JP2007281043A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のチップを用いた半導体装置である積層型半導体装置に関する。 The present invention relates to a stacked semiconductor device that is a semiconductor device using a plurality of chips.
携帯情報機器等の小型、軽量化に伴って、半導体装置パッケージの高密度化、小型化、薄型化が要求されている。これらの要求に応えるために、半導体装置を重ねて多段に搭載した積層型の半導体装置が開発されている。 As portable information devices and the like become smaller and lighter, semiconductor device packages are required to have higher density, smaller size, and thinner thickness. In order to meet these demands, a stacked semiconductor device in which semiconductor devices are stacked in multiple stages has been developed.
さらに、半導体装置の微細プロセス化に伴なうトランジスタ数の増加や半導体素子を高密度で配置することより、半導体素子から発生する熱が半導体装置内に滞留し半導体素子の誤動作が発生やすくなっている。この問題を解消し、半導体素子の安定動作を目的とした放熱構造が提案されている。 Furthermore, the increase in the number of transistors accompanying the miniaturization of semiconductor devices and the high density arrangement of semiconductor elements make it easier for heat generated from the semiconductor elements to stay in the semiconductor device and cause malfunctions of the semiconductor elements. Yes. There has been proposed a heat dissipation structure that solves this problem and aims at stable operation of a semiconductor element.
図5は従来の積層型半導体装置を示す。
従来の積層型半導体装置では、各々の半導体素子201,203から発生する熱は、モジュール基板202,204、はんだボール206などを介して、マザー基板205へと熱を伝達させて放熱している。207は放熱用ビア、208は熱伝導材である。
In the conventional stacked semiconductor device, heat generated from each of the
しかしながら、従来の積層した半導体装置では、積層した半導体装置全体に熱が伝わるため、積層した半導体装置の中で、ひとつでも熱の保証温度が低い半導体素子が含まれていると、均一に伝わった半導体装置の熱で、保証温度の低い半導体素子が正常に動作しなくなる。 However, in the conventional stacked semiconductor device, heat is transmitted to the entire stacked semiconductor device. Therefore, even if one of the stacked semiconductor devices includes a semiconductor element having a low guaranteed temperature of heat, it is transmitted uniformly. Due to the heat of the semiconductor device, a semiconductor element having a low guaranteed temperature does not operate normally.
本発明は、前記課題を解決するもので、温度保証が高い半導体装置と温度保証が低い半導体装置を積層させた状態においても、温度保証が低い半導体装置が熱による誤動作を起こさず、安定した動作を期待できる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problem, and even in a state where a semiconductor device with a high temperature guarantee and a semiconductor device with a low temperature guarantee are stacked, the semiconductor device with a low temperature guarantee does not cause malfunction due to heat and operates stably. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be expected.
本発明の請求項1記載の半導体装置は、基板の表面側に半導体素子を実装した半導体装置を二つ以上の複数段積層した半導体装置であって、前記複数段積層した最上段に搭載した半導体装置の基板の表面に実装された半導体素子の搭載部を除外した領域に熱伝導体を設け、この熱伝導体を介して放熱体を前記基板に熱結合したことを特徴とする。 The semiconductor device according to claim 1 of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor device having a semiconductor element mounted on the surface side of a substrate is stacked in two or more stages, and is mounted on the uppermost stage in which the plurality of stages are stacked. A heat conductor is provided in a region excluding the mounting portion of the semiconductor element mounted on the surface of the substrate of the apparatus, and a heat radiator is thermally coupled to the substrate via the heat conductor.
本発明の請求項2記載の半導体装置は、請求項1において、前記放熱体と前記半導体素子の表面との間に熱伝導を抑制する断熱層または空気層を設けたことを特徴とする。
本発明の請求項3記載の半導体装置は、請求項1において、前記放熱体と前記半導体素子の表面とが熱伝導を抑制する断熱層を介して接触していることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, a heat insulating layer or an air layer for suppressing heat conduction is provided between the heat radiator and the surface of the semiconductor element.
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the heat radiator and the surface of the semiconductor element are in contact with each other through a heat insulating layer that suppresses heat conduction.
本発明の請求項4記載の半導体装置は、基板の表面側に半導体素子を実装した半導体装置を二つ以上の複数段積層した半導体装置であって、最上部に搭載された半導体装置よりも下層に搭載される第1の半導体装置に発熱する第1の半導体素子を実装し、前記第1の半導体素子の直上に搭載される第2の半導体装置の基板の裏面に形成した伝熱用パッドと前記第1の半導体素子とを伝熱層を介して接触させるとともに、前記第1の半導体素子の直上に搭載する第2の半導体装置の基板の裏面に形成した前記伝熱用パッドでない領域で、かつ前記基板と前記伝熱層との間に断熱層を形成したことを特徴とする。 The semiconductor device according to claim 4 of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor device having a semiconductor element mounted on the surface side of a substrate is laminated in two or more stages, and is lower than the semiconductor device mounted on the uppermost part. A heat transfer pad formed on the back surface of the substrate of the second semiconductor device mounted on the first semiconductor element mounted on the first semiconductor device mounted on the first semiconductor device; In a region that is not in contact with the first semiconductor element via the heat transfer layer and that is not the heat transfer pad formed on the back surface of the substrate of the second semiconductor device mounted immediately above the first semiconductor element, In addition, a heat insulating layer is formed between the substrate and the heat transfer layer.
本発明の請求項5記載の半導体装置は、請求項2または請求項3において、最上段に形成した半導体装置よりも下段に搭載した半導体装置の方が、動作時の半導体装置表面の温度が高くなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the second or third aspect, the temperature of the semiconductor device surface during operation is higher in the semiconductor device mounted in the lower stage than in the semiconductor device formed in the uppermost stage. It is characterized by becoming.
本発明の半導体装置は、保証温度の異なる半導体装置を積層させた場合においても、保証温度の低い半導体素子には他の半導体装置からの熱が伝わらないとすることができ、安定した半導体素子の動作を得ることができる。 The semiconductor device of the present invention can prevent heat from other semiconductor devices from being transferred to a semiconductor element having a low guaranteed temperature even when semiconductor devices having different guaranteed temperatures are stacked. You can get action.
以下、本発明の各実施の形態を図1〜図4に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1の積層型半導体装置を示している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a stacked semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
第1の半導体装置101は、保証温度の低い半導体素子1aが、Auバンプやはんだなどの突起電極2aを用いてフリップチップ方式にて第1のモジュール基板3aに実装されている。この第1のモジュール基板3aの裏面には、はんだボール4aが設けられており、このはんだボール4aを用いてマザー基板12と接合されている。
In the
さらに、第1のモジュール基板3aの上面に形成された電極6aは、第1のモジュール基板3aの下面に形成されたはんだボール4aと貫通ビア5aを介して接続されている。保証温度の低い半導体素子1aから発生する熱は、Auバンプやはんだなどの突起電極2aを介し、第1のモジュール基板3a,貫通ビア5a、はんだボール4a、マザー基板12へという伝熱経路にて放熱される。
Furthermore, the
第2の半導体装置102は、発熱量の大きい半導体素子1bが、Auバンプやはんだなど突起電極2bを用いてフリップチップ方式にて第2のモジュール基板3bに実装されている。この第2のモジュール基板3bの裏面には、はんだボール4bが設けられており、このはんだボール4bを用いて第1の半導体装置101の電極6aと接合されている。
In the
さらに第2の半導体装置102の上面の電極6bには、熱伝導ならびに放熱性が良好な放熱体としての金属板10が、絶縁材で出来た熱伝導度の良い伝熱ボール8を熱伝導体として用いて接合されている。この伝熱ボール8は半導体素子1bの搭載部を除外した領域に設けられている。金属板10は、伝導度の良い伝熱材11を介して半導体素子1bに熱結合されており、半導体素子1bから発熱する熱量を金属板10から放熱する。また、熱の一部は金属板10から伝熱ボール8へと伝わり、電極6bと貫通ビア5bを介してはんだボール4bなどへと伝わり、さらに第1の半導体装置101からマザー基板12と接続しているはんだボール4aへと熱が伝わることで、マザー基板12へ放熱する伝熱経路も有している。
Further, the
このとき、保証温度の低い半導体素子1aの裏面には、第2の半導体素子1bの熱が伝わらないように断熱材7が設けられている。第2のモジュール基板3bの裏面及び内層には、伝熱用パッドとしての金属パターン9などで第2の半導体装置102のはんだボール4bの電極へと熱が伝わる構造をとることが望ましい。
At this time, the
なお、図1は2段積層の積層型半導体装置の放熱構造であるが、これに限らず、3段以上に半導体装置を積層した積層型半導体装置についても同様に放熱構造をとることが可能である。 Note that FIG. 1 shows a heat dissipation structure of a two-layer stacked semiconductor device. However, the present invention is not limited to this, and a heat dissipation structure can be similarly applied to a stacked semiconductor device in which semiconductor devices are stacked in three or more stages. is there.
(実施の形態2)
図2は本発明の実施の形態2の積層型半導体装置を示している。
実施の形態1では保証温度の低い半導体素子1aが第1層目の第1の半導体装置101に実装されており、第2層目の第2の半導体装置102に発熱量の大きい半導体素子1bが実装されていたが、この実施の形態2では、発熱量の大きい半導体素子1bが第1層目の第1の半導体装置103に実装され、保証温度の低い半導体素子1aが第2層目の第2の半導体装置104に実装されている点が異なっている。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a stacked semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
In the first embodiment, the
さらに、第2層目の第2の半導体装置104の電極6bには、熱伝導ならびに放熱性が良い金属板10が、絶縁材で出来た熱伝導度の良い伝熱ボール8を用いて接合されている。金属板10と保証温度の低い半導体素子1aとの間には、断熱材7bが設けられており、第1の半導体装置103から金属板10へと伝わった熱が保証温度の低い半導体素子1aへ伝わらないように構成されている。またこの断熱材7bは、空気層としても有効である。
Further, the
さらに、半導体素子1bの直上に搭載する第2の半導体装置104の第2のモジュール基板3bの裏面に形成した伝熱用パッドとしての金属パターン9でない領域で、かつ第2のモジュール基板3bと伝熱層としての断熱材11との間に断熱層としての断熱材7aが設けられている。その他は実施の形態1と同じである。
Further, the region is not the
また、この実施の形態では上層に形成した半導体装置104よりも下層に搭載した半導体装置103の方が、動作時の半導体装置表面の温度が高い。
(実施の形態3)
図3は本発明の実施の形態3の積層型半導体装置を示している。
In this embodiment, the temperature of the semiconductor device surface during operation is higher in the
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a stacked semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
実施の形態1の第1の半導体装置101における半導体素子1aと第2の半導体装置102における半導体素子1bとはフリップチップ方式にて実装されていたが、この実施の形態3では、保証温度の低い半導体素子1aが、第1層目の第1の半導体装置105の第1のモジュール基板3aの上面に実装されて、Au線13aによるワイヤボンド方式などにより電気接続されている。さらに、半導体素子1aとAu線13aとがトランスファー方式や印刷、ポッティング樹脂などで形成した封止材14aによって封止されている。第2層目の第2の半導体装置106の第2のモジュール基板3bと封止材14aの間には、断熱材7が介装されており、封止材14aは断熱材7を介して第2のモジュール基板3bの下面に形成された金属パターン9に接触している。
The
また、発熱量の大きい半導体素子1bが第2層目の第2の半導体装置106の第2のモジュール基板3bの上面に実装されて、Au線13bによるワイヤボンド方式などにより電気接続されている。さらに、半導体素子1bとAu線13bとがトランスファー方式や印刷、ポッティング樹脂などで形成した封止材14bによって封止されている。封止材14bは伝導度の良い伝熱材11を介して金属板10に接触して熱結合されている。その他は実施の形態1と同じである。
Further, the
(実施の形態4)
図4は本発明の実施の形態4の積層型半導体装置を示している。
実施の形態2の第1の半導体装置103における半導体素子1bと第2の半導体装置1104における半導体素子1bとはフリップチップ方式にて実装されていたが、この実施の形態4では、発熱量の大きい半導体素子1bが第1層目の第1の半導体装置107の第1のモジュール基板3aの上面に実装されて、Au線13aによるワイヤボンド方式などにより電気接続されている。さらに、半導体素子1aとAu線13aとがトランスファー方式や印刷、ポッティング樹脂などで形成した封止材14aによって封止されている。第2のモジュール基板3bと封止材14aの間には、伝熱材11が介装されている。
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows a stacked semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
The
保証温度の低い半導体素子1aが、第2層目の第2の半導体装置108の第2のモジュール基板3bの上面に実装されて、Au線13bによるワイヤボンド方式などにより電気接続されている。さらに、半導体素子1bとAu線13bとがトランスファー方式や印刷、ポッティング樹脂などで形成した封止材14bによって封止されている。封止材14bと金属板10の間には、断熱材7bが介装されている。断熱材7bは、空気層としても有効である。その他は実施の形態2と同じである。
The
上記の各実施の形態において、2段積層の積層型半導体装置を説明したが、これに限らず、3段以上に半導体装置を積層した積層型半導体装置についても同様に放熱構造をとることが可能である。その場合、図1と図2とを組み合わせた場合にも有効である。 In each of the above embodiments, a two-layer stacked semiconductor device has been described. However, the present invention is not limited to this, and a heat dissipation structure can be similarly applied to a stacked semiconductor device in which semiconductor devices are stacked in three or more stages. It is. In that case, it is also effective when FIG. 1 and FIG. 2 are combined.
本発明は、保証温度の低い半導体素子を有する積層型半導体装置の放熱構造として有用である。 The present invention is useful as a heat dissipation structure for a stacked semiconductor device having a semiconductor element with a low guaranteed temperature.
1a 保証温度の低い半導体素子
1b 発熱量の大きい半導体素子
2a,2b 突起電極
3a,3b 第1,第2のモジュール基板
4a,4b はんだボール
5a,5b 貫通ビア
6a,6b 電極
7,7a,7b 断熱材
8 伝熱ボール
9 金属パターン
10 放熱板
11 伝熱材
12 マザー基板
13a,13b Au線
14a,14b 封止材
101,103,105,107 第1の半導体装置
102,104,106,108 第2の半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数段積層した最上段に搭載した半導体装置の基板の表面に実装された半導体素子の搭載部を除外した領域に熱伝導体を設け、この熱伝導体を介して放熱体を前記基板に熱結合した
半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor device having a semiconductor element mounted on the surface side of a substrate is laminated in two or more stages,
A heat conductor is provided in a region excluding the mounting portion of the semiconductor element mounted on the surface of the substrate of the semiconductor device mounted on the uppermost layer stacked in a plurality of stages, and the heat radiator is heated to the substrate via the heat conductor. Combined semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a heat insulating layer or an air layer for suppressing heat conduction is provided between the heat radiator and the surface of the semiconductor element.
請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the heat radiator and the surface of the semiconductor element are in contact with each other via a heat insulating layer that suppresses heat conduction.
最上部に搭載された半導体装置よりも下層に搭載される第1の半導体装置に発熱する第1の半導体素子を実装し、前記第1の半導体素子の直上に搭載される第2の半導体装置の基板の裏面に形成した伝熱用パッドと前記第1の半導体素子とを伝熱層を介して接触させるとともに、
前記第1の半導体素子の直上に搭載する第2の半導体装置の基板の裏面に形成した前記伝熱用パッドでない領域で、かつ前記基板と前記伝熱層との間に断熱層を形成した
半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor device having a semiconductor element mounted on the surface side of a substrate is laminated in two or more stages,
A first semiconductor element that generates heat is mounted on a first semiconductor device that is mounted below a semiconductor device that is mounted on the top, and a second semiconductor device that is mounted immediately above the first semiconductor element. While bringing the heat transfer pad formed on the back surface of the substrate into contact with the first semiconductor element through the heat transfer layer,
A semiconductor in which a heat insulating layer is formed between the substrate and the heat transfer layer in a region that is not the heat transfer pad formed on the back surface of the substrate of the second semiconductor device mounted immediately above the first semiconductor element apparatus.
請求項2または請求項3に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the temperature of the semiconductor device surface during operation is higher in the semiconductor device mounted in the lower stage than in the semiconductor device formed in the uppermost stage.
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