(57)【要約】【課題】機械的強度を確保しつつ、放熱性に優れた薄型の半導体パッケージを提供する。【解決手段】半導体パッケージ１において、半導体チップ２と、半導体チップ２が実装された基板３と、半導体チップ２に覆い被さるようにして、基板３に接続されたスティフナー４と、スティフナー４と基板３とを熱的に接続する熱接続部材５と、を有する、という構成を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップが実装された基板と、
前記半導体チップに覆い被さるようにして、前記基板に接続されたスティフナーと、
前記スティフナーと前記基板とを熱的に接続する熱接続部材と、を有する、半導体パッケージ。
【請求項２】
前記熱接続部材は、前記スティフナーと前記基板との間に圧縮状態で挟まれている、請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記基板は、前記熱接続部材と接触するサーマルビアを有する、請求項１または２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記基板は、複数の金属層を有する多層基板であり、
前記サーマルビアは、前記複数の金属層の少なくとも一つに熱的に接続されている、請求項３に記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
前記基板は、前記半導体チップが実装される第１の面と反対の第２の面に、前記サーマルビアと熱的に接続された放熱部材を有する、請求項３または４に記載の半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、下記特許文献１に記載された半導体パッケージが知られている。近年、スマートフォン、タブレットＰＣ等の携帯機器の進化は著しく、例えば、ＣＰＵ等の半導体チップは１４ｎｍ（ナノメートル）もの細かな回路幅で構成され、多くのトランジスタが搭載されている。また、携帯機器の薄型化により、半導体チップと基板は、インターポーザを介さずに直接マイクロＢＧＡ（Ball Grid Array）により、ハンダバンプ接合される。また、半導体チップの厚さも薄くなるので、その上部にスラグスティフナーと呼ばれる補強部材が装着される。
【０００３】
下記特許文献１に記載された半導体モジュールは、半導体チップが実装された第１基板と、前記第１基板が実装された第２基板と、前記第１基板を跨ぐようにして前記半導体チップを抑え付けることにより、前記半導体チップを前記第２基板に固定する固定手段とを備え、前記固定手段が、前記半導体チップおよび前記第１基板上に覆い被さるようにして、前記第２基板上に固定されたスティフナーから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０７４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体チップは、薄型化に伴い、面積が例えば２５ｍｍ×２５ｍｍと大きくなり、発熱量が増加する。上記従来技術では、特許文献１の図９に示すように、スティフナーの上に放熱フィンを設けている。しかしながら、スティフナーの上に放熱フィンを設けてしまうと、半導体パッケージの厚みが大きくなってしまう。
このため、機械的強度を確保しつつ、放熱性に優れた薄型の半導体パッケージが求められている。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、機械的強度を確保しつつ、放熱性に優れた薄型の半導体パッケージ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】
【０００７】
（１）本発明の一態様に係る半導体パッケージは、半導体チップと、前記半導体チップが実装された基板と、前記半導体チップに覆い被さるようにして、前記基板に接続されたスティフナーと、前記スティフナーと前記基板とを熱的に接続する熱接続部材と、を有する。
【０００８】
（２）上記（１）に記載された半導体パッケージであって、前記熱接続部材は、前記スティフナーと前記基板との間に圧縮状態で挟まれていてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載された半導体パッケージであって、前記基板は、前記熱接続部材と接触するサーマルビアを有していてもよい。
（４）上記（３）に記載された半導体パッケージであって、前記基板は、複数の金属層を有する多層基板であり、前記サーマルビアは、前記複数の金属層の少なくとも一つに熱的に接続されていてもよい。
（５）上記（３）または（４）に記載された半導体パッケージであって、前記基板は、前記半導体チップが実装される第１の面と反対の第２の面に、前記サーマルビアと熱的に接続された放熱部材を有していてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明の態様によれば、機械的強度を確保しつつ、放熱性に優れた薄型の半導体パッケージを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【図２】一実施形態に係る半導体パッケージを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージを、図面を参照しながら説明する。図面において、説明の便宜上、いくつかの部分が拡大され又は省略されているが、図面に表されている各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１２】
図１は、一実施形態に係る半導体パッケージ１を示す断面図である。図２は、一実施形態に係る半導体パッケージ１を示す平面図である。なお、図１は、図２の矢視Ａ−Ａ断面に対応している。
図１に示す半導体パッケージ１は、半導体チップ２と、基板３と、スティフナー４と、熱接続部材５と、放熱部材６と、を備える。
【００１３】
半導体チップ２は、例えば、薄いシリコン基板を含む携帯機器用のＣＰＵである。この半導体チップ２は、基板３の第１の面３Ａに実装されている。基板３の第１の面３Ａには、図示しない配線が形成されている。半導体チップ２は、リードレスタイプのＢＧＡパッケージであり、複数のハンダボール７を介して基板３の配線に直接接続されている。
【００１４】
基板３は、複数のサーマルビア３１と、複数の金属層３２（配線パターン）と、を有する。この基板３は、半導体チップ２との信号のやり取りを高速化する所謂コアレス基板と称される薄型基板を採用している。コアレス基板とは、コア層を用いずにビルドアップ層のみで構成した基板であり、電気特性に優れているが、機械的強度が低く、反り等の変形が発生し易い。
【００１５】
スティフナー４は、半導体チップ２に覆い被さるようにして、基板３に接続されている。スティフナー４は、半導体チップ２及び基板３のいずれよりも剛性が高い補強部材である。このスティフナー４は、機械的強度と優れた熱伝導性を兼ね備えたＩＨＳ（Integrated Heat Spreader）スティフナーである。具体的に、スティフナー４は、ベリリウム銅（Beryllium-Copper）、コバルト銅（Cobalt-Copper）や、カーボングラファイトをステンレスシートで挟み込んだ複合材（Carbon Graphite-Stainless Steel sandwiched sheet）等をプレス加工することで形成されている。
【００１６】
スティフナー４は、図１及び図２に示すように、略帽子形状を有しており、半導体チップ２を収容する本体部４１が凹状に膨らみ、本体部４１の周縁部４２が基板３に接続されている。本体部４１は、基板３の第１の面３Ａと対向する側が開口する矩形の箱形状に形成されている。本体部４１の下面４１Ｂは、半導体チップ２と放熱グリス９を介して熱的に接触している。放熱グリス９は、粘度の変化が少ないシリコーングリスに、熱伝導率の高い金属（銅、銀、アルミ等）の粒子を混ぜ込んだものである。
【００１７】
周縁部４２は、本体部４１の側壁部に対しＬ字状に屈曲した鍔形状を有する。この周縁部４２は、図２に示すように、本体部４１の周囲に所定幅で形成されており、本体部４１より１回り大きい矩形の環形状に形成されている。図１に示すように、周縁部４２の下面４２Ｂは、接着層８を介して基板３に接続されている。接着層８は、エポキシ樹脂製の接着剤等から形成されている。この接着層８は、周縁部４２の外側領域を部分的に基板３に接続する。
【００１８】
熱接続部材５は、スティフナー４と基板３とを熱的に接続するものである。熱接続部材５は、スティフナー４と基板３との間に圧縮状態で挟まれている。この熱接続部材５には、圧縮性を有するコンプレッシブＴＩＭ（Thermal Interface Material）である。具体的に、熱接続部材５は、熱伝導率の高い金属（銅、銀、アルミ等）の粒子をシリコンゴム等の弾性部材に混入させることにより、弾性変形可能に構成されている。
【００１９】
熱接続部材５は、図２に示すように、周縁部４２に沿って矩形の環状（枠状）に形成されている。この熱接続部材５は、図１に示すように、周縁部４２の下面４２Ｂと、基板３の第１の面３Ａとにそれぞれ接触している。熱接続部材５は、接着層８よりも内側の領域で周縁部４２と接触している。熱接続部材５が周縁部４２と接触する幅は、接着層８が周縁部４２と接触する幅よりも大きい。
【００２０】
基板３は、熱接続部材５と接触するサーマルビア３１（３１ａ）を有する。サーマルビア３１は、基板３の厚さ方向に貫通して複数配置された熱伝導部材である。熱接続部材５と接触するサーマルビア３１ａは、複数の列（図１に示す例では２列）を成し、図２に示すように、熱接続部材５に沿って形成されている。これにより、周縁部４２の全体が、基板３と熱的に接続される。
【００２１】
基板３は、図１に示すように、複数の金属層３２を有する多層基板である。サーマルビア３１ａは、複数の金属層３２の少なくとも一つに熱的に接続されている。複数の金属層３２は、基板３の各層において板面方向に所定面積で延在しており、サーマルビア３１ａから伝わる熱を基板３の全体に拡散させることができる。なお、サーマルビア３１ａが接続される金属層３２は、短絡するおそれがないように電気的に接地されている配線パターンであることが好ましい。
【００２２】
基板３は、半導体チップ２が実装される第１の面３Ａと反対の第２の面３Ｂに、サーマルビア３１と熱的に接続された放熱部材６を有する。放熱部材６は、例えば、０．３ｍｍ程度の薄型のヒートパイプ若しくは薄型のベーパーチャンバーである。この放熱部材６は、基板３よりも剛性が高く、基板３の第２の面３Ｂに所定面積で接続されることにより、基板３の機械的強度を高め、放熱性能（冷却性能）を大きくする。放熱部材６は、図１に示すように、少なくとも基板３の板面方向における一方向において、スティフナー４よりも大きい。
【００２３】
次に、上記構成の半導体パッケージ１の作用について説明する。
【００２４】
本実施形態の半導体パッケージ１は、図１に示すように、半導体チップ２に覆い被さるようにして、基板３に接続されたスティフナー４を有する。スティフナー４は、本体部４１によって半導体チップ２の曲がり等を抑制すると共に、周縁部４２が基板３に接着層８を介して接続されることで、基板３の機械的強度を補強する。すなわち、スティフナー４は、略帽子状に形成されているため、曲げモーメントが高く、周縁部４２の内側の領域における曲げや反りを抑制することができる。これにより、曲がり易い半導体チップ２のハンダクラックや反り易い基板３を物理的に保護（補強）することができる。
【００２５】
また、スティフナー４の周縁部４２は、熱接続部材５を介して基板３に対し熱的に接続されている。この構成によれば、スティフナー４が半導体チップ２から受けた熱を、基板３に拡散させることができる。すなわち、スティフナー４の周縁部４２は、熱伝導率の高い熱接続部材５を介して基板３に接続されているため、放熱グリス９を介して半導体チップ２から受けた熱を、基板３に伝え易くなる。スティフナー４は、機械的強度と優れた熱伝導性を兼ね備えたＩＨＳスティフナーであるため、熱伝導性が高く、基板３に熱を効率よく伝えることができる。
【００２６】
熱接続部材５は、スティフナー４と基板３との間に圧縮状態で挟まれているコンプレッシブＴＩＭである。この構成によれば、圧縮された熱接続部材５が、スティフナー４と基板３との隙間を埋め、熱伝導性を高めることができる。すなわち、ＢＧＡパッケージの半導体チップ２をリフロー炉でハンダ付けすると、半導体チップ２が基板３に対して傾くことがあるが、この半導体チップ２を押え付けるスティフナー４の傾きを、熱接続部材５の弾性変形によって吸収することで、スティフナー４と基板３との熱的な接触不良を防止することができる。
【００２７】
このように、スティフナー４が半導体チップ２から受けた熱を、熱接続部材５を介して基板３に拡散させることで、スティフナー４の上に放熱フィン等を設ける必要がなくなり、半導体パッケージ１の薄型化を図ることができる。また、基板３は、熱接続部材５と接触するサーマルビア３１ａを有しており、熱接続部材５から直接サーマルビア３１ａに熱が伝わるため、熱の拡散性を高めることができる。そして、サーマルビア３１は、複数の金属層３２の少なくとも一つに熱的に接続されているため、サーマルビア３１ａから伝わる熱を基板３の全体に拡散させ易くなり、放熱性能（冷却性能）を大きくすることができる。
【００２８】
さらに、本実施形態では、基板３が、半導体チップ２が実装される第１の面３Ａと反対の第２の面３Ｂに、サーマルビア３１と熱的に接続された放熱部材６を有している。この構成によれば、半導体チップ２から直接、基板３の第２の面３Ｂに伝えられた熱と、スティフナー４及び熱接続部材５を通じて基板３の第２の面３Ｂに伝えられた熱とを一緒に放熱することが可能であり、より効率的な冷却を可能にすることができる。また、放熱部材６は、銅やアルミ等の金属部材から形成されているため、基板３に接続されることによって、基板３の補強となり機械的強度を高めることが可能である。
【００２９】
このように、上述した本実施形態によれば、半導体チップ２と、半導体チップ２が実装された基板３と、半導体チップ２に覆い被さるようにして、基板３に接続されたスティフナー４と、スティフナー４と基板３とを熱的に接続する熱接続部材５と、を有する、という構成を採用することによって、機械的強度を確保しつつ、放熱性に優れた薄型の半導体パッケージ１を提供できる。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、基板３がコアレス基板である構成を例示したが、基板３がコア層を含むビルトアップ基板であってもよい。
【００３２】
また、例えば、上記実施形態では、スティフナー４がＩＨＳスティフナーである構成を例示したが、スティフナー４が銅板やアルミ板等からなる構成であってもよい。
【００３３】
また、例えば、上記実施形態では、基板３の第２の面３Ｂに放熱部材６を設けた構成を例示したが、半導体パッケージ１をさらに薄くするために、放熱部材６を設けない構成であってもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１…半導体パッケージ、２…半導体チップ、３…基板、３Ａ…第１の面、３Ｂ…第２の面、４…スティフナー、５…熱接続部材、６…放熱部材、３１（３１ａ）…サーマルビア、３２（３２ａ）…金属層
【図１】
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【図２】
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