JP5397278B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を配線基板に搭載するとともに、半導体素子で発生する熱を熱伝導部材に伝えて放熱を行うようにした半導体装置に関する。

一般に、この種の半導体装置は、半導体素子を配線基板の一面に搭載し、半導体素子と配線基板とを電気的に接続し、これら半導体素子と配線基板とを樹脂で封止してなる。また、配線基板の他面にヒートシンクなどの熱伝導部材を配置して、半導体素子で発生する熱を熱伝導性部材に伝えて放熱を行うようにしている。

このような半導体装置としては、たとえば特許文献１に記載のものが提案されている。このものは、第１の配線基板と第２の配線基板とを熱伝導性部材を介して重ね合わせ、第１の配線基板の外側に第１の半導体素子を搭載し、第２の配線基板の外側に第２の半導体素子を搭載したものである。

ここで、このものでは、さらに、第１の配線基板については貫通孔を設け、この貫通孔を介して熱伝導部材と第１の半導体素子とを直接接触させ、第２の半導体素子については第２の配線基板を介在させて熱伝導部材と接触させている。

特開２００５−３１７７９２号公報

しかしながら、上記特許文献１のものでは、第２の半導体素子については第２の配線基板を介在させて熱伝導部材と接触させているため、第２の配線基板の厚さにより放熱の効果が阻害されてしまう。特に、第２の配線基板が厚くなってくると放熱も不十分になってしまう。

また、第１の配線基板のように貫通孔を設け、この貫通孔に熱伝導部材を配置して熱伝導部材と第１の半導体素子とを直接接触させる場合、第１の配線基板における第１の半導体素子の搭載面に貫通孔が開口する状態となり、その開口部の分、当該搭載面の配線スペースが少なくなってしまうなどの制約が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、配線基板の一面側に半導体素子を搭載し、他面側に熱伝導部材を設けるにあたって、配線基板における半導体素子の搭載領域に貫通孔を設けることなく、しかも半導体素子を搭載する配線基板の厚さに関係なく、適切に放熱が行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、配線基板（２０）はシリコンインターポーザよりなり、この配線基板（２０）のうち半導体素子（１０）の搭載される部位では、配線基板（２０）の他面から凹んだ凹部（２３）を設けることにより、凹部（２３）の底部側に位置する配線基板（２０）の一面側の部位を薄肉部（２４）とし、凹部（２３）には、熱伝導性を有する熱伝導部材（３０）が挿入して配置されており、半導体素子（１０）で発生する熱が薄肉部（２４）を介して熱伝導部材（３０）に伝えられるようになっており、熱伝導部材（３０）の一部は外部に露出しており、
半導体素子（１０）には、半導体素子（１０）の配線基板（２０）と対向する面側から配線基板（２０）とは反対の面側へ半導体素子（１０）を貫通し、且つ半導体素子（１０）の当該両面側を電気的に接続する導電性の貫通電極（１１）が設けられており、
さらに、外部と接続されてＧＮＤ電位とされるＧＮＤ端子（６１）を備えており、
配線基板（２０）には、配線基板（２０）の一面から他面へ配線基板（２０）を貫通し、且つ配線基板（２０）の当該両面側を電気的に接続する導電性の貫通電極（２１）が設けられており、
半導体素子（１０）の配線基板（２０）と対向する面側にて、半導体素子の貫通電極（１１）と配線基板の貫通電極（２１）とが、電気的に接続されており、
配線基板（２０）の一面のうち半導体素子（１０）の周囲には、半導体素子（１０）を取り囲む環状をなし且つ配線基板の貫通電極（２１）と導通する環状配線部（２５）が設けられ、
配線基板（２０）の凹部（２３）には、当該凹部の底部全体を覆うように形成され且つ配線基板の貫通電極（２１）と導通する凹部配線部（２６）が設けられ、
前記熱伝導部材（３０）とは別の熱伝導部材（３０）であって金属よりなる熱伝導部材（３０）が、半導体素子（１０）の配線基板（２０）とは反対の面側にも、半導体素子の貫通電極（１１）を介して環状配線部（２５）および凹部配線部（２６）と導通する形で設けられ、
半導体素子（１０）で発生した熱は、半導体素子（１０）の配線基板（２０）とは反対の面側に位置する前記別の熱伝導部材（３０）にも放熱されるようになっており、
各配線部（２５、２６）および前記別の熱伝導部材（３０）を、ＧＮＤ端子（６１）に接続することにより、ＧＮＤ電位とされた各配線部（２５、２６）および前記別の熱伝導部材（３０）によって、半導体素子（１０）を取り囲むようにしたことを特徴とする。

それによれば、配線基板（２０）のうち半導体素子（１０）の搭載される部位に凹部（２３）を設けることで薄肉部（２４）を形成し、この薄肉部（２４）を介して半導体素子（１０）と熱伝導部材（３０）との伝熱を行い、熱伝導部材（３０）の外部への露出部（３１）から放熱を行うようにしているから、配線基板（２０）における半導体素子（１０）の搭載領域に貫通孔を設けることなく、しかも配線基板（２０）の厚さに関係なく、熱効率が向上し、適切に放熱を行うことができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、半導体素子（１０）の貫通電極（１１）により、半導体素子（１０）における配線基板（２０）と対向する面側と、それとは反対の面側との両面側を電気的に接続するから、従来のワイヤボンドのように配線基板において半導体素子の外側にワイヤボンド領域を確保する必要がなくなり、小型化が図れる。

さらに、請求項１に記載の発明によれば、凹部（２３）に配置され、かつ、外部に露出する熱伝導部材（３０）とは別の熱伝導部材（３０）であって金属よりなる熱伝導部材（３０）が、半導体素子（１０）の配線基板（２０）とは反対の面側にも、半導体素子の貫通電極（１１）を介して環状配線部（２５）および凹部配線部（２６）と導通する形で設けられ、半導体素子（１０）で発生した熱は、半導体素子（１０）の配線基板（２０）とは反対の面側に位置する別の熱伝導部材（３０）にも放熱されるようになっているから、半導体素子（１０）の配線基板（２０）と対向する面および配線基板（２０）とは反対の面の両面側から放熱が可能となるとともに、半導体素子（１０）の当該両面がＧＮＤ電位となっている部材（２５、２６、３０）で囲まれることで、半導体素子（１０）のノイズシールド効果が向上する。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体装置において、半導体素子（１０）は複数個であり、各々の半導体素子（１０）について、配線基板（２０）を凹部（２３）にて半導体素子（１０）と熱伝導部材（３０）とで挟むことにより、半導体素子（１０）、配線基板（２０）、熱伝導部材（３０）が順次積層された積層体（１、２）を形成し、複数個の積層体（１、２）を当該積層体の積層方向に重ねて配置してなるものとしてもよい。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の半導体装置において、半導体素子（１０）と配線基板（２０）とは、樹脂（４０）で封止されており、熱伝導部材（３０）の一部は樹脂（４０）より外部に露出していることを特徴とする。このように樹脂封止されたパッケージの形態を採用できる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 （ａ）は図１の半導体装置の概略斜視図、（ｂ）は概略上面図、（ｃ）は概略下面図である。 図１の半導体装置のうち樹脂を除く各構成部品の分解斜視図である。 配線基板の製造工程を示す工程図である。 組み付け工程を示す工程図である。 配線基板の他の製造工程を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置Ｓ１の概略断面構成を示す図である。また、図２において（ａ）は図１の半導体装置Ｓ１の概略斜視図、（ｂ）は概略上面図、（ｃ）は概略下面図である。また、図３は、図１の半導体装置Ｓ１のうち樹脂４０を除く各構成部品の分解斜視図である。

本実施形態の半導体装置Ｓ１は、大きくは、配線基板２０の一面（図１中の上面）側に半導体素子１０を設け、他面（図１中の下面）側に熱伝導部材３０を設けて、これら半導体素子１０および熱伝導部材３０により配線基板２０を挟んでなる積層体１、２を形成し、この積層体１、２を当該積層体の積層方向に重ねて配置したものを樹脂４０により封止してなる。

ここでは、上段の積層体１（図１中の上側）および下段の積層体２（図１中の下側）の２個を重ねた構成としている。なお、以下、各積層体１、２の半導体素子１０、配線基板２０、熱伝導部材３０については、どちらかの積層体１、２のものであるか区別する場合には、「上段の・・・」、「下段の・・・」というように表記することとする。

各積層体１、２における半導体素子１０は、一般的な半導体プロセスにより形成されたシリコン半導体チップなどよりなるもので、たとえば図示しないトランジスタや配線等が形成されたＩＣチップよりなる。ここでは、図１〜図３に示されるように、各半導体素子１０は典型的な矩形板状をなしている。

また、各半導体素子１０には、半導体素子１０の配線基板２０と対向する面（図１中の上面）側から配線基板２０とは反対の面（図１中の下面）側へ半導体素子１０を貫通する貫通電極１１が設けられている。この貫通電極１１は導電性のものであり、半導体素子１０における配線基板２０と対向する面とそれとは反対の面との両面側を電気的に接続するものである。

具体的には、貫通電極１１は、トレンチエッチングなどにより半導体素子１０に貫通孔を形成し、その貫通孔の側壁に熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどにより酸化膜や窒化膜などの絶縁膜を形成した後、当該貫通孔にメッキやスパッタ、ＣＶＤなどにより金や銅などの導電材料を充填してなる一般的なものである。

図１、図３に示される例では、各半導体素子１０の周辺部に複数個の貫通電極１１が配置されている。具体的には、貫通電極１１は半導体素子１０の各辺に沿って複数個配列されている。

そして、この半導体素子の貫通電極１１は、半導体素子１０に設けられた図示しない配線に導通して設けられ、この配線を介して、半導体素子１０におけるトランジスタなどの各素子に電気的に接続されている。なお、この図示しない配線も、一般的なものと同様、スパッタやＣＶＤ、フォトリソグラフなどの手法により形成されたものである。

各積層体１、２における配線基板２０は、たとえばプリント基板やセラミック基板、あるいはシリコンインターポーザなどよりなるものである。ここでは、配線基板２０は矩形板状をなしている。

本実施形態では、図１、図３に示されるように、この配線基板２０には、配線基板２０の一面から他面へ貫通し、配線基板２０の当該一面側と当該他面側とを電気的に接続する導電性の貫通電極２１が設けられている。

たとえば、配線基板の貫通電極２１は、一般的な配線基板に設けられる貫通電極と同様のものであり、トレンチエッチングなどにより配線基板２０に貫通孔を形成し、その貫通孔の側壁に熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどにより酸化膜や窒化膜などの絶縁膜を形成した後、当該貫通孔にメッキやスパッタ、ＣＶＤなどにより金や銅などの導電材料を充填してなる一般的なものである。なお、配線基板２０の本体が電気絶縁性であれば、上記貫通孔の側壁の絶縁膜は省略してもよい。

この配線基板の貫通電極２１は、配線基板２０の一面に搭載されている半導体素子の貫通電極１１と同じ位置に設けられており、図１、図３に示される例では、各半導体素子１０の周辺部に対応して複数個の配線基板の貫通電極２１が配置されている。

そして、各配線基板の貫通電極２１は、配線基板２０の一面および他面に設けられている配線２２に電気的に接続されている。なお、図１、図３では、この配線基板２０の配線２２は一部のみを示してある。

また、図１に示されるように、各積層体１、２において、半導体素子１０の配線基板２０と対向する面側にて半導体素子の貫通電極１１と配線基板２０とが、電気的に接続されている。ここでは、配線基板２０の一面側にて、半導体素子１０の周辺部に位置する貫通電極１１とこれに対向する配線基板の貫通電極２１とが、はんだなどよりなる導電性接合材５０を介して電気的に接続されている。

また、図１では、半導体素子１０の中央寄りの部位すなわち後述する配線基板２０の薄肉部２４の位置にて、半導体素子１０の電極１１と配線基板２０の配線２２とが導電性接合部材５０を介して電気的に接続されている。なお、この部分においては、半導体素子１０の電極１１は上記貫通電極１１であってもよいし、一般的な表面または裏面の電極であってもよい。

なお、両貫通電極１１、２１の電気的接続および半導体素子の電極１１と配線基板２０の配線２２の電気的接続は、導電性接合部材５０を介さずに、直接接触して超音波接合や熱圧着などによって形成される金属接合により成されたものであってもよい。このようにして、各積層体１、２において、半導体素子１０は配線基板２０の一面に搭載され、半導体素子１０と配線基板２０とが電気的に接続されている。

また、図１に示されるように、下段の半導体素子１０における配線基板２０とは反対の面は、上段の配線基板２０の他面と対向している。そして、これら下段の半導体素子の貫通電極１１と上段の配線基板の貫通電極２１とが対向しており、これら両貫通電極１１、２１は、ここでは金属接合により電気的に接続されている。なお、この接続も上記導電性接合材５０を介したものであってもよい。

また、下段の配線基板２０は、その他面側に外部との電気的接続を行うための外部電極端子６０を有する。これは、メッキや蒸着、スパッタなどにより形成された金や銅などのバンプやはんだなどよりなる。この外部電極端子６０は、下段の配線基板の貫通電極２１を介して当該配線基板２０の一面側の配線と導通している。

このように、各積層体１、２において、半導体素子１０と配線基板２０とは各貫通電極１１、２１を介して電気的に接続されており、各積層体１、２の間の電気的に接続は、上段の配線基板の貫通電極２１と下段の半導体素子の貫通電極１１との接合により行われている。

つまり、各段の半導体素子１０および配線基板２０は、貫通電極１１、２１を介して積層体１、２の積層方向に沿って、互いに電気的に接続され、外部電極端子６０を通じて外部と電気的に接続されるようになっている。

ここで、図１〜図３に示されるように、各積層体１、２において、配線基板２０のうち半導体素子１０の搭載される部位では、配線基板２０の他面から凹んだ凹部２３が設けられている。

それにより、凹部２３の底部側に位置する配線基板２０の一面側の部位は、凹部２３以外の部位に比べて薄い薄肉部２４とされている。ここでは、当該半導体素子１０の搭載される部位の中央部を薄肉部２４としている。そして、上記した配線基板の貫通電極２１は、薄肉部２４以外の厚い部位を貫通して形成されている。なお、配線基板２０の上記配線２２は、配線基板２０一面において薄肉部２４にも形成されている。

さらに言うならば、具体的には、凹部２３は、半導体素子１０の中央部に対応して設けられており、半導体素子１０の周辺部には凹部２３は設けられず、厚い部位とされている。そして、そこに形成された配線基板の貫通電極２１と半導体素子の貫通電極１１とが、上述のように電気的に接続されている。

そして、凹部２３には、熱伝導性を有する熱伝導部材３０が挿入して配置されている。この熱伝導部材３０は、銅、鉄、アルミなどの熱伝導性に優れた材料よりなり、ここでは、矩形板状をなしている。そして、各積層体１、２においては、半導体素子１０で発生する熱が、薄肉部２４を介して熱伝導部材３０に伝えられるようになっている。

また、図２に示されるように、熱伝導部材３０の一部は凹部２３より外部に露出している。そして、熱伝導部材３０は、その凹部２３より露出した部位３１にて、半導体素子１０からの熱を外部へ放熱するようになっている。つまり、この熱伝導部材３０における外部への露出部３１は放熱部３１として構成されている。

具体的には、各積層体１、２において、図２に示されるように、配線基板２０の凹部２３が配線基板２０の対向する両端を貫通して設けられ、凹部２３における配線基板２０の側面の開口部から熱伝導部材３０が突出している。また、図１、図２に示されるように、下段の熱伝導部材３０は、配線基板２０の他面側の凹部２３の開口部より外部に露出している。

ここで、熱伝導部材３０は金属などよりなるため、熱伝導性に優れるとともに導電性を有することが多い。しかし、本半導体装置Ｓ１では、薄肉部２４における配線基板２０の一面上に酸化膜などの層間絶縁膜を設け、その層間絶縁膜上に図示しない配線を設けており、これら薄肉部２４に設けた配線と熱伝導部材３０とは、当該層間絶縁膜によって電気的に絶縁されるようにしている。なお、この層間絶縁膜は後述の図４にて層間絶縁膜２０ｂとして示してある。

このように、本実施形態の半導体装置Ｓ１においては、２個の半導体素子１０のそれぞれについて、配線基板２０を凹部２３にて半導体素子１０と熱伝導部材３０とで挟むことにより、半導体素子１０、配線基板２０、熱伝導部材３０が順次積層された積層体１、２を形成し、これら２個の積層体１、２を当該積層体の積層方向に重ねて配置してなるものとしている。

そして、各積層体１、２は樹脂４０で封止されているが、この樹脂４０は、たとえばエポキシ樹脂などよりなり、一般的な金型成形やディスペンスなどの手法により形成されるものである。

ここで、両積層体１、２における上記熱伝導部材３０の露出部３１は樹脂４０に対しても突出して外部に露出している。また、下段の配線基板２０の他面側における凹部２３の開口部より露出する熱伝導部材３０の面、および、外部電極端子６０も、樹脂４０より露出している。

このように構成された本半導体装置Ｓ１においては、放熱経路は次のようなものとなる。すなわち、上段の半導体素子１０の熱は、薄肉部２４を介して当該上段の熱伝導部材３０へ伝わり、その露出部３１から外部へ放熱される。

一方、下段の半導体素子１０の熱は薄肉部２４を介して当該下段の熱伝導部材３０へ伝わり、外部へ放熱される。さらに、下段の半導体素子１０は上段の熱伝導部材３０にも接触しているから、下段の半導体素子１０の熱は上段の熱伝導部材３０へ伝わり、外部へ放熱される。

このように、本実施形態によれば、配線基板２０のうち半導体素子１０の搭載される部位に凹部２３を設けることで薄肉部２４を形成し、この薄肉部２４を介して半導体素子１０と熱伝導部材３０との伝熱を行い、熱伝導部材３０の外部への露出部３１から放熱を行うようにしているから、配線基板２０における半導体素子１０の搭載領域に貫通孔を設けることなく、しかも配線基板２０の厚さに関係なく、熱効率が向上し、適切に放熱を行うことができる。

さらに述べるならば、本実施形態では、配線基板２０の他面側には凹部２３を形成するものの、半導体素子１０の搭載面である配線基板２０の一面については、半導体素子１０の搭載スペースや、トランジスタなどの素子あるいは配線、電極等の配置スペースに何ら影響を及ぼさない。

これについて、さらに言うならば、たとえば、図１に示したように、半導体素子１０と配線基板２０との接続は、半導体素子１０の周辺部だけでなく、半導体素子１０の中央部すなわち配線基板２０の薄肉部２４上にて行うこともできるのである。

また、本実施形態によれば、半導体素子の貫通電極１１により、半導体素子１０における配線基板２０と対向する面側と、それとは反対の面側との両面側を電気的に接続するから、従来のワイヤボンドのように配線基板において半導体素子の外側にワイヤボンド領域を確保する必要がなくなり、小型化が図れる。

具体的には、従来のようなワイヤボンディングの場合、配線基板における半導体素子の搭載部位の周囲にワイヤボンディング用のパッドを設け、半導体素子の配線基板とは反対の面とパッドとをワイヤで接続する。

しかし、本実施形態では、半導体素子１０に、半導体素子１０の配線基板２０側の面とその反対の面との両面を貫通し且つ当該両面側を電気的に接続する貫通電極１１を設け、この貫通電極１１を配線基板２０に接続しているから、ワイヤボンディングと同様に半導体素子１０の配線基板２０とは反対の面と、配線基板２０とを、半導体素子の貫通電極１１によって電気的に接続することができる。

しかも、配線基板２０における半導体素子１０の搭載部位の周囲にワイヤボンディング用の領域を設けることが不要となるから、配線基板２０の小型化が図れ、ひいては装置全体の小型化につながる。

また、上述したが、配線基板２０にも貫通電極２１を設けることで、配線基板２０のうち半導体素子１０とは反対の面である配線基板２０の他面側も、配線基板の貫通電極２１を介して半導体素子１０と導通させることができる。その結果、上段と下段の異なる積層体１、２の半導体素子１０同士を、上段の配線基板の貫通電極２１を介して、電気的に接続することができる。

次に、本半導体装置Ｓ１の製造方法の一具体例について、図４、図５を参照して述べる。図４は配線基板２０の製造工程を示す工程図であり、（ａ）〜（ｆ）は概略断面図、（ｇ）は一部切り欠き斜視図、また、図５は組み付け工程を示す工程図であり、各ワークの概略断面図である。

まず、半導体素子１０、配線基板２０のそれぞれを用意する。半導体素子１０は一般的な半導体プロセスにより形成する。たとえば半導体ウェハに対して、トランジスタなどの素子や配線および貫通電極１１を形成し、これをダイシングなどでチップ化することにより、半導体素子１０が形成される。

配線基板２０については、まず、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、配線基板２０の本体部２０ａの一面に、熱酸化、スパッタやＣＶＤなどの一般的な成膜方法やフォトリソグラフなどの一般的なパターニング方法などを用いて、層間絶縁膜２０ｂおよび配線２１ａを形成する。ここで、配線２１ａは、配線基板２０の一面側における貫通電極２１の端部や上記配線２２として構成される。

次に、図４（ｃ）に示されるように、研削や研磨などにより本体部２０ａの他面側を削って、本体部２０ａを薄膜化する。その後、図４（ｄ）、（ｅ）に示されるように、配線基板の貫通電極２１を形成する。

具体的には、本体部２０ａの他面側からトレンチエッチングにより貫通孔を形成し、その側壁に熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどにより絶縁膜を形成した後、当該貫通孔にメッキやスパッタ、ＣＶＤなどにより導電材料２１ｂを充填する。

そして、図４（ｅ）に示されるように、本体部２０ａの他面にも、本体部２０ａの一面側と同様に、層間絶縁膜２０ｂおよび配線２１ａを形成する。この場合、配線２１ａは、配線基板２０の他面側における貫通電極２１の端部や上記配線２２として構成される。こうして、配線基板２０において、貫通電極２１および上記配線２２ができあがる。

その後、図４（ｆ）、（ｇ）に示されるように、凹部２３および薄肉部２４の形成を行う。これは、本体部２０ａの他面側から、ドライエッチングやウェットエッチングなどを行うことにより形成される。こうして、配線基板２０の形成が完了する。

こうして、半導体素子１０および配線基板２０を用意した後、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、これらを組み付けて、各積層体１、２を形成する。具体的には、配線基板２０の一面に半導体素子１０を搭載し、ここでは、上記した導電性接合材５０を介して両者１０、２０の貫通電極１１、２１同士を接合する。

続いて、図５（ｃ）に示されるように、各積層体１、２を重ね合わせるとともに、ここでは、下段の半導体素子の貫通電極１１と上段の配線基板の貫通電極２１とを、超音波接合や熱圧着などによって金属接合する。その後は、図５（ｄ）に示されるように、外部電極端子６０を形成し、これを樹脂４０で封止してやれば、本実施形態の半導体装置Ｓ１ができあがる。

また、図６は、本半導体装置Ｓ１の配線基板２０の他の製造工程を示す工程図である。この図６の方法は、配線基板の貫通電極２１を形成した後に、本体部２０ａの薄膜化を行うものである。

すなわち、この図６では、まず、配線基板２０の本体部２０ａの一面に層間絶縁膜２０ｂを形成し（図６（ａ）、（ｂ）参照）、本体部２０ａの一面側からトレンチエッチングなどを行って導電材料２１ｂの充填までを行い（図６（ｃ）参照）、さらに配線２１ａを形成する（図６（ｄ）参照）。

次に、図６（ｅ）に示されるように、研削や研磨などにより本体部２０ａの他面側を削って、本体部２０ａを薄膜化し、本体部２０ａの他面側にて導電材料２１ｂを露出させる。その後、図６（ｆ）に示されるように、本体部２０ａの他面にも、層間絶縁膜２０ｂおよび配線２１ａを形成することで、貫通電極２１およびその他の配線を完成させる。

その後は、この場合も、上記同様にして凹部２３および薄肉部２４の形成を行うことで、配線基板２０の形成が完了する。この他の製造工程によりできあがった配線基板２０も、上記図４（ｅ）、（ｆ）に示されるものと同様である。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置Ｓ２の概略断面構成を示す図である。なお、図７では、貫通電極１１、２１間を接続する上記導電性接合部材については省略してあり、このことについては、後述の図８〜図１０も同様である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、下段の熱伝導部材３０の配置の位置が相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

上記第１実施形態では、上記図１に示されるように、配線基板２０における半導体素子１０の搭載される部位の中央部を薄肉部２４としていた。それに対して、図７に示されるように、本実施形態では、下段の積層体２において、配線基板２０における半導体素子１０の搭載部位の周辺部に、配線基板２０の側面に開口する凹部２３を設け、当該周辺部を薄肉部２４としている。

この場合、下段の積層体２においては、配線基板２０の側面よりも外側に熱伝導部材３０がはみ出してもよく、その分、熱伝導部材３０の放熱面積を大きくすることができるため、放熱性向上という点では好ましい。

なお、この場合、下段の積層体２において、半導体素子の貫通電極１１と配線基板の貫通電極１２との位置がずれているが、これら両貫通電極１１、１２は配線基板２０の一面上の図示しない配線により電気的に接続されている。

（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置Ｓ３の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第２実施形態に比べて、上段の熱伝導部材３０の配置の位置が相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

図８に示されるように、本実施形態では、上段の積層体１において、配線基板２０における半導体素子１０の搭載される部位の中央部だけでなく、さらに周辺部にも、配線基板２０の側面に開口する凹部２３を設け、当該周辺部を薄肉部２４としている。

この場合、下段の積層体２だけでなく上段の積層体１においても、配線基板２０の側面よりも外側に熱伝導部材３０がはみ出してもよく、その分、熱伝導部材３０の放熱面積を大きくすることができるため、放熱性向上という点では好ましい構成となる。

なお、この場合、上段の積層体１において、半導体素子の貫通電極１１と配線基板の貫通電極１２との位置がずれているが、これら両貫通電極１１、１２は配線基板２０の一面上の図示しない配線により電気的に接続されている。

（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置Ｓ４の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、上段の配線基板２０および熱伝導部材３０の構成が相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

図９に示されるように、本実施形態では、上段の積層体１において配線基板２０を２個備えたものとしている。具体的には、半導体素子１０を一面に搭載する配線基板２０の他面側に、もう１個の同じ凹部２３を有する配線基板２０を設け、これら２個の配線基板２０の凹部２３の開口部同士を合わせ、接着などで接合している。そして、当該両配線基板２０の凹部２３で囲まれた空間内に熱伝導部材３０を配置している。

この場合、上段の積層体１における熱伝導部材３０の厚さは、２個の凹部２３の深さに相当する厚いものにすることができるため、当該熱伝導部材３０の熱容量が大きくなり、放熱性の向上という点では好ましい。

（第５実施形態）
図１０は、本発明の第５実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態を変形したものであり、ここでは、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

図１０に示されるように、本実施形態では、外部電極端子６０のうちの一部が、外部と接続されてＧＮＤ電位とされるＧＮＤ端子６１として構成されている。また、各積層体１、２において、配線基板２０に貫通電極２１が設けられており、半導体素子１０の配線基板２０と対向する面側にて、半導体素子の貫通電極１１と配線基板の貫通電極２１とが電気的に接続されていることは、上記第１実施形態と同様である。

ここで、本実施形態では、各積層体１、２において、配線基板２０の一面のうち半導体素子１０の周囲には、半導体素子１０を取り囲む環状をなし且つ配線基板の貫通電極２１と導通する環状配線部２５が設けられている。

この環状配線部２５の具体的な平面形状は、たとえば、内周が半導体素子１０の外郭よりも内側に位置し、外周が半導体素子１０の外郭よりも外側に位置する額縁状のものにできる。この環状配線部２５も、配線基板２０における配線と同様の形成方法により形成される。

そして、この環状配線部２５と半導体素子１０とは、半導体素子１０の周辺部にて重なり合っており、この重なり部分にて、環状配線部２５と半導体素子１０の貫通電極１１とが、金属接合やはんだなどにより電気的に接続されている。

また、配線基板２０の凹部２３には、当該凹部２３の底部全体を覆うように形成され且つ配線基板の貫通電極２１と導通する凹部配線部２６が設けられている。この凹部配線部２６は、凹部２３の形成後に、配線基板２０における配線と同様の方法により形成される。また、凹部配線部２６は、たとえば、配線基板の貫通電極２１から凹部２３の側面を通り底部に至るように連続して形成されたものとすることで、当該貫通電極２１と電気的に接続されている。

また、本実施形態では、上段の積層体１において、銅、鉄、アルミなどの金属よりなる熱伝導部材３０が、半導体素子１０の配線基板２０とは反対の面側にも設けられている。以下、この上段の半導体素子１０における配線基板２０とは反対の面側に位置する熱伝導部材３０を、図１０中の最上部に位置することから、最上部の熱伝導部材３０ということとする。

そして、この最上部の熱伝導部材３０は、上段の半導体素子の貫通電極１１を介して、上段の配線基板２０の環状配線部２５と導通し、さらに、上段の配線基板２０の貫通電極２１を介して上段の配線基板２０の凹部配線部２６と導通している。

ここで、最上部の熱伝導部材３０と半導体素子の貫通電極１１とは、金属接合やはんだなどにより接合され、電気的に接続されている。また、上段の積層体１においては、半導体素子１０で発生した熱は、最上部の熱伝導部材３０にも放熱される。

また、本実施形態では、最上部の熱伝導部材３０以外の熱伝導部材３０も、銅、鉄、アルミなどの金属よりなる。つまり、下段の積層体２においても、金属よりなる熱伝導部材３０が、半導体素子１０の配線基板２０とは反対の面側にも設けられている。

この下段の半導体素子１０については、上段の配線基板２０の他面に位置する熱伝導部材３０が、当該下段の半導体素子１０における配線基板２０とは反対の面側に位置する熱伝導部材３０として、構成されている。

そして、この上段の配線基板２０の他面に位置する熱伝導部材３０も、下段の半導体素子の貫通電極１１を介して、下段の配線基板２０の環状配線部２５および凹部配線部２６と導通する形とされている。

そして、各積層体１、２において、半導体素子の貫通電極１１および配線基板２０の貫通電極２１は、上記ＧＮＤ端子６１に導通している。そのため、各積層体１、２において、上記各配線部２５、２６および半導体素子１０の配線基板２０とは反対の面側に位置する熱伝導部材３０を、ＧＮＤ端子６１に接続してＧＮＤ電位とすることができる。

それにより、本実施形態では、ＧＮＤ電位とされた各部２５、２６、３０によって、半導体素子１０を取り囲む状態が実現される。つまり、図１０の各積層体１、２において、半導体素子１０の上下両面がＧＮＤ電位となった部材で挟まれた形とされる。

このように本実施形態によれば、半導体素子１０の配線基板２０と対向する面および配線基板２０とは反対の面の両面側から放熱が可能となる。それとともに、半導体素子１０の当該両面がＧＮＤ電位となっている部材２５、２６、３０で囲まれることで、半導体素子１０同士あるいは外部からのノイズシールド効果が向上する。

（他の実施形態）
図１１は、他の実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。上記各実施形態では、半導体素子１０が２個であり、それぞれの半導体素子１０について上記積層体１、２を形成し、さらにこれら積層体１、２を重ねた構成としたが、半導体素子１０は１個であってもよい。

この場合、たとえば図１１に示されるように、上記図１の構成において上段の積層体を省略し積層体が１個の構成となる。この積層体が１個の構成は、上記第１実施形態だけでなく、上記第５実施形態についても適用できることは明らかである。具体的には、図１１中の半導体素子１０の上側に、上記図１０に示した最上部の熱伝導部材３０を、同様に配置すればよい。

また、積層体は、配線基板２０を凹部２３にて半導体素子１０と熱伝導部材３０とで挟むことにより、半導体素子１０、配線基板２０、熱伝導部材３０が順次積層されたものであればよく、半導体装置としては、このような積層体が上記した２個に限らず、３個以上、当該積層体の積層方向に重ねて配置してなるものであってもよい。

また、上記各実施形態のように積層体１、２を樹脂４０で封止することに代えて、当該積層体１、２の表面をセラミックの絶縁膜でコーティングしてもよい。また、さらには、積層体１、２の封止を省略してもよい。具体的には、上記図１において樹脂４０を省略した構成に相当するものとしてもよい。

また、上記各実施形態では、半導体素子の貫通電極１１により、半導体素子１０における配線基板２０と対向する面とそれとは反対の面の両面側を電気的に接続することで、配線基板２０において半導体素子１０の外側にワイヤボンド領域を確保する必要がなくなり、小型化が図れるという効果を奏するものとした。

ここで、貫通電極１１による接続に代えて、半導体素子１０を、たとえばバンプを介して配線基板２０の一面にフリップチップ接合する構成でもよく、この場合もワイヤボンド領域の不要による配線基板２０の小型化の効果がある。

１ 上段の積層体
２ 下段の積層体
１０ 半導体素子
１１ 半導体素子の貫通電極
２０ 配線基板
２１ 配線基板の貫通電極
２３ 凹部
２４ 薄肉部
２５ 環状配線部
２６ 凹部配線部
３０ 熱伝導部材
４０ 樹脂
６１ ＧＮＤ端子

Claims (3)

1. 半導体素子（１０）を配線基板（２０）の一面に搭載し、前記半導体素子（１０）と前記配線基板（２０）とを電気的に接続してなる半導体装置において、
   前記配線基板（２０）はシリコンインターポーザよりなり、
   前記配線基板（２０）のうち前記半導体素子（１０）の搭載される部位では、前記配線基板（２０）の他面から凹んだ凹部（２３）を設けることにより、前記凹部（２３）の底部側に位置する前記配線基板（２０）の一面側の部位を薄肉部（２４）とし、
   前記凹部（２３）には、熱伝導性を有する熱伝導部材（３０）が挿入して配置されており、前記半導体素子（１０）で発生する熱が前記薄肉部（２４）を介して前記熱伝導部材（３０）に伝えられるようになっており、
   前記熱伝導部材（３０）の一部は外部に露出しており、
   前記半導体素子（１０）には、前記半導体素子（１０）の前記配線基板（２０）と対向する面側から前記配線基板（２０）とは反対の面側へ前記半導体素子（１０）を貫通し、且つ前記半導体素子（１０）の当該両面側を電気的に接続する導電性の貫通電極（１１）が設けられており、
   さらに、外部と接続されてＧＮＤ電位とされるＧＮＤ端子（６１）を備えており、
   前記配線基板（２０）には、前記配線基板（２０）の一面から他面へ前記配線基板（２０）を貫通し、且つ前記配線基板（２０）の当該両面側を電気的に接続する導電性の貫通電極（２１）が設けられており、
   前記半導体素子（１０）の前記配線基板（２０）と対向する面側にて、前記半導体素子の貫通電極（１１）と前記配線基板の貫通電極（２１）とが、電気的に接続されており、
   前記配線基板（２０）の一面のうち前記半導体素子（１０）の周囲には、前記半導体素子（１０）を取り囲む環状をなし且つ前記配線基板の貫通電極（２１）と導通する環状配線部（２５）が設けられ、
   前記配線基板（２０）の前記凹部（２３）には、当該凹部の底部全体を覆うように形成され且つ前記配線基板の貫通電極（２１）と導通する凹部配線部（２６）が設けられ、
   前記熱伝導部材（３０）とは別の熱伝導部材（３０）であって金属よりなる熱伝導部材（３０）が、前記半導体素子（１０）の前記配線基板（２０）とは反対の面側にも、前記半導体素子の貫通電極（１１）を介して前記環状配線部（２５）および前記凹部配線部（２６）と導通する形で設けられ、
   前記半導体素子（１０）で発生した熱は、前記半導体素子（１０）の前記配線基板（２０）とは反対の面側に位置する前記別の熱伝導部材（３０）にも放熱されるようになっており、
   前記各配線部（２５、２６）および前記別の熱伝導部材（３０）を、前記ＧＮＤ端子（６１）に接続することにより、ＧＮＤ電位とされた前記各配線部（２５、２６）および前記別の熱伝導部材（３０）によって、前記半導体素子（１０）を取り囲むようにしたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体素子（１０）は複数個であり、
   各々の前記半導体素子（１０）について、前記配線基板（２０）を前記凹部（２３）にて前記半導体素子（１０）と前記熱伝導部材（３０）とで挟むことにより、前記半導体素子（１０）、前記配線基板（２０）、前記熱伝導部材（３０）が順次積層された積層体（１、２）を形成し、複数個の前記積層体（１、２）を当該積層体の積層方向に重ねて配置してなるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子（１０）と前記配線基板（２０）とは、樹脂（４０）で封止されており、前記熱伝導部材（３０）の一部は前記樹脂（４０）より外部に露出していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

Images