JPH0451550A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路装置のパッケージング技術に
関するものである。

〔従来の技術〕

パッケージ基板上に実装した半導体チップをキャップで
気密封止したパッケージ構造を有するチップキャリヤ（
Ｃｈｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ）については、例えば特開昭
６２−２４９４２９号、特開昭６３−３１０１３９号公
報などに記載されている。

第５図は、上記文献に記載されたチップキャリヤの断面
構造を示している。チップキャリヤ３０は、ムライトな
どのセラミック材料からなるパッケージ基板３１の主面
の電極３２上に半田バンプ３３を介して半導体チップ３
４をフェイスダウンボンディングし、この半導体チップ
３４をキャップ３５で気密封止したハーメチックシール
構造を備えている。

キャップ３５は、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ＞な
どの高熱伝導性セラミックからなり、封止用半田３６に
よってパッケージ基板３１の主面に接合されている。パ
ッケージ基板３１の主面の周縁部およびキャップ３５の
脚部の下面のそれぞれには、封止用半田３６の濡れ性を
向上させるためのメタライズ層３７が設けられている。

上記キャップ３５内に封止された半導体チップ３４の背
面く上面）は、伝熱用半田３８によってキャップ３５の
下面と接合されている。これは、半導体チップ３４から
発生する熱を伝熱用半田３８を通じてキャップ３５に伝
達するためである。キャップ３５の上には図示しないヒ
ートシンクが搭載され、キャップ３５の熱を外部に伝達
するようになっている。上記伝熱用半田３８の濡れ性を
向上させるため、キャップ３５の下面と半導体チップ３
４の背面に、メタライズ層３７が設けられている。

パッケージ基板３１の内層には、例えばＷ（タングステ
ン）からなる内部配線３９が形成され、この内部配線３
９を通じてパッケージ基板３１の主面側の電極３２と下
面側の電極３２とが電気的に接続されている。下面側の
電極３２には、チップキャリヤ３０をモジュール基板な
どに実装する際の外部端子となる半田バンブ４０が接合
される。

こ発明が解決しようとする課題〕 近年、ゲートアレイやマイクロコンピユータなどの論理
ＬＳＩにおいては、集積度の向上に伴って半導体チップ
の消費電力が著しく増大しているため、回路動作時に半
導体チップから発生する熱を如何に効率よく外部に放出
するかが半導体チップの動作信頼性を確保する上で重要
な問題となる。

ところが、前述した従来のチップキャリヤは、半導体チ
ップから発生する熱を伝熱用半田を通じてキャップに伝
達し、さらにキャップ上に搭載したヒートシンクを通じ
て外部に伝達する冷却構造を採用しているため、半導体
チップからヒートシンクに到るまでの放熱経路が長く、
半導体チップの冷却効率が低いという問題がある。

また、前記チップキャリヤは、半田バンブを介して半導
体チップをパッケージ基板の主面に実装するとともに、
伝熱用半田を介して半導体チップの背面をキャップに接
続しているため、半導体チップ、パッケージ基板および
キャップの熱膨張率の差に起因して半田バンブに熱応力
が集中し易く、半導体チップとパッケージ基板との接続
信頼性が低下するという問題がある。

本発明は、上記した問題点に着目してなされたものであ
り、その目的は半導体チップの熱を効率よくチップキャ
リヤの外部に放出することのできる冷却技術を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は、上記目的を達成するとともに、半
導体チップとパッケージ基板との接続信頼性が高いチッ
プキャリヤを提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本戦の一発明は、パッケージ基板の主面にフェイスダウ
ンボンディングした半導体チップの背面に冷媒が流通す
る冷却管を接続し、上記半導体チップと冷却管とをキャ
ップで気密封止したチップキャリヤである。

〔作用〕

上記した手段によれば、半導体チップの背面に冷媒が流
通する冷却管を接続したことにより、半導体チップから
発生する熱を伝熱用半田を通じてキャップに伝達する従
来のチップキャリヤに比べてパッケージの放熱経路が短
くなり、半導体チップの冷却効率が向上する。

また、上記した手段によれば、半導体チップの背面がキ
ャップに固着されないため、半導体チップ、パッケージ
基板およびキャップの熱膨張率の差に起因して半田バン
ブに加わる熱応力が低減され、半導体チップとパッケー
ジ基板との接続信頼性が向上する。

以下、実施例を用いて本発明を詳述する。

〔実施例１〕 第１図に示すように、本実施例１の半導体集積回路装置
であるチップキャリヤ１は、複数の半導体チップ２のそ
れぞれを半田バンブ３を介してパッケージ基板４の主面
の電極５上にフェイスダウンボンディングし、これらの
半導体チップ２をキャップ６で気密封止したマルチチッ
プキャリヤ構造を有している。

キャップ６は、例えば窒化アルミニウム（ＡＪＮ）など
の高熱伝導性セラミックからなり、封止用半田７によっ
てパッケージ基板４の主面に接合されている。パッケー
ジ基板４の主面の周縁部およびキャップ６の脚部の下面
のそれぞれには、上記封止用半田７の濡れ性を向上させ
るためのメタライズ層８が設けられている。メタライズ
層８はＴ１膜、Ｎ１膜右よびＡｕ膜を積層した複合金属
膜からなる。パッケージ基板４は、ムライトなどのセラ
ミックからなり、その内層にはＷからなる内部配線９が
形成されている。

パッケージ基板４の主面上にフェイスダウンボンディン
グされたそれぞれの半導体チップ２の背面には、中空の
冷却ブロック１０が搭載されている。冷却ブロック１０
は、セラミックあるいはステンレス鋼などの高熱伝導材
料からなり、Ａｕ／Ｓｎ共晶合金などのろう材１１によ
って単導体チップ２の背面に接合されている。

図の右端の半導体チップ２に搭載された冷却ブロック１
０の内部には、冷却管１２Ｈの一端が挿入されている。

同じく図の左端の半導体チップ２に搭載された冷却ブロ
ック１０の内部には、冷却管１２ｂの一端が挿入されて
いる。また、隣接する冷却ブロック１０同士は、冷却管
１２ｃを通じて互いに連通されている。上記冷却管１２
ａ、１２ｂは、キャップ６の孔１３を通じてチップキャ
リヤ１内に挿入されており、それぞれの他端側は、図示
しない冷媒供給源に接続されている。上記冷媒供給源か
ら供給される冷却水などの冷媒は、冷却管１２ａを通じ
て図の右端の冷却ブロック１０内に流入し、冷却管１２
ｃを通じてそれぞれの半導体チップ２の冷却ブロック１
０内を流通した後、冷却管１２ｂを通じて冷媒供給源に
戻る。

上記冷却管１２ａ、１２ｂとキャップ６の孔１３との隙
間には半田１４が充填され、チップキャリヤ１内の気密
が維持される構造となっている。

キャップ６の孔１３の内壁、および孔１３内に挿入され
た冷却管１２ａ、１２ｂの外周には、半田１４の濡れ性
を向上させるためのメタライズ層８がそれぞれ設けられ
ている。上記メタライズ層８はＴ１膜、Ｎｉ膜およびＡ
ｕ膜を積層した複合金属膜からなる。冷却管Ｌ２ａ、１
２ｂ、１２ｃのそれぞれは、ステンレス鋼などの高熱伝
導材料からなり、伸縮性を持たせるため、それらの一部
に蛇腹１５が形成されている。

以上の構成からなる本実施例１のチップキャリヤ１によ
れば、下記の作用、効果を得ることができる。

（１）、　／（ッケージ基板４の主面上にフェイスダウ
ンボンディングしたそれぞれの半導体チップ２の背面に
冷媒が直！！接触し、半導体チップ２の熱を速やかに外
部に伝達する構造になっているため、半導体チップ２の
過熱が防止され、集積回路の安定動作を確保することが
できる。

（２）、半導体チップ２の背面がキャップ６に固着され
ていないため、半導体チップ２、パッケージ基板４およ
びキャップ６の熱膨張率の差に起因して半田バンプ３に
過剰の熱応力が加わることはない。

また、冷却管１２ａ、１２ｂ、１２ｃのそれぞれの一部
に蛇腹１５を形成してフレキシブル構造としたので、半
導体チップ２、冷却管１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび冷
却ブロック１０の熱膨張率の差に起因して半田バンプ３
に過剰の熱応力が加わることもない。

これらにより、半導体チップ２とパッケージ基板４との
接続信頼性が向上する。

（３）、パッケージ基板４の主面に複数の半導体チップ
２をフェイスダウンボンディングし、これらをキャップ
６で気密封止したマルチチップキャリヤ構造としたので
、実装密度の高いチップキャリヤが得られる。

〔実施例２〕 前記実施例１のチップキャリヤは、半導体チップの背面
に冷却ブロックを接続し、この冷却ブロック内に冷媒を
流通させたが、本実施例２のチップキャリヤ１は、第２
図に示すように、冷却管１２をそれぞれの半導体チップ
２の背面に接触させることによって、実施例１とほぼ同
様の効果を得ている。冷却管１２は、Ａ　ｕ　／　Ｓ　
ｎ共晶合金などの高熱伝導性のろう材１１によって半導
体チップ２の背面に接合されている。この場合、冷却管
１２を半導体チップ２の背面で蛇行して這わせることに
より、半導体チップ２と冷却管１２との接触面積が多く
確保されるので、半導体チップ２の冷却効率が著しく向
上する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は、前記実施例１，２に限
定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種
々変更可能であることはいうまでもない。

例えば第３図に示すように、パッケージ基板４の主面上
にフェイスダウンボンディングしたそれぞれの半導体チ
ップ２の背面に中空の冷却ブロック１０を搭載し、この
冷却ブロック１０内に冷媒が流通する冷却管１２を挿通
する冷却構造を採用してもよい。

また、例えば、第４図に示すように、パッケージ基板４
の主面上にフェイスダウンボンディングしたそれぞれの
半導体チップ２の背面に貫通した穴を持つ冷却ブロック
１０を搭載し、冷却媒体を冷却ブロック１０の貫通穴に
通すことで冷却ブロックを冷却し、半導体チップ２の発
生する熱を奪う冷却構造でもよい。

冷媒は、冷却水以外の液体や気体を使用することもでき
る。

冷却管は、大径の管内に小径の管を挿通した二重構造と
してもよい。

パッケージ基板の主面上にフェイスダウンボンディング
する半導体チップは、一つでもよい。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をチップキャリヤの冷却技術に適用した場合について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
半導体チップを実装した基板をキャップで気密封止した
各種の半導体集積回路装置に適用することができるわ 〔発明の効果〕 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

パッケージ基板の主面にフェイスダウンボンディングし
た半導体チップの背面に冷媒が流通する冷却管を接続し
、上記半導体チップと冷却管とをキャップで気密封止し
たチップキャリヤ構造を有する本発明の半導体集積回路
装置によれば、半導体チップの冷却効率が向上し、かつ
半導体チップとパッケージ基板との接続信頼性が向上す
るので、信頼性の高いチップキャリヤを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である半導体集積回路装置
の要部断面図、 第２図は、本発明の他の実施例である半導体集積回路装
置の要部断面図、 １３図は、本発明のさらに他の実施例である半導体集積
回路装置の要部断面図、 第４図は、本発明のさらに他の実施例である半導体集積
回路装置の要部断面図、 第５図は、従来の半導体集積回路装置の要部破断正面図
である。 １．３０・・・チップキャリヤ、２゜３４・・・半導体
チップ、３．３３．４０・・・半田バンプ、４．３１・
・・パッケージ基板、５．３２・・・電極、６，３５・
・・キャップ、７．３６・・・封止用半田、８，３７・
・・メタライズ層、９．３９・・・内部配線、１０・・
・冷却ブ０７り、１１・・・ろう材、１２．１２ａ、１
２ｂ。 １２ｃ・・・冷却管、１３・・・孔、１４・・・半田、
１５・・・蛇腹、３８・・・伝熱用半田。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パッケージ基板の主面にフェイスダウンボンディン
   グした半導体チップの背面に冷媒が流通する冷却管を接
   続し、前記半導体チップおよび冷却管をキャップで気密
   封止したことを特徴とする半導体集積回路装置。 ２、前記半導体チップの背面に冷却ブロックを接続し、
   前記冷却ブロック内を冷媒が流通するようにしたことを
   特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置。 ３、前記冷却ブロックを中空にし、前記冷媒が直接半導
   体チップに接触するようにしたことを特徴とする請求項
   ２記載の半導体集積回路装置。 ４、前記冷却管は、フレキシブル構造を有していること
   を特徴とする請求項１または２記載の半導体集積回路装
   置。