JP6477105B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の放熱を行う放熱基板を備えた半導体装置に関する。

半導体素子のために放熱効率を向上させた配線基板として、発生した熱を、内壁面に銅めっきが施されたビアホールであるサーマルビアを介して、内層銅箔や裏面銅箔に熱伝導により拡散させる放熱基板が知られている（特許文献１参照）。

近年、電子機器に搭載される半導体素子は、高性能化、多機能化、小型化に伴い、その発熱量は増大している。発熱による部品の信頼性の低下を防止するためには、放熱効率を向上させる必要がある。放熱効率は、サーマルビアの数やヒートシンクと放熱基板との接合面積を増やして熱抵抗を下げることにより向上する。

特開２００３−２７３２９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の基板は、平面視において各ランドの周囲にソルダレジストを隔ててサーマルビアが配置される構成となっているため、ヒートシンクとランドとのはんだ接合面積が小さく、放熱効率が制限される。一方、単一のランドの領域に形成された複数のサーマルビアを有する基板は、はんだ接合面積を広くすることができるが、サーマルビアの周囲にソルダレジストがないため、溶融したはんだがサーマルビアに流入して裏面側に突出してしまう可能性がある。

本発明は、上記問題点を鑑み、放熱効率が高く、反対側の面からはんだが突出することを低減可能な半導体装置を提供することを目的とする。

放熱基板は、基板と、サーマルビアと、ランドと、ソルダレジストとを備える。サーマルビアは、基板の表面から裏面に貫通し、金属によりめっきが内壁面に施された貫通孔である。ランドは、サーマルビアの周辺部からサーマルビアに向かって延伸する切り欠き部を有するように基板の表面上に形成された金属箔からなる。ソルダレジストは、切り欠き部を除いてサーマルビアの周縁部を囲むように、ランド上に形成される。

本発明によれば、ランドが切り欠き部を有し、ソルダレジストが切り欠き部を除く領域に形成されることにより、放熱効率が高く、反対側の面からはんだが突出することを低減可能な半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る放熱基板を備える半導体装置の基本的な構成を説明する断面図である。 図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る放熱基板を説明する上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 図３（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る放熱基板を説明する拡大上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 図４（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る放熱基板にはんだペーストが印刷された様子を説明する拡大上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。 図５（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る放熱基板に印刷されたペーストが溶融する様子を説明する拡大上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。 図６（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る放熱基板の比較例として示す放熱基板を説明する上面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。 図７（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る放熱基板を説明する拡大上面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。図７（ｃ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 図８（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る放熱基板を説明する拡大上面図である。図８（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 図９（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る放熱基板を説明する拡大上面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。図９（ｃ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 図１０（ａ）は、図１０（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。図１０（ｂ）は、本発明の第５実施形態に係る放熱基板を説明する下面図である。 図１１は、本発明の第５実施形態に係る放熱基板との比較のために、サーマルビアを介して裏面側に到達したはんだペースト中の低融点成分の振る舞いを説明する放熱基板の断面図である。 図１２は、本発明の第５実施形態に係る放熱基板において、サーマルビアを介して裏面側に到達したはんだペースト中の低融点成分の振る舞いを説明する断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１〜第５実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る放熱基板１を備える半導体装置は、図１に示すように、はんだ２により放熱基板１に接合された電子部品３を備える。放熱基板１は、基板１１と、複数のサーマルビア１２と、ランド１３と、複数のソルダレジスト１４とを備える。

基板１１は、樹脂材料等の絶縁体からなる。基板１１は、表面１１１及び裏面１１２を各主面として有する平板状である。サーマルビア１２は、表面１１１から裏面１１２に垂直に貫通する貫通孔である。サーマルビア１２は、平面視において、ランド１３内に２次元アレイ状に配列される。

ランド１３は、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、各サーマルビア１２の周辺部からサーマルビア１２に向かって延伸する帯状の切り欠き部１３０を有するように表面１１１上に形成された銅等の金属箔からなる。ランド１３は、例えば矩形の平面パターンを有する。切り欠き部１３０は、各サーマルビア１２について、サーマルビア１２を挟んで２本ずつ形成される。

サーマルビア１２は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、銅等の金属によりめっき１２１が内壁面に施されている。めっき１２１は、各サーマルビア１２の一端側においてランド１３に連結される。

ソルダレジスト１４は、平面視において切り欠き部１３０を除いて各サーマルビア１２の周縁部を囲むように、ランド１３上にリング状に形成される。ソルダレジスト１４は、はんだ２に対してランド１３よりも低い濡れ性を有する絶縁体からなる。切り欠き部１３０は、少なくとも、平面視において各ソルダレジスト１４の外側から内側に到達するように形成される。

放熱基板１は、裏面側ランド１５と、複数のパッド１８と、熱伝導層１９とを更に備える。裏面側ランド１５は、裏面１１２上に形成された銅等の金属箔からなる。裏面側ランド１５は、例えば、平面視においてランド１３と一致するように、ランド１３と同一の平面パターンを有する。パッド１８は、ランド１３の周囲の表面１１１上に形成された銅等の金属箔からなる。熱伝導層１９は、基板１１に対して平行に、基板１１の内部に埋め込まれた銅等の金属箔からなる。熱伝導層１９は、各サーマルビア１２に貫通され、各サーマルビア１２のめっき１２１に連結される。

電子部品３は、はんだ２によりランド１３に接合されるヒートシンク４と、ダイボンド材５によりヒートシンク４上に固着される半導体素子６と、ヒートシンク４及び半導体素子６を封止する封止樹脂７と、複数のリード８とを備える。ヒートシンク４は、ランド１３に対応する接合面４１を有し、接合面４１においてランド１３に接合される。接合面４１は、ランド１３と略同一の平面パターンを有する。

リード８の一端側は、封止樹脂７に埋め込まれ、ワイヤ８１を介して半導体素子６の各端子に接続される。リード８の他端側は、はんだ２によりパッド１８に接合される。半導体素子６の各端子は、それぞれ、ワイヤ８１及びリード８を介して、パッド１８にそれぞれ電気的に接続される。

半導体素子６は、リード８等を介して電源を供給されることにより駆動し、発熱する。半導体素子６において発生した熱は、ダイボンド材５、ヒートシンク４、はんだ２、ランド１３、サーマルビア１２、熱伝導層１９、基板１１、周囲雰囲気の経路で順に伝達することにより外部に放散される。その他、半導体素子６において発生した熱は、封止樹脂７、周囲雰囲気の経路でも伝達するが、サーマルビア１２を含む経路の方が低い熱抵抗を有するため、サーマルビア１２を含む経路が主な放熱経路となる。

放熱基板１に電子部品３のヒートシンク４を接合するため、先ず、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、はんだペースト２ｐが、平面視においてソルダレジスト１４の外側のランド１３上に印刷される。放熱基板１は、印刷されたはんだペースト２ｐ上に電子部品３が配置された状態で加熱される。

電子部品３が配置された放熱基板１が加熱されると、先ず、はんだペースト２ｐ中の低沸点の溶剤が揮発する。更に温度が上昇すると、はんだペースト２ｐ中のはんだ合金より低い融点を有するフラックスが溶融し、フラックスにより、ランド１３状の酸化膜等の異物が除去される。

はんだペースト２ｐ中のはんだ合金より低い融点を有するフラックス、樹脂等を含む低融点成分２ｑは、図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すように、切り欠き部１３０上に進入し、サーマルビア１２の内側に充填される。このように、低融点成分２ｑは、はんだペースト２ｐ中のはんだ合金に先行して、サーマルビア１２の端部を閉塞する。このように、切り欠き部１３０は、はんだペースト２ｐ中の低融点成分２ｑが流れる流路として機能する。

更に温度が上昇し、はんだペースト２ｐ中のはんだ合金の融点に到達すると、はんだ合金が溶融し、フラックスの作用により、ランド１３及びヒートシンク４がはんだ合金により濡れる。その後、放熱基板１が冷却されることにより、はんだ合金が固化して、はんだ２によりヒートシンク４がランド１３接合されることになる。

第１実施形態に係る放熱基板１によれば、ランド１３がサーマルビア１２に向かう切り欠き部１３０を有することにより、はんだペースト２ｐ中の低融点成分２ｑがはんだ合金に先行してサーマルビア１２に充填される。よって、放熱基板１は、電子部品３のヒートシンク４との接合面積が広く、且つ裏面１１２からはんだ２が突出することを低減することができる。

―比較例―
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、比較例として示す放熱基板１ａは、複数のランド１３ａを備える。放熱基板１ａは、ヒートシンクに対応する領域に設けられたソルダレジスト１４ａと、ソルダレジスト１４ａが選択的に除去されることにより形成された複数のランド１３ａと、複数のランド１３ａとそれぞれ離間して設けられたサーマルビア１２とを備える。

放熱基板１ａは、ランド１３ａの周囲にソルダレジスト１４ａを隔ててサーマルビア１２が配置されるため、ヒートシンク４とランド１３ａとのはんだ２による接合面積が小さく、放熱効率が制限される。これに対して、第１実施形態に係る放熱基板１は、平面視において単一のランド１３内に複数のサーマルビア１２が配置されるため、放熱基板１ａに対して、はんだ接合面積を大きくすることができる。

半導体素子６の許容損失を約１Ｗ、ヒートシンク４の寸法を６ｍｍ×６ｍｍ、電子部品３のリード８を除く平面寸法を８ｍｍ×８ｍｍとする。ヒートシンク４の接合面と、ランド１３及びソルダレジスト１４ａの外周とが同一寸法とすると、放熱基板１のヒートシンク４との接合面と雰囲気温度との間の熱抵抗は、約３℃／Ｗ程度低減される。このとき、アレニウスの式（１０℃２倍則）により電子部品３の寿命を推定すると、熱抵抗が低減することにより電子部品３の寿命は、約５〜１０％程度向上する。よって、放熱基板１は、電子部品３の放熱性及び信頼性を向上することができる。

仮に、放熱基板１ａがソルダレジスト１４ａを備えないとすると、はんだ接合面積は大きくなるが、溶融したはんだペースト２ｐは、ランド１３ａを構成する金属箔を伝って容易にサーマルビア１２に進入し、裏面１１２から突出してしまう可能性がある。

放熱基板１ａにおいてはんだペースト２ｐ中のはんだ合金が溶融する際、はんだ合金は、ソルダレジスト１４ａに阻害されるが、ヒートシンクがはんだ合金に濡れるため、はんだ合金がヒートシンクを伝ってサーマルビア１２に到達する可能性がある。また、ソルダレジスト１４ａは、はんだペースト２ｐに対する濡れ性がランド１３ａに対して小さいため、サーマルビア１２に到達する低融点成分２ｑが少なく、はんだ合金がサーマルビア１２に進入して裏面１１２に突出する可能性がある。

これに対して、第１実施形態に係る放熱基板１は、各サーマルビア１２の周縁部のランド１３上に切り欠き部１３０を除いてソルダレジスト１４が形成されるため、サーマルビア１２に向かって流れる低融点成分２ｑの量を増大させることができる。結果として、はんだペースト２ｐ中のはんだ合金は、サーマルビア１２の内側が低融点成分２ｑで充填された後にサーマルビア１２に接近するので、サーマルビア１２のめっき１２１に接触することが困難になる。よって、放熱基板１は、裏面１１２からはんだ合金が突出することを低減することができる。

なお、はんだ合金が裏面１１２から突出すると、裏面１１２側へのはんだペースト印刷に支障をきたす他、ヒートシンク４と基板との間のはんだ２が減少してしまう。すると、Ｘ線によるはんだ２のボイド検査において、はんだ２とボイドとのコントラストが低減し、ボイドの検出が困難となる。

これに対して、放熱基板１は、サーマルビア１２に進入するはんだ合金を低減するため、ランド１３とヒートシンク４との間のはんだ２の量を一定にすることができる。よって、Ｘ線によるボイド検査において、はんだ２とボイドとのコントラストが安定するため、
正確な検査が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る放熱基板１Ｂは、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、ランド１３Ｂが４本の切り欠き部１３０を有する点において第１実施形態と異なる。第２実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１実施形態と実質的に同様であり重複するため省略する。

４本の切り欠き部１３０は、サーマルビア１２の周辺部からサーマルビア１２に向かって延伸する。４本の切り欠き部１３０は、例えば、平面視においてサーマルビア１２交点として直交するように形成される。

ソルダレジスト１４Ｂは、平面視において切り欠き部１３０を除いて各サーマルビア１２の周縁部を囲むように、ランド１３Ｂ上にリング状に形成される。切り欠き部１３０は、少なくとも、平面視において各ソルダレジスト１４Ｂの外側から内側に到達するように形成される。

第２実施形態に係る放熱基板１Ｂは、ランド１３が４本の切り欠き部１３０を有することにより、サーマルビア１２の内側に進入する低融点成分２ｑの量を増加させることができる。切り欠き部１３０の数は、設計上の熱抵抗率を担保できる範囲で増加又は拡大されてもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る放熱基板１Ｃは、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、ソルダレジスト１４上にシルクパターン１６が印刷される点において第１実施形態と異なる。第３実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と実質的に同様であり重複するため省略する。

シルクパターン１６は、例えば樹脂材料からなる。シルクパターン１６は、少なくとも、ソルダレジスト１４上の、２本の切り欠き部１３０の各延伸方向に沿う両側に印刷される。シルクパターン１６は、図８（ｃ）に示すように、低融点成分２ｑが切り欠き部１３０を流れる際の流路の高さを高くする。

すなわち、第３実施形態に係る放熱基板１Ｃによれば、低融点成分２ｑの流路の断面積を増大させることができるので、サーマルビア１２に流れる低融点成分２ｑの量を増加させることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る放熱基板１Ｄは、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、ソルダレジスト１４上に印刷されたシルクパターン１６Ｄの形状において第３実施形態と異なる。第４実施形態において説明しない他の構成は、第１及び第３実施形態と実質的に同様であり重複するため省略する。

シルクパターン１６Ｄは、ソルダレジスト１４上の、２本の切り欠き部１３０の延伸方向に沿う両側にそれぞれ印刷されたシルクパターン１６１と、サーマルビア１２の周縁部を囲むように、ソルダレジスト１４上に印刷されたシルクパターン１６２とを有する。シルクパターン１６２は、切り欠き部１３０を除くように形成されたソルダレジスト１４上に、平面視においてリング状に形成される。

第４実施形態に係る放熱基板１Ｄによれば、サーマルビア１２に流れる低融点成分２ｑの量を増加させることができる。また、第４実施形態に係る放熱基板１Ｄは、シルクパターン１６Ｄによりヒートシンク４との間隙が狭いので、ソルダレジスト１４の濡れ性との組み合わせにより、溶融したはんだ合金がサーマルビア１２に流れることを更に低減することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態に係る放熱基板１Ｅは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、裏面側ランド１５上に形成された裏面側ソルダレジスト１７を備える点において第１実施形態と異なる。第５実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と実質的に同様であり重複するため省略する。

裏面側ソルダレジスト１７は、裏面１１２側において露出した各サーマルビア１２の開口端の周縁部を囲むように、裏面側ランド１５上にリング状にそれぞれ形成される。図１１に示すように、裏面側ソルダレジスト１７を備えない放熱基板１において、切り欠き部１３０を介してサーマルビア１２に流入した低融点成分２ｑは、裏面側ランド１５まで到達し、裏面側ランド１５に濡れ広がる可能性がある。

これに対して、第５実施形態に係る放熱基板１Ｅは、図１２に示すように、裏面側ソルダレジスト１７が低融点成分２ｑの濡れを阻害するため、裏面側ランド１５における低融点成分２ｑの広がりを低減することができる。よって、放熱基板１Ｅのサーマルビア１２の内径を大きくすることができる。すなわち、放熱基板１Ｅは、めっき１２１の垂直方向から見た断面積を増大させることができるため、更に熱抵抗率を向上することができる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、既に述べた第１〜第５実施形態において、電子部品３は、半導体素子６以外の素子を有するようにしてもよく、半導体装置は、半導体素子６以外の素子を有する電子部品を備える回路アセンブリであってもよい。

上記の他、第１〜第５実施形態に記載の構成を相互に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 放熱基板
４ ヒートシンク
６ 半導体素子
１１ 基板
１２ サーマルビア
１３，１３Ｂ ランド
１４，１４Ｂ ソルダレジスト
１５ 裏面側ランド
１６，１６Ｄ（１６１，１６２） シルクパターン
１７ 裏面側ソルダレジスト
１１１ 表面
１１２ 裏面
１２１ めっき
１３０ 切り欠き部

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の表面から裏面に貫通し、金属によりめっきが内壁面に施された貫通孔であるサーマルビアと、
   前記サーマルビアの周辺部から前記サーマルビアに向かって延伸する切り欠き部を有するように前記表面上に形成された金属箔からなるランドと、
   前記切り欠き部を除いて前記サーマルビアの周縁部を囲むように、前記ランド上に形成されたソルダレジストと、を備えた放熱基板と、
   前記ランドに対応する接合面を有し、前記接合面においてはんだにより前記ランドに接合されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに固着された半導体素子と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ソルダレジスト上の、前記切り欠き部の延伸方向に沿う両側にシルクパターンが印刷されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記サーマルビアの周縁部を囲むように、前記ソルダレジスト上にシルクパターンが印刷されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記裏面に形成された金属箔である裏面側ランドと、
   前記サーマルビアの周縁部を囲むように、前記裏面側ランド上に形成された裏面側ソルダレジストと
   を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
   

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