(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構造で放熱性を向上し得る半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュール１０は、パターニングされた配線パス３１を持つ基板３０と、放熱用の引き出し部４１を持ち、基板３０上に設けられた薄板４０と、表面２３に複数の電極２１を持ち、薄板４０上の引き出し部４１以外の部分に、表面２３を上にして設けられたＩＣ２０と、を備えたものである。放熱用の引き出し部４１を持つ薄板４０が基板３０と半導体チップ２０との間に挟まれた構造に名手いることから、半導体チップ２０から発生した熱を引き出し部４１から外へ逃がすことができるので簡単な構造で放熱性を向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターニングされた配線パスを持つ基板と、
放熱用の引き出し部を持ち、前記基板上に設けられた薄板と、
表面に複数の電極を持ち、前記薄板上の前記引き出し部以外の部分に前記表面を上にして設けられた半導体チップと、
を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、前記放熱用の引き出し部を複数持つ、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、折り曲げが可能な材料又は構造からなり、
前記放熱用の引き出し部は、前記基板の前記配線パスがパターニングされている実装面から離れ、当該実装面内とは空間的に異なる面内に導かれている、
ことを特徴とするモジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記複数の電極のうち少なくとも一個が前記配線パスに電気的に接続され、
前記複数の電極のうち少なくとも一個が前記薄板に電気的に接続され、
前記薄板と前記基板とが電気的に接続された、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１又は２記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、前記半導体チップと同じ半導体材料からなる、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１又は２記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、炭化珪素又は窒化アルミニウムからなる、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記半導体チップと前記薄板とは、銀ペースト、導熱樹脂又ははんだによって接合された、
ことを特徴とするモジュール。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記電極と前記薄板とは、ワイヤボンディングによって電気的に接続された、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板と電気的に接続する前記電極は、グランド端子又は電源端子である、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１０】
パターニングされた配線パスを持つ基板上に、放熱用の引き出し部を持つ薄板を設け、
この薄板上に、表面に複数の電極を持つ半導体チップを、前記表面を上にして設ける、
ことを特徴とする半導体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、フェイスアップ（Face-Up）実装された半導体チップのヒートスプレッダ構造に特徴を有する半導体モジュール、及びその製造方法に関する。以下、半導体チップとして主にＩＣ（Integrated Circuit）について説明する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信の大容量化に伴って、パケットスイッチやクロスコネクトへの、光インターコネクションの適用が検討されている。特に、バックプレーン用途については、１０[Ｇｂｐｓ]を超える伝送容量に加えて小型で安価な、光インターコネクション用の送受信モジュールの開発が望まれている。
【０００３】
現在、光インターコネクションでは、複数の光ファイバを束ねてパラレル伝送を行う方式が主流になっている。一般的な光インターコネクション用の送受信モジュール内には、複数の送受信素子と、それらを制御するＩＣとが内蔵されている。
【０００４】
ここで、送受信モジュールでは、複数の送受信素子を制御するために、送受信素子と同じ数の制御回路を持つＩＣが必要になる。例えば、光モジュールのＭＳＡ（Multi Source Agreement）であるＣＸＰ（C = hex character for 12; XP = eXtended capability Pluggable）規格では、送信側１２ｃｈ／受信側１２ｃｈの合計２４ｃｈを一つのパッケージ（ＰＫＧ）内に収める必要がある。この場合には、２４ｃｈ分の制御回路が必要になり、この制御回路を持つＩＣの発熱量は非常に大きくなる。
【０００５】
通常、ＩＣは、その表面に接続電極が形成され、何かしらの配線基板に実装される。その実装方法を大きく分けると、ＩＣ表面を配線基板に向けるフェイスダウン（Face-Down）実装と、ＩＣ裏面を配線基板に向けるフェイスアップ実装との、二種類がある。
【０００６】
フェイスダウン実装では、はんだバンプ等によってＩＣを配線基板に接続し、ＩＣ裏面にヒートスプレッダを設置することにより、効果的な放熱を実現することができる。しかしながら、フェイスダウン実装では、接続の信頼性が問題になる。なぜなら、ＩＣは常に小型化が要求されるため、近年のＩＣの接続電極及びその間隔は数十［μｍ］程度と極めて小さくなっているからである。
【０００７】
一方、フェイスアップ実装では、ワイヤボンディングによってＩＣを配線基板に接続するため、接続の信頼性には問題がない。しかしながら、フェイスアップ実装では、ＩＣからの排熱が配線基板に直に伝わるため、配線基板に放熱構造を設置する必要がある。
【０００８】
例えば特許文献１〜４に開示されているフェイスアップ実装では、配線基板の一部をくりぬき、その開口部に放熱板とともにＩＣを収めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２９６５６５号公報（図１等）
【特許文献２】特開２０１０−０２１５１５号公報（図１等）
【特許文献３】特開２０１１−１２４２５１号公報（図１等）
【特許文献４】再特ＷＯ２００２０８４７３３号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
フェイスアップ実装した場合の基板からの放熱については、従来から様々な技術が採られてきた。例えば、熱伝導を良くした放熱用基板を配線用基板とは別構造にしたものや、配線用基板として熱伝導率が高い材質（窒化アルミニウムなど）を採用したものがある。しかし、いずれの技術も、構造及び製造方法が複雑になったり、高価な材料を必要としたりするという課題があった。また、特許文献１〜４の関連技術では、配線基板の一部をくりぬき、その開口部に放熱板とともにＩＣを収めるため、構造及び製造方法が複雑になるという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、簡単な構造で放熱性を向上し得る半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る半導体モジュールは、
パターニングされた配線パスを持つ基板と、
放熱用の引き出し部を持ち、前記基板上に設けられた薄板と、
表面に複数の電極を持ち、前記薄板上の前記引き出し部以外の部分に前記表面を上にして設けられた半導体チップと、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、
パターニングされた配線パスを持つ基板上に、放熱用の引き出し部を持つ薄板を設け、
この薄板上に、表面に複数の電極を持つ半導体チップを、前記表面を上にして設ける、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、放熱用の引き出し部を持つ薄板が基板と半導体チップとの間に挟まれた構造になっていることから、半導体チップから発生した熱を引き出し部から外へ逃がすことができるので、簡単な構造で放熱性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る半導体モジュールの実施形態１を示す平面図である。
【図２】図１におけるII−II線縦断面図である。
【図３】本発明に係る半導体モジュールの実施形態２を示す平面図である。
【図４】本発明に係る半導体モジュールの実施形態３を示す平面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
【００１７】
［実施形態１］
図１は、本発明に係る半導体モジュールの実施形態１を示す平面図である。図２は、図１におけるII−II線縦断面図である。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００１８】
本実施形態１の半導体モジュール１０は、パターニングされた配線パス３１を持つ基板３０と、放熱用の引き出し部４１を持ち、基板３０上に設けられた薄板４０と、表面（一つの面）２３に複数の電極２１を持ち、薄板４０上の引き出し部４１以外の部分に、表面２３を上にして設けられたＩＣ２０と、を備えたものである。
【００１９】
本実施形態１の半導体モジュール１０の製造方法は、パターニングされた配線パス３１を持つ基板３０上に、放熱用の引き出し部４１を持つ薄板４０を設ける工程と、薄板４０上に、表面２３に複数の電極２１を持つ半導体チップ２０を、表面２３を上にして設ける工程と、を備えている。
【００２０】
換言すると、半導体モジュール１０は、表面２３に複数の電極２１を持つＩＣ２０と、パターニングされた配線パス３１を持つ基板３０と、放熱用の引き出し部４１を持つ導熱性の薄板４０とを具備している。
【００２１】
薄板４０は、薄板４０とＩＣ２０とが熱的に接続されるように、ＩＣ２０と基板３０との間に挟まれている。複数の電極２１のうち少なくとも一個が配線パス３１に電気的に接続され、複数の電極２１のうち少なくとも一個が薄板４０に電気的に接続され、薄板４０と基板３０とが電気的に接続されている。
【００２２】
電極２１と配線パス３１及び薄板４０とは、それぞれワイヤボンディングによって接続されている。すなわち、電極２１と配線パス３１及び薄板４０とは、それぞれワイヤ２２によって接続されている。ＩＣ２０は、外形が四角形であり、その四辺全てに電極２１を持つ。引き出し部４１は、ＩＣ２０から発生した熱を外へ逃がす放熱パスとなっている。
【００２３】
以下に、更に詳しく説明する。
【００２４】
本実施形態１は、表面２３の四辺に電極２１を持つ四角形のＩＣ２０をフェイスアップ実装した半導体モジュール１０であって、放熱構造に特徴を有する。半導体モジュール１０は、次のように製造される。
【００２５】
まず、基板３０及び薄板４０を用意する。基板３０は、アルミナ（酸化アルミニウム）製であり、配線パス３１及びグランド（ＧＮＤ）パターン３２が金メッキでパターニングされている。薄板４０は、０．２ｍｍ厚の銅タングステン製であり、その両面に金メッキが施されている。続いて、基板３０のグランドパターン３２上に薄板４０を、はんだを用いて接合する。続いて、薄板４０上にＩＣ２０を、銀ペーストを用いてフェイスアップ実装する。その後、ＩＣ２０の表面２３の電極２１と基板３０上の配線パス３１とを、ワイヤボンディングを用いて接続する。
【００２６】
図１では、電極２１のうち、グランド（ＧＮＤ）端子２１ｂを四角形、その他の端子２１ａを丸形で表している。ここで、図１に示すとおり、グランド端子２１ｂ付近から、薄板４０の一部（引き出し部４１）が放熱パスとして、ＩＣ２０のフットプリントの外に引き出されている。引き出し部４１では、電極２１（グランド端子２１ｂ）と薄板４０とをワイヤボンディングによって接続する。
【００２７】
前述のとおり、薄板４０は、基板３０のグランドパターン３２と電気的に接合されている。そのため、ＩＣ２０のグランド端子２１ｂは、薄板４０を通して基板３０のグランドパターン３２と電気的に接合される。また、引き出し部４１は、図示しない外部のヒートシンクに熱的に接続してもよい。この場合は、ＩＣ２０で発生した熱を効果的に逃がすことができる。
【００２８】
換言すると、本実施形態１は、複数辺からワイヤボンディング接続を行う必要のあるＩＣ２０をフェイスアップ実装した際に、ＩＣ２０の裏面にヒートスプレッドを接続することにより、効果的に放熱する構造を持つ半導体モジュール１０に関する。すなわち、本実施形態１は、特に、小型で高密度な全辺に電極２１を持つＩＣ２０について、安価な基板（アルミナなど）３０を単純な単板構造で用いながら、フェイスアップ実装したＩＣ２０の放熱性を確保する構造を提案するものである。
【００２９】
具体的には、基板３０とＩＣ２０との間に、金属又は金属メッキした熱伝導性・導電性の良い材質の薄板４０を敷く。そして、薄板４０の一部である引き出し部４１をそのまま放熱器として用いるか、又は、引き出し部４１を外部の放熱器に熱的に接続する。このとき、引き出し部４１がワイヤ２２と干渉するが、干渉する電極２１については、電極２１からワイヤ２２を引き出し部４１に接続して、導電性の薄板４０を通して基板３０に電気的に接続する。特に小型で高密度なＩＣ２０では、電位を安定させるために複数の電極２１（すなわちグランド端子２１ｂ）を１箇所又は数箇所にまとめることがあるので、そのような箇所で薄板４０を外部に接続することを想定している。
【００３０】
本発明によれば、放熱用の引き出し部４１を持つ薄板４０が基板３０とＩＣ２０との間に挟まれた構造になっていることから、ＩＣ２０から発生した熱を引き出し部４１から外へ逃がすことができるので、簡単な構造で放熱性を向上することができる。
【００３１】
［実施形態２］
図３は、本発明に係る半導体モジュールの実施形態２を示す平面図である。以下、図３に基づき説明する。
【００３２】
本実施形態２の半導体モジュール５０は、薄板６０が複数の放熱用の引き出し部６１，６２を持つことを特徴とする。以下に、更に詳しく説明する。
【００３３】
ここで用いるＩＣ７０は、表面２３の四辺に電極２１を持ち、グランド端子２１ｂを二辺に持つ四角形の半導体チップである。本実施形態２は、ＩＣ７０をフェイスアップ実装した半導体モジュール５０における放熱構造に関する。
【００３４】
本実施形態２は、実装手順は実施形態１と同様であるが、図３に示すとおり、放熱パスとしての引き出し部６１，６２を二箇所から取り出すことを特徴としている。本実施形態２によれば、二箇所から放熱することにより、熱抵抗を低く抑えることができると同時に、薄板６０の熱勾配を少なくできるので、ＩＣ７０を均一に冷却することも可能になる。
【００３５】
本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１の構成、作用及び効果と同様である。
【００３６】
［実施形態３］
図４は、本発明に係る半導体モジュールの実施形態３を示す平面図である。図５は、図４におけるＶ−Ｖ線縦断面図である。以下、図４及び図５に基づき説明する。
【００３７】
本実施形態３の半導体モジュール８０は、薄板９０に特徴を有する。薄板９０は、折り曲げが可能な材料又は構造（例えば金属からなる薄板）からなる。放熱用の引き出し部９１は、基板３０の配線パス３１がパターニングされている実装面３３から離れ、実装面３３内とは空間的に異なる面内に導かれ、そのまま放熱板として用いられ、又は、例えばヒートシンク１００に接続される。以下に、更に詳しく説明する。
【００３８】
本実施形態３は、表面２３の四辺に電極２１を持つ四角形のＩＣ２０をフェイスアップ実装した半導体モジュール８０についての、三次元的な放熱構造に関する。本実施形態３の実装手順は実施形態１と同様であるが、放熱用の薄板９０として金メッキした銅ホイルを用いる。図５に示すように、ホイル状の薄板９０を基板３０に対して垂直方向に持ち上げ、基板３０の上方に位置する外部のヒートシンク１００と熱的に接続する。
【００３９】
この構造の場合、基板３０の平面上だけではなく、三次元的に放熱パスを形成できる。そのため、本実施形態３によれば、放熱パスを最短にすることで熱抵抗を低く抑えることが可能になると同時に、ＩＣ２０とヒートシンク１００との位置関係の設計自由度を上げることが可能になるので、半導体モジュール８０の小型化等の構造の最適化が可能になる。
【００４０】
本実施形態３のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１，２の構成、作用及び効果と同様である。
【００４１】
［他の実施形態］
上記各実施形態の構造において、放熱用の薄板にＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等のＩＣと同じ材料を用いてもよい。このとき、薄板の材料は導体ではないため、表裏面に加えて側面にも金メッキをしておく。これにより、薄板とＩＣとの熱膨張率の差がなくなるので、ＩＣの熱膨張による特性変化又は信頼性劣化を抑えることが可能になる。また、薄板の材料としては、炭化珪素又は窒化アルミニウムを用いることができる。
【００４２】
上記各実施形態の構造において、ＩＣの裏面が金メッキ処理されている場合は、放熱用の薄板とＩＣとの接合にはんだを用いることができる。これにより、熱抵抗を更に下げることが可能になると同時に、高温高湿環境での接続信頼性が向上する利点がある。また、はんだの代わりに、銀ペーストや導熱樹脂を用いてもよい。
【００４３】
薄板と電気的に接続する電極は、グランド端子又は電源端子である、としてもよい。この場合は、グランド端子又は電源端子は電流が集中して流れるので、薄板に電流を流すことにより、電気抵抗を下げることができ、これに伴い発熱も抑制できる。
【００４４】
［総括］
本発明は、複数辺からワイヤボンディング接続を行う必要のあるＩＣをフェイスアップ実装した際に、ＩＣの裏面にヒートスプレッドを接続して効果的に放熱する構造を持つことを特徴とする半導体モジュールである。すなわち、本発明は、特に、小型で高密度な全辺に電極を持つＩＣについて、安価な基板（アルミナなど）を単純な単板構造で用いながら、フェイスアップ実装されたＩＣの放熱性を確保する構造を提案するものである。
【００４５】
具体的には、基板とＩＣとの間に、金属又は金属メッキした熱伝導性・導電性の良い材質の薄板を敷き、薄板の一部を外部の放熱器に熱的に接続する。このとき、薄板の一部がワイヤ配線と干渉するが、干渉する電極については、その電極からワイヤを薄板に接続して、導電性の薄板を通して基板に電気的に接続する。特に小型で高密度なＩＣでは、電位を安定させるために複数のＧＮＤ電極を１箇所又は数箇所にまとめることがあるので、そのような箇所で薄板を外部に接続することを想定している。基板は、半導体チップを一つだけ実装するものに限らず、例えば複数の半導体チップや、受動部品、その他の能動部品を実装するものでもよい。配線パスは、長方形に限らず、例えば基板上の部品同士を電気的に接続する線状にしたものでもよい。
【００４６】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【００４７】
上記の実施形態の一部又は全部は以下の付記のようにも記載され得るが、本発明は以下の構成に限定されるものではない。
【００４８】
［付記１］パターニングされた配線パスを持つ基板と、
放熱用の引き出し部を持ち、前記基板上に設けられた薄板と、
表面に複数の電極を持ち、前記薄板上の前記引き出し部以外の部分に前記表面を上にして設けられた半導体チップと、
を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
【００４９】
［付記２］付記１記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、前記放熱用の引き出し部を複数持つ、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５０】
［付記３］付記１又は２記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、折り曲げが可能な材料又は構造からなり、
前記放熱用の引き出し部は、前記基板の前記配線パスがパターニングされている面から離れ、当該面内とは空間的に異なる面内に導かれている、
ことを特徴とするモジュール。
【００５１】
［付記４］付記１乃至３のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記複数の電極のうち少なくとも一個が前記配線パスに電気的に接続され、
前記複数の電極のうち少なくとも一個が前記薄板に電気的に接続され、
前記薄板と前記基板とが電気的に接続された、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５２】
［付記５］付記１又は２記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、前記半導体チップと同じ半導体材料からなる、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５３】
［付記６］付記１又は２記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、炭化珪素又は窒化アルミニウムからなる、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５４】
［付記７］付記１乃至６のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記半導体チップと前記薄板とは、銀ペースト、導熱樹脂又ははんだによって接合された、
ことを特徴とするモジュール。
【００５５】
［付記８］付記１乃至７のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記電極と前記薄板とは、ワイヤボンディングによって電気的に接続された、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５６】
［付記９］付記１乃至８のいずれか一つに記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板と電気的に接続する前記電極は、グランド端子又は電源端子である、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５７】
［付記１０］パターニングされた配線パスを持つ基板上に、放熱用の引き出し部を持つ薄板を設け、
この薄板上に、表面に複数の電極を持つ半導体チップを、前記表面を上にして設ける、
ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【００５８】
［付記１１］一つの面に複数の電極を持つ半導体チップと、パターニングされた配線パスを持つ基板と、放熱用の引き出し部を持つ導熱性の薄板とを具備し、
前記薄板は、当該薄板と前記半導体チップとが熱的に接続されるように、前記半導体チップと前記基板との間に挟まれ、
前記複数の電極のうち少なくとも一個が前記配線パスに電気的に接続され、
前記複数の電極のうち少なくとも一個が前記薄板に電気的に接続され、
前記薄板と前記基板とが電気的に接続された、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００５９】
［付記１２］付記１１記載の半導体モジュールにおいて、
前記薄板は、金属からなる、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【００６０】
［付記１３］付記１１記載の半導体モジュールにおいて、
前記半導体チップは、外形が四角形であり、その四辺全てに前記電極を持つＩＣである、
ことを特徴とする半導体モジュール。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、フェイスアップ実装された半導体チップの放熱構造に利用可能である。半導体チップとしては、ＩＣやパワートランジスタなどを用いることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  半導体モジュール
２０  ＩＣ（半導体チップ）
２１  電極
２１ａ  その他の端子
２１ｂ  グランド端子
２２  ワイヤ
２３  表面
３０  基板
３１  配線パス
３２  グランドパターン
３３  実装面
４０  薄板
４１  引き出し部
５０  半導体モジュール
６０  薄板
６１，６２  引き出し部
７０  ＩＣ（半導体チップ）
８０  半導体モジュール
９０  薄板
９１  引き出し部
１００  ヒートシンク
【図１】
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【図２】
2013045939.tif 000004
【図３】
2013045939.tif 000005
【図４】
2013045939.tif 000006
【図５】
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