装置に従来と同程度の大きさの放熱部材を用いた場合、従来の半導体装置に比べて大幅な熱抵抗の低減が可能であることがわかる。
【００４３】
さらに、図１６は、図４に示す本発明に係る半導体装置の構造において、樹脂からなる封止部材１０５の熱伝導率を０．６［Ｗ／ｍｋ］、１．０［Ｗ／ｍｋ］、３．１［Ｗ／ｍｋ］と変更し、又は放熱部材１０７の厚みｔを０．３［ｍｍ］、０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］と変更して、図１４に示す従来の半導体装置に１辺の長さが２７．７［ｍｍ］の放熱部材を用いた場合のθｊａを満たす放熱部材の面積比を示す図である。
【００４４】
図１６において解析対象とした本実施例の半導体装置は、半導体装置の１辺の長さが３１［ｍｍ］、半導体素子の１辺の長さが８［ｍｍ］であり、Ｃｕ合金からなり、図８に示す正方形の形状を有する放熱部材を使用して解析した。また、図１６に示す各プロットの数値は図１９のとおりである。図１６の右上領域に記載された数式ｙ≧２２４．０ｘ−０．５は、本発明の実施例における放熱部材の厚み：ｙ［ｍｍ］と、放熱部材の半導体素子に対する面積比：ｘとの関係を示す数式である。同数式は、図１６に斜線で示す領域を示している。同数式のｘｙ数値を満たす半導体装置は、従来の半導体装置よりも優れた熱抵抗低減効果を有する。ただし、図１６の解析結果は本実施例の半導体装置が従来の半導体装置よりも優れた熱抵抗低減効果を示すことを表す一例にすぎない。例えば、図１６で解析対象とした本実施例の半導体装置よりも半導体装置の１辺の長さが短い半導体装置を対象として同様の解析を行った場合や、図１６で解析対象とした本実施例の半導体装置よりも熱伝導率が高い封止部材を用いた半導体装置を対象として同様の解析を行った場合には、図１６に斜線で示す領域よりも放熱部材の厚みが小さく、放熱部材の面積が小さい場合でも従来の半導体装置と同等の放熱効果を得ることができる。
【００４５】
このように、本発明の実施形態１によれば、従来の半導体装置と同じ物性の放熱部材を用いた場合でも、従来の半導体装置に比べて小さな面積の放熱部材によって従来と同等の放熱効果を得ることができる。また、本発明に係る半導体装置の表面全体は封止部材１０５で覆われているため、従来のような半導体装置表面に金属等からなる放熱部材が露出する構造に比べて、半導体装置表面からの熱の放射率及びマークの視認性を向上させ、半導体装置の外観不良発生も低減することが可能となる。
【００４６】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体装置２００について図面を参照して説明する。本発明の実施形態２は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間にスペーサ２０１が配置される例を説明するものである。
【００４７】
図５は実施形態２に係る半導体装置２００の概略構成を示す断面図である。なお、実施形態２に係る半導体装置２００は、放熱部材１０７が半導体素子１０３との間にスペーサ２０１を介して配置されることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置２００の製造方法や実施形態２における半導体装置２００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００４８】
図５に示すように、実施形態２に係る半導体装置２００は放熱部材１０７が半導体素子１０３との間にスペーサ２０１を介して配置されることを特徴とする。図５に示すように、実施形態１の半導体装置１００と同様の半導体装置構造内の半導体素子１０３上に、ボンディングワイヤ１０４の高さを確保するためにスペーサ２０１を搭載してもよい。スペーサ２０１の材料としては、例えばシリコンなどを使用してもよい。図５には半導体素子１０３と放熱部材１０７との間に接着剤１０２Ａ、１０２Ｃを介してスペーサ２０１を搭載した例を示したが、放熱部材１０７とスペーサ２０１との間を固着する接着剤１０２Ａは、半導体素子１０３と基板１０１との間を固着する接着剤１０２Ｂと同じものであってもよいし、異なる材料からなる接着剤であってもよい。
【００４９】
また、本発明の実施形態２におけるスペーサ２０１の形状は、図５に示す形状のスペーサ２０１に限られるものではない。スペーサ２０１の形状は、半導体チップ１０３と基板１０１とを接続するボンディングワイヤ１０４の高さを保持することができれば、他の形状であってもよい。その他の構成及び製造方法は実施形態１と同様である。本発明の実施形態２によれば、半導体チップ１０３と基板１０１とを接続するボンディングワイヤ１０４の高さを保持したまま、本発明の放熱部材１０７による優れた放熱特性を得ることができる。
【００５０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体装置について図面を参照して説明する。本発明の実施形態３は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間に、更に半導体素子２０３が配置される構成例を説明するものである。
【００５１】
図６は実施形態３に係る半導体装置３００の概略構成を示す図である。なお、実施形態３に係る半導体装置３００は、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間に、更に半導体素子２０３が配置されることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置３００の製造方法や実施形態３における半導体装置３００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００５２】
図６に示すように、実施形態３に係る半導体装置３００は、放熱部材１０７と半導体素子１０３との間に、更に半導体素子２０３が配置されることを特徴とする。本発明に係る半導体装置に配置される半導体素子は１つに限られるものではなく、複数の半導体素子が積層されて配置されていてもよい。図６に、半導体素子２０３がチップスタック実装された本発明の実施形態３における断面構造を示す。積層された２つの半導体素子１０３と２０３とは半田バンプなどの接続端子３０１によって電気的に接続され、その接続端子の間をアンダーフィル剤と呼ばれる樹脂２０２で封止している。上段の半導体素子２０３は、実施形態１と同様に接着剤１０２Ａを介して放熱部材１０７が接続され、さらに放熱部材１０７の全体が封止部材１０５内部に埋め込まれるように封止されている。
【００５３】
図６では、上段の半導体素子２０３が下段の半導体素子１０３にチップスタック実装されている例を示したが、本発明の実施形態３に係る半導体装置の積層構造はこの例に限定されるものではない。その他の構成及び製造方法は実施形態１と同様である。
【００５４】
本発明の実施形態３によれば、複数の半導体素子を搭載した高性能な半導体装置であって、かつ、本発明の放熱部材１０７による優れた放熱特性を有する半導体装置を得ることができる。
【００５５】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る半導体装置４００について図面を参照して説明する。本発明の実施形態４は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材の構造を変えた例を説明するものである。
【００５６】
図７（Ａ）（Ｂ）は実施形態４に係る半導体装置４００の概略構成を示す図である。なお、実施形態４に係る半導体装置４００は、放熱部材１０７が複数の部材からなることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置４００の製造方法や実施形態４における半導体装置４００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００５７】
図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、実施形態４に係る半導体装置４００、５００は、放熱部材が複数の部材４０７Ａ〜Ｄ又は５０７Ａ〜Ｄからなることを特徴とする。本発明に係る半導体装置において、放熱部材は１つでなく複数の部材からなるものであってもよい。図７（Ａ）（Ｂ）は放熱部材が複数搭載されている本発明の半導体装置の断面構造を示す。複数の部材４０７Ａ〜Ｄ又は５０７Ａ〜Ｄは接着剤又はサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）など４０１Ａ〜Ｃを介して互いに接続され、放熱部材全体が封止部材１０５内部に埋め込まれるように封止されている。
【００５８】
実施形態４における複数の部材からなる放熱部材は、図７（Ａ）に示すように放熱部材の側面が凹凸を有するように積層されてもよい。また、複数の部材からなる放熱部材１０７は、図７（Ｂ）に示すように放熱部材の側面が平坦であるように積層されてもよい。その他の構成及び製造方法は実施形態１と同様である。
【００５９】
本発明の実施形態４によれば、複数の部材４０７Ａ〜Ｄ又は５０７Ａ〜Ｄを積層して所望の厚みを有する放熱部材を製造し、実施形態１と同様の効果を有する半導体装置を得ることができる。また、図７（Ａ）のように、放熱部材の側面が凹凸を有するように複数の部材の中心位置をずらして積層することによって、放熱部材１０７と封止部材１０５、との接着面積を増やし、放熱部材１０７と封止樹脂１０５との密着性を向上させることができる。
（実施形態５）
本発明の実施形態５に係る半導体装置について図面を参照して説明する。本発明の実施形態５は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、放熱部材１０７の外部形状を変えた例を説明するものである。
【００６０】
図８から１３は実施形態５に係る半導体装置に配置される放熱部材１０７の外部形状の例を示す図である。なお、実施形態５に係る半導体装置は、半導体素子１０３に配置される放熱部材１０７の面が非平坦であることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置の製造方法や実施形態５における半導体装置の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００６１】
実施形態５に係る半導体装置に配置される放熱部材の外部平面の形状は、図８に示すような正方形の放熱部材７００でもよく、図９に示すような円形の放熱部材８００でもよく、図１０に示すような多角形の放熱部材９００でもよい。図１０には正六角形の形状を有する放熱部材９００を示すが、実施形態５に配置される多角形の放熱部材の形状はこれに限られるものではなく、他の多角形の形状であってもよい。
【００６２】
また、実施形態５に係る半導体装置に配置される放熱部材の外部形状は、図１１の断面図に示す放熱部材１０００のように、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面に凹凸１００１を有し、複数の小さな円形又は多角形の窪み（ディンプル）を有するものでもよく、図１２の断面図に示す放熱部材１１００のように、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面にスリット１１０１（切り込み）を有するものでもよく、あるいは図１３の平面図に示す放熱部材１２００のように、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面に孔１２０１を有するでもよい。なお、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面の凹凸１００１やスリット１１０１や孔１２０１は、一つ又は複数形成されてもよい。その他の構造及び製造方法は実施形態１と同様である。
【００６３】
本発明の実施形態５によれば、半導体素子１０３に配置される放熱部材の面を非平坦にすることによって、放熱部材の非平坦面と接着剤１０２Ａとの密着性を向上させ、半導体素子１０３と放熱部材との接着性が向上した半導体装置を得ることができる。
【００６４】
なお、上記実施形態１〜５に示した放熱部材はシリコンにより形成してもよい。優れた熱伝導率を有するシリコンを放熱部材１０７の材料とすることで、本発明の放熱部材による優れた放熱特性を有する半導体装置を得ることができる。
【００６５】
（実施形態６）
本発明の実施形態６に係る半導体装置について図面を参照して説明する。本発明の実施形態６は、前述の実施形態１に係る半導体装置１００において、複数の半導体素子１０３が並べて配置される例を説明するものである。なお、実施形態６に係る半導体装置６００は、複数の半導体素子１０３が同一基板１０１上に並べて配置されることに特徴があり、その他の構成は実施形態１において説明した構成と同様であるため、その他の構成や半導体装置６００の製造方法や実施形態６における半導体装置６００の放熱特性等に関する図示及び説明は省略する。
【００６６】
図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は実施形態６に係る半導体装置６００の概略構成を示す図である。図２０（Ａ）は半導体装置６００の概略構成を示す平面図、図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）に示すＢ−Ｂ´線から見た半導体装置６００の断面図である。図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）において、半導体装置６００は、基板１０１と、基板１０１上に接着剤１０２Ｂを介して並んで配置される複数の半導体チップ１０３と、半導体チップ１０３の上に接着剤１０２Ａを介して配置される放熱部材１０７と、基板１０１の上部と半導体素子１０３と放熱部材１０７とを被覆する封止部材１０５とを備える。図２０では半導体素子１０３が２つ配置されている例を図示するが、並んで配置される半導体素子１０３の数は２つ以上であってもよい。
【００６７】
本発明の実施形態６によれば、複数の半導体素子１０３が並んで配置された半導体装置６００においても、複数の半導体素子１０３上に各半導体素子１０３より大きく熱伝導率の高い１つの放熱部材１０７を搭載することによって、各半導体素子１０３から発生する熱を各半導体素子１０３上の封止部材１０５に伝導すると共に、特に封止部材１０５内部の横方向にも効果的に熱を拡散させることによって、各半導体素子１０３から封止部材１０５表面に至るまでの放熱面積、すなわち放熱経路を広げることができる。
【００６８】
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、基板と、基板上に配置される半導体素子と、半導体素子上に配置される放熱部材と、基板の上部と、半導体素子と、放熱部材とを被覆する封止部材とを備え、放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいものでもよい。
【００６９】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材はシリコンであってもよい。
【００７０】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は１つ又は積層された複数の部材からなるものであってもよい。
【００７１】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が凹凸であってもよい。
【００７２】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は側面の形状が平坦であってもよい。
【００７３】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、半導体素子の放熱部材が配置される面の表面積に対する放熱部材の半導体素子に配置される面の表面積比ｘと放熱部材の厚みｙとの関係がｙ≧２２４．０ｘ−０．５であってもよい。
【００７４】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に固着されてもよい。
【００７５】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層された半導体素子上に固着されてもよい。
【００７６】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は接着剤を介して半導体素子上に積層されたスペーサ上に固着されてもよい。
【００７７】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、接着剤はグリースであってもよい。
【００７８】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、接着剤はサーマルインターフェースマテリアルであってもよい。
【００７９】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、接着剤はペーストであってもよい。
【００８０】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面が非平坦であってもよい。
【００８１】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に凹凸を有するものでもよい。
【００８２】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面にスリットを有するものでもよい。
【００８３】
また、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、放熱部材は、半導体素子に配置される面に孔を有するものでもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１００、２００、３００、４００…半導体装置、１０１…基板、１０３、２０３…半導体素子、１０７、４０７Ａ〜Ｄ、５０７Ａ〜Ｄ…放熱部材、１０５…封止部材、１０２Ａ〜Ｃ、４０１Ａ〜Ｃ…接着材、２０１…スペーサ、１００１…凸凹、１１０１…スリット、１２０１…孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置される半導体素子と、
前記半導体素子上に配置される放熱部材と、
前記基板の上部と、前記半導体素子と、前記放熱部材とを被覆する封止部材とを有し、
前記放熱部材の前記半導体素子に配置される面の表面積は、前記半導体素子の前記放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱部材は１つ又は積層された複数の部材からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱部材は接着剤を介して前記半導体素子上に固着されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱部材は接着剤を介して前記半導体素子上に積層された半導体素子上に固着されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱部材は接着剤を介して前記半導体素子上に積層されたスペーサ上に固着されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記接着剤はグリース、サーマルインターフェースマテリアル、又はペーストであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記放熱部材は、前記半導体素子に配置される面が非平坦であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記放熱部材は、前記半導体素子に配置される面に凹凸を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記放熱部材は、前記半導体素子に配置される面にスリット又は孔を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置される半導体素子と、
前記半導体素子上に配置される放熱部材と、
前記基板の上部と、前記半導体素子と、前記放熱部材とを被覆する封止部材とを有し、
前記放熱部材の前記半導体素子に配置される面の表面積は、前記半導体素子の前記放熱部材が配置される面の表面積よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱部材は１つ又は積層された複数の部材からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱部材は接着剤を介して前記半導体素子上に固着されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱部材は接着剤を介して前記半導体素子上に積層された半導体素子上に固着されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記放熱部材は接着剤を介して前記半導体素子上に積層されたスペーサ上に固着されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記接着剤はグリース、サーマルインターフェースマテリアル、又はペーストであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記放熱部材は、前記半導体素子に配置される面が非平坦であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記放熱部材は、前記半導体素子に配置される面に凹凸を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記放熱部材は、前記半導体素子に配置される面にスリット又は孔を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−３３５５９（Ｐ２０１２−３３５５９Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６９５７４（Ｐ２０１０−１６９５７４）
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（５０７２９２１８４）株式会社ジェイデバイス (7)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（５０７２９２１８４）株式会社ジェイデバイス (7)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]