(57)【要約】【課題】サイズや高さの異なるチップに対しても、放熱効果を大きく，均一に取れるようにし、樹脂封入のときにも伝熱性の劣化を防止することにある。【解決手段】基板１上に複数の半導体チップ６，７を搭載し、そのチップのパッド８を形成した面とは反対側の樹脂面に金属材からなる中間曲板１１を介してヒートスプレッダ１３を載置し、樹脂１４を充填してパッケージを形成する。中間曲板１１は、チップ６，７とヒートスプレッダ１３間の高さを揃えるために、折り曲げ自在に形成するとともに、多点接触を可能にするために、その上下の表面に突起や凹凸部１２を設けている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部配線を形成した基板と、前記基板上に搭載した複数の半導体チップと、前記複数の半導体チップから発散する熱を外部に放散するためのヒートスプレッダと、前記複数の半導体チップの搭載面とは反対の面および前記ヒートスプレッダの下面間に隙間の高さに合わせて配置されると共に、上下に複数の突起を形成した中間曲板と、前記基板，前記複数の半導体チップ，前記中間曲板および前記ヒートスプレッダを封止する樹脂とを有することを特徴とする半導体集積回路。
【請求項２】
前記中間曲板は、薄い金属材からなり、前記中間曲板の前記複数の突起は、前記中間曲板を変形もしくは加工して凹凸部を形成したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記中間曲板は、上下に複数の突起を形成した円筒形状の金属リングを用いたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記前記中間曲板は、前記複数の半導体チップの位置に対応する前記ヒートスプレッダの部分を板ばねとして用い且つその下面に複数の突起を形成したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記前記中間曲板は、良熱伝導性接着剤を用いたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
基板の上側に複数の半導体チップを接合させ、その接合部分にアンダフィル樹脂を注入する工程と、前記半導体チップ上に、高さばらつきを無くすようにして、複数の突起を形成した中間曲板とヒートスプレッダを搭載し、前記基板と前記ヒートスプレッダの平行性を保つ工程と、前記半導体チップを搭載した前記基板と前記ヒートスプレッダとの平行性を保ったまま、前記基板と前記ヒートスプレッダの隙間に樹脂を注入する工程と、前記基板の主面に形成しているボールバンプにはんだボールを接合する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特にサイズや高さの異なる多数の半導体チップを搭載し且つその外側にヒートスプレッダ（放熱板）を備えたフリップチップ（ＦＣ）型ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）タイプの半導体パッケージおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のかかるＦＣ型ＢＧＡタイプの半導体パッケージ、すなわち基板に複数種類の半導体チップを搭載したＦＣ型ＢＧＡタイプの半導体パッケージは、そのチップのパッドを形成した面とは反対側の樹脂面に放熱板を載置する構造が一般的である。
【０００３】
しかし、その放熱板は、通常チップのサイズや高さを考慮せずに設けられることが多いため、チップの高さばらつきや基板とチップの接合の高さばらつきにより隙間を生じ、均一に放熱板とチップを接合することが困難である。また、無理に高さを揃えようとすると、チップの厚み揃えやチップ搭載高さ揃えのために、製造時間を要し、製造コストが高くなると云う問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、従来のパッケージにおいては、放熱のための各種の工夫が採用されており、以下に２〜３の具体的な従来例について、図面を参照して説明する。
【０００５】
図６は従来の一例を示す半導体パッケージの断面図である〔特許文献１参照〕。図６に示すように、従来のこのような半導体パッケージは、プリント基板２０上に、フリップチップボンディング部２３によって半導体素子２１を搭載し、その半導体素子２１の上部に板ばね２５を介して放熱板２６を配置している。半導体素子２１とプリント基板２１との電気的接続は、はんだボール２２によって行う。
【０００６】
この板バネ２５は直線形状であるため、半導体素子２１との接触が最低の場合１箇所しか接触しないことがあり、したがって放熱効果が小さいし、ばらつきが生じる。また、放熱板２６とプリント基板２０，半導体素子２１との間に、樹脂封入を行おうとした場合、板ばね２５と半導体素子２１との隙間に樹脂が入り込み、十分な接触が得られなくなる。
【０００７】
図７は従来の他の例を示す半導体パッケージの断面図である〔特許文献２参照〕。図７に示すように、従来のかかる半導体パッケージは、半導体チップ２１の裏面に金属細線群３１を配置し、銅板２８，セラミック板２９および銅板３０からなる中継基板を介し放熱板２６に固定する構造である。この金属細線群３１は中空の金属細線が複数本入り組んで形成されるものである。
【０００８】
この半導体パッケージに金属細線群３１を用いる方法においては、半導体チップ２１と放熱板２６との接触はうまくいくが、製造中に細線が放逸し、金属くずとなり、しかも他の箇所の電気的短絡不良を引き起こす可能性が高い。また、かかる半導体パッケージを樹脂で封入しようとした場合、各細線の中に樹脂を均一に注入することは困難である。
【０００９】
図８は従来のまた別の例を示す半導体パッケージの断面図である〔特許文献３参照〕。図８に示すように、従来のこの種の半導体パッケージ３５は、両側のリード３６にタブ３７を介して接続される回路基板３４と、その回路基板３４にバンプ３３を介して搭載される半導体素子３２と、パッケージ３５に被せるキャップ３８と、半導体素子３２をはんだ４１Ａ，４１Ｂおよび柔軟な形状に加工された伝熱性金属フォイル４０とを備えており、キャップ３８上に放熱用のヒートシンク３９を取付けて構成される。この伝熱性金属フォイル４０は、半導体素子３２の発生する熱を放熱し易くするために設けられ、高熱伝導性の薄い金属板を波型形状に加工し、その山部と谷部を半導体素子３２とキャップ３８にそれぞれはんだ４１Ａ，４１Ｂを介して接続する。このような構造により、半導体素子３２で発生した熱は、伝熱性金属フォイル４０を介してキャップ３８およびヒートシンク３９に伝達される。なお、この半導体パッケージ３５は、キャップ３８を省略し、ヒートシンク３９をキャップ代りに用いることも可能である。
【００１０】
かかる半導体パッケージにおいても、前述した図６の例と同様、伝熱性金属フォイル４０は板ばね形状であり、凹凸がないため、半導体素子（チップ）３２との接触が最低の場合１箇所しか接触しないことが考えられる。そのため、放熱効果が小さい上、ばらつきが生じる。なお、この例では、樹脂封入ではないが、樹脂封入を行おうとした場合、板ばねとチップの隙間に樹脂が入り込み、接触しなくなる恐れもある。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−６８３６０号公報（第４頁〜５頁、図１）
【特許文献２】
特開２０００−２２３６３１号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】
特開平７−１４２６４７号公報（第３頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体装置およびその製造方法は、例えば特許文献１のような技術においては、放熱効果が小さく、しかも不均一である上、樹脂封入を行う場合には、板ばねとチップの間に樹脂が入り込み、熱伝導のための接触を断つという欠点がある。
【００１３】
また、特許文献２のような技術においては、製造途中に、細線が金属くずとなって、ボンディング配線やその他の配線の電気的短絡を生じ、製品不良を起こすだけでなく、樹脂封入する際には、細線中に樹脂を均一に注入できないという欠点がある。
【００１４】
さらに、特許文献３のような技術においては、板ばねに凹凸がないために、チップの上面と板ばねとの接触が最低の場合には１箇所しか接触せず、放熱効果が小さく且つばらつきを生ずるという欠点がある。また、かかる場合に、樹脂封入を行うときには、板ばねとチップの隙間に樹脂が入り込み、両者の接触が取れなくなるという欠点もある。
【００１５】
本発明の目的は、上述した問題を解決することにあり、放熱効果を十分に大きく且つ均一に取れるようにするとともに、樹脂封入を行った場合でも伝熱性の劣化を防止することのできる半導体装置およびその製造方法を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、内部配線を形成した基板と、前記基板上に搭載した複数の半導体チップと、前記複数の半導体チップから発散する熱を外部に放散するためのヒートスプレッダと、前記複数の半導体チップの搭載面とは反対の面および前記ヒートスプレッダの下面間に隙間の高さに合わせて配置されると共に、上下に複数の突起を形成した中間曲板と、前記基板，前記複数の半導体チップ，前記中間曲板および前記ヒートスプレッダを封止する樹脂とを有して構成される。
【００１７】
この半導体装置における前記中間曲板は、薄い金属材からなり、前記中間曲板の前記複数の突起は、前記中間曲板を変形もしくは加工して凹凸部を形成することができる。
【００１８】
この半導体装置における前記中間曲板は、上下に複数の突起を形成した円筒形状の金属リングを用いて形成することができる。
【００１９】
この半導体装置における前記前記中間曲板は、前記複数の半導体チップの位置に対応する前記ヒートスプレッダの部分を板ばねとして用い且つその下面に複数の突起を形成することができる。
【００２０】
この半導体装置における前記前記中間曲板は、良熱伝導性接着剤を用いて形成することができる。
【００２１】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、基板の上側に複数の半導体チップを接合させ、その接合部分にアンダフィル樹脂を注入する工程と、前記半導体チップ上に、高さばらつきを無くすようにして、複数の突起を形成した中間曲板とヒートスプレッダを搭載し、前記基板と前記ヒートスプレッダの平行性を保つ工程と、前記半導体チップを搭載した前記基板と前記ヒートスプレッダとの平行性を保ったまま、前記基板と前記ヒートスプレッダの隙間に樹脂を注入する工程と、前記基板の主面に形成しているボールバンプにはんだボールを接合する工程とを含んで構成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示すパッケージの断面図である。図１に示すように、本実施の形態における半導体パッケージは、内部配線２を形成し且つその内部配線２に接続されるバンプランド３およびボールバンプ４を一方の面および他方の面に設けた絶縁性基板１と、この絶縁性基板１上に搭載するために、一主面に設けたパッド８と絶縁性基板１のバンプランド３間を金バプ９によりフリップ接合搭載されるとともに、その接続した部分をアンダーフィル樹脂１０により封止される第１のチップ６および第２のチップ７と、これら第１のチップ６，第２のチップ７から発散される熱を装置外部に放出するための金属材からなるヒートスプレッダ１３と、これら第１のチップ６，第２のチップ７の一主面とは反対の面とヒートスプレッダ１３の下面間に配置され、複数の凹凸部１２を形成した熱伝導性の高い（良導性）薄い銅などの金属材からなる中間曲板１１と、絶縁性基板１，第１のチップ６，第２のチップ７，中間曲板１１，ヒートスプレッダ１３を接合するための樹脂１４とを備えている。この半導体パッケージをプリント板などに実装する際は、基板１のボールバンプ４にはんだボール５を載せ、プリント板のパッド部と接続する。なお、金バンプ９は、はんだボールを用いても良い。
【００２４】
この半導体パッケージにおける中間曲板１１は、折り曲げ自在とするために銅などの金属材を薄くするとともに、その上下に多くの凹凸部１２を形成している。この凹凸部１２は、実際には中間曲板１１を変形させて形成したり、あるいは加工などを施して形成することができる。また、中間曲板１１の厚さは、概ね３０μｍから１００μｍ程度であり、凹凸部１２の高さは、概ね５０μｍ以下である。かかる凹凸部１２は、中間曲板１１が薄肉の板であり且つ緩やかな曲率を有するために、弱い圧力で変形させることができる。
【００２５】
また、複数のパッケージ６，７は、図示のように、サイズや高さが異なっていても良いし、同一サイズ，同一高さでも良い。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための工程順に示したパッケージの断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、内部配線２を形成した絶縁性基板１に内部配線２と接続するバンプランド３とボールバンプ４を基板１の両面に被着する。
【００２７】
ついで、図２（ｂ）に示すように、基板１の上側のバンプランド３に金バンプ９をつけたチップ６，７を熱，超音波振動および圧力を加えて接合させる。その後、接合部分に対して水分や塵埃などの進入から保護するために、チップ６，７と基板１の間にアンダフィル樹脂１０を注入し、接合部周辺を封止する。
【００２８】
ついで、図２（ｃ）に示すように、チップ６，７上に、高さばらつきを無くすようにして、中間曲板１１とヒートスプレッダ１３を搭載し、基板１とヒートスプレッダ１３との平行性を保つ。ここで、中間曲板１１は、前述したように、銅を材料とする薄板であり、厚みは概ね３０μｍから１００μｍ程度であるので、自在に変形させることができ、しかも凹凸部１２の高さは概ね５０μｍ以下であるので、弱い圧力で変形させることができる。
【００２９】
さらに、図２（ｄ）に示すように、チップ６，７を搭載した基板１と、ヒートスプレッダ１３との平行性を保ったまま、基板１とヒートスプレッダ１３の隙間に樹脂１４を注入する。この樹脂１４の接合力でチップ６，７と、基板１と、中間曲板１１と、ヒートスプレッダ１３とを接合する。最後に、基板１の主面に形成しているボールバンプ４に、はんだボール５を接合する。
【００３０】
上述した本実施の形態によれば、高さやサイズの異なる複数のチップ６，７とヒートスプレッダ１３との間に、多くの突起１２を形成するとともに、良導性金属からなる薄い中間曲板１１を介在させて搭載することにより、高さの異なる複数のチップ６，７の差を吸収することができるので、複数のチップ６，７双方からの放熱を損なうことなく、均一にヒートスプレッダ１３へ伝えることができ、しかも多数の突起１２をチップ６，７に接触させることができるので、樹脂１４の封入を行う場合にも、樹脂１４が隙間に入り込んで伝熱性を劣化させるということも防止することができる。
【００３１】
図３は本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示すパッケージの断面図である。図３に示すように、本実施の形態における半導体パッケージは、チップ６，７の上面（裏面）とヒートスプレッダ１３の間に、複数の突起１６を形成した薄肉の円筒状金属リング１５を搭載したものである。この金属リング１５は、銅などの良熱性金属を用い、チップ６，７とヒートスプレッダ１３の隙間に応じて変形する。なお、その他の部材については、前述した図１の第１の実施の形態と同一である。
【００３２】
図４は本発明の半導体装置の第３の実施の形態を示すパッケージの断面図である。図４に示すように、本実施の形態における半導体パッケージは、ヒートスプレッダ１３のチップ６，７の位置に該当する部分を切欠き、板ばね１７を形成したものである。しかも、その板ばね１７の下面には、複数の突起１６を設け、チップ裏面に押さえつけられている。これらチップ６，７とヒートスプレッダ１３との高さの違いについては、板バネ１７のスチフネスを変えることにより、差を吸収している。また、その他の部材については、前述した図３と同一である。
【００３３】
図５は本発明の半導体装置の第４の実施の形態を示すパッケージの断面図である。図５に示すように、本実施の形態における半導体パッケージは、前述した第２，第３の実施の形態における金属リングや板ばねに代えて、良導性接着剤１８を用いたものである。この良熱伝導性の接着剤１８は、例えば銀ペーストを塗布し、高さの違いについては、その厚さを変更することにより、ヒートスプレッダ１３を搭載したものである。また、その他の部材については、前述した図３と同一である。
【００３４】
さらに、これらの実施の形態における半導体装置の製造方法については、前述した図２の手順と同様に行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置およびその製造方法は、複数のチップとヒートスプレッダとの間に、突起を形成し且つ良導性金属からなる中間曲板を介在させて搭載することにより、高さの異なる複数のチップの差を吸収することができるので、複数のチップ双方からの放熱を損なうことなく、しかも均一にヒートスプレッダへ伝えることができるという効果がある。
【００３６】
また、本発明は、中間曲板に多くの突起を設けることにより、多数の突起をチップに接触させることができるので、樹脂封入を行う場合にも、樹脂が隙間に入り込んで伝熱性を劣化させるということも防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示すパッケージの断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法の一実施の形態を説明するための工程順に示したパッケージの断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示すパッケージの断面図である。
【図４】本発明の半導体装置の第３の実施の形態を示すパッケージの断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の第４の実施の形態を示すパッケージの断面図である。
【図６】従来の一例を示す半導体パッケージの断面図である。
【図７】従来の他の例を示す半導体パッケージの断面図である。
【図８】従来のまた別の例を示す半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１    基板
２    内部配線
３    バンプランド
４    ボールバンプ
５    はんだボール
６，７    半導体チップ
８    パッド
９    金バンプ
１０    アンダフィル樹脂
１１    中間曲板
１２    凹凸部
１３    ヒートスプレッダ（放熱板）
１４    樹脂
１５    金属リング
１６    突起
１７    板ばね
１８    良熱伝導性接着剤
【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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