JP5540709B2 - 電子装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子装置及びその製造方法に関する。

ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導体素子と、マザーボード等の配線基板とを、間にインターポーザ等の配線基板を設けて、電気的に接続する技術が知られている。半導体素子とインターポーザ等の配線基板とは、例えば、はんだボール等のバンプを用いて、接続される。また、インターポーザ等の配線基板とマザーボード等の配線基板とは、例えば、はんだボール等のバンプ、或いは導電性弾性体等のコラムを含むソケットを用いて、接続される。

また、インターポーザ等の配線基板に搭載された半導体素子の上に、ペースト状やシート状の接合部材を用いて蓋部材を接合し、例えば、その蓋部材を利用して半導体素子で発生する熱を放熱する技術も知られている。

特開平０９−１３９４５１号公報 特開２００４−１６５５８６号公報

インターポーザ等の配線基板に搭載された半導体素子の上に接合部材を用いて蓋部材を接合しているような実装構造の場合、この実装構造には、それをマザーボード等の別の配線基板に実装する際や、実装後に半導体素子が動作する際等に、熱が加わる。実装構造には、このような熱が加わったときに、用いられている部材（例えば、蓋部材とインターポーザ等の配線基板）の熱膨張率差に起因して発生する応力により、半導体素子と蓋部材との接合部に剥離が生じる場合がある。そのような場合、その後の半導体素子動作の信頼性を確保することができなくなり、当該実装構造を含む電子装置の信頼性が低下してしまうことも起こり得る。

本発明の一観点によれば、半導体素子が搭載された、第１貫通孔を有する配線基板と、前記半導体素子の上方に接合部材を介して配置された、第２貫通孔を有する蓋部材と、前記第１貫通孔を貫通し、前記第２貫通孔に挿入され、一端部が前記配線基板に係止され、他端部が前記蓋部材に固定された固定部材と、を含み、前記他端部は、前記第２貫通孔内に位置し、前記第２貫通孔内において接着部材を用いて接着固定されている電子装置が提供される。

開示の電子装置によれば、熱応力に起因した信頼性の低下を抑制することが可能になる。

実装構造の一例を示す図である。 ピンの配置例を示す図（その１）である。 ピンの配置例を示す図（その２）である。 電子装置の一例を示す図である。 電子装置の別例を示す図である。 放熱部材を備える電子装置の一例を示す図である。 放熱部材を備える電子装置の別例を示す図である。 スティフナ接合工程の一例を示す図である。 半導体チップ搭載工程の一例を示す図である。 リッド接合工程の一例を示す図である。 ピン配設工程の一例を示す図である。

図１は実装構造の一例を示す図である。
図１には、配線基板（パッケージ基板）１１、補強部材（スティフナ）１２、半導体素子（半導体チップ）１３、蓋部材（リッド）１４、及び固定部材（リベット状のピン）１５を含む実装構造（電子装置。便宜上、半導体装置と言う。）１０を例示している。図１には、このような半導体装置１０の断面を模式的に図示している。

パッケージ基板１１には、半導体チップ１３の搭載面側に、半導体チップ１３とパッケージ基板１１とを電気的に接続するための、図示しない接続パターンが設けられ、半導体チップ１３の搭載面側と反対の面側には、半田ボール等のバンプ１１ｂが設けられている。パッケージ基板１１の、半導体チップ１３の搭載面側に設けられた接続パターンと、その反対面側に設けられたバンプ１１ｂとは、パッケージ基板１１の内部に設けられている、図示しない導電パターン（ビア、又はビアと配線）を介して、電気的に接続されている。

パッケージ基板１１に設けられた、異なるパターン間は、絶縁層によって絶縁されている。絶縁層部分には、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の有機系材料を用いたもの、ガラス、セラミック、ガラスセラミック等の無機系材料を用いたもの、そのような有機系材料と無機系材料の双方を用いたもの等を適用することができる。例えば、パッケージ基板１１として、ガラス繊維入りのエポキシ樹脂を用いて形成されたものを用いることができる。また、パッケージ基板１１としては、比較的柔軟性を有する、所謂フレキシブル基板等を用いることもできる。

また、パッケージ基板１１には、リベット状のピン１５の軸部１５ａが貫通する孔１１ａが設けられている。孔１１ａは、軸部１５ａの径よりも大きな径とされる。孔１１ａは、半導体チップ１３の搭載領域、及びバンプ１１ｂの配設領域のいずれよりも外側の、パッケージ基板１１の端部に設けられている。

このようなパッケージ基板１１の上には、その端部に、接合部材１６ａを介してスティフナ１２が接合されている。スティフナ１２には、パッケージ基板１１と同様に、リベット状のピン１５の軸部１５ａが貫通する孔１２ａが設けられている。このスティフナ１２の孔１２ａは、軸部１５ａの径よりも大きな径で、パッケージ基板１１の孔１１ａと対応する位置（スティフナ１２を接合したときに孔１１ａと対向する位置）に、設けられている。スティフナ１２には、例えば、枠状のものを用いることができ、そのような枠状のスティフナ１２が、接合部材１６ａによってパッケージ基板１１の端部に接合される。接合部材１６ａには、例えば、ボンディングシートが用いられる。

スティフナ１２には、一定の剛性を有する材料が用いられる。例えば、スティフナ１２には、銅等の金属材料が用いられる。このような一定の剛性を有するスティフナ１２を、パッケージ基板１１の端部に接合することにより、パッケージ基板１１の機械的安定性を高めることが可能になる。それにより、例えば、パッケージ基板１１の形態にもよるが、半導体チップ１３を実装する際のパッケージ基板１１の取り扱いを容易にしたり、半導体チップ１３の実装時或いは実装後に加わる熱によるパッケージ基板１１の変形を抑制したりすることが可能になる。

パッケージ基板１１上の、スティフナ１２より内側の領域には、半導体チップ１３が搭載されている。半導体チップ１３には、パッケージ基板１１と対向する面側に、半田等のバンプ１３ａが設けられている。半導体チップ１３は、パッケージ基板１１に設けられている、図示しない接続パターンに、バンプ１３ａを介してフリップチップ接続されることにより、パッケージ基板１１に搭載される。尚、ここでは図示を省略するが、フリップチップ接続されたパッケージ基板１１と半導体チップ１３との間には、充填樹脂（アンダーフィル材）を設け、それらの接続を補強するようにしてもよい。

パッケージ基板１１に搭載された半導体チップ１３の上には、接合部材１７を介してリッド１４が接合されている。リッド１４は、半導体チップ１３のほか、スティフナ１２にも、ボンディングシート等の接合部材１６ｂを介して接合されている。リッド１４には、パッケージ基板１１及びスティフナ１２と同様に、リベット状のピン１５の軸部１５ａが挿入される孔１４ａが設けられている。このリッド１４の孔１４ａは、軸部１５ａの径よりも大きな径で、パッケージ基板１１及びスティフナ１２の孔１１ａ，１２ａと対応する位置（リッド１４を接合したときに孔１１ａ，１２ａと対向する位置）に、設けられている。リッド１４には、例えば、平板状で、パッケージ基板１１全体を覆うような寸法のものを用いることができる。

リッド１４を放熱部材（又はその一部）として利用する場合、リッド１４には、熱伝導性の良い材料を用いることが好ましい。例えば、リッド１４には、金属材料を用いることができる。リッド１４に用いる金属材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銅を含む金属、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウムを含む金属を挙げることができる。

また、上記のようにリッド１４を、パッケージ基板１１全体を覆うような寸法とした場合には、リッド１４の上に更にヒートシンク等の放熱部材を取り付けたときに、それとの接触面積を大きく取ることが可能になる。或いはリッド１４を、パッケージ基板１１全体を覆うような寸法とすることで、品名表示のための領域を確保することも可能になる。

リッド１４と半導体チップ１３とを接合する接合部材１７には、接着力を有すると共に、熱伝導性の良いものを用いることが好ましい。例えば、接合部材１７には、熱伝導性の良いフィラーを含む樹脂を用いることができる。フィラーとしては、銀粒子等の金属フィラー、シリコン粒子等の非金属フィラー、銀等の金属をコーティングした粒子等を挙げることができる。接合部材１７は、ペースト状のものを塗布してその後固化することで形成したり、或いは予めシート状になっているものを貼付することで形成したりすることが可能である。また、接合部材１７には、フィラーを含む樹脂のほか、ろう材（半田を含む）を用いることもできる。

リベット状のピン１５は、軸部１５ａと、軸部１５ａよりも大きな径で形成された頭部１５ｂとを有している。ピン１５は、一定の剛性を有する材料を用いて形成することができる。例えば、ピン１５は、ステンレスを用いて形成することができる。

ピン１５の軸部１５ａは、パッケージ基板１１及びスティフナ１２の孔１１ａ，１２ａを貫通し、その上のリッド１４の孔１４ａまで挿入されている。ピン１５の頭部１５ｂは、パッケージ基板１１の孔１１ａを貫通せず、パッケージ基板１１の、スティフナ１２側と反対側の面（裏面）に、係止されるようになっている。

ピン１５の軸部１５ａは、孔１１ａ，１２ａを貫通して孔１４ａに挿入され、頭部１５ｂがパッケージ基板１１に係止されたときに、その端面１５ａａがリッド１４の上面１４ｂから突出しないような長さに設定される。これは、リッド１４の上に更にヒートシンク等の放熱部材を取り付けるときに、リッド１４の上面１４ｂから突出したピン１５の軸部１５ａと、取り付ける放熱部材とが、衝突しないようにするためである。

軸部１５ａが孔１１ａ，１２ａ，１４ａに挿入され、頭部１５ｂがパッケージ基板１１の裏面に係止されたピン１５は、その状態で、軸部１５ａと孔１１ａ，１２ａ，１４ａの隙間に設けられた接着部材１８により、接着固定されている。接着部材１８には、熱や紫外線で硬化する樹脂を用いることができる。接着部材１８に用いることのできる樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂や、エポキシ樹脂を含むエポキシ系樹脂のほか、アンダーフィル材として利用されている樹脂を広く用いることができる。

ピン１５の軸部１５ａ、及びそれが挿入される孔１１ａ，１２ａ，１４ａは、軸部１５ａの表面と孔１１ａ，１２ａ，１４ａの内面とを、このような接着部材１８で接着することができるように、それぞれの径が予め設定される。

このように、図１に示した半導体装置１０では、ピン１５及び接着部材１８により、いわば、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１及びスティフナ１２が、リッド１４側に固定された構造となっている。

ここで、上記の半導体装置１０に用いられるピン１５について、更に説明する。
半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１と、リッド１４とを固定するピン１５は、例えば、次の図２及び図３に示すような配置で設けることが可能である。

図２及び図３はピンの配置例を示す図である。図２及び図３には、半導体装置１０をリッド１４の上面１４ｂ側から見た平面の要部を模式的に図示している。
ピン１５は、例えば図２に示すように、半導体装置１０の四隅に配置することができる。即ち、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１の四隅には、上記の孔１１ａが設けられ、パッケージ基板１１の端部に接合された枠状のスティフナ１２の四隅には、上記の孔１２ａが設けられ、リッド１４の四隅には、上記の孔１４ａが設けられる。そして、４本のピン１５がそれぞれ、それら四隅に設けた孔１１ａ，１２ａを貫通して孔１４ａ内に挿入され、接着部材１８で固定される。このように半導体装置１０の四隅にピン１５を配置することにより、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１を、リッド１４に安定的に固定することができる。

また、ピン１５は、このように半導体装置１０の四隅に配置するほか、例えば図３に示すように、四辺の各中間位置に対応する位置に、配置することもできる。この場合も、各ピン１５の位置に対応する位置に、パッケージ基板１１、スティフナ１２、リッド１４の孔１１ａ，１２ａ，１４ａが設けられ、４本のピン１５がそれぞれ、孔１１ａ，１２ａを貫通して孔１４ａ内に挿入され、接着部材１８で固定される。このようなピン１５の配置によっても、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１を、リッド１４に安定的に固定することができる。

このようにピン１５は、半導体チップ１３の周辺に、半導体チップ１３を中心に点対称となるような位置に、配置することができる。また、ここでは４本のピン１５を設ける場合を例示したが、半導体チップ１３を重心とする３箇所に、３本のピン１５を設けることも可能である。

尚、ここで述べたピン１５の本数は、一例である。パッケージ基板１１とリッド１４とは、原理的には、１本又は２本以上のピン１５によって固定することが可能である。但し、後述のように、半導体装置１０、及び半導体装置１０を含んだ電子装置１について、熱応力に起因した信頼性の低下を抑制するためには、３本以上、好ましくは４本のピン１５を用いて、パッケージ基板１１とリッド１４とを固定することが望ましい。

以上、半導体装置１０について説明したが、半導体装置１０は、更に別の配線基板（マザーボード）に実装される。実装後に得られる、半導体装置１０及びマザーボードを含む電子装置の一例を、次の図４に示す。

図４は電子装置の一例を示す図である。
上記のように、半導体装置１０に含まれるパッケージ基板１１の、半導体チップ１３側と反対の面側には、バンプ１１ｂが設けられている。この半導体装置１０を実装するマザーボード２０には、半導体装置１０のバンプ１１ｂと対応する位置に、図示しない接続パターンが設けられている。

半導体装置１０をマザーボード２０に実装する場合には、半導体装置１０のバンプ１１ｂを、マザーボード２０の接続パターンに位置合わせを行って対向させ、当接後、加熱によりバンプ１１ｂを溶融する。その後、冷却してバンプ１１ｂを固化することで、半導体装置１０とマザーボード２０とを、バンプ１１ｂを介して機械的、電気的に接続し、電子装置１を得る。

このようにして得られる電子装置１において、半導体装置１０に設けたピン１５の頭部１５ｂは、パッケージ基板１１のマザーボード２０との対向面に係止されており、パッケージ基板１１とマザーボード２０との間に挟まれる配置となる。このピン１５の頭部１５ｂは、スタンドオフとして利用することが可能である。

即ち、ピン１５の頭部１５ｂを予め所定の長さ（高さ）に調整しておけば、半導体装置１０をマザーボード２０に実装する際、パッケージ基板１１とマザーボード２０とのギャップ（最終的なバンプ１１ｂの高さ）を、その頭部１５ｂの高さに調整することができる。そのため、半導体装置１０をマザーボード２０に実装するにあたり、それらの間に別途スタンドオフを設けることを要しない。

ところで、このように半導体装置１０をマザーボード２０に実装して電子装置１を得る際や、得られた電子装置１（後述のように放熱部材を設けた電子装置１ａ，１ｂも同様。）において内部の半導体チップ１３が動作する際等には、半導体装置１０に熱が加わる。即ち、バンプ１１ｂを溶融するための熱や、半導体チップ１３の動作に伴う発熱により、半導体装置１０の温度が上昇する。

一方、半導体装置１０には、様々な材料を用いた部材が用いられており、部材間に熱膨張係数差が存在している。そのため、上記のように半導体装置１０に熱が加わったときには、半導体装置１０の内部に応力が発生する。電子装置１では、このような応力が発生する状況においても、ピン１５及び接着部材１８により、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１及びスティフナ１２が、リッド１４に固定された状態が維持されるようになる。

ここで比較のため、電子装置の別例について説明する。
図５は電子装置の別例を示す図である。
図５に示す電子装置１０００では、パッケージ基板１１０、スティフナ１２０、リッド１４０に、上記図１に示したような孔１１ａ，１２ａ，１４ａが設けられておらず、従って、ピン１５及び接着部材１８も設けられていない。

即ち、電子装置１０００では、パッケージ基板１１０に、スティフナ１２０が接合部材１６ａを介して接合されると共に、半導体チップ１３がバンプ１３ａを介してフリップチップ接続されている。そして、スティフナ１２０及び半導体チップ１３に、それぞれ接合部材１６ｂ，１７を介してリッド１４０が接合されて、半導体装置１００が形成されている。このような半導体装置１００が、パッケージ基板１１０に設けられたバンプ１１ｂを介してマザーボード２００に実装され、電子装置１０００が形成されている。パッケージ基板１１０とマザーボード２００の間には、スタンドオフ３００が設けられている。スタンドオフ３００は、その下部（凸部）３０１が、マザーボード２００に設けられた凹部２０１に埋め込まれている。

このような電子装置１０００において、半導体装置１００のマザーボード２００への実装時や、実装後の半導体チップ１３の動作時に、半導体装置１００に熱が加わる場合を想定する。

この場合、半導体装置１００には、各部材に用いられている材料の違いから来る熱膨張係数差に起因して、応力が発生するようになる。例えば、パッケージ基板１１０に樹脂を用い、リッド１４０に金属を用いている場合には、パッケージ基板１１０とリッド１４０のそれぞれの平面方向への膨張の程度が異なるために、パッケージ基板１１０とリッド１４０との間に、せん断応力が発生する。

このような熱膨張係数差に起因した応力により、リッド１４０と半導体チップ１３との接合部には、剥離４０１が生じる場合がある。また、熱膨張係数差に起因した応力により、リッド１４０とスティフナ１２０との接合部、パッケージ基板１１０とスティフナ１２０との接合部にも同様に、剥離４０２が生じる場合がある。

このような接合部の剥離４０１，４０２が生じると、例えば、半導体チップ１３及びパッケージ基板１１０の固定が不十分となり、その後の加熱で、パッケージ基板１１０がより大きく変形してしまう可能性がある。その変形により、半導体チップ１３とパッケージ基板１１０との接続部や、パッケージ基板１１０とマザーボード２００との接続部には、破断が生じてしまう可能性が出てくる。また、上記のような剥離４０１，４０２が生じることで、例えば、半導体チップ１３で発生した熱が効率的にリッド１４０に伝熱されず、半導体チップ１３の過熱による動作不良や破壊が生じてしまう可能性もある。剥離４０１，４０２が原因で生じ得るこれらの問題は、半導体装置１００、及び半導体装置１００を含んだ電子装置１０００の信頼性を大きく損なうことになる。

また、近年では、半導体チップ１３とパッケージ基板１１０との接続部や、パッケージ基板１１０とマザーボード２００との接続部に、鉛フリー半田を用いることが多くなっている。鉛フリー半田は、鉛を含有する半田に比べて融点が高く、従って、鉛フリー半田を用いた場合には、実装温度も高くなる。半導体装置１００及び電子装置１０００では、このような実装温度の上昇により、上記のような剥離４０１，４０２が、より一層起こり易くなる。

このような半導体装置１００及び電子装置１０００に対し、図１〜図３に示したような半導体装置１０、及び図４に示したような電子装置１では、上記のような剥離４０１，４０２を効果的に抑制することが可能になる。

図１〜図３に示した半導体装置１０では、パッケージ基板１１、スティフナ１２、リッド１４にそれぞれ孔１１ａ，１２ａ，１４ａを設け、これらの孔１１ａ，１２ａ，１４ａにリベット状のピン１５を挿入する。ピン１５は、その軸部１５ａがパッケージ基板１１側からリッド１４側へと挿入され、頭部１５ｂがパッケージ基板１１の裏面（リッド１４側と反対側の面）に係止される。そして、このような状態で挿入されているピン１５を、接着部材１８により、パッケージ基板１１、スティフナ１２、及びリッド１４に固定している。即ち、半導体装置１０は、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１及びスティフナ１２が、ピン１５及び接着部材１８によってリッド１４に固定された構造になっている。

パッケージ基板１１は、その材質上、リッド１４に比べて熱による変形が生じ易い。半導体装置１０では、このようなパッケージ基板１１を、軸部１５ａがパッケージ基板１１及びスティフナ１２を貫通してリッド１４に挿入され、且つ、頭部１５ｂがパッケージ基板１１の裏面に係止されたピン１５を用いてリッド１４に固定する。

そのため、半導体装置１０に熱が加わった場合にも、パッケージ基板１１を貫通した状態で固定されているピン１５により、パッケージ基板１１の平面方向の変形が抑制される。更に、パッケージ基板１１を、ピン１５を用いてリッド１４に固定していることにより、パッケージ基板１１平面の法線方向の変形も抑制される。その結果、半導体装置１０では、リッド１４と半導体チップ１３との接合部、リッド１４とスティフナ１２との接合部、及びパッケージ基板１１とスティフナ１２との接合部における、上記のような剥離４０１，４０２の発生が、効果的に抑制されるようになる。これにより、信頼性の高い半導体装置１０、及びそのような半導体装置１０を用いた電子装置１を実現することが可能になる。

尚、電子装置１には、半導体チップ１３で発生する熱を放熱するため、更に放熱部材を設けることができる。
図６は放熱部材を備える電子装置の一例を示す図である。

図６に示す電子装置１ａは、半導体装置１０のリッド１４の上面１４ｂに、接合部材３０を介して設けられたヒートシンク４０を備えている。ヒートシンク４０には、複数のフィン４１が設けられている。

半導体チップ１３で発生した熱は、リッド１４に伝熱された後、接合部材３０及びヒートシンク４０へと伝熱されて、ヒートシンク４０から電子装置１ａの外部へと放熱される（空冷）。尚、電子装置１ａにおける、半導体チップ１３で発生した熱の放熱経路は、これに限定されるものではない。

半導体装置１０では、上記のようにピン１５の端面１５ａａをリッド１４の上面１４ｂから突出させないようにしているため、ヒートシンク４０を取り付ける際に、ヒートシンク４０とピン１５が衝突するのを防ぐことができる。そのため、接合部材３０を介したヒートシンク４０の取り付けを容易に、且つ、確実に行うことができる。また、その結果、リッド１４からヒートシンク４０への、一定の伝熱効率を安定的に確保することができる。

図７は放熱部材を備える電子装置の別例を示す図である。
図７に示す電子装置１ｂは、半導体装置１０のリッド１４の上面１４ｂに、接合部材３１を介して設けられたクーリングプレート５０を備えている。クーリングプレート５０には、その内部に管５１が設けられている。管５１には、冷却水が流通される。

半導体チップ１３で発生し、リッド１４に伝熱された熱は、接合部材３１を介してクーリングプレート５０と熱交換される（液冷）。尚、電子装置１ｂにおける、半導体チップ１３で発生した熱の放熱経路は、これに限定されるものではない。

この電子装置１ｂにおいても、上記電子装置１ａと同様、ピン１５の端面１５ａａをリッド１４の上面１４ｂから突出させないようにしているため、クーリングプレート５０の取り付けを容易に、且つ、確実に行うことができる。また、その結果、リッド１４からクーリングプレート５０への、一定の伝熱効率を安定的に確保することができる。

尚、ピン１５の端面１５ａａをリッド１４の上面１４ｂから突出させないために、ピン１５の軸部１５ａの長さを短くし過ぎると、ピン１５とリッド１４との接着面積が減少し、ピン１５でパッケージ基板１１をリッド１４に固定する力が弱まる可能性がある。そのため、このような可能性にも留意し、ピン１５の軸部１５ａの長さを設定することが望ましい。

続いて、上記のような半導体装置１０、及びそれを含む電子装置１の形成方法について説明する。
図８はスティフナ接合工程の一例を示す図である。

まず、パッケージ基板１１及びスティフナ１２を用意する。パッケージ基板１１には、予め、その端部の所定箇所に、所定サイズ（径）の孔１１ａを、所定数、設けておく。スティフナ１２には、予め、パッケージ基板１１に設けた孔１１ａと対応する箇所に、孔１１ａと同径又はほぼ同径の孔１２ａを、孔１１ａと同数、設けておく。

そして、パッケージ基板１１の端部に接合部材１６ａを設け、その接合部材１６ａ上に、孔１１ａ，１２ａの位置を合わせて、スティフナ１２を配置し、パッケージ基板１１とスティフナ１２とを接合する。

尚、図示を省略するが、パッケージ基板１１には、その一方の面（スティフナ１２側の面）に、半導体チップ１３を接続するための接続パターンが形成されている。また、パッケージ基板１１のもう一方の面には、マザーボード２０との接続に用いるバンプ１１ｂを設けるための接続パターンが形成されている。

図９は半導体チップ搭載工程の一例を示す図である。
上記のようにしてスティフナ１２を接合したパッケージ基板１１に、半導体チップ１３を搭載する。半導体チップ１３には、バンプ１３ａが設けられている。半導体チップ１３は、バンプ１３ａを介してパッケージ基板１１にフリップチップ接続される。例えば、バンプ１３ａを半田で形成している場合には、バンプ１３ａをパッケージ基板１１の接続パターンに対向させ、溶融し、その後固化することで、半導体チップ１３とパッケージ基板１１とを接続する。

図１０はリッド接合工程の一例を示す図である。
半導体チップ１３の搭載後、スティフナ１２上に接合部材１６ｂを設け、半導体チップ１３上に接合部材１７を設けて、リッド１４を接合する。

リッド１４には、予め、パッケージ基板１１及びスティフナ１２に設けた孔１１ａ，１２ａと対応する箇所に、孔１１ａ，１２ａと同径又はほぼ同径の孔１４ａを、孔１１ａ，１２ａと同数、設けておく。このようなリッド１４を、接合部材１６ｂ，１７上に、孔１１ａ，１２ａ，１４ａの位置を合わせて配置し、スティフナ１２及び半導体チップ１３と接合する。

図１１はピン配設工程の一例を示す図である。
リッド１４の接合後、軸部１５ａと頭部１５ｂを備えるリベット状のピン１５を、パッケージ基板１１側から孔１１ａ，１２ａ，１４ａへと挿入する。

ピン１５の軸部１５ａは、パッケージ基板１１の孔１１ａ及びスティフナ１２の孔１２ａを貫通し、リッド１４の孔１４ａに挿入される。ピン１５の頭部１５ｂは、パッケージ基板１１の裏面に係止される。このとき、軸部１５ａの端面１５ａａは、リッド１４の上面１４ｂからは突出しない。

このようにしてピン１５を孔１１ａ，１２ａ，１４ａに挿入した後は、その状態で、ピン１５を接着部材１８で固定する。その際は、例えば、接着部材１８として、熱等で硬化する樹脂を使用する。まず、ピン１５とリッド１４等との隙間に、孔１４ａ側から流動状態の接着部材１８を流し込み、その隙間に接着部材１８を充填した後、加熱等により接着部材１８を硬化させる。

尚、ここではリッド１４に、それを貫通する孔１４ａを設けているため、このように接着部材１８を孔１４ａから流し込むことができる。また、充填時や硬化時に接着部材１８内に気泡が生じたとしても、気泡が孔１４ａから抜け易く、硬化後の接着部材１８にボイドが生じるのを抑制することができる。このようなボイドの抑制により、ピン１５及び接着部材１８による強固な固定が可能になる。

以上のような方法により、半導体チップ１３が搭載されたパッケージ基板１１及びスティフナ１２が、ピン１５及び接着部材１８によってリッド１４に固定された半導体装置１０の基本構造が得られる。

このような半導体装置１０の基本構造を得た後は、パッケージ基板１１の裏面に、マザーボード２０との接続用のバンプ１１ｂを設け（半導体装置１０）、それをマザーボード２０に実装することで、図４に示したような電子装置１が得られる。また、その後、リッド１４上に、図６に示したようなヒートシンク４０を設けることで電子装置１ａを得ることができ、或いは図７に示したようなクーリングプレート５０を設けることで電子装置１ｂを得ることができる。

続いて、半導体装置及びそれを含む電子装置の形成方法の一実施例について説明する。
ここでは一例として、４７．５ｍｍ×４７．５ｍｍサイズのパッケージ基板で、半導体チップの実装エリアが１５ｍｍ×１５ｍｍサイズであるパッケージ基板を用いる。このパッケージ基板には、１ｍｍ間隔で４００μｍサイズのＩ／Ｏパッドが設けられている。また、パッケージ基板の四隅には、予め直径１ｍｍの孔が設けられている。

尚、このパッケージ基板と共に用いるスティフナ及びリッドにもそれぞれ、このパッケージ基板に設けた孔に対応する位置に、予め直径１ｍｍの孔が設けられている。
まず、パッケージ基板の端部に、接合部材として厚さ２５μｍのボンディングシートを設ける。そして、その上に、銅製の枠状スティフナを、その孔とパッケージ基板の孔との位置を合わせて配置し、パッケージ基板とスティフナとを接合する。

次いで、半導体チップを、パッケージ基板の実装エリアに対し、フリップチップ接続して搭載する。
次いで、スティフナ上に、接合部材として厚さ２５μｍのボンディングシートを設け、半導体チップ上に、接合部材としてインジウム銀（ＩｎＡｇ）製の接合用シートを設ける。そして、それらの上に、銅製のリッドを、その孔とスティフナ及びパッケージ基板の孔との位置を合わせて配置する。その後、２００℃で加熱し、リッドをパッケージ基板の上に固定する。

次いで、パッケージ基板、スティフナ及びリッドの孔に、パッケージ基板側から、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製のリベット状のピンを挿入し、その頭部をパッケージ基板の裏面に係止する。そして、リッドとピンの隙間にアンダーフィル材を流し込み、１７０℃の熱処理を行うことで、ピンを固定する。

パッケージ基板にバンプを設けて得られる半導体装置（図１の半導体装置１０に相当）を、バンプを介してマザーボードに実装し、電子装置（図４の電子装置１に相当）を得る。

このようにして得られる電子装置について、−１０℃〜１００℃の範囲の昇降温を３００サイクル繰り返す熱サイクル試験を実施したところ、半導体チップとリッドとの接合部、スティフナとリッド及びパッケージ基板との接合部に、剥離は認められなかった。

また、ピンを用いない電子装置（図５の電子装置１０００に相当）を、この実施例と同様の条件で形成し、同じく−１０℃〜１００℃の範囲の昇降温を３００サイクル繰り返す熱サイクル試験を実施した。その結果、半導体チップとリッドとの接合部、スティフナとリッド及びパッケージ基板との接合部には、剥離が認められた。

半導体チップが搭載されたパッケージ基板をリッドにピンを用いて固定することにより、リッドとパッケージ基板の間に存在する接合部の、熱応力による剥離を、効果的に抑制することができていると言える。

以上、半導体装置１０、及びそれを用いた電子装置１，１ａ，１ｂについて説明した。
尚、上記の半導体装置１０において、スティフナ１２は、必ずしもパッケージ基板１１の上に設けることを要しない。パッケージ基板１１にセラミック等が用いられていて一定の剛性（機械的安定性）を有している場合等、パッケージ基板１１の形態によっては、スティフナ１２を用いないようにすることも可能である。

また、上記の半導体装置１０では、リベット状のピン１５を、接着部材１８によってリッド１４等に固定するようにした。このほか、ピン１５の軸部１５ａ、及びリッド１４の孔１４ａの内面を、ネジ構造にし、ピン１５とリッド１４とを螺合により固定するようにしてもよい。このようなネジ構造のピン１５及びリッド１４を用いる場合には、リッド１４とパッケージ基板１１との間の距離を、ピン１５のリッド１４へのねじ込み量によって調整することが可能になる。

また、上記の半導体装置１０では、リッド１４に、それを貫通する孔１４ａを設け、その貫通する孔１４ａにピン１５の軸部１５ａを挿入するようにした。このほか、リッド１４に、その上面１４ｂまで貫通しない、有底の孔を設け、その有底の孔にピン１５の軸部１５ａを挿入するようにしてもよい。このようにリッド１４に有底の孔を設けることにより、ピン１５の端面１５ａａがリッド１４の上面１４ｂから突出するのを確実に防止することができる。

また、上記の半導体装置１０において、ピン１５の頭部１５ｂの、マザーボード２０側の端面に、マザーボード２０側に突出する凸部を設け、マザーボード２０には当該凸部に対応する凹部を設けるようにしてもよい。そして、半導体装置１０をマザーボード２０に実装する際には、ピン１５の頭部１５ｂをスタンドオフとして利用すると共に、その頭部１５ｂに設けた凸部を、マザーボード２０に設けた凹部に埋め込む。このようにして半導体装置１０とマザーボード２０とを接続することも可能である。

また、半導体装置１０とマザーボード２０との接続には、導電性弾性体等のコラムを含むソケットを用いることも可能である。その場合は、半導体装置１０を、ソケットを挟んでマザーボード２０に押圧するための機構を設けるようにすればよい。例えば、リッド１４に、それより大きな平面サイズの放熱部材を熱的に接続し、その放熱部材とマザーボード２０とを貫通するネジを、マザーボード２０背面に設けたボルスタプレートに螺合する等の機構を設けることができる。

以上説明した実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 半導体素子が搭載された、第１孔を有する配線基板と、
前記半導体素子の上方に接合部材を介して配置された、第２孔を有する蓋部材と、
前記第１孔を貫通し、前記第２孔に挿入され、一端部が前記配線基板に係止され、他端部が前記蓋部材に固定された固定部材と、
を含むことを特徴とする電子装置。

（付記２） 前記配線基板は、前記半導体素子搭載面側と反対面側に、他の配線基板との接続に用いる端子が設けられた領域を有することを特徴とする付記１に記載の電子装置。

（付記３） 前記第１孔は、前記領域の外側に設けられ、前記第２孔は、前記第１孔の対向位置に設けられていることを特徴とする付記２に記載の電子装置。
（付記４） 前記配線基板に前記端子を用いて接続された前記他の配線基板を含み、前記一端部が、前記他の配線基板に当接していることを特徴とする付記２又は３に記載の電子装置。

（付記５） 前記第１孔及び前記第２孔を、それぞれ複数有していることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の電子装置。
（付記６） 前記固定部材の前記他端部側の端面は、前記蓋部材の上面よりも低い位置にあることを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の電子装置。

（付記７） 前記蓋部材の上方に、前記半導体素子で発生する熱を放熱する放熱部材が配置されていることを特徴とする付記６に記載の電子装置。
（付記８） 前記配線基板と前記蓋部材の間に配置され、前記配線基板と前記蓋部材とに接合された、第３孔を有する補強部材を更に含み、前記固定部材は、前記第３孔を貫通することを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の電子装置。

（付記９） 第１孔を有する配線基板に半導体素子を搭載する工程と、
第２孔を有する蓋部材を前記半導体素子の上方に接合部材を介して配置する工程と、
固定部材を前記第１孔から前記第２孔へと挿入し、前記固定部材の一端部を前記配線基板に係止させて、前記固定部材の他端部を前記蓋部材に固定する工程と、
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。

（付記１０） 前記配線基板を、当該配線基板に設けた端子を用いて、他の配線基板に接続する工程を更に含むことを特徴とする付記９に記載の電子装置の製造方法。
（付記１１） 前記配線基板を前記他の配線基板に接続する際に、前記一端部を前記他の配線基板に当接させることを特徴とする付記１０に記載の電子装置の製造方法。

（付記１２） 前記蓋部材の上方に、前記半導体素子で発生する熱を放熱する放熱部材を配置する工程を更に含むことを特徴とする付記９乃至１１のいずれかに記載の電子装置の製造方法。

（付記１３） 前記配線基板に、第３孔を有する補強部材を接合し、前記補強部材が接合された前記配線基板に前記半導体素子を搭載し、
前記蓋部材を、前記半導体素子及び前記補強部材の上方に接合部材を介して配置し、
前記固定部材を、前記第１孔から前記第３孔及び前記第２孔へと挿入し、前記一端部を前記配線基板に係止させて、前記他端部を前記蓋部材に固定する、
ことを特徴とする付記９乃至１２のいずれかに記載の電子装置の製造方法。

１，１ａ，１ｂ，１０００ 電子装置
１０，１００ 半導体装置
１１，１１０ パッケージ基板
１１ａ，１２ａ，１４ａ 孔
１１ｂ，１３ａ バンプ
１２，１２０ スティフナ
１３ 半導体チップ
１４，１４０ リッド
１４ｂ 上面
１５ ピン
１５ａ 軸部
１５ａａ 端面
１５ｂ 頭部
１６ａ，１６ｂ，１７，３０，３１ 接合部材
１８ 接着部材
２０，２００ マザーボード
４０ ヒートシンク
４１ フィン
５０ クーリングプレート
５１ 管
２０１ 凹部
３００ スタンドオフ
３０１ 凸部
４０１，４０２ 剥離

Claims (6)

1. 半導体素子が搭載された、第１貫通孔を有する配線基板と、
   前記半導体素子の上方に接合部材を介して配置された、第２貫通孔を有する蓋部材と、
   前記第１貫通孔を貫通し、前記第２貫通孔に挿入され、一端部が前記配線基板に係止され、他端部が前記蓋部材に固定された固定部材と、
   を含み、
   前記他端部は、前記第２貫通孔内に位置し、前記第２貫通孔内において接着部材を用いて接着固定されていることを特徴とする電子装置。
2. 前記配線基板は、前記半導体素子搭載面側と反対面側に、他の配線基板との接続に用いる端子が設けられた領域を有することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. 前記配線基板に前記端子を用いて接続された前記他の配線基板を含み、前記一端部が、前記他の配線基板に当接していることを特徴とする請求項２に記載の電子装置。
4. 前記固定部材の前記他端部側の端面は、前記蓋部材の上面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子装置。
5. 前記蓋部材の上方に、前記半導体素子で発生する熱を放熱する放熱部材が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電子装置。
6. 第１貫通孔を有する配線基板に半導体素子を搭載する工程と、
   第２貫通孔を有する蓋部材を前記半導体素子の上方に接合部材を介して配置する工程と、
   固定部材を前記第１貫通孔から前記第２貫通孔へと挿入し、前記固定部材の一端部を前記配線基板に係止させて、前記固定部材の他端部を前記蓋部材に固定する工程と、
   を含み、
   前記他端部を前記蓋部材に固定する工程では、前記他端部が前記第２貫通孔内に位置し、前記他端部を前記第２貫通孔内において接着部材を用いて接着固定することを特徴とする電子装置の製造方法。
   

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