JP6820063B2 - 半導体装置、大規模ｌｓｉまたは電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置、この半導体を用いた大規模ＬＳＩまたは電子機器に関する。

関連する技術として、ベアチップを可撓性回路基板と接続し、可撓性回路基板を支持体の端面に沿って折り曲げてベアチップと支持体を可撓性回路基板で包んだ構造が特許文献１に記載に記載されている。
この構造では、支持体が可撓性回路基板およびデバイス１の外側に突き出しており、且つ、この突き出している部分が、半導体装置と接続された実装基板、および放熱部材と高熱伝導率材料を介して接触、接続、または接合されていることにより、良好な熱伝導性を得て、放熱効率を改善している。

また、関連する他の技術として、特許文献２、３、４、５に記載された半導体デバイス、半導体パッケージ、あるいは電子装置がある。

特許第５７５７５７３号公報 特開２００４−１７２３２２号公報 特開２００７−２５１２２５号公報 特開２０１２−０６９７４３号公報 再公表ＷＯ２００７／０８６４８１号公報

しかしながら、この三次元実装型半導体装置では、可撓性回路基板で包んだデバイスの外部に支持体が突き出すことで、支持体の大気との接触面積を大きく確保して放熱効率を改善できるというメリットがあるものの、支持体が可撓性回路基板に包まれている部分では、支持体から可撓性回路基板への熱伝導を経て大気に放熱されるため、放熱効率が下がる傾向がある。
さらに、消費電力の高い半導体ベアチップを用いた場合、放熱性が不十分になって、温度が上昇し、この温度上昇がチップの誤動作の原因となることがある。

すなわち特許文献１にあっては、サイズの大きな支持体にもかかわらず放熱効果が不十分になるという課題があった。
また、関連する特許文献２〜５にあっても、支持体から大気への放熱について、格別な配慮がなされたものはなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、半導体装置、大規模ＬＳＩ、電子機器の放熱性を高めることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は下記の構成を有する。
少なくともデバイス、該デバイスの近傍に設けられていて、該デバイスより熱伝導性が高い支持体、可撓性回路基板を有し、前記可撓性回路基板が前記デバイスおよび支持体の少なくとも一部分を包んでいる半導体装置であって、前記支持体が前記可撓性回路基板に接する第１の支持体表面と、この第１の支持体表面とは異なる面であって、前記可撓性回路基板に接しない第２の支持体表面とを有する半導体装置。

本発明によれば、デバイスで発生した熱の放熱性を高めることができる。

本発明の最少構成例にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の半導体装置の第１実施形態における図４のII-II線矢視の断面図である。 図２の構造における熱伝導経路の説明図である。 第１実施形態の上面図である。 第３実施形態の断面図である。 第３実施形態の変形例の断面図である。 第４実施形態の側面図である。 第４実施形態のVIII-VIII線矢視の断面図である。 第５実施形態の断面図である。 第１実施形態で用いられるデバイスの側面図である。 第１実施形態で用いられる支持体の横断面図である。 第１実施形態で用いられる可撓性回路基板の拡大した断面図である。 第１実施形態で用いられる可撓性回路基板の断面図である。 図１３の可撓性回路基板上にデバイス、支持体を配置した状態の平面図である。 図１４の状態で可撓性回路基板を折り曲げた状態の断面図である。 図１５の状態から電極を設けた完成状態の断面図である。

本発明の最少構成にかかる半導体装置の例について図１を参照して説明する。
符号１は、例えば、半導体ベアチップ、パッケージ化された電子部品、受動部品のようなデバイスである。このデバイス１の近傍には、例えば熱伝導性の良好な材料により形成された支持体２が配置され、これらデバイス１、支持体２は、可撓性回路基板３により囲まれている。前記可撓性回路基板３が前記デバイス１および支持体２の少なくとも一部分を囲むための具体的な構造として、例えば、一枚の可撓性回路基板３によってデバイス１、支持体２を包む構造が採用される。前記支持体２は、第１の支持体表面４と第２の支持体表面５とを有している。

前記第１の支持体表面４は、前記可撓性回路基板３に接触し、また前記第２の支持体表面５は、例えば、中空状に形成された前記支持体２の内部の空間を囲む面であって、例えば電子機器の筐体内の大気に接触している。

上記のように構成された半導体装置にあっては、第１の支持体表面４に加えて、第２の支持体表面５を設けて支持体２から空気への放熱面積が広くなることで、デバイス１で発生した熱をより効率よく放熱することが可能になり、その結果、半導体装置の温度上昇を抑えることができる。特に、第２の支持体表面５は、大気へ直接接触しているので、より大きな放熱効果を発揮することができる。

また、支持体２の放熱面積の拡大により、放熱性能が上がり、支持体２を外部への突き出して大きな放熱面積を確保する必要がなくなる、または、可撓性回路基板３の両端（図１の左右の端部）から突き出し面積を小さくすることが可能になり、半導体装置の外形サイズを小さくすることができ、また、半導体装置の重量も軽くすることができる。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中図１の最少構成例と共通の構成要素には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図２は、本発明の第１実施形態を示す半導体装置を用いた電子機器の断面図、図４は上面図である。図２は、可撓性回路基板３を図２が印刷された用紙に見立てた場合に、この紙面の表となる第１の面７の中央にデバイス１を配置し、これを囲むように支持体２を配置しておき、第１の面７を内側にして、紙面の上下をそれぞれ紙面の手前に曲げながらデバイス１、支持体２の上に重ねて包み込むことにより形成された第１実施形態の半導体装置を紙面と直交する方向へ切断した断面を示している。
この半導体装置には、前記第１の面７に第１の外部電極８があり、第２の面９に第２の外部電極１０が設けられた可撓性回路基板３と、デバイス１の周囲を囲むように配置された支持体２と、可撓性回路基板３の第１の外部電極８と電気的に接続されたデバイス１とで構成されている。

また、前記半導体装置は、可撓性回路基板３を支持体２の対向する２辺の端部で折り曲げて、デバイス１と支持体２とを包み込んだ構造となっている。
具体的には、まず、図４に破線で示すように、可撓性回路基板３の第１の面７に、全体として矩形の枠状をなす支持体２内側にデバイス１が位置するように配置する。
次いで、図４に鎖線で示すように平面状に展開された可撓性回路基板３の一方の（図４上側の）短辺３Ａと、他方の（図４下側の）短辺３Ａとを図４の紙面の上方へ持ち上げながら曲げ、デバイス１に被せるように包むことにより、図２に示すような断面構造の半導体装置を得ることができる。なお図４では、可撓性回路基板３の長辺３Ｂの方向への長さが短いため、前記デバイス１の中央部分が露出しているが、長辺３Ｂを図示例より長くしてデバイス１の上面全体を覆うようにしても良い。すなわち、図４の中央のデバイス１が露出する個所の断面にあっては、図２の可撓性回路基板３は断面ではなく側面（端面）が見えることになる。

前記支持体２は、前述のように、平面視で枠状をなし、図１に断面を示すように、内部が中空状に構成されていて、外気と接することができる構成とされている。すなわち、支持体２は、第１の支持体表面４と中空部側の第２の支持体表面５とを有する構造になっている。この構造により支持体２の第１の支持体表面４と第２の支持体表面５から放熱することができるため、放熱面積が広がり、デバイス１から発生する熱を空気に効率よく逃がす効果を有している。

図３に本実施形態の半導体装置における熱の流路を示す。デバイス１で発生した熱は、デバイス１の表面と接触している可撓性回路基板３に伝わり、その後、可撓性回路基板３と接触している支持体２へと伝わり、最終的に支持体２の第１の支持体表面４および第２の支持体表面５から空気に効率よく逃がすことができる。
また可撓性回路基板３の第２の面９にある第２の外部電極１０には、実装基板６との接続のための外部端子が形成されており、外部端子としては例えばＳｎを含んだ金属材料で構成されたいわゆる半田ボールB等が好ましい。
なお、図２、３において、デバイス１と支持体２との間に存在する隙間に熱伝導性の良好なグリース等の熱伝導性の充填材を充填することにより、可撓性回路基板３を経由する経路に加えて、デバイス１〜充填材〜支持部材２を経由する熱伝導経路を設けてもよい。

上記では、半導体装置の形状としては半田ボールを使用しているが、表面実装型部品の形状であれば、本実施形態の構造を適用することができるのは言うまでもない。
デバイス１としては例えば半導体ベアチップ、パッケージ化された電子部品、受動部品（コンデンサ、抵抗、インダクタ）などを用いることができる。
支持体２の材料としては、例えば金属（鉄、アルミニウム、アルミニウムを含んだ合金、NiとFeを含んだ合金、NiとCrを含んだ合金、Crを含んだ合金、銅）、シリコン、樹脂材料（ナイロン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、カーボン、アラミド樹脂）、雲母（マイカ）などを用いることができる。

次に、前記第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を説明する。
第１実施形態の半導体装置を製造するために、図１０に示すようなデバイス１（例えば外形サイズ：約１３ｍｍ×１３ｍｍ×高さ０．７ｍｍ）を１個と図１１に示すような中心に穴が開いていて、内側に空間ある枠状をなす支持体２（例えば外形サイズ：約２３ｍｍ×１７ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ）を１個と、図１２に示すような、例えば、第１の絶縁層１１、第２の絶縁層１２、第３の絶縁層１３からなる可撓性回路基板３（すなわち、配線層数が２層の可撓性回路基板であって、例えば外形サイズ：約１７ｍｍ×３６ｍｍ×厚さ０．１４ｍｍ）を１個と、本実施形態の半導体装置の外部端子として用いる半田ボールとして、直径約０．８ｍｍのＳｎＡｇＣｕはんだボールを約１００個用いた。
本実施形態では、前記可撓性回路基板３が２層構成の場合について説明しているが、配線層数が１層または、３層以上の多層の可撓性回路基板３でも構成できることは言うまでもない。

また図１２に示すように、可撓性回路基板３の第１の面７には、あらかじめ支持体２の表面およびデバイス１表面と接着させる箇所に対応する部分に、接着層として厚さ約２５μｍの熱可塑性の接着シート１４を貼っておいた。この熱可塑性樹脂には、約１５０℃で接着できる材料を用いた。なお支持体２と可撓性回路基板３との接着手段は、必ずしも接着シート１４に限定されるものではなく、これらの間に介在する接着剤層１４であっても良い。

先ず初めに、可撓性回路基板３の第１の面７の第１の外部電極８上にフラックスまたはクリーム半田を塗布し、フリップチップ実装マウンター、およびチップマウンターを用いて、デバイス１、支持体２を可撓性回路基板３に仮搭載をした。図１３は以上の工程までの断面図、図１４は以上の工程までの上面図になる。

次に、半導体装置を１８０°Ｃに加熱したヒーターステージ上に吸着固定させ、加圧ツールを用いて可撓性回路基板３を支持体２の２つの辺１５に沿って折り曲げ、デバイス１と支持体２の表面に接着させ、デバイス１と支持体２の周りに可撓性回路基板３を接着させた図１５のようなパッケージを作製した。

このようにして作製したパッケージの外部電極に、半導体装置の外部端子となるはんだボールＢをフラックスで仮搭載した後、リフロー炉に投入してはんだ接続を行い、図１６に示す半導体装置を完成させた。
次に、完成した半導体装置はマウンターを用いて、実装基板５に搭載し、リフロー装置を用いて、これらの支持体半導体装置を実装基板５とはんだ接続させた、図２のような半導体装置を完成させた。

第１実施形態の半導体装置によれば、下記の効果を得ることができる。
第一の効果は、支持体の第１の支持体表面４と第２の支持体表面５を有している構造とすることにより、デバイスで発生した熱を支持体を通し空気に放熱する放熱面積を拡大することで、放熱性を高めることができる。
第二の効果は、支持体２を中空状に構成して表面積が大きく確保し、放熱性を高めることにより、必ずしも、関連する特許文献１に記載されたように、可撓性回路基板１の外部に支持体２を突き出す必要がなくなり、半導体装置の外形サイズを小さくすることができる。
第三の効果は、支持体２が中空状に形成されて内部が空間になることにより、半導体装置の重量を軽くすることができる。
第四の効果は、放熱性を高めることにより、高温環境での使用が難しい装置にも搭載可能な半導体装置を提供することができる。
第五の効果は、放熱性を高め、サイズを小型化することにより、熱問題および搭載スペースの制限により使用が難しい装置にも搭載可能な半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の第２実施形態〜第６実施形態について説明する。なお第２実施形態〜第６実施形態において、第１実施形態と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。また第２〜第６実施形態では、可撓性回路基板３がデバイス１、支持体２の全体を覆うか否かにかかわらず、図４の矢視線で示すように、可撓性回路基板３が存在する個所の断面を示すものとする。
（第２実施形態）
なお前記第１実施形態では、支持体２が可撓性回路基板３の外側に突出していたが、図１の最少構成例で示すように、支持体２を可撓性回路基板３と同一の幅に構成しても良い。
図１は本発明の第２の形態を示す半導体装置の断面図である。図２と支持体形状が異なっており、支持体が可撓性回路基板３の外側に突き出していなくても、本発明の構成が実現できることを示している。本発明の支持体２の外側の支持体表面４と内側の支持体表面を有している構造により放熱効率が上がることで、支持体２を可撓性回路基板３の外側に突き出す必要がなくなり、半導体装置のサイズを小さくすることができる。

（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態を示す半導体装置の断面図である。
この第３実施形態は、図２と支持体の形状が異なっており、内側の支持体表面が必ずしも平面でなくても、本発明の構成が実現できることを示している。
この実施形態の支持体２Ａは、中空状に形成されるとともに、内側の表面に横断面矩形状の凸条２０が設けられている。このように、凸条２０が設けられていて平面でないことにより、空気への放熱面積が増え、放熱効率をさらに向上させることができる。
また、図６の変形例の支持体２Ｂの如く、横断面三角形状の凸条２１を設けることによっても、同様に放熱効果を高めることができる。
本実施形態において、支持体２Ａ、２Ｂが可撓性回路基板３から出ていない構造の半導体装置であっても良いことは言うまでもない。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態を示す半導体装置の側面図、図８は図７のVIII-VIII線に沿う矢視図である。
この第４実施形態は、第３実施形態の構造に支持体２Ｃの内側の支持体２Ｃの上表面側と内側の支持体２Ｃの下表面側を柱状構造体２２で接続することで、支持体２Ｃの剛性を高める向上させることができる。すなわち、表面積を大きくすべく支持体２Ｃを中空とすることによる強度の低下を前記柱状構造体２２によって補うとともに、支持体２の厚さ方向への熱伝導路として利用する構成となっている。
本実施形態において、支持体２Ｃが可撓性回路基板３から出ていない構造の半導体装置であっても良いことは言うまでもない。

（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態を示す半導体装置の断面図である。図９に示す本発明の第５実施形態の半導体装置では、本発明の第１実施形態１または第２実施形態で説明した半導体装置を用い、同一の半導体装置または異なる種類の半導体装置を組み合わせて複数積層した３次元実装構造になっている。この構造は、下に位置する半導体装置の第２の面９の第２の外部電極１０が、上面まで第１の面７または第２の面９で配線され上部にも第２の外部電極１０が配置され、その第２の外部電極１０と上方に位置する半導体装置の外部端子とが電気的に接続された構造になっている。
本構造とすることにより、半導体装置を並列に２次元実装した場合と比較して実装面積を削減することができ、且つ放熱効率の優れた半導体装置を得ることができる。

（第６実施形態）
また、図示は省略するが、これまでに述べた本発明の各実施形態の半導体装置を用いて電子機器を組み立てれば、従来よりも放熱効果が高くなるため低コストで、動作温度が問題になりやすい小型の電子機器に組み込むことができる。また同様に、大規模な回路を備えたＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）にも適用することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

本発明は、半導体装置、ＬＳＩ、あるいはこれらを利用した多くの電子機器で使用することが考えられるが、例えば、特に小型化、高集積化の必要がある、家庭用ゲーム機、医療機器、ワークステーション、サーバー、パーソナルコンピュータ、カーナビゲーション、携帯電話、ロボットなどが好適である。

１ デバイス
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 支持体
３ 可撓性回路基板
４ 第１の支持体表面
５ 第２の支持体表面
６ 実装基板
７ 第１の面
８ 第１の外部電極
９ 第２の面
１０ 第２の外部電極
１１ 第１の絶縁層
１２ 第２の絶縁層
１３ 第３の絶縁層
１４ 接着シート（接着剤層）
１５ 辺
２０、２１ 凸条
２２ 柱状構造体
Ｂ 外部端子（半田ボール）

Claims (9)

1. 少なくともデバイス、該デバイスの近傍に設けられていて、該デバイスより熱伝導性が高い支持体、可撓性回路基板を有し、前記可撓性回路基板が前記デバイスおよび支持体の少なくとも一部分を包んでいる半導体装置であって、
   前記支持体が前記可撓性回路基板に接する第１の支持体表面と、この第１の支持体表面とは異なる面であって、前記可撓性回路基板に接しない第２の支持体表面とを有し、
   前記支持体が中空状をなし、前記第１の支持体表面が前記支持体の外側の表面であり、前記第２の支持体表面が前記中空部を囲む内側の表面である半導体装置。
2. 前記支持体の第１の表面側と第２の表面側とを前記可撓性回路基板の厚さ方向に互いに連結する熱伝導体により接続したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記支持体が前記可撓性回路基板および前記デバイスの外側に突き出していることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体装置。
4. 前記支持体が前記可撓性基板および前記デバイスの外側に突き出していないことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 請求項１〜４の何れか一に記載の半導体装置の同一または異なる種類を組み合わせて複数積層したことを特徴とする半導体装置。
6. 前記可撓性回路基板に包まれている、前記デバイスと支持体の隙間部分に熱伝導材料が実装されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記支持体がFe、NiとFeを含んだ合金、アルミニウム、アルミニウムを含んだ合金、銅、NiとCrを含んだ合金、Crを含んだ合金、シリコン、樹脂材料、雲母、マイカのうちいずれかの材料、あるいは複数の材料で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記デバイスが、半導体ベアチップ、パッケージ化された電子部品、受動部品のうちいずれかで構成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに一項に記載の半導体装置。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の半導体装置を搭載した大規模ＬＳＩまたは電子機器。

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