JP5447080B2 - Semiconductor package and semiconductor device - Google Patents

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    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector

Description

本発明は、半導体パッケージ及び半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor package and a semiconductor device.

電子機器、例えばコンピュータにおいて半導体集積回路(LSI)素子を冷却するために、LSI素子の放熱面に放熱素子であるヒートスプレッダー、ヒートシンク等を接着し、さらに放熱素子の近傍に送風機を配置して放熱素子に風を送って熱を拡散している。この場合、LSI素子の放熱面として、はんだ接続用の電極パッドが形成されない面が選択される。   In order to cool a semiconductor integrated circuit (LSI) element in an electronic device, for example, a computer, a heat spreader, a heat sink or the like as a heat dissipation element is bonded to the heat dissipation surface of the LSI element, and a blower is disposed near the heat dissipation element to dissipate heat. Air is sent to the element to diffuse heat. In this case, a surface on which no electrode pad for solder connection is formed is selected as the heat dissipation surface of the LSI element.

近年、LSIの回路の高集積化や高機能化により、LSIの発熱量が増加する傾向にあり、これに伴い、大型のヒートスプレッダー、ヒートシンクを採用したり、それらの形状を複雑にする構造を作製したりしている。このことは、LSI素子を備えた機器の実装技術に大きな影響を与える。   In recent years, LSI circuits tend to increase in heat generation due to high integration and high functionality of LSI circuits. With this trend, large heat spreaders and heat sinks have been adopted, and structures that make their shapes complicated. Or make it. This has a great influence on the mounting technology of equipment equipped with LSI elements.

これに対し、LSI素子のうち回路基板との接合面側に放熱する方法もあり、例えば樹脂製の回路基板に替えてメタルコア基板を使用することが知られている。   On the other hand, there is also a method of dissipating heat to the joint surface side of the LSI element with the circuit board. For example, it is known to use a metal core board instead of a resin circuit board.

また、ヒートシンクにヒートパイプの一部を接続し、或いは樹脂製の回路基板の内部にメタル板を挟み込んだメタルコア基板を使用し、これによりLSI素子の冷却効率を高める構造も知られている。   There is also known a structure in which a part of a heat pipe is connected to a heat sink, or a metal core substrate in which a metal plate is sandwiched inside a resin circuit board is used, thereby improving the cooling efficiency of the LSI element.

また、作動流体が封入された内部中空の金属製パッケージの表面の凹部に半導体集積回路チップを取り付けた構造が知られ、その中空部内には多数条の溝が形成されている。この場合、半導体集積回路チップのうち電極パッドの無い面が金属製パッケージに接着される。また、金属製パッケージの凹部の周囲には配線基板が取り付けられ、その配線基板の端子と半導体集積回路チップの端子は、ワイヤボンディングにより互いに接続される。   Further, a structure in which a semiconductor integrated circuit chip is attached to a concave portion on the surface of an internal hollow metal package in which a working fluid is sealed is known, and a plurality of grooves are formed in the hollow portion. In this case, the surface without the electrode pad of the semiconductor integrated circuit chip is bonded to the metal package. In addition, a wiring board is attached around the recess of the metal package, and the terminals of the wiring board and the semiconductor integrated circuit chip are connected to each other by wire bonding.

特開2004−47897号公報JP 2004-47897 A 特開2002−335057号公報JP 2002-335057 A 特開2004−172425号公報JP 2004-172425 A 特開2002−15640号公報JP 2002-15640 A 特開平5−198713号公報JP-A-5-198713 特開2007−123547号公報JP 2007-123547 A

上記のような半導体素子の冷却構造によれば、はんだ(半田)を介して半導体素子とインターポーザを接続する構造や、半田を介してインターポーザと配線基板を接続する構造のように、2つの基板の間の空間に滞留する熱を効率よく冷却することが難しい。   According to the cooling structure of the semiconductor element as described above, two substrates such as a structure in which the semiconductor element and the interposer are connected through solder (solder), and a structure in which the interposer and the wiring board are connected through solder. It is difficult to efficiently cool the heat staying in the space between.

本発明の目的は、半田を介して接続される上側と下側の基板の間の隙間、又は半導体素子と基板の間の隙間に滞留する熱を効率よく冷却することができる半導体パッケージ及び半導体装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor package and a semiconductor device capable of efficiently cooling the heat accumulated in the gap between the upper and lower substrates connected via solder, or the gap between the semiconductor element and the substrate. Is to provide.

1つの観点によれば、第1の電極パッドが一面上に形成された第1の基板と、第2の電極パッドが一面上に形成された第2の基板と、前記第1の基板の前記一面と前記第2の基板の一面を対向させて前記第1の電極パッドと前記第2の電極パッドを接合する半田バンプと、前記第1の基板と前記第2の基板の間の間隙を側面から密封して囲む開口部を有する放熱体と、前記第1の基板の前記一面と前記第2の基板の前記一面のうち少なくとも一方に形成された溝及び突起と、前記第1の基板と前記第2の基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒とを有する半導体パッケージが提供される。
別の観点によれば、第1の電極パッドが一面上に形成されたる半導体素子と、第2の電極パッドが一面上に形成された回路配線基板と、前記半導体素子の前記一面と回路配線基板の前記一面を対向させて前記第1の電極パッドと前記第2の電極パッドを接合する半田バンプと、前記半導体素子と前記第回路配線基板の間の間隙を側面から密封して囲む開口部を有する放熱体と、前記回路配線基板の前記一面の上に形成された溝及び突起と、前記半導体素子と前記回路配線基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒とを有する半導体装置が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
According to one aspect, a first substrate having a first electrode pad formed on one surface, a second substrate having a second electrode pad formed on one surface, and the first substrate. A solder bump that joins the first electrode pad and the second electrode pad with one surface facing one surface of the second substrate, and a gap between the first substrate and the second substrate. A radiator having an opening hermetically sealed from, a groove and a protrusion formed on at least one of the one surface of the first substrate and the one surface of the second substrate, the first substrate, and the A semiconductor package having a second substrate and a refrigerant sealed in a space defined by the heat radiator is provided.
According to another aspect, a semiconductor element in which a first electrode pad is formed on one surface, a circuit wiring board in which a second electrode pad is formed on one surface, the one surface of the semiconductor element, and a circuit wiring substrate A solder bump that joins the first electrode pad and the second electrode pad with the one surface facing each other, and an opening that seals and surrounds a gap between the semiconductor element and the second circuit wiring board from a side surface. A semiconductor device comprising: a heat dissipating body, grooves and protrusions formed on the one surface of the circuit wiring board, and a refrigerant sealed in a space defined by the semiconductor element, the circuit wiring board, and the heat dissipating body. Is provided.
It should be understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not intended to limit the invention.

本発明によれば、半田バンプを介して電極パッド同士が接合される第1の基板と第2の基板の対向面のうち少なくとも一方に溝及び突起を形成するとともに、第1の基板、第2の基板及びそれらの外周の放熱体によって区画される空間内に冷媒を封入している。
冷媒は、溝及び突起における毛細管現象により第1、第2の基板の隙間内の半田バンプに向けて導かれる。
一方、第1の基板の上に実装される半導体素子から発生した熱は、主に電極パッド及び半田バンプを介して第1の基板と第2の基板の隙間に伝わる。また、その隙間内に存在する液状の冷媒は、溝における毛細管現象によって電極パッド及び半田バンプの周囲に導かれる。
前記毛細管現象により導かれた冷媒は、電極パッド及び半田バンプ及びその周辺において蒸発、気化するので、半田バンプは熱を奪われ、冷却される。気化した冷媒は、温度の低い外周部の放熱体により冷却されて液化し、再び溝及び突起を伝って第1、第2の基板の隙間の内部に向けて導かれ、そこで再び蒸発するというように、それらの循環を繰り返す。
また、本発明によれば、半田バンプを介して電極パッド同士が接合される半導体素子と回路配線基板の対向面のうち回路配線基板側に溝及び突起を形成するとともに、半導体素子、回路配線基板及びそれらの外周の放熱体によって区画される空間に冷媒を封入している。
半導体素子で発生した熱は、電極パッド及び半田バンプを伝わり、半導体素子と回路配線基板の間の空間で冷媒を蒸発させる。この場合の冷媒は、溝及び突起における毛細管現象により放熱体から、半導体素子と回路配線基板の隙間に導かれる。また、気化した冷媒は、外周部の放熱体により冷却されて液化し、再び溝及び突起を伝って半導体素子と回路配線基板の隙間の内側に導かれ、再び蒸発するというように、それらの循環を繰り返す。
以上のように、基板同士の隙間、又は半導体素子と回路配線基板の間の隙間において、半導体素子から電極パッド、半田バンプを介して伝わった熱は、その隙間内の冷媒を気化し、その隙間の温度上昇を抑制し、さらに半導体素子の温度上昇を抑制する。
According to the present invention, grooves and protrusions are formed on at least one of the opposing surfaces of the first substrate and the second substrate to which the electrode pads are bonded via the solder bumps, and the first substrate and the second substrate are formed. The refrigerant is enclosed in a space defined by the substrate and the heat radiator on the outer periphery thereof.
The refrigerant is guided toward the solder bumps in the gap between the first and second substrates by capillary action in the grooves and protrusions.
On the other hand, heat generated from the semiconductor element mounted on the first substrate is transmitted to the gap between the first substrate and the second substrate mainly through the electrode pads and the solder bumps. The liquid refrigerant existing in the gap is guided around the electrode pad and the solder bump by capillary action in the groove.
The coolant guided by the capillary phenomenon evaporates and vaporizes in the electrode pads and the solder bumps and the periphery thereof, so that the solder bumps are deprived of heat and cooled. The vaporized refrigerant is cooled and liquefied by the heat radiating body at the outer peripheral portion having a low temperature, is again led to the inside of the gap between the first and second substrates through the groove and the protrusion, and is evaporated again there. Repeat these cycles.
In addition, according to the present invention, a groove and a protrusion are formed on the circuit wiring board side of the facing surface of the semiconductor element and the circuit wiring board to which the electrode pads are bonded via the solder bumps. And the refrigerant | coolant is enclosed with the space divided by the thermal radiation body of those outer periphery.
The heat generated in the semiconductor element is transmitted through the electrode pads and the solder bumps to evaporate the refrigerant in the space between the semiconductor element and the circuit wiring board. In this case, the refrigerant is guided from the heat radiating body to the gap between the semiconductor element and the circuit wiring board by capillary action in the grooves and protrusions. In addition, the vaporized refrigerant is cooled and liquefied by the heat dissipating member on the outer peripheral portion, is again led to the inside of the gap between the semiconductor element and the circuit wiring board through the grooves and protrusions, and is evaporated again. repeat.
As described above, in the gap between the substrates or in the gap between the semiconductor element and the circuit wiring board, the heat transferred from the semiconductor element via the electrode pad and the solder bump vaporizes the refrigerant in the gap, and the gap The temperature rise of the semiconductor element is suppressed, and further, the temperature rise of the semiconductor element is suppressed.

図1A〜図1Cは、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図(その1〜3)である。1A to 1C are cross-sectional views (parts 1 to 3) showing a mounting substrate forming step in the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図1D、図1Eは、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図(その4、5)である。1D and 1E are cross-sectional views (Nos. 4 and 5) showing a mounting substrate forming step in the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図1F、図1Gは、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図(その6、7)である。FIGS. 1F and 1G are cross-sectional views (Nos. 6 and 7) showing a mounting substrate forming step in the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図3Aは、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の平面図、図3Bは、図3Aのうち上側の基板を取り除いた状態を示す平面図である。FIG. 3A is a plan view of a mounting substrate in the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a plan view showing a state in which the upper substrate in FIG. 3A is removed. 図4は、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの実装基板内の熱交換作用を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing the heat exchange action in the mounting substrate of the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図5A〜図5Dは、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの実装基板に適用される電極パッド、溝及び突起の形成工程を示す断面図(その1〜4)である。5A to 5D are cross-sectional views (Nos. 1 to 4) showing a process of forming electrode pads, grooves and protrusions applied to the mounting substrate of the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図5E〜図5G、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板に適用される電極パッド、溝及び突起の形成工程を示す断面図(その5〜7)である。FIG. 5E to FIG. 5G are cross-sectional views (Nos. 5 to 7) showing steps of forming electrode pads, grooves and protrusions applied to the mounting substrate in the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの実装基板の別の例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the mounting substrate of the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージに実装される半導体素子の別の配置例を示す断面図である。FIG. 7 is a sectional view showing another arrangement example of the semiconductor elements mounted on the semiconductor package according to the first embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。電極パッドの別の例を示す平面図である。FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. It is a top view which shows another example of an electrode pad.

以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
(第1の実施の形態)
図1A〜図1Gは、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの形成工程を示す断面図である。
まず、半導体パッケージに使用される2つのインターポーザについて説明する。インターポーザは、一面側の金属パッドの位置を反対面側の金属パッドの位置に変換する回路基板である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, similar components are given the same reference numerals.
(First embodiment)
1A to 1G are cross-sectional views illustrating a process of forming a semiconductor package according to the first embodiment of the present invention.
First, two interposers used for a semiconductor package will be described. The interposer is a circuit board that converts the position of the metal pad on one side to the position of the metal pad on the opposite side.

図1Aに示す第1のインターポーザ1は、例えば厚さ約200μmのシリコン基板2と、シリコン基板2の第1面上に例えば50μm〜200μmのピッチで形成された複数の第1の電極パッド3とを有している。シリコン基板2の第2面上には、例えば約2mmピッチで複数の第2の電極パッド4が形成されている。第1の電極パッド3と第2の電極パッド4は、シリコン基板2の内部に形成された配線(不図示)、ビア(不図示)等により接続されている。   A first interposer 1 shown in FIG. 1A includes, for example, a silicon substrate 2 having a thickness of about 200 μm, and a plurality of first electrode pads 3 formed on the first surface of the silicon substrate 2 at a pitch of, for example, 50 μm to 200 μm. have. On the second surface of the silicon substrate 2, a plurality of second electrode pads 4 are formed, for example, at a pitch of about 2 mm. The first electrode pad 3 and the second electrode pad 4 are connected by wiring (not shown), vias (not shown), etc. formed in the silicon substrate 2.

また、第2の電極パッド4の表面には、半田バンプ5が接合されている。半田バンプ5は、鉛フリー半田、例えば融点217℃のスズ・銀・銅(Sn−Ag−Cu)合金から形成されている。   Solder bumps 5 are bonded to the surface of the second electrode pad 4. The solder bump 5 is made of lead-free solder, for example, a tin / silver / copper (Sn—Ag—Cu) alloy having a melting point of 217 ° C.

図1Bに示す第2のインターポーザ11は、例えば厚さ約2mmのガラスエポキシ樹脂から形成される絶縁基板12と、その第1面上に形成された複数の第3の電極パッド13とを有している。第3の電極パッド13は、絶縁基板12の上に第1のインターポーザ1を重ねた状態で第2の電極パッド4に対向する位置に形成される。   The second interposer 11 shown in FIG. 1B includes an insulating substrate 12 made of, for example, a glass epoxy resin having a thickness of about 2 mm, and a plurality of third electrode pads 13 formed on the first surface. ing. The third electrode pad 13 is formed at a position facing the second electrode pad 4 in a state where the first interposer 1 is overlaid on the insulating substrate 12.

さらに、第2のインターポーザ11の第2面上には、第4の電極パッド14が形成されている。第3の電極パッド13と第4の電極パッド14は、絶縁基板12の内部に形成されたビアホール15a内のビア15を介して電気的に接続されている。
なお、絶縁基板12の内部に配線(不図示)、ビア(不図示)を形成することにより、
第3の電極パッド13と第4電極パッド14を電気的に接続してもよい。
Furthermore, a fourth electrode pad 14 is formed on the second surface of the second interposer 11. The third electrode pad 13 and the fourth electrode pad 14 are electrically connected through a via 15 in a via hole 15 a formed in the insulating substrate 12.
In addition, by forming wiring (not shown) and vias (not shown) inside the insulating substrate 12,
The third electrode pad 13 and the fourth electrode pad 14 may be electrically connected.

ビア15を形成する方法として、ビアホール15a内に導電性ペーストを充填した後に加熱する方法、或いは、金属膜、例えばCu膜をビアホール15aの内面に無電解メッキ、電解メッキにより形成する方法を採用してもよい。   As a method of forming the via 15, a method of heating after filling the via hole 15a with a conductive paste or a method of forming a metal film, for example, a Cu film on the inner surface of the via hole 15a by electroless plating or electrolytic plating is adopted. May be.

第2のインターポーザ11の絶縁基板12の第1面のうち、第3の電極パッド13とその周辺領域を除いた領域には複数の細溝16と突起17を有する金属膜18が形成されている。即ち、金属膜18の上部は凹凸形状を有し、突起17の幅は例えば約40μm、溝16の幅は例えば約40μmであり、突起17の高さは例えば約40μmに形成されている。
突起17は第3の電極パッド13から外部に向かって連続的又は断続的に伸びている。なお、溝16及び突起17の形成方法については後述する。
A metal film 18 having a plurality of fine grooves 16 and protrusions 17 is formed on the first surface of the insulating substrate 12 of the second interposer 11 except for the third electrode pad 13 and its peripheral region. . That is, the upper portion of the metal film 18 has an uneven shape, the width of the protrusion 17 is about 40 μm, the width of the groove 16 is about 40 μm, and the height of the protrusion 17 is about 40 μm, for example.
The protrusion 17 extends continuously or intermittently from the third electrode pad 13 toward the outside. A method for forming the groove 16 and the protrusion 17 will be described later.

次に、図1Cに示すように、第2のインターポーザ11の第3の電極パッド13の上に、半田ペースト6をスクリーン印刷により形成する。なお、半田ペースト6の代わりにフラックスを形成してもよい。
その後に、第2のインターポーザ11の第1面と第1のインターポーザ1の第2面を対向させる。さらに、第1のインターポーザ1を第1面側から押し、第1の半田バンプ5を半田ペースト6に押圧して第3の電極パッド13に接触させる。
Next, as shown in FIG. 1C, the solder paste 6 is formed on the third electrode pad 13 of the second interposer 11 by screen printing. Note that a flux may be formed instead of the solder paste 6.
Thereafter, the first surface of the second interposer 11 and the second surface of the first interposer 1 are made to face each other. Further, the first interposer 1 is pressed from the first surface side, and the first solder bumps 5 are pressed against the solder paste 6 to come into contact with the third electrode pads 13.

続いて、第2のインターポーザ11とその上の第1のインターポーザ1をリフロー炉内にいれ、その状態で第1の半田バンプ5の融点よりも例えば約20℃高い温度で半田バンプ5を溶融した後に、常温に戻す。   Subsequently, the second interposer 11 and the first interposer 1 thereon are placed in a reflow furnace, and the solder bumps 5 are melted at a temperature, for example, about 20 ° C. higher than the melting point of the first solder bumps 5 in that state. Later, return to room temperature.

これにより、図1Dに示すように、第1のインターポーザ1の第2の電極パッド4上の半田バンプ5は、第2のインターポーザ11上の第3の電極パッド13に接合される。
次に、図1Eに示すように、第1の半導体素子21と第2の半導体素子23のそれぞれの電極パッド21a、23aに接合された第2、第3の半田バンプ22、24を第1のインターポーザ1上の第1の電極パッド3に接合する。
As a result, as shown in FIG. 1D, the solder bump 5 on the second electrode pad 4 of the first interposer 1 is bonded to the third electrode pad 13 on the second interposer 11.
Next, as shown in FIG. 1E, the second and third solder bumps 22 and 24 joined to the respective electrode pads 21a and 23a of the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 23 are connected to the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 23, respectively. Bonded to the first electrode pad 3 on the interposer 1.

第2、第3の半田バンプ22、24は、第1のインターポーザ1の下の第1の半田バンプ5よりも融点が低い材料、例えば融点が206℃〜214℃のSn−In−Bi合金から形成することが好ましい。   The second and third solder bumps 22 and 24 are made of a material having a melting point lower than that of the first solder bump 5 below the first interposer 1, for example, an Sn—In—Bi alloy having a melting point of 206 ° C. to 214 ° C. It is preferable to form.

第2、第3の半田バンプ22、24を第1の電極3に接合するために、まず、第1のインターポーザ1の第1の電極パッド3上に半田ペースト又はフラックスを塗布する。その後に、第1のインターポーザ1のうち第1、第2の半導体素子21、23を載置する領域にスクリーン印刷法によりアンダーフィル層25を形成する。さらに、第1、第2の半導体素子21、23の第2、第3の半田バンプ22、24をアンダーフィル層25に押しつけて貫通させ、第1の電極パッド3に接触させる。なお、アンダーフィル層として熱硬化樹脂、例えばエポキシ樹脂を使用する。   In order to join the second and third solder bumps 22 and 24 to the first electrode 3, first, solder paste or flux is applied onto the first electrode pad 3 of the first interposer 1. Thereafter, an underfill layer 25 is formed by a screen printing method in a region where the first and second semiconductor elements 21 and 23 are placed in the first interposer 1. Further, the second and third solder bumps 22 and 24 of the first and second semiconductor elements 21 and 23 are pressed against and penetrate the underfill layer 25 and are brought into contact with the first electrode pad 3. A thermosetting resin such as an epoxy resin is used as the underfill layer.

その後に第1、第2のインターポーザ1、11及び第1、第2の半導体素子21、23をリフロー炉に入れて加熱する。この場合の加熱温度は、アンダーフィル層25を熱硬化し且つ第2、第3の半田バンプ22、24を溶融する高さに設定される。その後に、アンダーフィル層25及び第2、第3の半田バンプ22、24を冷却することにより、第2、第3の半田バンプ22、24は、第1の電極パッド3に接合する。
なお、第1、第2の半導体素子21、22にはそれぞれ半導体集積回路が形成されている。
Thereafter, the first and second interposers 1 and 11 and the first and second semiconductor elements 21 and 23 are placed in a reflow furnace and heated. The heating temperature in this case is set to a height at which the underfill layer 25 is thermally cured and the second and third solder bumps 22 and 24 are melted. Thereafter, the underfill layer 25 and the second and third solder bumps 22 and 24 are cooled, so that the second and third solder bumps 22 and 24 are bonded to the first electrode pad 3.
A semiconductor integrated circuit is formed in each of the first and second semiconductor elements 21 and 22.

次に、図1Fに示すように、銅、アルミニウム等の金属から形成される枠状の放熱体31の中央寄りの領域に形成された開口部31a内に第1、第2のインターポーザ1、11を嵌め込む。これにより、第1、第2のインターポーザ1、11の隙間を周囲から放熱体31により密閉状態で囲む。   Next, as shown in FIG. 1F, the first and second interposers 1 and 11 are formed in an opening 31a formed in a region closer to the center of the frame-like radiator 31 formed of a metal such as copper or aluminum. Fit. Thereby, the clearance gap between the 1st, 2nd interposer 1 and 11 is enclosed by the heat radiator 31 from the circumference | surroundings.

放熱体31のうち第1、第2のインターポーザ1、11を囲む開口部31aの内周面には、第1、第2のインターポーザ1、11の相互間の隙間に通じる横溝32が形成されている。横溝32の底面は、第2のインターポーザ11の第1面とほぼ同一面になるか或いはそれより上になる位置に形成される。また、放熱体31の下面は、第2のインターポーザ11の第2面から第2の電極パッド14よりも突出する形状を有している。   A lateral groove 32 communicating with the gap between the first and second interposers 1 and 11 is formed on the inner peripheral surface of the opening 31a surrounding the first and second interposers 1 and 11 in the heat radiator 31. Yes. The bottom surface of the lateral groove 32 is formed at a position that is substantially flush with or above the first surface of the second interposer 11. In addition, the lower surface of the radiator 31 has a shape that protrudes from the second surface of the second interposer 11 beyond the second electrode pad 14.

また、放熱体31内には、その側面から横溝32の一部に通じる液体供給路33が形成されている。また、放熱体31の外面、例えば上面には複数枚の放熱フィン34が形成されている。   Further, a liquid supply path 33 is formed in the heat radiating body 31 so as to communicate with a part of the lateral groove 32 from the side surface. A plurality of heat radiation fins 34 are formed on the outer surface, for example, the upper surface, of the heat radiator 31.

続いて、放熱体31と第1、第2のインターポーザ1、11の境界を封止材31b、例えば、半田を用いて密封する。この場合の半田は、第1、第2、第3の半田バンプ5、22、24よりも融点が低い材料、例えばSn−In−Bi合金から形成することが好ましい。   Subsequently, the boundary between the radiator 31 and the first and second interposers 1 and 11 is sealed using a sealing material 31b, for example, solder. In this case, the solder is preferably formed of a material having a melting point lower than that of the first, second, and third solder bumps 5, 22, and 24, for example, an Sn—In—Bi alloy.

次に、図1Gに示すように、放熱体31の側面にある液体供給路33の開口端から冷媒となる作動流体35を供給する。作動流体35の供給量は、第1、第2のインターポーザ1、11の間の間隙に存在する細溝16内を満たし、且つその間隙内に空間を確保する量である。   Next, as shown in FIG. 1G, a working fluid 35 serving as a refrigerant is supplied from the open end of the liquid supply path 33 on the side surface of the radiator 31. The supply amount of the working fluid 35 is an amount that fills the narrow groove 16 existing in the gap between the first and second interposers 1 and 11 and secures a space in the gap.

作動流体35として、沸点が例えば100℃以下の流体、例えば代替フロンとして使用されるハイドロクロロフルオロカーボンであるHFC−365、HFC−7000を使用し、或いは有機溶媒であるブタン、ペンタンのような炭化水素系流体を使用する。
その後に、放熱体31側面の液体供給路33の開口端を栓36により密閉し、これにより作動流体35の液漏れ、及び揮発による消失を防止する。
As the working fluid 35, a fluid having a boiling point of, for example, 100 ° C. or less, for example, HFC-365 or HFC-7000 which is a hydrochlorofluorocarbon used as an alternative chlorofluorocarbon, or a hydrocarbon such as butane or pentane which is an organic solvent. Use system fluid.
After that, the opening end of the liquid supply path 33 on the side surface of the radiator 31 is sealed with a plug 36, thereby preventing the working fluid 35 from leaking and disappearing due to volatilization.

次に、図2に示すように、第1、第2のインターポーザ1、11を回路基板37上に取り付ける。回路基板37内には、配線、ビア等(不図示)が形成され、また、回路基板37の上面には第5の電極パッド38が形成され、さらに第5の電極パッド38の上には第4の半田バンプ39が形成されている。第4の半田バンプ39は、第1〜第3の半田バンプ5、22,24よりも融点が低い材料、例えば融点が約199℃のSnZn合金から形成されることが好ましい。   Next, as shown in FIG. 2, the first and second interposers 1 and 11 are attached on the circuit board 37. In the circuit board 37, wirings, vias, etc. (not shown) are formed, a fifth electrode pad 38 is formed on the upper surface of the circuit board 37, and a fifth electrode pad 38 is formed on the fifth electrode pad 38. 4 solder bumps 39 are formed. The fourth solder bump 39 is preferably formed of a material having a melting point lower than that of the first to third solder bumps 5, 22, 24, for example, an SnZn alloy having a melting point of about 199 ° C.

第1、第2のインターポーザ1、11を回路基板37上に取り付けるために、まず、第2のインターボーザ11の第4の電極パッド14表面に半田ペースト又はフラックスを塗布する。その後に、第4の電極パッド14と第4の半田バンプ39を位置合わせし、第4の半田バンプ39を溶融して第4の電極パッド14に接合させる。   In order to attach the first and second interposers 1 and 11 onto the circuit board 37, first, solder paste or flux is applied to the surface of the fourth electrode pad 14 of the second interposer 11. Thereafter, the fourth electrode pad 14 and the fourth solder bump 39 are aligned, and the fourth solder bump 39 is melted and joined to the fourth electrode pad 14.

これにより、第1、第2の半導体素子21、23内の半導体集積回路は、 第1〜第5の電極パッド3、4、13、14及び第1〜第4の半田バンプ5、22、24、39等を介して回路基板37内の配線に接続される。   As a result, the semiconductor integrated circuits in the first and second semiconductor elements 21 and 23 have the first to fifth electrode pads 3, 4, 13, 14 and the first to fourth solder bumps 5, 22, 24. , 39, etc., to the wiring in the circuit board 37.

以上のような第1、第2のインターポーザ1、11を有するパッケージ基板に第1、第2の半導体素子21、23を実装した半導体装置は、例えば図3Aに示すような平面構造
となる。また、第2のインターポーザ1の上面は図3Bに示すような平面構造となる。
なお、図3Aにおいて符号7、8は、第1、第2の半導体素子21、23以外の半導体素子を示し、符号9は、その他の電子部品を示している。
A semiconductor device in which the first and second semiconductor elements 21 and 23 are mounted on the package substrate having the first and second interposers 1 and 11 as described above has a planar structure as shown in FIG. 3A, for example. Further, the upper surface of the second interposer 1 has a planar structure as shown in FIG. 3B.
In FIG. 3A, reference numerals 7 and 8 indicate semiconductor elements other than the first and second semiconductor elements 21 and 23, and reference numeral 9 indicates other electronic components.

以上のような半導体装置において、第1、第2のインターポーザ1、11を有する半導体パッケージ基板に実装された第1、第2の半導体素子21、23内の半導体集積回路に電圧を供給し、信号を送受信して半導体集積回路を作動させる。これにより、第1、第2の半導体素子21、23の温度は、半導体集積回路の動作状況に応じて変化する。   In the semiconductor device as described above, a voltage is supplied to the semiconductor integrated circuits in the first and second semiconductor elements 21 and 23 mounted on the semiconductor package substrate having the first and second interposers 1 and 11, The semiconductor integrated circuit is operated by transmitting and receiving the signal. As a result, the temperatures of the first and second semiconductor elements 21 and 23 change according to the operating state of the semiconductor integrated circuit.

図2において、第1、第2の半導体素子21、23の発熱量が高くなると、その熱は、第2、第3の半田バンプ22、24及び第1の電極パッド3を通して第1のインターポーザ1内に伝達される。   In FIG. 2, when the amount of heat generated by the first and second semiconductor elements 21 and 23 increases, the heat passes through the second and third solder bumps 22 and 24 and the first electrode pad 3, and the first interposer 1. Is transmitted in.

さらに、第1のインターポーザ1に伝達された熱は、シリコン基板2内の配線、ビア等を通して第2の電極パッド4、第1の半田バンプ5及び第3の電極パッド13に伝わる。   Further, the heat transmitted to the first interposer 1 is transmitted to the second electrode pad 4, the first solder bump 5, and the third electrode pad 13 through wiring, vias, etc. in the silicon substrate 2.

また、第2の電極パッド4、第1の半田バンプ5及び第3の電極パッド13が配置される第1、第2のインターボーザ1、11の隙間の底では、作動流体35が多数の細溝16における毛細管現象により導かれて第3の電極パッド14、第1の半田バンプ5及び第2の電極パッド4の周辺に供給される。   In addition, at the bottom of the gap between the first and second interposers 1 and 11 where the second electrode pads 4, the first solder bumps 5, and the third electrode pads 13 are arranged, the working fluid 35 contains a large number of fine fluids. It is guided by the capillary phenomenon in the groove 16 and supplied to the periphery of the third electrode pad 14, the first solder bump 5, and the second electrode pad 4.

従って、図4に示すように、第1のインターポーザ1から第3の電極パッド13、第1の半田バンプ5に伝達された熱は、第1の半田バンプ5、第3の電極パッド13及びその周囲の突起17によって作動流体35を加熱して蒸発させる。   Therefore, as shown in FIG. 4, the heat transferred from the first interposer 1 to the third electrode pad 13 and the first solder bump 5 is transferred to the first solder bump 5, the third electrode pad 13 and the The working fluid 35 is heated and evaporated by the surrounding protrusions 17.

気化した作動流体35は、第1のインターポーザ1と第2のインターポーザ11の間の空間を伝達して温度の低い外周部の放熱体31の横溝32に移動する。移動した気体は、多数の放熱フィン34を有する放熱体31の中の横溝16内で熱交換により冷却されて液化する。   The vaporized working fluid 35 travels through the space between the first interposer 1 and the second interposer 11 and moves to the lateral groove 32 of the radiator 31 at the outer peripheral portion having a low temperature. The moved gas is cooled and liquefied by heat exchange in the lateral groove 16 in the heat dissipating body 31 having a large number of heat dissipating fins 34.

液化した作動流体35は横溝32の底部に流下し、さらに多数の細溝16における毛細管現象により再び第3の電極パッド13、第1の半田バンプ5の表面に導かれる。   The liquefied working fluid 35 flows down to the bottom of the lateral groove 32, and is again guided to the surfaces of the third electrode pad 13 and the first solder bump 5 by capillary action in a large number of narrow grooves 16.

このように、第1、第2のインターポーザ1、11の間の隙間とその周囲の横溝32により区画される空間内において、作動流体35は気化と液化を繰り返し、循環することにより、第2の電極パッド4、第1の半田バンプ5、第3の電極パッド13に伝達された熱は冷媒と放熱体31を介して外部に発散される。   As described above, the working fluid 35 repeats vaporization and liquefaction and circulates in the space defined by the gap between the first and second interposers 1 and 11 and the lateral groove 32 around the second interposer 1, 11. The heat transmitted to the electrode pad 4, the first solder bump 5, and the third electrode pad 13 is dissipated to the outside through the refrigerant and the heat radiator 31.

また、第1の半田バンプ5、第3の電極パッド13及び細溝16等の表面で作動流体35が蒸発潜熱を奪うので、第1の半田バンプ5、第3の電極パッド13及び細溝16の温度が低下する。これにより、第1、第2のインターボーザ1、11の隙間の温度が低下し、その隙間の温度分布を一様にする。また、第1の半田バンプ5、第3の電極パッド13が冷却されることにより、これらに熱的に繋がる第1、第2の半導体素子21、23の局所的な温度の上昇、即ちホットスポットの発生が抑制される。   Further, since the working fluid 35 takes away the latent heat of vaporization on the surface of the first solder bump 5, the third electrode pad 13, and the narrow groove 16, the first solder bump 5, the third electrode pad 13, and the narrow groove 16. Temperature drops. Thereby, the temperature of the gap between the first and second interposers 1 and 11 is lowered, and the temperature distribution of the gap is made uniform. Further, when the first solder bump 5 and the third electrode pad 13 are cooled, a local temperature rise of the first and second semiconductor elements 21 and 23 thermally connected to them, that is, a hot spot is obtained. Is suppressed.

また、上記のパッケージ基板上にチップ状の第1、第2の半導体素子21、23等を搭載したシステムインパッケージにおいて、第1、第2の半導体素子21、23相互間の温度のバラツキを抑制して温度分布を平均化することができる。
さらに、第1、第2の半導体素子21、23の高さが相違しても、温度上昇を抑制することができ、部品実装の問題が生じない。
Further, in the system-in-package in which the chip-like first and second semiconductor elements 21 and 23 are mounted on the package substrate, the temperature variation between the first and second semiconductor elements 21 and 23 is suppressed. Thus, the temperature distribution can be averaged.
Furthermore, even if the heights of the first and second semiconductor elements 21 and 23 are different, the temperature rise can be suppressed and the problem of component mounting does not occur.

また、第1、第2の半導体素子21、23を第1のインターポーザ1にフェイスアップで実装する構造を採用しても、放熱効果が高くなる。しかも、第1、第2のインターポーザ1、11内に熱伝達用の金属層を形成していないので、インターポーザ1、11内の配線の自由度が高くなり、半導体集積回路の高集積化に対応することができる。   Further, even if a structure in which the first and second semiconductor elements 21 and 23 are mounted on the first interposer 1 face-up is adopted, the heat dissipation effect is enhanced. In addition, since a metal layer for heat transfer is not formed in the first and second interposers 1 and 11, the degree of freedom of wiring in the interposers 1 and 11 is increased, and high integration of semiconductor integrated circuits is supported. can do.

次に、図5A〜図5Gを参照し、細溝16及び突起17を有する金属膜18と第3の電極パッド13を形成する方法について説明する。
まず、図5Aに示すように、ビア15が形成された絶縁基板12の上面に、シード層として厚さ0.3μmのTi層18a、厚さ0.25μmの第1のCu層18bを無電解メッキ法により形成する。
Next, a method for forming the metal film 18 having the narrow groove 16 and the protrusion 17 and the third electrode pad 13 will be described with reference to FIGS. 5A to 5G.
First, as shown in FIG. 5A, a 0.3 μm thick Ti layer 18a and a 0.25 μm thick first Cu layer 18b are electrolessly formed as seed layers on the upper surface of the insulating substrate 12 in which the vias 15 are formed. It is formed by a plating method.

続いて、図5Bに示すように、第1のCu層18bの上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することによりレジストパターン19を形成する。レジストパターン19は、第3の電極パッド13を形成しようとする領域を露出する直径約200μm〜300μmの第1開口部19aと、突起17を形成しようとする領域を露出する幅約40μmのストライプ形状の第2開口部19bを有している。第1開口部19aの周囲はレジストパターン19により覆われている。また、第2開口部19bは、約40μmの間隔で複数形成されている。
なお、絶縁基板12のうち第1開口部19aの下方にはビア15が形成されている。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, a photoresist is applied on the first Cu layer 18b, and a resist pattern 19 is formed by exposing and developing the photoresist. The resist pattern 19 includes a first opening 19a having a diameter of about 200 μm to 300 μm that exposes a region where the third electrode pad 13 is to be formed, and a stripe shape having a width of about 40 μm that exposes a region where the protrusion 17 is to be formed. The second opening 19b. The periphery of the first opening 19 a is covered with a resist pattern 19. A plurality of second openings 19b are formed at intervals of about 40 μm.
A via 15 is formed in the insulating substrate 12 below the first opening 19a.

次に、図5Cに示すように、Ti層18a及び第1のCu層18bをメッキ用電極に使用し、レジストパターン19の第1、第2開口部19a、19bから露出するCu層18b上にNi層18c、第2のCu層18dを電解メッキにより順に形成する。Ni層18cの厚さを例えば4μm、第2のCu層18dの厚さを例えば約40μmとする。   Next, as shown in FIG. 5C, the Ti layer 18a and the first Cu layer 18b are used as plating electrodes, and are formed on the Cu layer 18b exposed from the first and second openings 19a and 19b of the resist pattern 19. The Ni layer 18c and the second Cu layer 18d are sequentially formed by electrolytic plating. The thickness of the Ni layer 18c is, for example, 4 μm, and the thickness of the second Cu layer 18d is, for example, about 40 μm.

このように絶縁基板12の上に形成されたTi層18a、第1のCu層18b、Ni層18c及び第2のCu層18dを金属膜18とする。
この後に、図5Dに示すように、レジストパターン19を除去する。
The Ti layer 18 a, the first Cu layer 18 b, the Ni layer 18 c, and the second Cu layer 18 d formed on the insulating substrate 12 in this way are used as the metal film 18.
Thereafter, as shown in FIG. 5D, the resist pattern 19 is removed.

次に、図5Eに示すように、フォトレジスト20を塗布し、これを露光、現像することにより、第3の電極パッド13を形成する領域の周囲に開口部20aを形成する。
続いて、図5Fに示すように、開口部20aを通して過酸化水素、硫酸を含む溶液によりCu層18bをエッチングした後に、開口部20aを通してフッ酸・硝酸含有溶液によりTi層18aをエッチングして第2のインターポーザ11の上面を露出する。
Next, as shown in FIG. 5E, a photoresist 20 is applied, and this is exposed and developed to form an opening 20a around the region where the third electrode pad 13 is to be formed.
Subsequently, as shown in FIG. 5F, after etching the Cu layer 18b with a solution containing hydrogen peroxide and sulfuric acid through the opening 20a, the Ti layer 18a is etched with a hydrofluoric acid / nitric acid containing solution through the opening 20a. The upper surface of the second interposer 11 is exposed.

その後に、図5Gに示すように、フォトレジスト20を除去する。これにより露出した金属膜18のうちビア15の上の領域に島状に残されたTi層18a、第1のCu層18b、Ni層18c及び第2のCu層18dの金属膜を第3の電極パッド13とする。また、その他の領域に凸状に残されたTi層18a、Cu層18b、Ni層18c及びCu層18dを突起17として使用し、さらに、突起17の間の凹部を細溝16として使用する。   Thereafter, as shown in FIG. 5G, the photoresist 20 is removed. As a result, the metal film of the Ti layer 18a, the first Cu layer 18b, the Ni layer 18c, and the second Cu layer 18d left in the shape of islands in the region above the via 15 in the exposed metal film 18 is converted into a third layer. The electrode pad 13 is used. Further, the Ti layer 18a, the Cu layer 18b, the Ni layer 18c, and the Cu layer 18d left in the other regions in a convex shape are used as the protrusions 17, and the recesses between the protrusions 17 are used as the narrow grooves 16.

ところで、図5Fに示したフォトレジスト20を使用せずに、第1のCu層18b、Ti層18aをエッチングしてもよい。但し、第1のCu層18bをエッチングする際には、第2のCu層18dは、第1のCu層18bの厚さ程度に薄くなるが、特に問題はない。この場合、突起17は下側の金属膜18を介して繋がらないが、細溝17による毛細管現象は発生する。   Incidentally, the first Cu layer 18b and Ti layer 18a may be etched without using the photoresist 20 shown in FIG. 5F. However, when the first Cu layer 18b is etched, the second Cu layer 18d is as thin as the first Cu layer 18b, but there is no particular problem. In this case, the protrusion 17 is not connected via the lower metal film 18, but a capillary phenomenon due to the narrow groove 17 occurs.

図6は、以上のような半導体装置の別の例を示す断面図であり、上記の細溝16、突起
17を有する金属膜18を第1のインターポーザ1の第2面(図中下側)に形成した構造を有している。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device as described above. The metal film 18 having the narrow groove 16 and the protrusion 17 is formed on the second surface (lower side in the figure) of the first interposer 1. It has the structure formed in.

これにより、放熱体31の横溝32のうち放熱フィン34に近い領域、即ち横溝32の上面で液化した作動流体35を細溝16により第1、第2のインターポーザ1,12の隙間に導くことが容易になる。この場合、液化した作動流体35は、細溝16から第2のインターポーザ11に落下して第2のインターポーザ11上を流れる。また、細溝16に導かれた作動流体35は、第2、第3の電極パッド4、13及び第1の半田バンプ5及びその周辺領域の熱により気化して放熱体31に移動する。   Thereby, the working fluid 35 liquefied in the region near the heat radiating fin 34 in the horizontal groove 32 of the radiator 31, that is, the upper surface of the horizontal groove 32, can be guided to the gap between the first and second interposers 1 and 12 by the narrow groove 16. It becomes easy. In this case, the liquefied working fluid 35 falls from the narrow groove 16 to the second interposer 11 and flows on the second interposer 11. Further, the working fluid 35 guided to the narrow groove 16 is vaporized by the heat of the second and third electrode pads 4 and 13 and the first solder bump 5 and its peripheral region and moves to the heat radiator 31.

図7は、上記の半導体装置のさらに別の例を示す断面図である。
図7において、第1のインターポーザ1の第1面上には高さ方向、即ち3次元に積層された第3〜第7の半導体素子41a〜41eが積層されている。それらのうち第3〜第6の半導体素子41a〜41dの上面と下面には電極パッドが形成され、それらのうち上下の電極パッドは、半田バンプ42b〜42dを介して互いに接続されている。半田バンプ42a〜42eは、上記の第2、第3の半田バンプ22、24と同じ材料から形成されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing still another example of the semiconductor device.
In FIG. 7, third to seventh semiconductor elements 41 a to 41 e stacked in the height direction, that is, three-dimensionally, are stacked on the first surface of the first interposer 1. Among them, electrode pads are formed on the upper and lower surfaces of the third to sixth semiconductor elements 41a to 41d, and the upper and lower electrode pads are connected to each other via solder bumps 42b to 42d. The solder bumps 42a to 42e are made of the same material as the second and third solder bumps 22 and 24 described above.

最も下に配置される第3の半導体素子41aの下面の電極パッドに接合される半田バンプ42aは、第1の電極パッド3に接続されている。
最も上に配置される第7の半導体素子41eの上面は放熱面となり、その上には、放熱フィン43aを有するヒートシンク42が接着されている。また、第7の半導体素子41eの下面には電極パッドが形成され、その下の半田バンプ42eを介して第6の半導体素子41dの上面の電極パッドに接続されている。
Solder bumps 42 a bonded to the electrode pads on the lower surface of the third semiconductor element 41 a disposed at the bottom are connected to the first electrode pads 3.
The upper surface of the seventh semiconductor element 41e disposed at the top is a heat radiating surface, and a heat sink 42 having heat radiating fins 43a is bonded thereon. In addition, an electrode pad is formed on the lower surface of the seventh semiconductor element 41e, and is connected to the electrode pad on the upper surface of the sixth semiconductor element 41d via the solder bump 42e therebelow.

また、放熱体31の開口部31aの下部には外側に広がる段差31cが形成され、その段差31cには第2のインターボーザ12の外周面に形成されたフランジ12aが嵌め込まれている。また、放熱体31の段差31cの下部には、フランジ21aを下方から支持する支持枠31dが嵌め込まれている。これにより、放熱体31の開口部31a内での第2のインターポーザ12の位置決めが容易になる。   Further, a step 31c extending outward is formed at the lower part of the opening 31a of the heat radiator 31, and a flange 12a formed on the outer peripheral surface of the second interposer 12 is fitted into the step 31c. In addition, a support frame 31d that supports the flange 21a from below is fitted in a lower portion of the step 31c of the radiator 31. Thereby, positioning of the 2nd interposer 12 in opening 31a of heat sink 31 becomes easy.

そのような構造の半導体装置によれば、第3〜第7の半導体素子41a〜41eで発生した熱は、第1のインターポーザ1と第2のインターポーザ11の間の隙間に供給される作動流体35を介して放熱体31から発散されるだけでなく、ヒートシンク43を介して外部に放出すことができる。   According to the semiconductor device having such a structure, the heat generated in the third to seventh semiconductor elements 41 a to 41 e is supplied to the gap between the first interposer 1 and the second interposer 11. In addition to being radiated from the radiator 31 via the heat sink, it can be emitted to the outside via the heat sink 43.

(第2の実施の形態)
図8は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、図8において、図2と同じ符号は同じ要素を示している。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same elements.

図8において、半導体集積回路を有する半導体素子51の下面には、第1の電極パッド52が複数形成されている。また、半導体素子51の下に対向して配置される回路配線基板53の上面には複数の第2の電極パッド54が形成されている。
回路配線基板53の平面形状は半導体素子51の平面形状と同じに形成されている。第2の電極パッド54は、回路配線基板53と半導体素子51のそれぞれの外周縁が上から見て一致する状態で、第1の電極パッド52に重なる位置に形成されている。
In FIG. 8, a plurality of first electrode pads 52 are formed on the lower surface of a semiconductor element 51 having a semiconductor integrated circuit. In addition, a plurality of second electrode pads 54 are formed on the upper surface of the circuit wiring board 53 disposed to face the semiconductor element 51.
The planar shape of the circuit wiring board 53 is the same as the planar shape of the semiconductor element 51. The second electrode pad 54 is formed at a position overlapping the first electrode pad 52 in a state where the outer peripheral edges of the circuit wiring board 53 and the semiconductor element 51 coincide with each other when viewed from above.

また、配線回路基板53の上面のうち第2の電極パッド54とその周囲領域を除いた領域には、第1実施形態と同様に、複数の細溝16と突起17を有する金属膜18が形成されている。   Further, in the upper surface of the printed circuit board 53 except for the second electrode pad 54 and its surrounding region, a metal film 18 having a plurality of fine grooves 16 and protrusions 17 is formed as in the first embodiment. Has been.

突起17は第2の電極パッド54から外部に向かって連続的又は断続的に伸びている。金属膜18に溝16及び突起17を形成する方法は、第1実施形態に示した方法と同様である。溝16の幅は例えば約40μmであり、突起17の幅は例えば約40μmであり、突起17の高さは例えば約40μmである。   The protrusion 17 extends continuously or intermittently from the second electrode pad 54 toward the outside. The method for forming the grooves 16 and the protrusions 17 in the metal film 18 is the same as the method shown in the first embodiment. The width of the groove 16 is, for example, about 40 μm, the width of the protrusion 17 is, for example, about 40 μm, and the height of the protrusion 17 is, for example, about 40 μm.

半導体素子51はその外周縁が回路配線基板53の外周縁と上下に重なる状態に配置され、そのような状態で、第1の電極パッド52と第2の電極パッド54は、半田バンプ55を介して互いに接合されている。半田バンプ55は、鉛フリー半田、例えば融点217℃のSnAgCu合金から形成されている。   The semiconductor element 51 is arranged so that the outer peripheral edge thereof overlaps with the outer peripheral edge of the circuit wiring board 53. In such a state, the first electrode pad 52 and the second electrode pad 54 are connected via the solder bumps 55. Are joined together. The solder bump 55 is made of lead-free solder, for example, a SnAgCu alloy having a melting point of 217 ° C.

半田バンプ55により接続された半導体素子51と回路配線基板53は、放熱体56の中央寄りに形成された開口部56a内に密閉状態で嵌め込まれる。
放熱体56のうち開口部56aの内周面には、半導体素子51と回路配線基板53の間の隙間に通じる横溝57が形成されている。横溝57の下面は、回路配線基板53の下面とほぼ同一面になる位置かそれよりも上に形成される。なお、放熱体56は、例えば銅、アルミニウム等の金属から形成される。
The semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53 connected by the solder bumps 55 are fitted in a sealed state in an opening 56 a formed near the center of the radiator 56.
A lateral groove 57 that leads to a gap between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53 is formed on the inner peripheral surface of the opening 56 a of the radiator 56. The lower surface of the lateral groove 57 is formed at or above a position that is substantially flush with the lower surface of the circuit wiring board 53. The radiator 56 is made of a metal such as copper or aluminum.

放熱体56内には、液体供給路58が横溝57の一部から放熱体56の外周面にかけて形成されている。また、放熱体56の外面、例えば上面には複数枚の放熱フィン59が形成されている。   A liquid supply path 58 is formed in the radiator 56 from a part of the lateral groove 57 to the outer peripheral surface of the radiator 56. A plurality of heat radiation fins 59 are formed on the outer surface, for example, the upper surface, of the heat radiator 56.

放熱体56と半導体素子51の境界、および放熱体56と回路配線基板53の境界は、それぞれ封止材60、例えば半田を用いて密封されている。その半田は、半田バンプ55よりも融点が低い材料、例えばSnInBi合金から形成することが好ましい。   The boundary between the radiator 56 and the semiconductor element 51 and the boundary between the radiator 56 and the circuit wiring board 53 are sealed with a sealing material 60, for example, solder. The solder is preferably formed of a material having a melting point lower than that of the solder bump 55, for example, a SnInBi alloy.

放熱体56の液体供給路58の側部開口端からは、冷媒となる作動流体35が横溝57を通して半導体素子51と回路配線基板53の間の隙間に供給されている。作動流体35の供給量は、常温において、半導体素子51と回路配線基板53の間に空間が存在し、かつ細溝16内を満たす量とする。   From the side opening end of the liquid supply path 58 of the radiator 56, the working fluid 35 serving as a refrigerant is supplied to the gap between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53 through the lateral groove 57. The supply amount of the working fluid 35 is set to an amount in which a space exists between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53 and fills the narrow groove 16 at room temperature.

作動流体35は、沸点が例えば100℃以下の流体、例えば第1実施形態に示したと同じ液体が用いられる。放熱体56側面の液体供給路58の開口端は栓61により密閉されている。   As the working fluid 35, a fluid having a boiling point of, for example, 100 ° C. or less, for example, the same liquid as shown in the first embodiment is used. The open end of the liquid supply path 58 on the side surface of the radiator 56 is sealed with a plug 61.

以上のような半導体装置において、半導体素子51に電力を供給し、信号を送受信することにより半導体集積回路を作動させる。これにより、半導体素子51の温度は、半導体集積回路の動作状況に応じて変化する。   In the semiconductor device as described above, the semiconductor integrated circuit is operated by supplying power to the semiconductor element 51 and transmitting and receiving signals. Thereby, the temperature of the semiconductor element 51 changes according to the operation state of the semiconductor integrated circuit.

半導体素子51の発熱量が高くなると、その熱は、半導体素子51と回路配線基板53の間の隙間に存在する半田バンプ55、第1、第2の電極パッド52、54に伝わる。   When the amount of heat generated by the semiconductor element 51 increases, the heat is transmitted to the solder bump 55 and the first and second electrode pads 52 and 54 that exist in the gap between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53.

その隙間の底には、作動流体35が多数の細溝16における毛細管現象により導かれて第2の電極パッド54、半田バンプ55の周辺に供給されるので、回路配線基板53から第2の電極パッド54、半田バンプ55に伝達された熱は作動流体35を加熱して蒸発させる。   At the bottom of the gap, the working fluid 35 is guided by capillarity in the large number of narrow grooves 16 and supplied to the periphery of the second electrode pad 54 and the solder bump 55, so that the second electrode is supplied from the circuit wiring board 53. The heat transmitted to the pad 54 and the solder bump 55 heats the working fluid 35 and evaporates it.

気化した作動流体35は、半導体素子51と回路配線基板53の間の空間を伝達して温度の低い外周部の放熱体56の横溝57に移動する。移動した作動流体35の気体は、多数の放熱フィン59を有する放熱体56の中の横溝57内で熱交換により冷却されて液化
する。
The vaporized working fluid 35 travels through the space between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53 and moves to the lateral groove 57 of the radiator 56 at the outer peripheral portion having a low temperature. The gas of the moved working fluid 35 is cooled and liquefied by heat exchange in the lateral groove 57 in the heat radiator 56 having a large number of heat radiation fins 59.

液化した作動流体35は横溝57の底部に流下し、多数の細溝16における毛細管現象により再び第2の電極パッド54、半田バンプ55の表面に導かれる。   The liquefied working fluid 35 flows down to the bottom of the lateral groove 57 and is again guided to the surfaces of the second electrode pad 54 and the solder bump 55 by capillary action in the numerous narrow grooves 16.

このように、半導体素子51と回路配線基板53の間の隙間とその周囲の横溝57により区画される空間内において、作動流体35は気化と液化を繰り返し、循環するので、その空間内の熱は作動流体35及び放熱体56を介して外部に放出される。   Thus, in the space defined by the gap between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53 and the lateral groove 57 around the gap, the working fluid 35 repeats vaporization and liquefaction and circulates. It is discharged to the outside through the working fluid 35 and the heat radiator 56.

また、半田バンプ55、第2の電極パッド54及び細溝16及びその周辺領域で作動流体35が蒸発潜熱を奪うことにより、半導体素子51と回路配線基板53の隙間を冷却する。これにより、半導体素子51の内部温度が低下し、半導体素子51の温度分布を一様にし、ホットスポットの発生を抑制する。   Further, the working fluid 35 takes away latent heat of evaporation in the solder bumps 55, the second electrode pads 54, the narrow grooves 16 and their peripheral regions, thereby cooling the gap between the semiconductor element 51 and the circuit wiring board 53. Thereby, the internal temperature of the semiconductor element 51 is lowered, the temperature distribution of the semiconductor element 51 is made uniform, and the occurrence of hot spots is suppressed.

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。   All examples and conditional expressions given here are intended to help the reader understand the inventions and concepts that have contributed to the promotion of technology, such examples and It should be construed without being limited to the conditions, and the organization of such examples in the specification is not related to showing the superiority or inferiority of the present invention. Although embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and variations can be made thereto without departing from the spirit and scope of the present invention.

1 インターポーザ
2 シリコン基板
3 第1の電極パッド
4 第2の電極パッド
5 半田バンプ
11 インターポーザ
12 絶縁基板
13 第3の電極パッド
14 第4の電極パッド
15 ビア
16 細溝
17 突起
18 金属膜
21、22 半導体素子
23、24 半田バンプ
31 放熱体
31a 開口部
32 横溝
33 液体供給路
34 放熱フィン
35 作動流体
36 栓
37 回路基板
38 第5の電極パッド
39 半田バンプ
41a〜41e 半導体素子
43 ヒートシンク
51 半導体素子
52、54 電極パッド
55 半田バンプ
56 放熱体
57 横溝
Reference Signs List 1 interposer 2 silicon substrate 3 first electrode pad 4 second electrode pad 5 solder bump 11 interposer 12 insulating substrate 13 third electrode pad 14 fourth electrode pad 15 via 16 narrow groove 17 protrusion 18 metal films 21 and 22 Semiconductor elements 23 and 24 Solder bumps 31 Radiator 31a Opening 32 Horizontal groove 33 Liquid supply path 34 Radiation fin 35 Working fluid 36 Plug 37 Circuit board 38 Fifth electrode pad 39 Solder bumps 41a to 41e Semiconductor element 43 Heat sink 51 Semiconductor element 52 , 54 Electrode pad 55 Solder bump 56 Radiator 57 Horizontal groove

Claims (5)

第1の電極パッドが一面上に形成された第1の基板と、
第2の電極パッドが一面上に形成された第2の基板と、
前記第1の基板の前記一面と前記第2の基板の一面を対向させて前記第1の電極パッドと前記第2の電極パッドを接合する半田バンプと、
前記第1の基板と前記第2の基板の間の間隙を側方から密封して囲む開口部を有する放熱体と、
前記第1の基板の前記一面と前記第2の基板の前記一面のうち少なくとも一方に形成された溝及び突起と、
前記第1の基板と前記第2の基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒と、
を有する半導体パッケージ。
A first substrate having a first electrode pad formed on one surface;
A second substrate having a second electrode pad formed on one surface;
A solder bump for bonding the first electrode pad and the second electrode pad with the one surface of the first substrate facing the one surface of the second substrate;
A radiator having an opening that seals and surrounds a gap between the first substrate and the second substrate from a side;
Grooves and protrusions formed on at least one of the one surface of the first substrate and the one surface of the second substrate;
A refrigerant sealed in a space defined by the first substrate, the second substrate, and the radiator;
A semiconductor package.
前記放熱体の前記開口部の内周面には、前記第1の基板と前記第2の基板の間の間隙に通じる横溝が形成されている請求項1に記載の半導体パッケージ。   The semiconductor package according to claim 1, wherein a lateral groove that communicates with a gap between the first substrate and the second substrate is formed on an inner peripheral surface of the opening of the heat radiator. 前記第1の基板と前記第2の基板には、ビア、配線の少なくとも一方が形成されている請求項1又は請求項2に記載の半導体パッケージ。   The semiconductor package according to claim 1, wherein at least one of a via and a wiring is formed on the first substrate and the second substrate. 前記第1の基板の他面上には、半導体素子の電極パッドにバンプを介して接続される第3の電極パッドが形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項2のうちいずれか1項に記載の半導体パッケージ。   3. The third electrode pad connected to the electrode pad of the semiconductor element via a bump is formed on the other surface of the first substrate. 3. 2. The semiconductor package according to item 1. 第1の電極パッドが一面上に形成されたる半導体素子と、
第2の電極パッドが一面上に形成された回路配線基板と、
前記半導体素子の前記一面と回路配線基板の前記一面を対向させて前記第1の電極パッドと前記第2の電極パッドを接合する半田バンプと、
前記半導体素子と前記第回路配線基板の間の間隙を側方から密封して囲む開口部を有する放熱体と、
前記回路配線基板の前記一面の上に形成された溝及び突起と、
前記半導体素子と前記回路配線基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒と、
を有する半導体装置。
A semiconductor element having a first electrode pad formed on one surface;
A circuit wiring board having a second electrode pad formed on one surface;
A solder bump for bonding the first electrode pad and the second electrode pad with the one surface of the semiconductor element and the one surface of the circuit wiring board facing each other;
A radiator having an opening that seals and surrounds a gap between the semiconductor element and the second circuit wiring board from a side;
Grooves and protrusions formed on the one surface of the circuit wiring board;
A refrigerant sealed in a space defined by the semiconductor element, the circuit wiring board, and the radiator;
A semiconductor device.
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