JP2003124411A - 半導体パッケージ - Google Patents
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Abstract
均一に分散させる半導体パッケージを提供する。 【解決手段】 CPUチップのようなチップ120の駆
動中に発生するホットスポットよる性能低下を防止し、
チップ120、TIM156、蓋体140の間のインタ
フェースに熱的機械的ストレスを吸収する半導体パッケ
ージ200を提供する。前記チップ120は電気的に連
結され、例えばパッケージ基板110にフリップチップ
ボンディングされる。蓋体140は、蓋体140とチッ
プ120との間に挿入されたTIM156により、チッ
プ120の裏面に配置され、熱的に連結される。
Description
の分野に関するものであるが、より詳しくは、半導体チ
ップパッケージに関するものである。
と半導体パッケージとの電気的な接続に用いられてい
た。フリップチップ技術は、高速半導体装置に用いられ
ている。フリップチップ技術を用いて形成された半導体
パッケージの構造は、蓋体(lid)が取付けられている
タイプと、蓋体のないタイプの2種類がある。蓋体が取
付けられているタイプは、一般に、多くの熱を発生させ
る高周波用CPUチップを内蔵した半導体パッケージに
適用される。蓋体のないタイプは、一般に、相対的に少
ない熱を発生させる低周波用CPUチップに適用され
る。
半導体パッケージ100を示している。CPUチップ2
0の電極バンプ24は、フリップチップ技術を用いて基
板10の上部面12に貼付けられている。CPUチップ
20は蓋体40で被覆されている。複数の外部接続ピン
30は、CPUチップ20と電気的に連結され、基板1
0の下部面14から突出している。エポキシ樹脂52
は、CPUチップ20と基板10との間の領域に充填さ
れ、アンダフィル(under-fill)接着剤を形成する。
成されている。蓋体40を介して熱放出能力を最大化す
るために、蓋体40の底面42とCPUチップ20の裏
面との間に熱媒介物質(thermal interface material;
以下、TIMと記す)56が挿入されている。非伝導性
接着剤(例えば、非伝導性の熱硬化性シリコン系接着
剤)54は、蓋体40を基板10の上部面12に貼付け
るために、封止剤として使用されている。非伝導性接着
剤54を基板10の外周に塗布した後、蓋体40が貼付
けられ、非伝導性接着剤54が硬化する。従って、CP
Uチップ20が実装された空間が封止される。
mal grease type)材料と、エポキシやはんだのような
リジッドタイプ(rigid type)材料とがある。サーマル
グリースタイプは1〜6W/mKの熱伝導度を有し、エ
ポキシは10〜25W/mKの熱伝導度を有し、はんだ
は25〜80W/mKの熱伝導度を有する。
TIM56は蓋体40とCPUチップ20との間に挿入
されている。このような配置において、損害は使用され
たTIM56のタイプにより発生する。CPUチップに
おいて、最近、単一チップタイプのキャッシュSRAM
がシステム内でインタフェース速度を向上させるために
使用されている。この場合、ホットスポット(hot spo
t)のような局地的な熱的ストレスが起こる可能性があ
る。ここで、ホットスポットとは、過度の熱が発生した
局部をいう。デバイスパワーが増加するほどホットスポ
ットのサイズ及び/又は個数は増加する。パワーが所定
のレベルに達すると、ホットスポットは、他の熱的スト
レス因子の中で一番大きな影響を及ぼす。従って、この
ようなホットスポットはCPUチップ20の性能を低下
させる可能性がある。CPUチップ20の性能低下を防
止するためには、ホットスポットから発生した熱をCP
Uチップ20の全体に均一に分散させ、CPUから放出
させなければならない。しかしながら、従来のTIM5
6は、上記の必要なレベルに熱を分散する十分な熱分散
能力を有していない。
蓋体40とCPUチップ20間の熱的機械的ストレスを
吸収するが、熱放出能力は劣る。一方、はんだのような
リジッドタイプのTIM56は、優れた熱放出能力を有
しているが、蓋体40とCPUチップ20間の熱的機械
的ストレスを吸収する能力が劣る。その結果、TIM5
6自体またはCPUチップ20内にクラックが生じ得
る。このような熱的機械的ストレスは、蓋体40、CP
Uチップ20及びTIM56間の熱膨脹係数(coeffici
ents of thermal expansion;以下、CTEと記す)の
差異に起因する。通常、このCTEの差異を「CTE mism
atch」という。
械的ストレスを吸収するための改善された構造を有する
半導体パッケージが必要である。
発生するチップの全体にその熱を均一に分散させる半導
体パッケージを提供する。また、本発明は、チップ、T
IM及び蓋体の間のインタフェースに発生した熱的機械
的ストレスを吸収する半導体パッケージを提供する。
ば、半導体パッケージは、チップの駆動中にホットスポ
ット効果を防止するために、蓋体とチップとの間に位置
した熱分散手段を有する。半導体パッケージは、チップ
の裏面に配置した蓋体を有し、チップの裏面に熱的に連
結されている。TIMも蓋体とチップとの間に位置して
いる。TIMは熱分散手段の上に、蓋体の直下に形成す
ることができる。なお、例えば、TIMはチップの上
に、熱分散手段の直下に形成される。
伝導度を有し、4.0以下の熱膨張係数を有する。本発
明の他の実施例によれば、熱分散手段は、チップの活性
面を除いたチップの外面の周りに形成された熱分散カバ
ーの形態であっても良く、またTIMと対向する蓋体の
底面に形成された熱分散層の形態であっても良い。充填
剤は、チップに発生した熱的機械的ストレスを分散させ
るために、蓋体と基板との間に充填することができる。
添付の図面を参照して説明する。図3は、本発明の第1
実施例において、蓋体140とCPUチップ120との
間に熱分散カバー160を有する半導体パッケージ20
0の断面図である。図4は、CPUチップ120の外周
に沿って形成された、図3に示した熱分散カバー160
の部分切欠斜視図である。
120は、フリップチップボンディングまたは他の好適
な方法を用いて、基板110の上部面112に貼り付け
られ、蓋体140により被覆されている。TIM156
は、蓋体140とCPUチップ120の間に位置してい
る。CPUチップ120と電気的に連結された複数の外
部接続ピン130は、基板110の下部面114から突
出している。エポキシ樹脂152は、CPUチップ12
0と基板110との間に充填され、アンダフィル接着剤
を形成する。
ケージ200は、CPUチップ120の活性面を除いた
CPUチップ120の外周に沿って、熱分散カバー16
0で被覆されたCPUチップ120を備える。熱分散カ
バー160は、ホットスポットに発生した熱をCPUチ
ップ120の全域に均一に分散させ、外部に放出するこ
とにより、ホットスポットによるCPUチップ120の
性能低下を防止する。熱分散カバー160は、1000
W/mK以上の熱伝導度を有し、4.0以下の熱膨張係
数を有するダイアモンド、黒鉛、合成シリコンからなる
ことが好ましい。熱分散カバー160は、例えば、焼
結、インジェクションモルディング(injection moldin
g)、ダイキャスティング(die casting)などの方法に
より形成される。
ップチップボンディングされる。熱分散カバー160を
有するCPUチップ120は、基板110の上部面11
2の基板パッド116に実装される。その後、350〜
360℃で約100秒間リフロー工程が行なわれる。C
PUチップ120と基板110との間のスペースは、ア
ンダフィリング方法を用いて、所定の温度で液状のエポ
キシ樹脂152により充填される。その後、エポキシ樹
脂152は、所定の温度で硬化される。
配線基板であって、印刷回路基板、セラミック基板、テ
ープ配線基板などがある。CPUチップ120の電極バ
ンプ124に電気的に連結された基板パッド116は、
基板110の上部面112に形成されている。基板11
0は、基板パッド116と外部接続ピン130とを連結
する配線パターン(図示せず)を含む。基板110の下
部面114には、外部接続ピン130が形成されてい
る。ピンタイプの外部接続端子の代わりに、ボールタイ
プの外部接続端子または本発明の原理を履行するのに適
した他の接続端子を使用することができる。
が優れた導電性金属、例えばCu、Al、CuW、Al
SiC、AlN、BeOから構成され、表面に例えば、
Ni、Au、Ag、Sn、Crなどの導電性金属をコー
ティングする。蓋体140は、CPUチップ120を収
納するために、内側にチップ実装空間148を有する。
蓋体140の外壁部分は、基板110の上部面112に
貼付けられている。
分は、酸化及び汚染を防止するために、(Ti、Cr)
/Ni/(Au、Ag)を有する保護層を含むことができ
る。前記接触部は、陽極処理工程(anodizing proces
s)により形成することができる。本明細書において、
多層の金属層は、「A(B)/(C)/D」で表現し、
「/」は層間の金属を示す。A(B)は、Aが形成され
ているが、Aの代りにBを形成することもできることを
意味する。(C)は、Cを形成してもしなくても良いこ
とを意味する。
るために、TIM156は、蓋体の140の底面142
とCPUチップ120の裏面との間に挿入される。TI
M156としては、ディスペンシング方法(dispensing
method)を用いて塗布できるサーマルグリースタイプ
またはリジッドタイプを使用することができる。TIM
として、Pb、Sn、In、Ag、Bi、Sb、Auを
基本材料とするはんだが使用される場合、はんだとの良
好な接着性のために、蓋体140の底面142及び熱分
散カバー160の上部面には、Ti(Cr)/VNi/A
u(Ag)のような金属基底層(以下、UBMと記す)
を形成することが好ましい。一方、サーマルグリースタ
イプの場合には、UBMを必要としない。
プ実装空間148内に含まれるように、基板110の上
部面112に非伝導性接着剤154により貼付けられて
いる。非伝導性接着剤154としては、非伝導性の熱硬
化性シリコン系接着剤が好ましい。すなわち、非伝導性
接着剤154は、蓋体140が貼付けられるべき領域に
塗布されている。蓋体140を貼付け、接着剤を硬化さ
せる。従って、CPUチップ120実装領域は気密に封
止される。非伝導性接着剤154の硬化工程は、例えば
100〜150℃で約1時間行なわれる。
160は、CPUチップ120の外周を取り囲むことに
より熱伝導性が優れるので、CPUチップ120の駆動
中に発生するホットスポットから熱を分散する。これに
より、ホットスポットによる性能不良を防止することが
できる。また、熱分散カバー160は、熱膨張係数の低
い材料を含み、TIM156と蓋体140との間に熱的
機械的ストレスを吸収することができる。
実装空間148を有する蓋体140を使用したが、チッ
プ実装空間148のない板状の蓋体を使用しても良い。
板状の蓋体は、補強リングまたは台を基板110の外周
に沿って配置した後、補強リング及びCPUチップ12
0の裏面に配列される。
明の実施例では、ホットスポット効果を防止するため
に、熱分散カバー160をCPUチップ120の活性面
を除いたCPUチップ120の外面の周りに形成した
が、図5及び図6に示すように、熱分散層260を蓋体
240の底面242に形成しても良い。
220は、電気的に連結され、例えば基板210の上部
面212にフリップチップボンディングされ、蓋体24
0により被覆されている。TIM256は、蓋体240
とCPUチップ220の裏面との間に形成されている。
熱分散層260は、蓋体240の底面242に形成さ
れ、TIM256と接触している。
60は、ホットスポットから熱を分散し、CPUチップ
220から外部に放出するという点において、上述の実
施例の熱分散カバー160と略同一である。CPUチッ
プ220の性能低下を防止する。熱分散層260は、熱
分散カバー160と同一材料で構成されても良い。蓋体
240上に熱分散層260を形成するために、UBM2
62を熱分散層260の形成前に形成することが好まし
い。UBM262は、蓋体240を形成するのに使用さ
れた材料に応じて、例えば陽極処理法、メッキ法、スパ
ッタリング、蒸着法などで形成することが好ましい。例
えば、蓋体240がAlから形成される場合、UBM2
62は陽極処理法で形成することが好ましい。蓋体24
0がCu、CuW、AlSiC、CuMoから形成され
る場合、UBM262はメッキ法で形成することが好ま
しい。また、蓋体240がSi、SiO2、Al
2O3、AlN、BeOから形成される場合、UBM2
62はスパッタリングまたは蒸着法で形成することが好
ましい。本実施例において、UBM262は、例えばC
r(Ti)/(V7Ni93)/Au(Ag、Pd)、C
r/Ni/Cu/Ag(Au、Pd)、TiW/VNi/A
u(Ag)、Ni/Au(Ag、Pd)のような従来の
はんだ又は金バンプに使用されたUBMと同じでも良
い。
0の部分は、酸化及び汚染を防止するために、その上に
Ni/(Au、Ag)または(Ti、Cr)/Ni/(A
u、Ag)のような保護層を有することが好ましい。
Bi、Sb、Auを基礎とするはんだが使用される場
合、良好な接着性のために、蓋体240の熱分散層26
0とCPUチップ220の裏面との間に、Ti(Cr)
/VNi/Au(Ag)のようなUBMを形成することが
好ましい。
熱分散層260を形成したが、図7及び図8に示すよう
に、蓋体340を製造する段階で熱分散層360を形成
しても良い。
散層360は、焼結、インジェクションモルディングま
たはダイキャスティングを用いて、蓋体340の形成時
に蓋体340と一体に形成される。本実施例の半導体パ
ッケージ400の構造は、上述の実施例と略同一であ
る。従って、詳細な説明は省略する。
タイプの半導体パッケージが示されているが、図9に示
すように、板状の蓋体440を使用しても良い。
電気的に連結され、例えば基板410の上部面412に
フリップチップボンディングされ、蓋体440により被
覆されている。TIM456は、蓋体440とCPUチ
ップ420との間に挿入されている。蓋体440は、板
状であって、熱分散層460と一緒に形成されている。
熱分散層460は、蓋体440の底面442に形成さ
れ、TIM456と接触している。
は、充填剤470で充填されている。充填剤は、エポキ
シモルディング化合物(epoxy molding compound)、ア
ンダフィリング用エポキシ、シリコンなどがある。充填
剤はCPUチップ420に加わる熱的機械的ストレスを
分散する。
フィリング工程無しに、直接、充填剤470により充填
され、また、蓋体440と基板410との間のスペース
は、アンダフィリング工程の後、充填剤470により充
填される。
ることなく、他の種々の形態で実施することができる。
前述の実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明ら
かにするものであって、そのような具体例のみに限定し
て狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と
特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施すること
ができるものである。例えば、熱分散カバーを有するC
PUチップを、フリップチップボンディングまたは他の
適した方法により、基板に貼付けても良い。板状の蓋体
を被覆しても良い。その後、充填剤を蓋体と基板との間
のスペースに充填する。また、板状の蓋体の底面に熱分
散カバーを有する蓋体を、半導体パッケージに適用して
も良い。上述の実施例ではCPUチップに関して説明し
たが、従来の技術の当業者には、本発明の原理が、多く
の熱を発生させる他のタイプの半導体チップに適用でき
るということが自明なことである。
多くの熱を発生するチップの全体にその熱を均一に分散
させる半導体パッケージを提供することができる。ま
た、チップ、熱媒介物質及び蓋体の間のインタフェース
に発生した熱的機械的ストレスを吸収する半導体パッケ
ージを提供することができる。
図である。
プとの間に熱分散カバーを有する半導体パッケージを示
す断面図である。
3に示した熱分散カーの部分切欠斜視図である。
分散層が形成された半導体パッケージを示す断面図であ
る。
る。
分散層が形成された半導体パッケージを示す断面図であ
る。
る。
分散層が形成された半導体パッケージであって、蓋体と
基板の間の空間に充填剤が充填されたことを示す断面図
である。
ジ基板) 12、112、212、412 上部面 14、114 下部面 120、220、320、420 CPUチップ
(チップ) 24、124 電極バンプ 130、230、330、430 外部接続ピン 140、240、340、440 蓋体 156、256、356、456 TIM 200、300、400、500 半導体パッケー
ジ 160 熱分散カバー(熱分散手段) 260、360、460 熱分散層(熱分散手段) 262 UBM
Claims (15)
- 【請求項1】 活性面及び外面を有し、該活性面上に形
成された複数の電極バンプを有するチップと、 上部面及び該上部面に対向する下部面を有し、該上部面
に前記チップが電気的に連結されているパッケージ基板
と、 前記チップの上部面に配置され、前記チップから発生す
る熱を放出する蓋体と、 前記チップと前記蓋体との間に挿入され、前記チップか
ら発生する熱を前記蓋体に伝達する熱媒介物質(TI
M)と、 前記TIMと隣接し、前記チップと前記蓋体との間に挿
入されて熱を分散する熱分散手段と、を備えることを特
徴とする半導体パッケージ。 - 【請求項2】 前記熱分散手段は、ダイアモンド、黒
鉛、合成シリコンよりなる群から選ばれることを特徴と
する請求項1に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項3】 前記熱分散手段は、前記チップの前記活
性面を除いた前記チップの前記外面の周りに形成された
熱分散カバーであることを特徴とする請求項2に記載の
半導体パッケージ。 - 【請求項4】 前記TIMは、はんだであって、前記蓋
体の底面と前記熱分散カバーの下部面との間にUBM
(Under Barrier Metal)をさらに備えることを特徴と
する請求項3に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項5】 前記熱分散手段は、前記TIMと対向す
る前記蓋体の下部面に形成された熱分散層であることを
特徴とする請求項2に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項6】 前記蓋体と前記熱分散層との間にUBM
をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の半導
体パッケージ。 - 【請求項7】 前記蓋体は、アルミニウムから形成さ
れ、前記UBMは、陽極処理法(anodizing method)に
より形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導
体パッケージ。 - 【請求項8】 前記蓋体は、Cu、CuW、AlSiC
又はCuMoから形成され、前記UBMは、メッキ法に
より形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導
体パッケージ。 - 【請求項9】 前記蓋体は、Si、SiO2、Al2O
3、AlN又はBeOから形成され、前記UBMは、ス
パッタリングまたは蒸着法により形成されることを特徴
とする請求項6に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項10】 前記TIMは、はんだであって、前記
UBMは、前記蓋体の熱分散層及び前記チップの裏面に
形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体パ
ッケージ。 - 【請求項11】 前記蓋体と前記基板との間のスペース
は、充填剤で充填されていることを特徴とする請求項1
に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項12】 フリップチップボンディングされた前
記チップ及び前記基板は、アンダフィリング方法により
提供されたエポキシ樹脂で充填されることを特徴とする
請求項11に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項13】 前記基板の前記下部面から延び、前記
チップと電気的に連結された外部接続端子をさらに備え
ることを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケー
ジ。 - 【請求項14】 前記チップは、フリップチップ技術を
用いて前記基板と電気的に連結されることを特徴とする
請求項1に記載の半導体パッケージ。 - 【請求項15】 前記熱分散手段は、約1000W/m
K以上の熱伝導度を有し、約4.0以下の熱膨張係数を
有する材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の半
導体パッケージ。
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