JPH0240942A - 電子パツケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は電子パッケージに闇し、具体的にはその一部に
熱シンクを有する電子パッケージに関する。さらに本発
明は一要素として、薄膜で可撓性の回路化基板を使用し
た電子パッケージに関する。

Ｂ、従来技術 その一部に半導体装置（たとえば、シリコン・チップ）
を含む電子パッケージは、コンピューター産業で知られ
ている。その例は、米国特許第４００４１９５号、第４
４１５０２５号及び第４５９３３４２号に開示されてい
る。

現在の半導体装置、特に上述の薄膜の基板を使用する回
路密度の高いものは、パッケージが過熱によって破壊さ
れるのを防止し、装置の動作パラメータが指定された公
差内に保持されることを保証するように、パッケージの
動作中に発生される熱の効率的な除去を必要とする。こ
のような熱の除去を与える１つの一般に知られている手
段は、代表的な場合はパッケージと一体をなす金属の熱
シンク又は同様の部材を使用するものである。このよう
な手段の代表的な例は上記の特許に記載されている。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、パッケージの半導体装置と熱シンク間
に介在する熱スプレッダを使用することによって熱の除
去を増大することにある。

Ｄ６問題点を解決するための手段 本発明の一態様に従えば、第１の回路化基板、この第１
の回路化基板とその上の半導体装置との闇に電気的な結
合を与える、可撓性のある第２の回路化基板、熱シンク
、及び半導体装置から熱シンクへ増強された熱経路を与
える熱スプレッダより成る電子パッケージが与えられる
。熱スプレツタは接着剤を使用して、夫々第１及び第２
の境界に沿って半導体装置及び熱シンクに固定される。

半導体装置、熱スプレッダ及び熱スプレッダを第１の境
界に沿って半導体装置に固定するのに使用される接着剤
の熱膨張係数は略等しくされる。

Ｅ、実施例 第１図を参照すると、本発明の好ましい実施例に従う電
子パッケージが示されている。電子パッケージは絶縁材
料（たとえばエポキシ）より成り、その上に予ジめパタ
ーン化された回路（たとえば銅）を有する本体部分を有
する剛体の第１の回路化基板１１（印刷回路板）を有す
る。半導体装置１７（たとえば、シリコン・チップ）は
基板１１上に存在し、これに電気的に結合されているが
、この場合は、回路１５に（たとえば一端で）電気的に
接続され、又半導体装置１７の下側の表面上の選択され
たコンタクト市に（たとえば他端で）接続された、薄膜
で可撓性の第２の回路化基板１９によって与えられてい
る。薄膜の基板１９は本発明の主要な部分である。基板
１９は装置１７と基板１１間の上述の結合を与えるだけ
でなく、装置１７と基板１１の上側の表面２１との間に
間隔を与えることができるようにする。この間隔は装置
上の目的にとって重要と考えられる（たとえば、基板１
９を回路１５に上述のように接続する際のフラックスの
除去を容易にする）。第２の基板１９は、第２図に明確
に示したように、その上に導電性の金属（たとえば、ク
ロム−銅−クロム）回゛路２５を有する絶縁材料（たと
えば、有機ポリマ）２３の薄層より成る。回路２５は絶
縁材料２３の上もしくは下のいずれの面上に存在しても
よい。

ここで薄層とは全体の厚さ（ポリマ及び導電性回路を含
む）が、わずか約２５〜２５４μ程度の範囲にある基板
のことをいう。従って、この素子は本発明のこの部分に
必要な可撓性を与え、取付けられる半導体装置１７が組
立中に図示の位置に持上げられるようにする。

第２図に示すように、可撓性基板１９の回路２５は絶縁
ポリマ材料を越えて延びた突出端２７及び２９を含む。

番号２７は半導体装置１７の下面上の夫々のコンタクト
位置に電気的に接続される（たとえば熱圧縮結合を使用
する）第１の突出端を示している。さらに、残りの第２
の突出端は、基板１１の上面２１上に存在する夫々の導
電性回路１５に電気的に（たとえば、はんだ付けによっ
て）接続されている。基板１９の第１の突出端が取付け
られた半導体装置の保護は、保護被膜３１（たとえば、
シリコーンもしくはエポキシ）を使用することによって
与えられる。

基板１９のための好ましい絶縁材料２３は、この分野で
よく知られている誘電性の、高温弾性材料の熱硬化性縮
合ポリマ（たとえば、ポリイミド）である。これに代っ
て、熱可塑性の非縮合ポリマも使用できる。パターン化
された回Ｗ！！（たとえば、クロム−銅−クロム）は、
代表的には、ブランケット金属付着技術により絶縁ポリ
マ層に付着され、続いてフォトリソグラフィ及びエツチ
ング処理を使用して所望のパターンに形成される。

第１図に示したように、パッケージ１０は、好ましくは
基板１１の上側の表面２１に取付けられた熱シンク３８
を有する。熱シンクは、本発明のための熱消散を与える
以外にも、パッケージの内側の部品（たとえば、装置１
７及び基板１９）のためのカバーを与える０本発明の熱
シンクと熱を発生する半導体装置間に増強された熱経路
を与えるだめに、本発明はさらに、その１つの表面に沿
って装置１７に付着され、その第２の対向する表面に沿
って熱シンク３３に付着された熱スプレッダ３７を含ん
でいる。従って、熱スプレッダは第２図に詳細に示すよ
うに、第１及び第２の境界に沿ってこれ等の部品に結合
されている。本発明の独特の教示に従い、有効な熱の逃
しを与えるために、熱スプレッダは取付けられる装置１
７の熱膨張係数と略同じ熱膨張係数を有する材料から選
択される。ここで略同じとは、この２つの部品間の熱膨
張係数が互に等しいか、その差が２ｐｐＩＩＩ／”Ｃ（
Ｘ　１０　　’　ｍ／ｍ／’Ｋ　）以下であることであ
る。

本発明の好ましい実施例においては、シリコンのチップ
が装置１７として使用され、熱スプレッダ３７は炭化シ
リコン、窒化アルミニウムもしくは銅で覆われたインパ
ール（Ｉｎｖａｌ　：インタナショナル・ニッケル社（
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎ１ｃｋｅｌ　Ｃｏｍｐ
ａｎｙ　）登録商標）材料から選択された。これ等の材
料を使用すると、各々約２．５ｐｐｍ／℃（ＸＩＯ’ｍ
／ｍ／’Ｋ）の熱膨張係数を有する半導体装置及び熱ス
プレッダを与えることができる。上述のように、これ等
の２つの部品の熱膨張係数は、本発明において有効な熱
除去を保証するために同じであることが好ましい。

本発明に従い、さらに確実な熱伝達を保証するために、
装置１７とスプレッダ３７間の（これ等の２つの要素を
固定するための）第１の境界に沿う接着剤４１は高い熱
伝導率及び上記要素と略同じ熱膨張係数を有する材料か
ら選択された。しかしながら、ここで略同じとは、この
接着剤の熱膨張係数が装置１７もしくは熱スプレッダ３
７のそれを約３．０ｐｐｍ／℃（Ｘ１０−６ｍ／ｍ／’
Ｋ）以上越えない（異ならない）ことを意味している。

より具体的に説明すると、これ等の３つの要素すべて（
チップ、熱スプレッダ、第１の境界の接着剤）の膨張係
数は約２．０乃至約５．０ｐｐｍ／’Ｃ（Ｘ　１０−６
ｍ／ｍ／’Ｋ　）の範囲内にある。好ましい実施例では
、ダイアモンドを充填したエポキシが、接着剤４１とし
て使用された。この材料は約３　、０ｐｐｍ／　’ｃ　
（Ｘ　１０−６ｍ／ｍ／’Ｋ　）の熱膨張率を有する。

わずかに高い熱膨張係数（上述の５．０迄）を有する他
の接着剤も、効果的な熱伝達を与えることが可能である
。接着剤４１の熱膨張係数は、これによって結合される
２つの要素（装置及び熱スプレッダ）のものよりも若干
大きくてよい。接着剤が極めて薄い限り（たとえば約２
５〜７６μ）、接着剤の熱膨張係数が若干大きくても、
本発明において許容される。さらに、この材料（ダイア
モンド充填エポキシ）は、上述のような高い熱伝導性で
ある以外に、電気的に絶縁性である。

第１図から明らかなように、熱スプレッダ３７は取付け
られた半導体装置１７よりもかなり大きい。本発明の好
ましい実施例では、熱スプレッダ３７は装置１７の外側
の全表面積の少なくとも２倍の外側の表面積を有する。

このような大きな要素を使用すると、熱スプレッダと熱
シンク間の境界は、熱スプレッダと半導体装置間の境界
程には熱的に敏感でなくなる。従って、はるかに低い熱
伝導率を有する接着剤が使用可能になる。従って本発明
の利点を与えるためには、熱シンク３３の熱膨張係数は
熱スプレッダ８７もしくは第２の境界に沿ってこれ等の
部品を固定するのに使用される中間の接着剤５１のそれ
に一致する必要は必ずしもない。好ましい実施例におい
て、熱スプレツタとして、窒化アルミニウムもしくは炭
化シリコンあるいは金属材料（銅で覆われたインパール
（Ｉｎｖａｌ　）　）を使用する時は、アルミニウムも
しくは錫めっき銅を含む、この分野で知られた熱シンク
材料を利用することが可能である。本発明のこの接続部
（第２の境界）に沿って使用される対応する接着剤５１
は、好ましい実施例では、熱伝導性の材料（たとえば酸
化亜鉛）が充填されたシリコンである。これに代って、
同じく充填剤として熱伝導性の酸化亜鉛を使用した、こ
の分野で知られた型のエポキシも容易に利用できる。こ
の充填剤を除いた、このような１つの組成は、登録商標
「スコッチカースト（”５ｃｏｔｃｈｃａｓｔ”）　Ｊ
として３Ｍ社から市販されている。この組成は約４７．
６重畳％のエポキシ・ポリマ、約５２重量％の硬化剤と
フレキシビライザの混合物及び約０．４重量％の着色剤
を含んでいる。この硬化剤とフレキシビライザの混合物
は約２５乃至３９重量％の無水へキサヒドロフタール酸
、約５０乃至約７５重量％のポリプロピレン・グリコー
ルもしくはポリオキシプロピレン・グリコールあるいは
この両方のフレキシビライザ、約０．８５乃至約１重量
％の第３アミン（たとえば、トリメチル・アミン）及び
対応する無水物の加水分解から生ずる少量のへキサヒド
ロフタール酸を含んでいる。使用する着色剤は一般に２
酸化チタン顔料及び塩素化銅フタロシアニンの混合物で
ある。充填剤（酸化亜鉛）がこの組成を完成するために
加えられる。接着剤５１は、これが要素３３と３７の間
に厚い境界を画定する程度に使用される。ここで厚いと
は約７６〜２２９μ程度の厚さをいう。この厚さは第２
図のａ”で示されている。上述の材料を指定した厚さで
使用すると、本発明のパッケージの組立てが（寸法上の
公差を減少することによって）特に本発明の熱スプレッ
ダと熱シンクの取付に間して容易になる。

上述のように、本発明の第２の境界に沿う熱伝達はこの
位置ではクリティカルではない。それは熱スプレツタの
寸法が（本発明のチップと比較して）比較的大きいから
である。従って、この第２の境界では低い熱伝導率の接
着剤の使用が可能になる。この熱伝導率は式ＲＴ＝Ｌ／
ＫＡによって決定される。ここでＲ工は（境界にまたが
る）熱抵抗、Ｌは熱スプレッダの幅を横切る熱経路の長
さ、Ｋは接着剤の導伝率、Ａは（接着剤の）断面積であ
る。上述の材料及び対応する厚さ（下記のことも参照の
こと）を使用すると、第２の境界にまたがって、約０．
０５℃／ワット乃至約り、５℃／ワットの範囲内の熱抵
抗が測定された。この値は本発明の第１の境界（ここで
は熱伝達がクリティカルと考えられる）を横切る熱抵抗
（約０゜０３℃／ワット乃至約り、１５℃／ワット）よ
りも高い。

上に定めた厚さを有する接着剤５１を使用すると、熱ス
プレツタ８７のための対応する厚さ（第２図の”ｂ”）
は約６３〜１４０μであり、対応する接着剤４１の厚さ
は約２５〜７６μの範囲内にあることが好ましい（装置
１７の厚さは約６３μである）。本発明の２つの境界に
使用される両液着剤は勿論硬化すると凝固する（剛体に
なる）ことを理解されたい。図で”Ｃ”は接着剤４１と
半導体装置１７の厚さを示している。

本発明のパッケージの組立ては、先ず定められた半導体
装置１７ｔ−可撓性の、回路化された基板１９に取付け
ることによって達成される。この取付は先ず、可撓性の
基板の突出端２７を半導体装置１７の夫々のコンタクト
位置に結合することによって達成される。その後、装置
１７が定められた接着剤４１を使用して熱スプレッダ３
７に固定される。この動作は、たとえば熱スプレッダ３
７を逆にして、その上に装置を正確に位置付けることに
よって容易に達成される。この後に、可撓性基板１９の
第２の突出端２９１Ｎ：基板１１上の夫々の回路素子１
５に取付ける。この部分組立体を所定位置に置いた収態
で、次に熱シンク３３をこの部分組立体の上に置き、基
板１１に固定する。この動作は、第１図に示したように
、上述の接着剤５１を熱シンクの下面か、熱スプレッダ
の上面上に置くことによって達成される。これに代って
、接着剤はこれ等の表面の両方に適用することができる
。熱スプレッダ及び基板１１への熱シンクの組立ては、
熱シンクに湾曲した下脚部５３ｔ！：与えることによっ
て容易にできる。このような湾曲部は第４図に示されて
いるが、これによって熱シンクは下方に押付けられ易く
なり、本発明の熱スプレツタとの確実な接触が容易にな
る。即ち、熱シンクは、熱スプレツタと確実に接触し、
しかも熱シンクが所望の十分に直立した位置（たとえば
、第１図を示したように）に戻ることが可能な程度に押
付けることができる。

第３図には、本発明の代替実施例に従う電子パッケージ
６０が示されている。具体的には、ここで使用されてい
るスプレッダ６７及び熱シンク７８は、かみあった曲線
状の表面を有し、この接続部に曲線状の境界を与えてい
る。これ等の要素の材料としては、接着剤（図示せず）
も含めて、上述のものが使用できるが、この場合は、第
２の境界の接触面積がかなり広くなる。第３図に示した
構造は、本発明の２つの主要な熱消散部品間に拡張した
接触面積を使用することによって、−層多くのＭを逃が
すことができる。この実施例の組立ては、第１図の実施
例について述べた方法と略同じようにして達成される。

要約すると、本発明に従えば、熱の除去が大いに促進さ
れる電子パッケージが与えられ、今日の電子パッケージ
の多くのもので必要とされる高い回路密度の利用が可能
になる。上述のように、本発明は、薄膜で可撓性の回路
化基板と熱スプレッダとを組合せて、発熱性半導体装置
（たとえば、チップ）と熱シンクとの間に熱伝達のため
の堅実な手段を与える。本発明はこの有効な熱伝達を、
熱膨張係数が低く、熱伝導率が相対的に高い、大きな熱
スプレッダを使用することによって達成する。さらに装
置と熱スプレッダを相互接続するのに、熱膨張係数が低
く、対応する熱伝導率が高い接着剤が使用される。上述
のように、本発明の独自の構成によって、このようなパ
ッケージの組立てがかなり容易になり、従って本発明の
パッケージは量産に適する。

Ｆ０発明の硬化 本発明に従えば、半導体装置と熱シンク間に熱スプレッ
ダが介在して、熱の除去が増大された電子パッケージが
与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例に従う電子パッケージ
の断面図である。 第２図は第１図のパッケージの一部の拡大断面図である
。 第８図は、本発明の代替実施例の部分的断面図である。 第４図は、本発明の熱シンクの一部として使用できる脚
部の代替実施例の断面図である。 １０・・・・電子パッケージ、１１・・・・第１の回路
化基板、１８・・・・基板本体部分、１５・・・・回路
、１７・・・・半導体装置、１９・・・・第２の回路化
基板、３３・・・・熱シンク、３７・・・・熱スプレツ
タ、４１．５１・・・・接着剤

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）第１の回路化基板と、 （ｂ）上記第１の回路化基板とこの上に設けられる半導
   体装置との間に電気的結合を与える、可撓性を有する第
   ２の回路化基板と、 （ｃ）熱シンクと、 （ｄ）上記半導体装置から上記熱シンクへ増強された熱
   経路を与えるため、接着剤を使用して、夫々第１及び第
   ２の境界に沿つて上記半導体装置及び上記熱ジンクに固
   定された熱スプレツダとを有し、上記半導体装置、上記
   熱スプレツダ、及び上記第１の境界に沿つて上記熱スプ
   レツダを上記半導体装置に固定するのに使用される接着
   剤の熱膨張係数が略同じであることを特徴とする、 電子パッケージ。