JP3965867B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ、インターポーザ及びヒートシンクが一体化されてなり、マザーボードの一面に搭載される半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な半導体パッケージとしては、図５にその概略断面構成が示されるようなＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）がある。図５において、板状のインターポーザ１の一面に、導電性部材１０及びバンプ９を介して、半導体チップ２が電気的に接続されており、インターポーザ１と半導体チップ２とが一体化されたパッケージを構成している。
【０００３】
そして、インターポーザ１の他面側は、ハンダボール２０及びハンダ６を介して、マザーボード４の一面４ａに形成された電極パッド７に電気的に接続されている。このようにして、マザーボード４の一面４ａに搭載されたＣＳＰは、半導体チップ２と略同等のサイズであり、実装密度の高密度化が可能であるため、パッケージの小型化が強く要求される携帯機器を中心に使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実装密度の更なる高密度化を目指す場合、上記ＣＳＰでは、半導体チップ２の面積分の実装面積が最低限必要であるために限界がある。また、上記ＣＳＰにおける放熱経路は、半導体チップ２からインターポーザ１を介してマザーボード４に流れる経路が主体であるため、放熱性に限界があり、大電力用途には使用できない。
【０００５】
ここで、放熱性を向上させるべく、ヒートシンクをパッケージに追加することも考えられる。しかし、実装密度の更なる高密度化を実現しつつ、ヒートシンク、半導体チップ及びインターポーザの３者を一体化させ、マザーボードへ搭載することを考えた場合、組付性が複雑にならないように考慮する必要があり、ヒートシンクの追加には工夫を要する。
【０００６】
そこで、本発明は上記した諸問題に鑑み、半導体チップ、インターポーザ及びヒートシンクが一体化されてなり、マザーボードの一面に搭載される半導体パッケージにおいて、実装密度の高密度化、放熱性の向上、及び、簡単な組付性を実現可能なパッケージ構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、マザーボード（４）の一面に搭載される半導体パッケージであって、その端部がハンダ付けによりマザーボードの一面と電気的に接続されてマザーボードの一面から外方へ延びるように配置される板状のインターポーザ（１）と、その端面がマザーボードの一面と対向するようにマザーボードの一面に対して立った状態で配置され、インターポーザと電気的に接続されるとともに、その一側の主表面が放熱材（１１）を介してインターポーザと熱的に接続された半導体チップ（２）と、マザーボードの一面にハンダ付けされてマザーボードの一面から外方へ延びるように配置されるとともに、半導体チップの他側の主表面と熱的に接続されたヒートシンク（３）とを備えることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、インターポーザ、半導体チップ及びヒートシンクの３者が一体化されてパッケージを構成し、これら一体化された３者がマザーボードの一面に立った状態で配置される。そのため、実装面積は半導体チップの面積よりも小さくすることができる。
【０００９】
また、本発明における放熱経路は、半導体チップの一側の主表面から放熱材を通ってインターポーザからマザーボードへ熱が流れる経路と、半導体チップの他側の主表面からヒートシンクへ熱が流れる経路とが確保される。ヒートシンクへ伝わった熱は、ヒートシンクの表面から外部へ放熱されるか、もしくはマザーボードへ流れる。このようにして、半導体チップの両主表面から放熱が可能となる。
【００１０】
また、本発明によれば、インターポーザ及びヒートシンクは、マザーボードの一面とハンダ付けにより接続されるようになっている。そのため、上記３者を一体化してパッケージ化した後、一括してハンダリフローすることで、パッケージをマザーボードへ搭載することが可能となる。このように、本発明によれば、実装密度の高密度化、放熱性の向上、及び、簡単な組付性を実現可能なパッケージ構造を提供することができる。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、マザーボード（４）の一面に搭載される半導体パッケージであって、半導体チップ（２）の一側の主表面にインターポーザ（１）を電気的に接続するとともに、半導体チップの他側の主表面にヒートシンク（３）を熱的に接続することにより、半導体チップをインターポーザ及びヒートシンクで挟んでなる積層体を構成し、この積層体を、半導体チップの端面をマザーボードの一面に対向させた状態で半導体チップがマザーボードの一面に対して立設されるように、マザーボードの一面に搭載し、更に、半導体チップの一側の主表面とインターポーザとを放熱材（１１）を介して熱的に接続し、インターポーザ及びヒートシンクをマザーボードの一面とハンダ付けにより接続可能としたことを特徴としている。
【００１２】
本発明によっても、一体化された半導体チップ、インターポーザ及びヒートシンクの３者がマザーボードの一面に立った状態で配置され、半導体チップの両主表面からの放熱が可能であり、更に一括してハンダリフローすることでパッケージの実装が可能となるため、実装密度の高密度化、放熱性の向上、及び、簡単な組付性を実現可能なパッケージ構造を提供することができる。
【００１３】
ここで、請求項３の発明のように、ヒートシンク（３）と半導体チップ（２）との間にも、放熱材（１３）を介在させて熱的に接続すれば、より放熱性の高いパッケージ構造を提供することができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ１００の概略断面構成を、マザーボード４へ実装した状態にて示す図である。半導体パッケージ１００は、半導体チップ２をインターポーザ１及びヒートシンク３で挟んで一体化したものであり、マザーボード４の一面４ａに搭載されている。マザーボード４としては、一般的なプリント配線基板等を採用することができる。
【００１６】
インターポーザ１は、板状のプリント基板もしくはセラミック基板等を用いた板状の多層基板である。インターポーザ１の周辺部には銅やアルミ等よりなる電極パッド５が設けられており、図示例では、この電極パッド５は、インターポーザ１の一側の主表面から端部を通って他側の主表面に渡って形成されている。
【００１７】
そして、電極パッド５は、ハンダ６によりマザーボード４の一面４ａに形成された電極パッド７と接合されている。これにより、インターポーザ１の端部が、ハンダ付けによりマザーボード４の一面４ａと電気的に接続されて、インターポーザ１は、マザーボード４の一面４ａから外方へ延びるように配置されている。
【００１８】
また、インターポーザ１には、その厚み方向に貫通するビアホール（サーマルビア）８や、内部配線層及び表面配線層が形成されており、これらビアホール８及び各配線層は上記電極パッド５と共に、半導体チップ２とマザーボード４との間の信号経路を形成している。
【００１９】
半導体チップ２は、例えば、一般的な矩形板状の半導体チップを採用することができる。半導体チップ２の一側の主表面には、ハンダ等よりなるバンプ９が形成されている。バンプ９は、半導体チップ２の周辺部に形成されており、インターポーザ１の一側の主表面において、ハンダやＡｇぺ一スト等の導電性部材１０を介して電極パッド５に電気的に接続されている。
【００２０】
また、半導体チップ２における一側の主表面の中央部は、熱可塑性材料やＡｇぺ一スト等の接着材よりなる放熱材１１を介してインターポーザ１に接合されている。また、半導体チップ２とインターポーザ１との間のうち、バンプ９及び放熱材１１の配設部位以外の部位には、樹脂等よりなるアンダーフィル材１２が充填され、半導体チップ２とインターポーザ１との接合強度を高めている。
【００２１】
こうして、半導体チップ２は、その端面がマザーボード４の一面４ａと対向するようにマザーボード４の一面４ａに対して立った状態で配置され（立設され）、半導体チップ２の一側の主表面とインターポーザ１とは、電気的に接続されるとともに放熱材１１を介して熱的に接続されている。
【００２２】
ヒートシンク３は、アルミや銅等の熱伝導性に優れた材料よりなり、図１に示す様に、厚み方向の断面形状が略Ｌ字状の板材より構成されている。ヒートシンク３は、そのＬ字形の底部にて、ハンダ６を介してマザーボード４の一面４ａに形成された電極パッド７と接合されている。ここで、ヒートシンク３のハンダ付けを可能とするために、ヒートシンク３の表面には、ハンダ、Ａｇ等の材料がコーティングされている。
【００２３】
また、ヒートシンク３は、放熱材１３を介して半導体チップ２の他側の主表面と接合されている。放熱材１３は、インターポーザ１側の放熱材１１と同様に、熱可塑性材料やＡｇぺ一スト等の接着材を用いることができる。こうして、ヒートシンク３は、マザーボード４の一面４ａにハンダ付けされてマザーボード４の一面４ａから外方へ延びるように配置されるとともに、半導体チップ２の他側の主表面と熱的に接続されている。
【００２４】
なお、図１に示す様に、マザーボード４の一面４ａには、半導体パッケージ１００以外にも、コンデンサ等の部品１４が混載されていても良い。図１では、部品１４は、マザーボード４の一面４ａに形成された電極パッド７に対してハンダ６を介して電気的且つ機械的に接続されている。
【００２５】
かかる半導体パッケージ１００は、次のようにして組み付けられ、マザーボード４へ搭載される。まず、一側の主表面にバンプ９が形成された半導体チップ２を用意し、半導体チップ２の一側の主表面とインターポーザ１とを、バンプ９及び放熱材１１を介して接合する。また、半導体チップ２とインターポーザ１との間に、アンダーフィル材１２を充填する。
【００２６】
一方で、半導体チップ２の他側の主表面とヒートシンク３とを放熱材１３を介して接合する。こうして、半導体チップ２をインターポーザ１及びヒートシンク３で挟んでなる積層体が形成され、半導体チップ２の一側の主表面がインターポーザ１と電気的及び熱的に接続され、半導体チップ２の他側の主表面がヒートシンク３と熱的に接続される。
【００２７】
次に、この積層体を、半導体チップ２の端面がマザーボード４の一面４ａに対向した状態で半導体チップ２がマザーボード４の一面４ａに対して立設されるように、マザーボード４の一面４ａに搭載する。そして、インターポーザ１の端部の電極パッド５及びヒートシンク３を、マザーボード４の電極パッド７とハンダ付けにより接続する。こうして、半導体パッケージ１００のマザーボード４への実装がなされる。
【００２８】
ところで、本実施形態によれば、インターポーザ１、半導体チップ２及びヒートシンク３の３者が一体化されてパッケージを構成し、これら一体化された３者がマザーボード４の一面４ａに立った状態で配置される。そのため、実装面積は半導体チップ２の面積（主表面の面積）よりも小さくすることができる。
【００２９】
また、本実施形態において、半導体チップ２とマザーボード４との間の信号経路は、半導体チップ２側を起点とすると、半導体チップ２からの信号は、バンプ９を経て、インターポーザ１の電極パッド５、上記した図示しない内部配線層及び表面配線層を介して、ハンダ６からマザーボード４の電極パッド７へと流れる経路となる。また、マザーボード４からの信号は、上記経路を逆方向へ流れる。
【００３０】
また、本実施形態において、放熱経路としては、半導体チップ２の一側の主表面からバンプ９及び放熱材１１を通ってインターポーザ１、ハンダ６を介してマザーボード４へと熱が流れる経路と、半導体チップ２の他側の主表面からヒートシンク３へと熱が流れる経路とが確保される。ヒートシンク３へ伝わった熱は、ヒートシンク３の表面から外部へ放熱されるか、もしくはマザーボード４へ流れる。
【００３１】
このようにして、半導体チップ２の両主表面から放熱が可能となり、片面から放熱する場合に比べ、約２倍に放熱性を向上させることができる。また、ヒートシンク３において、半導体チップ２との接合面とは反対側の面が、広く外気に露出して放熱面積を確保しているため、ヒートシンク３自身の放熱性が高められている。
【００３２】
また、本実施形態によれば、インターポーザ１及びヒートシンク３は、マザーボード４の一面４ａとハンダ付けにより接続されるようになっている。そのため、上記３個の部材１〜３を一体化してパッケージ化した後、一括してハンダリフローすることで、半導体パッケージ１００をマザーボード４へ搭載することが可能となる。
【００３３】
また、半導体パッケージ１００は一括してハンダリフローが可能であるため、他の部品１４とともに半導体パッケージ１００を同時にマザーボード４へ搭載することができ、量産に適したものとできる。このように、本実施形態によれば、実装密度の高密度化、放熱性の向上、及び、簡単な組付性を実現可能なパッケージ構造を提供することができる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、半導体チップ２とマザーボード４との間の配線基板としては、安価なプリント基板やセラミック基板よりなるインターポーザ１が使用されている。そのため、高価なフレキシブル配線基板を用いる場合に比べて、パッケージにかかるコスト（パッケージ費）を抑えることも可能である。更に、もし、フレキシブル配線基板を用いた場合、パッケージを一括してハンダリフローすることができないため、組付性に劣る。
【００３５】
ここで、本実施形態の変形例を図２及び図３に示す。図２に示す第１の変形例としての半導体パッケージ２００では、インターポーザ１の一側の主表面側と同様に、他側の主表面にも半導体チップ２及びヒートシンク３を設けたものである。この半導体パッケージ２００によれば、上記図１に示した半導体パッケージ１００と同様の作用効果を奏するとともに、さらに実装密度を向上させることができる。
【００３６】
図３に示す第２の変形例としての半導体パッケージ３００は、上記図２に示す半導体パッケージ２００よりも、更に実装密度を高めた例である。図３中、中央に位置するヒートシンク３は、略Ｕ字状に折り曲げられた板材であってＵ字の底部にてマザーボード４の一面４ａにハンダ付けされるものを用い、Ｕ字の内周面にて放熱面積を稼ぐことのできる構成となっている。本例を用いれば、多数の半導体チップ２を高密度にかつ高放熱で実装することが可能である。
【００３７】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ヒートシンク３と半導体チップ２との間にも、放熱材１３を介在させて、より放熱性の高いパッケージ構造を実現しているが、ヒートシンク３と半導体チップ２との間で十分に熱的接触が確保できるならば、これら両部材２、３の間に放熱材１３を介在させなくても良い。
【００３８】
また、インターポーザ１は、半導体チップ２とマザーボード４との信号経路を確保できるように構成されていれば良く、上記各図に示した構造に限定されるものではない。また、図示しないが、アルミや銅等の熱伝導性に優れた冷却部材を、ヒートシンク３に熱的に接触させるように設ければ、更に放熱性を良好なものとすることができる。
【００３９】
また、インターポーザ１と半導体チップ２との電気的接続は、バンプ９ではなく、アルミや金等のワイヤボンディングで行っても良い。図４に、インターポーザ１と半導体チップ２とをワイヤボンディングにより電気的に接続した半導体パッケージ４００の概略断面構成を示す。
【００４０】
図４においては、半導体チップ２の他側の主表面とインターポーザ１の電極パッド５とが、ワイヤ１５により結線され電気的に接続されている。そして、チップコート材１６は、半導体チップ２の他側の主表面まで回り込むように形成され、ワイヤ１５を被覆保護している。また、ヒートシンク３及び放熱材１３は、ワイヤボンディング部以外の部位に接合されている。この半導体パッケージ４００においても、上記実施形態と同様の効果を有する半導体パッケージが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図２】上記実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。
【図３】上記実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。
【図４】インターポーザと半導体チップとをワイヤボンディングにより電気的に接続した半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図５】従来の一般的な半導体パッケージの概略断面図である。
【符号の説明】
１…インターポーザ、２…半導体チップ、３…ヒートシンク、
４…マザーボード、１１、１３…放熱材。

Claims (3)

1. マザーボード（４）の一面に搭載される半導体パッケージであって、
   その端部がハンダ付けにより前記マザーボードの一面と電気的に接続されて、前記マザーボードの一面から外方へ延びるように配置される板状のインターポーザ（１）と、
   その端面が前記マザーボードの一面と対向するように前記マザーボードの一面に対して立った状態で配置され、前記インターポーザと電気的に接続されるとともに、その一側の主表面が放熱材（１１）を介して前記インターポーザと熱的に接続された半導体チップ（２）と、
   前記マザーボードの一面にハンダ付けされて前記マザーボードの一面から外方へ延びるように配置されるとともに、前記半導体チップの他側の主表面と熱的に接続されたヒートシンク（３）とを備えることを特徴とする半導体パッケージ。
2. マザーボード（４）の一面に搭載される半導体パッケージであって、
   半導体チップ（２）の一側の主表面にインターポーザ（１）を接合し、前記半導体チップの他側の主表面にヒートシンク（３）を接合することにより、前記半導体チップを前記インターポーザ及び前記ヒートシンクで挟んでなる積層体が構成され、
   この積層体は、前記半導体チップの端面を前記マザーボードの一面に対向させた状態で前記半導体チップが前記マザーボードの一面に対して立設されるように、前記マザーボードの一面に搭載されており、
   前記半導体チップは、前記インターポーザと電気的に接続されるとともに、その一側の主表面が放熱材（１１）を介して前記インターポーザと熱的に接続されており、
   前記インターポーザ及び前記ヒートシンクは、前記マザーボードの一面とハンダ付けにより接続可能となっていることを特徴とする半導体パッケージ。
3. 前記ヒートシンク（３）と前記半導体チップ（２）との間は、放熱材（１３）を介して熱的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パッケージ。

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