JP5387255B2

JP5387255B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5387255B2
Application number: JP2009211603A
Authority: JP
Inventors: 真也平田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP2011061131A

Description

本発明は、半導体チップを基板に実装させた半導体装置に関する。

従来、高速動作が必要とされる半導体チップを搭載した半導体装置では、半導体チップを効率的に冷却するために様々な構成が検討されている。
例えば、特許文献１に記載の半導体装置に備えられたプリント板放熱装置は、ＬＳＩ（半導体チップ）の上部に接着された第１の放熱フィンと、プリント板（基板）内部に設けられた内層パターンと、内層パターンに伝達された熱を放熱する第２の放熱フィンとを備えている。また、このプリント板内には、プリント板を板厚方向に貫通する放熱ビア（ビア）が形成され、半導体チップが発した熱を第２の放熱フィンに伝達している。
このように構成されたプリント板放熱装置を備えることで、放熱効率を上げ、低コスト・低騒音を実現することができるとされる。

また、他の構成として、特許文献２に記載の半導体パッケージ（半導体装置）に備えられた放熱部材は、光機能素子（半導体チップ）からの熱を外部に放散させるためのものである。この放熱部材は、光機能素子からの熱を基板の背面から放散させるための第１の放熱経路（ビア）と、基板から露出し第１の放熱経路の終端に取り付けられた放熱手段と、ウィンドウリッドで発生した熱を基板の背面から放散させるための第２の放熱経路と、基板から露出し第２の放熱経路の終端に取り付けられた放熱手段とを有している。
この放熱部材によれば、光機能素子及びウィンドウリッドに与えられた熱を半導体パッケージの外側に効果的に放散することができるという。

基板には、一般的に、その表面又は内部に信号を伝送するための導体層が形成されていて、半導体チップと導体層は、基板を貫通するように設けられたビア等により電気的に接続されている。また、このビアは、熱伝導率が大きい銅等で形成されている。
近年は、半導体装置の高性能化にともない、ビアにより伝送される信号が反射したり減衰したりするのを防止するため、信号の伝送に一部のみしか用いられていないビアに公知のバックドリル工法が施されるようになってきている。このバックドリル工法とは、基板において、信号の伝送に用いられていないビアの一部が配置された面側から、ビアの当該一部をドリル等を用いて削り取る工法のことである。
基板において、ビアが削り取られずに残った面側では、半導体チップからビアに伝導された熱が放熱される。

一般的に、信号の伝送レートが３Ｇｂｐｓを越える基板において、バックドリル工法が有効であると言われている。最新の携帯機器の場合、例えば、１２Ｍピクセルの画素を有する撮像素子を備えたデジタルカメラでは、４．３２Ｇｂｐｓのデータ伝送レートが要求されている等、バックドリル工法が効果的となっている。

特開２００８−９８５５６号公報特開２００８−１５９８６９号公報

しかしながら、バックドリル工法を施すと、ビアと、基板におけるビアを削り取った側の面とが基板のみにより接続された状態となる。このため、ビアとこの面との間の電熱性能が低下するという問題が生じてしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、ビアによる信号の反射及び減衰は抑えつつも、基板の両方の面側から効果的に半導体チップの熱を放出することができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の半導体装置は、自身の厚さ方向にスルーホールが形成された基板と、前記基板上に固定された半導体チップと、前記スルーホール内において前記基板の一方の面側に設けられ前記半導体チップに電気的に接続された導電性のビアと、前記スルーホール内において前記基板の前記一方の面に対して反対側の他方の面側に設けられ、絶縁性を有するとともに前記基板よりも熱伝導率が大きい放熱部材と、を備え、前記基板は前記ビアと電気的に接続され制御信号を伝送する導体層を有することを特徴としている。

本発明の半導体装置によれば、半導体チップから発せられた熱は、半導体チップに電気的に接続されたビアに伝導され、基板の一方の面側から外部に放熱される。また、半導体チップから発せられた熱は、ビアから基板を通して基板よりも熱伝導率が大きい放熱部材に伝導され、さらに基板の他方の面側から外部に放熱される。このように、半導体チップから発せられた熱を、ビアと放熱部材により基板の両方の面側から効果的に放熱することができる。
そして、スルーホールの他方の面側に設けられている放熱部材は絶縁性を有するので、ビアを通して半導体チップと導体層との間で伝送される信号が、放熱部材を伝送して反射又は減衰するのを防止することができる。

本発明の実施形態の半導体装置の側面の断面図である。同半導体装置を製造する工程を示す説明図である。同半導体装置を製造する工程を示す説明図である。本発明の実施形態の変形例の半導体装置の側面の断面図である。

以下、本発明に係る半導体装置の実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、自身の厚さ方向に複数のスルーホール２が形成された基板３と、基板３上に実装されたＬＳＩ（半導体チップ）４と、スルーホール２内において基板３の一方の面３ａ側に設けられたビア５ａ〜５ｋと、スルーホール２内において基板３の一方の面３ａに対して反対側の他方の面３ｂ側に設けられ放熱フィラー（放熱部材）６とを備えている。

基板３は多層基板であって、ＬＳＩ４等で処理された信号やクロック信号を含む制御信号を伝送する６つの導体層１０ａ〜１０ｆと、セラミック等の絶縁層１１とを交互に積層させて構成されている。基板３には、導体層１０ａ〜１０ｆ以外にも、不図示の電源配線層やグランド配線層による導体層が設けられているが、これらの導体層はスルーホール２には接続されない。
なお、以下で各ビア５ａ〜５ｋ、各導体層１０ａ〜１０ｆを区別せずにまとめて示すときには、それぞれを「ビア５」、「導体層１０」と表す。

スルーホール２の一方の面３ａ側の部分である第一の穴部２ａは、基板３の所定位置にパンチング等により形成されている。
スルーホール２の他方の面３ｂ側の部分である第二の穴部２ｂは、後述するように、第一の穴部２ａにビアを設けた後で、基板３の所定の厚さをビアとともに削り取るバックドリル工法を施すことにより形成されている。このため、第一の穴部２ａの内径よりも第二の穴部２ｂの内径の方が大きくなっている。

ＬＳＩ４は、一方の主面に配置された不図示のポートがビア５の一方の面３ａ側の端部に対向するように配置されている。なお、半導体チップとしては、ＬＳＩ４に代えてＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）の素子を用いても良い。

ビア５は、導電性を有する銅等の金属を用いてメッキ等によりにスルーホール２の内周面に形成されている。そして、略円筒状に形成されたビア５の中空部には、樹脂製の封止部材８が充填されている。
なお、ビア５は、本実施形態のように略円筒状に形成しても良いし、中実の円柱状に形成しても良い。
また、封止部材に金属を用いても良い。この場合、封止部材の熱伝導率が大きくなるので、ビア５及び封止部材を全体としてみたときに熱を通り易くする（熱抵抗を低下させる）ことができる。

ビア５の一方の面３ａ側の端部には導電性のパッド１２が設けられていて、基板３の一方の面３ａ上に配置されている。パッド１２は、半田ボール７により前述のビア５と電気的に接続されている。
各ビア５には、導体層１０ａ〜１０ｆの少なくとも１つが電気的に接続されている。例えば、ビア５ａには導体層１０ｃが、ビア５ｂには導体層１０ａが、ビア５ｃには導体層１０ｅが、それぞれ紙面より奥側又は紙面より手前側に設けられた不図示の配線パターンにより接続されている。

放熱フィラー６には、絶縁性を有するとともに基板３の絶縁層１１よりも熱伝導率が大きい材料が用いられている。放熱フィラー６としては、例えば、エポキシ樹脂系材料、アルミナ系材料、エラストマー、又はシリコーン樹脂系材料を適宜選択して用いることができる。放熱フィラー６は、第二の穴部２ｂ内にすき間なく充填されていることが好ましいが、第二の穴部２ｂ内の内周面だけに設けられる等しても良い。
スルーホール２内で、各放熱フィラー６は、ビア５と互いに接触している。

基板３の他方の面３ｂ側には、放熱フィラー６と接続されたフレーム（放熱体）１３が配置されている。本実施形態では、基板３の他方の面３ｂに放熱フィラー６と同じ材料で形成された放熱補助部材６ａを塗布し、放熱フィラー６とフレーム１３とが間に放熱補助部材６ａを挟んで互いに接続されるように構成されている。このため、基板３の他方の面３ｂとフレーム１３とが接続される面積を、一定以上確保することができる。

次に、以上のように構成された半導体装置１の製造方法について説明する。
まず、作業者は、図２に示すように、導体層１０ａ〜１０ｆと絶縁層１１とを交互に積層させて基板３を構成する。そして、基板３の所定の位置にパンチング等で孔を開けてスルーホール２２を形成する。
続いて、スルーホール２２の内周面の全体にわたり銅を用いたメッキ等によりビア２５ａ〜２５ｋを形成するとともに、各ビア２５ａ〜２５ｋの一方の面３ａ側の端部に導電性のパッド１２をそれぞれ設ける。さらに、ビア２５ａ〜２５ｋの中空部に封止部材８を充填する。
次に、半田ボール７が融点温度以上となる高温環境下で、基板３のパッド１２にＬＳＩ４のポートが対向するように配置して、半田ボール７でパッド１２とＬＳＩ４のポートとを接続して、基板３にＬＳＩ４を実装する。

続いて、図３に示すように、作業者は、バックドリル工法により、各スルーホール２２に基板３の他方の面３ｂ側からドリル等で穴を開けて、第二の穴部２ｂを形成する。
次に、図１に示すように、各スルーホール２の第二の穴部２ｂに放熱フィラー６を充填すると、放熱フィラー６が各第二の穴部２ｂの形状に形成される。そして、基板３の他方の面３ｂに放熱補助部材６ａを塗布し、基板３の他方の面３ｂとの間に放熱補助部材６ａを挟むようにフレーム１３を取り付ける。
以上により、半導体装置１が完成する。

ここで、図２に示すバックドリル工法を施す前の状態において、基板３の厚さをＬ、ビア２５ａ〜２５ｋの熱伝導率をλ、スルーホール２２の自身の軸線に直交する平面での断面積をＡとする。このとき、ビア２５ａ〜２５ｋの全体の熱抵抗Ｒは、次式のようになる。
Ｒ＝Σ（Ｌ／（λ×Ａ）） ‥（１）
（上記の（１）式の右辺は、（Ｌ／（λ×Ａ））の値をビア２５ａ〜２５ｋの数だけ足し合わせた値を意味する。）
また、ＬＳＩ４の発熱量をＱとすると、ビア２５ａ〜２５ｋの他方の面３ｂ側の端部の温度に対する一方の面３ａ側の端部の温度の温度勾配ΔＴは、次式のようになる。
ΔＴ＝Ｑ×Ｒ ‥（２）

（２）式から、温度勾配ΔＴを抑えて放熱効率を上げるには、ビア２５ａ〜２５ｋに熱伝導率λの大きい材料を用いることが有効であることが分かる。
バックドリル工法を施す前には、スルーホール２２の内周面の全体にわたり、銅等の熱伝導率の大きな材料で形成されたビア２５ａ〜２５ｋを形成することができるので、基板３の他方の面３ｂ側の放熱効率が優れている。
しかし、バックドリル工法を施すと、ビア２５ａ〜２５ｋのうち、各スルーホール２の第二の穴部２ｂ内に設けられていた部分が除去されることになる。本実施形態の半導体装置１は、スルーホール２の第二の穴部２ｂ内に基板３の絶縁層１１よりも熱伝導率が大きい放熱フィラー６が充填されているので、基板３の他方の面３ｂ側からＬＳＩ４の熱を効果的に放出することができる。

以上説明したように、本実施形態の半導体装置１によれば、ＬＳＩ４から発せられた熱は、ＬＳＩ４に半田ボール７を通して電気的に接続されたビア５に伝導され、基板３の一方の面３ａ側から外部に放熱される。また、ＬＳＩ４から発せられた熱は、ビア５から基板３を通して絶縁層１１よりも熱伝導率が大きい放熱フィラー６に伝導され、さらに基板３の他方の面３ｂ側から外部に放熱される。このように、ＬＳＩ４から発せられた熱を、ビア５と放熱フィラー６により基板３の両方の面側から効果的に放熱することができる。
そして、スルーホール２の他方の面３ｂ側に設けられている放熱フィラー６は絶縁性を有するので、ビア５を通してＬＳＩ４と導体層１０との間で伝送される信号が、放熱フィラー６を伝送して反射又は減衰するのを防止することができる。

また、ビア５と放熱フィラー６とは、スルーホール２内で互いに接触している。このため、ＬＳＩ４から発せられビア５に伝導された熱が、放熱フィラー６よりも熱伝導率の小さい基板３の絶縁層１１を通ることなく放熱フィラー６に直接伝導するので、半導体装置１の放熱効率を上げることができる。
そして、基板３の他方の面３ｂ側には、放熱フィラー６と接続されたフレーム１３が配置されているので、放熱フィラー６によりフレーム１３に伝導された熱を、他方の面３ｂ側から外部に効果的に放熱することができる。

スルーホール２は、第一の穴部２ａの内径よりも第二の穴部２ｂの内径の方が大きくなるように形成されているので、放熱経路をより広く確保することができる。このとき、（１）式及び（２）式におけるスルーホール２２の断面積Ａが増加するので、基板３の他方の面３ｂ側からより効果的に放熱することができる。
また、ビア５の数が多くなるほど、放熱がより効果的になる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、放熱体としてフレーム１３を備えたが、これに代えて図４に示す半導体装置３１ようにヒートシンク３２を備えてもよい。このように構成することで、放熱フィラー６によりヒートシンク３２に伝導された熱を、外部により効果的に放熱することができる。
このとき、ＬＳＩ４の基板３に対して反対側の面にヒートシンク３３を備えても良い。上記実施形態の半導体装置１がコンピュータ基板用であっても、この変形例のように、局所的に冷却するための補助手段としてのヒートシンク３３を備えることで、好適に用いることができる。

また、上記実施形態では、ＬＳＩ４のポートが、ビア５のパッド１２に対向するように配置して、基板３の一方の面３ａ側にＬＳＩ４を実装した。しかし、ＬＳＩ４はビア５のパッド１２に対向するように配置する必要はなく、一方の面３ａ上においてＬＳＩ４をパッド１２とは位置をずらして実装し、ＬＳＩ４のポートとビア５とを基板３の内部に設けられた導体層等で電気的に接続しても良い。
また、上記実施形態では、放熱体としてフレーム１３を用いたが、半導体装置を保持するスティフナー等を用いても良い。

そして、上記実施形態では、スルーホール２内においてビア５と放熱フィラー６とは互いに接触しているとした。ただし、両者が離間している場合であっても基板３を通してビア５から放熱フィラー６に熱を伝導することができるので、ビア５と放熱フィラー６とは離間していても良い。
また、上記実施形態では、ＬＳＩ４のポートとビア５のパッド１２とを半田ボール７により電気的に接続した。しかし、ＬＳＩ４のポートとパッド１２とを直接接触させることで、互いを電気的に接続させても良い。

１、３１半導体装置
２スルーホール
３基板
３ａ一方の面
３ｂ他方の面
４ＬＳＩ（半導体チップ）
５、５ａ〜５ｆ、２５ａ〜２５ｆビア
６放熱フィラー（放熱部材）
１０、１０ａ〜１０ｆ導体層
１３フレーム（放熱体）
３２ヒートシンク（放熱体）

Claims

自身の厚さ方向にスルーホールが形成された基板と、
前記基板上に固定された半導体チップと、
前記スルーホール内において前記基板の一方の面側に設けられ前記半導体チップに電気的に接続された導電性のビアと、
前記スルーホール内において前記基板の前記一方の面に対して反対側の他方の面側に設けられ、絶縁性を有するとともに前記基板よりも熱伝導率が大きい放熱部材と、
を備え、
前記基板は前記ビアと電気的に接続され制御信号を伝送する導体層を有することを特徴とする半導体装置。
前記ビアと前記放熱部材とは、前記スルーホール内で互いに接触していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記基板の前記他方の面側には、前記放熱部材と接続された放熱体が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
前記放熱体はヒートシンクであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。