(57)【要約】【課題】パッケージ基板への放熱部材の取り付けを容易にする。【解決手段】半導体チップ３６は、パッケージ基板３０に回路面を下に向けて押し付けられ回路面と反対側の上面から放熱を行う形態を有する。封止樹脂層３２は、半導体チップ３６の上面が露出するように該半導体チップ３６の周囲を封止する。固定部材３４は、その先端に形成されたフック４０が半導体チップ３６の上面よりも突出するように封止樹脂層３２に埋め込まれる。スプレッダ１０は、半導体チップ３６から発せられる熱を放熱する。スプレッダ１０のパッケージ基板３０に面する側に形成された導入溝１２に固定部材３４のフック４０を挿入し、スプレッダ１０をパッケージ基板３０に対して所定量回転させると、導入溝１２に沿ってフック４０が導かれることによって、スプレッダ１０が半導体チップ３６に押し付けられる。【選択図】図４
2007109794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが搭載されたパッケージ基板と、
前記パッケージ基板上に形成され前記半導体チップの周囲を封止する封止樹脂層と、
前記封止樹脂層に一端が埋め込まれ、前記パッケージ基板の前記半導体チップが搭載された側に該半導体チップを挟圧するように別の部品を固定するための固定部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記封止樹脂層の内部に埋め込まれ、前記半導体チップの周囲を取り囲むとともに該半導体チップの厚みより薄い形状の補強板をさらに備え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】
前記固定部材は前記補強板に接合されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップは、前記パッケージ基板に回路面を下に向けて押し付けられ回路面と反対側の上面から放熱を行う形態を有しており、
前記封止樹脂層は、前記半導体チップの上面が露出するように該半導体チップの周囲を封止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記固定部材は、その先端に形成されたフックが前記半導体チップの上面よりも突出するように前記封止樹脂層に埋め込まれ、
前記別の部品のパッケージ基板に面する側に形成された導入溝に前記固定部材のフックを挿入し、前記別の部品を前記パッケージ基板に対して所定量回転させると導入溝に沿って前記フックが導かれることによって前記別の部品を前記半導体チップに押圧させる回転ロック構造を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記固定部材は、前記別の部品に形成された孔を貫通して該別の部品を前記パッケージ基板に固定するための結合部品を受け入れるように形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記別の部品は、前記半導体チップから発せられる熱を放熱するための放熱部材であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体チップが搭載されたパッケージ基板と、
前記パッケージ基板が搭載された実装基板と、
前記実装基板上に配置され、前記パッケージ基板の前記半導体チップが搭載された側に該半導体チップを挟圧するように別の部品を固定するための固定部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記実装基板上に固定された補強板をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記固定部材は前記補強板に接合されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体チップは、前記パッケージ基板に回路面を下に向けて押し付けられ回路面と反対側の上面から放熱を行う形態を有することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記固定部材は、その先端に形成されたフックが前記半導体チップの上面よりも突出するように前記実装基板上に立設され、
前記別の部品の実装基板に面する側に形成された導入溝に前記固定部材のフックを挿入し、前記別の部品を前記実装基板に対して所定量回転させると導入溝に沿って前記フックが導かれることによって前記別の部品を前記半導体チップに押圧させる回転ロック構造を有することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記固定部材は、前記別の部品に形成された孔を貫通して該別の部品を前記実装基板に固定するための結合部品を受け入れるように形成されることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記別の部品は、前記半導体チップから発せられる熱を放熱するための放熱部材であることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１５】
半導体チップが搭載されたパッケージ基板上に、前記半導体チップの周囲を封止する封止樹脂層を形成し、
前記封止樹脂層に固定部材を埋め込み、
前記パッケージ基板の前記半導体チップが搭載された側において前記固定部材を用いて別の部品を固定して、パッケージ基板と固定部材とで半導体チップを挟圧することを特徴とする半導体装置の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパッケージ基板に放熱部材等を取り付ける技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ(Digital Signal Processor)を始めとする各種の半導体チップは、トランジスタなどの能動素子やコンデンサなどの受動素子を含めた様々な電子部品によって構成される。これらの電子部品を駆動する電気エネルギーの一部は熱エネルギーに変換されて放熱される。電子部品の性能は、通常、温度依存性を有するため、この放散された熱は、電子部品、ひいては半導体チップの性能に影響を及ぼす。したがって、半導体チップの冷却は、半導体チップを正常に制御する上で重要な技術である。
【０００３】
半導体チップを冷却するための技術として、特許文献１に示すように、ヒートシンクなどの放熱部材を設けることが行われている。半導体チップから発生した熱は放熱部材に伝達され、放熱部材の伝熱面から放熱される。半導体チップから周囲の冷たい流体や気体に熱を効率良く移すため、通常、放熱部材は、伝熱面が大きくなるよう設計される。
【特許文献１】特開平８−４６１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
放熱部材により安定した冷却を得るには、放熱部材を半導体チップに対して加圧して両者間の熱抵抗を均一にする必要がある。そのため、従来はパッケージ基板の裏側に基板のたわみを防止するためのバックプレートを組み付けている。これは、部品点数を増やすとともに、取り付けの手間もかかることになる。また、放熱部材の伝熱面の面積を大きくすると、パッケージ基板への取り付けが困難になる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体チップを搭載したパッケージ基板に放熱部材などの部材を取り付ける技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、半導体装置である。この装置は、半導体チップが搭載されたパッケージ基板と、パッケージ基板上に形成され半導体チップの周囲を封止する封止樹脂層と、封止樹脂層に一端が埋め込まれ、パッケージ基板の半導体チップが搭載された側に該半導体チップを挟圧するように別の部品を固定するための固定部材と、を備える。
【０００７】
この態様によると、固定部材をパッケージ基板上に予め設けておくことによって、パッケージ基板に適切な部品を組み合わせることができる。
【０００８】
封止樹脂層の内部に埋め込まれ、半導体チップの周囲を取り囲むとともに該半導体チップの厚みより薄い形状の補強板をさらに備え、固定部材は補強板に接合されてもよい。これによると、重量のある部品や基板より大きな部品をパッケージ基板に取り付けたときに、パッケージ基板のたわみを緩和することができる。
【０００９】
半導体チップは、パッケージ基板に回路面を下に向けて押し付けられ回路面と反対側の上面から放熱を行う形態を有しており、封止樹脂層は、半導体チップの上面が露出するように該半導体チップの周囲を封止してもよい。
これによると、フリップチップ実装された半導体チップと放熱部材を組み合わせることによって、半導体チップの上面から直接、発熱を奪うことができるので、放熱効率が高くなる。
【００１０】
固定部材は、その先端に形成されたフックが半導体チップの上面よりも突出するように封止樹脂層に埋め込まれ、別の部品のパッケージ基板に面する側に形成された導入溝に固定部材のフックを挿入し、別の部品をパッケージ基板に対して所定量回転させると導入溝に沿ってフックが導かれることによって別の部品を半導体チップに押圧させる回転ロック構造を有してもよい。この回転ロック構造を採用することによって、確実かつ簡便に別の部品をパッケージ基板に組み付けることができる。
【００１１】
固定部材は、別の部品に形成された孔を貫通して該別の部品をパッケージ基板に固定するための結合部品を受け入れるように形成されてもよい。別の部品は、半導体チップから発せられる熱を放熱するための放熱部材であってもよい。
【００１２】
本発明の別の態様もまた、半導体装置である。この装置は、半導体チップが搭載されたパッケージ基板と、パッケージ基板が搭載された実装基板と、実装基板上に形成される樹脂層と、樹脂層に埋め込まれ、パッケージ基板の半導体チップが搭載された側に該半導体チップを挟圧するように別の部品を固定するための固定部材と、を備える。
【００１３】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パッケージ基板と他の部品との取り付けを容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係るパッケージ基板３０の概略構成を示す平面図である。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。パッケージ基板３０は、基板３８と、基板３８にフリップチップ実装された半導体チップ３６と、半導体チップ３６の周囲を封止する封止樹脂層３２とを備える。
【００１６】
基板３８は、層間絶縁膜と配線層とが交互に積層された多層配線構造を有する。基板３８の裏面に設けられた各ボールランド部（図示せず）には、それぞれＢＧＡボール４８が接合されている。このパッケージ基板３０は、半導体チップ３６を実装基板に実装するための中間板の役割を果たす。半導体チップ３６が実装される側に当たる基板３８の表面には、電極パッド（図示せず）がアレイ状に複数配設され、各電極パッドの上に錫、鉛またはこれらの合金からなるＣ４（Controlled Collapse Chip Connection）バンプ４６が設けられている。
【００１７】
基板３８の表面には、ＶＬＳＩ等の半導体チップ３６の外部電極端子が設けられた回路面を下に向けたフェイスダウン状態で、フリップチップ実装されている。より具体的には、半導体チップ３６の外部電極となるはんだバンプ（図示せず）と、基板３８のＣ４バンプ４６とがはんだ付けされている。フリップチップ実装方式は、ワイヤ・ボンディング方式に比べて配線の長さが短いため電気特性に優れ、高速化や高密度化に対応できる。また、構造上、半導体チップの回路面と反対側の上面から熱を逃がすことが可能なため、放熱性に優れている。
【００１８】
半導体チップ３６と基板３８との間の隙間は、アンダーフィルにより充填されている。これにより、はんだ接合部分から生じるストレスがアンダーフィルにより分散されるため、パッケージ基板３０の耐温度変化特性が改善されるとともに、パッケージ基板３０の反りが抑制される。
【００１９】
半導体チップ３６の周囲には、半導体チップ３６を封止する封止樹脂層３２が形成されている。本実施形態では、半導体チップ３６の上面、すなわち回路面と反対側の面が露出するように封止樹脂層３２を形成する。後述するように、半導体チップと放熱部材の接触による熱抵抗を少なくするために、半導体チップ３６が封止樹脂層３２の上面に対して若干量突出していることが好ましい。このように、半導体チップ３６を樹脂によりモールドすることによって、半導体チップ３６の発熱を伝達する他、基板３８の剛性を高める効果も期待できる。
【００２０】
パッケージ基板３０の四隅には、固定部材３４が設けられる。この固定部材３４は、半導体チップ３６の上面よりも突出して位置するフック４０と、封止樹脂層３２に埋め込まれる埋め込み部４４と、両者を接続する支柱４２とから構成される。固定部材３４は、図２を参照して後述するスプレッダのような部材を、パッケージ基板３０の半導体チップ３６が搭載された側に固定して、半導体チップ３６を挟圧するための部材である。
【００２１】
パッケージ基板３０は、以下の手順で製造される。まず、多層配線構造を有する基板３８を作成し、この基板３８の上に半導体チップ３６を実装する。続いて、半導体チップ３６と固定部材３４を封止樹脂で封止する。最後に、ＢＧＡボール４８等を基板の裏面に実装する。
【００２２】
次に、封止樹脂層の形成方法を簡単に説明する。型合わせされたときに封止樹脂層が形成される部分であるキャビティを有する上型と下型を用意する。上型は、溶融した封止樹脂の流通路となるランナーを備えるとともに、固定部材を保持できる構造を有する。ランナーは、キャビティへの開口部を有する。上型のパーティション面は、半導体チップの上面と接するようになっている。一方、下型は、プランジャーが往復運動可能に形成されたポットを有する。
【００２３】
このような上型と下型を準備したうえで、半導体チップが実装された基板を下型に載置する。次に、封止樹脂を固形化した樹脂タブレットをポットの中に投入する。上型と下型とを型合わせし、その状態でクランプする。樹脂タブレットを加熱して溶融させた状態で、プランジャーをポットに押し込むことにより、液体状の封止樹脂をキャビティ内に導入する。キャビティを封止樹脂で充填した後、封止樹脂を冷却して固化させる。上型と下型とを引き離し、封止樹脂層が形成された基板を取り出す。
【００２４】
以上説明した封止樹脂形成方法によれば、半導体チップ３６の周囲に半導体チップを封止する封止樹脂層３２が形成され、半導体チップ３６の裏面が露出した状態になる。また封止樹脂層３２に固定部材３４が埋め込まれる。
【００２５】
図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係るスプレッダ１０の概略構成を示す平面図であり、図２（ｂ）はスプレッダ１０の正面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’線上の断面図である。スプレッダ１０の底面の四隅には、図１で示した固定部材３４と対応する位置に、導入溝１２が形成されている。これら４つの導入溝１２は、スプレッダ１０の中央を中心とした円周上に配置される。導入溝１２は、固定部材３４のフック４０をその内部に導くためのものである。図２（ｃ）に示すように、導入溝１２は、フック４０が挿入される挿入部１８と、フック４０が嵌合するように形成された嵌合部１４と、両者を結ぶ傾斜部１６とから構成される。傾斜部１６は、滑らかな斜面を有し、その向きが円周に沿うように形成される。
【００２６】
スプレッダ１０は、高熱伝導率の材料、例えば、銅、銀、カーボンファイバ、グラファイト、ダイヤモンド、ＣＮＴコンポジットなどで作成されることが望ましい。このスプレッダ１０は、導入溝１２が形成された側の面を半導体チップ３６に向けて固定され、半導体チップ３６から発生する熱を放熱する。
【００２７】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、パッケージ基板３０にスプレッダ１０を取り付ける方法を示す。まず、図３（ａ）に示すように、固定部材３４のフック４０を、スプレッダ１０の挿入部１８に挿入する。挿入部１８は、フック４０の断面積よりも若干広く形成されているので、４カ所の固定部材３４を挿入部１８に合わせることは比較的容易である。挿入部１８は、嵌合部１４と同一の円周上に配置されており、さらに、挿入部１８は嵌合部１４から同じ方向に回転した位置に設けられているので、図３（ａ）の状態では、スプレッダ１０がパッケージ基板３０に対して傾いたかたちになる。
【００２８】
続いて、スプレッダ１０をパッケージ基板３０に対して所定量、すなわちスプレッダ１０の一辺とパッケージ基板３０の一辺とが略平行になる位置まで、回転させる。この動作により、固定部材３４のフック４０が、導入溝１２の傾斜部１６を滑ることにより導入溝１２内を移動し、最終的に嵌合部１４に嵌め合わされる。図３（ｂ）は、フック４０と嵌合部１４とが嵌合した状態を示す。嵌合部１４には、その入り口に若干量の突起を設けて、フック４０を収納した後でフック４０をロックすることが好ましい。これにより、スプレッダ１０の緩みを防止することができる。
【００２９】
図４は、スプレッダ１０をパッケージ基板３０に取り付けた状態である図３（ｂ）のＣ−Ｃ’線上の断面図である。図４の状態で、半導体チップ３６から発生した熱は、半導体チップの上面からスプレッダ１０に伝達され、スプレッダ１０の上面から放熱される。放熱量が大きいときには、電動ファン等によりスプレッダ１０に送風するようにしてもよい。
【００３０】
図示するように、スプレッダ１０の断面における嵌合部１４の位置は、フック４０と嵌合部１４とが嵌合したときに、スプレッダ１０の下面によって半導体チップ３６に適切な圧力を与えられるような深さに形成しておく。これによって、スプレッダとパッケージ基板との相対回転という単純な動作によって、半導体チップに対する適切な加圧が可能となる。また、熱抵抗が均一になることで、放熱効果を高めることができる。
【００３１】
スプレッダを接着シートなどを使用して半導体チップに押し付けると、想定以上の荷重が半導体チップにかかったり、または偏った荷重が半導体チップにかかるおそれがある。こうすると、はんだによる接合部や、半導体チップの信頼性に影響を与えるおそれがある。本実施形態では、導入溝および固定部材を適切な形状に加工しておくことにより、そのような荷重の発生を避けることができる。
【００３２】
なお、半導体チップ３６の上面とスプレッダ１０の底面の間には、ＴＩＭ（Thermal Interface Material：熱インタフェース材料）５２を挟んでおくことが好ましい。これによって、半導体チップ３６からスプレッダ１０への熱移動が均等に生じるため、半導体チップ３６の裏面の温度が局所的に高くなることが抑制され、ひいては半導体チップ３６の動作安定性が向上する。
【００３３】
一般に、スプレッダ１０の表面積は半導体チップの表面積に比べて広いほど好ましいので、図３に示すように、パッケージ基板３０よりもスプレッダ１０の面積の方が大きいことも多い。このようなケースでは、スプレッダをパッケージ基板に取り付けるときに、パッケージ基板の表面を視認することができないので、取り付けが困難である。本実施形態では、固定部材３４のフック４０より大きい挿入部１８に合わせるだけで位置決めができ、その後はスプレッダ１０をパッケージ基板３０に対して回転させるだけであるから、パッケージ基板へのスプレッダの取り付けが非常に簡便になる。また、パッケージ基板３０に対してスプレッダ１０を取り付け時とは逆の方向に回せば、スプレッダを簡単にパッケージ基板から取り外すことができるので、スプレッダまたはパッケージ基板のいずれかが不良品であったときの交換も容易である。
【００３４】
図５（ａ）は、封止樹脂層３２の内部に補強板７６が埋め込まれたパッケージ基板７０とスプレッダ１０を結合した状態での断面図である。図５（ｂ）は、スプレッダ１０を取り除いた状態でのパッケージ基板７０の平面図である。補強板７６は、封止樹脂層３２の内部に埋め込まれ、半導体チップ３６の厚みより薄く、半導体チップ３６の周囲を取り囲む形状をしている。補強板７６は、できるだけ外周よりまで基板３８を覆っていることが望ましい。これによれば、補強板７６によって基板３８の強度が向上するため、固定部材７４によってスプレッダ１０をパッケージ基板７０に取り付けたときの基板３８の反りを抑制することができる。また、固定部材７４を補強板７６に接合してもよい。これによって、固定部材７４によってスプレッダ１０をパッケージ基板７０に取り付けたときに、封止樹脂層３２に過大な力が発生して封止樹脂層３２が破壊されることを防止できる。補強板７６には、パッケージ基板の熱膨張によるたわみを緩和したり、半導体チップから発生した熱を拡散させる効果もある。
【００３５】
図６（ａ）は、本発明の別の実施形態に係るスプレッダ５４とパッケージ基板６０とを結合した状態を示し、図６（ｂ）のＤ−Ｄ’線上の断面図に相当する。図６（ｂ）は、スプレッダ１０を取り除いた状態でのパッケージ基板６０の平面図である。図３および図４で説明した回転ロック式の構造以外にも、押し込み式のピンやネジでスプレッダを固定してもよい。この場合、図６（ａ）に示すように、スプレッダ５４には貫通孔６４を複数箇所に設けておく。パッケージ基板６０には、スプレッダ５４の貫通孔６４に対応する位置に、結合部品を受け入れるための固定部材６６を封止樹脂層３２の内部に設けておく。そして、結合部品６２を貫通孔６４を通してパッケージ基板６０上の固定部材６６と固定せしめることによって、スプレッダ５４をパッケージ基板６０と結合する。結合部品６２がピンである場合には、固定部材６６は有底穴であり、この場合、ピンを有底穴の奥まで押し込んだときに、スプレッダ５４の半導体チップ３６への押圧が適正量になるように形成しておくことが好ましい。結合部品６２がネジである場合には、固定部材６６はナットになる。この場合、ナットとネジを最後まで絞めたときに、スプレッダ５４の半導体チップ３６への押圧が適正量になるように形成しておくことが好ましい。また、図４と同様に、封止樹脂層３２の内部に設けた補強板７６に固定部材６６を接合しておいてもよい。
【００３６】
別の実施形態として、パッケージ基板の側に押し込み式のピンを立設しておいてもよい。この場合、スプレッダには、パッケージ基板に設けられたピンに対応する位置に、押し込みピンを受け入れるための有底穴を形成しておく。押し込みピンと有底穴とを位置合わせした後、スプレッダとパッケージ基板とを押し合わせることによって、押し込みピンを有底穴に押し込んで両者を固定する。または、パッケージ基板の側にネジを立設しておいてもよい。この場合、スプレッダには、パッケージ基板に設けられたネジに対応する位置に貫通孔を形成しておく。ネジを貫通孔に挿入した後、ナットをネジで締め付けることによって、スプレッダとパッケージ基板とを固定する。図４と同様に、封止樹脂層の内部に設けた補強板に押し込みピンまたはネジを接合しておいてもよい。
【００３７】
半導体チップ３６の放熱部材としてスプレッダでなくヒートシンクを用いることもできる。図７は、その例を示す。図７には、パッケージ基板３０に複数のフィン１２２が形成されたヒートシンク１２０を取り付けた状態の断面図が示されている。ヒートシンク１２０の下面には、上述した導入溝１２が設けられており、パッケージ基板３０に設けられた固定部材３４のフック４０と嵌合可能にされている。半導体チップ３６の発熱は、上面からヒートシンク１２０に伝達される。ヒートシンクは、外気に対して広い伝熱面を有する。図示しない電動ファンからヒートシンクに対して送風することにより、ヒートシンクの伝熱面近傍にある温められた空気を効率的に排除できる。
【００３８】
ヒートシンク１２０のサイズが半導体チップ３６に比して大きい場合には、熱を効果的にヒートシンクに伝達するために、半導体チップ３６とヒートシンクとの間に銅などで作成されたスプレッダをさらに挟んでもよい。この場合、固定部材３４の支柱４２の長さは、スプレッダの厚みを考慮した長さに設定される。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、回転ロック式の構造を採用することによって、確実かつ簡便に放熱部材をパッケージ基板に組み付けることができ、したがって、組立時間を短縮することができる。また、固定部材および導入溝の加工精度を高くしておけば、高い取り付け精度を実現できるので、作業者の習熟を必要とせず、また基板への実装信頼性を損なうことなく自動化も可能である。これらによって、半導体装置の製造コストを低減することができる。
【００４０】
パッケージにフリップチップ実装された半導体チップの上面、すなわち回路面と反対側の面に、スプレッダ等の放熱部材を接触させることで、放熱効率が向上する。また、高い取り付け精度によって、半導体チップと放熱部材との密着性が高まるので、両者間の熱抵抗が低減し、放熱効率が向上する。
【００４１】
また、パッケージ基板に設けられた固定部材によって様々な放熱部材を組み付け可能なモジュール式の構造としたので、半導体チップの発熱量に合わせて、既存のスプレッダ、ヒートシンク、冷却ヘッドなどの好ましい放熱部材と適宜組み合わせることが可能になる。したがって、チップベンダー側では、スプレッダ等の放熱部材をパッケージ基板に組み付けて納入する必要がないので、製造コストを低減することができる。また、アセンブリメーカ側では、半導体チップの発熱量に応じて好ましい放熱部材を組み合わせることができるので、組立の自由度が向上する。
【００４２】
さらに、チップベンダー側でパッケージ基板と放熱部材とを取り付けた状態で性能テストを実施した後、それらを別々にアセンブリメーカに納入する場合でも、両者の分離が容易なので作業時間が短縮される。また、放熱部材とパッケージ基板とを別々にしてアセンブリメーカに納入できるので、ひとつ当たりの容積および重量が小さくなり輸送コストを低減することができる。アセンブリメーカ側では、放熱部材をパッケージ基板から容易に取り外すことができるので、両者を取り付けた後にいずれかの部品に不良が検出された場合でも、それらをまとめて破棄する必要がなく、不良がない方の部品を有効に活用することができる。
【００４３】
半導体装置の小型化、高速化および高密度化は、消費電力の増加を招き、単位体積当たりの発熱量も増加する傾向にある。このため、半導体装置の動作安定性を確保するために、半導体装置の放熱性をますます向上させる必要があるため、スプレッダやヒートシンクなどの放熱部材のサイズが大きくなる。重量のある放熱部材を基板に取り付けることは適切でないが、上述の実施形態で述べたように、封止樹脂層の内部に補強板を設けておくことで、放熱部材を取り付けることによる基板のたわみを緩和することができる。また、補強板を設けておけば、基板の裏側にバックプレートを貼り付ける必要がない。
【００４４】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲内に含まれうる。
【００４５】
実施の形態においては、半導体チップから発生する熱はスプレッダまたはヒートシンクによる空冷方式によって除去されることを述べたが、スプレッダを冷却水にさらすよう構成してもよい。または、スプレッダの内部に強制冷却要素が形成されていてもよい。強制冷却要素を用いれば、スプレッダを小型化することができる。以下、そのような例をいくつか述べる。
【００４６】
図８（ａ）は、複数のマイクロチャネル８２が内部に形成されたスプレッダ８０の構造を示す平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＥ−Ｅ’線上の断面構造を示す断面図である。このスプレッダ８０では、図示しない噴流冷却装置から噴射された液体または気体の冷媒を冷媒供給路８４を通してマイクロチャネル８２に流す。この冷媒により半導体チップから発生した熱を強制的に外部に輸送する。もう一方の冷媒供給路８６を通して、冷媒が回収される。冷媒が液体である場合、半導体チップから発生する熱により温められた冷媒の回収は、既知の方法であるキャピラリー力を用いてもよいし、ポンプなどの動力を用いてもよい。回収された冷媒は外気によって冷却され、再び噴流冷却装置に供給される。冷媒が空気である場合には、噴射後に廃棄されてもよい。噴流冷却装置に冷媒を供給するシステムや、使用した冷媒を回収するシステムについては、従来の空冷方式や液冷方式において使用されてきた技術をそのまま用いることができる。
【００４７】
図９（ａ）は、熱拡散用の密閉空間９２が内部に形成されたスプレッダ９０の構造を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＦ−Ｆ’線上の断面構造を示す断面図である。このスプレッダ９０は、授熱部を下面、放熱部を上面とし、密閉空間９２中に熱媒体を封入したものである。スプレッダ９０の下面を半導体チップの上面に接するようにパッケージ基板に取り付ける。半導体チップで発生した熱により、下面の授熱部で熱媒体が気化し、その気相の膨張により液相９４と気相９６が熱とともに上面の放熱部へ移動する。放熱部で冷却されると、気相が収縮し冷却された液相が授熱部へ戻る。この作用により熱を輸送して半導体チップを冷却する。
【００４８】
図１０は、ペルチェ素子が組み込まれたスプレッダ１００の構造を示す。図８で説明したマイクロチャネル１０２の下側に、ペルチェ素子１０４を組み込んでおく。そして、スプレッダ１００をペルチェ素子側が半導体チップの上面に接するようにパッケージ基板に取り付ける。なお、ペルチェ素子は、Ｎ型とＰ型の半導体に直流電流を流すと、片方が冷え、片方が暖まるという熱交換を行う素子である。ペルチェ素子１０４の下側１０８により半導体チップから熱を奪い、上側１０６で発せられる熱を、マイクロチャネル１０２による強制冷却で外部に輸送する。
【００４９】
本発明は、半導体チップの上面から熱を逃がすフリップチップ方式のパッケージ基板と合わせて使用することで、最もその効果を発揮することができる。しかしながら、本発明は他の方式で半導体チップとパッケージ基板とを電気的に接続する場合にも適用することができる。例えば、半導体チップの回路面を上にして、金の細線を使って端子と配線するワイヤボンディング方式にも適用することができる。この場合、ワイヤボンディングの部分を樹脂で埋めるなどして、チップから排出される熱を効率良く伝導できるようにしておく。さらに、その上面を平坦にならしておき、その面に、上述の実施形態で述べた方法によって放熱部材を取り付ければよい。この場合、フリップチップパッケージの場合に比べると冷却効率は低下するものの、取り付けの容易性といった他の効果については上述の実施形態と同様である。
【００５０】
また、実施の形態では、固定部材をパッケージ基板上に設け、パッケージ基板と放熱部材とで半導体チップを挟圧する方法について述べたが、固定部材は実装基板上に設けられていてもよい。この場合、実装基板と放熱部材とで半導体チップを挟圧する。
【００５１】
図１１は、その一例を示す。半導体チップ３６は、図１と同様に、基板１３８に回路面を下に向けて押し付けられ回路面と反対側の上面から放熱を行うフリップチップ方式で実装されている。パッケージ基板１３０は、ＢＧＡボール４８によって実装基板１６０に接着される。実装基板１６０上には、樹脂層１６２が形成される。固定部材１３２は、フック１４０と、樹脂層１６２に埋め込まれる埋め込み部１４４と、両者を接続する支柱１４２とから構成される。支柱１４２は、フック１４０が半導体チップ３６の上面よりも突出した位置に来るような長さを持つ。
【００５２】
実装基板１６０にパッケージ基板１３０を搭載した後、固定部材１３２により、パッケージ基板１３０の半導体チップ３６が搭載された側に半導体チップ３６を挟圧するようにスプレッダ１５０等の放熱部材を固定する。すなわち、図３で説明したと同様に、スプレッダ１５０の実装基板１６０に面する側に形成された導入溝１５２に固定部材１３２のフック１４０を挿入して位置決めした後、スプレッダ１５０を実装基板１６０に対して所定量回転させる。導入溝１５２に沿ってフック１４０が導かれることによって、スプレッダ１５０を半導体チップ３６に押圧させる。これによれば、放熱部材の位置決めおよび固定が容易となり、基板組立の作業効率が改善される。図６で説明した、回転ロック構造以外の結合部品を使用して放熱部材を実装基板に固定してもよい。
【００５３】
半導体パッケージを実装基板に着脱する際、実装基板の裏側から熱を加えてはんだを溶かすことになるが、この作業を放熱部材が取り付けられたままの状態で行うと、与えた熱がパッケージ基板から封止樹脂を経由して放熱部材に移動してしまい、はんだが溶解するまでに長時間を要する。すると、与えた熱によって半導体チップが破壊されるおそれがある。これに対し、本実施例によれば、放熱部材を実装基板から簡単に取り外し、また取り付けることができるので、そのような心配がない。
【００５４】
なお、上述の実施形態と同様に、実装基板１６０上の樹脂層１６２の内部に補強板を埋め込み、固定部材１３２を補強板と接合してもよい。また、樹脂以外の材料を用いて固定部材１３２を実装基板１６０に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施形態に係るパッケージ基板の構造を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係るスプレッダの構造を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はパッケージ基板にスプレッダを取り付ける方法を示す図である。
【図４】スプレッダをパッケージ基板に取り付けた状態の断面図である。
【図５】（ａ）は封止樹脂層に補強板が埋め込まれたパッケージ基板とスプレッダとを結合した状態の断面図であり、（ｂ）はスプレッダを取り除いた状態のパッケージ基板の平面図である。
【図６】（ａ）は本発明の別の実施形態に係るスプレッダとパッケージ基板とを結合した状態の断面図であり、（ｂ）はスプレッダを取り除いた状態のパッケージ基板の平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るパッケージ基板にヒートシンクを取り付けたときの断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）はマイクロチャネルが内部に形成されたスプレッダの構造を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は熱拡散用の空間が内部に形成されたスプレッダの構造を示す図である。
【図１０】ペルチェ素子が内部に組み込まれたスプレッダの構造を示す図である。
【図１１】本発明の別の実施形態において、放熱部材と実装基板とで半導体チップを挟圧した状態の断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  スプレッダ、  １２  導入溝、  ３０  パッケージ基板、  ３２  封止樹脂層、  ３４  固定部材、  ３６  半導体チップ、  ３８  基板、  ４０  フック、  ５４  スプレッダ、  ６０  パッケージ基板、  ６２  結合部品、  ６４  貫通孔、  ６６  固定部材、  ７０  パッケージ基板、  ７４  固定部材、  ７６  補強板、  ８０、９０、１００  スプレッダ、  １２０  ヒートシンク、  １３０  パッケージ基板、  １３８  基板、  １４０  フック、  １５０  スプレッダ、  １５２  導入溝、  １６０  実装基板、  １６２  樹脂層。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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