JP7058813B1

JP7058813B1 - 半導体装置

Info

Publication number: JP7058813B1
Application number: JP2021574233A
Authority: JP
Inventors: 裕次岩井; 高宏隈
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2041-08-25
Also published as: WO2023026381A1; CN117836929A; JPWO2023026381A1

Abstract

基板（２）と、基板（２）の中央部の表面側に形成された開口部を有するキャビティ部（１２）と、キャビティ部（１２）の底部（５ｃ）として形成された基板（２）の裏面導体（５ａ）と、裏面導体（５ａ）に実装された半導体チップ（４）と、半導体チップ（４）と基板（２）を覆うモールド材（１）と、を備え、モールド材（１）が、基板（２）に設けられた穴（６）を介して基板（２）の表面側と裏面側を接続し、基板の変形および割れなどの不具合を防止し、反りを抑制することでモールド材の基板からの剥離を防止する。

Description

本願は、半導体装置に関するものである。

一般に、半導体チップを回路基板に多数個実装し、樹脂で一括封止した後に所望の個片サイズへとダイシングにより分割を行うモールドパッケージがある。このような半導体装置の製造方法としては、トランスファー成型加工が広く用いられている。また、高出力化に伴い半導体チップの発熱が増加することから、回路基板には放熱性能の向上が求められている。しかし、回路基板には樹脂またはセラミックが用いられる場合が多く、放熱性能が低い。

放熱性能を向上させるために、キャビティ構造をとることにより、回路基板部分での熱抵抗をカットすることが有効である。この場合、高密度配線を行う回路基板で通常用いられるＣｕ導体は厚さが３０μｍ前後と薄いため熱を十分に広げることができず、放熱性能は限定的である。

さらに放熱性能を向上させるために、ヒートシンクとして裏面導体厚を増やすという方法がある。裏面導体厚を厚くした場合、基板をトランスファー成形金型にセット時の基板底面と金型との間の隙間が大きくなる。裏面導体の間隔が広い場合、基板底面と金型との間の隙間が大きいと、トランスファー成形加工時の成形圧力により基板変形量が大きくなるため、基板に割れが生じるなどの不具合が発生する。特に、ダイシングラインの交点がある領域では、裏面導体による支えの間隔が広くなることから、顕著である。

対策として、ダイシングラインの交点領域など裏面導体間隔が広い箇所へ、裏面導体を追加配置することにより、裏面導体の間隔が広くならないようにする方法が考えられる。しかし、厚い裏面導体を切る場合にはダイシングブレードへの負荷が非常に大きくなる。また、ダイシングブレードの急速な摩耗進行およびダイシングブレードの破損が懸念されることから、ダイシングラインの交点に裏面導体を配置することは難しい。

これに対し、特許文献１では、このダイシングラインの交点領域に、モールド金型側にサポートピンを設けて回路基板を支えることにより、基板の変形を防止するという手法が開示されている。

特開２００３－２３４３６５号公報（段落００１１、図３）

しかしながら、特許文献１の方法では、モールド金型への特殊な加工が必要となるため、金型コストが上昇するという問題があった。また、サポートピンは製品個片サイズに合わせて配置する必要があることから、個片サイズ毎に金型を新規に作製する費用が必要になるというコストの問題があった。さらに、裏面導体の厚みには製造ばらつきがあるが、サポートピンは高さが一定であるため、裏面導体厚のばらつきに追従できないという技術的な問題もあった。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたもので、安価かつ容易に高い放熱性能を持つ半導体装置を提供することを目的とする。

本願に開示される半導体装置は、基板と、前記基板の中央部の表面側に形成された開口部を有するキャビティと、前記キャビティの底面として形成された前記基板の裏面導体と、前記裏面導体に実装された半導体チップと、前記半導体チップと前記基板を覆うモールド材と、を備え、前記モールド材は、前記基板に設けられた穴を介して前記基板の表面側と裏面側が接続され、前記穴は、ダイシングライン上に形成されたことを特徴とする。

本願によれば、モールド材を、基板に設けられた穴を介して基板の表面側と裏面側を接続することで、基板の変形および割れなどの不具合を防止することができる。また、反りを抑制することができ、モールド材の基板からの剥離を防止することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す裏面図および断面図である。実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す上面図、裏面図および断面図である。実施の形態７に係る半導体装置の他の構成を示す裏面図および断面図である。

実施の形態１．
図１は、本願の実施の形態１に係る半導体装置５０１の構成を示す図である。図１（ａ）は半導体装置５０１の裏面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ矢視断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、半導体装置５０１は、半導体チップ４、電子部品３、基板２、裏面導体５ａ、５ｂ、ワイヤ１１およびモールド材１からなる。

半導体チップ４は、基板２と裏面導体５ａで構成されるキャビティ構造において、キャビティ（凹部）部１２の底部５ｃを形成する裏面導体５ａに実装されている。裏面導体５ａ、５ｂの厚みは、５０μｍ以上（より好ましくは１００μｍ以上）有する。

基板２には、矩形である個片１０の四方の角部の領域に穴６が４個設けられている。穴６は基板２に対して垂直に開けてもよいし、斜めに開けてもよい。なお、本実施の形態１では、穴６の穴方向の断面形状を円形としたが、これに限るものではない。穴６の形状、サイズ、個数、配置位置は任意である。また、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。

図２は、本願の実施の形態１に係る半導体装置５０１の他の構成を示す図である。図２に示すように、穴６は、穴方向の断面形状を正方形とした。その他の構成は、図１と同様である。

基板２等へモールド材１をトランスファー成型する場合、一般に１０ＭＰａ前後の成形圧力が印加される。この成形圧力により基板２に変形および割れなどの不具合が生じる場合がある。本願では、穴６を設けることにより、基板２の裏面側にモールド材１を充填するための経路を設ける。

これにより、基板２の表面側と裏面側にモールド材１が充填された状態で成形圧がかかり、基板には上下から等しく成形圧が印加されるようになるため、基板２の変形および割れなどの不具合を防止することができる。従来は、基板２の変形および割れなどの不具合を防止するために、成形圧をあるレベルよりも高くすることはできなかった。しかし、本願では、従来の方法と比べて成形圧を高くすることができるため、ボイドおよび未注入を防止することができる。

さらに、穴６を通じてモールド材１が基板２の表裏を移動することができるので、図３（ａ）に示すように、成型金型８０の基板２の表面側の注入口８０ａからモールド材１を注入する方法に加えて、図３（ｂ）に示すように基板２の裏面側の注入口８０ｂからモールド材１を注入する方法を選択することが可能となる。また、図３（ｃ）に示すように、基板２の表面側の注入口８０ａと裏面側の注入口８０ｂから同時にモールド材１を注入する方法を選択することも可能となる。

このように、成型金型の注入口の位置を任意に選択することができるだけでなく、基板２の裏面側の注入口８０ｂからモールド材１を注入し、モールド材１の注入方向を変えることで、ワイヤ１１の横方向からモールド材１を注入することで発生するワイヤスイープおよびワイヤ倒れを抑制することができる。さらに、モールド材１の硬化速度が早いなどの理由により、注入時間を短くする必要がある場合には、基板２の表面側と裏面側から同時にモールド材１を注入することにより、注入時間を短縮することができる。

また、特許文献１で開示されているサポートピン方式でのコストの問題と技術的な問題も同時に解決することができる。コストの面では、サポートピンのような金型への加工が不要であるため、金型加工費を抑制することができる。技術的な面では、裏面側にモールド材１を充填することから、裏面導体の厚みばらつきに追従することができるようになる。そして、基板の表裏にモールド材１が存在するため、反りを抑制することができる。さらに、穴６を介してモールド材１が基板２の表面側と裏面側で一体となった形状を作ることにより、モールド材の基板からの剥離を防止することができる。

以上のように、本実施の形態１に係る半導体装置５０１によれば、基板２と、基板２の中央部の表面側に形成された開口部を有するキャビティ部１２と、キャビティ部１２の底部５ｃとして形成された基板２の裏面導体５ａと、裏面導体５ａに実装された半導体チップ４と、半導体チップ４と基板２を覆うモールド材１と、を備え、モールド材１が、基板２に設けられた穴６を介して基板２の表面側と裏面側を接続するようにしたので、基板の変形および割れなどの不具合を防止することができる。また、反りを抑制することができ、モールド材の基板からの剥離を防止することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、個片１０の四方の角部の領域に穴６を設けた場合について説明したが、実施の形態２では、ダイシングライン７上に設けた場合について説明する。

図４は、本願の実施の形態２に係る半導体装置５０２の構成を示す模式図である。図２（ａ）は半導体装置５０２の裏面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡＡ矢視断面図であり、図２（ａ）のＢＢ矢視断面図であ。図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、半導体装置５０２では、穴６が基板２のダイシングライン７上に設けられている。実施の形態２に係る半導体装置５０２のその他の構成については、実施の形態１に係る半導体装置５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態２では、穴６を矩形である個片１０の四方の角部に４個、長辺に２個および短辺に１個設けたが、これに限るものではない。穴６の形状、サイズ、個数、配置位置は任意である。また、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。

図５は、本願の実施の形態２に係る半導体装置５０２の他の構成を示す図である。図５に示すように、穴６は、穴方向の断面形状を正方形とした。その他の構成は、図４と同様である。

ダイシングで形成する個片１０の端部は剥離起点になりやすい。実施の形態２では、剥離の起点となりやすい個片１０の端部にて、図４（ｃ）および図５（ｃ）に示すように、モールド材１で基板２の表面側と裏面側を挟み込む形状を作ることにより、モールド材１と基板２間での剥離防止効果の向上を図ることができる。

以上のように、本実施の形態２に係る半導体装置５０２によれば、穴６をダイシングライン７上に形成するようにしたので、実施の形態１の効果に加え、モールド材と基板間での剥離防止効果の向上を図ることができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、ダイシングで形成する個片１０の長辺および短辺でのダイシングライン７上の任意の位置に穴６を形成した場合について説明したが、実施の形態３では、裏面導体５ｂの位置とずらして形成する場合について説明する。

図６は、本願の実施の形態３に係る半導体装置５０３の構成を示す図である。図６（ａ）は半導体装置５０３の裏面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣＣ矢視断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、半導体装置５０３は、穴６が基板２のダイシングライン７上で、裏面導体５ｂの位置に対応する位置からずらして設けられている。実施の形態３に係る半導体装置５０３のその他の構成については、実施の形態１に係る半導体装置５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態３では、穴６を矩形である個片１０の四方の角部に４個、長辺に４個および短辺に２個設けたが、これに限るものではない。穴６の形状、サイズ、個数、配置位置は任意である。また、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。

図７、図８および図９は、本願の実施の形態３に係る半導体装置５０３の他の構成を示す図である。図７では、個片１０の四方の角部の穴６1の径のみ、他の穴６の径よりも大きくした。図８では、さらに個片１０の四方の角部の領域に正方形の穴６２を追加した。図９では、個片１０の四方の角部の穴６1は、径を他の穴６よりも大きくするとともに、穴方向の断面形状を正方形または＋形とし、短辺の穴６を円形だけでなく、三角形、ひし形またはＬ形とした。その他の構成は、図６と同様である。

基板２の上側から穴６を通じて、基板２の裏面側へとモールド材１を充填する場合、穴６の近傍に裏面導体５ｂが存在すると、モールド材１の平面方向への拡散が裏面導体５ｂによって阻害される。そこで、穴６と裏面導体５ｂの位置をずらして配置することにより、モールド材１の平面方向への拡散が裏面導体５ｂによって阻害されることを防止することができる。

以上のように、本実施の形態３に係る半導体装置５０３によれば、穴６をダイシングライン７上で、裏面導体５ｂの位置に対応する位置からずらして設けるようにしたので、実施の形態２の効果に加え、モールド材の充填性を向上させることができる。

実施の形態４．
実施の形態２および実施の形態３では、ダイシングライン７上に、円形、正方形または＋形の穴を設けた場合について説明したが、実施の形態４では、スリット形の穴を設けた場合について説明する。

図１０は、本願の実施の形態４に係る半導体装置５０４の構成を示す図である。図１０（ａ）は半導体装置５０４の裏面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡＡ矢視断面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、半導体装置５０４は、穴方向の断面形状が四角形のスリット穴８を有し、スリット穴８が基板２のダイシングライン７上に設けられている。実施の形態４に係る半導体装置５０４のその他の構成については、実施の形態１に係る半導体装置５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

なお、本実施の形態４では、スリット穴８をダイシングライン７上に設けたが、個片となる領域に設けてもよい。スリット穴８の形状、サイズ、個数、配置位置は任意であり、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。

図１１および図１２は、本願の実施の形態４に係る半導体装置５０４の他の構成を示す図である。図１１では、スリット穴８は、穴方向の断面形状を楕円形とした。図１２では、図９では、個片１０の短辺にスリット穴８だけでなく、円形の穴６も用い、長辺には正方形の穴６も用いた。その他の構成は、図１０と同様である。

スリット穴８を用いることで、剥離の起点となりやすい個片１０の端部にて、モールド材１で基板２の表面側と裏面側を挟み込む形状を、円形等の穴６を用いる場合よりも拡大することができるので、モールド材１と基板２間での剥離防止効果をさらに向上させることができる。

以上のように、本実施の形態４に係る半導体装置５０４によれば、スリット穴８を用いるようにしたので、実施の形態３の効果に加え、基板の表裏方向のモールド材の流動経路を拡大することにより、モールド材の充填性を向上させることができるだけでなく、モールド材と基板間での剥離防止効果の向上を図ることができる。

実施の形態５．
実施の形態４では、個片１０の長辺と短辺にスリット穴８を設けた場合について説明したが、実施の形態５では、個片１０の角部も含むスリット穴を設けた場合について説明する。

図１３は、本願の実施の形態５に係る半導体装置５０５の構成を示す図である。図１３（ａ）は半導体装置５０５の裏面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＤＤ矢視断面図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、半導体装置５０５は、スリット穴８が、基板２のダイシングライン７上で、個片１０の角部を含むように、穴方向の断面形状が＋形で設けられている。実施の形態５に係る半導体装置５０５のその他の構成については、実施の形態１に係る半導体装置５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

スリット穴８の形状、サイズ、個数、配置位置は任意であり、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。

スリット穴８が個片１０の角部を含むように設けることで、剥離の起点となりやすい個片１０の角部にて、モールド材１で基板２の表面側と裏面側を挟み込む構造を設けることができるので、モールド材１と基板２間での剥離防止効果をさらに向上させることができる。

以上のように、本実施の形態５に係る半導体装置５０５によれば、スリット穴８を基板２の角部を含むように設けたので、実施の形態４の効果に加え、剥離の起点となりやすい角部においても、剥離防止効果の向上を図ることができる。

実施の形態６．
実施の形態６では、さらに基板にトンネルを設ける場合について説明する。

図１４は、本願の実施の形態６に係る半導体装置５０６の構成を示す図である。図１４（ａ）は半導体装置５０６の裏面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡＡ矢視断面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、半導体装置５０６は、基板２の内部で面方向にトンネル（貫通路）９が設けられている。トンネル９は、スリット穴８とキャビティ部１２、および穴６とキャビティ部１２を接続する。実施の形態６に係る半導体装置５０６のその他の構成については、実施の形態１に係る半導体装置５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

なお、本実施の形態４では、スリット穴８とキャビティ部１２、穴６とキャビティ部１２を接続したが、穴６とスリット穴８を接続してもよい。また、スリット穴８と穴６を設けたが、どちらか一方のみを設けてもよい。穴６、スリット穴８およびトンネル９の形状、サイズ、個数、配置位置は任意であり、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。

基板２内部のトンネル９を通じてモールド材１をキャビティ部１２へ注入することで、キャビティ部１２へのモールド材１の注入経路が増えるため、キャビティ部１２へのモールド材１の充填性が向上する。

以上のように、本実施の形態６に係る半導体装置５０６によれば、基板２の内部に、面方向に穴６またはスリット穴８とキャビティ部１２を接続するトンネル９を設けたるようにしたので、実施の形態５の効果に加え、キャビティ部へのモールド材の充填性を向上させることができる。

実施の形態７．
実施の形態７では、キャビティ部１２において基板と裏面導体との間に隙間を形成する場合について説明する。

図１５は、本願の実施の形態７に係る半導体装置５０７の構成を示す図である。図１５（ａ）は半導体装置５０７の裏面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡＡ矢視断面図である。

図１６は、図１５の個片１０を拡大した図である。図１６（ａ）は図１５の個片１０の表面図である。図１６（ｂ）は図１５の個片１０の裏面図である。図１６（ｃ）は図１６（ｂ）のＡＡ矢視断面図である。図１６（ｄ）は図１６（ｂ）のＥＥ矢視断面図である。

図１５および図１６に示すように、半導体装置５０７は、キャビティ部１２で基板２と裏面導体５ａとの間に隙間を形成することでスリット穴２０が設けられている。実施の形態７に係る半導体装置５０７のその他の構成については、実施の形態１に係る半導体装置５０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

キャビティ部１２のスリット穴２０の形状、サイズ、個数、配置位置は任意であり、複数の形状、複数のサイズ、複数の配置パターンを組み合わせて用いてもよい。図１７に示すように、穴６、スリット穴８、トンネル９と任意に組み合わせてもよい。

モールド材１の未注入が発生しやすいキャビティ部１２の底部１２ａにスリット穴２０を設けることで、モールド材１の流路を作ることにより、キャビティ部１２へのモールド材１の充填性を向上させることができる。

以上のように、本実施の形態７に係る半導体装置５０７によれば、スリット穴２０をキャビティ部１２の底部１２ａに設けるようにしたので、キャビティ部へのモールド材の充填性を向上させることができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１モールド材、２基板、４半導体チップ、５ａ裏面導体、５ｃ底部、６穴、７ダイシングライン、８スリット穴、１２キャビティ部、２０スリット穴、６１、６２穴、５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７半導体装置。

Claims

基板と、
前記基板の中央部の表面側に形成された開口部を有するキャビティと、
前記キャビティの底面として形成された前記基板の裏面導体と、
前記裏面導体に実装された半導体チップと、
前記半導体チップと前記基板を覆うモールド材と、
を備え、
前記モールド材は、前記基板に設けられた穴を介して前記基板の表面側と裏面側が接続され、
前記穴は、ダイシングライン上に形成されたことを特徴とする半導体装置。
前記穴は、ダイシングライン上で、裏面導体の位置に対応する位置からずらして設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記穴は、矩形の前記基板の角部を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記穴は、前記キャビティの底部にも設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記穴は、矩形の前記基板の角部の領域にも形成されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記穴は、断面形状が円形、正方形、＋形またはＬ字形であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記穴は、断面形状がスリット状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記基板の内部に、面方向に前記穴と前記キャビティを接続する貫通路を設けたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。