(57)【要約】      （修正有）【課題】フリップチップ実装された半導体チップの放熱性を向上させることができる半導体装置を提供する。【解決手段】フリップチップボンディングにより実装される半導体チップ１と、それに供されるチップキャリアと、前記半導体チップ１の背面に熱的に接続される冷媒を有する冷媒路からなる半導体装置において、冷媒が、半導体チップ１背面に直接、あるいは金属薄膜８を介して接触しており、冷媒路の一部が、冷媒路部材５と半導体チップ１背面とで形成される空間からなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリップチップボンディングにより実装される半導体チップと、それに供されるチップキャリアと、前記半導体チップの背面に熱的に接続される冷媒を有する冷媒路からなる半導体装置において、前記冷媒が、半導体チップ背面に直接、あるいは金属薄膜を介して接触していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記冷媒路の一部が、冷媒路部材と半導体チップ背面とで形成される空間からなることを特徴とする請求項第１項記載の半導体装置。
【請求項３】
前記冷媒路の一部の空間の形成において、冷媒路部材と半導体チップ背面が錫を主成分とするはんだによって溶接されていることを特徴とする請求項第２項記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップ背面の周縁部を残した中央部にくぼみが形成され、該周縁部と冷媒路部材とを接合して得られる空間を冷媒路の一部とすることを特徴とする請求項第２または３記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置、特に半導体チップをフリップチップボンディングで実装し、半導体チップの背面に設置された冷媒により放熱特性を高めた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータなどの電子機器の小型化、高機能化、高速化に伴い、半導体装置に収納されたチップが発生する熱が問題となってきている。チップが発生する熱の量は、チップに設けられたトランジスタの数と動作クロック数と関連しており、今後もチップの高集積化、高速化が伸展することによりこの問題はさらに深刻になる。
一方半導体チップの実装方式は、従来のワイヤボンディング方式から半田バンプなどを介してフェイスダウンの状態にて、インターポーザに電気的に接続される、いわゆるフリップチップ方式への移行が徐々に進んできている。従来のワイヤボンディング方式では、チップ全体を樹脂封止してしまうために効果的な放熱手段がとられなかったが、フリップチップ方式ではチップ背面にヒートスプレッダを熱的に接続することで従来よりも効果的に放熱がおこなわれるようになってきている。（特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながらヒートスプレッダでの放熱には欠点がある。それはチップ背面とヒートスプレッダの共平面性の問題である。チップからの熱を効率よくヒートスプレッダへ伝えるためには両者が密着していなければならないが、面のうねりや表面粗さ、異物などが障害となり、二つの平面を整えることは工業的には限界がある。このことを解消するために第三の部材として熱インターフェイス材料を介してヒートスプレッダを搭載しているのが現状であるが、この材料の長期安定性が問題となるケースがある。
【０００４】
以下に公知の文献を記す。
【特許文献１】特開平１１−７４４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フリップチップ実装された半導体チップの放熱性を向上させることができる半導体装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる半導体装置は、少なくとも、フリップチップボンディングにより実装される半導体チップと、それに供されるチップキャリアと、前記半導体チップの背面に熱的に接続される冷媒を有する冷媒路からなり、この半導体装置において、前記冷媒が、半導体チップ背面に直接、あるいは金属薄膜を介して接触していることにより、熱インターフェイス材料を使用せずに効率的に冷媒に熱を伝えることを目的としている。
【０００７】
さらにこの目的を達成するために、冷媒路の一部に半導体チップの背面が組み込まれるようにし、さらに半導体チップ背面を冷媒路の一部に組み込む方法としては、冷媒路部材と錫を主成分とするはんだによって溶接されていることを特徴としている。
また冷媒路部材の加工を容易にするために、チップ背面の加工によって得られる空間を冷媒路として利用しようとしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明にかかる半導体装置は以上のように構成され、少ない部材数で安価に製造することができ、長期間安定して良好な放熱が行われるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態による半導体装置を図面を参照して説明する。なお、本発明でいう１次実装とは半導体チップとインターポーザとの電気的接続を意味し、２次実装とはインターポーザとプリント基板（親基板）との電気的接続を意味するものとする。また、配線を有する実装基板とは、半導体チップと一体になって半導体装置（半導体パッケージ）を構成するインターポーザを指す（以下、単に実装基板とする）。
【００１０】
図１（A）は本発明の一実施形態の構成例を示す模式構成図で、図1（B）は図1（A）のＡ−Ａ’線上の断面構造を示す断面図である。この図に示されるように、実施の形態１にかかる半導体装置は、半導体チップ１、実装基板２、半導体チップ１の電極（図示せず）と実装基板２の電極とを電気的に接続させるための部材であるはんだバンプ４、冷媒路部材５、冷媒路部材を接合させるための鑞材６、チップ背面に形成された金属薄膜８とを有する。
【００１１】
半導体チップ１は、集積回路面の各電極に形成されたはんだバンプ４を実装基板２上の電極に対応させてフェイスダウンにより実装されている。このはんだバンプを保護するために、フリップチップボンディング後にアンダーフィル３を挿入する場合があるが、チップ背面の露出を阻害しない方法であれば、接続の保護の方法は本発明には影響しないため任意に行える。例えば前もって液状の封止樹脂を実装基板２の電極上に所定の量を滴下しておいてからフリップチップボンディングを実施してもよい。またフリップチップボンディングの後にトランスファ方式の封止によりはんだバンプ４の隙間に樹脂充填してもよい。
【００１２】
また半導体チップ１の背面には冷媒路部材５と鑞材６で接合できるように、接合に適した金属薄膜８を形成してある。鑞材６としては半導体装置製造工程でよく用いられている錫を主成分としたはんだ、特にＳｕ単体、Ｓｎ−Agの2元系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの3元系、Sn−Sbの2元系、およびそれぞれにNi、Bi、Zn、Cu等を微量添加したはんだが好ましい。
【００１３】
冷媒路部材５に求められるのは、腐食に強いこと、加工しやすいことが上げられる。また半導体チップ１との線膨張係数との差が大きい場合には、半導体チップ１の発熱により応力が発生し、接合部付近の鑞材６にクラックが生じる懸念があるため、軟らかい材料か線膨張係数が半導体チップ１と近い材料を選定する必要がある。以上のことから冷媒路部材５は、銅および銅合金、アルミおよびアルミ合金、鉄、鉄−ニッケル合金、およびそれぞれに表面処理としてニッケルまたは銅の被膜をめっき等で形成したものが適している。
【００１４】
また冷媒路部材５の形状については、図1のようにチップ背面全面を覆うような構造でもよいし、それ以外に例えば半円筒形状にしてチップ背面に縫うように配置してもよい。またチップ背面の金属薄膜はチップ背面全面に形成してもよいし、鑞材６と接合する部分にのみパターン形成してもよい。
【００１５】
冷媒路部材６と半導体チップ１の背面とで囲まれた冷媒路に充填される冷媒としては水、アセトン、エタノールなどのほかに、HFC（ハイドロ・フロロカーボン）、HCFC（ハイドロ・クロロ・フロロカーボン）といった代替フロン、ブタン、メタンなども使用できるが、一般的には水が実用的である。
【００１６】
冷媒路は、本発明の半導体装置の系外に設置された熱交換器や流体を移送する装置等と接続され、半導体装置が動作した際に発生する熱を系外へ順次移動させるものである。冷媒入路９、冷媒出路１０は、この移動に利用される。
【００１７】
そのほか1次実装として半導体チップ１の電極と実装基板２の電極とを電気的に接続させるための部材であるはんだバンプ４は必ずしもはんだである必要はなく、本発明は実装基板２と半導体チップとの接続材料には影響をうけないため、金バンプや銅バンプなど、半導体装置設計者の意向により変更できる部分である。同様に図１では2次実装の電気的接続に供されるようにはんだボールを記載したが、この接続に関しても半導体装置設計者が、設計時点で最適と思われる接続方法を採用することができる。ピン挿入方式が一例として挙げられる。
【００１８】
図２（A）は請求項４記載の一実施形態の構成例の工程を示す模式構成図で、図２（B）は図２（A）の冷媒路部材５１を搭載する前の図である。
図２（A）は、概ね図１（A）と同一で、外見上で異なるのは冷媒路部材５１の厚みである。図2（B）において、図１（B）との相違点は、半導体チップ１１の背面の形状と冷媒路部材の形状である。
【００１９】
図２（B）において半導体チップ１１の背面にくぼみが形成してある。くぼみの形成には、化学薬品によるエッチング、ダイヤモンド等の砥粒を定着させた砥石の高速回転加工、砥粒を分散させた砥液の高圧吹付、あるいはレーザ照射等が加工法としてあげられる。
【００２０】
このようにして、半導体チップ１１背面の周縁部を残した中央部にくぼみが形成され、周縁部と冷媒路部材とを接合して得られる空間を冷媒路の一部としている。そしてこのくぼみの形成により、冷媒路部材５１は板状であっても冷媒路としての空間を確保できる。これにより、部材加工費の節約と、半導体装置の低背化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態の構成例を示す説明図で、図１（A）は斜視で見た説明図、図1（B）は図1（A）のＡ−Ａ’線上の断面構造を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施形態の構成例を示す説明図で、図２（A）は斜視で見た説明図で、図２（B）は図２（A）の冷媒路部材５１を搭載する前の説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、１１…半導体チップ
２…実装基板
３…アンダーフィル
４…はんだバンプ
５、５１…冷媒路部材
６…鑞材
７…はんだボール
８…金属薄膜
９…冷媒入路
１０…冷媒出路
【図１】
2010073866.tif 000003
【図２】
2010073866.tif 000004