JP2005228811A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フリップチップボンディング技術を用いた半導体装置の半導体チップ（パワー半導体チップ）の放熱性を向上させる。
【解決手段】 裏面に裏面電極３ｂが形成されたパワー半導体チップ３と、パワー半導体チップ３がフリップチップ実装される配線基板１と、パワー半導体チップ３と配線基板１上の基板側端子２ａとを接続するバンプ４と、パワー半導体チップ３と配線基板１との全体を覆う形状をし、裏面電極３ｂとＧＮＤ接続する放熱部材（金属部材）６と、パワー半導体チップ３、配線基板１、バンプ４および放熱部材（金属部材）６が実装される配線基板９とを有し、配線基板９上の基板側端子１０ｂと放熱部材６とをＧＮＤ接続させた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、パワー半導体チップを基板実装して成るパワー半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。

パワー半導体装置の一つである携帯電話用パワーアンプモジュールは、例えば、ワイヤボンディング技術を用いてワイヤボンディングされたパワー半導体チップと、チップコンデンサやチップ抵抗などの表面実装型のチップ部品（電子部品）とをはんだ接続によって配線基板に実装される。

特許文献１には、ワイヤボンディングされた半導体チップと表面実装型のチップ部品とをはんだ接続によって配線基板に実装されたモジュール製品（半導体装置）が開示され、その半導体チップ、ワイヤ、チップ部品を絶縁性の樹脂によって覆う技術（ワイヤボンディング技術）が記載されている。

一方、半導体装置の小型化技術として、ＬＳＩなどではフリップチップボンディング技術が用いられている。フリップチップボンディング技術は、半導体チップの主面を配線基板の電極と向かい合わせにした状態で、半導体チップの電極と配線基板側端子とにバンプ（突起）を介在することで電極間を接続させた状態で配線基板に実装（フリップチップ実装）する技術である。

したがって、フリップチップボンディング技術は、ワイヤボンディング技術に比し、実装面積が小さく、接続長も短くなる特徴がある。

特許文献２には、半導体チップが配線基板に対してバンプを介してはんだ接続されるとともに、チップ部品も配線基板に対してはんだ接続され、その半導体チップやチップ部品が絶縁性の樹脂によって覆われる、ワイヤを用いた接続を行わないモジュール製品（半導体装置）が開示されている。
特開２００２−２０８６６８号公報 特開平１１−２３８９６２号公報

携帯電話用パワーアンプモジュールにおいては、急速な小型・高機能化が進んできており、現状でのモジュールサイズは、８×８ｍｍサイズであるが、次世代のモジュールでは６×６ｍｍサイズが主流と考えられ、また更に小型化要求を考えた場合、モジュールサイズが５×４ｍｍサイズへの移行も検討されている。

このため、半導体チップの主面に形成された表面電極（信号端子等）と配線基板上に形成された基板側端子とを、金線などの極細線（ワイヤ）で接続するワイヤボンディング技術では、ワイヤを接続するための表面電極および基板側端子の面積が、ある程度必要となる。しかし、携帯電話用パワーアンプモジュールの高機能化のために、表面電極および基板側端子は多くなり、また、携帯電話用パワーアンプモジュールの小型化のために、半導体チップの縮小化に伴って表面電極および基板側端子の面積は小さくしなければならない。

一方、ＬＳＩなどで採用されているフリップチップボンディング技術では、半導体チップの発熱を、バンプを介して配線基板に放熱する経路を有するため、半導体チップの発熱によりバンプに熱が集中することが考えられる。よって、ＬＳＩなどで採用されているフリップチップボンディング技術を、携帯電話用パワーアンプモジュールに用いられるパワー半導体チップに、そのまま置き換えただけでは、数ワットの電力を消費するパワー半導体チップの発熱がバンプを介して配線基板へと放熱されるときに、バンプが熱劣化するなどの原因となり、信頼性の低下も考えられる。

本発明の目的は、フリップチップボンディング技術を用いた半導体装置の半導体チップの放熱性が向上する半導体装置を提供することにある。

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

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

本発明による半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップがフリップチップ実装される第１配線基板と、前記半導体チップと前記第１配線基板との全体を覆う形状をし、前記半導体チップの裏面に接続する放熱部材と、が実装されている第２配線基板とを有し、前記第２配線基板上の第２基板側端子と前記放熱部材とが接続されていることを特徴とするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

フリップチップボンディング技術を半導体チップに用いた場合の本発明による半導体装置は、半導体チップによる発熱を、半導体チップの裏面に接続された放熱部材を介して第２配線基板に放熱することができ、半導体チップ表面の表面電極と第１配線基板上の表面電極とを接続するバンプに熱集中するのを防ぐ効果がある。

以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

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

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

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
本実施の形態１による半導体装置の構造を、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施の形態１における半導体装置８を示した断面図である。図２は、半導体装置８に構成される高周波増幅回路のブロック図である。図３は、図１に示した半導体装置８を配線基板（第２配線基板）９に実装した状態の断面図である。

図１において、絶縁層と配線層とを積層とした配線基板（第１配線基板）１の上面１ａ（チップ支持側）には、銅等の導電性金属を材料とする基板側回路配線（図示せず）が形成されている。この基板側回路配線は基板側端子（第１基板側端子）２ａ、２ｂを有している。基板側端子２ａは半導体チップ３の表面電極３ａと接続される。また、基板側端子２ｂは電子部品５の接続端子５ａと接続される。配線基板１の裏面１ｂ側には、電源または信号入出力用の外部端子２ｃが形成されている。また、配線基板１中の貫通孔７は、ビアホールであり、また、半導体チップ３の発熱の放熱を補助する役割をするために形成されている。なお、この配線基板１は、多層配線構造であるが、単層配線構造であってもよい。

配線基板１上の基板側端子２ａ上には、半導体チップ３がフリップチップ実装される。なお、半導体チップ３は、例えば、パワートランジスタやパワーＩＣといったパワー半導体（数ワット以上の大電力用途の半導体）などのチップである。この半導体チップ３の主面（素子形成面）側には表面電極３ａが形成され、裏面には裏面電極３ｂが形成される。

配線基板１上では、基板側端子２ａと半導体チップ３の表面電極３ａとが、バンプ４を介して接続され、配線基板１上に半導体チップ３がフリップチップ実装されている。その際、半導体チップ３と、それに対向する配線基板１との熱応力の差によるバンプ４への負担を緩衝するためにアンダーフィルが用いられるが、用いなくてもよい。なお、このバンプ４は、例えば、金バンプ、はんだバンプなどである。

配線基板１上の電子部品５は、例えば、チップコンデンサやチップ抵抗などの受動部品などである。この電子部品５の両端には接続端子５ａが形成される。よって、この接続端子５ａと基板側端子２ｂとが接続され、配線基板１上に電子部品５が実装される。

また、半導体チップ３および電子部品５が実装された配線基板１を覆う形状をした放熱用の金属部材６が、裏面電極３ｂと接続されるように配置されている。なお、裏面電極３ｂと金属部材６は、導電性の接合剤、例えば銀ペーストまたはハンダで接続されている。また、この金属部材６は、例えば銅板やアルミ板などの金属板などである。ここで、金属部材６は、例えば、半導体チップ３のＧＮＤ電極などとして利用されるため、金属部材６と電子部品５が、接触して短絡しないように配置される。

本実施の形態１では、図１に示すように、配線基板１を覆った金属部材６の一部が、配線基板１の側面より外に張り出し、その張り出した部分がＬ字型に折れ曲がり、Ｌ字型の底面６ａが、配線基板１の外部端子２ｃの表面と同じ高さになるように調整されている。

以上、これまでに説明してきた図１に示す構成は、例えば、携帯電話用パワーアンプモジュールとして用いることができ、半導体装置８を構成する。この半導体装置８は、パワー半導体チップ３の発熱を放熱させるために、パワー半導体チップ３の裏面電極３ｂに金属部材６を接続する新規なパッケージ構造により構成される。

図２は、高周波増幅器のブロック図を示している。当該回路は２つの周波数帯域を２つの増幅回路に分けて増幅するものである。各増幅回路は、例えば、３段増幅しており、各段にそれぞれ１つずつのトランジスタが使用されている。また、各段の増幅回路は制御回路によりコントロールされている。また、半導体チップは前記増幅回路を１チップ内に取り込んでいることとなる。したがって、本実施の形態１で示した半導体装置８は、前記１つの半導体チップと受動部品より回路構成されている。

図３は、半導体装置８を配線基板９に実装した状態の断面図である。なお、この配線基板９は、単層配線構造であるが、多層配線構造であってもよい。

配線基板９の上面（半導体装置８の支持側）には、銅等の導電性金属を材料とする基板側回路配線（図示せず）が形成されている。この基板側回路配線は、電源または信号入出力用の基板側端子（第２基板側端子）１０ａおよび１０ｂを有している。

基板側端子１０ｂは、金属部材６の一部が配線基板１より外に張り出し、その張り出した部分がＬ字型に折れ曲がり、配線基板１の外部端子１ｃの表面と同じ高さになるように調整されている金属部材６のＬ字型の底面６ａと接続される。なお、金属部材６と配線基板９との接続する金属部材６の箇所をＬ字型としたが、配線基板９と接続できる形状であればどのような形状でもよい。

よって、図３に示したように、半導体装置８を配線基板９に実装することで、半導体チップ３の発熱を、バンプ４を介して配線基板１に放熱する経路より、金属部材６から配線基板９を通る経路で多く放熱させることができる。

以下、本実施の形態１の効果を述べる。

フリップチップボンディング技術を用いた半導体チップの放熱性に関して、本発明の半導体装置８の新規なパッケージ構造とすることにより、ワイヤボンディング技術を用いた場合と同等の放熱性を確保することができる。

また、金属部材６での放熱性が確保できるのであれば、配線基板１中の貫通孔７による半導体チップ３の発熱の放熱に依存しなくてもよくなる。よって、貫通孔７が形成されない場合には、配線基板１の縮小化や、より複雑な配線構造とすることもできる。

また、パワー半導体チップ３の発熱を、バンプ４を介して配線基板１に放熱する経路より、金属部材６から配線基板９を通る経路で多く放熱することになり、バンプ４の熱劣化が抑えられ、信頼性を向上することができる。

また、半導体装置８において、半導体チップ３は、配線基板１上の基板側端子２ａとバンプ４を介して接続されるため、ワイヤボンディング技術を用いる場合に必要なワイヤを接続する配線基板１上の電極を必要とすることがない。よって、配線基板１の面積を小さくすることができ、半導体装置８全体の小型化ができる。

また、半導体装置８の高さについては、ワイヤボンディング技術を用いた場合のようにワイヤを覆うような高さを必要としない。よって、半導体装置８全体の高さを低くすることができる。

また、金属部材６は、例えば、パワー半導体チップ３のＧＮＤ電極として用いることができ、パワー半導体チップ３がパワーＭＩＳＦＥＴの場合は、ソース電極として用いることができる。したがって、貫通孔（ビアホール）７よりも金属部材６をＧＮＤ接続等に用いることで、パワー半導体３の特性を安定させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２による半導体装置の構造を、図４、図５を用いて説明する。図４および図５は、本実施の形態２における半導体装置８を配線基板９に実装した状態の断面図である。

図４では、実施の形態１とは異なり、半導体装置８の金属部材６が、半導体チップ３と配線基板１との一部を覆うような形状となって、配線基板９と接続されている状態を示されている。このような形状の金属部材６を有する半導体装置８を配線基板９に実装しても、半導体チップ３が発する熱を、金属部材６から配線基板９を通って放熱する経路を確保することができるのであれば、金属部材６が、半導体チップと配線基板１との全体を覆う形状をしていなくとも良い。これにより、金属部材６の部材の一部を省略でき、半導体装置８全体として小型化できる。なお、金属部材６の大きさは、半導体チップ３の発熱を放熱できる大きさでなければならない。

よって、半導体チップ３の放熱を確保できるのであれば、配線基板９と接続する金属部材６を小さくすることができ、半導体装置８の小型化ができる。また、半導体装置８の小型化に伴って、配線基板９上に実装する半導体装置８の実装面積を小さくできるので、配線基板９上には他の部材等が実装することができ、あるいは、配線基板９の小型化ができる。

図５では、金属部材６の形状が、半導体チップ３と配線基板１とを部分的に覆うような形状で、配線基板１上に実装された電子部品１１は、金属部材６によって覆われていない状態を示す。ここで、この電子部品１１の高さＨ１１は、電子部品５の高さＨ５より高くなっている。なお、電子部品１１の両端には接続端子１１ａが形成されている。この接続端子１１ａと基板側端子２ｂとが接続されるように、配線基板１上に電子部品１１が実装される。

図５に示すような構造とすることで、半導体チップ３の放熱を確保できるのであれば、金属部材６によって覆われない配線基板１の上に、所望の高さの電子部品１１を実装することができる。

例えば、金属部材６が半導体チップ３のＧＮＤ電極などに利用される場合、金属部材６と電子部品１１が、接触して短絡しないように配置しなければならないが、接触させないようにするために金属部材６の変形を必要としなくてよい。

また、半導体装置８の高さＨ８が制限される場合、金属部材６と電子部品１１とが、接触して短絡しないように金属部材６を変形しなくとも、図５に示すような構造では、電子部品１１の高さＨ１１と配線基板１の高さＨ１との合計が半導体装置８の高さＨ８を超えない範囲で、電子部品１１を選択できる。

さらに、実施の形態２の効果は、実施の形態１で示した以下の効果も有することになる。

フリップチップボンディング技術を用いた半導体チップ３の放熱性に関して、本発明の半導体装置８の新規なパッケージ構造とすることにより、ワイヤボンディング技術を用いた場合と同等の放熱性を確保することができる。

また、放熱性が確保できるのであれば、配線基板１中の貫通孔７による半導体チップ３の発熱の放熱に依存しなくてもよくなるので、貫通孔７が形成されない場合には、配線基板１の縮小化や、より複雑な配線構造とすることもできる。

また、パワー半導体チップ３の発熱を、バンプ４を介して配線基板１に放熱する経路より、金属部材６から配線基板９を通る経路で多く放熱することになり、バンプ４が熱劣化することを防ぐことができ、よって、信頼性を向上することができる。

また、半導体装置８において、半導体チップ３は、配線基板１上の基板側端子２ａとバンプ４を介して接続されるため、ワイヤボンディング技術を用いる場合に必要なワイヤを接続する配線基板１上の電極を必要とすることがない。よって、配線基板１の面積を小さくすることができ、半導体装置８全体の小型化ができる。

また、半導体装置８の高さについては、ワイヤボンディング技術を用いた場合のようにワイヤを覆うような高さを必要としない。よって、半導体装置８全体の高さを低くすることができる。

また、金属部材６は、例えばパワー半導体チップ３のＧＮＤ電極として用い、また、パワー半導体チップ３がパワーＭＩＳＦＥＴの場合は、ソース電極として用いることができる。したがって、貫通孔７（ビアホール）よりも広い面積となる金属部材６を、ＧＮＤ接続等に用いることでパワー半導体３の特性を安定させることができる。

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

例えば、前記実施の形態１および２では、半導体チップに、パワートランジスタやパワーＩＣといったパワー半導体（数ワット以上の大電力用途の半導体）などのチップを用いているが、パワー半導体チップに限られずＬＳＩなどの半導体チップを用いてもよい。

本発明の半導体装置は、携帯電話用パワーアンプモジュールに利用される。また、高周波半導体及びパワーアンプモジュールなどの高周波モジュール、高出力半導体およびそのモジュールに利用することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置を示した断面図である。 図１に示した半導体装置を用いた高周波増幅回路のブロック図である。 図１に示した半導体装置を配線基板に実装した状態の断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置を配線基板に実装した状態の断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置を配線基板に実装した状態の断面図である。

符号の説明

１ 配線基板（第１配線基板）
１ａ 上面
１ｂ 裏面
２ａ、２ｂ 基板側端子（第１基板側端子）
２ｃ 外部端子
３ 半導体チップ（パワー半導体チップ）
３ａ 表面電極
３ｂ 裏面電極
４ バンプ
５ 電子部品
５ａ 接続端子
６ 金属部材（放熱部材）
６ａ 底面
７ 貫通孔（ビアホール）
８ 半導体装置
９ 配線基板（第２配線基板）
１０ａ、１０ｂ 基板側端子（第２基板側端子）
１１ 電子部品
１１ａ 接続端子
Ｈ１、Ｈ５、Ｈ８、Ｈ１１ 高さ

Claims (5)

1. （ａ）半導体チップと、
   （ｂ）前記半導体チップがフリップチップ実装される第１配線基板と、
   （ｃ）前記半導体チップと前記第１配線基板上の第１基板側端子とを接続するバンプと、
   （ｄ）前記半導体チップと前記第１配線基板との全体を覆う形状をし、前記半導体チップの裏面に接続する放熱部材と、
   （ｅ）前記第１配線基板および前記放熱部材が実装される第２配線基板とを有し、
   前記第２配線基板上の第２基板側端子と前記放熱部材とが接続されていることを特徴とする半導体装置。
2. （ａ）半導体チップと、
   （ｂ）前記半導体チップがフリップチップ実装される第１配線基板と、
   （ｃ）前記半導体チップと前記第１配線基板上の第１基板側端子とを接続するバンプと、
   （ｄ）前記半導体チップと前記第１配線基板との一部を覆う形状をし、前記半導体チップの裏面に接続する放熱部材と、
   （ｅ）前記第１配線基板および前記放熱部材が実装される第２配線基板とを有し、
   前記第２配線基板上の第２基板側端子と前記放熱部材とが接続されていることを特徴とする半導体装置。
3. （ａ）裏面に裏面電極が形成されたパワー半導体チップと、
   （ｂ）前記パワー半導体チップがフリップチップ実装される第１配線基板と、
   （ｃ）前記パワー半導体チップと前記第１配線基板上の第１基板側端子とを接続するバンプと、
   （ｄ）前記パワー半導体チップと前記第１配線基板との全体を覆う形状をし、前記裏面電極にＧＮＤ接続する放熱部材と、
   （ｅ）前記第１配線基板および前記放熱部材が実装される第２配線基板とを有し、
   前記第２配線基板上の第２基板側端子と前記放熱部材とがＧＮＤ接続されていることを特徴とする半導体装置。
4. （ａ）裏面に裏面電極が形成されたパワー半導体チップと、
   （ｂ）前記パワー半導体チップがフリップチップ実装される第１配線基板と、
   （ｃ）前記パワー半導体チップと前記第１配線基板上の第１基板側端子とを接続するバンプと、
   （ｄ）前記パワー半導体チップと前記第１配線基板との一部を覆う形状をし、前記裏面電極にＧＮＤ接続する放熱部材と、
   （ｅ）前記第１配線基板および前記放熱部材が実装される第２配線基板とを有し、
   前記第２配線基板上の第２基板側端子と前記放熱部材とがＧＮＤ接続されていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項２または４記載の半導体装置であって、
   前記放熱部材によって覆われていない前記第１配線基板上に、所望の高さの電子部品を実装することを特徴とする半導体装置。
   
   

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