JP2792496B2 - マルチチップモジュール - Google Patents

マルチチップモジュール

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JP2792496B2
JP2792496B2 JP1180296A JP1180296A JP2792496B2 JP 2792496 B2 JP2792496 B2 JP 2792496B2 JP 1180296 A JP1180296 A JP 1180296A JP 1180296 A JP1180296 A JP 1180296A JP 2792496 B2 JP2792496 B2 JP 2792496B2
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亮一 長岡
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73253Bump and layer connectors

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の半導体素子
を基板に対しフェースダウンにて実装されたマルチチッ
プモジュールに関する。特に、半導体素子の発生する熱
を効率よく放熱するための構造を備えたマルチチップモ
ジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】図7は、従来のマルチチップモジュ−ル
の一例の縦断面図、図8は、従来の第2の例の縦断面
図、図9は、従来の第3の例の分解斜視図である。
【0003】複数の半導体素子を基板上に実装し、機能
を複合化したモジュールをマルチチップモジュールと呼
び、半導体素子の高集積化の一手段として最近よく用い
られている。半導体素子の実装方法として、半導体素子
の回路面を基板に対して上向きに実装するフェースアッ
プ構造と、半導体素子の回路面を基板に対し対向して
(裏向き)に実装するフェースダウン構造がある。最
近、より高密度実装を図る目的でフェースダウン構造が
よく用いられている。
【0004】図7に示すように、半導体素子のフェース
ダウンの構造は、外部接続端子に金属突起(バンプ)3
を施した半導体素子2が、その回路面を基板1に対して
対向させ、基板1に施された回路パターン(不図示)と
の電気的接続がなされる。このように実装された半導体
素子2から発生する熱は、金属突起3から基板1に熱伝
導されるか、または半導体素子2の裏面から外気に対し
て輻射などにより放熱される以外に手段がなく、発熱量
の大きい半導体素子を実装したマルチチップモジュール
では構造的に放熱する手段を設けることが要求される。
このような発熱量の大きい半導体素子を実装したマルチ
チップモジュールの構造としては、図7に示す様に基板
1に金属製の蓋15を設け、半導体素子2の裏面に接着
材16などを介して熱伝導にて放熱される方法がとられ
ている。(例えば、特開昭60−241240号公
報)。
【0005】また、厚みの異なる半導体素子を実装した
マルチチップモジュールの放熱構造の例としては、図8
に示す様に、基板1に実装した半導体素子2の配置に対
応する部位に開口部を備えた蓋20のその開口部に、放
熱用フィン17aを上部に設けた放熱用部材17の脚部
17bを挿入し、半導体素子2の裏面と半田18により
接合し、放熱する構造がとられている。(特開平4−2
63457号公報)。
【0006】その他の放熱構造の例としては、図9の分
解斜視図により、マルチチップモジュール全体の構成で
はないが、単体の半導体素子のパッケージの放熱構造が
示されている。雄ねじ部22を有する放熱用フィン21
を半導体素子の裏面に接し、放熱される構造が報告され
ている。この公報では半導体素子の実装方法に特に言及
していないが、リードフレームを使用し、ベースに対し
て半導体素子の回路面をフェースアップにて搭載し、ワ
イヤーボンディングによる方法が採られている(特開昭
57−162353号公報)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
放熱構造の問題点は2つ挙げられる。その一つは発熱す
る半導体素子からの放熱を確実に行うための構造とは云
えない点である。このような放熱構造をとる半導体素子
の熱設計は、半導体素子の最高使用ジャンクション温度
を考慮した設計になっている。フェースダウンによる実
装を用いたマルチチップモジュールでは、まず半導体素
子が基板に実装される。その後、放熱に関係する周囲の
部材により全体が組み立てられる。図7に示す第1の構
造例では、半導体素子2の高さの差異により、蓋15と
の空間の距離がまちまちになるため、蓋15と半導体素
子2の裏面とに介在させた接着材または半田16の量を
コントロールする必要がある、少なければ蓋15と半導
体素子2の裏面との間に空隙が発生し、半導体素子2か
らの熱伝導する熱抵抗が大きくなる。また接着材または
半田16が多すぎると基板側ヘ、接着材等が流れ込み基
板と半導体素子との接続の信頼性を損なう危険がある。
【0008】図8に示す第2の構造例は高さの異なる半
導体素子2に対応したものであって、蓋20の、各半導
体素子2に対向する位置に孔を開け、放熱用フィン17
a付きの放熱用部材17の半導体素子2と接合する脚部
17bの長さを変えて、半導体素子2の裏面と蓋20と
の隙間を半田18にて接合する方法を採っている。この
場合も蓋20と半導体素子2の裏面と放熱用部材17の
三者間に介在させた接合用半田18の量のコントロール
と接合するための温度管理が難しい。蓋20と放熱用部
材17との半田盛り性が極端に良い場合は半田18が半
導体素子2の裏面と放熱用部材17に少なくなり、空隙
が発生しやすい。また半田18が固化する速度により、
それぞれの部材の熱膨張係数差により放熱用部材17と
半導体素子2の裏面が完全に接合できない可能性を含ん
でいる。図7および図8の従来の構造の共通の問題点は
半導体素子の裏面との接合面の確実性が確認できないこ
とにある。
【0009】もう一つの問題点は、半導体素子への機械
的応力がコントロールできないことである。図9に示す
第3の構造例では、雄ねじ部22を直接、半導体素子の
裏面に回転で接合するので半導体素子の回転の応力が加
わる。半導体素子を構成するシリコンやガリウム砒素な
どの材料は機械的な応力に弱く、局部的な応力によりク
ラックが入る可能性がある。そのため半導体素子の裏面
と接合するねじの面の平坦性や並行度を保つ必要があ
り、生産性の上で大きな支障をきたす。同様に、図7や
図8に示す構造も接合を確実にするための接着材や半田
の硬化時に半導体素子に機械的ストレスが加わる可能性
が大きい。
【0010】そこで本発明の目的は、基板に対してフェ
ースダウンにて実装された半導体素子で発生する熱を、
確実に、かつ効率よく放出する構造を有するマルチチッ
プモジュールを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本第1の発明のマルチチ
ップモジュールは、基板にフェースダウンにて取り付け
られた複数個の半導体素子と、基板に取り付けられ、か
つ半導体素子の配置に対応する複数個の開口部に雌ねじ
部を備えた金属製蓋とを有するマルチチップモジュール
において、半導体素子の外形をカバーする大きさの底面
を有する円錐台形状の金属片と、内側面には、円錐台形
状の金属片の外側面を押圧するため、金属片の外側面と
ほぼ同形状の円錐台形状の嵌合部が形成され、かつ外側
面には、金属製蓋の記雌ねじ部に係合する雄ねじ部が形
成されているねじとを備え、円錐台形状の金属片とねじ
を介して半導体素子の裏面と金属製蓋とが接合されたこ
とを特徴としている。
【0012】本第2の発明のものは、半導体素子の外形
をカバーする大きさの底面を有する半球形状の金属片
と、内側面には、半球形状の金属片の外側面を押圧する
ため、金属片の外側面とほぼ同形状の半球内面形状また
は半球帯内面形状の嵌合部が形成され、かつ外側面に
は、金属製蓋の雌ねじ部に係合する雄ねじ部が形成され
たねじと、を備え、半球形状の金属片とねじを介して半
導体素子の裏面と金属製蓋とが接合されたことを特徴と
している。
【0013】なお、これらのマルチチップモジュール
は、基板上にフェースダウンにて取り付けられた半導体
素子の裏面と、これを押圧する金属片との間に熱伝導性
の高いシートを介在させたものであることが望ましく、
また、半導体素子の裏面と金属片との接合部、金属片と
ねじとの接合部およびねじと金属性蓋との接合部に、そ
れぞれ熱硬化性樹脂を介在させ、各接合部を接合後、加
熱硬化させたものであることも望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【0015】図1は、本発明のマルチチップモジュール
の一実施形態例の縦断面図、図2は、図1の斜視図、図
3は、図2のねじおよび円錐台形状の状金属片の斜視図
である。
【0016】図1において、外部との接続接続用端子
(不図示)に金属突起3を備えた半導体素子2が基板1
と対向ようにフェースダウンで実装され、基板1の表面
に形成された回路パターン(不図示)と電気的に接続さ
れる。この時の接続方法の説明は省略するが、金属突起
としては半田などを半導体素子2の外部接続用端子にメ
ッキする方法や、金Auなどの柔らかい金属を熱圧着な
どにより形成し、基板1に形成された半田との溶融によ
り接続される。半導体素子2が基板1に実装された後
に、放熱のための蓋4が基板に接合される。接合方法に
ついては基板1上において、蓋4の脚部にあたる部分に
パターンを設け、半田などで接合する方法や接着材など
で接合する方法が採られる。蓋4には半導体素子2と対
応する部分に開口部を設けてあり、その内側に雌ねじ部
4aを施している。図1および図3に示すような、半導
体素子2の裏面をカバーする円よりも大きい底面を持つ
円錐台形状の金属片7を基板1に取り付けられた半導体
素子2の裏面に、蓋4の開口部から乗せる。その上から
図1および図3に示すような円錐台形状の金属片7と同
形状の嵌合面が内側面に形成され、雄ねじ部6aが外側
面に形成されたねじ6にて、半導体素子2を固定するよ
うに一定のトルクで押さえる。この時、ねじ6の回転は
ねじ6の上部に設けられた回転用溝6bにて行う。基板
1に取り付けられた半導体素子2の高さの差異に対して
はねじ6の蓋4に対するねじ込み量にて調整を行う。こ
の時、半導体素子2の上に接合された金属片7を一定の
圧力で押さえることにより、半導体素子2に対する回転
の応力を与えず、基板1に対し、垂直方向の力のみで蓋
4との接合を行うことができる。蓋4に設けられたフィ
ン5は半導体素子2の発熱量をより考慮し、発熱量が低
ければ無くてもかまわない。
【0017】図4は、本発明の第2の実施形態例の縦断
面図、図5は、本発明の第3の実施形態例の縦断面図、
図6(a)は、図5の一素子接合部の一部修正された部
分拡大縦断面図、(b)は、図5の別の素子接合部の一
部修正された部分拡大縦断面図である。
【0018】本第2、3の実施形態例においては、半導
体素子2の裏面と平面接合している金属片9の、ねじ1
0、11との接合部は半円球状である。半円球状の金属
片9はねじ10、11との接合部分での自由度が高く、
図6(a)に示すように半導体素子2が基板1に実装さ
れ、一つの半導体素子内のその高さ方向に差異があるこ
とにより角度変位θが生じたとしても半円球状金属片9
とねじ11の嵌合部分で、その変位を吸収できる。図4
の右側のねじ10や図5の右側のねじ12は発熱量の大
きい半導体素子の放熱のために接合部を大きくしたり、
放熱用用のフインを設けた場合の例である。図5の左側
の半導体素子2では、半円球状金属片9との間に熱伝導
性のシート13を介在させたものである。このシート
は、機械的強度が弱い半導体素子2を実装して、確実に
半導体素子の裏面との接合を行う場合に強度的緩衝材と
して適している。また図6(b)は半導体素子2の裏
面、半球状金属片9、ねじ11、蓋4との各接合部分に
熱伝導性接着材(樹脂)14を流し込んだ、図5左側の
接合部に類似した例の拡大図である。特に発熱量が大き
くて各接合部での熱抵抗をより確実に行う場合に用いら
れる。各接合部の隙間は数10μm程度であるため、流
し込む量は非常に少なく、樹脂14を各接合部に塗る程
度で十分である。そのためこの樹脂が硬化する時の機械
的応力は非常に小さい。
【0019】
【発明の効果】以上説明したとおり本発明は、基板上に
実装した各半導体素子間の高さ、大きさについての差異
対や、一つの半導体素子の角度変位に対処して柔軟かつ
確実に放熱用蓋に接合される構造とすることにより、半
導体素子からの放熱が効率的にかつ確実に行われる信頼
性の高いマルチチップモジュールを提供できる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマルチチップモジュールの一実施形態
例の縦断面図である。
【図2】図1の斜視図である。
【図3】図2のねじおよび円錐台形状金属片の斜視図で
ある。
【図4】本発明の第2の実施形態例の縦断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態例の縦断面図である。
【図6】(a)は、図5の一素子接合部の一部修正され
た部分拡大縦断面図、(b)は、図5の別の素子接合部
の一部修正された部分拡大縦断面図である。
【図7】従来のマルチチップモジュ−ルの一例の縦断面
図である。
【図8】従来の第2の例の縦断面図である。
【図9】従来の第3の例の分解斜視図である。
【符号の説明】
1 基板 2 半導体素子 3 金属突起 4,15,20 蓋 4a,25 雌ねじ部 5,17a,21 放熱用フィン 6,10,11,12 ねじ 6a,22 雄ねじ部 6b 回転用溝 7 円錐台形状金属片 8,24 端子 9 半円球状金属片 13 熱伝導性シート 14 熱伝導接着材(樹脂) 16 接着材または半田 17 放熱用部材 17b 脚部 18 半田 19 スペーサ 23 半導体パッケージ

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板にフェースダウンにて取り付けられ
    た複数個の半導体素子と、該基板に取り付けられ、かつ
    該半導体素子の配置に対応する複数個の開口部に雌ねじ
    部を備えた金属製蓋とを有するマルチチップモジュール
    において、 前記半導体素子の外形をカバーする大きさの底面を有す
    る円錐台形状の金属片と、 内側面には、該円錐台形状の金属片の外側面を押圧する
    ため、該金属片の外側面とほぼ同形状の円錐台形状の嵌
    合部が形成され、かつ外側面には、前記金属製蓋の前記
    雌ねじ部に係合する雄ねじ部が形成されているねじとを
    備え、 前記円錐台形状の金属片と前記ねじを介して前記半導体
    素子の裏面と前記金属製蓋とが接合されたことを特徴と
    するマルチチップモジュール。
  2. 【請求項2】 基板にフェースダウンにて取り付けられ
    た複数個の半導体素子と、該基板に取り付けられ、かつ
    該半導体素子の配置に対応する複数個の開口部に雌ねじ
    部を備えた金属製蓋とを有するマルチチップモジュール
    において、 前記半導体素子の外形をカバーする大きさの底面を有す
    る半球形状の金属片と、 内側面には、該半球形状の金属片の外側面を押圧するた
    め、該金属片の外側面とほぼ同形状の半球内面形状また
    は半球帯内面形状の嵌合部が形成され、かつ外側面に
    は、前記金属製蓋の前記雌ねじ部に係合する雄ねじ部が
    形成されてたねじと、を備え、 前記半球形状の金属片と前記ねじを介して前記半導体素
    子の裏面と前記金属製蓋とが接合されたことを特徴とす
    るマルチチップモジュール。
  3. 【請求項3】 前記半導体素子の裏面と、前記金属片と
    の間に熱伝導性の高いシートを介在させた、請求項1ま
    たは2記載のマルチチップモジュール。
  4. 【請求項4】 前記半導体素子の裏面と前記金属片との
    接合部、該金属片と前記ねじとの接合部および該ねじと
    前記金属性蓋との接合部に、それぞれ熱硬化性樹脂を介
    在させ、各接合部を接合後、加熱硬化させた、請求項1
    または2記載のマルチチップモジュール。
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