(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体チップの発熱部品の発熱による熱歪みに伴う劣化を防ぎ、耐久性、信頼性を高めた半導体装置及びプリント回路板を提供する。【解決手段】温度制御装置７ｂを備えた半導体基板２と、半導体基板２上に配置された半導体チップ３と、半導体チップ３の発生した熱を放熱する放熱部材４とを備えた半導体装置１、及び温度制御装置７ｂを備えたプリント基板上にこの半導体装置１を装着したプリント回路板。温度制御装置７ｂとして、それぞれの部材にサーミスタ６ａ，６ｃ，６ｄなどの温度測定装置を配置して直接各部材の温度を測定して各部材を所定の温度になるようにヒータ発熱量を制御してもよい。【選択図】図１
2008244288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御装置を備えた半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記温度制御装置は、ヒータとヒータへの電力供給制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記温度制御装置は、温度測定装置を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
温度制御装置を備えたプリント基板上に請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置を装着したことを特徴とするプリント回路板。
【請求項５】
前記温度制御装置は、ヒータとヒータへの電力供給制御装置を備えていることを特徴とする請求項４に記載のプリント回路板。
【請求項６】
前記温度制御装置は、温度測定装置を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載のプリント回路板。
【請求項７】
半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを備えた半導体装置における前記半導体基板の温度を制御することを特徴とする半導体装置の温度制御方法。
【請求項８】
前記半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よる半導体装置の熱歪みを低減するように半導体基板を予熱制御することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の温度制御方法。
【請求項９】
プリント基板上に請求項７又は８に記載の温度制御方法により温度制御されている半導体装置を装着したプリント回路板における前記プリント基板の温度を制御することを特徴とするプリント回路板の温度制御方法。
【請求項１０】
前記プリント回路板の作動開始時の半導体チップの発熱よるプリント回路板の熱歪みを低減するようにプリント基板を予熱制御することを特徴とする請求項９に記載のプリント回路板の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御装置を備えた半導体装置及びプリント回路板に係り、特に温度制御装置を備えた半導体装置及びプリント回路板、並びに半導体装置及びプリント回路板の温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ、特に高集積半導体チップは、作動時に発熱する。この発熱量は、放熱機構を設けて放熱してやらないと半導体チップ自身や接続部などに悪影響をおよぼすほどである。このため、半導体装置は、金属製の放熱板や放熱部材を備えており、これを半導体チップに密着させて、半導体チップから発生した熱を半導体装置外部に放熱している。これにより、半導体装置は一定温度以上には上がらず、高温による半導体チップ自身や周辺部材などの損傷は起こらない仕組みになっている。
【０００３】
ところが、最近は、半導体チップの高集積化が進み発熱量はますます大きくなってきている。この為、放熱機構も高性能化しており、例えば、ヒートスプレッタと呼ばれるパッケージタイプの放熱部材などでは半導体チップで発生した熱が大量に放熱できる。短時間で熱移動が起こるということは、半導体チップの作動開始時のように、室温から定常運転時の温度状態になるまでの時間が短いということになる。すなわち、半導体チップは短時間で定常運転時の高温状態になる。しかし、半導体チップとは電極部のみで結合している半導体基板は、熱伝導性が悪く、すぐには昇温しない。特に、熱伝導率の小さい樹脂製やセラミックス製の素材からなる半導体基板では、温度上昇が遅くなる。そうすると、半導体チップ及び放熱部材と半導体基板との間に温度差が生じる。この為、半導体チップ及び放熱部材と半導体基板との間に熱膨張の違いが生じ、これらの結合部に熱応力が発生する。このような熱膨張の違いによる応力は、それぞれの素材の熱膨張率の違いによっても生じることがある。
【０００４】
半導体チップの集積度がそれほど大きくなかったり、高速化されたりしていなければ、発熱量も比較的小さいので、このような応力は問題にならなかった。しかし、最近は、半導体チップの高集積化、高速化が進み、この熱応力による半導体装置の耐久性の低下が問題となってきた。半導体装置にこのような熱応力が繰り返し掛かると、半導体チップと半導体基板とを接合しているバンプ電極などの接合部が損傷する恐れがある。特に、接合部が高温になったときに熱応力が掛かると、耐熱性の劣る接合部は損傷しやすいことが多い。
【０００５】
発明者等のヒートサイクル模擬実験によると、半導体装置の温度変化に対する耐久性は、通常の使用状況では問題にならなくても、高信頼性を要求される用途では問題となるほどである。特に、半導体装置に作用する温度変化が大きいほど、半導体装置の寿命は短くなることが判った。図８に、高集積半導体チップを搭載した半導体装置の、ヒートサイクルによる寿命試験結果を示した。図８のグラフでは、ヒートサイクルにおける温度差に対する寿命が来るまでのサイクル数で表している。図から判るように、ヒートサイクルにおける温度差と寿命とには、一次の相関関係があり、温度差が大きいほど寿命が短い。また、温度差１４０℃以上であれば１０００サイクル以上の寿命がある。通常の業務用パソコンなどではこの程度の信頼性でも使用できるが、高信頼性を要求されるネットワークのホストに使用される機器や、重要なデータ保存機器などでは、これでは十分な信頼性とは言えない場合がある。
【０００６】
さらに、半導体装置における上述の問題と同様に、プリント回路板において、半導体装置の発熱とこれを装着しているプリント基板等との温度差による熱応力の問題がある。半導体装置における半導体チップと半導体基板との接合部の応力による損傷と同じように、プリント回路板においては、半導体装置とプリント基板との接合部分の応力による損傷が問題となる（本願においては、プリント基板に半導体装置や電子部品、電気部品などを装着した電子装置をプリント回路板と呼ぶ。）。これまで、半導体装置やプリント回路板の耐熱性に対する検討はされていても、温度差に伴う熱応力に対する検討は、特殊な状況下での対応以外あまり意識されていなかった。
【０００７】
例えば、プリント回路板の修理時の熱応力による悪影響に対する対策に関して特許文献１に報告されている。特許文献１においては、多層プリント配線板の修理や改造の際、ハンダ付けなどの局部加熱工程があり、その際の残留応力により多層プリント配線板の反りや歪みを防止する発明について開示している。具体的な方法として、多層プリント配線板の中間層にヒータを内蔵した発熱層を配置して、ハンダ付けなどの際には、発熱層を発熱させて多層プリント回路板全体を加熱して局部的に大きな温度差が発生することを防ぐものである。
【０００８】
また、特許文献２には、ヒータ内蔵基板が開示されている。これは、宇宙空間で使用する電子機器の基板にヒータを内蔵させておき、半導体装置等が極低温状態に曝されて作動不能になることを防ぐため、ヒータ内蔵基板によって効率的に半導体装置等の電子機器を保温しておくものである。
【特許文献１】特開２００１−１１１２３１号公報
【特許文献２】特開平６−３４４９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、ヒータによる温度調節機能を備えた多層プリント配線板が開示されているが、特許文献１においては、この温度調節機能は、多層プリント配線板の動作を停止してハンダ付け等の修理をするときの局部加熱に対する熱応力対策用である。この為、動作停止中の多層プリント配線板全体を等温に加熱しておくものであり、多層プリント配線板の動作中又は動作開始時の半導体装置等の発熱による熱歪みを補償する機能はない。また、特許文献２に開示されたヒータ内蔵基板においても、このヒータには極低温状態での半導体装置等の作動を円滑にするための保温機能はあるが、動作中の半導体装置等の発熱による熱歪みを補償する機能はない。
【００１０】
このように、これまでの半導体装置やこれを装着したプリント回路板において、作動開始時に起こる局部的な温度差と、これに伴う歪みによる接合部等への応力を緩和するための各部の温度制御に関しては、特に問題ともされず、上述のようなプリント回路板においても対応できるものではない。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体チップ等の発熱部品の発熱による半導体装置及びこれを装着したプリント回路板の熱歪みによる劣化を防ぎ、耐久性、信頼性を高めた半導体装置及びプリント回路板を提供し、並びに半導体装置及びプリント回路板の耐久性、信頼性を高める温度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを備えており、前記半導体基板は温度制御装置を備えていることを特徴とする。さらに、半導体チップ及び放熱部材も温度制御装置を備えていてもよい。温度制御装置としては、ヒータとヒータへの電力供給制御装置を備えていることが好ましく、さらに、サーミスタなどの温度測定装置を備えていることが好ましい。温度測定装置は、半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よる半導体装置の熱歪みを低減するように、半導体装置の作動開始前に半導体基板などの温度制御対象物を予熱制御することもできる。予熱制御は、温度制御対象物を所定時間予熱制御することも、特に温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱することも、温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することもできることが好ましい。
【００１４】
本発明の半導体装置においては、半導体装置の作動、停止を繰り返しても、半導体基板や半導体チップと半導体基板との接合部などに半導体チップの発熱に伴う熱応力が掛からず、あるいは小さく熱応力の繰り返しによる損傷の恐れがなくなり、半導体装置の長期間の信頼性が向上する。また、ヒータとヒータへの電力供給制御装置による温度制御は、簡便で精度が高く、信頼性も高い温度制御装置である。サーミスタなどの温度計測装置を備えていれば、さらに精度よく温度制御ができる。一般に、半導体装置において、発熱による温度変化が激しいのは、半導体装置の作動開始時であるので、作動開始時の温度制御ができることが好ましい。この作動開始時の温度制御とは、半導体装置が実際に作動する少し前の予熱時間をも含む温度制御である。予熱制御においては、予熱時間により制御したり、温度制御対象物の温度により制御したりすれば、正確で効果的な制御ができる。
【００１５】
本発明のプリント回路板は、プリント基板に温度制御装置を備えており、上記の本発明の半導体装置をプリント基板上に装着している。さらに、プリント基板上に装着した電子部品、電気部品、プリント基板の補強部品、放熱部品、及びプリント基板の保護部品も温度制御装置を備えていてもよい。温度制御装置は、ヒータとヒータへの電力供給制御装置を備えていることが好ましく、さらに温度測定装置を備えていることが好ましい。温度測定装置は、半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よるプリント回路板の熱歪みを低減するように温度制御対象物を予熱制御することも、温度制御対象物を所定時間予熱制御することも、温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱することも、温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することもできることが好ましい。
【００１６】
本発明のプリント回路板においては、プリント回路板の作動、停止を繰り返しても、半導体装置等の発熱に伴う熱応力が掛からず、あるいは小さく熱応力の繰り返しによる接合部の損傷の恐れがなくなり、プリント回路板の長期間の信頼性が向上する。また、ヒータとヒータへの電力供給制御装置による温度制御は、簡便で精度が高く、信頼性も高い温度制御装置である。サーミスタなどの温度計測装置を備えていれば、さらに精度よく温度制御ができる。一般に、プリント回路板において、発熱による温度変化が激しいのは、プリント回路板の作動開始時であるので、作動開始時の温度制御ができることが好ましい。この作動開始時の温度制御とは、プリント回路板が実際に作動する少し前の予熱時間をも含む温度制御であることが好ましい。予熱制御においては、予熱時間により制御したり、温度制御対象物の温度により制御したりすれば、正確で効果的な制御ができる。
【００１７】
本発明の半導体装置の温度制御方法は、半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを備えた半導体装置における前記半導体基板の温度を制御する温度制御方法である。さらに、半導体チップ及び放熱部材の温度を制御する温度制御方法であってもよい。この半導体装置の温度制御方法は、半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よる半導体装置の熱歪みを低減するように半導体基板等の温度制御対象物を予熱制御すること、温度制御対象物を所定時間予熱制御すること、温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱すること、温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することが好ましい。また、半導体装置の温度制御方法においては、温度制御対象物をヒータ加熱により温度制御することが好ましい。
【００１８】
本発明の半導体装置の温度制御方法によって、半導体装置の作動、停止を繰り返しても、半導体基板と半導体チップとの間に半導体チップの発熱に伴う熱応力が掛からず、あるいは小さく熱応力の繰り返しによる寿命低下がなくなり、長期間の信頼性が向上する。また、サーミスタなどの温度計測装置を備えていれば、さらに精度よく温度制御ができる。一般に、半導体装置において、発熱による温度変化が激しいのは、半導体装置の作動開始時であるので、作動開始時の温度制御ができることが好ましい。この作動開始時の温度制御とは、半導体装置が実際に作動する少し前の予熱時間をも含む温度制御である。予熱制御においては、予熱時間により制御したり、半導体基板等の温度制御対象物の温度により制御したりすれば、正確で効果的な制御ができる。また、ヒータとヒータへの電力供給制御装置による温度制御は、簡便で精度が高く、信頼性も高い温度制御方法である。
【００１９】
本発明のプリント回路板の温度制御方法は、上記の温度制御方法により温度制御されている半導体装置をプリント基板上に装着したプリント回路板の温度制御方法であって、プリント基板の温度を制御する温度制御方法である。さらに、プリント基板上に装着した電子部品、電気部品、プリント基板の補強部品、放熱部品、及びプリント基板の保護部品の温度を制御する温度制御方法であってもよい。この温度制御方法は、プリント回路板の作動開始時の半導体チップの発熱よるプリント回路板の熱歪みを低減するようにプリント基板等の温度制御対象物を予熱制御すること、温度制御対象物を所定時間予熱制御すること、温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱すること、温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱すること、温度制御対象物をヒータ加熱により温度制御することが好ましい。
【００２０】
本発明のプリント回路板の温度制御方法によれば、プリント回路板の作動、停止を繰り返しても、プリント基板と半導体装置等との接合部に半導体装置等の発熱に伴う熱応力が掛からず、あるいは小さく熱応力の繰り返しによる寿命低下がなくなり、プリント回路板の長期間の信頼性が向上する。サーミスタなどの温度計測装置を備えていれば、さらに精度よく温度制御ができる。一般に、プリント回路板において、発熱による温度変化が激しいのは、プリント回路板の作動開始時であるので、作動開始時の温度制御ができることが好ましい。この作動開始時の温度制御とは、プリント回路板が実際に作動する少し前の、予熱時間をも含む温度制御である。予熱制御においては、予熱時間により制御したり、温度制御対象物の温度により制御したりすれば、正確で効果的な制御ができる。また、ヒータとヒータへの電力供給制御装置による温度制御は、簡便で精度が高く、信頼性も高い温度制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体チップ等の発熱部品の発熱による半導体装置及びこれを装着したプリント回路板の熱歪みによる劣化を防ぎ、耐久性、信頼性を高めた半導体装置及びプリント回路板、並びに半導体装置及びプリント回路板の耐久性、信頼性を高める温度制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。  
（実施形態１）
本発明の半導体装置を実施形態１として、図１を参照しながら説明する。図１には、本発明の半導体装置の一例を断面図として示した。図１における半導体装置１は、通常の半導体装置と同様、半導体基板２上に半導体チップ３が装着されており、半導体チップ３の背面（接続用電極のない側）には放熱部材４が密着している。この放熱部材４は、半導体チップ３を収容する空間を密閉するように、その端部が半導体基板２と密着されている。また、放熱部材４は、半導体チップ３の作動に伴う発熱による温度上昇を抑える機能を持っており、半導体チップ３と密着し、半導体チップ３からの熱伝導をよくしていると同時に、放熱部材自身熱伝導性のよい金属素材を用いて半導体装置外部への放熱を容易にしている。なお、この半導体装置は、半導体チップ３と半導体基板２との接続用電極と、半導体装置１と外部のプリント基板等との接続用電極とには、ボール電極８，９を用いている。
【００２３】
この半導体装置１は、半導体基板２、半導体チップ３及び放熱部材４のそれぞれにヒータ５ａ，５ｂ，５ｃを内蔵している。ヒータは、それぞれ内部ではなく表面に配置してもよいが、内部に配置する方が効果的な場合が多い。なお、ヒータ５ａ，５ｃについては、半導体チップ３に近接した位置に配置することが好ましい。半導体チップ３が半導体装置の発熱部であるので、半導体チップ３の近辺が温度変化の激しい部分であり、その温度制御を十分にするためである。
【００２４】
この半導体装置１において、半導体チップ３に通電して作動を開始した場合の半導体チップ３と半導体基板２の温度変化及びその際の温度上昇から計算される伸び量を図４に示した。図４において、右側のグラフは半導体チップ３の作動開始からの時間に対する各部材の温度変化を表している。左側のグラフは、それぞれの部材の温度に対する熱膨張率から計算した伸び量を表している。ここでは、曲線（ａ）を半導体チップ３、曲線（ｂ）、（ｂ'）を半導体基板２のグラフとする。仮に、半導体装置１を温度制御せずに半導体チップ３に通電して作動を開始した場合、半導体チップ３の温度は、作動開始から時間ｔ１の間にグラフ（ａ）に沿って基準点ＯからＴ１まで上昇する。そして、半導体チップ３は、温度Ｔ１までの温度上昇に伴って、ｌ１だけ伸びる計算になる。一方、半導体基板２の温度は、半導体チップ３からの伝熱と半導体装置外部への放熱とにより、時間ｔ１の間にグラフ（ｂ）に沿って基準点Ｏから温度Ｔ２まで上昇する。そして、半導体基板２は、温度Ｔ２までの温度上昇に伴って、ｌ２だけ伸びる計算になる。
【００２５】
伸び量ｌ１とｌ２とが等しければ、ボール電極（バンプ電極ともいう。）８により結合されている半導体チップ３と半導体基板２とは、同じ伸びを示してそれぞれの部材に熱応力は発生しない。ところが、現実には、半導体チップ３と半導体基板２とは、温度上昇カーブも熱膨張カーブも異なるので、図４に示すように、伸び量ｌ１とｌ２とが等しいことは稀である。そこで、半導体チップ３と半導体基板２との結合部には、この伸び量ｌ１とｌ２との差を調整するための応力が発生する。半導体装置の作動と停止が繰り返されて、結合部に繰り返し応力が掛かると結合部の最も弱いボール電極部が損傷する恐れがある。
【００２６】
そこで、本発明の半導体装置１においては、それぞれの部材に内蔵されている温度制御装置であるサーミスタ５ａ，５ｂ，５ｃによって、半導体装置１の作動開始時の各部材の温度を制御し、半導体装置１の作動開始時の各部材間の伸び量の差をなくす、又は小さくする。例えば、上記半導体チップ３と半導体基板２との伸び量の差をなくすためには、図４に示すように、半導体基板２の伸び量ｌ２をｌ１と同じにすればよい。そのためには、時間ｔ１における半導体基板２の温度をＴ３としてやればよい。時間ｔ１の間に半導体基板２の温度がＴ３となるための初期温度Ｔ４を予め測定しておき、半導体チップ３に電源を印加して作動させる前に、半導体基板２を予熱して温度Ｔ４としておく温度制御方法がある。また、半導体基板２に配置したヒータを半導体チップ３作動前に制御して温度上昇させておく温度制御装置を備えていればよい。
【００２７】
上記説明では、一時点のみで説明したが、半導体チップ３の発熱による半導体基板２の温度変化と、半導体チップ３と半導体基板２の熱膨張特性から、上述の考え方を適用して、半導体装置１の作動開始から定常状態になるまでの各時間に対し、きめ細かく温度制御することにより、半導体チップ３と半導体基板２の熱膨張差による応力を縮小することができる。
【００２８】
さらに、簡単な温度制御によって上述のような熱応力を減少させる方法を例示する。図５には、半導体チップ３を作動させる前から半導体基板２を予熱しており、半導体基板２が６０℃に予熱された時点で、半導体チップ３を作動させた後も半導体基板２を加熱し、半導体チップ３がおよそ９０℃で安定したときに半導体基板２も７０℃となるように温度制御している。なお、この例では、半導体チップ３の９０℃における熱膨張による伸びと、半導体基板２の７０℃における熱膨張による伸びとがほぼ同じであると仮定した。このようにすれば、半導体チップ３と半導体基板２の熱膨張差による応力は小さなものとすることができる。とくに、高温域において熱応力が小さいので、半導体チップ３と半導体基板２の結合部であるボール電極８部は、強度の落ちる高温時に応力が作用しない（又は小さい）ので好適である。
【００２９】
図６には、半導体基板２の材質が異なり、その熱膨張率が半導体チップ３に近い場合の温度制御の例が示してある。この場合は、半導体基板２の熱膨張による伸びが比較的小さく、半導体チップ３の９０℃における熱膨張による伸びと同じ伸びを発生させるために、半導体基板２の温度を８５℃に制御している。
【００３０】
図１においては、半導体チップ３、放熱部材４にも温度制御用のヒータ５ｂ，５ｃが配置してある。放熱部材４に関しては、半導体チップ３との接着面での熱膨張による伸び量の調整の他に、半導体基板２との伸び量の差により、半導体基板２と放熱部材４との接合部における応力の低減にも用いることができる。特に、放熱部材４は、放熱性が優れているので、半導体チップ３が作動停止して発熱しなくなると、急速に冷却される。その際、半導体基板２と半導体チップ３や半導体基板２との間に温度差による伸び量の差が大きくなり、応力発生の原因になりやすいので、これを調整できる。
【００３１】
本発明の半導体装置においては、ヒータ発熱量の時間的なプログラム制御だけでなく、より直接的な制御として、それぞれの部材にサーミスタ６ａ，６ｃなどの温度測定装置を配置して直接温度測定して、各部材を所定の温度になるように制御してもよい。また、温度測定装置による温度測定は、上述のヒータ発熱量の時間的なプログラム制御に利用することもできる。
【００３２】
（実施形態２）
本発明のプリント回路板を実施形態２として、図２，３を参照しながら説明する。図３には、本発明のプリント回路板の一例を部分断面図として示した。図３におけるプリント回路板１１は、通常のプリント回路板と同様、プリント基板１０上に半導体装置１，その他の電子部品１２及び電気部品１３などが装着されている。半導体装置１には超ＬＳＩ、ＬＳＩ、ＩＣなどが含まれ、その他の電子部品１２及び電気部品１３としては、トランジスタ、抵抗器、コンデンサなどがある。なお、このプリント回路板１１は、プリント基板１０と半導体装置１等との接続用電極としてボール電極８，９を用いている。
【００３３】
実施形態２のプリント回路板１１においては、プリント基板１０、半導体装置１並びに必要に応じてその他の電子部品１２及び電気部品１３に、ヒータ５ａ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈなどの温度制御装置が配置されている。ヒータ５ａ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈは、半導体装置１などのそれぞれの部品の表面に配置してもよいが、内部に配置する方が効果的な場合が多い。なお、プリント基板１０に配置するヒータ５ｄ，５ｅ，５ｆについては、プリント基板１０の温度制御の観点から半導体装置１などの部品に近接した位置に配置することが好ましい。これらの温度制御用のヒータ５ａ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈは、プリント回路板１１の作動時にプリント基板１０と半導体装置１その他の電子部品１２及び電気部品１３との、温度差に起因する熱応力を緩和するために作動しやすくなる。なお、図示はしていないが、温度制御対象としては、プリント基板１０の補強部品、放熱部品、保護部品などプリント基板１０と接合されており熱応力が発生する接合部を持つ部材も挙げられる。
【００３４】
プリント基板１０と半導体装置１その他の電子部品１２及び電気部品１３との熱応力に対するヒータの作用は、プリント基板１０と半導体装置１の場合も、プリント基板１０とその他の電子部品１２及び電気部品１３の場合も同じなので、最も発熱量が多く熱応力が大きいと考えられるプリント基板１０と半導体装置１の場合を例に、図２を参照しながら説明する。
【００３５】
図２には簡単なプリント回路板１１の一例として、プリント基板１０上に作動時に発熱量の多い高集積半導体装置１を装着している。このプリント基板１０に通電して、電子装置として作動を開始した場合の、半導体装置１とプリント基板１０の温度変化及びその際の温度上昇から計算される伸び量を図４に示したグラフで説明する。図４において、右側のグラフはプリント回路板１１の作動時間に対する半導体装置１とプリント基板１０の温度変化を表している。左側のグラフは、それぞれの部材の温度に対する熱膨張率から計算される伸び量を表している。ここでは、部材（ａ）を半導体装置１、部材（ｂ）、（ｂ'）をプリント基板１０のグラフとする。仮に、プリント基板１０及び半導体装置１を温度制御せずにプリント回路板１１に通電して作動を開始した場合、半導体装置１の温度は、時間ｔ１の間にグラフ（ａ）に沿って基準点ＯからＴ１まで上昇する。そして、半導体装置１は、温度Ｔ１に伴って、熱膨張によりｌ１だけ伸びる計算になる。一方、プリント基板１０の温度は、半導体装置１からの伝熱とプリント基板１０外部への放熱とにより、時間ｔ１の間にグラフ（ｂ）に沿って基準点ＯからＴ２まで上昇する。そして、半導体基板２は、温度Ｔ２に伴って、ｌ２だけ伸びる計算になる。
【００３６】
伸び量ｌ１とｌ２とが等しければ、ボール電極により結合されている半導体装置１とプリント基板１０とは、同じ伸びを示してそれぞれの部材に熱応力は発生しない。ところが、現実には、半導体装置１とプリント基板１０とは、温度上昇カーブも熱膨張カーブも異なるので、図４に示すように、伸び量ｌ１とｌ２とが等しいことは稀である。そこで、半導体装置１とプリント基板１０との結合部には、この伸び量ｌ１とｌ２との差を調整するための応力が発生する。プリント回路板１１の作動と停止が繰り返されて、結合部に繰り返し応力が掛かると結合部の最も弱いボール電極部が損傷する恐れがある。
【００３７】
そこで、本発明のプリント回路板１１においては、それぞれの部材に内蔵されている温度制御装置によって、プリント回路板１１の作動開始時の各部材の温度を制御し、半導体装置１の作動開始時の昇温課程における各部材間の熱膨張による伸び量の差をなくす、又は小さくする。例えば、上記半導体装置１とプリント基板１０との伸び量の差をなくすためには、図４に示すように、プリント基板１０の伸び量ｌ２を半導体装置１の伸び量ｌ１と同じにすればよい。そのためには、プリント基板１０の温度をＴ３としてやればよい。時間ｔ１の間にプリント基板１０の温度がＴ３となるための初期温度Ｔ４を予め測定しておき、プリント回路板１１又は半導体装置１に電源を印加して作動させる前に、プリント基板１０を予熱して温度Ｔ４としておく温度制御方法がある。また、プリント回路板１１に配置したヒータ５ｄを半導体装置１の作動前に制御して温度上昇させておく温度制御装置を備えていればよい。
【００３８】
上記説明では、一時点のみで説明したが、半導体装置１の発熱によるプリント基板１０の温度変化と、半導体装置１とプリント基板１０の熱膨張特性から、上述の考え方を適用して、プリント回路板１１の作動開始から定常状態になるまでの各時間に対し、きめ細かく温度制御することにより、プリント基板１０と半導体装置１の熱膨張差に起因する応力を縮小することができる。
【００３９】
さらに、簡単な温度制御によって上述のような熱応力を減少させる方法を説明する。図５には、半導体装置１を作動させる前からプリント回路板１１を予熱しており、プリント回路板１１が６０℃に予熱された時点で、半導体装置１を作動させた後もプリント回路板１１を加熱し、半導体チップ３がおよそ９０℃で安定したときにプリント回路板１１も７０℃となるように温度制御している。なお、この例では、半導体装置１の半導体チップ３は９０℃になり、半導体装置１全体、特にプリント回路板１１と接合されている半導体基板２の部分は７０℃となっており、半導体装置１全体の熱膨張による伸びと、プリント回路板１１の熱膨張による伸びとがほぼ同じである。このようにすれば、半導体装置１とプリント回路板１１の熱膨張による応力は、ほとんどないか小さなものとすることができる。とくに、高温域において接合部であるボール電極９に対する熱応力が小さいので、ボール電極部の強度の落ちる高温時に応力が作用しない（又は小さい）ので好適である。
【００４０】
図６には、プリント回路板１１と半導体基板２の材質が異なり、セラミックス製の半導体基板２のように熱膨張率が半導体装置１に近い場合の温度制御の例が示してある。この場合は、半導体基板２の熱膨張による伸びが比較的小さく、半導体装置１の９０℃における熱膨張による伸びとほぼ同じ伸びを発生させるために、半導体基板２の温度を８５℃に制御して、プリント回路板１１は７０℃に設定している。このようにすれば、プリント回路板１１と半導体基板２の熱膨張による伸び量が同じになり、ボール電極９の接合部に熱応力が発生しない。
【００４１】
図２に示したプリント回路板１１においては、半導体装置１は実施形態１の半導体装置で説明したように、半導体チップ３及び放熱部材４にも温度制御用のヒータ５ｂ，５ｃが配置してある。これらの機能、作用については、すでに実施形態１の半導体装置で説明したので省略する。
【００４２】
本発明の半導体装置においては、ヒータ発熱量の時間的なプログラム制御だけでなく、より直接的な制御として、それぞれの部材にサーミスタ６ａ，６ｃ，６ｄなどの温度測定装置を配置して直接各部材の温度を測定して、各部材を所定の温度になるようにヒータ発熱量を制御してもよい。また、温度測定装置による温度測定は、上述のヒータの時間的なプログラム制御に利用することもできる。
【００４３】
図３には、プリント基板１０上に半導体装置１の他に電子部品１２と電気部品１３とを搭載したプリント配線板１１の部分断面図を示している。半導体装置１、電子部品１２及び電気部品１３は、プリント配線板１１にボール電極９ａ，９ｂ，９ｃにより接合されている。電子部品１２と電気部品１３との区別は厳密ではなく、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、スイッチ、リレーなどプリント配線板１１に搭載されている部品を総称して電子部品１２及び電気部品１３としている。
【００４４】
プリント基板１０にはヒータ５ｄ，５ｅ，５ｆが配置されている。半導体装置１、電子部品１２及び電気部品１３にもヒータ５ａ，５ｇ，５ｈが配置されている。図示していないが各ヒータ５ａ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈは、供給電力供給制御装置により発熱量が制御されている。供給電力制御には、電力供給時間制御、供給電力量制御、オンオフ制御、プログラム制御、温度制御など各種の制御方法が採用できる。また、プリント基板１０、半導体装置１、電子部品１２及び電気部品１３の各加熱対象部品には、温度測定装置が配置されていることが好ましい。温度測定装置により、加熱対象部品の温度を測定して、所望の温度になるように容易にヒータを制御することができる。
【００４５】
このようなプリント配線板１１においては、作動開始時をはじめとして、一部が作動停止している場合に、それぞれの半導体装置、電子部品、電気部品とプリント配線板１１との間に大きな温度差が生じることがある。このようなときにも、前記の各ヒータが作動して、半導体装置、電子部品及び電気部品とプリント配線板１１との間の温度差を緩和できる。温度差を緩和することにより、ボール電極９ａ，９ｂ，９ｃに作用する熱応力を緩和し、熱応力による損傷を防ぐことができる。特に、繰り返しの熱応力によるボール電極９ａ，９ｂ，９ｃの長期的な接合の信頼性低下を防ぐことができる。
【００４６】
（実施形態３）
本発明の半導体装置の温度制御方法を実施形態３として説明する。本発明における半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを備えており、前記半導体基板、半導体チップ及び放熱部材のうち少なくともひとつの温度を制御する温度制御方法である。特に、半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よる半導体装置の熱歪みを低減するように温度制御対象物を予熱制御することができる温度制御方法である。
【００４７】
半導体装置に備えた温度制御装置による温度制御方法のフローを図７に示した。図７に従って説明すると、半導体装置を含む電子装置全体の主電源をオンにして装置を立ち上げる（ステップＳ１）と、ヒータ制御装置がオンになり（ステップＳ２）、半導体装置に内蔵されたヒータが稼働して半導体装置の各部が設定温度に到達する（ステップＳ３）。この場合、すでに実施形態１で説明したように、半導体基板の半導体チップとの接合部付近の温度を制御することが好ましい。半導体装置が所定の温度になったら、半導体装置の電源をオンにして実際に半導体装置を作動させる（ステップＳ４）。半導体装置が作動すると、半導体チップが発熱して、半導体チップを中心に半導体装置が急速に昇温し定常状態に達する。この場合、半導体基板をはじめとして発熱部でない部分が、事前に所定の温度まで暖機されていたので、昇温時に半導体チップとの温度差が大きくならない。この為、例えば、半導体チップと半導体基板との間に熱膨張の差が生じにくい。言い換えれば、半導体装置の昇温課程において半導体チップと半導体基板とを接合しているバンプ電極などの電極部に熱応力が発生しないので、熱応力による電極の接合不良の発生が抑えられ、半導体装置の信頼性が向上する。
【００４８】
半導体装置を停止するときは、半導体装置を含む電子装置全体の電源を停止せねばならないかどうかを判断する（ステップＳ５）。例えば、半導体装置のみのメンテナンス時には、半導体装置の電源のみを停止してヒータ制御装置は作動状態にしておき、半導体装置は暖機状態としておく（ステップＳ６）。そして、半導体装置のメンテナンスが終了したら、半導体装置を電源オンにして作動させる（ステップＳ４）。このようにすれば、半導体装置は、電子装置全体の立ち上げ時と同じように、所定温度に保たれており、半導体装置を電源オンにして作動させても、昇温時に半導体基板をはじめとして発熱部でない部分と半導体チップとの温度差が大きくならない。そして、熱応力による電極の接合不良の発生が抑えられる。
【００４９】
（ステップＳ５）において、半導体装置を含む電子装置全体の電源を停止せねばならない場合には、電子装置全体の電源をオフにする（ステップＳ７）。そして、温度制御装置を含む電子装置全体を停止する。
【００５０】
温度制御の方法としては、ヒータによる加熱制御が好ましく適用できる。加熱制御には、ヒータへの供給電力のプログラム制御、被加熱対象部材の測定温度と昇温プログラムとの差からヒータへの供給電力を制御する昇温プログラム制御、所定時間ヒータへの電力を供給する加熱時間制御など既存の加熱制御方法が採用できる。
【００５１】
（実施形態４）
本発明のプリント回路板の温度制御方法を実施形態４として説明する。この実施形態は、上記の実施形態３で説明した半導体装置の温度制御方法と類似している。半導体装置の温度制御方法における半導体チップを、プリント回路板の温度制御方法では半導体装置、又は作動時に発熱をするその他の電子部品あるいは電気部品と置き換え、半導体装置の温度制御方法における半導体基板を、プリント回路板の温度制御方法ではプリント基板と見なして考えればよい。そして、実施形態４のプリント回路板の温度制御方法は、図２又は３に示した、プリント基板１０と半導体装置１等との接合部に当たるボール電極９，９ａ，９ｂ，９ｃの熱応力による接合の損傷を防ぐことができる。
【００５２】
具体的な温度制御方法としては、実施形態２で説明したプリント回路板などにおいて、プリント基板に配置されたヒータとその制御装置を用いて、実施形態３で説明した半導体基板の温度制御方法と同じように温度制御すればよい。
【００５３】
以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
温度制御装置を備えた半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを有することを特徴とする半導体装置
（付記２）
前記半導体チップ及び放熱部材のうち少なくともひとつは温度制御装置を備えていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記温度制御装置は、ヒータとヒータへの電力供給制御装置を備えていることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置。
（付記４）
前記温度制御装置は、温度測定装置を備えていることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
（付記５）
前記温度測定装置は、半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よる半導体装置の熱歪みを低減するように温度制御対象物を予熱制御することを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
（付記６）
前記温度測定装置は、温度制御対象物を所定時間予熱制御することを特徴とする付記５に記載の半導体装置。
（付記７）
前記温度測定装置は、温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱することを特徴とする付記５又は６に記載の半導体装置。
（付記８）
前記温度測定装置は、温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することを特徴とする付記５〜７のいずれかに記載の半導体装置。
（付記９）
温度制御装置を備えたプリント基板上に付記１〜８に記載の半導体装置を装着したことを特徴とするプリント回路板。
（付記１０）
プリント基板上に装着した電子部品、電気部品、プリント基板の補強部品、放熱部品、及びプリント基板の保護部品のうち少なくともひとつは温度制御装置を備えていることを特徴とする付記９に記載のプリント回路板。
（付記１１）
前記温度制御装置は、ヒータとヒータへの電力供給制御装置を備えていることを特徴とする付記９又は１０に記載のプリント回路板。
（付記１２）
前記温度制御装置は、温度測定装置を備えていることを特徴とする付記９〜１１のいずれかに記載のプリント回路板。
（付記１３）
前記温度測定装置は、半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よるプリント回路板の熱歪みを低減するように温度制御対象物を予熱制御することを特徴とする付記９〜１２のいずれかに記載のプリント回路板。
（付記１４）
前記温度測定装置は、温度制御対象物を所定時間予熱制御することを特徴とする付記１３に記載のプリント回路板。
（付記１５）
前記温度測定装置は、温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱することを特徴とする付記１３又は１４に記載のプリント回路板。
（付記１６）
前記温度測定装置は、温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することを特徴とする付記１３〜１５のいずれかに記載のプリント回路板。
（付記１７）
半導体基板と、半導体基板上に配置された半導体チップと、半導体チップの発生した熱を放熱する放熱部材とを備えた半導体装置における半導体基板の温度を制御することを特徴とする半導体装置の温度制御方法。
（付記１８）
前記半導体チップ及び放熱部材のうち少なくともひとつの温度を制御することを特徴とする付記１７に記載の半導体装置の温度制御方法。
（付記１９）
前記半導体装置の作動開始時の半導体チップの発熱よる半導体装置の熱歪みを低減するように温度制御対象物を予熱制御することを特徴とする付記１７又は１８に記載の半導体装置の温度制御方法。
（付記２０）
温度制御対象物を所定時間予熱制御することを特徴とする付記１９に記載の半導体装置の温度制御方法。
（付記２１）
温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱することを特徴とする付記１９又は２０に記載の半導体装置の温度制御方法。
（付記２２）
温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することを特徴とする付記１９〜２１のいずれかに記載の半導体装置の温度制御方法。
（付記２３）
温度制御対象物をヒータ加熱により温度制御することを特徴とする付記１７〜２２のいずれかに記載の半導体装置の温度制御方法。
（付記２４）
プリント基板上に付記１７〜２３のいずれかに記載の温度制御方法により温度制御されている半導体装置を装着したプリント回路板におけるプリント基板の温度を制御することを特徴とするプリント回路板の温度制御方法。
（付記２５）
プリント基板上に装着した電子部品、電気部品、プリント基板の補強部品、放熱部品、及びプリント基板の保護部品のうち少なくともひとつの温度を制御することを特徴とする付記２４に記載のプリント回路板の温度制御方法。
（付記２６）
前記プリント回路板の作動開始時の半導体チップの発熱よるプリント回路板の熱歪みを低減するように温度制御対象物を予熱制御することを特徴とする付記２４又は２５に記載のプリント回路板の温度制御方法。
（付記２７）
温度制御対象物を所定時間予熱制御することを特徴とする付記２４〜２６のいずれかに記載のプリント回路板の温度制御方法。
（付記２８）
温度制御対象物が所定温度以下のときに温度制御対象物を予熱することを特徴とする付記２６又は２７に記載のプリント回路板の温度制御方法。
（付記２９）
温度制御対象物が所定温度を超えるまで予熱することを特徴とする付記２６〜２８のいずれかに記載のプリント回路板の温度制御方法。
（付記３０）
温度制御対象物をヒータ加熱により温度制御することを特徴とする付記２４〜２９のいずれかに記載のプリント回路板の温度制御方法。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、本発明の半導体装置を装着したプリント回路板の断面図である。
【図３】図３は、本発明のプリント回路板の断面図である。
【図４】図４は、部材による加熱に対する伸びの変化の調整図である。
【図５】図５は、半導体基板とプリント基板の温度制御例（１）である。
【図６】図６は、半導体基板とプリント基板の温度制御例（２）である。
【図７】図７は、温度制御装置における温度制御のフロー図である。
【図８】図８は、半導体装置のヒートサイクル試験結果である。
【符号の説明】
【００５５】
１：半導体装置      ２：半導体基板          ３：半導体チップ      ４：放熱部材
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ：ヒータ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ：サーミスタ          ７ａ，７ｂ：温度制御装置
８：ボール電極          ９：ボール電極            １０：プリント基板
１１：プリント回路板  １１：電子部品              １２：電気部品
【図１】
2008244288.tif 000003
【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】
2008244288.tif 000008
【図７】
2008244288.tif 000009
【図８】
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