JP4653383B2 - パッケージ化半導体装置およびその製作方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にパッケージ化半導体装置に関し、より詳細にはパッケージ化半導体装置を製作する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路をパッケージにする際には、パッケージ内に多数の半導体ダイを許容するパッケージを提供することが望ましい。１つのパッケージ内に多数のダイを含むことにはいくつかの利点がある。例えば、パッケージ化のコストを低減することができると共に、印刷回路基板上に必要とされるスペースの量を縮小することができる。パッケージ内に多数のダイを収容する方法の１つは、ある１つのダイを別のダイの上に積み重ねることである。しかしながら、そのようなダイを積み重ねることによる解決策に関する１つの問題に、積み重ねたもの（スタック）の上部ダイの熱放散が、底部ダイを通過するということがある。パッケージ化された高出力デバイスでは底部ダイによって放散できる熱の量は限られている。したがって、熱消散が改善された積み重ねダイのためのパッケージ化半導体装置に対する要求が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、熱放散が改善されたパッケージ化半導体装置とその製作方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体装置を製作する方法であって、第１のヒートスプレッダと、第１のヒートスプレッダに重なるパッケージ基板と、パッケージ基板を貫通して延び、第１のヒートスプレッダの中に延びるキャビティとを有するパッケージ装置を提供する工程；第１のヒートスプレッダに第１の半導体ダイをキャビティ内で接着する工程；第１の半導体ダイに第２の半導体ダイを取り付ける工程；および第２の半導体ダイに第２のヒートスプレッダを接着する工程；からなる方法を要旨とする。
【０００５】
請求項８に記載の発明は、半導体装置であって、第１のヒートスプレッダ；第１のヒートスプレッダの中に延びるキャビティ；第１のヒートスプレッダに取り付けられたキャビティ内の第１の半導体ダイ；第１の半導体ダイに取り付けられたキャビティ内の第２の半導体ダイ； 第２の半導体ダイに重なる第２のヒートスプレッダ；を備えた半導体装置を要旨とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明を、図面において、限定としてではなくあくまで例として説明する。図面では、同様な参照符号は同様な要素のことを示す。
【０００８】
当業者には、図中の要素が簡単さと明瞭さのために例示されており、必ずしも正しい縮尺になっていないことが理解されよう。例えば、本発明の様々な実施態様についての理解を促すために、図中のいくつかの要素の寸法が他の要素に対して誇張され得る。
【０００９】
一般に、本発明は、上部ダイにヒートスプレッダを取り付けることにより熱放散を改良する積み重ねられたダイのためのパッケージ化半導体装置を提供する。上部ダイに取り付けられたヒートスプレッダは、底部ダイを支持するために使用されているヒートスプレッダを補助する。装置の高さを減らすために、底部ヒートスプレッダは積み重ねダイを支持するためのキャビティ、すなわち空間を有している。印刷回路基板（ＰＣＢ）にパッケージ化装置を取り付けたとき、上部ダイに取り付けられたヒートスプレッダはＰＣＢと接触し、上部ダイの操作によって生成された熱を放散するための直接の熱通路を提供する。本発明は図面を見ることにより一層深く理解される。
【００１０】
図１は、本発明の実施態様による装置２０を例証する。パッケージ化された装置２０は、空間すなわちキャビティ２１を備えたヒートスプレッダ２２を有している。例示した実施態様では、ヒートスプレッダ２２は銅から形成される。銅から形成された場合、ヒートスプレッダ２２は、クロム銀、ニッケル金またはその他の同種のもののような別の金属でメッキすることが可能である。他の実施態様では、ヒートスプレッダ２２が他の伝熱性材料から形成されてもよい。ヒートスプレッダ２２にはパッケージ基板２４が取り付けられる。パッケージ基板２４はさらに、キャビティ２１の開口部に概ね一致する開口部を有している。基板２４の上部には、１または複数のワイヤボンドフィンガー３０と、１または複数のはんだボールパッド３２とが備わっている。本発明の１つの実施態様では、パッド３２が導電材料から形成され、ＰＣＢとの装置２０の機械的および電気的接続のために使用され得る。さらにパッド３２は、別個の複数の装置を実装するために使用されてもよいし、試験目的で試験プローブを受け取るために使用されてもよいし、または導電相互接続（例えばはんだボール）を受け取るために使用されてもよい。例示した実施態様では、ダイをパッケージ基板に電気接続するためにワイヤボンドパッド３０を使用する。しかしながら、他の実施態様では、ダイを基板に電気接続するために、他の技術を使用してもよい。さらに、基板２４は、ワイヤボンドパッド３０をはんだボールパッド３２に接続するトレース（図示しない）のような電気伝導体を含む。電気回路を有する半導体ダイ２８はキャビティ２１内に整列され、ダイ接着材料２６を用いてヒートスプレッダ２２に接着される。代わりに、ダイ接着テープを用いてヒートスプレッダ２２にダイ２８を接着してもよい。
【００１１】
図２は、第２ダイ３６がダイ接着材料３４を用いてダイ２８の上部表面に整列かつ接着されたパッケージ化装置２０の１つの実施態様を例証している。一般にダイ３６は、ダイ３６を接着するダイ２８の表面積よりも小さな表面積を有する。
【００１２】
図３は、第２のヒートスプレッダ４０がダイ３６の上部表面に接着されたパッケージ化装置２０の１つの実施態様を例証している。ヒートスプレッダ４０はダイ接着材料３８を用いてダイ３６の上部表面に接着される。ダイ接着材料３８は、例えば、エポキシ樹脂またはテープダイ接着材料のいずれか１つであってよい。別の実施態様では、ヒートスプレッダ４０は、ヒートスプレッダ４０をダイ３６上の適切なサイズの金属パッド（図示しない）に対してはんだづけすることにより、ダイ３６に接着され得る。ヒートスプレッダ４０はウェハが個々のダイに１つずつ分割される前か分割された後のいずれの時期に金属パッドにはんだづけされてもよい。
【００１３】
１つの実施態様では、ヒートスプレッダ４０は銅から鋳造される。銅から形成された場合、ヒートスプレッダ４０は、クロム銀、ニッケル金またはその他の同種のもののような別の金属でメッキすることが可能である。他の実施態様では、ヒートスプレッダ４０は例えばアルミニウムまたは金のような他の伝熱性材料を用いて形成され、また、ヒートスプレッダ４０はスタンピング（打ち抜き加工）、キャスティング（鋳造）、エッチング（食刻）、またはマシニング（機械加工）により成形され得る。また、例証した実施形態では、ヒートスプレッダ４０の底部表面の表面積がヒートスプレッダ４０の上部表面の表面積より大きくなるように、ヒートスプレッダ４０が参照符号４１で示すようなテーパ状または階段状の形状特徴または出っ張りを有するように形成される。さらには、上から下に見た場合に、ヒートスプレッダ４０は円筒形であってもよいし、長方形であってもよい。ヒートスプレッダ４０に円筒形が使用された場合、ヒートスプレッダ４０は、一方のシリンダが他方のシリンダよりも小さな直径を有する、それぞれの平坦な表面によって互いに接続された２つのシリンダとして見ることができる。ヒートスプレッダ４０に長方形が使用された場合、ヒートスプレッダ４０は、１方の箱が他方の箱とは異なる体積を有する２つの接続または接触された２つの箱として見ることができる。他の実施態様では、ヒートスプレッダ４０は異なる形を有してもよく、多数の部分から形成することができる。
【００１４】
図４は、ダイ２８，３６がワイヤボンド４４，４６によってボンドフィンガー３０に電気接続されている装置２０の１つの実施態様を例証している。本発明の代替実施態様は、いかなる数のワイヤボンド４４，４６ならびにボンドフィンガー３０を使用してもよい。また、任意選択のものとして図４に例示されているワイヤボンド４８は、ヒートスプレッダ４０をダイ３６上の位置に電気接続する。例えば、ワイヤボンド４８はヒートスプレッダ４０をダイ３６に電気的にアースするために使用され得る。ヒートスプレッダ４０の形状特徴４１は、任意選択のワイヤボンドを取り付ける便利な場所として機能する。
【００１５】
図５は、封止材料５０が積み重ねダイ３６，２８、ヒートスプレッダ４０およびワイヤボンド４４，４６，４８の上に配置された装置２０の１つの実施態様を例証している。封止材料５０は、例えば成型プラスチックまたは液体が堆積したグロブ（塊）材料のような、集積回路の任意の種類の適切な材料であってよいことに留意する。さらに、封止材料５０の上部表面はヒートスプレッダ４０の上部表面と同一高さであり、ヒートスプレッダ４０の上部表面を覆わないことに留意する。さらに、形状特徴４１は、ダイ３６の上部にヒートスプレッダ４０を固定する機能を果たし、装置２０の熱サイクル反復後にヒートスプレッダ４０が封止材料５０から押し出されることを防止する。さらに、例示した実施態様では、封止材料５０はキャビティ２１の実質的に全部を満たす。
【００１６】
図６は、複数のはんだボール５２が複数のはんだパッド３２上に形成された装置２０の１つの実施態様を例証している。はんだボール５２は、はんだボール５２を置く従来技術の１つを使用して形成される。
【００１７】
図７は、ＰＣＢ５４に装置２０が接続された装置２０の１つの実施態様を例証している。例証した実施態様では、ＰＣＢ５４に装置２０を取り付けるために、装置２０が裏返される（フリップ）すなわち回転されることに留意する。しかしながら、代替実施態様では、装置２０をその製作中に任意の様式で方向づけることができる。ＰＣＢ５４は、はんだパッド３２と位置が対応する複数のボンドパッド６０を備えている。はんだボール５２は、スクリーン印刷はんだペーストやその同等物が施されたパッド６０に電気接続を与えるために、加熱され再度流動化されて符号５８となる。さらに、ＰＣＢ５４上のヒートスプレッダ４０と対応するパッド６０間にも、はんだ接続５６が形成される。
【００１８】
ヒートスプレッダ４０は、装置２０のための第２の熱放散通路を提供する。装置２０の操作中、熱は少なくとも部分的に、ヒートスプレッダ４０を通じてダイ３６から放散される。ダイ２８がダイ３６により生成された熱を放散する必要性が減り、より大きな放散能を有する積み重ねダイ半導体装置が可能となる。
【００１９】
選択的に基板２４の様々な部分を相互接続するために、基板２４内にトレースおよびバイアス（図示しない）が使用されることに留意する。ダイ接着材料２６，３４，３８は、例えば接着テープや非固体の接着剤（例えば糊やエポキシ樹脂）のような任意の種類の適切な材料であってよいことにも留意する。ダイ２８，３６は、いかなる種類の集積回路、半導体装置、または他の種類の電気能動基板であってもよい。本発明の代替実施態様は、パッケージ化半導体装置２０内にいかなる数のダイ２８，３６をパッケージしてもよい。例えば、代替実施態様は、パッケージ装置２０内に３つのダイをパッケージし得る。ダイ２８，３６のサイズとアスペクト比は変えてもよいことに留意する。例証した実施態様では、ダイ２８，３６がヒートスプレッダ２２のキャビティ２１内にあることに留意する。しかしながら、他の実施態様では、ダイ２８，ダイ３６をキャビティ２１を持たないヒートスプレッダ上に配置してもよい。さらに、ヒートスプレッダ２２は、熱放散の改善のために表面積を増加させるべく、キャビティ２１の反対側にパターン形成してもよい。
【００２０】
以上の明細書では、本発明を特定の実施態様に関して説明したが、当業者には、請求項に述べられるような本発明の範囲を逸脱せずに、様々な修正および変更を行なえることが理解される。例えば、パッケージ装置２０の形成に当たっては、いかなる適切なダイ接着プロセス、ワイヤボンドプロセス、はんだボール形成プロセス、およびテーププロセスを使用してもよく、そのうち多くのものが当該技術分野ではよく知られている。従って、明細書と図面は限定的な意味ではなく例証的な意味とみなされるべきであり、そのようなすべての修正は本発明の範囲に含まれるものとする。特定の実施態様に関する利点、他の効果、および問題解決策について説明したが、そのような利点、効果、問題解決策、ならびにそのような利点、効果、問題解決策を生じさせたり顕在化させたりし得るいかなる要素も、いかなる請求項の重大な、必要な、または必須の特徴または要素としても解釈されるべきではない。
【００２１】
【発明の効果】
以上により、パッケージ化半導体装置における熱放散が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【図２】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【図３】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【図４】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【図５】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【図６】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【図７】本発明の実施態様に従って製作されるパッケージ装置の一連の断面図。
【符号の説明】
２０…パッケージ装置、２１…キャビティ、２２…第１のヒートスプレッダ、２４…パッケージ基板、２８…第１のダイ、３６…半導体ダイ、４０…第２のヒートスプレッダ、４６…電気接続。

Claims (15)

  1. 半導体装置（２０）を製作する方法であって、
    第１のヒートスプレッダ（２２）と、第１のヒートスプレッダ（２２）に重なるパッケージ基板（２４）と、パッケージ基板（２４）を貫通して延び、第１のヒートスプレッダ（２２）の中に延びるキャビティ（２１）とを有するパッケージ装置を提供する工程；
    第１のヒートスプレッダ（２２）に第１の半導体ダイ（２８）をキャビティ（２１）の内部に配置されるように接着する工程；
    第１の半導体ダイ（２８）に第２の半導体ダイ（３６）を取り付ける工程；および
    前記第２の半導体ダイ（３６）に第２のヒートスプレッダ（４０）を接着する工程；
    からなる方法。
  2. 第１の半導体ダイ（２８）とパッケージ基板（２４）との間に複数の電気接続（４６）を形成する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
  3. 電気接続（４６）と、第１の半導体ダイ（２８）と、第２のヒートスプレッダ（４０）の少なくとも一部分とを封止する工程をさらに含む請求項２に記載の方法。
  4. 前記第２の半導体ダイ（３６）とパッケージ基板（２４）との間に複数の電気接続（４４）を形成する工程と、
    前記第２の半導体ダイ（３６）を封止する工程とをさらに含む請求項１に記載の方法。
  5. 前記第２のヒートスプレッダ（４０）と前記第２の半導体ダイ（３６）との間に電気接続（４８）を形成する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
  6. 前記第２のヒートスプレッダ（４０）の第２の半導体ダイ（３６）と接着される底部表面の表面積が、底部表面と反対側の前記第２のヒートスプレッダ（４０）の上部表面の表面積よりも大きい請求項１に記載の方法。
  7. 第２の半導体ダイ（３６）は第１のダイ接着材料（３４）により第１の半導体ダイ（２８）に接着され、第２のヒートスプレッダ（４０）は第２のダイ接着材料（３８）により第２の半導体ダイ（３６）に接着される請求項１に記載の方法。
  8. 半導体装置（２０）であって、
    第１のヒートスプレッダ（２２）；
    前記第１のヒートスプレッダ（２２）の中に延びるキャビティ（２１）；
    前記第１のヒートスプレッダ（２２）に取り付けられた前記キャビティ（２１）の内部の第１の半導体ダイ（２８）；
    前記第１の半導体ダイ（２８）に取り付けられた第２の半導体ダイ（３６）；
    第２の半導体ダイ（３６）に重なる第２のヒートスプレッダ（４０）；を備えた半導体装置（２０）。
  9. 前記第１の半導体ダイ（２８）とパッケージ基板（２４）との間に形成された複数の電気接続（４６）をさらに含む請求項８に記載の半導体装置（２０）。
  10. 前記第２の半導体ダイ（３６）とパッケージ基板（２４）との間に形成された複数の電気接続（４４）をさらに含む請求項８に記載の半導体装置（２０）。
  11. 前記第２のヒートスプレッダ（４０）と前記第２の半導体ダイ（３６）との間に形成された電気接続（４８）をさらに含む請求項８に記載の半導体装置（２０）。
  12. 前記第２のヒートスプレッダ（４０）の第２の半導体ダイ（３６）と接着される底部表面の面積が、底部表面と反対側の前記第２ヒートスプレッダ（４０）の上部表面の面積よりも大きい請求項８に記載の半導体装置（２０）。
  13. 前記第２のヒートスプレッダ（４０）が、第２の半導体ダイ（３６）と接着される底部を備えた第１部分と、第１部分から第２の半導体ダイ（３６）と反対側に突出する第２部分とを備え、第１部分の底部の面積が、第１部分と接続される第２部分の底部の面積よりも大きい請求項８に記載の半導体装置（２０）。
  14. 前記第２のヒートスプレッダ（４０）の第１部分と前記第２の半導体ダイ（３６）の間に形成された電気接続（４８）をさらに含む請求項１３に記載の半導体装置（２０）。
  15. 第２の半導体ダイ（３６）は第１のダイ接着材料（３４）により第１の半導体ダイ（２８）に接着され、第２のヒートスプレッダ（４０）は第２のダイ接着材料（３８）により第２の半導体ダイ（３６）に接着される請求項８に記載の半導体装置（２０）。
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