JP6411249B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
従来、配線基板上に実装された半導体素子を外部磁場から保護するため磁気シールドを備えた半導体装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この種の磁気シールドは、配線基板上にドーム状に形成され、半導体素子の上方及び側方を覆うように形成されている。
国際公開第2011/046091号公報
上述した半導体装置では、磁気シールドの湾曲した部分が半導体素子の上方を覆うことにより、半導体素子に平行な面が半導体素子の上方を覆う磁気シールドに比べると磁気シールド効果を向上させることができる。しかし、その磁気シールド効果が十分とは言えず、更なる磁気シールド効果の向上が求められている。
本発明の一観点によれば、配線基板と、前記配線基板の上面に実装された半導体素子と、前記半導体素子の上方を覆うように前記配線基板の上面側に設けられ、軟磁性体材料からなる磁気シールドと、を有し、前記磁気シールドは、前記半導体素子と平面視で重なる部分が前記配線基板の上面に対して直線状に傾斜する直線斜面に形成されており、前記磁気シールドは、前記半導体素子の上方を覆う屋根部を有し、前記屋根部は、点又は辺である頂部と、前記頂部から前記配線基板の上面に向かって互いに異なる方向に傾斜する3つ以上の前記直線斜面とからなる
本発明の一観点によれば、磁気シールド効果を向上させることができるという効果を奏する。
一実施形態の半導体装置を示す概略断面図(図2の1−1断面図)。 一実施形態の半導体装置を示す概略平面図。 一実施形態の半導体装置を示す概略斜視図。 一実施形態の半導体装置の作用を示す説明図。 (a)〜(c)は、シミュレーション条件を示す説明図。 (a)〜(c)は、シミュレーション結果を示す説明図。 磁気シールド効果の角度依存性を示すグラフ。 変形例の半導体装置を示す概略断面図。 変形例の半導体装置を示す概略断面図。 シミュレーション条件を示す説明図。 磁気シールド効果の角度依存性を示すグラフ。 (a)は、変形例の半導体装置を示す概略平面図、(b)は、変形例の半導体装置を示す概略断面図(図12(a)の12b−12b断面図)、(c)は、変形例の半導体装置を示す概略断面図(図12(a)の12c−12c断面図)。 (a)は、変形例の半導体装置を示す概略平面図、(b)は、変形例の半導体装置を示す概略断面図(図13(a)の13b−13b断面図)、(c)は、変形例の半導体装置を示す概略断面図(図13(a)の13c−13c断面図)。 (a)は、変形例の半導体装置を示す概略平面図、(b)は、変形例の半導体装置を示す概略断面図(図14(a)の14b−14b断面図)、(c)は、変形例の半導体装置を示す概略断面図(図14(a)の14c−14c断面図)。 変形例の半導体装置を示す概略断面図。 変形例の半導体装置を示す概略断面図。
以下、一実施形態を添付図面を参照して説明する。
なお、添付図面は、便宜上、特徴を分かりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部の部材のハッチングを梨地模様に代えて示し、一部の部材のハッチングを省略している。
まず、図1〜図3に従って、半導体装置20の構造について説明する。
図1に示すように、半導体装置20は、BGA(Ball Grid Array)型の配線基板30と、配線基板30の上面に実装された半導体素子40と、配線基板30の上面に搭載された磁気シールド50と、半導体素子40と磁気シールド50とを熱的に接続する熱伝導部材60とを有している。
配線基板30は、基板本体31と、接続用パッド32と、はんだボール33とを有している。基板本体31としては、接続用パッド32とはんだボール33とが基板内部を通じて相互に電気的に接続された構造を有していれば十分である。このため、基板本体31の内部には配線層が形成されていてもよく、配線層が形成されていなくてもよい。なお、基板本体31の内部に配線層が形成される場合には、例えば、複数の配線層が層間絶縁層を介して積層され、各配線層と各層間絶縁層に形成されたビアとによって接続用パッド32とはんだボール33とが電気的に接続される。この場合の基板本体31としては、例えば、コア基板を有するコア付きビルドアップ基板やコア基板を有さないコアレス基板等を用いることができる。また、基板本体31の内部に配線層が形成されない場合には、例えば、基板本体31を厚さ方向に貫通する貫通電極によって接続用パッド32とはんだボール33とが電気的に接続される。
ここで、基板本体31(配線基板30)の平面形状は、任意の形状及び任意の大きさとすることができる。例えば、基板本体31は、平面視略正方形状に形成されている。基板本体31の大きさは、例えば、平面視で30mm×30mm〜50mm×50mm程度とすることができる。なお、本明細書において、「平面視」とは、対象物を図1等の鉛直方向(上下方向)から視ることを言い、「平面形状」とは、対象物を図1等の鉛直方向(上下方向)から視た形状のことを言う。
接続用パッド32は、基板本体31(配線基板30)の上面30Aに形成されている。接続用パッド32の材料としては、例えば、銅(Cu)や銅合金を用いることができる。
はんだボール33は、基板本体31の下面に形成されている。具体的には、はんだボール33は、基板本体31の下面に形成された接続パッド(図示略)上に形成されている。はんだボール33の材料としては、例えば、鉛(Pb)を含む合金、錫(Sn)とCuの合金、Snと銀(Ag)の合金、SnとAgとCuの合金などを用いることができる。このはんだボール33は、例えば、マザーボード等と接続される外部接続端子として機能する。
半導体素子40は、例えば、配線基板30にフリップチップ実装されている。すなわち、半導体素子40は、回路形成面(ここでは、下面)が配線基板30の上面30Aに対向するように、つまりフェイスダウンの状態で配線基板30上に実装されている。具体的には、半導体素子40は、回路形成面に形成された接続端子41を介して、配線基板30の接続用パッド32と電気的に接続されている。また、半導体素子40は、回路形成面が配線基板30の上面30Aに対して略平行となるように配線基板30上に搭載されている。
半導体素子40としては、例えば、磁気不揮発性メモリ(Magnetic Random Access Memory:MRAM)チップやフラッシュメモリチップなどのメモリチップを用いることができる。また、半導体素子40としては、例えば、磁気抵抗素子や磁気抵抗素子を用いた論理回路を用いることができる。また、半導体素子40としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)チップやGPU(Graphics Processing Unit)チップなどのロジックチップを用いることもできる。半導体素子40の平面形状は、任意の形状及び任意の大きさとすることができる。例えば、半導体素子40は、平面視略正方形状に形成されている。半導体素子40の大きさは、例えば、平面視で20mm×20mm〜30mm×30mm程度とすることができる。
接続端子41としては、例えば、金(Au)バンプやはんだバンプを用いることができる。はんだバンプの材料としては、例えば、Pbを含む合金、SnとCuの合金、SnとAgの合金、SnとAgとCuの合金などを用いることができる。
配線基板30の上面30Aには、半導体素子40の側方及び上方を覆う磁気シールド50が搭載されている。磁気シールド50は、例えば、薄板状に形成されている。磁気シールド50の厚さは、例えば、50μm〜5000μm程度とすることができる。磁気シールド50の材料としては、例えば、軟磁性体材料を用いることができる。軟磁性体材料としては、磁気シールド効果向上の観点から、十分に高い比透磁率(好ましくは、500以上)を有する軟磁性体材料であることが好ましい。このような軟磁性体材料としては、例えば、鉄、ニッケル、珪素鋼、パーマロイ、フェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金などが挙げられる。また、軟磁性体材料としては、放熱性向上の観点から、導電性を有する軟磁性体材料であることが好ましい。
磁気シールド50は、半導体素子40を取り囲むように配線基板30の上面30Aの周縁部に接着剤(図示略)によって接着されている。磁気シールド50は、底面が配線基板30の上面30Aに接着された枠状の側板部51と、側板部51と一体的に形成され、半導体素子40の上方を覆うように形成された屋根部52とを有している。
本例の側板部51は、配線基板30の上面30Aの外縁から略垂直に上方に向かって立設されている。側板部51は、例えば、半導体素子40の側方の一部を覆うように形成されている。
図2及び図3に示すように、本例の屋根部52は、四角錐形状又は方形屋根形状に形成されている。詳述すると、屋根部52は、図3に示すように、側板部51の上端よりも上方であって、側板部51と平面視で重ならない位置に配置された頂点53と、頂点53から側板部51に向かって互いに異なる方向に直線状に傾斜する4つの直線斜面54とからなる。本例の頂点53は、配線基板30の上面30Aの平面中心と重なる平面位置に配置されている。4つの直線斜面54は、平面視及び側面視において三角形状に形成されている。4つの直線斜面54は、配線基板30の外形をなす各辺上に形成された側板部51の上端部から頂点53に向かって斜め上方に突設されている。図1に示すように、各直線斜面54は、配線基板30の上面30Aに対して一定の角度θ1で直線状に傾斜して形成されている。そして、図2及び図3に示すように、4つの直線斜面54は、一体に形成され、且つ連続して形成されている。具体的には、4つの直線斜面54は、隣接する直線斜面54同士が互いに接続され、隣接する直線斜面54の境界部、つまり4つの稜線54Aの上端部が全て頂点53に接続されている。すなわち、屋根部52は、頂点53に4つの稜線54Aが会する形状に形成されている。
このように屋根部52は、4つの三角形状の直線斜面54が四角錐形状に接続され、半導体素子40の上方を閉塞するように形成されている。換言すると、屋根部52は、半導体素子40と平面視で重なる部分の全てが、直線斜面54となっており、配線基板30の上面30Aに対して傾斜するように形成されている。
図1に示した角度θ1、つまり各直線斜面54と配線基板30の上面30Aと平行な仮想線V1とがなす角度θ1は、5度〜55度(好ましくは、5度〜45度)の範囲に設定することが好ましい。この範囲の角度に角度θ1を設定することにより、磁気シールド効果を向上させることができる。さらに、半導体装置20の薄型化の観点から、角度θ1は、5°〜20°の範囲に設定することが好ましい。
なお、以上説明した磁気シールド50は、例えば、軟磁性体材料からなる板材に対してプレス加工、鍛造加工や機械切削などを実施することにより製造することができる。このとき、屋根部52における頂点53及び4つの稜線54A(図2参照)は、例えば、加工精度等の理由により、R形状に面取りされていてもよい。
熱伝導部材60は、半導体素子40の回路形成面とは反対側の背面(ここでは、上面)と磁気シールド50との間に設けられている。例えば、熱伝導部材60は、半導体素子40の背面と直線斜面54の下面との間の空間を埋めるように形成されている。熱伝導部材60としては、例えば、インジウム(In)、シリコーン(又は炭化水素)グリース又は金属フィラーやグラファイトなどの高熱伝導性物質を含有した有機系の樹脂バインダを用いることができる。熱伝導部材60は、半導体素子40と磁気シールド50とを熱的に接続する機能を有している。このため、半導体素子40から発生する熱は、熱伝導部材60を介して磁気シールド50に放熱される。ここで、磁気シールド50の材料として導電性を有する軟磁性体材料を用いる場合には、磁気シールド50を放熱板として機能させることができる。なお、磁気シールド50の厚さを比較的厚く(例えば、0.1mm〜5mm程度)設定することにより、磁気シールド50の放熱板としての機能をより向上させることができる。
次に、半導体装置20の作用について説明する。
ところで、半導体素子40の上方において、磁気シールドの屋根部が配線基板30の上面30Aに対して平行に形成されている場合には、配線基板30の上面30Aに対して垂直な外部磁界が印加されると、理論的には、その外部磁界が磁気シールドを貫通して半導体素子40の近傍に到達してしまう。
これに対し、半導体装置20では、半導体素子40の上方を覆う磁気シールド50の屋根部52を四角錐形状に形成し、半導体素子40の上方に位置する部分の屋根部52の全てを、配線基板30の上面30Aに対して直線状に傾斜させた直線斜面54とした。換言すると、半導体素子40の上方に位置する部分の屋根部52が、配線基板30の上面30Aに対して平行にならないように形成されている。ここで、半導体素子40は、その回路形成面が配線基板30の上面30Aに対して略平行となるように配線基板30上に搭載されている。このため、配線基板30の上面30Aに対して直線状に傾斜させた直線斜面54は、半導体素子40の回路形成面に対しても直線状に傾斜した直線斜面となる。換言すると、半導体素子40の上方に位置する部分の屋根部52が、半導体素子40の回路形成面に対して平行にならないように形成されている。これらにより、図4に示すように、半導体素子40の上方を覆う屋根部52の全ての位置において、配線基板30の上面30A及び半導体素子40の回路形成面に対して垂直な方向の外部磁界Heが磁気シールド50の表面に対して垂直ではなくなる。このため、外部磁界Heの大部分の磁束は、磁気シールド50を貫通することなく高透磁率の磁気シールド50内に吸収され、図中矢印で示すように、磁気シールド50内部に形成された磁路を通って外方に案内される。すなわち、外部磁界Heの磁束は、磁気シールド50内部の磁路によって、半導体装置20(磁気シールド50)の外方、つまり半導体素子40から平面視で離れる方向に向かって曲げられる。これによって、磁気シールド50を貫通して磁気シールド50によって囲まれた空間に到達する外部磁界Heの磁束を低減することができる。よって、半導体素子40の近傍に到達する外部磁界Heの磁束を低減することができる。
さらに、磁気シールド50の各直線斜面54を、断面視において直線状(つまり、配線基板30の上面30Aに対して一定の角度θ1)になるように傾斜させている。このため、磁気シールドがドーム状に形成されている(つまり、断面視において円弧状に形成されている)場合に比べて、半導体素子40の上方において、略水平(配線基板30の上面及び半導体素子40の回路形成面に略平行)になる面が少なくなる。すなわち、磁気シールドが断面視において半楕円状に形成された場合には、その磁気シールドの頂部が略水平な面となるのに対し、磁気シールド50では頂部が頂点53となっており、その頂部においても略水平になる面を有していない。したがって、磁気シールド50によれば、ドーム状に形成された磁気シールドと比べても、半導体素子40の近傍に到達する外部磁界Heの磁束を低減することができる。すなわち、磁気シールド50の屋根部52を四角錐形状とすることにより、磁気シールド効果を向上させることができる。
(第1のシミュレーション結果)
ここで、上述したように、磁気シールド50の屋根部52を四角錐形状とすることによって磁気シールド効果が向上することを裏付けるシミュレーション結果について説明する。
(シミュレーション条件)
図5(a)〜(c)に示すように、3種類のサンプルについてシミュレーションを行った。図5(a)に示すように、実施例1サンプルは、側板部51と四角錐形状の屋根部52とからなり、磁気シールド50と同様の構造の磁気シールド50Aを有している。但し、実施例1サンプルでは、シミュレーション条件の簡略化のために、配線基板30及び半導体素子40及び熱伝導部材60を省略し、磁気シールド50Aが底面を有している。図5(b)に示すように、比較例1サンプルは、直方体状に形成された磁気シールド50Bを有している。図5(c)に示すように、比較例2サンプルは、ドーム状に形成された磁気シールド50Cを有している。ここで、シミュレーション条件としては、磁気シールド50Aの幅D1を30mmに設定し、頂点53から側板部51までの幅D2を15mmに設定し、側板部51の高さH1を1.5mmに設定し、側板部51の上端部から頂点53までの高さH2を1.45mmに設定した。磁気シールド50Bの幅D3を幅D1と同じ幅(ここでは、30mm)に設定し、磁気シールド50Bの高さH3を高さH1と同じ高さ(ここでは、1.5mm)に設定した。また、磁気シールド50Cは、直方体状の磁気シールド50Bが内包される大きさに設定され、その直方体から上方への突出量H4が上記高さH2と等しくなるように設定されている。具体的には、磁気シールド50Cの幅D4を35mmに設定し、突出量H4を1.45mmに設定した。また、シミュレーション条件としては、各磁気シールド50A,50B,50Cの比透磁率を4700、飽和磁束密度を0.6[T]、導電率を6250000[S/m]に設定し、磁気シールド50A,50B,50Cの厚さを0.1[mm]としてその内部を中空構造に設定した。そして、磁気シールド50A,50B,50Cに対して、それら磁気シールド50A,50B,50Cの底面に対して垂直な方向の外部磁界Heを印加する。このとき、磁気シールド50A,50B,50Cによってそれぞれ囲まれた内部空間S1,S2,S3の磁界強度を測定するとともに、各サンプルの内部空間S1,S2,S3における中心部C1,C2,C3(つまり、半導体素子40が配置される位置)の磁界強度を測定した。それら測定結果を図6に示した。
図6(a)〜(c)に示した結果から明らかなように、比較例1サンプルに比べて、実施例1サンプル及び比較例2サンプルにおける内部空間S1,S3の磁界強度は全体的に小さくなっている。さらに、比較例2サンプルに比べて、実施例1サンプルにおける内部空間S1の磁界強度は小さくなっている。特に、実施例1サンプルでは、内部空間S1の中心部C1近傍及び中心部C1よりも上方における磁界強度が、比較例2サンプルよりも小さくなっている。これは、実施例1サンプルの磁気シールド50Aでは、中心部C1の上方において略水平となる面が存在しないことに起因していると考えられる。
以上の結果から、屋根部52を四角錐形状に形成することにより、直方体形状の磁気シールド50B(比較例1サンプル)及びドーム状の磁気シールド50C(比較例2サンプル)よりも磁気シールド効果を向上させることができることが分かる。なお、磁気シールド効果は、磁気シールド50Aの底面に対して垂直な外部磁界に対してだけに限定されない。すなわち、四角錐形状の屋根部52を有する磁気シールド50,50Aによって、全方位に対する磁気シールド効果が同様に実現される。
ここで、図5(a)及び図5(c)に示すように、磁気シールド50Aと磁気シールド50Cとでは、外形寸法の条件が略同等に設定されている、具体的には高さH2と突出量H4とが等しく設定されている。このため、仮に磁気シールド50Aと磁気シールド50Cとで同じ磁気シールド効果を得る場合には、突出量H4よりも高さH2を短く設定することができる。したがって、屋根部52を四角錐形状に形成することにより、ドーム状の磁気シールド50Cを採用する場合よりも半導体装置20全体を薄型化することができる。
(第2のシミュレーション結果)
次に、磁気シールド50の角度θ1と磁気シールド効果との関係についてシミュレーションした結果について説明する。
(シミュレーション条件)
評価用のサンプルを14種類作成した。具体的には、各サンプルは、図5(a)に示した磁気シールド50Aの構造を有し、その幅D1を30mmに、幅D2を15mmに、高さH1を3mmにそれぞれ設定した。そして、磁気シールド50Aの屋根部52の角度θ1を、0度、2度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度にそれぞれ設定した14種類のサンプルを作成した。また、シミュレーション条件としては、各サンプルにおける磁気シールド50Aの比透磁率を4700、飽和磁束密度を0.6[T]、導電率を6250000[S/m]に設定し、各サンプルの磁気シールド50Aの厚さを0.1[mm]としてその内部を中空構造に設定した。そして、各サンプルの磁気シールド50Aに、その磁気シールド50Aの底面に対して垂直な方向の外部磁界Heを印加した。このときの磁気シールド50Aの内部空間S1における中心部C1の磁界強度を測定した。その測定結果を図7に示した。
図7は、磁気シールド効果の角度依存性を示すグラフである。縦軸は各サンプルの中心部C1における磁界強度[A/m]を表わし、横軸は、角度θ1を表わしている。なお、角度θ1が0°の場合は、図5(b)に示した磁気シールド50B(比較例1サンプル)に相当する。
図7に示した結果から明らかなように、磁気シールド50Aの屋根部52を傾斜させることにより、磁気シールド効果が高まっていることが分かる。具体的には、角度θ1が2°の場合には、角度θ1が0°の場合に比べて13%程度しか磁界強度を小さくすることができず、磁気シールド効果が不十分であった。これに対し、角度θ1を5°にすると、角度θ1が0°の場合に比べて25%程度も磁界強度を小さくすることができ、高い磁気シールド効果を得ることができる。このように、角度θ1を5°以上に設定することにより、高い磁気シールド効果を得ることができる。また、角度θ1が20°〜45°の範囲では、角度θ1が0°の場合に比べて50%程度も磁界強度を小さくすることができる。但し、角度θ1が大きくなりすぎると(例えば、角度θ1が50°以上になると)、磁気シールド効果が徐々に低くなることが確認された。特に、角度θ1が60°以上になると、角度θ1が5°の場合よりも磁気シールド効果が低くなることが確認された。
以上の結果から、磁気シールド効果の向上の観点からは、磁気シールド50の角度θ1は5°〜55°(好ましくは、5°〜45°)の範囲に設定することが好ましい。
ところで、図5(a)に示すように、角度θ1が大きくなるほど高さH2が大きくなる。このため、角度θ1が大きくなると、磁気シールド50A(磁気シールド50)が大型化し、半導体装置20全体が大型化してしまう。ここで、角度θ1が20°〜45°の範囲では、磁気シールド効果が略同等となる。このため、磁気シールド効果の向上及び半導体装置20の薄型化という2つの観点からは、磁気シールド50の角度θ1を、5°〜20°の範囲に設定することが好ましい。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
(1)半導体素子40と平面視で重なる部分の磁気シールド50(屋根部52)を、配線基板30の上面30Aに対して直線状に傾斜する直線斜面54とした。これにより、磁気シールド効果を向上させることができ、半導体素子40に対する外部磁界の影響を抑制することができる。このため、半導体素子40が例えば外部磁界の影響に弱いMRAMチップであっても、外部磁界の影響によって記憶内容が消去されたり、書き換えられたりすることを好適に抑制することができる。
(2)ところで、ドーム状に形成された磁気シールド50Cでは、突出量H4を小さく抑えると、半導体素子40の上方において略水平となる面が多くなり、極端に磁気シールド効果が低くなる。これに対し、本実施形態では、屋根部52を、配線基板30の上面30Aに対して直線状に傾斜する直線斜面54により構成した。このため、磁気シールド50の側板部51の上端から頂点53までの高さH2を小さく抑えた場合であっても、直線斜面54を配線基板30の上面30Aに対して確実に傾斜させることができ、半導体素子40の上方において略水平となる面が形成されることが抑制される。したがって、磁気シールド50では、高さH2を小さく抑えた場合であっても、高い磁気シールド効果を得ることができる。
(3)磁気シールド50の角度θ1を5°〜55°の範囲に設定した。これにより、高い磁気シールド効果を得ることができる。さらに、磁気シールド50の角度θ1を5°〜20°の範囲に設定することにより、高い磁気シールド効果を得つつも、半導体装置20の大型化を抑制することができる。
(4)磁気シールド50に側板部51を設けるようにした。これにより、角度θ1を小さく(例えば、5°程度)設定した場合であっても、磁気シールド50(屋根部52)と半導体素子40とが直接接触することを好適に抑制することができる。
(5)半導体素子40と磁気シールド50とを熱的に接続する熱伝導部材60を設けるようにした。このとき、磁気シールド50の材料として導電性を有する軟磁性体材料(金属磁性体材料)を用いることにより、磁気シールド50を放熱板としても機能させることができる。これにより、半導体装置20の放熱性を向上させることができる。
(他の実施形態)
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・図8に示すように、磁気シールド50において、その頂点53の下方を厚く形成するようにしてもよい。具体的には、頂点53の下方に、4つの直線斜面54によって囲まれた断面視略三角形状の空間を埋めるように磁気シールド50を厚くした肉厚部55を形成するようにしてもよい。このように、半導体素子40の上方に位置する磁気シールド50を厚く形成することにより、磁気シールド効果を更に向上させることができる。
・図9に示すように、配線基板30の下面30Bに、磁気シールド50と同様の構造を有し、軟磁性体材料からなる磁気シールド70を形成するようにしてもよい。具体的には、磁気シールド70は、底面が配線基板30の下面30Bに接着された枠状の側板部71と、側板部71と一体的に形成され、半導体素子40の下方を覆うように形成された屋根部72とを有している。側板部71は、配線基板30の下面30Bの外縁から略垂直に下方に向かって立設されている。屋根部72は、四角錐形状又は方形屋根形状に形成されている。すなわち、屋根部72は、側板部71の下端よりも下方であって、側板部71と平面視で重ならない位置に配置された頂点73と、頂点73から側板部71(配線基板30)に向かって互いに異なる方向に直線状に傾斜する4つの直線斜面74とからなる。各直線斜面74は、配線基板30の下面30Bに対して一定の角度θ2で直線状に傾斜して形成されている。このような磁気シールド70を設けたことにより、配線基板30の下面30B側から外部磁界が印加される場合であっても、磁気シールド70によってその外部磁界から半導体素子40を好適に保護することができる。
(シミュレーション結果)
ここで、配線基板30の下面30Bに磁気シールド70を設けた場合において、磁気シールド50の角度θ1及び磁気シールド70の角度θ2と磁気シールド効果との関係についてシミュレーションした結果について説明する。
(シミュレーション条件)
評価用のサンプルを14種類作成した。図10に示すように、各サンプルの構造は、図9に示した半導体装置20と同様の構造である。すなわち、各サンプルは、四角錐形状に形成された磁気シールド50と、四角錐形状に形成された磁気シールド70とを有している。但し、各サンプルでは、シミュレーション条件の簡略化のために、配線基板30及び半導体素子40及び熱伝導部材60を省略し、磁気シールド50の側板部51と磁気シールド70の側板部71とを直接接続した構造としている。また、各サンプルでは、図中左右方向の幅D1を30mmに、頂点53,73から側板部51,71までの幅D2を15mmに、側板部51,71の高さH5を3mmにそれぞれ設定した。また、各サンプルでは、磁気シールド50の角度θ1と磁気シールド70の角度θ2とを等しい角度に設定した。そして、これら角度θ1,θ2を、0度、2度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度にそれぞれ設定した14種類のサンプルを作成した。また、シミュレーション条件としては、各サンプルにおける磁気シールド50,70の比透磁率を4700、飽和磁束密度を0.6[T]、導電率を6250000[S/m]に設定し、各サンプルの磁気シールド50,70の厚さを0.1[mm]としてその内部を中空構造に設定した。そして、各サンプルの磁気シールド50,70に外部磁界Heを印加した。このときの磁気シールド50,70によって囲まれた内部空間S4内の中心部C4における磁界強度を測定した。その測定結果を図11に示した。
図11は、磁気シールド50,70による磁気シールド効果の角度依存性を示すグラフである。縦軸は内部空間S4の中心部C4における磁界強度[A/m]を表わし、横軸は、角度θ1,θ2を表わしている。図11には、図10に示したサンプル(実施例2サンプル)の磁気シールド効果を示す結果と併せて、磁気シールド50A(図5(a)参照)のみを有する実施例1サンプルの磁気シールド効果を示す結果(図7に示した結果)についても示している。なお、角度θ1,θ2が0°の場合は、磁気シールド50,70が共に直方体状に形成されている場合に相当する。
図11に示した結果から明らかなように、磁気シールド50,70の屋根部52,72を傾斜させることにより、磁気シールド効果が高まっていることが分かる。具体的には、角度θ1,θ2を共に5°にすると、角度θ1,θ2が0°の場合に比べて40%程度も磁界強度を小さくすることができる。このように、角度θ1,θ2を5°以上に設定することにより、高い磁気シールド効果を得ることができる。但し、角度θ1,θ2が大きくなりすぎると(例えば、角度θ1,θ2が45°以上になると)、磁気シールド効果が徐々に低くなることが確認された。特に、角度θ1,θ2が60°以上になると、角度θ1,θ2が5°の場合よりも磁気シールド効果が低くなることが確認された。
以上の結果から、磁気シールド効果の向上の観点からは、磁気シールド50,70の角度θ1,θ2を5°〜55°(好ましくは、5°〜45°)の範囲に設定することが好ましい。さらに、角度θ1,θ2が5°〜55°の範囲では、実施例1サンプルよりも実施例2サンプルの方が磁界強度を小さくできることが確認された。この結果から、磁気シールド70を設けることにより、磁気シールド効果を向上させることができることが分かる。
・上記実施形態では、配線基板30を平面視略正方形状に形成し、半導体素子40を平面視略正方形状に形成したが、配線基板30及び半導体素子40の平面形状は特に限定されない。
例えば図12(a)に示すように、配線基板30を平面視略長方形状に形成し、半導体素子40を平面視略長方形状に形成してもよい。この場合には、図12(a)〜(c)に示すように、磁気シールド50の屋根部52を長方錐形状に形成してもよい。この場合であっても、屋根部52は、頂点53と、頂点53と側板部51との間に延在された三角形状の直線斜面54とによって構成される。このため、半導体素子40と平面視で重なる部分の磁気シールド50は、配線基板30の上面30Aに対して直線状に傾斜して形成されている。したがって、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
・また、磁気シールド50の屋根部52を、三角錐、五角錐や六角錐等の多角錐形状に形成してもよい。
・図13(a)〜(c)に示すように、磁気シールド50の屋根部52Aを、寄棟屋根形状に形成してもよい。詳述すると、屋根部52Aは、側板部51の上端よりも上方であって、側板部51と平面視で重ならない位置に配置された頂辺83と、頂辺83から側板部51(配線基板30)に向かって直線状に傾斜する4つの直線斜面84とからなる。直線斜面84は、平面視略台形状に形成された2つの台形斜面85と、平面視略三角形状に形成された2つの三角形斜面86とを有している。各台形斜面85は、配線基板30の長手方向に沿った周縁部上に形成された側板部51の上端部から頂辺83に向かって斜め上方に突設されている。各三角形斜面86は、配線基板30の短手方向に沿った周縁部上に形成された側板部51の上端部から頂辺83の左右各端部に向かって斜め上方に突設されている。そして、2つの台形斜面85が互いに対向し、2つの三角形斜面86が互いに対向するように配置され、これら4つの直線斜面84が寄棟屋根形状に接続されている。すなわち、磁気シールド50は、頂辺83の両端に、4つの直線斜面84の稜線84Aが会する形状に形成されている。なお、各直線斜面84は、配線基板30の上面30Aに対して一定の角度で直線状に傾斜して形成されている。
この場合であっても、半導体素子40と平面視で重なる部分の磁気シールド50は、配線基板30の上面30Aに対して直線状に傾斜して形成されている。したがって、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、磁気シールド50の頂部が頂辺83となっているため、直線斜面84の傾斜角度を同一の角度に設定した場合には、頂部が点である場合よりも低い位置に頂部を設けることができる。したがって、寄棟屋根形状に形成された屋根部52Aを有する磁気シールド50を採用することにより、半導体装置20全体の薄型化に寄与することができる。
・上記実施形態の配線基板30に実装される半導体素子40の個数は特に限定されない。例えば、配線基板30の上面30Aに2個以上の半導体素子40を実装するようにしてもよい。このとき、磁気シールド50を、配線基板30の上面30Aに実装された複数の半導体素子40の全てを覆うように共通に設けるようにしてもよい。また、配線基板30の下面30Bに半導体素子40を実装するようにしてもよい。この場合には、配線基板30の下面30Bに、その下面30Bに実装された半導体素子40の側方及び下方を覆う磁気シールド70(図9参照)を設けることが好ましい。
・図14(a)〜(c)は、磁気シールド50,70をメモリモジュール(半導体装置)に適用した例を示している。
図14(a)〜(c)に示すように、半導体装置20Aは、平面視略長方形状に形成された配線基板30と、配線基板30の上面30Aに実装された複数(ここでは、5個)の半導体素子40Aと、配線基板30の下面30Bに実装された複数(ここでは、5個)の半導体素子40Bとを有している。複数の半導体素子40Aは、配線基板30の上面30Aに、その配線基板30の長手方向に沿って並んで配置されている。各半導体素子40Aは、接続端子41Aを介して配線基板30と電気的に接続されている。複数の半導体素子40Bは、配線基板30の下面30Bに、その配線基板30の長手方向に沿って並んで配置されている。各半導体素子40Bは、接続端子41Bを介して配線基板30と電気的に接続されている。これら半導体素子40A,40Bは、例えば、MRAMチップなどのメモリチップである。
半導体装置20Aは、複数の半導体素子40Aの全てを覆うように配線基板30の上面30Aに設けられた磁気シールド50と、複数の半導体素子40Bの全てを覆うように配線基板30の下面30Bに設けられた磁気シールド70とを有している。磁気シールド50は、側板部51と、寄棟屋根形状に形成された屋根部52Aとを有しており、図13に示した磁気シールド50と同様の構造を有している。同様に、磁気シールド70は、側板部71と、寄棟屋根形状に形成された屋根部72Aとを有している。
詳述すると、屋根部72Aは、側板部71の下端よりも下方であって、側板部71と平面視で重ならない位置に配置された頂辺93と、頂辺93から側板部71(配線基板30)に向かって直線状に傾斜する4つの直線斜面94とからなる。直線斜面94は、平面視略台形状に形成された2つの台形斜面95と、平面視略三角形状に形成された2つの三角形斜面96と有している。そして、2つの台形斜面95が互いに対向し、2つの三角形斜面96が互いに対向するように配置され、これら4つの直線斜面94が寄棟屋根形状に接続されている。
磁気シールド50,70から露出された配線基板30の上面30A及び下面30B、つまり配線基板30の長手方向に沿った一方の周縁部の上面30A及び下面30Bには、複数の接続端子35が形成されている。複数の接続端子35は、配線基板30の長手方向に沿って並んで配置されている。
この場合であっても、半導体素子40A,40Bと平面視で重なる部分の磁気シールド50,70は、配線基板30の上面30A及び下面30Bに対して直線状に傾斜して形成されている。したがって、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本変形例において、半導体素子40Aは第1半導体素子の一例、半導体素子40Bは第2半導体素子の一例、磁気シールド50は第1磁気シールドの一例、磁気シールド70は第2磁気シールドの一例である。
・図14に示した半導体装置20Aでは、複数の半導体素子40A,40Bを、配線基板30の長手方向に沿って並んで配置するようにした。これに限らず、例えば、複数の半導体素子40A,40Bを、配線基板30の短手方向に沿って並んで配置するようにしてもよい。また、複数の半導体素子40A,40Bを平面視においてマトリクス状に配置するようにしてもよい。
・図13及び図14に示した半導体装置20,20Aにおいて、半導体素子40,40Aと磁気シールド50との間、及び半導体素子40Bと磁気シールド70との間に、熱伝導部材60を設けるようにしてもよい。
・上記実施形態における側板部51を省略してもよい。この場合には、例えば、屋根部52の下端部が配線基板30の上面30Aに接着剤(図示略)によって接着される。
・上記実施形態における熱伝導部材60を省略してもよい。
・上記実施形態において、磁気シールド50によって囲まれた空間を充填する樹脂を形成するようにしてもよい。
・上記実施形態では、配線基板30の上面30Aに磁気シールド50を設けるようにしたが、これに限定されない。例えば図15に示すように、配線基板30の上面30Aに、半導体素子40を封止する封止樹脂61を形成し、その封止樹脂61の上面に磁気シールド50を形成するようにしてもよい。この場合には、封止樹脂61の上方が例えば四角錐形状に形成され、その封止樹脂61の上方に四角錐形状の屋根部52からなる磁気シールド50が設けられる。すなわち、磁気シールド50は、半導体素子40の上方を覆うように配線基板30の上面30A側に設けられていればよい。なお、封止樹脂61の材料としては、例えば、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。
・上記実施形態の半導体素子40の実装方法は特に限定されない。例えば、半導体素子40を配線基板30にワイヤボンディング実装するようにしてもよい。
・上記実施形態の配線基板30に半導体素子40以外の電子部品を実装するようにしてもよい。
・上記実施形態では、BGA型の配線基板30に具体化したが、PGA(Pin Grid Array)型の配線基板やLGA(Land Grid Array)型の配線基板に具体化してもよい。また、QFP(Quad Flat Package)タイプの半導体装置に具体化してもよい。この場合には、リードフレームの上面に磁気シールド50が設けられる。このため、磁気シールド50の材料としては、絶縁性の軟磁性体材料が用いられる。あるいは、金属軟磁性体材料からなる磁気シールド50を絶縁体で被覆するようにしてもよい。なお、上記リードフレームの下面にも磁気シールド50を設けるようにしてもよい。
・また、図16に示すように、QFN(Quad Flat Non-leaded package)タイプの半導体装置20Bに具体化してもよい。半導体装置20Bは、ダイパッド101及びそのダイパッド101の周囲に配置される複数のリード102を有するリードフレーム100と、ダイパッド101の上面101A上に搭載された半導体素子40Cとを有している。ダイパッド101及びリード102は、リードフレーム100を厚さ方向に貫通する開口部100Xによって画定されている。リードフレーム100は、例えば、銅合金や鉄−ニッケル(Fe−Ni)合金等からなる金属板をエッチング加工又はプレス加工することにより得ることができる。半導体素子40Cは、回路形成面(ここでは、上面)とは反対側の面(ここでは、下面)がダイパッド101の上面101Aと対向するように、つまりフェイスアップの状態でダイパッド101上に搭載されている。
また、半導体装置20Bは、半導体素子40Cの電極(図示略)とリード102とを電気的に接続するボンディングワイヤ103と、半導体素子40C及びボンディングワイヤ103を封止する封止樹脂61と、封止樹脂61の上面に形成された磁気シールド50とを有している。ボンディングワイヤ103の材料としては、例えば、金や銅を用いることができる。封止樹脂61は、ダイパッド101の上面101A上及びリード102の上面102A上に形成されるとともに、開口部100Xを充填するように形成されている。封止樹脂61の下面は、ダイパッド101の下面及びリード102の下面と略面一に形成されている。このため、ダイパッド101の下面及びリード102の下面は封止樹脂61から露出されている。また、封止樹脂61の上方は、例えば四角錐形状に形成されている。そして、磁気シールド50は、例えば四角錐形状の屋根部52からなり、封止樹脂61の上面を被覆するように形成されている。
・上記実施形態並びに上記各変形例は適宜組み合わせてもよい。
20,20A,20B 半導体装置
30 配線基板
40,40A,40B 半導体素子
50,70 磁気シールド
51,71 側板部
52,52A,72,72A 屋根部
53,73 頂点(頂部)
54,74,84,94 直線斜面
60 熱伝導部材
83,93 頂辺(頂部)
85,95 台形斜面
86,96 三角形斜面
θ1,θ2 角度
V1 仮想線

Claims (7)

  1. 配線基板と、
    前記配線基板の上面に実装された半導体素子と、
    前記半導体素子の上方を覆うように前記配線基板の上面側に設けられ、軟磁性体材料からなる磁気シールドと、を有し、
    前記磁気シールドは、前記半導体素子と平面視で重なる部分が前記配線基板の上面に対して直線状に傾斜する直線斜面に形成されており、
    前記磁気シールドは、前記半導体素子の上方を覆う屋根部を有し、
    前記屋根部は、点又は辺である頂部と、前記頂部から前記配線基板の上面に向かって互いに異なる方向に傾斜する3つ以上の前記直線斜面とからなることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記屋根部は、3つ以上の三角形状の前記直線斜面が多角錐形状に形成されてなることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。
  3. 前記屋根部は、2つの台形状の前記直線斜面と2つの三角形状の前記直線斜面とが寄棟屋根形状に形成されてなることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。
  4. 前記磁気シールドは、前記配線基板の上面に立設された側板部と、前記側板部の上端と前記頂部との間に延在された前記直線斜面とからなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記配線基板の上面と平行な仮想線と前記直線斜面とのなす角度が、5°〜20°の範囲に設定されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子と前記磁気シールドとの間に設けられ、前記半導体素子と前記磁気シールドとを熱的に接続する熱伝導部材を有し、
    前記磁気シールドは、導電性を有する軟磁性体材料からなることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子を第1半導体素子とし、前記磁気シールドを第1磁気シールドとしたときに、
    前記配線基板の下面に実装された第2半導体素子と、
    前記第2半導体素子の下方を覆うように前記配線基板の下面側に設けられ、軟磁性体材料からなる第2磁気シールドと、を有し、
    前記第2磁気シールドは、前記第2半導体素子と平面視で重なる部分が前記配線基板の下面に対して直線状に傾斜する直線斜面に形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。
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