JP2008113010A - 垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージを提供する。
【解決手段】半導体チップが搭載されうる基板と、基板に垂直に積層された2つ以上の半導体チップと、最初に積層された半導体チップ上にある蒸発部と、蒸発部の上から二番目以後に積層された半導体チップを貫通して形成された冷却用貫通ホールと、積層された半導体チップの最上部に位置して冷却用貫通ホールの上部を密封する凝縮部と、蒸発部、冷却用貫通ホール及び凝縮部により密閉される冷却通路を満たす冷媒と、を備えることを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。これにより、積層型半導体パッケージで、個別半導体チップで発生する熱による温度差を低減でき、熱を外部に迅速に放出できる。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体パッケージ及びその製造方法に係り、さらに詳細には積層型半導体チップ内部に垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ(WSP:Wafer Stacked Package)及びその製造方法に関する。
メモリ半導体素子にある高集積化の達成方向としては、従来ではウェーハ製造段階でデザインルールをさらに細くし、トランジスタやキャパシタのような内部の構成要素を3次元的に配列して、小さなウェーハ面積内にさらに多くの集積回路を取り入れることによって集積度を高める方向が主流であった。しかし、最近では薄肉の半導体チップを垂直に積層して、一つの半導体パッケージ内部にさらに多くの半導体チップを実装してその集積度を高めている。このように半導体パッケージ製造技術を通じてメモリ半導体素子の集積度を高める方式は、ウェーハ製造段階で集積度を高める時と比較して、コスト、研究開発時間及び工程実現の側面で多くの長所をもっているために、これについての研究が活発に展開されている。
一方、NANDフラッシュのようなメモリ半導体素子の半導体チップは、入出力パッド(IO パッド)が半導体チップの片側領域にのみ偏重されている。このために、NANDフラッシュ素子が高速で動作時、この部分で熱が多く発生する‘ホットスポット’現象が現れる。また、高速DDR DRAMが4つ以上積層されたWSPは、比較的消耗電力の高い半導体チップが複数積層されたため、積層された半導体チップが動作中に高い熱を発生させる。特に、WSPは上下間半導体チップを接着する過程で多量の接着剤を使用するために、半導体チップの中央部では外部に熱を効果的に放出させられない問題が、WSPの信頼性を落とす要因になっている。
特に最近、マイクロプロセッサーやマイクロコントローラ機能の半導体チップをメモリ機能の半導体チップと共に積層して一つの統合型半導体パッケージにするSIP(System In Package)についての研究が活発に進められている。この場合、マイクロプロセッサーやマイクロコントローラ機能の半導体チップで発生する多量の熱を外部に効果的に放出させることは、商用化の可能なSIPを実現させるために解決すべき重要な課題になっている。
図1は、従来技術によるWSPを説明するための断面図であり、図2は、図1のII部分についての拡大断面図である。
図1及び図2を参照すれば、従来技術による半導体パッケージ50は、印刷回路パターンが形成された基板10上に4個の半導体チップ16が積層され、前記それぞれの半導体チップ16は、ビアコンタクト18を通じて下部の基板10と電気的に互いに連結される。前記基板10は、貫通ホール12及びソルダーボール12を通じて積層された半導体チップ16の機能を外部に拡張させる。図面で参照符号20は、前記基板10の上部及び半導体チップ16を密封する封止樹脂を表す。
ここで上部半導体チップ16と下部半導体チップ16との電気的連結は、図2のように金属材質のビアコンタクト18を通じて行われ、ビアコンタクト18以外の領域は接着剤22により物理的に互いに接合される。
図3は、4個の半導体チップが積層されたWSPで、上の二つの半導体チップで発生する熱による接合温度をシミュレーションしたグラフである。
図3を参照すれば、DDR DRAMが4つ積層されたWSPで熱放出環境が自然対流環境である時に発生する熱であり、グラフのX軸は、上部にある2個の半導体チップの消耗電力を表し、Y軸は、この時に発生する熱を表す。消耗電力が0.2W以上である場合、WSPの温度は、製品の規格で信頼性を保証する最大温度である85℃を上回ると予想される。特に、NANDフラッシュ製品が積層された場合や、マイクロプロセッサーとメモリ製品が積層された場合には、ホットスポット現象及びマイクロプロセッサーで発生する多くの熱によって半導体パッケージ表面の温度はさらに高くなると予想される。したがって、WSPの信頼性を高めるためにWSP内部で発生する多くの熱を外部に効果的に放熱させるための対策が必要な実情である。
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した問題点を解決できるように積層された半導体チップの内部で垂直型熱放出通路を持つWSPを提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために本発明の第1及び第2の実施の態様による垂直型熱放出通路を持つWSPは、半導体チップが搭載されうる基板と、前記基板に垂直に積層された2つ以上の半導体チップと、前記最初に積層された半導体チップ上にある蒸発部と、前記蒸発部の上から二番目以後に積層された半導体チップを貫通して形成された冷却用貫通ホールと、前記積層された半導体チップの最上部に位置して前記冷却用貫通ホールの上部を密封する凝縮部と、前記蒸発部、冷却用貫通ホール及び凝縮部により密閉される冷却通路を満たす冷媒と、を備えることを特徴とする。
本発明の第1の実施の態様によれば、前記熱放出貫通ホールを持つ積層された半導体チップの間及び最上部にある半導体チップと前記凝縮部とは、金属層による金属接合によって密封されることが望ましい。
また本発明の望ましい実施形態によれば、前記冷却用貫通ホールは、前記冷却用貫通ホールと連結されてそのエッジに沿って形成され、冷却用貫通ホールよりさらに小径の複数のマイクロホールをさらに備えることが望ましい。
本発明の第2の実施の態様によれば、前記熱放出貫通ホールを持つ積層された半導体チップの間及び最上部にある半導体チップと前記凝縮部とは、絶縁材質のブリッジリングにより密封されることが望ましい。
望ましくは、前記垂直に積層された2つ以上の半導体チップは、内部を貫通して前記基板に電気的に連結されるビアコンタクトをさらに備えることが望ましく、前記WSPは、前記基板の上部と、前記積層された半導体チップを密封する封止樹脂と、前記基板の下部に付着されたソルダーボールとをさらに備えることが望ましい。
また前記凝縮部は、上部面が前記封止樹脂の外部に露出されていることが望ましいが、この時、前記凝縮部上に形成された熱伝逹物質(Thermal Interface Material:TIM)層及び前記TIM層上に形成された冷却装置をさらに備えることができる。前記冷却装置は、ヒートスプレッダー、ヒートシンク、ペルチェ効果を奏する物質及び冷却ファンのうち一つでありうる。
前記技術的課題を達成するために本発明の第3の実施の態様による垂直型熱放出通路を持つWSPは、半導体チップが搭載されうる基板と、前記基板に垂直に積層された2つ以上の半導体チップと、二番目から積層された前記半導体チップを貫通して形成された冷却用貫通ホールと、前記冷却用貫通ホールの内部に挿入され、中央に形成された第1貫通ホールと前記第1貫通ホールの周辺にマイクロホールとが形成されたマイクロヒートパイプ本体と、前記マイクロヒートパイプ本体の下部を密封する第1密封栓と、前記マイクロヒートパイプ本体の上部を密封する第2密封栓と、前記密封された前記マイクロヒートパイプ本体の内部にある冷媒を含むマイクロヒートパイプと、を備えることを特徴とする。
本発明の望ましい実施形態によれば、前記WSPは、下部は前記最初に積層された半導体チップ上と接触され、上部は前記第1密封栓と接触される蒸発部と、上部は外部に露出され、下部は前記第2密封栓と接触される凝縮部と、をさらに備える。
前記他の技術的課題を達成するために本発明の第1及び第2の実施の態様による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法は、第1半導体チップを基板上に搭載して前記第1半導体チップ上に蒸発部を積層する工程と、前記第1半導体チップが搭載された基板上に冷却用貫通ホールを持つ他の半導体チップを積載する工程と、前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる工程と、前記積層された他の半導体チップの冷却用貫通ホール周辺に複数のマイクロホールを形成する工程と、前記他の半導体チップ上に凝縮部を形成して冷媒を注入する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の望ましい実施形態によれば、前記第1半導体チップは、内部に冷却用貫通ホールを持っていないことが望ましく、前記蒸発部及び凝縮部は、熱伝逹特性に優れた金属板であることが望ましく、前記冷却用貫通ホールを形成する方法は、レーザードリリングによることが望ましい。
また、本発明の望ましい実施形態によれば、前記第1半導体チップ及び他の半導体チップは、メモリ素子、マイクロプロセッサー及びマイクロコントローラのうちから選択された一つであることが望ましく、前記冷媒を注入する工程は、前記冷媒が前記冷却用貫通ホールの内部を30〜90%の範囲で満たすように注入することが望ましく、前記冷媒注入後、前記冷却用貫通ホールの内部は真空状態であることが望ましい。
望ましくは、前記第1半導体チップと他の半導体チップとは、底面が研磨されて厚さが10〜90μmの範囲である。
本発明の第1の実施の態様により、前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる方法は、前記金属層が形成された冷却用貫通ホールが上下方向に連結されるように整列させる工程と、前記金属層を利用して上下方向にある他の半導体チップを金属接合する工程と、を含む。
また、本発明の第1の実施の態様により、前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる方法は、内部に前記冷却用貫通ホールと同一形状の孔が形成されたブリッジリングを上下方向の他の半導体パッケージの間に挿入して、冷却用貫通ホールが連結されるように整列させる工程と、接着剤を利用して前記冷却用貫通ホール側壁が密封されるように接合を実施する工程と、を含む。
前記他の技術的課題を達成するために本発明の第3の実施の態様による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法は、第1半導体チップを基板上に搭載し、前記第1半導体チップ上に蒸発部を積層する工程と、前記蒸発部が積層された基板上に他の半導体チップを積載する工程と、前記第1半導体チップと他の半導体チップを整列及び接合させる工程と、前記接合が完了した他の半導体チップにレーザードリリングによる冷却用貫通ホールを形成する工程と、前記冷却用貫通ホールにマイクロヒートパイプを挿入する工程と、前記マイクロヒートパイプが挿入された他の半導体チップ上に凝縮部を形成して密封する工程と、を含む。
前述した本発明の第3の実施の態様による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法は、他の半導体チップを整列及び接合させた後、冷却用貫通ホールをあけてマイクロヒートパイプを挿入させる方式に変形されうる。
前記マイクロヒートパイプは、中央に形成された第1貫通ホールと前記第1貫通ホールの周辺にマイクロホールとが形成されたマイクロヒートパイプ本体と、前記マイクロヒートパイプ本体の下部を密封する第1密封栓と、前記マイクロヒートパイプ本体の上部を密封する第2密封栓と、前記第1及び第2密封栓により密封された前記マイクロヒートパイプ本体の内部にある冷媒と、を備えることが望ましい。
本発明によれば、WSPで積層された半導体チップの垂直方向に冷却用貫通ホールを作り、内部にマイクロヒートパイプ構造の冷却経路を形成して個別半導体チップで発生する熱による温度差を低減でき、WSPが動作中に発生する多くの熱を外部に迅速に放出できる。したがって、WSPの熱的信頼性を改善できる。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、下記の詳細な説明で開示される実施形態は、本発明を限定しようとする意味ではなく、当業者に、本発明の開示が実施可能な形態に完全になるように発明の範ちゅうを知らせるために提供されるものである。
図4は、本発明の望ましい実施形態による垂直型熱放出通路を持つWSPの断面図である。
図4を参照すれば、本発明による垂直型熱放出通路を持つWSP 100は、半導体チップが搭載されて印刷回路パターン104が形成された基板102と、前記基板102上に垂直に搭載された複数の半導体チップ108と、前記垂直に搭載された複数の半導体チップ108から垂直方向に形成されて密封された冷却用貫通ホール120、前記冷却用貫通ホールと連結された周辺に沿って形成されて密封されたマイクロホール(図7の122)、前記冷却用貫通ホールの内部を満たす冷媒(図6の130)を備える。
前記冷却用貫通ホール120の内部にある冷媒は、金属板形態の蒸発部110及び凝縮部126によって密封される。前記蒸発部110及び凝縮部126は、熱伝導性が優秀な金属材質として銅を使用して作ることができる。前記冷媒は、気化及び液化が可能な液体として水を使用でき、その他のフレオンガスや他の物質に代替してもよい。前記冷媒は、前記冷却用貫通ホール120の内部を30〜90%の範囲で満たし、満たされていない部分は真空状態であることが望ましい。
したがって、半導体チップ108で発生する多くの熱を、WSP 100の外部に露出される凝縮部126に冷媒の気化及び液化過程を通じて迅速に伝達できる垂直型熱放出通路を持つようになる。前記凝縮部126は上部に、外部への熱放出効果を極大化するためにTIM 116及び冷却装置118を別途に装着できる。
前記冷却装置118は、凝縮部126に伝えられた熱をさらに迅速に空気中に放出できる機能の手段ならばいかなるものでも代替可能あり、代表的な例として、ヒートスプレッダー、ヒートシンク、ペルチェ効果を奏する物質及び冷却ファンのうちの一つでありうる。一方、前記半導体チップ108は、メモリ素子、マイクロプロセッサー及びマイクロコントローラのうちから選択された一つであって、WSP 100の厚さを薄くするために、底面が研磨されて厚さが10〜90μmであることが望ましい。
図面で参照符号114は、基板102の上部及び半導体チップ108を密封する封止樹脂であり、106は、基板102の下部に付着されたソルダーボールであり、112はビアコンタクトをそれぞれ示す。
図5は、図4でのビアコンタクトの拡大断面図である。
図5を参照すれば、前記垂直に積層された複数の半導体チップ108は、内部を貫通して前記基板に電気的に連結される複数のビアコンタクト112を持つ。このようなビアコンタクト112の数は、半導体チップ108に形成されたパッドの数と互いに対応する。前記ビアコンタクト112は導電性に優れた金属材質であり、上下半導体チップ108の間の電気的連結通路である。前記ビアコンタクト112を除外した領域の上下半導体チップ108の接合は、図面のように接着剤132によって行われる。
図6は、図4の垂直型熱放出通路の動作原理を説明する断面図であり、図7は、図6のA−A’部分の切断面図であり、図8は、半導体チップで冷却用貫通ホールの位置を説明するための平面図である。
図6ないし図8を参照して、本発明の望ましい実施形態によるWSPで垂直型熱放出通路の作動原理を説明する。垂直型熱放出通路は、図6のように側壁が、半導体チップ108の冷却用貫通ホール120により密封され、下部は蒸発部110、上部は凝縮部126によってそれぞれ密封されている。前記半導体チップ108の冷却用貫通ホール120の側壁及び上部には金属層124が形成されている。したがって、蒸発部110で発生する熱により冷媒130、例えば、水が水蒸気に気化されて矢印方向に上がる。その状態で気化された冷媒130は再び凝縮部126で冷やされて水に再び液化される。このように液化された冷媒130は、冷却用貫通ホールと連結されて、周囲に形成されているマイクロホール122に沿って矢印のように下に降りる。
このような過程が反復されつつ、蒸発部110及びその上部に半導体チップ108で発生した熱は冷媒130によって冷却される。したがって、積層された半導体チップ108で‘ホットスポット’現象が発生するか、マイクロプロセッサーやマイクロコントローラのように多くの熱を発生させる半導体チップが含まれても、垂直型熱放出通路を通じて外部に熱を迅速に放熱させることができる。このような方式の垂直型熱放出通路を利用した熱伝導特性は、既存の銅の熱伝導を利用して半導体チップで発生した熱を外部に放出させる時と比較して、100倍以上の優秀な熱伝導特性を持つ。
また、このような垂直型熱放出通路が形成される冷却用貫通ホール120の位置を、図8のように半導体チップ108の内部で熱発生の激しい‘ホットスポット‘領域に配置することによって、効果的に半導体チップ108の内部の温度偏差を低減できる。
[第1実施例]
図9は、本発明の第1実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートであり、図10は、本発明の第1実施例により熱放出通路が作られることを示す断面図である。
図9及び図10を参照すれば、本発明の第1実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPは、積層された半導体チップ108で冷却用貫通ホール120の連結が、銅材質の金属層124を通じて行われる特徴がある。また最上部半導体チップ108と凝集部126との連結も金属層124を通じて行われる。
製造方法を説明すれば、まず印刷回路パターンが含まれたBGA用基板を準備する(S100)。前記基板内にはビアコンタクトを連結させうる印刷回路パターンが準備されていることが望ましい。次いで、内部に冷却用貫通ホールがあけられていない第1半導体チップを、前記基板と電気的に連結されるように搭載する(S102)。この時、前記第1半導体チップは回路面が下方あるいは上方に向かうように選択的に搭載できる。
次いで、前記第1半導体チップで、熱放出の比較的多い領域に蒸発部110を積層する(S104)。前記蒸発部110が積層された結果物上に他の半導体チップ108、例えば、内部に冷却用貫通ホールが形成された複数の半導体チップ108を整列して積層する(S106)。もちろん、前記第1半導体チップ及び他の半導体チップ108は、内部にビアコンタクトが形成されていることが望ましい。
前記冷却用貫通ホールを形成する方法は、レーザードリリングあるいはエッチング方式で形成できる。また前記他の半導体チップは、前記冷却用貫通ホール120の内部及び上部に所定大きさの金属層124が形成されている。前記金属層124は、銅材質であり、フォトマスクを使用したCVD(Chemical Vapor Deposition)あるいはPVD(Physical Vapor Deposition)方式で形成できる。
次いで、前記積層された他の半導体チップ108を、内部の冷却用貫通ホール120が上下方向で互いに連結されるように整列させる。そして、200℃以下の低温で金属接合を実施して(S108)、前記上下方向に整列された半導体チップ108で、冷却用貫通ホール120が金属層によってその側壁が密封されるようにする。次いで、前記積層された半導体チップ108の内部の冷却用貫通ホール120の周囲にマイクロホール122を形成する(S110)。前記マイクロホール122は、前記冷却用貫通ホール120と連結された周囲に沿って複数が形成され、その口径は、前記冷却用貫通ホール120より小さなものが適している。前記マイクロホール122を形成する方式はレーザードリリングが適している。
この時、冷却用貫通ホール120及びマイクロホール122はいろいろな形態に変形できるが、レーザードリリングを進める時、物理的抵抗を少なくするために円形に作ることが適している。
次いで、積層された他の半導体チップ108の最上部に凝縮部、例えば、銅材質の金属板を利用して前記マイクロホールが周辺に形成された冷却用貫通ホールを密封し、内部に水のような冷媒を30〜90%の範囲で注入する(S112)。前記冷媒が投入された後、冷却用貫通ホールの内部は真空状態を維持することが適している。
次いで、前記冷却用貫通ホールが密封された結果物に、封止樹脂を利用したモールディング工程を進めて(S114)基板の上部及び半導体チップ108を密封し、基板の下部にソルダーボールを付着する(S116)。前記モールディング工程は、前記凝縮部の上部が封止樹脂の外部に露出されるように進めることが適しており、次いで、前記凝縮部126上に熱伝逹物質層と冷却装置とをそれぞれ付着する(S118)。
[第2実施例]
図11は、本発明の第2実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートであり、図12は、本発明の第2実施例により熱放出通路が作られることを示す断面図であり、図13は、図12に使われるブリッジリングの平面図である。
図11ないし図13を参照すれば、本発明の第2実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPは、積層された半導体チップ108で冷却用貫通ホール120の連結が、絶縁材質のブリッジリング128を通じて行われるという特徴がある。また、最上部半導体チップ108と凝集部126との連結もブリッジリング128を通じて行われる。前記ブリッジリング128は、図13のようにその内部に、半導体チップ108の内部と同じ構造の冷却用貫通ホール120Aとマイクロホール122Aとが形成されている構造であり、材質は、ポリイミドのような絶縁材質から作ることができる。前記ブリッジリング128の材質は、必要ならば耐久性及び熱膨張特性を考慮して他の材質に変更適用してもよい。
製造方法について説明すれば、まず印刷回路パターンが含まれたBGA用基板を準備する(S200)。次いで、内部に冷却用貫通ホールがあけられていない第1半導体チップを、前記基板と電気的に連結されるように搭載する(S202)。
次いで、前記第1半導体チップ上に蒸発部110を積層する(S204)。前記蒸発部110が積層された結果物上に他の半導体チップ108、例えば、内部に冷却用貫通ホールが形成された複数の半導体チップ108を、図13と同じ構造のブリッジリング128を使用して整列しつつ積層する(S206)。この時、前記第1半導体チップ及び他の半導体チップ108はその内部にビアコンタクトが形成されていることが望ましい。
次いで、前記積層された他の半導体チップ108とブリッジリング128とを、内部の冷却用貫通ホール120、120Aが上下方向に互いに連結されるように整列する。そして、前記他の半導体チップ108とブリッジリング128との接合を実施する(S208)。したがって、積層された半導体チップ108で冷却用貫通ホール120が、ブリッジリング128及び他の半導体チップ108によってその側壁が密封される。
次いで、前記積層された半導体チップ108の内部の冷却用貫通ホール120の周囲にマイクロホール122を形成する(S210)。前記マイクロホール122は、前記冷却用貫通ホール120と連結された周囲に沿って複数が形成され、その口径は、前記冷却用貫通ホール120より小さなものが望ましい。前記マイクロホール122を形成する方式はレーザードリリングが適している。
次いで、積層された他の半導体チップ108の最上部にブリッジリング128を整列させた後、凝縮部を利用して前記マイクロホールが周辺に形成された冷却用貫通ホールを密封し、内部に水のような冷媒を30〜90%の範囲で注入する(S212)。前記冷媒が投入された後、冷却用貫通ホールの内部は真空状態を維持することが望ましい。
次いで、前記冷却用貫通ホールの密封が行われた結果物に封止樹脂を利用したモールディング工程を進めて(S214)、基板の上部及び半導体チップ108を密封し、基板の下部にソルダーボールを付着する(S216)。前記モールディング工程は、前記凝縮部の上部が封止樹脂の外部に露出されるように進めることが望ましく、次いで、前記凝縮部126上に熱伝逹物質層と冷却装置とをそれぞれ付着する(S218)。
[第3実施例]
図14は、本発明の第3実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートであり、図15は、本発明の第3実施例により熱放出通路が作られることを示す断面図であり、図16は、冷却用貫通ホールに挿入されるマイクロヒートパイプの斜視図である。
図14ないし図16を参照すれば、本発明の第3実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPは、積層された半導体チップ108で冷却用貫通ホール120をあけて、既に図16のように作られた状態のマイクロヒートパイプを挿入するという特徴がある。
製造方法を説明すれば、まず印刷回路パターンが備えられた前記第1実施例のようなBGA用基板を準備する(S300)。次いで、内部に冷却用貫通ホールがあけられていない第1半導体チップを、前記基板と電気的に連結されるように搭載する(S302)。次いで、前記第1半導体チップ上に蒸発部110を積層する(S304)。その後、前述した第1実施例のように銅材質の金属層124を利用するか、第2実施例のようにブリッジリングを利用して冷却用貫通ホールを持つ他の半導体チップを積層する(S306)。
次いで、前記積層された他の半導体チップを整列して接合させる(S308)。その後、前記冷却用貫通ホール120に図16のように既に作られてあるマイクロヒートパイプ140を挿入する(S310)。次いで、マイクロヒートパイプ140が挿入された他の半導体チップ108の最上部に凝縮部126を利用して冷却用貫通ホールを密封し(S312)、前記冷却用貫通ホールが密封された結果物に封止樹脂を利用したモールディング工程を進めて(S314)、基板の上部及び半導体チップ108を密封し、基板の下部にソルダーボールを付着する(S316)。前記モールディング工程は、前記凝縮部の上部が封止樹脂の外部に露出されるように進めることが望ましく、次いで、前記凝縮部126上に熱伝逹物質層と冷却装置とをそれぞれ付着する(S318)。
図17は、本発明の第3実施例の変形例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートである。本第3実施例の変形例は、内部に冷却用貫通ホール120がない半導体チップをまず積層して接合し、レーザードリリングを利用して前記積層された半導体チップに冷却用貫通ホールとマイクロホールとをあけた後、最後にマイクロヒートパイプを挿入させるという特徴がある。
図17を参考して製造方法を説明すれば、まず印刷回路パターンが備えられた前記第1実施例のようなBGA用基板を準備する(S300)。次いで、内部に冷却用貫通ホールがあけられていない第1半導体チップを、前記基板と電気的に連結されるように搭載する(S302)。次いで、前記第1半導体チップ上に蒸発部110を積層する(S304)。その後、前記第1半導体チップのようにその内部に冷却用貫通ホールを持っていない他の半導体チップを、前記蒸発部110が積層された第1半導体チップ上に複数個積層する(S320)。次いで、前記積層された他の半導体チップを整列して接合させる(S308)。その後、レーザードリリング方法で前記積層された他の半導体チップに冷却用貫通ホール120をあける(S322)。次いで、前記冷却用貫通ホール120に図16のように既に作られてあるマイクロヒートパイプ140を挿入する(S310)。
次いで、マイクロヒートパイプ140が挿入された他の半導体チップ108の最上部に凝縮部126を利用して冷却用貫通ホールを密封し(S312)、前記冷却用貫通ホールが密封された結果物に封止樹脂を利用したモールディング工程を進めて(S314)、基板の上部及び半導体チップ108を密封し、基板の下部にソルダーボールを付着する(S316)。前記モールディング工程は、前記凝縮部の上部が封止樹脂の外部に露出されるように進めることが望ましく、次いで、前記凝縮部126上に熱伝逹物質層と冷却装置とをそれぞれ付着する(S318)。
本発明は前記の実施形態に限定されず、当業者により多くの変形が可能であるということは明らかである。
本発明は、半導体パッケージ関連の技術分野に好適に用いられる。
従来技術によるWSPを説明するための断面図である。 図1のII部分の拡大断面図である。 4個の半導体チップが積層されたWSPで、上の二つの半導体チップで発生する熱による接合温度をシミュレーションしたグラフである。 本発明の望ましい実施形態による垂直型熱放出通路を持つWSPの断面図である。 図4でビアコンタクトの拡大断面図である。 図4の垂直型熱放出通路の動作原理を説明する断面図である。 図6のA−A’部分の切断面図である。 半導体チップで冷却用貫通ホールの位置を説明するための平面図である。 本発明の第1実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第1実施例により熱放出通路が作られることを示す断面図である。 本発明の第2実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第2実施例により熱放出通路が作られることを示す断面図である。 図12に使われるブリッジリングの平面図である。 本発明の第3実施例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第3実施例により熱放出通路が作られることを示す断面図である。 冷却用貫通ホールに挿入されるマイクロヒートパイプの斜視図である。 本発明の第3実施例の変形例による垂直型熱放出通路を持つWSPの製造方法を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
100 WSP
102 基板
104 印刷回路パターン
106 ソルダーボール
108 半導体チップ
110 蒸発部
112 ビアコンタクト
114 封止樹脂
116 熱伝逹物質(TIM)
118 冷却装置
120 冷却用貫通ホール
126 凝縮部

Claims (42)

  1. 半導体チップが搭載されうる基板と、
    前記基板に垂直に積層された2つ以上の半導体チップと、
    前記最初に積層された半導体チップ上にある蒸発部と、
    前記蒸発部の上から二番目以後に積層された半導体チップを貫通して形成された冷却用貫通ホールと、
    前記積層された半導体チップの最上部に位置して前記冷却用貫通ホールの上部を密封する凝縮部と、
    前記蒸発部、冷却用貫通ホール及び凝縮部により密閉される冷却通路を満たす冷媒と、を備えることを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  2. 前記垂直に積層された2つ以上の半導体チップは、
    内部を貫通して前記基板に電気的に連結されるビアコンタクトをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  3. 前記積層型半導体パッケージは、
    前記基板の上部と、前記積層された半導体チップを密封する封止樹脂をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  4. 前記積層型半導体パッケージは、
    前記基板の下部に付着されたソルダーボールをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  5. 前記凝縮部は、
    上部面が前記封止樹脂の外部に露出されたことを特徴とする請求項3に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  6. 前記積層型半導体パッケージは、
    前記凝縮部上に形成された熱伝逹物質層と、
    前記熱伝逹物質層上に形成された冷却装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  7. 前記冷却装置は、
    ヒートスプレッダー、ヒートシンク、ペルチェ効果を奏する物質及び冷却ファンのうちから選択された一つであることを特徴とする請求項6に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  8. 前記冷却用貫通ホールは、
    前記冷却用貫通ホールと連結されてそのエッジに沿って形成され、冷却用貫通ホールよりさらに小径の複数のマイクロホールをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  9. 前記冷却用貫通ホールは、前記積層された半導体チップで熱発生の高い領域に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  10. 前記冷媒は、気化及び液化が可能な液体であることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  11. 前記熱放出貫通ホールを持つ積層された半導体チップの間は、
    金属接合により密封されることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  12. 前記熱放出貫通ホールのある積層された半導体チップと前記凝縮部とは、金属接合により密封されることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  13. 前記熱放出貫通ホールを持つ積層された半導体チップの間は、
    絶縁材質のブリッジリングにより密封されることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  14. 前記熱放出貫通ホールを持つ積層された半導体チップと前記凝縮部との間は、
    金属材質のブリッジリングにより密封されることを特徴とする請求項1に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  15. 半導体チップが搭載されうる基板と、
    前記基板に垂直に積層された2つ以上の半導体チップと、
    二番目から積層された前記半導体チップを貫通して形成された冷却用貫通ホールと、
    前記冷却用貫通ホールの内部に挿入され、中央に形成された第1貫通ホールと前記第1貫通ホールの周辺にマイクロホールとが形成されたマイクロヒートパイプ本体と、前記マイクロヒートパイプ本体の下部を密封する第1密封栓と、前記マイクロヒートパイプ本体の上部を密封する第2密封栓と、前記密封された前記マイクロヒートパイプ本体の内部にある冷媒と、を含むマイクロヒートパイプと、
    を備えることを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  16. 前記積層型半導体パッケージは、
    下部は前記最初に積層された半導体チップ上と接触され、上部は前記第1密封栓と接触される蒸発部と、
    上部は外部に露出され、下部は前記第2密封栓と接触される凝縮部と、をさらに備えることを特徴とする請求項15に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
  17. 第1半導体チップを基板上に搭載して前記第1半導体チップ上に蒸発部を積層する工程と、
    前記第1半導体チップが搭載された基板上に冷却用貫通ホールを持つ他の半導体チップを積載する工程と、
    前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる工程と、
    前記積層された他の半導体チップの冷却用貫通ホール周辺に複数のマイクロホールを形成する工程と、
    前記他の半導体チップ上に凝縮部を形成して冷媒を注入する工程と、を含むことを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  18. 前記第1半導体チップは、内部に冷却用貫通ホールを持っていないことを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  19. 前記蒸発部及び凝縮部は、熱伝逹特性に優れた金属板であることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  20. 前記冷却用貫通ホールを形成する方法は、レーザードリリングによることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  21. 前記マイクロホールを形成する方法は、レーザードリリングによることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  22. 前記第1半導体チップ及び他の半導体チップは、メモリ素子、マイクロプロセッサー及びマイクロコントローラのうちから選択された一つであることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  23. 前記冷媒を注入する工程は、前記冷媒が前記冷却用貫通ホールの内部を30〜90%の範囲で満たすように注入することを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  24. 前記冷媒注入後、前記冷却用貫通ホールの内部は真空状態であることを特徴とする請求項23に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  25. 前記第1半導体チップと他の半導体チップとは、底面が研磨されて厚さが10〜90μmの範囲であることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  26. 前記他の半導体チップは、前記冷却用貫通ホールの上部及び内壁に金属層が形成されたことを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  27. 前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる方法は、
    前記金属層が形成された冷却用貫通ホールが上下方向に連結されるように整列させる工程と、
    前記金属層を利用して上下方向にある他の半導体チップを金属接合する工程と、を含むことを特徴とする請求項26に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  28. 前記金属接合を行う方法は、200℃以下の温度で実施することを特徴とする請求項27に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  29. 前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる方法は、
    内部に前記冷却用貫通ホールと同一形状の孔が形成されたブリッジリングを上下方向の他の半導体パッケージの間に挿入して、冷却用貫通ホールが連結されるように整列させる工程と、
    接着剤を利用して前記冷却用貫通ホール側壁が密封されるように接合を実施する工程と、を含むことを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  30. 前記冷媒を注入する工程後、
    前記第1半導体チップ、他の半導体チップ及び基板の上部を密封するモールディング工程をさらに進めることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  31. 前記モールディングは、前記凝縮部の上部面が外部に露出されるように進めることを特徴とする請求項30に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  32. 前記モールディング工程後、
    前記基板の下部にソルダーボールを付着する工程をさらに進めることを特徴とする請求項30に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  33. 前記モールディング工程後、
    前記外部に露出された凝縮部上に熱伝逹物質層を形成する工程と、
    前記熱伝逹物質層上に冷却装置を付着する工程と、をさらに進めることを特徴とする請求項31に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  34. 前記冷却装置は、ヒートスプレッダー、ヒートシンク、ペルチェ効果を奏する物質及び冷却ファンのうちから選択された一つであることを特徴とする請求項33に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  35. 前記冷却用貫通ホール及び前記マイクロホールは円形であることを特徴とする請求項17に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  36. 第1半導体チップを基板上に搭載して前記第1半導体チップ上に蒸発部を積層する工程と、
    前記蒸発部が積層された基板上に冷却用貫通ホールを持ち、前記冷却用貫通ホールの上部に金属層が形成された他の半導体チップを積層する工程と、
    前記第1半導体チップと他の半導体チップとを整列及び接合させる工程と、
    前記接合が完了した冷却用貫通ホールにマイクロヒートパイプを挿入する工程と、
    前記マイクロヒートパイプが挿入された他の半導体チップ上に凝縮部を形成して密封する工程と、を含むことを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  37. 前記第1半導体パッケージは、内部に冷却用貫通ホールが形成されていないことを特徴とする請求項36に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  38. 前記マイクロヒートパイプは、
    中央に形成された第1貫通ホールと前記第1貫通ホールの周辺のマイクロホールとが形成されたマイクロヒートパイプ本体と、
    前記マイクロヒートパイプ本体の下部を密封する第1密封栓と、
    前記マイクロヒートパイプ本体の上部を密封する第2密封栓と、
    前記第1及び第2密封栓により密封された前記マイクロヒートパイプ本体の内部にある冷媒と、を備えることを特徴とする請求項36に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  39. 第1半導体チップを基板上に搭載し、前記第1半導体チップ上に蒸発部を積層する工程と、
    前記蒸発部が積層された基板上に他の半導体チップを積載する工程と、
    前記第1半導体チップと他の半導体チップを整列及び接合させる工程と、
    前記接合が完了した他の半導体チップにレーザードリリングによる冷却用貫通ホールを形成する工程と、
    前記冷却用貫通ホールにマイクロヒートパイプを挿入する工程と、
    前記マイクロヒートパイプが挿入された他の半導体チップ上に凝縮部を形成して密封する工程と、を含むことを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  40. 前記第1半導体パッケージは、内部に冷却用貫通ホールが形成されていないことを特徴とする請求項36に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  41. 前記マイクロヒートパイプは、
    中央に形成された第1貫通ホールと前記第1貫通ホールの周辺のマイクロホールとが形成されたマイクロヒートパイプ本体と、
    前記マイクロヒートパイプ本体の下部を密封する第1密封栓と、
    前記マイクロヒートパイプ本体の上部を密封する第2密封栓と、
    前記第1及び第2密封栓により密封された前記マイクロヒートパイプ本体の内部にある冷媒と、を備えることを特徴とする請求項36に記載の垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージの製造方法。
  42. 半導体チップが搭載されうる基板と、
    前記基板上に垂直に搭載された複数の半導体チップと、
    前記垂直に搭載された複数の半導体チップから垂直方向に形成されて密封された冷却用貫通ホールと、
    前記冷却用貫通ホールと連結された周辺に沿って形成されて密封されたマイクロホールと、
    前記冷却用貫通ホールの内部を満たす冷媒と、を備えることを特徴とする垂直型熱放出通路を持つ積層型半導体パッケージ。
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