特開 2024-131597 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131597

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041964

(22)【出願日】2023-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】岡田 史朗

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BB04

5F136BB05

5F136DA25

5F136DA33

5F136FA01

5F136FA03

5F136FA12

5F136FA51

(57)【要約】

【課題】動作時に発生する熱を効率よく放散させる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、機能部と、制御部と、を含む半導体チップと、前記半導体素子がマウントされるチップキャリアと、基板と、を備える。前記チップキャリアは、第１面と、その反対側の第２面とを有し、前記半導体チップは、前記第１面上にマウントされる。前記チップキャリアは、前記第２面から前記第１面に連通し、前記半導体チップの前記機能部を露出させる第１貫通孔を有する。前記基板は、前記半導体チップがマウントされた前記チップキャリアを収容する第２貫通孔を有し、前記チップキャリアの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料を含む。前記基板の前記第２貫通孔は、前記基板の裏面からその反対側の表面に連通し、前記チップキャリアの前記第１面は、前記基板の前記表面側に位置し、前記チップキャリアの前記第２面は、前記基板の前記裏面側に露出される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

機能部と、制御部と、を含む半導体チップと、
第１面と、その反対側の第２面とを有するチップキャリアであって、前記半導体チップは、前記第１面上にマウントされ、前記第２面から前記第１面に連通し、前記半導体チップの前記機能部を露出させる第１貫通孔を有するチップキャリアと、
前記半導体チップがマウントされた前記チップキャリアを収容する第２貫通孔を有し、前記チップキャリアの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料を含む基板と、
を備え、
前記基板の前記第２貫通孔は、前記基板の裏面からその反対側の表面に連通し、
前記チップキャリアの前記第１面は、前記基板の前記表面側に位置し、
前記チップキャリアの前記第２面は、前記基板の前記裏面側に露出される半導体装置。

【請求項2】

前記基板は、その表面上に設けられる第１ボンディングパッドを有し、
前記半導体チップは、前記第１ボンディングパッドに導電部材を介して電気的に接続される第２ボンディングパッドを有する請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記半導体チップの前記機能部は、前記制御部を介して、前記第２ボンディングパッドに電気的に接続される請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記チップキャリアは、前記第２面側に設けられ、前記基板の前記裏面に接続されるフランジ状の接続部を有する請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第２面から前記第１面に向かう方向における前記チップキャリアの厚さは、前記第１貫通孔の前記第１面に平行な方向の幅よりも薄い請求項１記載の半導体装置。

【請求項6】

前記チップキャリアは、金属もしくは半導体を含み、
前記基板は、セラミックスもしくは樹脂を含む請求項１記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第２面から前記第１面に向かう方向において、前記半導体チップは、前記基板の前記表面よりも外側に突出するように配置される請求項１記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置には、その動作時に発生する熱を効率よく放散させ、安定して動作することが求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－９２０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態は、動作時に発生する熱を効率よく放散させる半導体装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る半導体装置は、機能部と、制御部と、を含む半導体チップと、前記半導体素子がマウントされるチップキャリアと、基板と、を備える。前記チップキャリアは、第１面と、その反対側の第２面とを有し、前記半導体チップは、前記第１面上にマウントされる。前記チップキャリアは、前記第２面から前記第１面に連通し、前記半導体チップの前記機能部を露出させる第１貫通孔を有する。前記基板は、前記半導体チップがマウントされた前記チップキャリアを収容する第２貫通孔を有し、前記チップキャリアの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料を含む。前記基板の前記第２貫通孔は、前記基板の裏面からその反対側の表面に連通し、前記チップキャリアの前記第１面は、前記基板の前記表面側に位置し、前記チップキャリアの前記第２面は、前記基板の前記裏面側に露出される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。

【図2】実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。

【図3】実施形態に係る半導体装置を示す別の模式平面図である。

【図4】実施形態に係る半導体装置を示す別の模式断面図である。

【図5】比較例に係る半導体装置を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

【0008】

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

【0009】

図１は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。半導体装置１は、半導体チップ１０と、チップキャリア２０と、基板３０と、を備える。半導体チップ１０は、チップキャリア２０上にマウントされる。半導体チップ１０がマウントされたチップキャリア２０は、基板３０に実装される。

【0010】

チップキャリア２０は、第１面２０ａと、第２面２０ｂと、を有する。第２面２０ｂは、第１面２０ａの反対側の裏面である。チップキャリア２０は、例えば、銅（Ｃｕ）などの金属である。チップキャリア２０は、例えば、ポリシリコンなどの半導体であってもよい。

【0011】

半導体チップ１０は、接続部材２３を介して、第１面２０ａ上にマウントされる。接続部材２３は、例えば、導電ペーストである。また、接続部材２３は、絶縁性の接着材であってもよい。半導体チップ１０は、チップキャリア２０に接続される裏面１０Ｂと、裏面１０Ｂとは反対側の表面１０Ｆとを有する。

【0012】

チップキャリア２０は、第１面２０ａから第２面２０ｂに連通する第１貫通孔２０Ｈを有する。チップキャリア２０の第２面２０ｂに平行な方向、例えば、Ｘ方向における第１貫通孔２０Ｈの幅ＷＨ１は、第２面２０ｂから第１面２０ａに向かう方向、例えば、Ｚ方向の厚さＴＳよりも広い。チップキャリア２０を第２面２０ｂ側から見た時、第１貫通孔２０Ｈ内のスペースに半導体チップ１０の裏面１０Ｂが露出される。

【0013】

基板３０は、その裏面３０Ｂから反対側の表面３０Ｆに連通する第２貫通孔３０Ｈを有する。第２貫通孔３０ＨのＸ方向およびＹ方向のサイズは、チップキャリア２０の第１面２０ａの外縁のＸ方向およびＹ方向のサイズよりも大きい。また、第２貫通孔３０ＨのＸ方向およびＹ方向のサイズは、半導体チップ１０の表面１０ＦのＸ方向およびＹ方向のサイズよりも大きい。例えば、第２貫通孔３０ＨのＸ方向の幅ＷＨ２は、半導体チップ１０のＸ方向の幅ＷＣよりも広い（図２参照）。また、第２貫通孔３０ＨのＸ方向の幅ＷＨ２は、チップキャリア２０の第１面２０ａのＸ方向の幅ＷＣＣよりも広い（図２参照）。

【0014】

チップキャリア２０は、半導体チップ１０がマウントされた状態で、基板３０の第２貫通孔３０Ｈに挿入される。チップキャリア２０は、基板３０の表面３０Ｆ側に半導体チップ１０が露出されるように挿入される。また、半導体チップ１０は、例えば、基板３０の表面３０Ｆよりも外側に突出するように設けられる。

【0015】

さらに、チップキャリア２０は、第２面２０ｂ側に、フランジ状の接続部２０ｃを有する。チップキャリア２０の第２面２０ｃに平行な方向における接続部２０ｃの外縁の幅は、基板３０の第２貫通孔３０Ｈの同方向の幅よりも広い。チップキャリア２０の接続部２０ｃは、接続部材２５を介して、基板３０の裏面３０Ｂに接続される。接続部材２５は、例えば、導電ペーストである。また、接続部材２５は、絶縁性の接着材であってもよい。

【0016】

図２は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式平面図である。図２は、半導体チップ１０の表面１０Ｆおよび基板３０の表面３０Ｆを示す模式図である。なお、図１は、図２中に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【0017】

半導体チップ１０は、例えば、機能部１３と、制御部１５と、を含む。半導体装置１の用途を限定する訳ではないが、機能部１３は、例えば、光センサ、ガスセンサまたは光、電子線などをオンオフするシャッタとして機能する。機能部１３は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）であってもよい。制御部１５は、機能部１３を制御する回路を含む。

【0018】

半導体チップ１０は、複数のワイヤパッド１７を含む。ワイヤパッド１７は、例えば、四角形の半導体チップ１０の１つの辺に沿って並ぶ。機能部１３は、半導体チップ１０の中央に設けられ、制御部１５は、機能部１３とワイヤパッド１７との間に設けられる。ワイヤパッド１７は、それぞれ、制御部１５に電気的に接続される。また、ワイヤパッド１７は、制御部１５を介して、機能部１３に電気的に接続される。

【0019】

基板３０は、例えば、複数のワイヤパッド３１を含む。ワイヤパッド３１は、例えば、四角形の第２貫通孔３０Ｈの１つの辺に沿って並ぶ。また、ワイヤパッド３１は、ワイヤパッド１７に対向して並び、金属ワイヤＭＷを介して、ワイヤパッド１７に電気的に接続される。ワイヤパッド３１は、例えば、図示しないコネクタに電気的に接続される。

【0020】

図３は、実施形態に係る半導体装置１を示す別の模式平面図である。図３は、チップキャリア２０の第２面２０ｂおよび基板３０の裏面３０Ｂを表している。

【0021】

チップキャリア２０の第１貫通孔２０Ｈの内部には、半導体チップ１０の裏面１０Ｂが露出される。また、半導体チップ１０の機能部１３には、第１貫通孔２０Ｈを介して、アクセス可能となる。すなわち、機能部１３は、第１貫通孔２０Ｈを介して、例えば、所定の雰囲気ガスに晒される。また、機能部１３に、第１貫通孔２０Ｈを介して、例えば、光、電子線、イオンビーム等を照射できる。

【0022】

図３に示すように、チップキャリア２０の第２面２０ｂは、基板３０の第２貫通孔３０Ｈの外側に位置する外縁を有する。チップキャリア２０の接続部２０ｃは、第２貫通孔３０Ｈを囲むように設けられ、基板３０の裏面３０Ｂに接続される（図１参照）。

【0023】

図４は、実施形態に係る半導体装置１を示す別の模式断面図である。図４は、図２中に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【0024】

この例では、金属板４０がチップキャリア２０の第２面２０ｂに接続される。金属板４０は、例えば、ビートシンクもしくは冷却板である。すなわち、半導体チップ１０の動作時に、半導体チップ１０内で発生する熱は、チップキャリア２０を介して、金属板４０に伝わり、外部に放散される。金属板４０は、例えば、銅（Ｃｕ）を含む。金属板４０は、例えば、チップキャリア２０の第１貫通孔２０Ｈに連通する貫通孔４０Ｈを有する。

【0025】

図５は、比較例に係る半導体装置２を示す模式断面図である。半導体装置２は、半導体チップ１０と、基板３０と、チップキャリア５０と、を備える。

【0026】

図５に示すように、半導体チップ１０は、チップキャリア５０上にマウントされる。チップキャリア５０は、第１面５０ａと、その反対側の第２面５０ｂと、を有する。半導体チップ１０は、第１面５０ａ上にマウントされる。チップキャリア５０は、第２面５０ｂから第１面５０ａに連通する第１貫通孔５０Ｈを有し、第１貫通孔５０Ｈ内のスペースに半導体チップ１０の裏面１０Ｂが露出される。

【0027】

半導体チップ１０をマウントしたチップキャリア５０は、基板３０の表面３０Ｆ上に実装される。チップキャリア５０は、半導体チップ１０と基板３０との間に位置する。基板３０の第２貫通孔３０Ｈは、チップキャリア５０の貫通孔５０Ｈに連通する。すなわち、基板３０の裏面３０Ｂ側から半導体チップ１０の機能部１３にアクセス可能である（図３参照）。

【0028】

図５に示すように、基板３０の裏面３０Ｂに金属板４０を接続すると、半導体チップ１０の動作時に発生する熱は、チップキャリア５０および基板３０を介して、金属板４０に伝わる。基板３０が熱伝導率の低い、例えば、セラミックスや樹脂を含む場合、チップキャリア５０から金属板４０への熱伝導が阻害される。したがって、半導体装置２の放熱効率が低下する。

【0029】

これに対し、実施形態に係る半導体装置１では、チップキャリア２０が、直接、金属板４０に接続される。チップキャリア２０の熱伝導率は、基板３０の熱伝導率よりも大きく、半導体チップ１０における発熱を金属板４０を介して効率よく放散させることができる。

【0030】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0031】

１、２…半導体装置、 １０…半導体チップ、 １０Ｂ、３０Ｂ…裏面、 １０Ｆ、３０Ｆ…表面、 １３…機能部、 １５…制御部、 １７、３１…ワイヤパッド、 ２０、５０…チップキャリア、 ２０Ｈ、５０Ｈ…第１貫通孔、 ２０ａ、５０ａ…第１面、 ２０ｂ、５０ｂ…第２面、 ２０ｃ…接続部、 ２３…接続部材、 ２５…接続部材、 ３０…基板、 ３０Ｈ…第２貫通孔、 ４０…金属板、 ４０Ｈ…貫通孔、 ＭＷ…金属ワイヤ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】