JP7063302B2 - 電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子装置に関する。

２つのＩＣパッケージを積層して形成されたＰｏＰ（Ｐａｃｋａｇｅ ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ）を、プリント基板に実装した電子装置が知られている。

米国特許第９７４６８８９号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０２９４４２２号明細書

上記電子装置の場合、下側のＩＣパッケージで発生した熱の放熱が十分にできないという問題が有る。特に下側のＩＣパッケージの発熱が、上側のＩＣパッケージの発熱より大きい場合にこの課題が顕著となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性を向上させることにより、信頼性が向上した電子装置を提供することである。

請求項１に記載した電子装置は、上チップを備える上パッケージと、下チップを備える下パッケージと、前記上パッケージ、及び前記下パッケージを上部に積層して備えるプリント基板と、熱を外部に放熱する金属ケース１４に接する放熱部と、を備え、前記放熱部は、前記上パッケージ及び前記下パッケージに接する。

上記の電子装置によれば、下パッケージにおける熱の発生が大きい場合でも、上パッケージだけでなく下パッケージにも放熱部が接しているため、下パッケージで発生した熱も放熱部を介して金属ケースに効率的に伝播する。このため、下パッケージからの熱の放出が効率的に実施される。これにより、電子装置全体の放熱性を向上させることができるため、信頼性が向上した電子装置を提供することができる。

第１実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第２実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第３実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第４実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第５実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第６実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第７実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図 第８実施形態に係る電子装置の概略構成を示す縦断面図

以下、本発明の実施形態に係る電子装置について図面を参照して説明する。以下の説明において前出と同様の要素については同様の符号又は同様の名称を付して、その説明については省略することとし、異なる部分について説明する。また、以下の説明において、電子装置１の金属ケース１４側を上方向、プリント基板１６側を下方向とする。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係る電子装置１は、２つのＩＣパッケージを積層した所謂ＰｏＰである。電子装置１は、上パッケージ１０、下パッケージ１２、プリント基板１６（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ、以下、ＰＣＢと称する）、放熱部３０、及びこれらを覆う金属ケース１４を備えている。電子装置１は平板略矩形状をなしている。電子装置１に備えられる上パッケージ１０及び下パッケージ１２も平板略矩形状をなしている。金属ケース１４は電子装置１の熱を外部に放熱する機能を備えている。

ＰＣＢ１６の上部には下パッケージ１２及び上パッケージ１０が積層されて配置される。上パッケージ１０と下パッケージ１２との間には複数のはんだボール２０が配置されている。上パッケージ１０と下パッケージ１２とは複数のはんだボール２０により接続されている。下パッケージ１２とＰＣＢ１６との間には複数のはんだボール２２が配置されている。下パッケージ１２とＰＣＢ１６とは、複数のはんだボール２２により接続されている。

放熱部３０の上面と金属ケース１４の内側天井面との間にはサーマルインターフェースマテリアル１７（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ、以下ＴＩＭと称する）が設けられている。また、上パッケージ１０の上面と放熱部３０との間にもＴＩＭ１８が配置されている。また、側部３０ｂの下端部３０ｃとプリント基板１６の上面はＴＩＭ１９を介して接している。側部３０ｂの内側面と下パッケージ１２の側面はＴＩＭ１９を介して接している。ＴＩＭ１７、１８、１９は熱伝導率が高い物質で構成されており、例えばシリコン、グラファイトを含んで構成されている。ＴＩＭ１７、１８、１９は上パッケージ１０、下パッケージ１２、及び放熱部３０の間に介在して接続し、熱の伝播効率を向上させる熱伝達部材として機能する。

上パッケージ１０は、上チップ１０ａ、上層１０ｂ、下層１０ｃを備えている。上チップ１０ａは下層１０ｃ上に配置されている。上チップ１０ａは上層１０ｂにより上面及び側面を覆われている。上チップ１０ａは図示しない半導体基板に複数のトランジスタ及び配線等を搭載した集積回路であり、上層１０ｂは例えばモールド樹脂、下層１０ｃは例えばプリント基板である。上チップ１０ａは平板略矩形状をなしている。

下パッケージ１２は、下チップ１２ａ、上層１２ｂ、中間層１２ｃ、下層１２ｄを備えている。下チップ１２ａは下層１２ｄ上に配置されており、上面及び側面を中間層１２ｃにより覆われている。下チップ１２ａは平板略矩形状をなしている。上パッケージ１０及び下パッケージ１２を積層した積層物は、全体として四角柱形状を呈している。

上チップ１０ａは例えばＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリである。下チップ１２ａは例えばＣＰＵ、ＳＯＣ等のプロセッサである。第１実施形態において、下チップ１２ａの発熱量は、上チップ１０ａの発熱量よりも大きい。このことは、下記に説明する第２実施形態から第８実施形態においても同様である。

放熱部３０は、無底有蓋で下方が開放された矩形箱型形状を呈しており、上部３０ａ及び側部３０ｂを備え、内部空間を備えている。放熱部３０は熱伝導性が高い物質、例えば銅、鉄のような金属により構成されている。放熱部３０は、上パッケージ１０と下パッケージ１２の積層物の全体を上から覆うようにして配置される。上パッケージ１０及び下パッケージ１２は放熱部３０の内部空間内に配置される。

放熱部３０の上面と金属ケース１４の内側天井面は近接して設けられている。放熱部３０の上面はＴＩＭ１７を介して金属ケース１４の内側天井面に接している。ＴＩＭ１７は、放熱部３０及び金属ケース１４に接することにより放熱部３０からの熱を金属ケール１４に伝播させている。金属ケース１４はこの熱を外部に放熱する。

上パッケージ１０の上面と放熱部３０の内側天井面は近接して設けられている。上パッケージ１０の上面はＴＩＭ１８を介して放熱部３０の内側天井面に接している。ＴＩＭ１８は、上パッケージ１０と放熱部３０に接することにより上パッケージ１０からの熱を放熱部３０に伝播させている。なお、ＴＩＭ１８を介して下パッケージ１２から放熱部３０に伝播する熱には、上パッケージ１０で発生した熱と、下パッケージ１２で発生し、はんだボール２０を介して上パッケージ１０に伝播した熱も含まれる。上パッケージ１０の側面と放熱部３０の側部３０ｂとの間にＴＩＭ１８を設けて、下パッケージ１２側面から放熱部３０に熱を伝播させる経路を備えるようにしてもよい。

放熱部３０の側部３０ｂの内側面と下パッケージ１２の側面は近接して配置されている。放熱部３０の側部３０ｂの内側面はＴＩＭ１９を介して下パッケージ１２の側面に接している。下パッケージ１２で発生した熱は下パッケージ１２の側面からＴＩＭ１９を介して放熱部３０に効率的に伝播する。

図１に示された矢印は熱伝播の概略経路を示している。実線の矢印は放熱部３０を介して伝播する熱の経路を示している。破線の矢印は下パッケージ１２から上パッケージ１０を介して放熱部３０に伝播する熱の経路を示している。これは、後述する図２から図８においても同様である。

このようにして、上パッケージ１０及び下パッケージ１２で発生した熱は放熱部３０に伝播し、放熱部３０に伝播した熱は金属ケース１４に伝播し、金属ケース１４から外部に放熱される。放熱部３０は、熱伝導性が高い材料を用いて構成されている。このため、上パッケージ１０、下パッケージ１２で発生した熱を効率的に放熱部３０に伝播させることにより熱の伝播効率、放熱効率を向上させることができる。これにより、上パッケージ１０及び下パッケージ１２の冷却効率を向上させることができる。発生した熱が上記構成により金属ケース１４から外部に放熱されて、電子装置１が冷却される。

上記に説明した第１実施形態に係る電子装置１によれば以下の効果を奏する。
第１実施形態に係る電子装置１では、積層された上パッケージ１０及び下パッケージ１２を覆うようにして放熱部３０が配置され、上パッケージ１０の上面、下パッケージ１２の側面は熱伝導率が高いＴＩＭ１８、１９を介して放熱部３０に接触するように配置されている。これにより、上パッケージ１０及び下パッケージ１２で発生した熱が効率的に放熱部３０に伝播する。更に、放熱部３０と金属ケース１４は熱伝導率が高いＴＩＭ１７を介して面積が広い放熱部３０の上面において接触している。この構成により、上パッケージ１０及び下パッケージ１２で発生した熱は効率的に放熱部３０に伝播し、更に金属ケース１４に伝播して外部に放熱される。これにより、電子装置１全体の放熱効率を向上させることができる。

更に、第１実施形態では、下パッケージ１２の側面に近接して、ＴＩＭ１９を介して接するように放熱部３０を配置したため、下パッケージ１２から放熱部３０への熱の伝播効率を向上させることができる。このため、下チップ１２ａが例えばＣＰＵやＳＯＣのような発熱が大きい電子部品である場合に、ここで発生した熱を効率的に放熱部３０及び金属ケース１４に伝播させることができる。これにより電子装置１全体の放熱効率を大幅に向上させることができるため、信頼性が向上した電子装置を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図２を参照して説明する。図２に示すように、第２実施形態に係る電子装置１においては、下パッケージ１２上に配置される上パッケージ１１の大きさが下パッケージ１２よりも小さく、横方向の幅が小さく構成されている。これにより、下パッケージ１２の上面に上パッケージ１１が載置されていない領域Ｐが発生する。なお、上パッケージ１１は第１実施形態と同様に上チップ１１ａ、上層１１ｂ、下層１１ｃを備えている。

第２実施形態に係る電子装置１では、放熱部３１は無底有蓋で下部が開放された矩形箱型形状を呈しており、上部３１ａ及び側部３１ｂを備える。側部３１ｂは第１実施形態に比較して幅広に構成されており、側部３１ｂの横方向の幅Ｗ１は、第１実施形態の側部３０ｂの幅よりも大きく構成されている。

第２実施形態において、放熱部３１は、上パッケージ１１の上面及び側面を覆うようにして配置されている。更に、放熱部３１の下端部３１ｃは下パッケージ１２上面であって上パッケージ１１が載置されていない領域Ｐに位置するように設けられている。

放熱部３１の上部３１ａの内側の天井面と上パッケージ１１上面は近接して配置され、上部３１ａ内側の天井面はＴＩＭ１８を介して上パッケージ１１上面に接して配置されている。

下パッケージ１２の領域Ｐにおいて、放熱部３１の下端部３１ｃの下面と下パッケージ１２の上面は近接して配置され、下端部３１ｃの下面はＴＩＭ１９を介して下パッケージ１２上面に接して配置されている。その他の構成は第１実施形態に係る電子装置１と同様である。これにより、下端部３１ｃと下パッケージ１２はＴＩＭ１９を介して接触し、下端部３１ｃと下パッケージ１２との接触面積を大きく設定することができる。

なお、第２実施形態に係る電子装置１において、側部３１ｂの幅Ｗ１を大きくするため放熱部３１の厚さを大きく構成した例を示したがこれに限定する意図はない。第２実施形態に係る電子装置１においては、下パッケージ１２の上面において、放熱部３１との接触面積を大きく採ることが目的である。従って、放熱部３１を図２に示した放熱部３１よりも更に厚さを薄く構成して、上パッケージ１１と下パッケージ１２の上面の形状に沿うようにして、薄い放熱部３１を、領域Ｐを含む全域に配置させるようにしてもよい。

上記に説明した第２実施形態に係る電子装置１によれば第１実施形態に係る電子装置１と同様の効果を奏する。更に、放熱部３１と下パッケージ１２との接触面積を大きく設定できるため、下パッケージ１２で発生した熱を効率的に放熱部３１に伝播させることができる。このため、電子装置１全体の放熱効率を更に向上させることができる。従って、更に信頼性が向上した電子装置を提供することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図３を参照して説明する。図３に示すように、第３実施形態に係る電子装置１においては、第２実施形態に係る電子装置１と同様、上パッケージ１１の横方向の寸法は、下パッケージ１３よりも小さく構成されており、下パッケージ１３の上面には上パッケージ１１が載置されていない領域Ｐが存在する。下パッケージ１３は、下チップ１３ａ、及び上層１３ｂと中間層１３ｃと下層１３ｄとを備える多層構造を備えている。

第３実施形態では、第２実施形態に係る電子装置１に比較して、以下の点において異なる。放熱部３２の上部３２ａの厚さＬ１は、上パッケージ１１と下パッケージ１３を積層し、その間にはんだボール２０を配置した厚さＬ２よりも大きい。また、下パッケージ１３において、放熱部３２の側部３２ｂの下端部３０ｃの直下に位置する領域に、層間接続部２４が配置されている。

層間接続部２４は、下パッケージ１３の中間層１３ｃであって下チップ１３ａの横方向に位置し、その上部と底部が上層１３ｂと下層１３ｄに接触している。このように、層間接続部２４は下端部３２ｃに近接して配置されている。層間接続部２４は例えばはんだで構成されたはんだボールである。層間接続部２４として、鉛とスズを主成分とするものを用いてもよいし、さらに銅が添加されたもの、あるいは、鉛を含まない鉛フリーはんだを用いてもよい。あるいは、中間層１２ｃに貫通孔を設け、貫通孔内に例えば銅などの金属を埋め込んで形成した埋め込み金属として構成してもよい。

層間接続部２４は、側部３２ｂの直下、すなわち、下パッケージ１３で発生した熱が放熱部３２に伝播する際の熱の伝播経路に位置している。層間接続部２４は熱伝導率が大きいため、下パッケージ１３で発生した熱を放熱部３２に効率的に伝播させることができる。

上記に説明した第３実施形態に係る電子装置１によれば第１実施形態及び第２実施形態に係る電子装置１と同様の効果を奏する。更に、第３実施形態に係る電子装置１によれば、放熱部３２の厚さＬ１は、上パッケージ１１と下パッケージ１３を積層させた厚さＬ２よりも大きく設定されているため、電子装置１全体の強度が高くなり、電子装置１の反りを低減することができるとともに、放熱部３２の吸熱効果を向上させることができる。更に、層間接続部２４が下パッケージ１３から放熱部３２への熱の伝播経路に位置しているため、熱伝播効率を更に向上させることができる。従って、これにより信頼性が向上した電子装置を提供することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について図４を参照して説明する。図４に示すように、第４実施形態に係る電子装置１においては、第１実施形態に係る電子装置１に比較して、放熱部３３の形状が異なっている。

第４実施形態において放熱部３３は、一方の端部、図において左側の側部が存在していない。図において右側の側部３３ｂは存在しており、図の右側においては、第１実施形態に係る電子装置１と同様に、放熱部３３は上パッケージ１０と下パッケージ１２との積層物を覆い、下パッケージ１２の側面はＴＩＭ１９を介して放熱部３３の側部３３ｂの内面に接している。第４実施形態に係る電子装置１によれば、第１から第３実施形態に係る電子装置１と同様の効果を奏する。更に、放熱部３３において図における左側の側部が無いため電子装置１のサイズを小さく構成することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について図５を参照して説明する。図５に示すように、第５実施形態に係る電子装置１の構成のほとんどは第４実施形態に係る電子装置１と同様である。第５実施形態に係る電子装置１は以下の点で第４実施形態に係る電子装置１と異なっている。第５実施形態に係る電子装置１では、下パッケージ４０の下チップ４０ａの位置が放熱部３３の側部３３ｂ側に横方向に移動し、側部３３ｂに近接して配置されている。このように、下パッケージ４０の下チップ４０ａすなわち発熱源の位置を放熱部３３に更に近接させることにより、下パッケージ４０で発生した熱を効率的に放熱部３３に伝播させることができる。なお、下パッケージ４０は、下チップ４０ａ、上層４０ｂ、中間層４０ｃ、下層４０ｄを備えている。

第５実施形態によれば、第４実施形態に係る電子装置１と同様の効果を得る。また、放熱部３３への熱伝播効率を向上させることができるため、更に信頼性が向上した電子装置を提供することができるという効果を奏する。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について図６を参照して説明する。図６に示すように、第６実施形態に係る電子装置１においては、第２実施形態に係る電子装置１に比較して、上パッケージ４１の位置、及び放熱部３４の形状が異なっている。上パッケージ４１は、上チップ４１ａ、上層４１ｂ、中間層４１ｃ及び下層４１ｄを備えている。放熱部３４は、上部３４ａ、側部３４ｂ、下端部３４ｃを備えている。

第６実施形態において、上パッケージ４１は下パッケージ１３よりも横方向の幅が小さい。上パッケージ４１と下パッケージ１３は、図において左端位置が一致するように配置されている。このため、下パッケージ１３上には上パッケージ４１が載置されていない領域Ｐが存在する。

また、放熱部３４は、一方の側部すなわち図において左側の側部が存在してしない。図において右側の側部３４ｂは存在している。図６においては、第２実施形態に係る電子装置１と同様に、放熱部３４は下パッケージ４１の上部及び右側側部を覆うようにして接し、放熱部３４の下端部３４ｃは下パッケージ１３上面であって下パッケージ４１が載置されていない領域Ｐ上にＴＩＭ１９を介して接するようにして配置されている。

更に、放熱部３４の側部３４ｂの横幅Ｗ２は、第２実施形態における側部３１ｂの幅Ｗ１よりも大きい。これにより、放熱部３４の下端部３４ｃと下パッケージ１３上面との接触面積を大きく設定できるため、下パッケージ１３から放熱部３４への熱伝播効率を向上させることができる。また、側部３４ｂの横幅Ｗ２を大きく設定しているため、放熱部３４の下端部３４ｃが下パッケージ１３の下チップ１３ａに近接することになる。また、下端部３４ｃの直下には層間接続部２４が配置されている。これによれば、層間接続部２４は、下チップ１３ａで発生した熱の伝播経路に存在するため、下チップ１３ａすなわち下パッケージ１３から放熱部３４への熱の伝播効率を向上させることができる。

以上に説明したように、第６実施形態に係る電子装置１によれば、第４実施形態に係る電子装置１と同様の効果を得る。また、下パッケージ１３から放熱部３４への熱伝播効率を向上させることができるため、更に信頼性が向上した電子装置を提供することができるとともに、電子装置１のサイズを小さく構成することができるという効果を奏する。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態について図７を参照して説明する。図７に示すように、第７実施形態に係る電子装置１においては、第６実施形態に係る電子装置１に比較して、下パッケージ４２の下チップ４２ａの位置を、図において右側すなわちより放熱部３４の下端部３４ｃに近接する横方向に移動させている。下パッケージ４２は、下チップ４２ａ、及び、上層４２ｂ、中間層４２ｃ及び下層４２ｄを備える多層構造を備えている。こうすることで、下チップ４２ａの少なくとも一部を、下端部３４ｃの直下に位置させる。また、下パッケージ４２の上層４２ｂであって下端部３４ｃの直下、かつ、下チップ４２ａの直上に位置して、熱拡散部２６が設けられている。

熱拡散部２６は、中間層４２ｃに貫通孔を設け、貫通孔内に例えば銅などの金属を埋め込んで形成した貫通電極として構成される。熱拡散部２６は、熱拡散部２６の周囲の材料、例えばモールド樹脂よりも熱伝導率が大きくなるように構成されるため、熱拡散部２６は熱伝播効率が高く設定されている。従って、下パッケージ４２の発熱源である下チップ４２ａにおいて発生した熱は、下チップ４２ａの直上に位置する熱拡散部２６を介して伝播することにより効率的に放熱部３４に伝播する。

第７実施形態に係る電子装置１によれば、第４実施形態に係る電子装置１と同様の効果を得る。また、熱の発生源である下チップ４２ａの直上に近接して、熱拡散部２６、ＴＩＭ１９、及び下端部３４ｃが配置されるため、下パッケージ４２から放熱部３４への熱伝播効率を更に向上させることができる。

（第８実施形態）
次に、第８実施形態について図８を参照して説明する。図８に示すように、第８実施形態に係る電子装置１においては、下パッケージ１３上に放熱部３５が配置され、その上に上パッケージ１１が配置される。放熱部３５は、無蓋有底で上部が開放された矩形箱型形状を呈しており、側部３５ａと底部３５ｂを備えている。底部３５ｂにははんだボール２０を貫通させる貫通孔が設けられており、これによりはんだボール２０は上パッケージ１１と下パッケージ１３とを接続している。上記に説明した構成によれば、上パッケージ１１と下パッケージ１３との間に放熱部３５が配置されるため、下パッケージ１３の発熱が大きく、上パッケージ１１が熱に弱い場合に、下パッケージ１３で発生した熱が上パッケージ１１に伝播することが抑制される。また、側部３５ａの直下に下パッケージ１３の層間接続部２４が配置されるため、下パッケージ１３で発生した熱が放熱部３５を介して金属ケース１４に伝播する効率が向上される。

第８実施形態に係る電子装置１によれば、第１実施形態に係る電子装置１と同様の効果を得る。また、放熱部３５により下パッケージ１３で発生した熱が上パッケージ１１に伝播することが抑制されるため、特に上パッケージ１１が熱に対して弱い場合に、更に信頼性が向上した電子装置を提供することができる。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

１…電子装置、１０，４１…パッケージ、１０ａ、４１ａ…上チップ、１２、１３、４０、４２…下パッケージ、１２ａ、１３ａ、４０ａ、４２ａ…下チップ、１６…プリント基板、１７、１８、１９…サーマルインターフェースマテリアル（熱伝達部材）、２４…層間接続部、３０、３１、３２、３３、３４、３５…放熱部

Claims (5)

1. 上チップ（１０ａ、４１ａ）を備える上パッケージ（１０、４１）と、
   下チップ（１２ａ、１３ａ、４０ａ、４２ａ）を備える下パッケージ（１２、１３、４０、４２）と、
   前記上パッケージ、及び前記下パッケージを上部に積層して備えるプリント基板（１６）と、
   熱を外部に放熱する金属ケース（１４）に接する放熱部（３０、３１、３２、３３、３４、３５）と、を備え、
   前記放熱部は、前記上パッケージ及び前記下パッケージに接しており、
   前記下パッケージ（１３、４２）は、複数の層を有する多層構造であってこの複数の層間を接続する層間接続部（２４）を備えており、
   前記放熱部（３２、３４、３５）は、前記下パッケージと、前記下パッケージに設けられた前記層間接続部の直上の位置で接続されている電子装置。
2. 前記放熱部（３１、３２、３４、３５）は、前記下パッケージ（１２）の上面で接続される請求項１に記載の電子装置。
3. 前記下チップ（４０ａ、４２ａ）の位置を横方向に移動させて配置することで、前記下チップを前記放熱部（３４、３５）に近接させる請求項１または２に記載の電子装置。
4. 放熱部（３２）の厚さは、前記上パッケージ（１１）と下パッケージ（１３）とが積層された厚さよりも大きい、請求項１から３の何れか一項に記載の電子装置。
5. 下チップの発熱量は、上チップの発熱量よりも大きい、請求項１から４の何れか一項に記載の電子装置。

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