JP2010523005A - チップ基板における熱放散 - Google Patents

Abstract

半導体ボードから熱を放散させるためのシステムは、第１の基板であって、第１の基板中に形成された開口を含む第１の基板と、第１の基板の上面に装着された第２の基板と、開口に配置され、かつ第２の基板にバンプ付けされたマイクロチップとを含む。システムは、マイクロチップに直接装着されたヒートシンクをさらに含む。熱放散半導体ボードの製造方法は、第１の基板に開口を形成すること、開口にマイクロチップを配置することを含む。方法は、マイクロチップをヒートシンクに直接装着すること、マイクロチップを第２の基板にボンディングすること、第１の基板の表面を第２の基板にボンディングすることをさらに含む。

Description

本発明は概してマイクロチップからの熱放散に関し、特にチップ基板における熱放散に関する。

熱の発生はマイクロチップの動作による望ましくない副産物である。一般的には、余分な熱はサーマルビア及びワイヤボンドを介してヒートシンクへ流れる。しかしながら、配線システムがより複雑になるにつれて、特に限られたスペースの応用において、設計者はサーマルビアを配置するために次第に努力を要するようになっている。これらの問題は高温の動作環境において悪化する。ＦＥＴ、ダイオード、低パワー集積チップ（ＩＣ）のような単純な部品においては解決策があるが、マイクロチップ、フラッシュメモリ、ＳＲＡＭ等のような、高ピンカウント・デバイスに対して課題は存在している。

従って、自動車用トランスミッションのような自動車エンジンの応用において設計者は困難な挑戦に直面する。頻繁に１４０℃に近づくそのような環境において、最大動作温度は、わずか１０℃のウィンドウのみを残す、わずか１５０℃であることがあり得る。冷却システムはこれらの問題を緩和する助けとなりうるが、そのようなシステムは、システムに対して重量だけでなくコストも加えることになるので望ましくない可能性がある。

図１は、基板１０５を含む従来技術の回路ボード１００を説明する図である。複数のフリップチップ、ＩＣ、及び他の電子デバイス１４０は、適切な技術を用いて基板１０５に搭載されている。さらに、マイクロチップ１１０は、マイクロチップ１１０に対する少なくとも多少のヒートシンク機能を提供するワイヤボンド１２０を用いて、基板へワイヤ接続されている。図１に示されているように、マイクロチップ１１０は、特にワイヤボンド１２０を含む場合において、基板１０５上のかなりの占有面積を含んでいる。

従って、上記または他の不利益を克服する、熱を放散するためのシステムを提供することが望ましい。

本発明の一態様は、第１の基板であって、第１の基板中に形成された開口を含む第１の基板と、第１の基板の上面に装着された第２の基板と、開口に配置され、かつ第２の基板にバンプ付けされた（ｂｕｍｐｅｄ）マイクロチップとを含む、半導体ボードから熱を放散させるためのシステムを提供する。システムは、マイクロチップに直接装着されたヒートシンクをさらに含む。

本発明の別の態様は、第１の基板に開口を形成すること、開口にマイクロチップを配置することを含む、熱放散半導体ボードの製造方法を提供する。
本発明のさらに別の態様は、第１の基板であって、第１の基板中に形成された開口を含む第１の基板と、第１の基板の上面に装着された第２の基板と、開口に配置され、かつ第２の基板にバンプ付けされたマイクロチップとを含む、半導体ボードから熱を放散させるためのシステムを提供する。システムは、マイクロチップをヒートシンクに直接装着する手段をさらに含む。

本願の上記及び他の特徴及び有利な効果は、添付の図面と共に解釈される、現状において好適である実施形態の後述の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。詳細な説明と図面は、添付の請求の範囲とその均等物により定義される本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の単なる例示に過ぎない。

先行技術による第１の基板の実施例を説明する図である。 本発明の態様に基づく熱放散のためのシステムの実施例を説明する図である。 本発明の一態様に基づく熱放散半導体ボードを製造する方法の一実施例を説明する図である。 本発明の一態様に基づく熱放散半導体ボードを製造する方法の一実施例を説明する図である。 本発明の教示に基づくボード上において節約された面積の一実施例を説明する図である。 本発明の態様に基づく熱放散のためのヒートシンクの実施例を説明する図である。

図２は、本発明の一態様に基づく熱放散のためのシステム２００の一実施例を説明する図である。システム２００は、ヒートシンク２７０と、マイクロチップ２８０と、第１の基板２４０とを含む。第１の基板２４０は、第１の基板２４０中に形成された開口２４５を含む。マイクロチップ２８０と、第１の基板２４０とは、バンプ２２５で第２の基板２３５へバンプ付けされている（ｂｕｍｐｅｄ）。第１の基板２４０は、他の適切な構造のうち、低密度セラミックボードか、または不燃性４（“ＦＲ−４”）ボードであって良い。第２の基板２３５は、他の適切な構造のうち、高密度配線（“ＨＤＩ”）ボード、低温同時焼成セラミック（“ＬＴＣＣ”）、またはセラミックボードであって良い。或いは、第１の基板及び第２の基板は、ＨＤＩ、ＬＴＣＣ、ＦＲ−４、セラミック、低密度セラミック、またはその類似のような、同一のタイプのボードであっても良い。

さらに、集積チップ２１０及びフリップチップ２２０のような、少なくとも一つの電子デバイスは、第２の基板２３５に動作可能に装着され得る。動作可能な装着は、バンプ付け（ｂｕｍｐｉｎｇ）、はんだ付け（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）、または直接接続のような、任意の適切な接続技術により行うことが可能である。金及びはんだを含む任意の適切な材料が、本開示によるバンプ付けのために用いられ得る。一実施例において、少なくとも一つのチップが、第２の基板の第１の面上において第２の基板にバンプ付けされ、マイクロチップは、第２の基板の第２の面上において第２の基板にバンプ付けされ、第１の面は第２の面と対向している。このような実施例において、マイクロチップが高熱伝導性接着剤を用いてヒートシンクへ直接搭載できるように、チップとマイクロチップは、第２の基板の対向する面に搭載されている。Ｋ＆Ｓウェハ・プロＩＩＩスタッド・バンパー（Ｋ＆Ｓ ＷａｆｅｒＰｒｏ ＩＩＩ Ｓｔｕｄ Ｂｕｍｐｅｒ）のような任意の適切なデバイスを、バンプ付けするために用いることが可能である。チップは、パナソニック（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ）から入手可能な、ウルトラソニックＦＣＸ５０１フリップチップ・ボンダー（ＵｌｔｒａＳｏｎｉｃ ＦＣＸ５０１ ＦｌｉｐＣｈｉｐ Ｂｏｎｄｅｒ）を用いて、第１の基板または第２の基板へボンディングすることが可能である。

ヒートシンク２７０は、チップ２１０、２２０及びマイクロチップ２８０のような、動作中の電子部品から熱が流れていく任意の構造である。一実施例においては、ヒートシンク２７０はアルミニウムからなる構造物である。一実施例においては、ヒートシンク２７０はトランスミッション・ケースである。別の実施例においては、ヒートシンク２７０はトランスミッション・ケースに直接装着されている。一実施例においては、ヒートシンク２７０は開口２４５内に適合するサイズの少なくとも一つのリッジ（ｒｉｄｇｅ）である。図６は、ヒートシンク２７０上のリッジ６７５を説明する図である。別の実施例において、ヒートシンク２７０は、フィン（ｆｉｎ）か、または表面積を増やすため、或いは熱流量を改善するための別の物理的特徴を含む。

一実施例において、第１の基板２４０は、熱伝導率が約０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さい接着剤のような低熱伝導性接着剤２６０により、ヒートシンク２７０から絶縁されている。一実施例において、ヒートシンク２７０は、高熱伝導性接着剤２５５によりマイクロチップ２８０に直接装着されており、高熱伝導性接着剤２５５は約２．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい熱を伝導する。

図３は、本発明の一態様に基づく熱放散半導体ボードを製造する方法３００の一実施例を説明する図である。方法３００はステップ３０５より開始する。
ステップ３１０において、方法３００は第１の基板２４０のような第１の基板において、開口２４５のような開口を形成する。開口は、実質的に円、多角形、または任意の他の適切な形状とすることができる。一実施例において、開口はマイクロチップを収容可能なサイズである。一実施例においては、開口は、マイクロチップを、マイクロチップと第１の基板との間の空隙と共に収容可能なサイズである。ある実施例においては、空隙は、設計に応じてアンダーフィルにより埋めることが可能である。開口は、基板をダイシングすることにより、または、複数の基板を共に装着して開口を定義することにより生成することが可能である。ステップ３２０において、マイクロチップは第２の基板に装着され、ステップ３３０において、マイクロチップは開口に配置される。ステップ３４０において、マイクロチップはヒートシンクに直接装着される。一実施例において、高熱伝導性接着剤がマイクロチップをヒートシンクに装着する。ステップ３５０において、第２の基板は第１の基板へ装着される。方法３００は、ステップ３９５において終了する。

図４は、本発明の一態様に基づく熱放散半導体ボードを製造する方法４００の一実施例を説明する図である。
ステップ４１０において、方法４００は第１の基板２４０のような第１の基板において、開口２４５のような開口を形成する。開口は実質的に円、多角形、または任意の他の適切な形状とすることができる。一実施例において、開口はマイクロチップを収容可能なサイズである。一実施例においては、開口は、マイクロチップを、マイクロチップと第１の基板との間の空隙と共に収容可能なサイズである。ある実施例においては、空隙は、設計に応じてアンダーフィルにより埋めることが可能である。開口は、基板をダイシングすることにより、または、複数の基板を共に装着して開口を定義することにより生成することが可能である。ステップ４２０において、マイクロチップは第２の基板に装着され、ステップ４３０において、マイクロチップは開口に配置される。ステップ４４０において、マイクロチップはヒートシンクに直接装着される。一実施例においては、高熱伝導性接着剤がマイクロチップをヒートシンクに装着する。ステップ４５０において、第２の基板は、第１の基板へ装着される。

ステップ４１５において、少なくとも一つのチップが第２の基板にバンプ付けされる。チップは、第２の基板の第１の面（例えば、上面）へバンプ付けされ、一方マイクロチップは第２の基板の第２の面（例えば、底面）へバンプ付けされ、第２の基板の第１の面は、第２の基板の第２の面と対向する。

方法４００はステップ４９５において終了する。
本開示を用いることにより、マイクロチップからヒートシンクへの熱流量、及びＬＴＣＣボード上に搭載するベアダイの設計の両方を改善することが可能となる。ヒートスプレッダを除去することにより、スペースとコストの両方が節約される。マイクロプロセッサのようなより高いパワーの要素は、小さいＨＤＩ／ＬＴＣＣボードの底面へスタッド・バンプ付けされ、ダイは、高伝導性接着剤によりベースプレートへ熱的に結合される。ＩＣ及びフリップチップのようなより低いパワーの部品は、必要に応じて熱の移動のためのサーマルビアを用いて、小さな基板の上面へ装着される。これにより、底面は信号Ｉ／Ｏボールのために利用可能となり、基板を小さく維持しておくことが可能となる。ボードの両面でフリップチップとしてＩＣを用いることにより高密度が実現され、ＢＧＡと同様、はんだボールが大きな基板への配線となる。

機能的な利点に加えて、本開示はコスト上の利点に対しても同様に寄与する。例えば、より大きな基板、すなわち第１の基板２４０を、より簡略かつ低コスト設計とすることが可能なように、高密度配線は主に第２の基板上にある。金のワイヤボンディングを金のスタッド・バンピングへ置き換えることによって、より少量の材料ですみ、より高いスループットが得られ、外部委託のフリップチップの運搬上の問題が無くなり、コストが低減される。

例えば、図１に示されたボードに対して本教示を応用すると、４．５８ｉｎ^２中、０．５３２ｉｎ^２のボード面積を節約することが可能である。図５は、大幅な面積節約を示す別のボードを説明する図であり、白い領域５０２は、ワイヤボンドされていたマイクロチップの周辺のワイヤボンディングをなくすことにより節約されたスペースを示す。

本開示による教示は、任意の動作環境に適用可能であるが、一つの動作環境としては、自動車、特にトランスミッション、またはエンジン制御装置が予想される。従って、マイクロチップはトランスミッションを動作させる命令を含むチップとすることができる。或いは、マイクロチップは、エンジンを動作させる命令を含むチップとすることができる。

図面と説明は、本願発明の特定の応用及び実施例を説明するが、提示される本開示または請求の範囲を制限するものではない点に注意することが重要である。明細書を理解し、図面を精査することにより、本願発明の他の無数の実施例が可能であり、そのような実施例は予期され、本発明の請求の範囲内に含まれることは、当業者には直ちに明らかとなるだろう。本明細書に開示された本発明の実施例は、現状において好適と考えられるものであり、種々の変更や修正は、本発明の技術思想と範囲から逸脱すること無くなされ得る。本発明の範囲は、添付の請求の範囲により示され、均等物の意義と範囲内において行われた全ての変更は、請求の範囲に包含されることを意図されている。

Claims (18)

1. 半導体ボードから熱を放散させるシステムであって、
   第１の基板であって、該第１の基板内に形成された開口を含む、前記第１の基板と、
   前記第１の基板の表面に装着された第２の基板と、
   前記開口に配置され、前記第２の基板にバンプ付けされたマイクロチップと、
   前記マイクロチップに直接装着されたヒートシンクと
   を備えるシステム。
2. 前記第１の基板はＦＲ−４ボードである、請求項１記載のシステム。
3. 前記第１の基板は低密度セラミックボードである、請求項１のシステム。
4. 前記第２の基板はＨＤＩボードである、請求項１のシステム。
5. 前記第２の基板は低温同時焼成セラミックボードである、請求項１記載のシステム。
6. 前記第２の基板はセラミックボードである、請求項１記載のシステム。
7. 前記ヒートシンクは高熱伝導性接着剤により前記マイクロチップに装着され、前記高熱伝導性接着剤は、２．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい伝導性を有する、請求項１記載のシステム。
8. 前記第２の基板へバンプ付けされる少なくとも一つのチップをさらに備え、前記少なくとも一つのチップは、前記第２の基板の第１の面上において、前記第２の基板へバンプ付けされ、前記マイクロチップは、前記第２の基板の第２の面上において、前記第２の基板へバンプ付けされ、前記第２の基板の第１の面は、前記第２の基板の第２の面と対向する、請求項１記載のシステム。
9. 前記ヒートシンクは低熱伝導性接着剤により前記第１の基板に装着され、前記低熱伝導性接着剤は、０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さい伝導性を有する、請求項１記載のシステム。
10. 前記バンプは、金バンプである、請求項１記載のシステム。
11. 前記バンプは、はんだバンプである、請求項１記載のシステム。
12. トランスミッション・ケースを含む車両をさらに備え、前記ヒートシンクは前記トランスミッション・ケース上に搭載される、請求項１記載のシステム。
13. トランスミッション・ケースを含む車両をさらに備え、前記ヒートシンクは前記トランスミッション・ケースと一体である、請求項１記載のシステム。
14. 前記マイクロチップはトランスミッションを動作させる命令を含む、請求項１記載のシステム。
15. 前記マイクロチップはエンジンを動作させる命令を含む、請求項１記載のシステム。
16. 熱放散半導体ボードを製造する方法であって、
    第１の基板に開口を形成すること、
    マイクロチップを第２の基板にボンディングすること、
    前記マイクロチップを前記開口に配置すること、
    前記マイクロチップをヒートシンクに直接装着すること、
    前記第１の基板の表面を前記第２の基板にボンディングすること
    を備える方法。
17. 前記第２の基板に少なくとも一つのチップをバンプ付けすることをさらに備え、前記少なくとも一つのチップは、前記第２の基板の第１の面上で前記第２の基板にバンプ付けされ、前記マイクロチップは、前記第２の基板の第２の面上で前記第２の基板にバンプ付けされ、前記第２の基板の第１の面は、前記第２の基板の第２の面と対向する、請求項１６記載の方法。
18. 半導体ボードから熱を放散させるシステムであって、
    第１の基板であって、該第１の基板中に形成される開口を含む前記第１の基板と、
    前記第１の基板の上面に装着される第２の基板と、
    前記開口に配置され、前記第２の基板にバンプ付けされるマイクロチップと、
    前記マイクロチップに直接ヒートシンクを装着する手段と
    を備えるシステム。

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