JP2008004688A

JP2008004688A - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2008004688A
Application number: JP2006171477A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Ogawa; 裕誉小川
Original assignee: Noda Screen Co Ltd
Current assignee: Noda Screen Co Ltd
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】大型化することなく高効率の放熱を可能とする半導体パッケージを提供することにある。
【解決手段】半導体チップ２０をプリント基板１０上に搭載し、この半導体チップ２０を金属製のケース部材３０で覆う。そして、ケース部材３０の内部には絶縁性の冷媒Ｒを封入する。このような構成によれば、半導体チップ２０からの熱が冷媒Ｒの熱対流によってケース部材まで伝えられ、このケース部材３０を介して外部空間に放出される。このとき、ケース部材３０は熱伝導性の良い金属により形成されているので、外部空間への熱伝達効率を高めることができる。また、ケース部材３０は熱膨張率が比較的大きく冷媒Ｒの熱膨張に追従するので、膨張圧に配慮して壁厚を大きくする必要がない。このため、半導体パッケージ１の小型化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージに関する。

近年の半導体チップは、高密度化および高速化によって単位面積あたりの発熱量が増大している。このため、半導体パッケージにおける放熱の試みはますます必須の技術となってきている。

従来の放熱技術は、(i)半導体チップのシリコン基板側の面（素子が形成される側とは逆側の面）にヒートシンクを設置するもの、(ii)半導体チップの接続素子を介してプリント配線板側に放熱を行わせるもの、(iii）半導体パッケージの内部に冷媒を循環させて放熱を行わせるもの、(iv)半導体チップの表面積を増大させて放射により空冷させるもの、等がある。

なかでも、半導体パッケージの内部に冷媒を循環させて半導体チップと冷媒との熱交換により放熱を行わせる技術は、冷媒の熱対流により、高効率の放熱が可能となるという利点がある（例えば特許文献１参照）。さらに、半導体チップがフリップチップ実装されているものであれば、チップにおいて発熱が生じる側である素子側の面と基板との間に隙間が存在するため、この隙間に冷媒が入り込んで素子側の面に接触し、直接に冷却できる、という利点がある（特許文献２参照）。
特開平５−２２６５２９号公報特開平６−３１０６２６号公報

しかし、冷媒を使用する半導体パッケージでは、冷媒の熱膨張による膨張圧に耐えるため、半導体チップをシールするケース部材として剛性の高いセラミック製のものが使用され、また、ケース部材の壁厚として相当の厚さが確保されることが通常である。このため、パッケージが大型化すること、ケース部材を介しての外部への熱伝達効率が低くなってしまうこと、等の問題がある。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型化することなく高効率の放熱を可能とする半導体パッケージを提供することにある。

本発明の半導体パッケージは、基板と、前記基板上に実装された半導体チップと、前記基板上に設けられて前記半導体チップを覆う金属製のケース部材と、前記ケース部材の内部に封入される液状の冷媒と、を備えるものである。

本発明において、一の基板にはただ１つの半導体チップが実装され、かつ、基板に設けられるものであって半導体チップに設けられるチップ側端子と接続される第１の基板側接続端子、およびこの第１の基板側接続端子と電気的に接続されて外部基板との接続に使用される第２の基板側接続端子の配列が、チップ側端子の配列と等しくされていることが好ましい。このような構成によれば、半導体パッケージをチップサイズに近いサイズにまで小型化でき、半導体パッケージを半導体チップと同様に取り扱うことができる。また、外部基板側のランド構造を、半導体チップを直接に実装する場合と半導体パッケージを実装する場合とで変更する必要がないから、設計を汎用化できる。

本発明によれば、半導体チップを基板上に搭載し、この半導体チップを金属製のケース部材で覆う。そして、ケース部材の内部には、絶縁性の冷媒（好ましくは不燃性、絶縁性の冷媒）を封入する。このような構成によれば、半導体チップからの熱が冷媒の熱対流によってケース部材まで伝えられ、このケース部材を介して外部空間に放散される。このとき、ケース部材は熱伝導性の良い金属により形成されているので、外部空間へ効率よく熱が放散される。これにより、放熱効率を高めることができる。
また、ケース部材は熱膨張率が比較的大きな金属により形成されており、冷媒の熱膨張に追従するから、冷媒の膨張による内圧の上昇に配慮して壁厚を大きくする必要がない。このため、半導体パッケージの小型化が図れる。

以下、本発明を具体化した実施形態について、図１および図２を参照しつつ詳細に説明する。
図１には、本発明を具体化した半導体パッケージ１の側断面図を、図２には、この半導体パッケージ１の分解側断面図をを示す。この半導体パッケージ１は、プリント基板１０（本発明の基板に該当する）に半導体チップ２０を実装し、半導体チップ２０の周囲をケース部材３０で封止したハーメチック構造のものである。

プリント基板１０は、絶縁層１１の両面に所定の導体回路が形成された周知の構造のものであって、半導体チップ２０の外形よりも一回り大きく形成されている。導体回路の一部はランド１２とされている。表裏のランド１２のうち、半導体チップ２０が搭載される側の面（図１の上面）に設けられた表面側ランド１２Ａ（本発明の第１の基板側接続端子に該当する）は、半導体チップ２０に設けられた電極パッド２３（本発明のチップ側端子に該当する。詳細は後述する。）との接続のためのものである。一方、これとは逆側の面（図１の下面）に設けられた裏面側ランド１２Ｂは、外部基板（図示せず）との接続のためのものである。表面側ランド１２Ａと裏面側ランド１２Ｂとの間は、絶縁層１１に貫通形成されたビアホール１３によって電気的に接続されている。また、裏面側ランド１２Ｂ上には、外部基板（図示せず）との接続のための基板側バンプ１４が形成されている。

このプリント基板１０上に搭載される半導体チップ２０は周知の構成のものであって、シリコン基板２１の一面側（図１の下面側）に半導体素子が形成されたものである。半導体チップ２０において素子が形成された側の面はパッシベーション膜２２によって覆われ、このパッシベーション膜２２の開口からは電極パッド２３が臨んでいる。この電極パッド２３上には、チップ側バンプ２４が形成されている。

半導体チップ２０は、プリント基板１０上にフリップチップ実装されており、チップ側バンプ２４を介して、電極パッド２３とプリント基板１０における表面側ランド１２Ａとが電気的に接続されている。半導体チップ２０はチップ側バンプ２４の高さ分だけプリント基板１０から浮かせて実装されている。

なお、１枚のプリント基板１０上にはただ１つの半導体チップ２０が実装されている。加えて、プリント基板１０において半導体チップ２０側の電極パッド２３と接続される表面側ランド１２Ａ、およびこの表面側ランド１２Ａとビアホール１３を介して接続されて外部基板との接続に使用される裏面側ランド１２Ｂの配列は、電極パッド２３の配列と同一とされている。

この半導体チップ２０は、ケース部材３０によって覆われている。ケース部材３０は上下に２分割された下ケース部３１と上ケース部３５とで構成されている（図２を併せて参照）。下ケース部３１は、金属により上面側が開放された矩形浅皿状に形成されており、その底壁部３２には、半導体チップ２０を受け入れ可能な開口部３３が形成されている。また、側壁部３４は、それぞれ上側に行くほど外側に傾いて形成されている。この下ケース部３１は、開口部３３の内側に半導体チップ２０を収容するようにして、プリント基板１０上に接着剤により固定されている。一方、上ケース部３５は、金属により、下面側が開放された矩形浅皿状に形成されており、下ケース部３１における上面側の開口に覆い付けられ、接着剤により固定されている。上ケース部３５の側壁部３６は、それぞれ、その下端縁が下ケース部３１における側壁部３４の上縁と整合し、上側に行くほど内側に傾いて形成されている。これにより、下ケース部３１と上ケース部３５とが組み付けられた状態では、その側壁部３４、３６は、上下方向の中央位置が外側に広がる断面Ｖ字状をなす。

このケース部材３０の内部は、液状の冷媒Ｒで満たされている。冷媒Ｒは、絶縁性で半導体チップ２０やプリント基板１０の材料と反応しない液体であれば特に制限はなく、例えば、住友スリーエム（株）製「フロリナート（登録商標）」、ソルベイソレクシス（株）製「ガルデン（登録商標）」等の不燃性であるフッ素系不活性液を使用できる。
なお、冷媒Ｒは、沸点１５０℃以上の液体が好ましく、沸点２００℃以上の液体であればさらに好ましい。

次に、上記のように構成された本実施形態の作用および効果について説明する。

この半導体パッケージ１は、基板側バンプ１４を介して外部基板に接続され、使用される。半導体パッケージ１に給電がなされると、半導体チップ２０上の半導体素子から熱が発生する。ここで、ケース部材３０の内部には冷媒Ｒが封入されているので、この冷媒Ｒが半導体チップ２０から熱を受け取る。本実施形態では、半導体チップ２０はチップ側バンプ２４の高さ分だけプリント基板１０から浮かせて実装されているから、冷媒Ｒが半導体チップ２０とプリント基板１０との隙間に入り込んで、半導体チップ２０における素子側の面（パッシベーション膜２２が形成されている側の面）に直接に接触し、冷却する。

半導体チップ２０の周囲に存在する冷媒Ｒは熱を受け取って温まり、これにより、冷媒Ｒに熱対流が生じる。そして、この熱対流に乗って熱がケース部材３０まで伝えられ、ケース部材３０を介して大気中に放散される。このとき、ケース部材３０は熱伝導性の良い金属により形成されているから、大気中へ効率よく熱が放散される。この放熱により、半導体チップで発生した熱が電極を通じて基板側に伝熱されていた現象が軽減される。

また、冷媒Ｒは半導体チップ２０からの熱を吸収することによって温度が上がり、熱膨張する。ここで、ケース部材３０は熱膨張率が比較的大きな金属により形成されているから、自身も冷媒Ｒから熱を受け取って熱膨張し、冷媒Ｒの熱膨張に追従する。このため、内圧の上昇を考慮してケース部材３０の壁厚を大きくする必要がなく、半導体パッケージ１の小型化が図れる。

また、１枚のプリント基板１０上にはただ１つの半導体チップ２０が実装されている。加えて、プリント基板１０において半導体チップ２０側の電極パッド２３と接続される表面側ランド１２Ａ、およびこの表面側ランド１２Ａとビアホール１３を介して接続されて外部基板との接続に使用される裏面側ランド１２Ｂの配列は、半導体チップ２０側の電極パッド２３の配列と同一とされている。これにより、半導体パッケージ１をチップサイズに近いサイズにまで小型化でき、半導体パッケージ１を半導体チップ２０と同様に取り扱うことができる。また、外部基板側のランド構造を、半導体チップ２０を直接に実装する場合と半導体パッケージ１を実装する場合とで変更する必要がないから、設計を汎用化できる。

本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、ケース部材３０は下ケース部３１と上ケース部３５に２分割されたものとなっていたが、ケース部材は必ずしも分割されている必要はなく、全体が一体に形成されたものであっても構わない。
（２）上記実施形態では、プリント基板１０は絶縁層１１の両面に所定の導体回路が形成された単層の基板であったが、複数の絶縁性基板と導体層とが積層された多層プリント配線板であっても構わない。プリント基板１０は、ガラス基板あるいはセラミックス基板に貫通電極を設けた構造であれば、放熱効果が高く、機械剛性も向上するため、更に好適である。
（３）上記実施形態では、ケース部材は熱膨張係数の比較的大きい金属としたが、熱伝導性の高いガラスやセラミックスを使うのも好適である。

半導体パッケージの側断面図半導体パッケージの分解側断面図

符号の説明

１…半導体パッケージ
１０…プリント基板（基板）
１２Ａ…表面側ランド（第１の基板側接続端子）
１２Ｂ…裏面側ランド（第２の基板側接続端子）
２０…半導体チップ
２３…電極パッド（チップ側端子）
３０…ケース部材
Ｒ…冷媒

Claims

基板と、
前記基板上に実装された半導体チップと、
前記基板上に設けられて前記半導体チップを覆う金属製のケース部材と、
前記ケース部材の内部に封入される液状の冷媒と、
を備える半導体パッケージ。
一の前記基板にはただ１つの前記半導体チップが実装され、
かつ、前記基板に設けられるものであって前記半導体チップに設けられるチップ側端子と接続される第１の基板側接続端子、およびこの第１の基板側接続端子と電気的に接続されて外部基板との接続に使用される第２の基板側接続端子の配列が、前記チップ側端子の配列と等しく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。