JP5167856B2 - 半導体素子の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の実装構造に係わり、特に、良好な放熱特性と高速信号伝送特性とを備える半導体素子の実装構造に関する。

携帯端末等に代表される電気機器の多くは、配線基板に半導体素子を搭載したモジュール基板を用いて構成されている。近年、電気機器の高機能化と小型化の要求がますます高まっており、その構成部品の一つであるモジュール基板に対する高機能化と小型化の要求も高い。

しかしながら、モジュール基板の高機能化に伴ってモジュール基板の消費電力が増加し、かつ小型化に伴ってモジュール基板の発熱密度が上昇することで、モジュール基板の信頼性の悪化を招くという問題がある。

このような問題を解決する手段として、半導体素子をメタルコアの放熱基板に固着することでモジュール基板の放熱性を高めるという方法がある。

図８は、従来技術を示す図である。

図８において、半導体素子８０が、マウント部材８２を用いて金属板８３上に固定されている。マウント部材８２に半田を用いる場合、半導体素子８０への応力集中を緩和する目的から、金属板８３の材料として熱膨張係数が半導体素子のシリコンに比較的近い銅タングステン等を選択する必要があった。しかし、銅タングステンは、銅に比べるとコストが高く、かつ熱伝導率が低いという問題がある。

特許文献１に記載されているように、マウント部材８２に樹脂系の接着剤を用いて、金属板８３と半導体素子８０間の熱膨張係数の差を吸収する方法もあるが、樹脂系の接着剤は、半田に比べると熱抵抗が高く、放熱特性の悪化を招いていた。

また、半導体素子は、フラットな金属板上に搭載されるため、半導体素子８０と半導体素子周辺に位置する配線層８１との間で高さ方向のギャップが発生しやすく、両者間の電気的接続を行う場合、接続面の高さの違いをボンディングワイヤー等で吸収する必要があり、これが接続長を長くし、その結果、信号の高速伝送特性の悪化を招いていた。

即ち、従来の放熱基板を使用した半導体素子の実装方法には、下記のような問題がある。

第１の問題点は、メタルコアへ半導体素子を搭載する場合、半導体素子への応力集中を緩和するために、メタル材料には半導体素子と熱膨張係数が近い材料を選択しなければならないという問題である。

第２の問題点は、メタルコアへ半導体素子を半田等で搭載する場合、メタルコア自体の熱容量が大きいために半田が溶けず、半導体素子を位置精度良く搭載することが困難であるという問題である。

第３の問題点は、メタルコアへ半導体素子を搭載する場合、半導体素子表面と、半導体素子と電気的接続を行う半導体素子周辺の配線部表面との間で高さ方向のギャップが発生し、両者間を接続する接続長が長くなり、高周波信号の伝送特性を悪化させるという問題である。
特開平１０−６４９２８号公報

本発明の目的は、半導体素子を配線基板に搭載して構成するモジュール基板において、モジュール基板の高機能化、小型化に伴って基板の発熱密度が上昇しても、信頼性や組み立て性を低下することなく良好な放熱特性と高速信号伝送特性を備える半導体素子の実装構造を提供するものである。

本発明は、上記した目的を達成するために、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。

即ち、本発明に係わる半導体素子の実装構造の第１の態様は、
金属板と、前記金属板に固着させる半導体素子及び多層配線層と、前記半導体素子と前記多層配線層とを電気的に接続するための接続部とからなる半導体素子の実装構造において、
前記金属板上の前記半導体素子を固着する半導体素子搭載部には、複数の溝が形成され、前記半導体素子は、前記複数の溝の各溝によって分割形成された各凸状部分のそれぞれに、前記複数の溝内に空間を残した状態で、個別に独立して存在するフィレット状に形成された半田によって個別に固着され、前記半導体素子の表面と前記多層配線層の表面とが、ほぼ同一平面上にあることを特徴とするものであり、
又、第２の態様は、
前記半導体素子搭載部の外周部分には、環状の凹部が設けられ、封止樹脂で前記半導体素子と前記接続部とを封止する際、前記封止樹脂が前記凹部内に流れ込むことで、前記半導体素子と前記接続部とが、前記金属板上に封止されることを特徴とするものであり、
又、第３の態様は、
前記凹部は、前記金属板に形成されることを特徴とするものであり、
又、第４の態様は、
前記凹部は、前記半導体素子搭載部と前記多層配線層との間に形成されることを特徴とするものであり、
又、第５の態様は、
前記半導体素子搭載部は、前記金属板の表面から突出していることを特徴とするものであり、
又、第６の態様は、
前記半導体素子搭載部の表面と前記金属板の表面とは、同一平面上にあることを特徴とするものであり、
又、第７の態様は、
前記金属板には窪み部が形成され、この窪み部内に、前記半導体素子搭載部が設けられ、前記半導体素子搭載部は、前記窪み部分の表面から突出して形成されていることを特徴とするものであり、
又、第８の態様は、
前記複数の溝は、異なる方向に形成した溝が交差するように形成されていることを特徴とするものであり、
又、第９の態様は、
前記半導体素子の前記金属板と接触する面には、接地用端子が設けられていることを特徴とするものであり、
又、第１０の態様は、
前記複数の溝は、一定の周期をなすように形成されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体素子の実装構造は、上述のように構成したので、以下のような効果を奏する。
（１）本発明の実装構造を採用することで、半導体素子を配線基板に搭載するモジュール基板の高機能化、小型化に伴って基板の発熱密度が上昇したような場合でも、半導体素子に応力集中させることなく、熱伝導性のよい金属板に半導体素子を搭載することができ、又、搭載後も半導体素子に応力を集中させることなく信頼性を確保でき、更に、良好な放熱特性を実現できる。
（２）金属板に半導体素子を半田で固着する場合、金属板の半田接続部の熱容量を部分的に低下できるために、半導体素子の搭載を容易に、且つ位置精度よく固着できる。
（３）半導体素子表面と周辺配線部表面とを最短長で接続することができ、良好な高速信号伝送特性を実現できる。

本発明の半導体素子の実装構造は、
金属板と、前記金属板に固着させる半導体素子及び多層配線層と、前記半導体素子と前記多層配線層とを電気的に接続するための接続部とからなる半導体素子の実装構造において、
前記金属板上の前記半導体素子を固着する半導体素子搭載部には、複数の溝が形成され、前記半導体素子は、前記複数の溝の各溝によって分割形成された各凸状部分のそれぞれに、前記複数の溝内に空間を残した状態で、個別に独立して存在するフィレット状に形成された半田によって個別に固着され、前記半導体素子の表面と前記多層配線層の表面とが、ほぼ同一平面上にあることを特徴とするものである。

そして、上記した半導体素子の実装構造を採用することで、半導体素子を配線基板に搭載するモジュール基板の高機能化、小型化に伴って基板の発熱密度が上昇しても、半導体素子に応力集中させることなく、熱伝導性のよい金属板に半導体素子を容易に搭載することができ、良好な放熱特性を実現できる。
また、半導体素子表面と周辺配線部表面とを最短長で接続することができ、良好な高速信号伝送特性を実現できる。

以下に、本発明の実施例を図を用いて、詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１に、本発明の実施の形態を示す。

図１は、本発明の半導体素子の実装構造の断面図である。半導体素子１０が、半導体素子搭載部のみが凸状になるように、一体加工された金属板１５の金属板凸部１２に半田１４を用いて固着されている。金属板凸部１２の高さは、半導体素子１０の表面の高さと、半導体素子の周辺に設けられ、半導体素子１０と電気的接続を行う多層配線層１１の表面の高さが、ほぼ同一になるように形成されている。

なお、本明細書では、「半導体素子の表面の高さ」や「多層配線層の表面の高さ」等の「高さ」は、半導体素子搭載部が設けられない金属板１５の面１５ａからの寸法をいう。

半導体素子１０を固着する金属板凸部１２には、複数の溝１３が形成されている。溝１３は、半導体素子搭載部の金属板の熱容量を部分的に低下させる役割をはたし、半田付けを容易にし、半導体素子を位置精度よく固着することを可能にしている。

また、溝１３は、半導体素子固着後に、半導体素子と金属板との熱膨張係数の差から生じる応力を吸収する役割をはたす。これにより、金属板１５の材料として、半導体素子１０のシリコンに対して熱膨張係数の差が比較的大きい材料、即ち、熱伝導性に優れる銅などの金属を用いることを可能にしている。金属板凸部１２を除く金属板１５の表面には、多層配線層１１が設けられている。半導体素子１０と多層配線層１１の表層は、ボンディングワイヤー１６で電気的に接続される。金属板凸部１２は、半導体素子表面の高さと多層配線層表層の高さとがほぼ同一になるような高さで形成されているため、ボンディングワイヤー１６は、最短長で接続することができ、信号の良好な高速伝送特性を実現できる。半導体素子１０周辺は、半導体素子とボンディングワイヤー接続部を保護するために、封止樹脂１１０で覆われる。封止樹脂１１０は、金属板１５の溝１３内の空間を維持しながら空気を閉じ込めることがないように形成する。金属板外周部には、金属板１５と多層配線層１１を電気的に強固に接続するスルーホール１７が形成されている。

半導体素子１０は、金属板搭載側にグランド端子を備えており、金属板１５は半田１４を介してグランドと接続された状態である。これにより、スルーホール１７は、グランドビアの役割をはたし、半導体素子１０のシールド性向上に寄与する。多層配線層１１は、内部に配線１１１を備え、配線で受動素子を作りこむことも可能である。多層配線層１１上には、他の配線基板等との接続を行うためのパッド１８と電極１９とが形成されている。

図２は、半導体素子搭載部の拡大断面図を示す。

半導体素子１０が、半導体素子搭載部のみが凸状になるように一体加工された金属板１５の金属板凸部１２に、半田１４を用いて固着されている。

半導体素子１０の半導体グランド端子２１１が、半田１４により金属板１５と接続されることで、金属板１５は、グランドと接続された状態になる。金属板凸部１２の高さは、半導体素子１０の外部端子２９の表面と、半導体素子１０の周辺に位置し、半導体素子１０と電気的接続を行う多層配線層１１のパッド２８の表面の高さとがほぼ同一になるように形成される。金属板凸部１２には、複数の溝１３が形成されている。溝１３が半導体素子搭載部の金属板の熱容量を部分的に低下させる役割をはたし、半導体素子の半田付けを容易に精度よく実施することを可能にしている。

半田１４は、溝１３内に空間を残して、金属板凸部１２の半導体接触部周りにフィレット状に形成される。溝１３内の空間が、半導体素子搭載後に半導体素子と金属板との熱膨張係数の差から生じる応力を吸収する役割をはたす。金属板１５の凸部外の半導体素子１０周辺部には多層配線層１１が設けられている。半導体素子１０の外部端子２９と多層配線層１１のパッド２８とは、ボンディングワイヤー１６で電気的に接続される。半導体素子１０の表面と多層配線層１１の表面の高さが、ほぼ同一になるように形成されているため、ボンディングワイヤー１６は、最短長で接続することができ、信号の良好な高速伝送特性を実現することが出来る。

半導体素子１０の周辺は、半導体素子１０とボンディングワイヤー部を保護するために封止樹脂１１０で覆われている。金属板の半導体素子搭載部の最外周部には、ダム部１１２を備える。このダム部１１２は、金属板凸部１２と多層配線層１１とで挟まれる環状の溝状の空間で構成される。封止樹脂１１０は、前記ダム部１１２に導かれ、金属板１５の溝１３内の空間を維持しながら、半導体素子配下に空気を閉じ込めることがないように、封止するようになっている。
（第２の実施例）
図３は、本発明の第２の実施例を示す図である。

第２の実施例が、前記第１の実施例と異なる主な点は、金属板に凹状の窪みが形成され、この窪み内に、凸状の半導体素子搭載部が設けられるように構成した点にある。この構成は、半導体素子３０の厚さに対して、周辺の多層配線層３１の厚さが薄い場合に適用される構造である。このような構造を用いることにより、前記第１の実施例と同様に、半導体素子３０の表面の高さと多層配線層３１の表面の高さとをほぼ同一にすることが可能になる。

また、半導体素子３０と多層配線層３１との接続は、ボンディングワイヤーの代わりに、リード端子３６を用いている。また、第２の実施例では、半導体素子３０の半導体グランド端子が無い場合を想定しているが、スルーホール３７に接続する電極３９を接続相手側の配線基板（図示していない）のグランドに接続することで、金属板をグランド接地することができる。従って、スルーホール３７は、グランドビアの役割をはたし、半導体素子３０のシールド性向上に寄与することになる。

図４は、第２の実施例の半導体素子搭載部の拡大断面図である。第２の実施例では、金属板３５に金属板凹部３２が形成され、この金属板凹部３２内に、凸状の半導体素子搭載部４２を設けている。金属板凹部３２の深さは、半導体素子３０の外部端子４９の表面の高さと、半導体素子３０の周辺に位置し、半導体素子３０と電気的接続を行う多層配線層３１のパッド４８の表面の高さとが、ほぼ同一になるように形成される。

金属板凹部３２内の半導体素子搭載部４２には、複数の溝３３が形成されている。溝３３が、半導体素子搭載部４２の金属板の熱容量を部分的に低下させる役割をはたし、半導体素子３０の半田付けを容易に、且つ精度よく実施することを可能にしている。半田３４は、溝３３内に空間を残して金属板凹部３２の半導体接触部周りにフィレット状に形成される。溝３３内の空間が、半導体素子搭載後に半導体素子と金属板との熱膨張係数の差から生じる応力を吸収する役割をはたす。

金属板３５の金属板凹部３２外の半導体素子周辺部には、多層配線層３１が形成される。半導体素子３０の外部端子４９と多層配線層３１のパッド４８とは、リード端子３６で電気的に接続される。半導体素子搭載部４２の表面は、半導体素子３０の高さと多層配線層３１の高さとがほぼ同一になるように形成されているため、リード端子３６は、最短長で接続することができ、信号の良好な高速伝送特性を実現できている。半導体素子３０周辺は、半導体素子とリード端子との接続部を保護するための封止樹脂３１０で覆われている。金属板３５の半導体素子搭載部４２の外周部には、ダム部４１２を備える。ダム部４１２は、環状の溝からなる。封止樹脂３１０は、ダム部４１２に導かれ、金属板の溝３３内の空間を維持しながら、半導体素子配下に空気を閉じ込めることがないように封止するようになっている。
（第３の実施例）
図５に本発明の第３の実施例の半導体素子搭載部の拡大断面図を示す。

第３の実施例が、第２の実施例と異なる主な点は、半導体素子５０が搭載される半導体素子搭載部５２の高さが、半導体素子搭載部５２の周りの金属板５５のフラットな面の高さとほぼ同じであり、半導体素子搭載部５２の周りには、環状の溝からなるダム部５１２が設けられている。この構造は、半導体素子５０の厚さと、周辺の多層配線層５１の厚さがほぼ等しい場合に適用される構造である。金属板５５の半導体素子搭載部５２には、複数の溝５３が形成されている。この溝５３が半導体素子搭載部５２の金属板の熱容量を部分的に低下させる役割をはたし、半導体素子の半田付けを容易に且つ精度よく実施することを可能にしている。半田５４は、溝５３内に空間を残して金属板の半導体接触部周りにフィレット状に形成される。溝５３内の空間が、半導体素子固着後に半導体素子と金属板との熱膨張係数の差から生じる応力を吸収する役割をはたす。金属板５５の半導体素子周辺部には多層配線層５１が形成されている。半導体素子５０の外部端子５９と多層配線層５１のパッド５８とは、リード端子５６で電気的に接続される。半導体素子５０の高さと多層配線層５１の高さとがほぼ同一になるように形成されているため、リード端子５６は最短長で接続され、信号の良好な高速伝送特性を実現している。半導体素子５０の周辺は、半導体素子とリード端子の接続部とを保護するために、封止樹脂５１０で覆われている。金属板５５の半導体素子搭載部５２を囲むように、環状の溝からなるダム部５１２が設けられている。封止樹脂５１０は、ダム部５１２に導かれ、金属板の溝５３内の空間を維持しながら、半導体素子配下に空気を閉じ込めることがないように形成されている。
（第４の実施例）
図６は、本発明の半導体素子の実装構造で用いられる溝の一実施例を示す。

図６は半導体素子搭載部の上面図である。

半導体素子６０が固着される半導体素子搭載部６２には、縦方向に複数の溝６３が形成されている。溝６３の最外周部にはダム部６４が設けられている。符号６１は、半導体素子６０が半導体素子搭載部６２に接触する素子接触部である。

図７は、本発明の半導体素子の実装構造で用いる溝の他の実施例を示す。

図７は、半導体素子搭載部の上面図である。

半導体素子７０が固着される半導体素子搭載部７２には、縦横方向に交差するように複数の溝７３を備えている。溝７３の最外周部にはダム部７４が設けられている。符号７１は、半導体素子７０が半導体素子搭載部７２に接触する素子接触部である。

なお、図７では、複数の溝７３が縦横方向に交差するようになっているが、必ずしも直交させる必要はない。

又、溝の構造は、上記した例に限定されるものではなく、半導体素子と金属板の材料との組み合わせによって、サイズ、形状、数を任意に選択することが可能である。また、溝の構造を半導体素子の動作周波数を考慮した一定の周期をなす周期構造体にすることで、溝に半導体素子から発生する電磁ノイズの抑制効果を持たせることも可能である。

また、本発明の構造は、金属板上に搭載する半導体素子が複数の場合でも対応可能である。

また、半導体素子や接続部を保護する目的で使用する封止樹脂が、金属板の半導体素子搭載部の溝内の空間を完全に埋めるように構成しても、溝による応力吸収効果は期待できる。更に、封止に関しては、樹脂によるもの以外に、メタルキャップを被せる等の方法を採用することも可能である。

本発明によれば、半導体素子を配線基板に搭載して構成するモジュール基板を用いる電気機器全般に適用できる。

本発明の半導体素子の実装構造の第１の実施例を示す図である。 第１の実施例の要部の拡大断面図である。 本発明の半導体素子の実装構造の第２の実施例を示す図である。 第２の実施例の要部の拡大断面図である。 本発明の半導体素子の実装構造の第３の実施例を示す図である。 本発明の半導体搭載部を示す図である。 本発明の半導体搭載部の他の実施例を示す図である。 従来技術を示す図である。

符号の説明

１０、３０、５０、６０、７０ 半導体素子
１１、３１、５１ 多層配線層
１２、３２ 金属板凸部
１３、３３、５３、６３、７３ 溝
１４、３４、５４ 半田
１５、３５、５５ 金属板
１６ ボンディングワイヤー
１７、３７ スルーホール
１８、２８、３８、４８、５８ パッド
１９、３９ 電極
３２ 金属板凹部
３６、５６ リード端子
４２，５２、６２、７２ 半導体素子搭載部
４９、５９ 外部端子
６１、７１ 素子接触部
６４、７４、１１２、４１２、５１２ ダム部
１１０、３１０、５１０ 封止樹脂
１１１、３１１ 配線
２１１ 半導体グランド端子

Claims (10)

1. 金属板と、前記金属板に固着させる半導体素子及び多層配線層と、前記半導体素子と前記多層配線層とを電気的に接続するための接続部とからなる半導体素子の実装構造において、
   前記金属板上の前記半導体素子を固着する半導体素子搭載部には、複数の溝が形成され、前記半導体素子は、前記複数の溝の各溝によって分割形成された各凸状部分のそれぞれに、前記複数の溝内に空間を残した状態で、個別に独立して存在するフィレット状に形成された半田によって個別に固着され、前記半導体素子の表面と前記多層配線層の表面とが、ほぼ同一平面上にあることを特徴とする半導体素子の実装構造。
2. 前記半導体素子搭載部の外周部分には、環状の凹部が設けられ、封止樹脂で前記半導体素子と前記接続部とを封止する際、前記封止樹脂が前記凹部内に流れ込むことで、前記半導体素子と前記接続部とが、前記金属板上に封止されることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の実装構造。
3. 前記凹部は、前記金属板に形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体素子の実装構造。
4. 前記凹部は、前記半導体素子搭載部と前記多層配線層との間に形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体素子の実装構造。
5. 前記半導体素子搭載部は、前記金属板の表面から突出していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体素子の実装構造。
6. 前記半導体素子搭載部の表面と前記金属板の表面とは、同一平面上にあることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体素子の実装構造。
7. 前記金属板には窪み部が形成され、この窪み部内に、前記半導体素子搭載部が設けられ、前記半導体素子搭載部は、前記窪み部分の表面から突出して形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体素子の実装構造。
8. 前記複数の溝は、異なる方向に形成した溝が交差するように形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体素子の実装構造。
9. 前記半導体素子の前記金属板と接触する面には、接地用端子が設けられていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の半導体素子の実装構造。
10. 前記複数の溝は、一定の周期をなすように形成されていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の半導体素子の実装構造。

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