JP4283588B2

JP4283588B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP4283588B2
Application number: JP2003117601A
Authority: JP
Inventors: 太郎福井; 知明根本; 凱▲其▼ 陳; 淑禎黄; 巡天李; 宗銘李
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: TW200423342A; TWI332694B; JP2004327558A

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device exhibiting high reliability, e.g. soldering resistance, and excellent heat dissipation properties. <P>SOLUTION: The semiconductor device is formed by face down mounting a semiconductor element 2 on an interposer 1 and flip-chip bonding the semiconductor element 2. A metal plate 4 having an area larger than that of the surface of the semiconductor element 2 on the side opposite to the flip-chip joint is bonded to that surface. A gap at the flip-chip joint of the semiconductor element 2, the surface of the semiconductor element 2 other than the flip-chip joint and the bonding face with the metal plate 4, and the entire surface of the metal plate 4 other than the bonding face with the semiconductor element 2 are sealed with sealing resin 3 of the same material. The semiconductor element 2 can be sealed with the sealing resin 3 having no interface. Heat generated from the semiconductor element 2 can be transmitted to the metal plate 4 and dissipated from the wide surface of the metal plate 4 through the sealing resin 3. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インターポーザーに半導体素子をフリップチップ実装すると共に封止樹脂で封止して形成される半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体高集積化の進展に伴い、半導体装置のＩ／Ｏ数が飛躍的に増加する傾向にある。しかし、従来のリードフレームを使用したＳＯＰ（Small Outline Package）やＱＦＰ（Quad Flat Package）ではこれに対応できないので、ＰＢＧＡ（Plastic Ball Grid Array）等の半導体装置が開発され、ゲートアレイやチップセット等で使用されている。図７（ａ）はＰＢＧＡの一例を示すものであり、インターポーザー１に半導体素子２を搭載し、半導体素子２の電極とインターポーザー１の端子とを金線やアルミニウム細線などのワイヤ１０で接続すると共に、ワイヤ１０を含めて半導体素子２を封止樹脂３で封止するようにしてある。そしてインターポーザー１の半導体素子２を搭載した面と反対側の面には外部接続用の半田ボール１１が設けてある。
【０００３】
一方、ゲートアレイ、チップセット、グラフィック等の分野では、Ｉ／Ｏ数の増加や動作速度の向上が著しく、金線やアルミニウム細線を用いて接続する上記のワイヤボンディング法に代わって、電気特性に優れ、且つＩ／Ｏ数の増加にも対応が容易なフリップチップ接合の適用が望まれている。フリップチップ接合は、例えば図７（ｂ）に示すＣＳＰ（Chip Scale Package）のように、半導体素子２に半田や金などでバンプ６を形成し、インターポーザー１に半導体素子２をフェースダウンで搭載し、インターポーザー１の端子にこのバンプ６を接合することによって、バンプ６と端子を金属結合によって直接、電気的に接続するようにしたものである。そしてこの際、半導体素子２の表面を湿度から保護したり、バンプ６を機械的ストレスから保護したりするために、通常、半導体素子２とインターポーザー１との間の微細な間隙を樹脂で埋めるアンダーフィルと呼ばれる封止が行なわれる。このアンダーフィルの形成は、インターポーザー１と半導体素子２の間は１５〜１００μｍ程度の微細な間隙であるので、低粘度液状材料の封止材料を毛細管現象によって注入させた後、加熱硬化させることによって、半導体素子２とインターポーザー１との間隙に封止樹脂３ａを充填させるようにして行なうのが一般的である。１１はインターポーザー１に設けた外部接続用の半田ボールであり、この図７（ｂ）のものは通常、ＦＣ−ＢＧＡ（Flip Chip-Ball Grid Array）と呼ばれている。
【０００４】
このようにインターポーザー１に半導体素子２をフリップチップ接合した半導体装置は、従来のワイヤボンディングした半導体装置に比べて、Ｉ／Ｏ数の増加に対応が容易なだけでなく、電気的接続の性能に優れているという利点を有する。しかし、インターポーザー１と半導体素子２の間の微細な間隙に低粘度液状材料の封止樹脂３ａを毛細管現象で注入させるのに時間がかかるために、アンダーフィルの生産性に問題があり、また毛細管現象という自然現象に頼るために、バンプパターンやフラックス残りなどの影響を受けて低粘度液状材料の封止樹脂３ａの流動性が変化し、ボイドがアンダーフィルに残って信頼性低下につながるおそれがあるという問題がある。さらに半導体素子２は背面側が露出しているので、半導体素子２の露出部の端面が欠けるおそれがあるなど、半導体装置をマウントする際のピックアップ性に問題を有する。
【０００５】
また、上記のようにインターポーザー１と半導体素子２の間隙に低粘度液状材料の封止樹脂３ａでアンダーフィルを形成した後、図７（ｃ）のように、半導体素子２の背面側にも封止樹脂３ｂをモールド成形して封止することも行なわれている。この場合には、半導体素子２は全面が封止樹脂３ａ，３ｂで封止されているので、ピックアップ性などの問題はなくなるが、アンダーフィル封止の工程とモールド封止の工程の両方が必要となって、生産性が一層低下するという問題があると共に、ボイドの問題はそのまま残っており、しかもアンダーフィルの封止樹脂３ａとモールド封止の封止樹脂３ｂとの間に界面ができるため、界面剥離が発生し易いなど、耐半田性などにおいて問題が新たに生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、減圧化が可能な成形金型を用い、半導体素子２をフリップチップ接合したインターポーザー１を成形金型のキャビティ内にセットし、減圧状態でキャビティ内に封止材料を注入することによって、図７（ｄ）のようにインターポーザー１と半導体素子２の間の間隙に封止樹脂３を充填すると共に半導体素子２の背面や側面を封止樹脂３で封止するようにした半導体装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７-７４１９４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の発明では、減圧状態でモールド成形を行なうことによって、インターポーザー１と半導体素子２の間の微細な間隙に封止樹脂３を充填することが可能になり、インターポーザー１と半導体素子２の間隙と半導体素子２の背面や側面を同一の封止樹脂３で同時に封止することができるものである。従ってこのものでは封止樹脂３に界面が存在せず、界面剥離が発生することがなくなって、耐半田性などの信頼性を高く得ることができるものである。
【０００９】
しかしこの図７（ｄ）のものでは、半導体素子２は全周が封止樹脂３で覆われているので、半導体素子２からの熱放散性が低く、半導体装置のハイパワー化への対応に問題を有するものであった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、耐半田性などの信頼性が高く、しかも熱放散性に優れた半導体装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る半導体装置は、インターポーザー１上に半導体素子２をフェースダウンで配置すると共にフリップチップ接合して搭載した半導体装置において、半導体素子２のフリップチップ接合部と反対側の面にこの面より面積の大きい金属板４を接着し、半導体素子２のフリップチップ接合部に形成される間隙と、半導体素子２のフリップチップ接合部及び金属板４との接着面以外の表面と、金属板４の半導体素子２との接着面以外の全表面とを、真空トランスファーモールド法によりトランスファー成形して同一材料の封止樹脂３で封止し、半導体素子２より外側に張り出した金属板４の周辺部において、金属板４の半導体素子２との接着面と反対側の表面の複数箇所に同じ高さのスペーサ凸部５を設け、スペーサ凸部５の先端面を封止樹脂３の表面と面一に露出させると共に、金属板４の半導体素子２と反対面に封止されるこの封止樹脂３の厚みを０．３ｍｍ以下に設定して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項２の発明は、請求項１において、半導体素子２に金属板４を熱伝導性接着剤によって接着して成ることを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、封止樹脂３の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
インターポーザー１としては、有機基板、セラミック基板、フレキシブル基板等や、これらと金属基板を組み合わせたものなどを例示することができるが、インターポーザー１として通常使用できるものであれば、何でもよい。
【００１７】
また半導体素子２としては、シリコンベアチップなどの任意の半導体ベアチップを用いることができるものであり、その片側の回路形成面に半田や金などの金属材料でバンプ６が設けてある。
【００１８】
そして、インターポーザー１の上に半導体素子２を回路形成面がインターポーザー１の側を向くフェースダウンで配置し、半導体素子２をバンプ６でフリップチップ接合することによって、インターポーザー１の上に搭載するようにしてある。このようにフェースダウンでフリップチップ接合した半導体素子２の回路形成面には、フリップチップ接合部においてバンプ６の厚みにほぼ相当する０．０１５〜０．１ｍｍ程度の厚みの空隙が間隙として形成される。
【００１９】
ここで、図１（ａ）の参考例のように、半導体素子２を単体で用い、インターポーザー１に直接、半導体素子２をフェースダウンでフリップチップ接合するようにすることができるが、図１（ｂ）の参考例のように複数の半導体素子２をフェースダウンでフリップチップ接合するようにしてもよく、図１（ｃ）の参考例のようにインターポーザー１に半導体素子２をフェースダウンでフリップチップ接合するようにする他に、他の受動部品１２をインターポーザー１に搭載するようにしてもよい。さらに図１（ｄ）の参考例のように半導体素子２を他の受動部品１３も同時に搭載されたいわゆるモジュールとして用いるようにしてもよい。図１（ｄ）の参考例はいわゆるスタックドＣＳＰを示すものであって、インターポーザー１の上に受動部品１３を介して半導体素子２がフェースダウンでフリップチップ接合してあり、受動部品１３を金線等のワイヤ１１でインターポーザー１に接続することによって、半導体素子２を受動部品１３を介してインターポーザー１に電気的に接続するようにしてある。従って本発明では、半導体素子２をインターポーザー１に直接的にフェースダウンでフリップチップ接合するようにしてもよく、あるいは半導体素子２を受動部品１３などを介して間接的にフェースダウンでフリップチップ接合するようにしてもよいものであり、要するに本発明では、少なくとも一つの半導体素子２がフェースダウンでフリップチップ接合されることによって、インターポーザー１に搭載されていればよいものである。また図１（ａ）〜（ｄ）にはすべて、インターポーザー１の背面に外部接続用の半田ボール１１を設けたものを示したが、インターポーザー１の背面に形成したランドで外部接続をするようにしたものなど、他の接続形態に形成することもできる。
【００２０】
また、半導体素子２のフリップチップ接合部と反対側の面には金属板４が接着してある。金属板４は半導体素子２のフリップチップ接合部と反対側の面より大きな面積で形成してあり、半導体素子２から外方へ張り出すようにして接合してある。この金属板４は熱放散を目的とするものであるので、熱伝導性の高いものが好ましく、例えば銅板、アルミニウム板、鉄板、ニッケル板などやその表面をメッキ処理したものを例示することができる。この金属板４は、封止樹脂３を封止成形する際の圧力に耐える必要があるため、撓みにくい強度を持つものであることが好ましく、このために金属の種類によって異なるが、一般に０．１ｍｍ以上の厚みであることが好ましい。また、金属板４と封止樹脂３との界面密着を向上させるため、表面メッキの他、表面化学処理や、ヘアライン形成等の物理的処理を金属板４の表面に施すようにしてもよい。
【００２１】
金属板４を半導体素子２に接着する接着剤としては、半導体素子２の熱を金属板４に良好に熱伝導させるために、熱伝導率の高い熱伝導性接着剤を用いるのが好ましい。熱伝導性接着剤としては、シリコングリース、銀ペースト、半田ペーストなどを例示することができる。
【００２２】
そして本発明において、半導体素子２のフリップチップ接合部に形成される間隙と、半導体素子２のフリップチップ接合部及び金属板４との接着面以外の表面（すなわち具体的には半導体素子２の側面）と、金属板４の半導体素子２との接着面以外の表面（すなわちインターポーザー１の側を向く面と、その反対側の面と、四周の端面）とを、同一材料の封止樹脂３で封止することによって、半導体装置Ａを作製するようにしてある。
【００２３】
このように本発明に係る半導体装置Ａは、同一の封止樹脂３で封止されており、封止樹脂３内には界面が存在しないものであり、従って封止樹脂３に界面剥離が発生することがなくなり、耐半田性などの信頼性を高く得ることができるものである。しかも半導体素子２から発熱した熱は金属板４に伝熱され、金属板４の広い面積から封止樹脂３を通して放散されるものであり、半導体素子２からの発熱を熱放散性高く放熱することができ、半導体装置のハイパワー化に容易に対応することができるものである。このように、半導体素子２の熱は金属板４から封止樹脂３を通して放散されるので、金属板４の半導体素子２と反対面に封止されている封止樹脂３の厚みは薄いほうが好ましいものであり、０．３ｍｍ厚以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００２４】
ここで、図１（ａ），（ｄ）の参考例に示す半導体装置Ａは一つの半導体素子２に一枚の金属板４を接着するようにした例を示すものであり、図１（ｂ）の参考例では、インターポーザー１に搭載した複数の半導体素子２に跨がるように金属板４を接着することによって、金属板４を複数の半導体素子２に対して共通化するようにしてある。また図１（ｃ）の参考例では、半導体素子２に金属板４を接着すると共に金属板４から張り出した張り出し部２２で受動部品１２を覆い、受動部品１２の発熱を張り出し部２２から放熱するようにしてある。
【００２５】
次に、半導体素子２を封止樹脂３で封止成形する方法について説明する。好ましい工法の一つは、固体状態の封止材料を用いたトランスファーモールド法あるいは液体状の封止材料を用いたリキッドインジェクション法である。これらの工法は、金属板４を接着した半導体素子２を搭載したインターポーザー１を成形金型内にセットして、成形金型内を減圧状態にした後、封止材料を成形金型内に導入し、成形金型内で封止材料を加熱加圧することによって、封止材料を硬化させるようにしたものである。このように成形金型内を減圧状態にしない工法では、半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙へのアンダーフィル用封止樹脂３の充填が不十分となり、充填不良が発生するおそれがある。成形金型内の減圧度は１３ｈＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下に設定するのが望ましい。
【００２６】
ここで、図２は真空トランスファーモールド法で用いられるトランスファー成形金型７の一例を示すものであり、上下一対の型板１５，１６から形成してある。上型板１５の下面と下型板１６の上面にはそれぞれキャビティ８を形成する凹部が設けてあり、このキャビティ８にゲート１７を介してランナー１８が接続してある。またキャビティのゲート１７と反対側には真空ポンプ（図示省略）に連結される吸引路１９が接続してある。さらに、これらのキャビティ８、ランナー１８、吸引路１９を囲むように型板１５，１６の間にパッキン２０を設け、成形金型７の型板１５，１６を型締めしたときにキャビティ８からの空気漏れがパッキン２０で防止できるようにしてある。
【００２７】
そしてまず、成形金型７を開いて、金属板４を接着した半導体素子２を搭載したインターポーザー１を下型板１６のキャビティ８にセットした後、下型板１６の上に上型板１５を閉じる。そして、上下の型板１５，１６間がパッキン２０で密閉され、且つ上下の型板１５，１６のクランプが行なわれない状態で、真空ポンプを作動させて吸引路１９を通してキャビティ８内の脱気を行なうと同時に、成形金型７のポット（図示省略）に封止材料のタブレットを投入してポット内の空気漏れを防ぎ、１〜５秒保持して真空度を高めた後、上下の型板１５，１６をクランプし、ポットのプランジャ（図示省略）を作動させて、ランナー１８からゲート１７を介して溶融した封止材料をキャビティ５内に注入する。
【００２８】
上記のようにキャビティ８内を減圧状態にして、封止材料を上型板１５のキャビティ８内に注入すると、封止材料は半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙に流入すると共に、金属板４の背面とキャビティ８の内面との隙間に流入し、半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙に封止樹脂３を充填してアンダーフィル封止すると同時に、同じ封止樹脂３で半導体素子２の側面や金属板４の背面などをモールド封止することができるものであり、界面のない封止樹脂３で封止した既述の図１（ａ）〜（ｄ）のような半導体装置Ａを作製することができるものである。このとき、キャビティ８内は減圧されているため、半導体素子２のフリップチップ接合部の微小な間隙や、金属板４の背面とキャビティ８の内面との間の微小な隙間に、空気溜りなどが生じることなく封止材料を良好に流入させることができ、充填不良が発生することなく、短時間で封止材料を充填して封止樹脂３による封止を行なうことができるものである。
【００２９】
ここで、封止材料としては、トランスファー成形による半導体封止に適用可能なものを用いることができるものであり、例えばエポキシ樹脂組成物、シリコーン樹脂組成物、不飽和ポリエステル樹脂組成物などを使用することができる。封止材料にはフィラーを配合したものが使用されるが、このフィラーとしては、最大粒径が半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙寸法の１／２以下であるものを用いるのが好ましい。フィラーの最大粒径が半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙寸法の１／２を超えるものであると、半導体素子２のフリップチップ接合部の微小な間隙に封止材料が流入し難くなり、充填不良が発生するおそれがあると共に、この微小間隙に封止材料が侵入する際に半導体素子２の表面にフィラーが摩擦して傷付き、信頼性が低下するおそれがある。
【００３０】
このフィラーとしては、半導体封止に一般に用いられる溶融シリカの他に、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム等の熱伝導性フィラーを用いることができる。このように熱伝導性フィラーを配合することによって、封止樹脂３の熱伝導性を向上させることができるものであり、封止樹脂３の熱伝導率は１．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上に設定するのが好ましい。封止樹脂３の熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、金属板４から封止樹脂３を介して熱を放散させる際の封止樹脂３の熱の伝導性が不十分になり、金属板４を具備することによって熱放散性を向上させる効果が不十分になるおそれがある。封止樹脂３の熱伝導率は可能な限り高いほうが好ましいので、上限は特に設定されない。ここで、熱伝導性フィラーは一般に高い硬度を有するので、半導体素子２の表面を傷付けることを未然に防ぐために、その最大粒径は半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙寸法の１／５以下であることがより望ましい。
【００３１】
また、上記のように真空トランスファー封止成形を行なうにあたって、成形温度すなわち成形金型７の温度は、半導体素子２に設けたバンプ６を構成する金属の融点から５℃低い温度（融点−５℃）よりも低い温度であることが好ましい。成形温度がこの温度を超えて高いと、インターポーザー１に半導体素子２をフリップチップ接合しているバンプ６の強度が弱くなり、トランスファー成形時の溶融封止材料の注入圧力に対してフリップチップ接合が外れ、半導体素子２の脱落やフリップチップ接合不良などのトラブルを生じ易くなるものである。成形温度の下限は特に設定されるものではないが、封止材料を硬化させる温度よりも高い温度である必要はある。
【００３２】
半導体素子２を封止樹脂で封止成形する方法の他の好ましい工法の一つは、減圧雰囲気下で常温で液体性状の封止材料を用いて封止した後、加圧下で熱硬化させる２段階のプロセスによるものである。第１段階の減圧雰囲気下で常温で液体性状の封止材料を封止する方法は、ディスペンサを用いた方法でも良いが、生産性の高さの観点から印刷法であることがより好ましく、市販の「真空印刷機」と呼ばれる設備を使用することが可能である。液状材料を封止する際の減圧雰囲気は２．７ｈＰａ（２Ｔｏｒｒ）以下であることが好ましく、減圧度が２．７ｈＰａを超えると、半導体素子２のフリップチップ接合部へアンダーフィル用封止樹脂３の充填が不十分となる場合がある。
【００３３】
また封止工程に引き続く第２段階の加圧下で加熱硬化する工程では、通常、０．２ＭＰａ〜０．４９ＭＰａ（２〜５ｋｇ／ｃｍ^２）の加圧と、封止材料の硬化条件に応じた加熱が行なわれるが、特に制限されるものではない。この工程において、封止材料を硬化させる加熱を行なう前に、加圧下で、４０℃以上且つ封止材料の硬化温度以下の温度で、３分間以上、予備加熱を行なうことが好ましい。これは封止材料の樹脂が粘度上昇する前に、半導体素子２のフリップチップ接合部へアンダーフィル用封止材料の充填を促進するためである。４０℃以下の温度では、封止材料の粘度を室温に比べて低粘度化する効果が低く、充填を促進する効果が不十分になる。封止材料の加熱による粘度上昇は樹脂の種類により異なるため、定量的には規定できないが、前処理温度が高すぎても、反応による樹脂粘度上昇がすぐに起こるため、好ましい効果を得ることが難しくなる。
【００３４】
この工法に使用される液状封止材料としては、エポキシ樹脂組成物やシリコーン樹脂組成物などを挙げることができるが、使用される封止材料に含有されるフィラーのうち９５質量％以上のフィラーの最大粒子径が、半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙寸法の１／３以下であることが好ましい。最大粒子径が半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙寸法の１／３を超える大きな粒子のフィラーが５質量％以上含有されていると、フリップチップ接合部の間隙が大きな粒子のフィラーで堰き止められ、封止樹脂３の充填が不十分になる場合がある。このフィラーとしては、半導体封止に一般に用いられる溶融シリカの他に、熱伝導性を向上させる目的で、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム等の熱伝導性フィラーを用いることができる。またストレスを緩和し、反りを低下させる目的で、液状封止材料に弾性体を分散させて含有させる場合には、上記と同じ理由から分散弾性体のうち９０質量％以上の最大粒子径が、半導体素子２のフリップチップ接合部の間隙寸法の１／３以下であることが好ましい。
【００３５】
図３は他の参考例を示すものであり、図３（ａ）のようにインターポーザー１の上に複数の半導体素子２をマトリクスアレイ状に配置し、各半導体素子２をフェースダウンでフリップチップ接合して搭載してある。またこの複数の各半導体素子２の上にそれぞれ金属板４を接着してある。そしてこの複数の半導体素子２を搭載したインターポーザー１に上記と同様にして封止材料を成形して硬化させることによって図３（ａ）のように、各半導体素子２を封止樹脂３で一括して封止する。このように各半導体素子２を封止樹脂３で封止した後、隣り合う半導体素子２の間の箇所でインターポーザー１と封止樹脂３をダイシング工程で切断し（切断箇所を図３（ａ）に鎖線で示す）、各半導体素子２を搭載した部分を分割して個片化することによって、図３（ｂ）のような半導体装置Ａを得ることができるものである。
【００３６】
図４は本発明の実施の形態を示すものであり、金属板４の半導体素子２との接着面と反対側の表面に複数箇所において同じ高さのスペーサ凸部５が設けてある。そして封止樹脂３で上記のように金属板４の半導体素子２と反対側の面を封止した際に、各スペーサ凸部５の先端面がこの封止樹脂３の表面と面一になって露出するようにしてある。このように金属板４の表面の複数箇所に同じ高さのスペーサ凸部５を設け、各スペーサ凸部５の先端面が封止樹脂３の表面と面一に露出するように封止樹脂３で封止することによって、金属板４の半導体素子２と反対側の表面に封止される封止樹脂３の厚みは、金属板４のこの面の全面においてスペーサ凸部５の高さと同じ均一な寸法に形成することができるものである。
【００３７】
すなわち、図５に示すように、金属板４を接着した半導体素子２を搭載したインターポーザー１を成形金型７のキャビティ８に既述と同様にセットすると、金属板４に設けた各スペーサ凸部５がキャビティ８の内面に当接し、金属板４とキャビティ８の内面との隙間がスペーサ凸部５で規制され、金属板４とキャビティ８の内面との隙間の厚みは均一になる。この状態で成形を行なうことによって、金属板４の半導体素子２と反対側の表面に封止される封止樹脂３の厚みを、全面においてスペーサ凸部５の高さと同じ均一な寸法で形成することができるものである。
【００３８】
従って、半導体素子２の熱を金属板４から封止樹脂３を通して放散するにあたって、金属板４の半導体素子２と反対側の面の全面から均一に熱を封止樹脂３を通して放散することができるものであり、熱放散性を向上させることができるものである。
【００３９】
スペーサ凸部５の先端面の面積、材質、形成方法は特に制限されるものではないが、例えば金属板４に金属製のボールを接着したり、金属板４に絞り加工を施したり、金属板４に切削加工を施したりしてスペーサ凸部５を形成することができ、また樹脂枠や、打抜き成形品を金属板４に接着することによってスペーサ凸部５を形成することもできる。ここで、スペーサ凸部５の先端面の面積が大き過ぎると、成形金型７にセットして型締めする際の圧力が半導体素子２に大きく作用して悪影響を与えるおそれがある。
【００４０】
またスペーサ凸部５を設ける箇所は、金属板４の周辺部の半導体素子２より外側に張り出した部分に設定するのが好ましい。このように半導体素子２より外側位置にスペーサ凸部５を設けるようにすれば、成形金型７にセットして型締めする際の圧力が半導体素子２に直接作用して過大なストレスがかかることを防止することができ、半導体素子２の信頼性が損なわれることを防ぐことができるものである。図６（ａ）は金属板４の周辺部の９箇所にボール状のスペーサ凸部５を接着して設けた例を示すものであり、図６（ｂ）は金属板４の周辺部の４箇所に、図６（ｃ）のようなＬ字型成形品のスペーサ凸部５を貼り付けて設けた例を示すものである。勿論、これらに限定されないのはいうまでもない。
【００４１】
また、上記のように金属板４にスペーサ凸部５を設けることによって、既述の図５のように成形金型７のキャビティ８の内面にスペーサ凸部５を当接させた状態で封止成形を行なうことができるものであり、封止成形時の封止圧力が金属板４に作用しても、金属板４をスペーサ凸部５で支えて金属板４の撓みを防止することができる。従って金属板４としてより薄いものを用いることが可能になる。金属板４の厚みは金属の種類によって異なるが、薄すぎると、自重による撓みや、しわによる変形が生じるおそれがあるので、０．０５ｍｍ以上の厚みであることが望ましい。
【００４２】
【実施例】
次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００４３】
（参考例１）
０．２５ｍｍピッチで８００個の共晶半田バンプ（融点１８３℃）をアレイ状に設けた、８ｍｍ×８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの半導体素子を用いた。またインターポーザーとして３５ｍｍ×３５ｍｍ×厚さ０．４ｍｍのＦＲ−５タイプのエポキシ樹脂プリント配線板を用いた。この半導体素子の表面には電流を流すことによって均一に発熱するようにアルミニウム配線が施してある。そしてこのインターポーザーの上面に半導体素子をフリップチップ接合し、ダウンフェースで搭載した。このとき半導体素子とインターポーザーの間のフリップチップ接合部の間隙寸法は５５〜７５μｍであった。また、半導体素子の上面に、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍの銅板からなる金属板を熱伝導性接着剤（銀系ダイボンディングペースト）で接着した。この金属板としては、上下両面に接着性を高めるためのヘアライン処理を施したものを用いた。
【００４４】
次に、この金属板を接着した半導体素子を搭載したインターポーザーを真空成形機構を有するトランスファー成形機の成形金型にセットし、そしてキャビティ内を減圧度約１．３ｈＰａ（約１Ｔｏｒｒ）で減圧し、封止材料を６．９ＭＰａ（７０ｋｇｆ／ｃｍ^２）の成形圧、１６０℃の成形温度で２分間トランスファー成形した。この封止材料としては、松下電工株式会社製エポキシ樹脂封止材料「ＣＶ８７００Ｆ２」（熱伝導率０．９Ｗ／ｍ・Ｋ、フィラーとして溶融シリカ８５質量％含有（最大粒径２０μｍ、平均粒径５μｍ））を使用し、封止厚み０．６５ｍｍ、封止範囲２９ｍｍ×２９ｍｍで封止した。
【００４５】
そして１７５℃で４時間アフターキュアすることによって、図１（ａ）の構造の半導体装置を得た。この半導体装置のパッケージを切断して断面を観察したところ、金属板の上面の封止樹脂の厚みは０．１２〜０．１５ｍｍであった。
【００４６】
（参考例２）
封止厚みを０．６ｍｍに変更するようにした他は、参考例１と同様にして図１（ａ）の構造の半導体装置を得た。この半導体装置のパッケージを切断して断面を観察したところ、金属板の上面の封止樹脂の厚みは０．０８〜０．１１ｍｍであった。
【００４７】
（参考例３）
金属板として、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍのアルミニウム板からなるものを用いるようにした他は、参考例１と同様にして図１（ａ）の構造の半導体装置を得た。この半導体装置のパッケージを切断して断面を観察したところ、金属板の上面の封止樹脂の厚みは０．０６〜０．１０ｍｍであった。
【００４８】
（実施例１）
金属板として、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの銅板の上面の四隅に高さ０．１５ｍｍの図５(ｃ)の成形品を接着剤で取り付けたものを用いるようにした他は、参考例１と同様にして図４、図６（ａ）の構造の半導体装置を得た。この半導体装置のパッケージを切断して断面を観察したところ、金属板の上面の封止樹脂の厚みは０．１５〜０．１６ｍｍであった。
【００４９】
（参考例４）
封止材料として、溶融シリカの５０質量％をアルミナ（最大粒径５μｍ、平均粒径１．５μｍ）で置き換えたものをフィラーとして配合して、熱伝導率を１．５Ｗ／ｍ・Ｋに調整するようにしたものを用いるようにした他は、参考例１と同様にして、図１（ａ）の構造の半導体装置を得た。
【００５０】
（参考例５）
封止材料として、溶融シリカの５０質量％を窒化硼素（最大粒径７μｍ、平均粒径２μｍ）で置き換えたものをフィラーとして配合して、熱伝導率を１．９Ｗ／ｍ・Ｋに調整するようにしたものを用いるようにした他は、参考例１と同様にして、図１（ａ）の構造の半導体装置を得た。
【００５１】
（実施例２）
封止材料として、溶融シリカの５０質量％をアルミナ（最大粒径５μｍ、平均粒径１．５μｍ）で置き換えたものをフィラーとして配合して、熱伝導率を１．５Ｗ／ｍ・Ｋに調整するようにしたものを用いるようにした他は、実施例１と同様にして、図４、図６（ａ）の構造の半導体装置を得た。
【００５２】
（比較例１）
参考例１と同様にしてインターポーザーに半導体素子を搭載した。そして、液状浸入型アンダーフィル封止材料（松下電工株式会社製「ＣＶ５１８３Ｆ」：エポキシ樹脂封止材料）を半導体素子のフリップチップ接合部の間隙に注入し、１００℃、１時間の条件で硬化させることによって、図７（ｂ）の構造の半導体素子を得た。
【００５３】
（比較例２）
参考例１と同様にしてインターポーザーに半導体素子を搭載し、そしてまず、液状浸入型アンダーフィル封止材料（松下電工株式会社製「ＣＶ５１８３Ｆ」）を各半導体素子のフリップチップ接合部の間隙に注入し、比較例１と同様にして硬化させた。
【００５４】
このようにアンダーフィル封止をした後、半導体素子を搭載したインターポーザーを参考例１と同じ成形金型にセットし、参考例１と同様にしてトランスファー成形を行ない、図７（ｃ）の構造の半導体装置を得た。
【００５５】
（比較例３）
放熱用の金属板を使用しないようにした他は、参考例１と同様にして、図７（ｄ）の構造の半導体装置を得た。
【００５６】
上記の実施例１〜２、参考例１〜５及び比較例１〜３で得た半導体装置について、インターポーザーのコプラナリティー（バンプ上面の平坦性）、耐半田性、温度サイクル信頼性、ＰＣＴ信頼性、放熱性を測定した。
【００５７】
ここで、インターポーザーのコプラナリティーの測定は、インターポーザーの下面を対角線上に表面粗さ計で計測しておこなった。耐半田性は試料数１１個で試験を行ない、ＪＥＤＥＣ（Joint Electron Device Engineering Council）が定めるレベル２をクリアするとき「◎」、レベル３をクリアするとき「○」、レベル３をクリアできないとき「×」と評価した。温度サイクル信頼性は、−６５℃で１５分間、室温で５分間、１５０℃で１５分間を１サイクルとして、１１個の試料について寒熱サイクル試験を２０００サイクル行ない、不良発生までのサイクル回数をカウントして評価した。ＰＣＴ信頼性は、１２１℃、２気圧でプレッシャクッカーテストを行ない、不良発生までの時間を測定して評価した。放熱性の試験は、半導体装置のアルミニウム配線に１０ｍＡの電流を流し、アルミニウム配線が溶断するまでの時間を測定することによっておこなった。これらの結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】

【００５９】
表１にみられるように、各実施例のものは、インターポーザーのコプラナリティー、耐半田性、温度サイクル信頼性、ＰＣＴ信頼性、放熱性においてそれぞれ優れるものであった。
【００６０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係る半導体装置によれば、半導体素子を界面のない封止樹脂で封止することができ、耐半田性などの信頼性を高く得ることができるものである。また半導体素子の発熱は金属板に伝熱され、金属板の広い面積から封止樹脂を通して放散されるものであり、半導体素子からの発熱を熱放散性高く放熱することができるものである。
【００６１】
また、金属板の半導体素子と反対側の面に封止される封止樹脂の厚みを、スペーサ凸部の高さに合わせて均一に形成することができ、半導体素子の発熱を金属板から封止樹脂を通して均一に放散することができるものであり、熱放散性を向上させることができるものである。
【００６２】
また請求項２の発明によって、半導体素子の発熱を熱伝導性接着剤を介して金属板に効率高く伝熱することができ、半導体素子の発熱の放散性能を高めることができるものである。
【００６３】
また請求項３の発明によって、金属板から封止樹脂に熱を良好に伝導させて、封止樹脂の表面から放熱することができ、熱放散性能を高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ断面図である。
【図２】同上のトランスファー成形を示す断面図である。
【図３】参考例を示すものであり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ断面図である。
【図４】本発明の実施の形態を示す断面図である。
【図５】同上のトランスファー成形を示す一部の断面図である。
【図６】同上の他の実施の形態を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ斜視図である。
【図７】他の従来例を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ断面図である。
【符号の説明】
１インターポーザー
２半導体素子
３封止樹脂
４金属部材
５スペーサ凸部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device formed by flip-chip mounting a semiconductor element on an interposer and sealing with a sealing resin.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of higher integration of semiconductors, the number of I / Os of semiconductor devices tends to increase dramatically. However, SOP (Small Outline Package) and QFP (Quad Flat Package) using conventional lead frames cannot cope with this, so semiconductor devices such as PBGA (Plastic Ball Grid Array) have been developed, and gate arrays, chip sets, etc. Used in. FIG. 7A shows an example of a PBGA. A semiconductor element 2 is mounted on the interposer 1 and the electrodes of the semiconductor element 2 and the terminals of the interposer 1 are connected by a wire 10 such as a gold wire or an aluminum fine wire. In addition, the semiconductor element 2 including the wire 10 is sealed with the sealing resin 3. A solder ball 11 for external connection is provided on the surface of the interposer 1 opposite to the surface on which the semiconductor element 2 is mounted.
[0003]
On the other hand, in the fields of gate arrays, chipsets, graphics, etc., the increase in the number of I / Os and the improvement in operating speed are remarkable, and instead of the above wire bonding method using gold wires or aluminum thin wires, the electrical characteristics are improved. Application of flip chip bonding which is excellent and can easily cope with an increase in the number of I / Os is desired. For flip chip bonding, bumps 6 are formed on the semiconductor element 2 with solder, gold, or the like, and the semiconductor element 2 is mounted face-down on the interposer 1, for example, as shown in CSP (Chip Scale Package) shown in FIG. The bump 6 is bonded to the terminal of the interposer 1 so that the bump 6 and the terminal are directly electrically connected by metal bonding. At this time, in order to protect the surface of the semiconductor element 2 from humidity and to protect the bumps 6 from mechanical stress, usually, a fine gap between the semiconductor element 2 and the interposer 1 is filled with resin. Sealing called underfill is performed. This underfill is formed by a fine gap of about 15 to 100 μm between the interposer 1 and the semiconductor element 2, so that a low-viscosity liquid material sealing material is injected by capillary action and then cured by heating. Thus, the sealing resin 3 a is generally filled in the gap between the semiconductor element 2 and the interposer 1. Reference numeral 11 denotes a solder ball for external connection provided on the interposer 1, and the one shown in FIG. 7B is generally called an FC-BGA (Flip Chip-Ball Grid Array).
[0004]
As described above, the semiconductor device in which the semiconductor element 2 is flip-chip bonded to the interposer 1 can easily cope with the increase in the number of I / Os as well as the performance of electrical connection as compared with the conventional wire bonded semiconductor device. It has the advantage of being excellent. However, since it takes time to inject the sealing resin 3a of the low-viscosity liquid material into the fine gap between the interposer 1 and the semiconductor element 2 by capillary action, there is a problem in underfill productivity, In order to rely on the natural phenomenon of capillary action, the fluidity of the low-viscosity liquid sealing resin 3a changes under the influence of bump patterns and flux residue, and voids may remain in the underfill, leading to reduced reliability. There is a problem that there is. Furthermore, since the back surface side of the semiconductor element 2 is exposed, there is a possibility that the end face of the exposed portion of the semiconductor element 2 may be chipped.
[0005]
In addition, after forming an underfill with a low viscosity liquid material sealing resin 3a in the gap between the interposer 1 and the semiconductor element 2 as described above, the back side of the semiconductor element 2 is also formed as shown in FIG. The sealing resin 3b is molded and sealed. In this case, since the entire surface of the semiconductor element 2 is sealed with the sealing

resins

3a and 3b, problems such as pick-up properties are eliminated, but both an underfill sealing process and a mold sealing process are required. As a result, the productivity is further reduced, the void problem remains as it is, and an interface is formed between the underfill sealing resin 3a and the mold sealing sealing resin 3b. There is a possibility that a new problem may occur in solder resistance, such as easy occurrence of interface peeling.
[0006]
Therefore, by using a molding die capable of reducing the pressure, setting the interposer 1 to which the semiconductor element 2 is flip-chip bonded in the cavity of the molding die, and injecting a sealing material into the cavity in a reduced pressure state, A semiconductor device in which the gap between the interposer 1 and the semiconductor element 2 is filled with the sealing resin 3 and the back and side surfaces of the semiconductor element 2 are sealed with the sealing resin 3 as shown in FIG. It has been proposed (see Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-74194
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the invention of Patent Document 1, it is possible to fill the fine gap between the interposer 1 and the semiconductor element 2 with the sealing resin 3 by performing molding in a reduced pressure state. The interposer 1 and the semiconductor element 2 and the back and side surfaces of the semiconductor element 2 can be simultaneously sealed with the same sealing resin 3. Therefore, in this case, there is no interface in the sealing resin 3, and interface peeling does not occur, so that high reliability such as solder resistance can be obtained.
[0009]
However, in FIG. 7D, since the entire periphery of the semiconductor element 2 is covered with the sealing resin 3, the heat dissipation from the semiconductor element 2 is low, and the semiconductor device 2 can cope with higher power. There was a problem.
[0010]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having high reliability such as solder resistance and excellent heat dissipation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to claim 1 of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor element 2 is disposed face down on an interposer 1 and is mounted by flip chip bonding, on the opposite side of the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2. A metal plate 4 having a larger area than this surface is bonded to the surface, a gap formed in the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2, and a surface other than the bonding surface between the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2 and the metal plate 4 , All the surfaces other than the bonding surface of the metal plate 4 to the semiconductor element 2, Transfer molding by vacuum transfer molding method In the periphery of the metal plate 4 that is sealed with the same sealing resin 3 and projects outward from the semiconductor element 2, the same height is applied to a plurality of locations on the surface opposite to the bonding surface of the metal plate 4 to the semiconductor element 2. The spacer projection 5 is provided, and the tip surface of the spacer projection 5 is exposed flush with the surface of the sealing resin 3. In addition, the thickness of the sealing resin 3 sealed on the surface opposite to the semiconductor element 2 of the metal plate 4 is set to 0.3 mm or less. It is characterized by comprising.
[0013]
And claims 2 The invention of claim 1 In this embodiment, the metal plate 4 is bonded to the semiconductor element 2 with a heat conductive adhesive.
[0014]
And claims 3 The invention of claim 1 Or 2 The thermal conductivity of the sealing resin 3 is 1.2 W / m · K or more.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0016]
Examples of the interposer 1 include an organic substrate, a ceramic substrate, a flexible substrate, and a combination of these with a metal substrate. However, any material can be used as long as the interposer 1 can be normally used.
[0017]
As the semiconductor element 2, an arbitrary semiconductor bare chip such as a silicon bare chip can be used, and bumps 6 are provided on a circuit forming surface on one side with a metal material such as solder or gold.
[0018]
Then, the semiconductor element 2 is placed on the interposer 1 by placing the semiconductor element 2 face down with the circuit forming surface facing the interposer 1 and flip-chip bonding the bumps 6 to the semiconductor element 2. I have to do it. Thus, on the circuit formation surface of the semiconductor element 2 that is flip-chip bonded face down, a gap having a thickness of about 0.015 to 0.1 mm, which is substantially equivalent to the thickness of the bump 6, is formed as a gap at the flip chip bonded portion. The
[0019]
Here, FIG. Reference example As shown in FIG. 1B, the semiconductor element 2 can be used alone and the semiconductor element 2 can be flip-chip bonded directly to the interposer 1 face down. Reference example As shown in FIG. 1C, a plurality of semiconductor elements 2 may be flip-chip bonded face down. Reference example In addition to the flip-chip bonding of the semiconductor element 2 to the interposer 1 as described above, another passive component 12 may be mounted on the interposer 1. Further, FIG. 1 (d) Reference example As described above, the semiconductor element 2 may be used as a so-called module in which other passive components 13 are also mounted. In FIG. Reference example Indicates a so-called stacked CSP, in which the semiconductor element 2 is flip-chip bonded to the interposer 1 via the passive component 13 face down, and the passive component 13 is connected to the interposer by a wire 11 such as a gold wire. By connecting to the semiconductor device 2, the semiconductor element 2 is electrically connected to the interposer 1 through the passive component 13. Therefore, in the present invention, the semiconductor element 2 may be flip-chip bonded directly face-down to the interposer 1 or the semiconductor element 2 is flip-chip bonded indirectly face-down via the passive component 13 or the like. In short, in the present invention, it is only necessary that at least one semiconductor element 2 is mounted on the interposer 1 by face-down flip chip bonding. 1 (a) to 1 (d) all show a solder ball 11 for external connection provided on the back surface of the interposer 1, but external connection is made with a land formed on the back surface of the interposer 1. It can also be formed in other connection forms such as the above.
[0020]
A metal plate 4 is bonded to the surface of the semiconductor element 2 opposite to the flip chip joint. The metal plate 4 is formed with a larger area than the surface of the semiconductor element 2 opposite to the flip chip bonding portion, and is bonded so as to protrude outward from the semiconductor element 2. Since the metal plate 4 is intended for heat dissipation, it is preferable that the metal plate 4 has high thermal conductivity. For example, a copper plate, an aluminum plate, an iron plate, a nickel plate, or the like whose surface is plated can be exemplified. . Since the metal plate 4 needs to withstand the pressure at the time of sealing and molding the sealing resin 3, it is preferable that the metal plate 4 has a strength that is difficult to bend. The thickness is preferably 1 mm or more. In addition to surface plating, physical treatment such as surface chemical treatment or hairline formation may be applied to the surface of the metal plate 4 in order to improve interfacial adhesion between the metal plate 4 and the sealing resin 3.
[0021]
As an adhesive for adhering the metal plate 4 to the semiconductor element 2, it is preferable to use a heat conductive adhesive having a high thermal conductivity in order to conduct heat of the semiconductor element 2 to the metal plate 4 satisfactorily. Examples of the thermally conductive adhesive include silicon grease, silver paste, and solder paste.
[0022]
In the present invention, the gap formed in the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2 and the surface other than the bonding surface between the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2 and the metal plate 4 (specifically, the side surface of the semiconductor element 2). ) And a surface other than the bonding surface of the metal plate 4 to the semiconductor element 2 (that is, the surface facing the interposer 1 side, the opposite surface, and the end surface of the four circumferences) of the sealing resin 3 of the same material By sealing with Half The conductor device A is manufactured.
[0023]
In this way, the present invention Half The conductor device A is sealed with the same sealing resin 3, and there is no interface in the sealing resin 3, so that no interface peeling occurs in the sealing resin 3, and solder resistance It is possible to obtain high reliability such as reliability. Moreover, the heat generated from the semiconductor element 2 is transferred to the metal plate 4 and dissipated through the sealing resin 3 from a large area of the metal plate 4, and the heat generated from the semiconductor element 2 is dissipated with high heat dissipation. Therefore, it is possible to easily cope with the high power of the semiconductor device. Thus, since the heat of the semiconductor element 2 is dissipated from the metal plate 4 through the sealing resin 3, it is preferable that the thickness of the sealing resin 3 sealed on the surface opposite to the semiconductor element 2 of the metal plate 4 is thin. The thickness is preferably 0.3 mm or less, and more preferably 0.1 mm or less.
[0024]
Here, FIG. 1 (a), (d) Reference example A semiconductor device A shown in FIG. 1 shows an example in which a single metal plate 4 is bonded to a single semiconductor element 2. Reference example Then, the metal plate 4 is bonded to the plurality of semiconductor elements 2 by bonding the metal plate 4 so as to straddle the plurality of semiconductor elements 2 mounted on the interposer 1. In FIG. Reference example Then, the metal plate 4 is bonded to the semiconductor element 2, and the passive component 12 is covered with the protruding portion 22 protruding from the metal plate 4, and the heat generated by the passive component 12 is radiated from the protruding portion 22.
[0025]
Next, a method for sealing and molding the semiconductor element 2 with the sealing resin 3 will be described. One preferred method is a transfer molding method using a solid sealing material or a liquid injection method using a liquid sealing material. In these methods, the interposer 1 mounted with the semiconductor element 2 to which the metal plate 4 is bonded is set in a molding die, the inside of the molding die is reduced in pressure, and the sealing material is put in the molding die. The sealing material is cured by introducing and heating and pressurizing the sealing material in the molding die. As described above, in the construction method in which the inside of the molding die is not depressurized, the gap between the flip chip joint portions of the semiconductor element 2 is not sufficiently filled with the underfill sealing resin 3, which may cause a filling failure. The degree of pressure reduction in the molding die is desirably set to 13 hPa (10 Torr) or less.
[0026]
Here, FIG. 2 shows an example of a transfer molding die 7 used in the vacuum transfer molding method, which is formed from a pair of upper and

lower mold plates

15 and 16. The lower surface of the upper mold plate 15 and the upper surface of the lower mold plate 16 are each provided with a recess for forming a cavity 8, and a runner 18 is connected to the cavity 8 via a gate 17. A suction path 19 connected to a vacuum pump (not shown) is connected to the opposite side of the cavity from the gate 17. Further, a packing 20 is provided between the

mold plates

15 and 16 so as to surround the cavity 8, the runner 18 and the suction path 19, and the

mold plates

15 and 16 of the molding die 7 are clamped from the cavity 8 when the molds are clamped. Air leakage can be prevented by the packing 20.
[0027]
First, the molding die 7 is opened, the interposer 1 on which the semiconductor element 2 to which the metal plate 4 is bonded is mounted in the cavity 8 of the lower mold plate 16, and then the upper mold plate 15 is placed on the lower mold plate 16. Close. Then, the upper and

lower mold plates

15 and 16 are sealed with the packing 20, and the vacuum pump is operated in a state where the upper and

lower mold plates

15 and 16 are not clamped to deaerate the inside of the cavity 8 through the suction path 19. At the same time, a tablet of sealing material is put into the pot (not shown) of the molding die 7 to prevent air leakage in the pot, and the vacuum is increased by holding for 1 to 5 seconds. The

plates

15 and 16 are clamped, and the pot plunger (not shown) is operated to inject molten molten sealing material from the runner 18 through the gate 17 into the cavity 5.
[0028]
When the inside of the cavity 8 is depressurized as described above and the sealing material is injected into the cavity 8 of the upper mold plate 15, the sealing material flows into the gap between the flip chip joints of the semiconductor element 2 and the metal plate. 4 flows into the gap between the back surface of the cavity 4 and the inner surface of the cavity 8, and the sealing resin 3 is filled in the gap between the flip chip joints of the semiconductor element 2 to perform underfill sealing. The side surfaces of the metal plate 4 and the back surface of the metal plate 4 can be molded and sealed, and the semiconductor device A as shown in FIGS. 1A to 1D sealed with the sealing resin 3 having no interface. Can be produced. At this time, since the inside of the cavity 8 is depressurized, an air pocket or the like is present in a minute gap between the flip chip joints of the semiconductor element 2 or a minute gap between the back surface of the metal plate 4 and the inner surface of the cavity 8. The sealing material can be satisfactorily flowed in without being generated, and the sealing material 3 can be filled and sealed with the sealing resin 3 in a short time without causing poor filling.
[0029]
Here, as the sealing material, a material applicable to semiconductor sealing by transfer molding can be used. For example, an epoxy resin composition, a silicone resin composition, an unsaturated polyester resin composition, or the like is used. be able to. A material containing a filler is used as the sealing material, and it is preferable to use a material having a maximum particle size of ½ or less of the gap size of the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2. When the maximum particle size of the filler exceeds 1/2 of the gap size of the flip chip joint portion of the semiconductor element 2, it becomes difficult for the sealing material to flow into the minute gap of the flip chip joint portion of the semiconductor element 2, Insufficient filling may occur, and when the sealing material enters the minute gap, the filler may be rubbed and scratched on the surface of the semiconductor element 2 to reduce reliability.
[0030]
As the filler, in addition to fused silica generally used for semiconductor encapsulation, thermally conductive fillers such as crystalline silica, alumina, silicon nitride, boron nitride, and aluminum nitride can be used. Thus, by mix | blending a heat conductive filler, the heat conductivity of the sealing resin 3 can be improved, and the heat conductivity of the sealing resin 3 is set to 1.2 W / m · K or more. It is preferable to do this. When the thermal conductivity of the sealing resin 3 is less than 1.2 W / m · K, the thermal conductivity of the sealing resin 3 is insufficient when heat is dissipated from the metal plate 4 through the sealing resin 3. Therefore, by providing the metal plate 4, the effect of improving heat dissipation may be insufficient. Since it is preferable that the thermal conductivity of the sealing resin 3 is as high as possible, the upper limit is not particularly set. Here, since the heat conductive filler generally has a high hardness, in order to prevent the surface of the semiconductor element 2 from being damaged, the maximum particle size thereof is 1/5 or less of the gap size of the flip chip joint portion of the semiconductor element 2. Is more desirable.
[0031]
Further, when performing the vacuum transfer sealing molding as described above, the molding temperature, that is, the temperature of the molding die 7 is 5 ° C. lower than the melting point of the metal constituting the bump 6 provided in the semiconductor element 2 (melting point−5 ° C. ) Is preferably lower. If the molding temperature is higher than this temperature, the strength of the bump 6 that flip-chip-bonds the semiconductor element 2 to the interposer 1 becomes weak, and the flip-chip bonding against the injection pressure of the melt-sealing material during transfer molding Is likely to cause troubles such as dropping of the semiconductor element 2 and defective flip chip bonding. The lower limit of the molding temperature is not particularly set, but needs to be higher than the temperature at which the sealing material is cured.
[0032]
Another preferable method for sealing and molding the semiconductor element 2 with a sealing resin is to seal the semiconductor element 2 with a liquid sealing material at room temperature in a reduced-pressure atmosphere, and then thermoset under pressure 2 This is due to a staged process. The method for sealing the liquid sealing material at room temperature under a reduced pressure atmosphere in the first stage may be a method using a dispenser, but is preferably a printing method from the viewpoint of high productivity, and is commercially available. It is possible to use equipment called “vacuum printing machines”. The reduced pressure atmosphere when sealing the liquid material is preferably 2.7 hPa (2 Torr) or less, and when the degree of reduced pressure exceeds 2.7 hPa, the underfill sealing resin 3 is applied to the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2. May be insufficiently filled.
[0033]
Moreover, in the process of heat-curing under the second-stage pressure following the sealing process, usually 0.2 MPa to 0.49 MPa (2 to 5 kg / cm ² ) And heating according to the curing conditions of the sealing material are performed, but are not particularly limited. In this step, it is preferable to perform preheating for 3 minutes or more under pressure at a temperature not lower than 40 ° C. and not higher than the curing temperature of the sealing material before heating to cure the sealing material. This is to promote filling of the underfill sealing material into the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2 before the viscosity of the resin of the sealing material increases. At a temperature of 40 ° C. or lower, the effect of lowering the viscosity of the sealing material compared to room temperature is low, and the effect of promoting filling becomes insufficient. The increase in viscosity due to the heating of the sealing material differs depending on the type of resin, so it cannot be defined quantitatively. It becomes difficult.
[0034]
Examples of the liquid sealing material used in this method include an epoxy resin composition and a silicone resin composition. Of the fillers contained in the sealing material used, 95% by mass or more of fillers are used. The maximum particle size is preferably 1/3 or less of the gap size of the flip chip joint portion of the semiconductor element 2. When 5% by mass or more of a large particle filler having a maximum particle diameter exceeding 1/3 of the gap size of the flip chip bonding portion of the semiconductor element 2, the gap of the flip chip bonding portion is dammed with a large particle filler. Therefore, the filling of the sealing resin 3 may be insufficient. As the filler, in addition to fused silica generally used for semiconductor encapsulation, a thermally conductive filler such as crystalline silica, alumina, silicon nitride, boron nitride, aluminum nitride is used for the purpose of improving thermal conductivity. it can. In addition, in order to relieve stress and reduce warpage, when the elastic material is dispersed and contained in the liquid sealing material, the maximum particle size of 90% by mass or more of the dispersed elastic material for the same reason as described above, It is preferable that it is 1/3 or less of the gap dimension of the flip chip joint part of the semiconductor element 2.
[0035]
Figure 3 Other reference examples As shown in FIG. 3A, a plurality of semiconductor elements 2 are arranged in a matrix array on the interposer 1, and each semiconductor element 2 is mounted by flip-chip bonding face-down. . A metal plate 4 is bonded on each of the plurality of semiconductor elements 2. Then, a sealing material is molded and cured in the same manner as described above on the interposer 1 on which the plurality of semiconductor elements 2 are mounted, and the semiconductor elements 2 are collectively packed with the sealing resin 3 as shown in FIG. And seal. Thus, after sealing each semiconductor element 2 with the sealing resin 3, the interposer 1 and the sealing resin 3 are cut | disconnected by the dicing process in the location between the adjacent semiconductor elements 2 (a cutting location is shown in FIG. 3), the semiconductor device A as shown in FIG. 3B can be obtained by dividing the part on which each semiconductor element 2 is mounted into individual pieces.
[0036]
FIG. 4 shows the present invention. The fruit The embodiment is shown, and spacer protrusions 5 having the same height are provided at a plurality of locations on the surface of the metal plate 4 opposite to the bonding surface with the semiconductor element 2. When the surface of the metal plate 4 opposite to the semiconductor element 2 is sealed with the sealing resin 3 as described above, the front end surface of each spacer protrusion 5 is flush with the surface of the sealing resin 3. To be exposed. In this way, the spacer protrusions 5 having the same height are provided at a plurality of locations on the surface of the metal plate 4, and the sealing resin 3 is so exposed that the front end surface of each spacer protrusion 5 is flush with the surface of the sealing resin 3. By sealing with, the thickness of the sealing resin 3 sealed on the surface of the metal plate 4 opposite to the semiconductor element 2 is the same as the height of the spacer protrusions 5 on the entire surface of the metal plate 4. It can be formed in various dimensions.
[0037]
That is, as shown in FIG. 5, when the interposer 1 on which the semiconductor element 2 to which the metal plate 4 is bonded is mounted in the cavity 8 of the molding die 7 in the same manner as described above, each spacer protrusion provided on the metal plate 4 is projected. The part 5 contacts the inner surface of the cavity 8, and the gap between the metal plate 4 and the inner surface of the cavity 8 is regulated by the spacer convex portion 5, so that the thickness of the gap between the metal plate 4 and the inner surface of the cavity 8 becomes uniform. By molding in this state, the thickness of the sealing resin 3 sealed on the surface of the metal plate 4 opposite to the semiconductor element 2 is formed with the same uniform dimension as the height of the spacer protrusion 5 over the entire surface. It is something that can be done.
[0038]
Accordingly, when the heat of the semiconductor element 2 is dissipated from the metal plate 4 through the sealing resin 3, the heat can be uniformly dissipated through the sealing resin 3 from the entire surface of the metal plate 4 opposite to the semiconductor element 2. It can improve heat dissipation.
[0039]
The area, material, and formation method of the tip surface of the spacer convex portion 5 are not particularly limited. For example, a metal ball is bonded to the metal plate 4, a drawing process is performed on the metal plate 4, or the metal plate The spacer projections 5 can be formed by cutting the plate 4, or the spacer projections 5 can be formed by adhering a resin frame or a punched molded product to the metal plate 4. Here, if the area of the front end surface of the spacer convex portion 5 is too large, the pressure at the time of setting in the molding die 7 and clamping the die may act on the semiconductor element 2 adversely.
[0040]
Moreover, it is preferable to set the location which provides the spacer convex part 5 in the part protruded outside the semiconductor element 2 of the peripheral part of the metal plate 4. FIG. If the spacer protrusion 5 is provided at a position outside the semiconductor element 2 as described above, excessive stress is applied to the pressure when the mold is set and clamped on the molding die 7 directly. This can prevent the reliability of the semiconductor element 2 from being impaired. FIG. 6A shows an example in which ball-shaped spacer protrusions 5 are bonded and provided at nine locations on the periphery of the metal plate 4, and FIG. 6B shows 4 on the periphery of the metal plate 4. The example which affixed and provided the spacer convex part 5 of the L-shaped molded product like FIG.6 (c) in the location is shown. Of course, it is needless to say that the present invention is not limited to these.
[0041]
Further, by providing the spacer projection 5 on the metal plate 4 as described above, sealing is performed with the spacer projection 5 being in contact with the inner surface of the cavity 8 of the molding die 7 as shown in FIG. The metal plate 4 can be supported by the spacer protrusions 5 to prevent the metal plate 4 from being bent even when the sealing pressure during the sealing molding acts on the metal plate 4. . Accordingly, a thinner metal plate 4 can be used. The thickness of the metal plate 4 varies depending on the type of metal, but if it is too thin, there is a risk of bending due to its own weight or deformation due to wrinkles, so it is desirable that the thickness be 0.05 mm or more.
[0042]
【Example】
Next, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[0043]
( Reference example 1)
A semiconductor element of 8 mm × 8 mm × thickness 0.3 mm, in which 800 eutectic solder bumps (melting point: 183 ° C.) were provided in an array at a pitch of 0.25 mm, was used. Further, an FR-5 type epoxy resin printed wiring board having a size of 35 mm × 35 mm × thickness 0.4 mm was used as an interposer. Aluminum wiring is applied to the surface of the semiconductor element so as to generate heat uniformly by passing a current. A semiconductor element was flip-chip bonded to the upper surface of the interposer and mounted with a down face. At this time, the gap size of the flip chip joint between the semiconductor element and the interposer was 55 to 75 μm. Further, a metal plate made of a copper plate of 20 mm × 20 mm × thickness 0.15 mm was bonded to the upper surface of the semiconductor element with a heat conductive adhesive (silver die bonding paste). As this metal plate, what gave the hairline process for improving adhesiveness to upper and lower surfaces was used.
[0044]
Next, the interposer loaded with the semiconductor element to which the metal plate is bonded is set in a molding die of a transfer molding machine having a vacuum forming mechanism, and the pressure in the cavity is reduced to about 1.3 hPa (about 1 Torr). The sealing material is 6.9 MPa (70 kgf / cm ² ) And a molding temperature of 160 ° C. for 2 minutes. As this sealing material, epoxy resin sealing material “CV8700F2” manufactured by Matsushita Electric Works Co., Ltd. (thermal conductivity 0.9 W / m · K, containing 85 mass% of fused silica as filler (maximum particle size 20 μm, average particle size 5 μm) )), And sealed with a sealing thickness of 0.65 mm and a sealing range of 29 mm × 29 mm.
[0045]
And after-curing at 175 degreeC for 4 hours, the semiconductor device of the structure of Fig.1 (a) was obtained. When the package of this semiconductor device was cut and the cross section was observed, the thickness of the sealing resin on the upper surface of the metal plate was 0.12 to 0.15 mm.
[0046]
( Reference example 2)
Other than changing the sealing thickness to 0.6 mm, Reference example The semiconductor device having the structure of FIG. When the package of this semiconductor device was cut and the cross section was observed, the thickness of the sealing resin on the upper surface of the metal plate was 0.08 to 0.11 mm.
[0047]
( Reference example 3)
Other than using a metal plate made of an aluminum plate of 20 mm × 20 mm × thickness 0.2 mm, Reference example 1 The semiconductor device having the structure shown in FIG. When the package of this semiconductor device was cut and the cross section was observed, the thickness of the sealing resin on the upper surface of the metal plate was 0.06 to 0.10 mm.
[0048]
(Example 1 )
As the metal plate, except that a 20 mm × 20 mm × 0.1 mm thick copper plate was used with the adhesive of the molded product of FIG. 5 (c) having a height of 0.15 mm at the four corners of the upper surface, Reference example In the same manner as in Example 1, a semiconductor device having the structure of FIGS. 4 and 6A was obtained. When the package of this semiconductor device was cut and the cross section was observed, the thickness of the sealing resin on the upper surface of the metal plate was 0.15 to 0.16 mm.
[0049]
( Reference example 4 )
As a sealing material, 50% by mass of fused silica is replaced with alumina (maximum particle size 5 μm, average particle size 1.5 μm) as a filler, and the thermal conductivity is adjusted to 1.5 W / m · K. Other than using what I did, Reference example 1 was obtained in the same manner as in FIG.
[0050]
( Reference Example 5 )
As a sealing material, a material obtained by replacing 50% by mass of fused silica with boron nitride (maximum particle size: 7 μm, average particle size: 2 μm) is blended as a filler to adjust the thermal conductivity to 1.9 W / m · K. Other than using something like that, Reference example 1 was obtained in the same manner as in FIG.
[0051]
(Example 2 )
As a sealing material, 50% by mass of fused silica is replaced with alumina (maximum particle size 5 μm, average particle size 1.5 μm) as a filler, and the thermal conductivity is adjusted to 1.5 W / m · K. Except for using the ones that were designed to 1 In the same manner as described above, the semiconductor device having the structure of FIGS. 4 and 6A was obtained.
[0052]
(Comparative Example 1)
Reference example In the same manner as in No. 1, a semiconductor element was mounted on the interposer. Then, a liquid infiltration type underfill sealing material (“CV5183F” manufactured by Matsushita Electric Works Co., Ltd .: epoxy resin sealing material) is injected into the gap between the flip chip joints of the semiconductor element and cured under conditions of 100 ° C. for 1 hour. As a result, a semiconductor element having the structure of FIG.
[0053]
(Comparative Example 2)
Reference example The semiconductor element is mounted on the interposer in the same manner as in No. 1, and first, a liquid infiltration type underfill sealing material (“CV5183F” manufactured by Matsushita Electric Works Co., Ltd.) is injected into the gap between the flip chip joints of each semiconductor element. Curing was carried out in the same manner as in Comparative Example 1.
[0054]
After underfill sealing in this way, an interposer with a semiconductor element mounted Reference example Set in the same mold as 1 Reference example Transfer molding was carried out in the same manner as in No. 1 to obtain a semiconductor device having the structure of FIG.
[0055]
(Comparative Example 3)
Other than not using a metal plate for heat dissipation, Reference example The semiconductor device having the structure shown in FIG.
[0056]
Examples 1 to above 2, Reference Examples 1-5 And about the semiconductor device obtained by Comparative Examples 1-3, the coplanarity (flatness of bump upper surface) of interposer, solder resistance, temperature cycle reliability, PCT reliability, and heat dissipation were measured.
[0057]
Here, the measurement of the coplanarity of the interposer was performed by measuring the lower surface of the interposer diagonally with a surface roughness meter. Solder resistance was tested with 11 specimens. “◎” when clearing level 2 defined by JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), “○” when clearing level 3, and “3” when level 3 could not be cleared. “×”. The reliability of the temperature cycle is as follows: -65 ° C for 15 minutes, room temperature for 5 minutes, and 150 ° C for 15 minutes for 1 cycle. And evaluated. The PCT reliability was evaluated by performing a pressure cooker test at 121 ° C. and 2 atm, and measuring the time until the occurrence of defects. The heat dissipation test was performed by passing a current of 10 mA through the aluminum wiring of the semiconductor device and measuring the time until the aluminum wiring was melted. These results are shown in Table 1.
[0058]
[Table 1]

[0059]
As can be seen from Table 1, each example was excellent in the interposer coplanarity, solder resistance, temperature cycle reliability, PCT reliability, and heat dissipation.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, the semiconductor element can be sealed with the sealing resin having no interface, and reliability such as solder resistance can be obtained with high reliability. is there. The heat generated in the semiconductor element is transferred to the metal plate and dissipated through the sealing resin from a large area of the metal plate, and the heat generated from the semiconductor element can be dissipated with high heat dissipation.
[0061]
Ma The The thickness of the sealing resin sealed on the surface of the metal plate opposite to the semiconductor element can be uniformly formed according to the height of the spacer protrusion, and the heat generated from the semiconductor element can be transferred from the metal plate to the sealing resin It is possible to dissipate evenly and improve heat dissipation.
[0062]
And claims 2 According to the invention, the heat generation of the semiconductor element can be efficiently transferred to the metal plate through the heat conductive adhesive, and the heat dissipation performance of the semiconductor element can be enhanced.
[0063]
And claims 3 According to this invention, heat can be conducted well from the metal plate to the sealing resin to dissipate heat from the surface of the sealing resin, and the heat dissipation performance can be improved.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1] Reference example (A), (b), (c), (d) are sectional views, respectively.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the same transfer molding.
[Fig. 3] Reference example (A), (b) is a cross-sectional view, respectively.
FIG. 4 The fruit It is sectional drawing which shows embodiment.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the same transfer molding.
FIG. 6 shows another embodiment of the above, and (a), (b), and (c) are perspective views, respectively.
FIG. 7 shows another conventional example, and (a), (b), (c), and (d) are cross-sectional views, respectively.
[Explanation of symbols]
1 Interposer
2 Semiconductor elements
3 Sealing resin
4 Metal parts
5 Spacer convex part

Claims

In a semiconductor device in which semiconductor elements are arranged face down on an interposer and mounted by flip chip bonding, a metal plate having a larger area than this surface is bonded to the surface opposite to the flip chip bonding portion of the semiconductor elements, Vacuum transfer is performed between the gap formed in the flip chip bonding portion of the element, the surface other than the bonding surface between the flip chip bonding portion of the semiconductor element and the metal plate, and the entire surface other than the bonding surface of the metal plate with the semiconductor element. Transfer molding by molding method , sealing with sealing resin of the same material, in the peripheral part of the metal plate that protrudes outside the semiconductor element, at multiple locations on the surface opposite to the adhesive surface of the metal plate with the semiconductor element the spacer projections of same height arranged, Rutotomoni to expose the distal end face of the spacer projecting portion flush with the surface of the sealing resin, the semiconductor element of the metal plate counter Wherein a formed by setting the thickness of the sealing resin that is sealed to the surface to 0.3mm or less.

2. The semiconductor device according to claim 1 , wherein a metal plate is bonded to the semiconductor element with a heat conductive adhesive.

The semiconductor device according to claim 1 or 2 the thermal conductivity of the sealing resin is characterized in that it is 1.2 W / m · K or more.