(57)【要約】【課題】  安価な製造方法であるリフロー方式を採用して、かつチップから発生する熱を効率よくキャリア基板とマザー基板に伝えることができる三次元実装モジュールの構造およびその製造方法の提供。【解決手段】  半導体チップ５，７を実装したキャリア基板１，２が、複数段積み重ねられた三次元構造を有する三次元実装モジュールであって、前記半導体チップ５，７の上面に金属膜を備え、前記キャリア基板１，２には少なくとも１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜を備え、この半導体チップ５，７の上面の金属膜とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、金属材料で接続した構造を備えたことを特徴とする三次元実装モジュール。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを実装したキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元構造を有する三次元実装モジュールであって、
前記半導体チップの上面に金属膜を備え、前記キャリア基板には少なくとも１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜を備え、この半導体チップの上面の金属膜とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、金属材料で接続した構造を備えたことを特徴とする三次元実装モジュール。
【請求項２】
半導体チップを実装したキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元構造を有する三次元実装モジュールの製造方法であって、
前記半導体チップはその上面に金属膜を備え、前記キャリア基板には少なくとも１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜を備え、この半導体チップが実装されたキャリア基板と、別の配線基板を接合する工程で、前記半導体チップ上面の金属膜とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、金属材料で同時に接合することを特徴とする三次元実装モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記半導体チップの上面に形成された金属膜はハンダ付け可能な金属箔で、半導体チップが実装されたキャリア基板と別のキャリア基板を接合する方法がリフロー方式で接合され、前記金属膜と配線基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとをクリームハンダを供給した後に前記のリフロー工程でハンダ接合することを特徴とする請求項２に記載の三次元実装モジュールの製造方法。
【請求項４】
半導体チップを実装したキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元構造を有する三次元実装モジュールの製造方法であって、
前記キャリア基板には少なくても１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜が備えられ、この半導体チップが実装されたキャリア基板と、別のキャリア基板を接合する工程で、前記半導体チップ上面とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、熱伝導性材料で同時に接合することを特徴とする三次元実装モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールの実装構造およびその製造方法に関し、特に、三次元的に半導体チップを積み重ねる高密度なスタック型のモジュールにおいて、半導体チップの放熱性の良い構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、スタック型でないＩＣパッケージではその上面（冷却したいＩＣチップの上面）にヒートシンクを実装して放熱することが一般的であった。しかしながら、三次元実装したモジュールの場合、モジュールの下面あるいは中間に配置されるチップを冷却することは困難であり、様々な設計的な工夫や提案が行われている。例えば、消費電力が大きく発熱量の大きい半導体チップは、空気の対流による冷却効果を期待して最上面に配置したりする場合もあるが、全てこの方法で対応できるものでも無い。
【０００３】
構造的な工夫の提案では、例えば、下記特許文献１がある。図８に示すように多段に積層された半導体チップ１０２の裏側に放熱板１０３をはりつけ、中間の半導体チップから発生する熱を放熱板を利用することで放熱効果を高めている。１０４はハンダボールである。このとき、放熱板１０３を長くすれば放熱効果をより向上させることができる。しかしながら、放熱構造を高めるために放熱板１０３を長くすることは、モジュールのサイズが大きくなるために、高密度に電子部品を行う妨げになってしまうと言う問題がある。
【０００４】
近年、電子機器の高機能化により高集積化と回路の動作周波数が加速度的に進歩しており、ますます発熱の問題が顕在化している。一方では、電子機器の小型化、薄型化の要求も強く、より高密度に実装することが求められており、半導体チップの温度上昇の問題が難しくなっている。
【０００５】
この発熱と小型化の課題を同時に改善するために、例えば、特許文献２は、キャリア基板に搭載される半導体チップから放出される熱をチップ外部へ伝達するための水平伝熱部、さらに放熱部に伝導するための垂直伝熱部に伝え、最終的に最上層および／または最下層のキャリア基板上に設けられる放熱部から放熱する構造を提案している。この方法では、放熱部が最上層のキャリア基板または最下層のキャリア基板に設けられるため、部品の横方向に対してはサイズがそれほど大きくならなく、部品実装密度の低下を防ぎつつ放熱性も高めることができると言うものであった。
【０００６】
しかしながら、垂直方向の伝熱部をもつことは、垂直方向の伝熱部の分だけ横方向に対してサイズが大きくなってしまうと言う課題があった。さらに、熱を伝えるための専用部材を使用することで構造が複雑になり製造コストが高くなる欠点も有している。
【０００７】
また製造コストをおさえ、高密度に実装できる三次元実装モジュールを安価に作ることも重要な課題である。
【０００８】
この安価に製造すると言う課題に対しては、例えば特許文献３では、一例として図７に示すような構造と製造方法が記載されている。すなわち、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）型の半導体パッケージを複数段積層して構成した構造である。ＢＧＡ２０１は、半導体チップ２０５をキャリア基板２０３に実装した後、保護膜２０６で覆われた構造である。そして半導体チップ２０５が実装されるキヤリア基板の裏側にはハンダボール２０７が接合されている。同様にＢＧＡ２０２は、半導体チップ２０９をキャリア基板２０８に実装した後、保護膜２１０で覆われた構造であり、裏側にはハンダボール２１１が接合されている。ＢＧＡ２０１には接続パターン２０４が形成されており、ＢＧＡ２０２のハンダボール２１１がこの接続パターン２０４と、リフロー方式で接続されて三次元モジュールを形成する。
【０００９】
このように一般的なリフロー方式で接合する方法で製造すれば安価に作ることができるが、半導体チップの発熱量が多い場合に発生する熱を放熱させて温度上昇を防ぐことは困難である。通常キャリア基板は熱伝導性の良い金属配線を含んでいるため空気よりは熱伝導性が良い物質である。したがって図７（Ｃ）の構造で半導体チップ２０５の上面とキャリア基板２０８の下面を密着させるか、熱伝導性の良い物質で接続すれば大幅な放熱効果が期待できる。
【特許文献１】特開平８−２３６６９４号公報
【特許文献２】特開２００３−１８８３４２号公報
【特許文献３】特開平１０−１３５２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、安価に製造するために一般的な製造方法であるリフロー方式を用いるためには、ハンダが熔融した状態の表面張力を利用して位置を正しい位置に修正するセルフアライメントの性質を利用するため、あらかじめ半導体チップとキャリア基板を接触固定して接合することができない。
【００１１】
すなわち、リフローでハンダが熔融している状態の時にはＢＧＡ２０２は自由に動ける状態にしておく必要があり、あらかじめ熱伝導性の物質で接合しておくことはできなないため半導体チップとその上面のキャリア基板には隙間ができることになる。また、この隙間をキャリア基板通しを接合した後で熱伝導性の良い物質で充填したくても、ハンダボール２１１があるためうまく注入することができない構造となってしまっている。
【００１２】
本発明は、以上の課題を解決して、安価な製造方法であるリフロー方式を採用して、かつチップから発生する熱を効率よくキャリア基板とマザー基板に伝えることができる三次元実装モジュールの構造およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上述の目的を達成するために以下の構成を備える。
【００１４】
（１）半導体チップを実装したキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元実装モジュール形態であり、前記半導体チップの上面に金属膜を備え、前記キャリア基板には少なくとも１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜を備え、この半導体チップの上面の金属膜とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、金属材料で接続した構造を備えることを特徴としている。
【００１５】
（２）半導体チップを実装したキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元実装構造を有するモジュールの製造方法において、前記半導体チップはその上面に金属膜を備え、前記キャリア基板には少なくとも１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜を備え、この半導体チップが実装されたキャリア基板と、別のキャリア基板を接合する工程で、前記半導体チップ上面の金属膜とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、金属材料で同時に接合することを特徴とする。
【００１６】
（３）半導体チップを実装したキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元構造を有する実装モジュールの製造方法において、前記キャリア基板には少なくとも１層のプレーン形状のグラウンドとなる金属膜を備え、この半導体チップが実装されたキャリア基板と、別のキャリア基板を接合する工程で、前記半導体チップ上面とキャリア基板内のプレーン形状の金属膜とを直接に／またはプレーン形状の金属膜に接続しているランドとを、熱伝導性材料で同時に接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体チップが実装されたキャリア基板が、複数段積み重ねられた三次元実装構造を有するモジュールにおいて、従来、安価なリフロー方式で製造した場合キャリア基板の間に位置する半導体チップから発生する熱を伝熱する構造が取れなかったが、リフロー工程で同時に半導体チップとその上面に位置するキャリア基板のグラウンドパターンを熱伝導性の良い物質で接合することで、安価な方法で熱伝導性の良い三次元実装モジュールを形成することができた。
【００１８】
さらに、熱伝導のために使用する部材の一部を電気的接続のために使用されているキャリア基板内のグラウンドプレーンやハンダボールと兼用させることで、モジュールのサイズを特別に大きくすることなく実現できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は側断面図であり、本発明の第１の実施例を示している。キャリア基板１にはフリップチップ実装方式で半導体チップ５が実装されている。半導体チップ５の上面には３５μｍ厚の銅箔３が熱伝導性耐熱接着剤で貼り付けられており、側面にはフリップチップ実装部を保護するためにアンダーフィル６が形成されている。また、キャリア基板１の下側にはハンダボール９が所定のランドに接合されている。
【００２１】
キャリア基板２には同様にフリップチップ実装方式で半導体チップ７が実装されており、その側面にはアンダーフィル８が形成されている。キャリア基板１とキャリア基板２はハンダボール１０で接合されており、電気的にも接続されている。
【００２２】
ハンダ部材４は、半導体チップ５の上面に形成された銅箔とキャリア基板２のグラウンドパターンを接続するためのものである。
【００２３】
図１で示される三次元実装モジュールはプリント配線板に実装されて使用されるが、その動作状態で発生する半導体チップ５の熱は、半導体チップ５の下面→キャリア基板１→ハンダボール９→プリント配線板（図では省略）のルートと、半導体チップ５の上面→銅箔３→ハンダ部材４→キャリア基板２のグラウンドパターン（図では省略）→グラウンドパターンに接続されているハンダボール１０→キャリア基板１→ハンダボール９→プリント配線板（図では省略）の二つのルートから伝熱するので半導体チップ５の温度上昇をおさえることができる。
【００２４】
図４は、図１で示した構造の三次元実装モジュールの製造方法について説明するためのものである。図４（ａ）はキャリア基板１の上面図であり、図４（ｂ）はキャリア基板２の下面を示す透視図である。図４（ａ）において、キャリア基板１の上面には半導体チップが実装され、そのチップの上面には銅箔３がはりつけられ側面にはアンダーフィル６が形成されている。１１はキャリア基板の上面に形成されたランドであり、ここにキャリア基板２の下面に形成されたハンダボール１０がリフローによって接合される。図４（ｂ）において、キャリア基板２の下面にはハンダボール１１があらかじめ接続されている。キャリア基板２の内層にはプレーン状のグラウンドが形成されておりランド１２とはスルーホール等の所定の方法で電気的な接続が取れており当然熱伝導性も良好な状態になっている。このランド１２の上にディスペンサーでクリームハンダ１３を供給し、ハンダボール１０とランド１１をリフローで接続すると同時に、ランド１２と銅箔３が接合される（図４（ｃ））。
【実施例２】
【００２５】
図５は第２の実施例を示すための図である。図１および図４で示した第１の実施例との違いを説明する。図５（ａ）はキャリア基板１の上面図であり、図５（ｂ）はキャリア基板２の下面を示す透視図、図５（ｃ）は側断面図である。
【００２６】
図５（ａ）は図４（ａ）と全く同じ構造である。
【００２７】
図５（ｂ）において、キャリア基板２の下面にはハンダボール１０があらかじめ接続されている。キャリア基板２の内層にはプレーン状のグラウンドが形成されておりキャリア基板下面のグラウンドプレーン１４とはスルーホール等の所定の方法で電気的な接続が取れており当然熱伝導性も良好な状態になっている。このグラウンドプレーン１４はソルダーレジストで覆われているが、所定の部分１５では覆われていない構造となっている。このソルダーレジストで覆われていない部分１５の上にディスペンサーでクリームハンダ１３を供給し、ハンダボール１０とランド１１をリフローで接続すると同時に、ソルダーレジストで覆われていない部分１５と銅箔３を接合して製造したものである（図５（ｃ））。
【実施例３】
【００２８】
図６は第３の実施例を示すための図である。図１および図４で示した第１の実施例との違いを説明する。図６（ａ）はキャリア基板１の上面図であり、図６（ｂ）はキャリア基板２の下面を示す透視図、図６（ｃ）は側断面図である。
【００２９】
図６（ａ）は図４（ａ）とほとんど同じ構造であるが半導体チップ５の上面には銅箔がないむき出しの状態である。さらにキャリア基板１には上面にもハンダボール１０があらかじめ接続している。
【００３０】
図６（ｂ）において、キャリア基板２の下面にはハンダボール１０と接続するためのランド１７が形成されている。キャリア基板２の内層にはプレーン状のグラウンドが形成されておりキャリア基板下面のグラウンドプレーン１４とはスルーホール等の所定の方法で電気的な接続が取れており当然熱伝導性も良好な状態になっている。このグラウンドプレーン１４はソルダーレジストで覆われているが、所定の部分１６では覆われていない構造となっている。前記半導体チップ５の上にディスペンサーで熱伝導性の接着剤１８を供給し、ハンダボール１０とランド１７をリフローで接続すると同時に、ソルダーレジストで覆われていない部分１６と半導体チップを接合して製造する（図６（ｃ））。この熱伝導性の接着剤は、初期には粘度が低く、リフローの加熱工程で徐々に硬化するように調整されている。
【実施例４】
【００３１】
図２は側断面図であり、本発明の第４の実施例を示している。キャリア基板が三段重ねになっている以外は、第一の実施例と同じである。
【実施例５】
【００３２】
図３は側断面図であり、本発明の第５の実施例を示している。キャリア基板が三段重ねになっているのは第４の実施例と同じだが、一段しか本発明の構造をとっていない。このように一部に実施しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施例の構造を示す側断面図
【図２】本発明の第４の実施例の構造を示す側断面図
【図３】本発明の第５の実施例の構造を示す側断面図
【図４】本発明の第１の実施例の構造と製造方法を説明するための図であり、（ａ）上面図、（ｂ）下面の透視図、（ｃ）側断面図
【図５】本発明の第２の実施例の構造と製造方法を説明するための図であり、（ａ）上面図、（ｂ）下面の透視図、（ｃ）側断面図
【図６】本発明の第３の実施例の構造と製造方法を説明するための図であり、（ａ）上面図、（ｂ）下面の透視図、（ｃ）側断面図
【図７】従来例の構造を示す側断面図
【図８】従来例の構造を示す側断面図
【符号の説明】
【００３４】
１、２、２１、２２、２３  キャリア基板
３  銅箔
４  ハンダ部材
５、７  半導体チップ
６、８  アンダーフィル
９、１０  ハンダボール
１１、１７  ハンダボール接続ランド
１２  ランド
１３  クリームハンダ
１４  グラウンドプレーン
１５、１６  ソルダーレジストで覆われていない部分
１０１  キャリア基板
１０２  半導体チップ
１０３  放熱板
１０４  ハンダボール
２０１、２０２  ボールグリッドアレイ型の半導体パッケージ（ＢＧＡ）
２０３、２０８  キャリア基板
２０４  接続パターン
２０５、２０９  半導体チップ
２０６、２１０  保護膜
２０７、２１１  ハンダボール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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