JP2002110896A - 積層型マルチチップパッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層型マルチチップパッケージにおいて、放
熱用の別体の構成部品を設けることなく、適切に放熱可
能な構成を実現する。 【解決手段】 積層型マルチチップパッケージは、導体
パターン３ｂを有するフレキシブルプリント基板３に半
導体チップ４が実装されてなる複数個の半導体モジュー
ル１ａ〜１ｄが、それぞれ枠状のスペーサ２を介して積
層されており、隣接する半導体モジュール１ａ〜１ｄの
間に、基板３およびスペーサ２により囲まれた空間５が
形成されている。各々の基板３には、厚み方向に貫通す
る開口部３ｃが形成されており、この開口部３ｃを介し
て外部からの冷媒が空間内へ流通できるようになってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導体部を有する基
板とこの基板に実装された半導体素子とよりなる複数個
の半導体モジュールが、それぞれ枠状のスペーサを介し
て積層されてなる積層型マルチチップパッケージに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の積層型マルチチップ
パッケージとしては、特許第２７２８４３２号明細書に
記載のものが提案されている。このものは、導体部が形
成された基板（フレキシブルプリント基板等）に半導体
素子を実装してなる半導体モジュールを複数個備え、こ
れら複数個の半導体モジュールを枠状のスペーサを介し
て積層したもの（スタックモジュール）であり、容易に
高密度実装を実現できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記積
層型マルチチップパッケージにおいては、発熱の大きい
メモリチップやＭＰＵ（マイクロプロセッサ）等を積層
した場合、発熱密度が高くなる。また、隣接する半導体
モジュールの間には、基板およびスペーサにより囲まれ
た空間が形成されているが、この空間における空気の流
通は、基板及びスペーサによって阻害されるため、十分
な放熱ができないという問題があった。

【０００４】ちなみに、特許第２８０６３５７号明細書
においては、基板間をバンプによって接合した積層体構
造において、放熱性を向上させるべく各基板間に放熱用
のフィンを介在させた構造が提案されている。

【０００５】しかし、このようなフィンを設けたスタッ
クモジュールであっても、基板間の空間における空気の
流通が、基板によって阻害されることに変わりはない。
また、別体の構成部品としてのフィンが必要であり、コ
ストが高くなるという問題がある。

【０００６】本発明は上記問題に鑑み、積層型マルチチ
ップパッケージにおいて、放熱用の別体の構成部品を設
けることなく、適切に放熱可能な構成を実現することを
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に記載の発明では、導体部（３ｂ）を有す
る基板（３）とこの基板に実装された半導体素子（４）
とよりなる複数個の半導体モジュール（１ａ〜１ｄ）
が、それぞれ枠状のスペーサ（２）を介して積層されて
おり、隣接する半導体モジュールの間に、基板およびス
ペーサにより囲まれた空間（５）が形成されている積層
型マルチチップパッケージにおいて、各々の半導体モジ
ュールにおける基板に、厚み方向に貫通する開口部（３
ｃ）が形成されており、この開口部を介して外部からの
冷媒が空間内へ流通できるようになっていることを特徴
としている。

【０００８】本発明によれば、各半導体モジュールにお
いて基板に開口部を形成することにより、この開口部を
介して外部からの冷媒（空気等）が各半導体モジュール
間の空間を流通する。すると、この流通する冷媒によっ
て各半導体モジュールが冷却される。よって、放熱用の
別体の構成部品を設けることなく、適切に放熱可能な構
成を実現することができる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明によれば、ス
ペーサ（２）に、空間（５）と外部とを連通する切欠き
部（２ａ）が形成されていることを特徴としている。

【００１０】本発明によれば、各基板に形成された開口
部からだけでなく、スペーサに形成された切欠き部から
も、冷媒が上記空間内へ導入されるため、冷媒の流通を
より促進することができ、好ましい。

【００１１】また、請求項３に記載の発明によれば、半
導体モジュール（１ａ〜１ｄ）の積層方向の下層側から
上層側に行くに連れて、開口部（３ｃ）の開口面積が大
きくなっていることを特徴としている。

【００１２】本発明によれば、自然対流の様に、冷媒と
しての空気が上記積層方向の下層側から上層側へ向かっ
て流れる場合に、冷媒の流通を増進させることができ、
好ましい。具体的に、開口部の開口面積を大きくするに
は、１個の開口部の開口面積を大きくすることや、開口
部の数を多くしていくことで実現することができる。

【００１３】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。

【００１４】

【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積
層型マルチチップパッケージの概略断面構成を示す図で
ある。この積層型マルチチップパッケージは、複数個の
半導体モジュール１ａ〜１ｄを、それぞれ枠状のスペー
サ２を介して積層した積層体である。

【００１５】図１では、積層型マルチチップパッケージ
（積層体）は、４層の半導体モジュール１ａ〜１ｄを積
層した構成となっており、図中、４層の半導体モジュー
ルにおいては、符号を最下層側から１ａ（１層目）、１
ｂ（２層目）、１ｃ（３層目）、１ｄ（４層目、最上
層）と付してある。

【００１６】そして、本実施形態では、積層型マルチチ
ップパッケージは、図１中の上方を天側とし、下方を地
側として、最下層の半導体モジュール１ａの下側にある
スペーサ２を介して、プリント基板（図示せず）にはん
だ付け等により実装されるようになっている。

【００１７】各半導体モジュール１ａ〜１ｄは、ポリイ
ミド等により形成された可とう性の樹脂層（ベースフィ
ルム）３ａにＣｕ（銅）箔等により導体パターン（導体
部）３ｂを形成してなるフレキシブルプリント基板（以
下、単に基板という）３と、この基板３に実装された半
導体チップ（半導体素子）４とを備えており、ＴＣＰ
（テープキャリアパッケージ）をなしている。

【００１８】図１において、基板３は、上側の樹脂層３
ａと下側の導体パターン３ｂとの２層構造として示され
ている。また、半導体チップ４は、その電極部（図示せ
ず）が導体パターン３ｂに対して熱圧着やはんだ付け等
を用いて接合されており、半導体チップ４と導体パター
ン３ｂとは電気的に接続されている。ここで、導体パタ
ーン３ｂは、チップ接続リード及びアウタリード等より
なる。

【００１９】枠状のスペーサ２は、隣接する各半導体モ
ジュール１ａ〜１ｄ間において、基板３のうち半導体チ
ップ４が搭載されている領域の周辺部に配置され、各半
導体モジュール１ａ〜１ｄの間には、基板３およびスペ
ーサ２により囲まれた空間５が形成されている。

【００２０】このスペーサ２は、樹脂等よりなるもの
で、各スペーサ２と各基板３とは、熱圧着やはんだ付け
等により接合されている。また、各スペーサ２には、ス
ルーホールや導体等よりなる図示しない配線部が設けら
れており、各基板３は、介在するスペーサ２の配線部を
介して相互に電気的に接続され、基板３間の信号のやり
取り等が可能となっている。

【００２１】ここで、各々の半導体モジュール１ａ〜１
ｄにおける基板３には、その厚み方向に貫通する開口部
３ｃがエッチングやプレス加工等により形成されてお
り、これら開口部３ｃを介して各空間５は、互いに連通
するとともに外部と連通している。また、各スペーサ２
には、枠の一部を除去することにより空間５と外部とを
連通する切欠き部２ａが形成されている。なお、これら
開口部３ｃ及び切欠き部２ａの形状は限定されるもので
はない。

【００２２】そして、これら開口部３ｃ及び切欠き部２
ａを介して外部からの空気（冷媒）が上記空間５内へ流
通できるようになっている。本実施形態では、図１中の
上下がそのまま天地方向となっているため、空気の自然
対流により、空気は、下層側の空間５から開口部３ｃを
通って上層側の空間５へ流れ、最上層の開口部３ｃから
外部へ抜ける。

【００２３】図１においては、上記空気の流れを増進さ
せるために、半導体モジュール１ａ〜１ｄの下層側から
上層側に行くに連れて、開口部３ｃの開口面積が大きく
なっている。

【００２４】かかる積層型マルチチップパッケージ（積
層体）は、開口部３ｃが形成された基板３に半導体チッ
プ４を搭載することによって各半導体モジュール１ａ〜
１ｄを形成し、各半導体モジュール１ａ〜１ｄを、スペ
ーサ２を介して積層することにより形成することができ
る。

【００２５】そして、本実施形態によれば、各基板３に
開口部３ｃを形成することにより、この開口部３ｃを介
して外部からの空気（冷媒）が、自然対流により各半導
体モジュール１ａ〜１ｄ間の空間５を下方から上方へ流
通し、再び外部へ抜ける。すると、この流通する空気に
よって各半導体モジュール１ａ〜１ｄが冷却される。

【００２６】よって、本実施形態によれば、積層型マル
チチップパッケージにおいて、フィン等の放熱用の別体
の構成部品を設けることなく、適切に放熱可能な構成を
実現することができる。

【００２７】さらに、本実施形態によれば、スペーサ２
に、空間５と外部とを連通する切欠き部２ａが形成され
ている。それによれば、積層型マルチチップパッケージ
において最下層の基板３に形成された開口部３ｃからだ
けでなく、この切欠き部２ａからも、空気が空間５内へ
導入される。そのため、空気の流通をより促進すること
ができ、好ましい。

【００２８】ここで、上記の作用効果を鑑みて、開口部
３ｃは、全ての半導体モジュール１ａ〜１ｄに形成され
る必要があるが、切欠き部２ａは、少なくとも１つのス
ペーサ２に形成されるか、または形成されていなくても
良い。

【００２９】そして、本実施形態のように、空気の自然
対流を利用する場合には、切欠き部２ａを形成するにあ
たっては、少なくとも最下層以外のスペーサ２に切欠き
部２ａを形成することが好ましい。

【００３０】これは、もし、スペーサ２に切欠き部２ａ
が形成されず、基板３の開口部３ｃからのみ空気を導入
すると、積層体の下部からのみ空気が導入される形とな
る。その場合、上部に積層されたチップ４には下部のチ
ップ４によって加熱された空気しか供給されないために
冷却効果に大きな差異が生じる。しかし、少なくとも最
下層以外のスペーサ２に切欠き部２ａを形成すれば、上
部のチップ４にたいしても十分な冷却効果を与えること
が可能となる。

【００３１】また、本実施形態では、半導体モジュール
１ａ〜１ｄの積層方向の下層側から上層側に行くに連れ
て、開口部３ｃの開口面積が大きくなっているため、自
然対流によって空気が積層方向の下層側から上層側へ向
かって流れる場合に、空気の流通を増進させることがで
き、好ましい。

【００３２】また、このように空気の流れを増進させる
ことにより、積層体上部においてもスペーサ２の切欠き
部２ａからの空気の吸入を十分に進めることができる。
それによって、積層体下部の発熱によって空気の温度が
上昇したために発生する積層体上部での放熱効率の低下
を、効果的に抑制することができる。

【００３３】なお、このように開口部３ｃの開口面積を
積層方向の下層側から上層側へ向かって大きくしていく
ことは、図１のように、１個の開口部３ｃの開口面積を
大きくすることで実現しても良いが、開口面積を大きく
した場合に基板３の機械的強度を維持することが必要と
なってくるため、開口部３ｃの数を多くしていくことで
実現しても良い。

【００３４】図２は、上記のように開口部３ｃの開口面
積を大きくしていく構成の他の具体例を示す平面図であ
る。図２には、各々の半導体モジュール１ａ〜１ｄの平
面構成が示されており、また、各半導体モジュール１ａ
〜１ｄの下側に位置するスペーサ２及びスペーサ２に形
成された切欠き部２ａも破線にて示してある。

【００３５】なお、図２において、各半導体モジュール
１ａ〜１ｄにおいて開口部３ｃ以外の部位には、識別の
ためにハッチングを施してあるが断面を示すものではな
い。また、実際には、図中に示される平面的な位置関係
を維持したまま半導体モジュール１ａ〜１ｄを積層した
ものが、積層型マルチチップパッケージとして形成され
る。

【００３６】図２に示す具体例では、１層目１ａから３
層目１ｃに行くに連れて開口部３ｃの大きさを下層側に
比べて大きくすることにより開口面積を大きくしてい
き、４層目の半導体モジュール１ｄでは、３層目の半導
体モジュール１ｃに比べて開口部３ｃの数を増やすこと
により開口面積を大きくしている。この例においても、
上記した空気の流通の増進を実現できる。

【００３７】また、図２において、スペーサ２の切欠き
部２ａは、下層側から上層側に向かって矩形枠状のスペ
ーサ２の異なる辺に（例えば反時計回り）に形成され、
切欠き部２ａの配置を積層体の高さによって変化させて
いる。ここで、図１に示す積層型マルチチップパッケー
ジにおいても、このような反時計回りの切欠き部２ａの
配置となっている。なお、各スペーサ２において、切欠
き部２ａは複数個設けられていても良い。

【００３８】そして、図２に示すように切欠き部２ａの
配置を、積層体の高さによって変化させることにより、
積層体内部の空気の流れに回転力を与えることができ
る。そのため、積層体内部の空気が撹拌され、空気が単
純に自然対流によって上昇する場合よりも効果的に冷却
を行うことができる。

【００３９】また、この空気の回転力を与える別の方法
としては、図３に示す例のように、開口部３ｃの配置
を、各基板３の間で意図的に偏らせることで実現するこ
ともできる。図３に示す具体例では、スペーサ２の切欠
き部２ａの配置は各スペーサ２間で同一であるが、各基
板３の開口部３ｃの位置が偏っていることにより、空気
が積層体内部を上昇する際の力を利用して空気の撹拌が
なされる。なお、図３においても、切欠き部２ａの配置
を積層体の高さによって変化させてもよい。

【００４０】ここで、基板３の開口部３ｃの詳細構成に
ついて述べておく。上述したように、開口部３ｃは、エ
ッチングやプレス加工等により基板３に穴空けすること
により形成される。そのため、導体パターン３ｂは開口
部３ｃを迂回するように形成するが、図４に示す様に、
導体パターン３ｂを、開口部３ｃに残すこともできる。

【００４１】図４においては、基板３の樹脂層３ａに開
口部３ｃが形成され、この開口部３ｃを跨ぐように導体
パターン（図中、ハッチングにて図示）３ｂの橋が架け
られた状態となっている。そのため、開口部３ｃは、導
体パターン３ｂの存在によって、網目状または細いスリ
ット形状となっている。

【００４２】このような開口部３ｃは、予めパンチによ
るプレスやエッチング等で開口部３ｃを形成した樹脂層
３ａに対して、銅箔等により導体層を貼り付け、該導体
層をエッチング等で所望の形状にパターニングすること
により導体パターン３ｂを形成することができる。その
ため、通常のＴＣＰ用フレキシブル基板の形成工程を利
用して付加工程無しに形成でき、製造コストはほとんど
上昇しない。

【００４３】ここで、図４において、開口部３ｃに位置
する導体パターン３ｂが、半導体チップ４と電気的に接
続されていないダミーパターン（例えば、チップ４の放
熱用として用いられるもの）であっても良いが、導体パ
ターン３ｂが半導体チップ４と電気的に接続された配線
である場合には、この配線の自己発熱も半導体チップ４
の熱と同時に効果的に放熱させることができる。

【００４４】（他の実施形態）なお、本発明の基板とし
ては、フレキシブル基板に限定されるものではなく、そ
れ以外にもプリント基板、セラミック基板等でも良い。
また、冷媒としては、空気以外の気体または液体でも良
い。

【００４５】また、上記実施形態では、冷媒としての空
気は、自然対流によって下側から上側に向かって流れる
ものとしているが、例えば、強制的にファン等を用いて
送風する等の方法を施すことにより、積層体の上部の開
口部から空気等の冷媒を導入するようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る積層型マルチチップパ
ッケージの概略断面図である。

【図２】上記実施形態における開口部構成の他の具体例
を示す概略平面図である。

【図３】上記実施形態における開口部構成のもう一つの
他の具体例を示す概略平面図である。

【図４】開口部の拡大構成図である。

【符号の説明】

１ａ〜１ｄ…半導体モジュール、２…スペーサ、２ａ…
切欠き部、３…フレキシブルプリント基板、３ｂ…導体
パターン、３ｃ…開口部、４…半導体チップ、５…空
間。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導体部（３ｂ）を有する基板（３）とこ
   の基板に実装された半導体素子（４）とよりなる複数個
   の半導体モジュール（１ａ〜１ｄ）が、それぞれ枠状の
   スペーサ（２）を介して積層されており、 隣接する前記半導体モジュールの間に、前記基板および
   前記スペーサにより囲まれた空間（５）が形成されてい
   る積層型マルチチップパッケージにおいて、 各々の前記半導体モジュールにおける前記基板には、厚
   み方向に貫通する開口部（３ｃ）が形成されており、こ
   の開口部を介して外部からの冷媒が前記空間内へ流通で
   きるようになっていることを特徴とする積層型マルチチ
   ップパッケージ。
2. 【請求項２】 前記スペーサ（２）には、前記空間
   （５）と外部とを連通する切欠き部（２ａ）が形成され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の積層型マルチ
   チップパッケージ。
3. 【請求項３】 前記半導体モジュール（１ａ〜１ｄ）の
   積層方向の下層側から上層側に行くに連れて、前記開口
   部（３ｃ）の開口面積が大きくなっていることを特徴と
   する請求項１または２に記載の積層型マルチチップパッ
   ケージ。