(57)【要約】【課題】放熱板とパッケージ基板との熱膨張差に起因する半導体チップへの機械的ストレスの印加が抑制され、従来に比して信頼性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】放熱板３７はその中央部下面側が半導体チップ３２に接着し、縁部上面側が放熱板押え部３６ａに接触し、半導体チップ３２と放熱板押え部３６ａとに挟まれて保持されている。放熱板３７と放熱板押え部３６ａとは接合されていなく、放熱板３７と枠体３６との間には隙間が設けられている。これにより、半導体チップ３２で発生した熱により放熱板３７が熱膨張しても、枠体３６には放熱板３７の熱膨張による応力が印加されない。その結果、放熱板３７の熱膨張に起因する機械的ストレスがパッケージ基板３１を通じて半導体チップ３２の周辺接合部に印加されることを回避でき、半導体装置の信頼性が向上する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ基板と、
前記パッケージ基板上に搭載された半導体チップと、
前記半導体チップに接続されて前記半導体チップで発生した熱が伝達される放熱板と、
前記パッケージ基板上に固定されて前記半導体チップの周囲を壁状に囲む枠体と、
前記枠体に固定され、前記放熱板の縁部に接触して前記半導体チップとの間に前記放熱板を挟んで保持する放熱板押え部とを有し、
前記放熱板が前記放熱板押え部に接合されてなく、且つ前記放熱板と前記枠体との間に隙間が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記放熱板の前記半導体チップに接触する部分と前記放熱板押え部に接触する部分との間に段差が設けられ、前記放熱板の上面と前記枠体の上面とが同じ高さであ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】
前記枠体と前記放熱板押え部とが同一材料により一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージ基板上に半導体チップがその素子形成面を下側にして搭載された構造の半導体装置に関し、特に多量の熱が発生する半導体チップをパッケージ基板上にフリップチップ接続した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップをパッケージ基板上にフリップチップ接続したフリップチップ型半導体装置は、パッケージを小型化できるとともに多ピン化が容易であり、高密度実装が可能であるという利点を有している。
【０００３】
近年、電子機器の高性能化に伴って半導体チップの発熱量が増大している。半導体チップの温度が高くなると誤動作が発生するため、発熱量が大きい半導体装置には半導体チップで発生した熱を外部に速やかに放出する手段を設ける必要がある。フリップチップ型半導体装置では、半導体チップで発生した熱は半導体チップの裏面（素子形成面と反対側の面）側に張り付けられた放熱板からヒートシンクに伝達され、ヒートシンクから大気中に放出されるようになっている。
【０００４】
図１は、従来のフリップチップ型半導体装置の一例を示す断面図である。この図１に示すフリップチップ型半導体装置では、半導体チップ１２を密閉するパッケージが、パッケージ基板１１と、枠体１６と、放熱板１７とにより構成されている。半導体チップ１２はその素子形成面を下側にしてパッケージ基板１１の上に搭載されている。半導体チップ１２の素子形成面には複数の電極（図示せず）が形成されており、それらの電極とパッケージ基板１１の上面に形成された電極（図示せず）とはバンプ１３を介して電気的に接続されている。また、半導体チップ１２の素子形成面とパッケージ基板１１との間には、半導体チップ１２に形成された素子を保護するために封止樹脂１４が充填されている。
【０００５】
パッケージ基板１１の上面に形成された電極は、パッケージ基板１１内を挿通する接続部（図示せず）を介して基板１１の下面に形成された電極（図示せず）に電気的に接続されており、その下面側の電極の下にはボール１５が形成されている。図１に示す半導体装置は、これらのボール１５が実装基板の電極に接合されて実装基板上に実装される。
【０００６】
一方、パッケージ基板１１の上には、接着剤１８により、半導体チップ１２の周囲を壁状に囲む枠体１６が接合されている。また、枠体１６の上には、接着剤１９により、放熱板１７が接合されている。半導体チップ１２の裏面（図１では上側の面）側には熱伝導ペースト２０が塗布されており、放熱板１７はこの熱伝導ペースト２０により半導体チップ１２に張り付けられている。
【０００７】
放熱板１７の上にはヒートシンク（図示せず）が取り付けられる。半導体チップ１２で発生した熱は熱伝導ペースト２０を介して放熱板１７に速やかに伝達され、更に放熱板１７からヒートシンクに伝達されて、ヒートシンクから大気中に放出される。なお、半導体チップ１２で発生する熱が多い場合は、ヒートシンクに加えて冷却ファンが取り付けられる。この図１に示すように、枠体１６と放熱板１７とにより構成されるパッケージを二体型と呼ぶ。
【０００８】
図２は、従来のフリップチップ型半導体装置の他の例を示す断面図である。図２において、図１と同一物には同一符号を付している。
【０００９】
この図２に示すフリップチップ型半導体装置では、パッケージ基板１１の上に、接着剤２２によりリッド２１が接合されている。リッド２１は、半導体チップ１２の周囲を壁状に囲む枠体部２１ａと、枠体部２１ａの上を閉塞する放熱部２１ｂとが一体的に形成された構造を有している。一方、半導体チップ１２の裏面（図２では上側の面）側には熱伝導ペースト２０が塗布されており、半導体チップ１２はこの熱伝導ペースト２０を介してリッド２１の放熱部２１ｂに接続されている。
【００１０】
リッド２１の放熱部２１ｂの上にはヒートシンク（図示せず）が取り付けられる。半導体チップ１２で発生した熱は熱伝導ペースト２０を介してリッド２１の放熱部２１ｂに速やかに伝達され、更に放熱部２１ｂからヒートシンクに伝達されて、ヒートシンクから大気中に放出される。この図２に示すように、リッド２１により構成されるパッケージをリッド型と呼ぶ。
【００１１】
本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献１〜３に記載されたものがある。特許文献１には、ばねにより付勢されて半導体チップに接触する伝熱ピンを備えたヒートシンクが記載されている。特許文献１では、このヒートシンクにより、厚さが異なる複数の半導体チップを一括して冷却している。特許文献２の図４には、突起部により冷却ファンを係止する構造を有するヒートシンクが記載されている。特許文献３には、基板を押圧する押え金具を設けた半導体装置が記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１７４１８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１８８５６４号公報（図４）
【特許文献３】特開平７−２４９７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、本願発明者等は、上述した従来の半導体装置には以下に示す問題点があると考える。すなわち、図１に示す半導体装置では、放熱板１７が枠体１６に接合されているため、特にパッケージ基板１１としてガラスエポキシ（ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた複合材）等の有機基板を使用した場合に、半導体チップ１２とパッケージ基板１１との間の熱膨張係数の差による機械的ストレスに加えて、放熱板１７とパッケージ基板１１との間の熱膨張係数の差に起因する機械的ストレスがパッケージ基板１１を通じて半導体チップ１２の周辺接合部に作用し、半導体装置の信頼性が低下する原因となっている。
【００１３】
図２に示す半導体装置においても、これと同様にリッド２１の枠体部２１ａと放熱部２１ｂとが一体化されているため、放熱部２１ｂとパッケージ基板１１との間の熱膨張係数の差に起因する機械的ストレスがパッケージ基板１１を通じて半導体チップ１２の周辺接合部に作用し、信頼性を低下させている。
【００１４】
以上から、本発明の目的は、放熱板とパッケージ基板との熱膨張差に起因する半導体チップへの機械的ストレスの印加が抑制され、従来に比して信頼性が高い半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一観点によれば、パッケージ基板と、前記パッケージ基板上に搭載された半導体チップと、前記半導体チップに接続されて前記半導体チップで発生した熱が伝達される放熱板と、前記パッケージ基板上に固定されて前記半導体チップの周囲を壁状に囲む枠体と、前記枠体に固定され、前記放熱板の縁部に接触して前記半導体チップとの間に前記放熱板を挟んで保持する放熱板押え部とを有し、前記放熱板が前記放熱板押え部に接合されてなく、且つ前記放熱板と前記枠体との間に隙間が設けられていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１６】
本発明においては、放熱板を半導体チップと放熱板押え部との間に挟んで保持しており、放熱板と放熱板押え部とは接合されていない。また、放熱板と枠体との間には隙間が設けられており、半導体チップで発生する熱により放熱板が熱膨張しても、放熱板と枠体とが接触しないようになっている。これにより、放熱板の熱膨張に起因する機械的ストレスが枠体を介してパッケージ基板に伝達されることが回避され、半導体装置の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。本実施形態の半導体装置においては、半導体チップ３２を収納するパッケージが、パッケージ基板３１と、枠体３６と、放熱板３７とにより構成されている。
【００１９】
すなわち、半導体チップ３２は、その素子形成面を下側にしてパッケージ基板３１上に搭載されている。半導体チップ３２の素子形成面には複数の電極（図示せず）が形成されており、それらの電極はバンプ３３を介してパッケージ基板３１の上面に形成された電極（図示せず）と電気的に接続されている。半導体チップ３２の素子形成面とパッケージ基板３１との間には、半導体チップ３２に形成された素子を保護するための封止樹脂３４が充填されている。
【００２０】
パッケージ基板３１の上面に形成された電極は、パッケージ基板３１内を挿通する接続部（図示せず）を介して基板１１の下面に形成された電極（図示せず）と電気的に接続されている。また、パッケージ基板３１の下面側の電極の下にはボール３５が形成されている。本実施形態の半導体装置は、これらのボール３５が実装基板の電極に接合されて実装基板上に実装される。パッケージ基板３１には、例えばセラミック基板又はガラスエポキシ等により形成された有機基板が使用される。本実施形態では、パッケージ基板３１として有機基板が使用されているものとする。
【００２１】
一方、図３に示すように、パッケージ基板３１の上には、接着剤３８により、半導体チップ３２の周囲を壁状に囲む枠体３６が接合されている。この枠体３６の上部には内側に向けてほぼ水平に突出する放熱板押え部３６ａが設けられている。枠体３６及び放熱板押え部３６ａは、銅又はステンレス等の金属材料、樹脂等の有機材料、セラミック等の無機材料、又は金属と無機材料との複合材料により形成される。本実施形態では枠体３６と放熱板押え部３６ａとが同一の材料により一体的に形成されているものとしているが、枠体３６と放熱板押え部３６ａとが同一の材料又は異なる材料により個別に形成されていてもよい。
【００２２】
枠体３６及び放熱板押え部３６ａには熱伝導性は要求されない。しかし、本実施形態の半導体装置では、後述するように放熱板押え部３６ａと半導体チップ３２とにより放熱板３７を保持するので、枠体３６及び放熱板押え部３６ａの剛性が低いと、何らかの原因で応力が印加されたときに放熱板３７が放熱板押え部３６ａから外れてしまうおそれがある。そのため、枠体３６及び放熱板押え部３６ａにはある程度の剛性を有することが要求される。
【００２３】
放熱板３７は、半導体チップ３２の裏面（図３では上側の面）に塗布された熱伝導ペースト３９により、半導体チップ３２に張り付けられている。放熱板３７は、その縁部上面が放熱板押え部３６ａに接触し、中央部下面が半導体チップ３２に接着して、放熱板押え部３６ａと半導体チップ３２とに挟まれて保持されている。なお、放熱板３７と放熱板押え部３６ａとは接触しているものの、接合はされていない。また、本実施形態においては、図３に示すように、放熱板３７と枠体３６との間には隙間が設けられており、放熱板３７が熱膨張しても枠体３６に接触しないようになっている。
【００２４】
放熱板３７には熱伝導率が高いことが要求され、通常は銅又はアルミニウム等の金属材料により形成される。しかし、放熱板３７をアルミナ等の無機材料又は金属とセラミックとの複合材料により形成してもよい。
【００２５】
放熱板３７の上にはヒートシンク（図示せず）が取り付けられる。半導体チップ３２で発生した熱は熱伝導ペースト３９を介して放熱板３７に速やかに伝達され、更に放熱板３７からヒートシンクに伝達されて、ヒートシンクから大気中に放出される。半導体チップ３２で発生する熱が多い場合は、ヒートシンクに加えて冷却ファンが取り付けられる。
【００２６】
このように構成された本実施形態の半導体装置において、放熱板３７と放熱板押え部３６ａとは接触しているものの接合されてなく、且つ放熱板３７と枠体３６との間に隙間が設けられているので、半導体チップ３２で発生した熱により放熱板３７が熱膨張しても、枠体３６には放熱板３７の熱膨張による応力が印加されない。これにより、枠体３６からパッケージ基板３１を通じて半導体チップ３２の周辺接合部への機械的ストレスの印加が回避される。その結果、半導体装置の信頼性が向上するという効果を奏する。
【００２７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は放熱板の形状が異なることにあり、その他の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるので、図４において図３と同一物には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００２８】
図３に示す第１の実施形態では、放熱板３７の上面が枠体３６の上面よりも低い位置にあるので使用可能なヒートシンクが限定され、例えば底面が平坦な大型のヒートシンクを使用するためには放熱板３７とヒートシンクとの間に熱伝導板等を配置する必要があるという難点がある。
【００２９】
一方、本実施形態においては、図４に示すように、放熱板４１の中央部と縁部との間に段差を設けて、放熱板４１の上面と枠体３６の上面とが同じ高さになるようにしている。但し、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、放熱板４１と放熱板押え部３６ａとは接触しているものの接合はされてなく、且つ放熱板４１と枠体３６との間に隙間を設けて、放熱板４１が熱膨張しても枠体３６と接触しないようにしている。
【００３０】
これにより、本実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、ヒートシンクの制限が緩和され、底面が平坦な大型のヒートシンクの使用が可能になるという効果を得ることができる。
【００３１】
以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。
【００３２】
（付記１）パッケージ基板と、
前記パッケージ基板上に搭載された半導体チップと、
前記半導体チップに接続されて前記半導体チップで発生した熱が伝達される放熱板と、
前記パッケージ基板上に固定されて前記半導体チップの周囲を壁状に囲む枠体と、
前記枠体に固定され、前記放熱板の縁部に接触して前記半導体チップとの間に前記放熱板を挟んで保持する放熱板押え部とを有し、
前記放熱板が前記放熱板押え部に接合されてなく、且つ前記放熱板と前記枠体との間に隙間が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【００３３】
（付記２）前記放熱板の前記半導体チップに接触する部分と前記放熱板押え部に接触する部分との間に段差が設けられ、前記放熱板の上面と前記枠体の上面とが同じ高さであることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３４】
（付記３）前記枠体と前記放熱板押え部とが同一材料により一体的に形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３５】
（付記４）前記半導体チップと前記放熱板との間には熱伝導ペーストが介在していることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３６】
（付記５）前記放熱板が、金属、無機材料、及び金属と無機材料との複合材料のいずれかにより形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００３７】
（付記６）前記放熱板押え部が、金属、有機材料、無機材料、及び金属と無機材料との複合材料のいずれかにより形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、従来のフリップチップ型半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、従来のフリップチップ型半導体装置の他の例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１，３１…パッケージ基板、
１２，３２…半導体チップ、
１３，３３…バンプ、
１４，３４…封止樹脂、
１５，３５…ボール、
１６，３６…枠体、
１７，３７，４１…放熱板、
１８，１９，２２，３８…接着剤、
２０，３９…熱伝導ペースト、
２１…リッド、
３６ａ…放熱板押え部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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