JPH09321188A - 半導体装置及びその実装方法 - Google Patents

半導体装置及びその実装方法

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JPH09321188A
JPH09321188A JP15329996A JP15329996A JPH09321188A JP H09321188 A JPH09321188 A JP H09321188A JP 15329996 A JP15329996 A JP 15329996A JP 15329996 A JP15329996 A JP 15329996A JP H09321188 A JPH09321188 A JP H09321188A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 多ピン、高消費電力の半導体を収容するパッ
ケージを印刷配線基板に実装し、放熱器の取り付け手順
が簡素で、信号端子への荷重負荷が低い、低コストで信
頼性の高い半導体装置を提供。 【解決手段】 パッケージ100にマウント金属102
を信号ボール105と同じ側から取り付ける。半導体チ
ップ101をパッケージ100内部のマウント金属10
2上にマウントし、ワイヤー103で信号を引き出し、
キャップ104で封止する。パッケージ100の信号部
分に信号接続用ボール・マウント金属102部分に伝熱
用ボール106を接続する。印刷配線基板107に、信
号接続部分、印刷配線基板を貫通して伝熱金属108を
設け、信号接続用ボール105と106伝熱用ボール1
06を印刷配線基板107の信号部分と放熱金属部分に
接続する。印刷配線基板107のパッケージ搭載面と反
対側から伝熱金属108に接触して放熱器109を取り
付ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の実装方法に関し、特に半導体デバイスを格納するパッ
ケージで多ピンかつ高消費電力により発熱の多い半導体
デバイスの放熱構造を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体チップの集積度の向上と大規模チ
ップの製造技術の向上につれて、処理できる、あるいは
処理しなければならない信号が増加している。また動作
周波数の向上もあわせ半導体チップの消費電力も増加
し、これによる放熱の必要性は信頼性の面からも重要な
技術となっており、これらの諸特性を満足する収容パッ
ケージ・実装技術の向上が求められている。
【0003】多信号に対応して、パッケージの多端子化
や、それらを印刷配線基板に電気的に接続する半田付け
技術の改良が行われている。最近では、旧来のピン形状
の信号端子を用いる「ピン・グリッド・アレイ:PG
A」に代わって、半田ボールをパッケージの接続端子に
用いる「ボール・グリッド・アレイ:BGA」などのパ
ッケージが登場している。また、半導体チップを信号端
子の反対側からパッケージに実装し、パッケージの半導
体チップの裏側部分のパッケージ上にも信号端子を設け
て信号端子を増加させる実装方法がある。これをフェー
スアップ・マウントと呼ぶ。
【0004】一方で高消費電力化に対応するために、パ
ッケージを低熱抵抗素材で構成したり、半導体チップを
金属などの低熱抵抗素材で放熱器に直接接続する構造を
持たせたりしている。また、放熱器を取り付ける構造を
作り出すために、半導体チップを信号端子側に実装し、
その裏面に放熱器を取り付ける構造も実用化されてい
る。これをフェースダウン・マウントと呼ぶ。フェース
アップ・マウントとフェースダウン・マウントはお互い
に相反する構造であり、フェースアップ・マウントは端
子数の増加、フェースダウン・マウントは放熱特性を高
める効果を持っているが、この2つの特性を両立させる
ことは困難であった。現在の技術では、前述のBGA技
術など端子構造の微細化により端子数の増加に対して対
応が可能になりつつある。
【0005】図9に、従来技術による半導体装置を印刷
配線基板に実装した状態を斜視図で示す。印刷配線基板
114上に組み立てられた半導体パッケージ115が実
装されている。このような実装を図8、並びに図10及
び図11の組立図を用いて詳細に説明する。まず、図8
に示すように、パッケージ115内にはマウント金属1
02がフェースダウン構造で組み込まれており、そこに
半導体チップ101が実装されている。
【0006】半導体チップ101の信号はワイヤー10
3を通じてパッケージ115に内蔵されている配線(図
示せず)を通して信号ボール105へ接続されている。
パッケージ115に実装されている半導体チップ101
の保護するためにキャップ104で封止されている。以
上のように構成されている半導体装置は、印刷配線基板
114に半田リフローなどの技術を用いて実装され、電
気的に接続されている。一方マウント金属102には放
熱器109を接触させ、板バネ116でパッケージ11
5に固定されている。
【0007】図10(a)〜(c)及び図11(d)〜
(f)に、この半導体装置自体の組み立て手順および印
刷配線基板への実装手順を示す。図10(a)に示す半
導体チップマウント工程で、半導体チップ101がマウ
ント金属102が組み込まれたパッケージ115に取り
付けられる。次に半導体チップ101から信号を取り出
すために、図10(b)に示すワイヤーボンディング工
程を行う。ワイヤー103で半導体チップ101の信号
取り出し部分(図示せず)とパッケージ115の信号接
続部分(図示せず)を電気的に接続する。図10(c)
に示すキャップ取り付け工程で、キャップ104をパッ
ケージ115に取り付け、半導体チップ101を物理的
に保護する。この工程で半導体装置の完成となる。
【0008】次に完成した半導体装置を印刷配線基板に
実装する。図11(d)に示す信号ボール105を印刷
配線基板114に準備された信号パッド(図示せず)に
位置合わせし、半田リフローなどの技術を用いて電気的
かつ機械的に実装する。図11(e)に示す放熱器取り
付け工程で、放熱器109をパッケージ115のマウン
ト金属部102に密着させ、板バネ116を用いて、図
11(f)に示すようにパッケージ115に放熱器10
9を固定する。この例では、信号接合部にボールを用い
たボール・グリッド・アレイを例にとったが、信号接続
部分にピンを用いたピン・グリッド・アレイでも同じで
ある。
【0009】また、図12並びに図13及び図14で、
もう一つの従来例(例えば特開平2−151055)を
説明する。上述した従来例では、半導体装置と放熱器
が、印刷配線基板の一方の面に実装されるものであった
が、このもう一つの従来例では、印刷配線基板の一方の
面に半導体装置を、他方の面に放熱器を実装する形態が
説明されている。図12に示すように、パッケージ11
7には信号ピン110を設けられ、またパッケージ11
7の内部に設けられたマウント金属102上に半導体チ
ップ101が実装され、ワイヤー103を用いて電気的
に接続、キャップ104で封止されている。
【0010】印刷配線基板118には、伝熱ピン119
を通す穴が設けられており、半導体パッケージを実装し
た状態でマウント金属102に伝熱ピン119を接触さ
せ、印刷配線基板の裏面(パッケージ実装側と反対側)
から、放熱器109を取り付ける構造になっている。図
13(a)〜(c)及び図14(d)〜(f)に、図1
2のもう一つの従来例の組み立て手順を示す。このパッ
ケージがフェースアップ構造となっており上述した図8
のフェースダウン構造と異なるが、図13(a)〜
(c)及び図14(d)の工程は同じ手順である。図1
4(e)に示す放熱器の取り付け工程で、伝熱ピン11
9を印刷配線基板118とパッケージ117に設けられ
た穴(図示せず)に差し込み、放熱器109と伝熱ピン
119を図14(f)に示すように接続・固定する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来例におい
て、以下のような問題点がある。図8に示す従来例の場
合、半導体装置に放熱器をパッケージに機械的に固定し
ているが、この荷重はすべて信号接続ボールあるいはピ
ンにかかることになり、接触の信頼性上に問題がある。
これを回避するために放熱器を印刷配線基板を収容する
筐体や、印刷配線基板に固定する方法も用いられるが、
組み立て精度を確保することが困難な上、組み立て手順
が複雑になり、コストを上昇させてしまうという欠点が
あった。また、半導体チップ自体は電気的に接地電位あ
るいは電源電位に固定されなければならないため、マウ
ント金属・伝熱ピン・放熱器と電気的に接続されてしま
い、放熱器自体もその電位がかかることになる。特に電
源電位の場合、筐体(接地電位)と電気的に分離する構
造を作りこまなければならず、一段と複雑な構造・手順
が必要となる。
【0012】一方、図12のもう一つの従来例の場合、
伝熱ピンを挿入するための穴をパッケージに作りこまな
ければならないこと、さらにマウント金属をパッケージ
の内部に固定する作業が必要であり、パッケージ自体の
コストを上昇させてしまう。さらに、マウント金属をパ
ッケージに固定するために、何らかの接着剤を用いなけ
ればならず、それが伝熱ピン挿入の穴へ入り込み、伝熱
ピン接触部分の平坦性が失われ、マウント金属と伝熱ピ
ンとの接触性が損なわれ、つまりは熱抵抗が上昇してし
まうという欠点が存在する。さらに、同様の接着剤の密
着性から、半導体チップを収容する部分の気密性が損な
われる可能性があり、ゴミなどによる半導体チップ自身
の信頼性を低下させてしまう欠点もある。この点に関し
ては半導体チップ自身に保護用モールドを行うことによ
り、信頼性の問題を回避しているが、半導体チップはモ
ールドすることにより、浮遊容量が増加し電気的特性が
悪くなる性質を持っている。特に高速動作の半導体チッ
プの場合、モールドしない方がよい。
【0013】
【課題を解決するための手段】以上の問題点を解決する
ために、本発明の半導体装置は、半導体チップを収容す
る半導体パッケージ、半導体パッケージの信号接続端子
側に露出した伝熱金属、該パッケージ内部の該伝熱金属
上に実装した半導体チップ、該伝熱金属外部にパッケー
ジの信号接続端子と同じ構造の伝熱端子を有し、該伝熱
端子の接触部分に放熱構造を持たせた印刷配線基板に対
し、該信号接続端子と同じ接続手段を用いて信号接続端
子と同時に該伝熱端子と該放熱構造とを熱的に接続し実
装していることを特徴とするものである。また、印刷配
線基板の放熱構造部分に放熱器を接続していることを特
徴とするものである。
【0014】また、本発明は、高発熱の半導体チップを
収容する半導体パッケージにおいて、半導体パッケージ
の信号接続端子側に露出した伝熱金属を有し、該パッケ
ージ内部の該伝熱金属上に半導体チップを実装し、該伝
熱金属外部にパッケージの信号接続端子と同じ構造の伝
熱端子を有し、該伝熱端子の接触部分に放熱構造を持た
せた印刷配線基板に対し、該信号接続端子と同じ接続手
段を用いて、信号接続端子と同時に該伝熱端子と該放熱
構造とを熱的に接続し、必要に応じて該印刷配線基板の
該放熱構造部分に放熱器を接続する手順で実装すること
を特徴とする半導体装置の実装方法である。
【0015】
【作用】本発明においては、半導体チップをフェースア
ップマウントすることによって多くの信号を収容するこ
とができ、また放熱経路を確保することができる構造を
有しているものである。そして、実装が容易であり、半
導体チップの保護のためのモールディングが不要なもの
である。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の形態しては、半導体チッ
プをマウント金属が組み込まれたパッケージに取り付け
る半導体チップマウント工程、半導体チップのワイヤー
ボンディング工程、半導体チップへのキャップ取り付け
工程、信号ボールをパッケージの信号取り出し部分の位
置に、伝熱ボールをマウント金属部に取り付けるボール
付け工程、次に、完成した半導体装置を信号ボールを印
刷配線基板に作り込まれた信号パッドと伝熱ボールを印
刷配線基板を貫通する構造で作り込まれた伝熱金属部に
位置合わせし、熱的に一括して実装する印刷配線基板へ
の実装工程、放熱器を印刷配線基板の伝熱金属部に接触
させて固定する放熱器取り付け工程を含む半導体装置の
実装方法である。
【0017】
【実施例1】次ぎに本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図1に、本発明によるパッケージの印刷
配線基板への実装状態での断面構造を示す。図1に示す
ように、パッケージ100には、マウント金属102が
信号ボール105と同じ側から取り付けられている(フ
ェースアップ構造)。半導体チップ101はパッケージ
100内部に組み込まれたマウント金属102上にマウ
ントされ、ワイヤー103で信号が引き出され、さらに
キャップ104で封止されている。パッケージ100の
信号部分に信号接続用ボールおよびマウント金属102
部分に伝熱用ボール106が半田接続技術などを用いて
接続される。
【0018】一方、印刷配線基板107には、信号接続
部分に加えて、印刷配線基板を貫通するように伝熱金属
108が設けられており、信号接続用ボール105と伝
熱用ボール106を印刷配線基板107の信号部分と放
熱金属部分に半田リフロー技術などを用いて接続してい
る。また、放熱効果を高めるために、印刷配線基板10
7のパッケージ搭載面と反対側から伝熱金属108に接
触して放熱器109が取り付けられている。
【0019】図2(a)〜(d)、及び図3(e)〜
(g)に本発明の実施例による半導体装置の組み立て手
順を示す。図2(a)の半導体チップマウント工程で、
半導体チップ101はマウント金属102が組み込まれ
たパッケージ100に取り付けられる。次に、半導体チ
ップ101から信号を取り出すために図2(b)のワイ
ヤーボンディング工程を行う。ワイヤー103で半導体
チップ101の信号取り出し部分(図示せず)とパッケ
ージ100の信号接続部分(図示せず)を電気的に接続
する。
【0020】図2(c)のキャップ取り付け工程で、キ
ャップ104をパッケージ100に取り付け、半導体チ
ップ101を物理的に保護する。図2(d)に示すボー
ル付け工程では、信号ボール105をパッケージ100
の信号取り出し部分(図示せず)の位置に、また伝熱ボ
ール106をマウント金属102部に取り付ける。この
工程で、半導体装置の完成となる。ここでは、ボールを
この段階で取り付ける手順を示したが、パッケージの段
階(チップマウント工程の前段階)でボールが取り付け
られていても構わない。
【0021】次に完成した半導体装置を印刷配線基板に
実装する。図3(e)に示す印刷配線基板への実装工程
では、信号ボール105を印刷配線基板107に作り込
まれた信号パッド(図示せず)と伝熱ボール106を印
刷配線基板107を貫通する構造で作り込まれた伝熱金
属部108に位置合わせし、半田リフローなどの技術を
用いて電気的・機械的かつ熱的に一括して実装する。図
3(f)の放熱器取り付け工程で、放熱器109を印刷
配線基板107の伝熱金属部108に接触させて固定す
る。そして図3(g)に示す完成状態になる。
【0022】
【実施例2】図4に第2の実施例によるパッケージの印
刷配線基板への実装状態での断面構造を示す。第1の実
施例では、信号や伝熱経路をボールを使って接続してい
たが、この第2の実施例はピンを用いている。図4に示
すように、パッケージ100には、マウント金属102
が信号端子110と同じ側から取り付けられている。半
導体チップ101はマウント金属102上にマウントさ
れ、ワイヤー103で信号が引き出され、さらにキャッ
プ104で封止されている。パッケージ100の信号部
分に信号接続用のピンが、マウント金属102部分に伝
熱用のピン111が半田接続技術などを用いて接続され
る。
【0023】一方、印刷配線基板113には信号接続部
分に加えて、印刷配線基板113を貫通するようにスル
ーホールが設けられており、部品実装面からパッケージ
100の信号ピン110と伝熱ピン111を印刷配線基
板113の信号部分と伝熱用スルーホール部分に半田リ
フロー技術などを用いて接続する。また、放熱効果を高
めるために、印刷配線基板113のパッケージ搭載面と
反対側から金属ブロック112(放熱器取り付け金属)
と放熱器109が取り付けられている。
【0024】図5(a)〜(c)、図6(d)〜(f)
及び図7(g)(h)に、本発明第2の実施例による半
導体装置の組み立て手順を示す。図5(a)の半導体チ
ップマウント工程で、半導体チップ101がマウント金
属102が組み込まれたパッケージ100に取り付けら
れる。次に、半導体チップ101から信号を取り出すた
めに、図5(b)のワイヤーボンディング工程を行う。
ワイヤー103で半導体チップ101の信号取り出し部
分(図示せず)とパッケージ100の信号接続部分(図
示せず)を電気的に接続する。図5(c)のキャップ取
り付け工程で、キャップ104をパッケージ100に取
り付け、半導体チップ101を物理的に保護する。
【0025】図6(d)のピン取り付け工程で、信号ピ
ン110をパッケージ100の信号取り出し部分(図示
せず)の位置に、また伝熱ピン111をマウント金属1
02部に取り付ける。ここでは、ピンをこの段階で取り
付ける手順を示したが、パッケージの段階(チップマウ
ント工程の前段階)でピンが取り付けられていても構わ
ない。この工程で、半導体装置の完成となる。
【0026】次に、完成した半導体装置を印刷配線基板
に実装する。図6(e)に示す印刷配線基板への実装工
程では、信号ピン110を印刷配線基板113に作り込
まれた信号パッド(図示せず)と伝熱ピン111を印刷
配線基板113に作り込まれた伝熱用スルーホールに位
置合わせし、半田リフローなどの技術を用いて電気的・
機械的かつ熱的に実装する。図6(f)の放熱器取り付
け金属の取り付け工程で、金属ブロック112(放熱器
取り付け金属)を印刷配線基板113を挟んで半導体装
置反対側から伝熱ピン113に固定する。
【0027】図7(g)に示す放熱器の取り付け工程
で、放熱器109を金属ブロック112(放熱器取り付
け金属)に固定する。そして図7(h)のような完成図
となる。印刷配線基板として、メタルコア印刷配線基板
というものがある。これは、印刷配線基板の厚さ方向の
層構造に対し、(通常は中心の層に)信号から絶縁され
た金属板を挟みこみ、実装される半導体装置の熱を基板
全体に拡散、全面で放熱する構造の基板である。本発明
では、伝熱ボール/ピンの接触部分をメタルコア印刷配
線基板の放熱金属部分に直接接触させる構造を作りこむ
ことによって、さらに放熱効果を高めたり、放熱器を不
要とすることが可能となる場合がある。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体チップをフェースアップマウントすることによって
(フェースダウンマウントに比較して)多くの信号を収
容することを可能とし、かつ放熱経路を確保することが
できる構造を提供することができるという効果を有して
いる。また、放熱器は印刷配線基板を挟んで半導体装置
と反対側に半導体装置実装後に実装されるため、実装が
容易で、印刷配線基板に取り付け構造を持たせることに
よって、従来例にあったような信号接続部分への荷重負
荷を掛けることもなくなるという効果がある。また、も
う1つの従来例(特開平2−151055)の説明で指
摘したような半導体チップの保護のためのモールディン
グが不要となり、半導体装置を高速動作させられるとい
う効果も併せ持っているものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例における半導体装置の印刷
配線基板への実装状態での断面図
【図2】本発明の第1実施例における図1の組立工程を
示す図
【図3】本発明の第1実施例の組立工程で図2に続く工
程を示す図
【図4】本発明の第2実施例における半導体装置の印刷
配線基板への実装状態での断面図
【図5】本発明の第2実施例における図4の組立工程を
示す図
【図6】本発明の第2実施例の組立工程で図5に続く工
程を示す図
【図7】本発明の第2実施例の組立工程で図6に続く工
程を示す図
【図8】従来例の半導体装置の印刷配線基板への実装状
態での断面図
【図9】従来例の半導体装置の印刷配線基板に実装され
た状態の射影図
【図10】従来例の図8の組立工程を示す図
【図11】従来例の組立工程で図10に続く工程を示す
【図12】もう1つの従来例の半導体装置の印刷配線基
板への実装状態での断面図
【図13】もう1つの従来例の図12の組立工程を示す
【図14】もう1つの従来例の組立工程で図13に続く
工程を示す図
【符号の説明】
100 パッケージ 101 半導体チップ 102 マウント金属 103 ワイヤー 104 キャップ 105 信号ボール 106 伝熱ボール 107 印刷配線基板(伝熱金属埋め込み) 108 伝熱金属 109 放熱器 110 信号ピン 111 伝熱ピン 112 金属ブロック(放熱器取り付け金属) 113 印刷配線基板(伝熱ピン用スルーホール付き) 114 印刷配線基板 115 パッケージ 116 板バネ(放熱器取り付け金属) 117 パッケージ(特開平2−151055に対応) 118 印刷配線基板(伝熱ピン貫通用ホール付き) 119 伝熱ピン

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体チップを収容する半導体パッケー
    ジ、半導体パッケージの信号接続端子側に露出した伝熱
    金属、該パッケージ内部の該伝熱金属上に実装した半導
    体チップ、該伝熱金属外部にパッケージの信号接続端子
    と同じ構造の伝熱端子を有し、該伝熱端子の接触部分に
    放熱構造を持たせた印刷配線基板に対し、該信号接続端
    子と同じ接続手段を用いて信号接続端子と同時に該伝熱
    端子と該放熱構造とを熱的に接続し実装していることを
    特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 印刷配線基板の放熱構造部分に放熱器を
    接続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。
  3. 【請求項3】 高発熱の半導体チップを収容する半導体
    パッケージにおいて、半導体パッケージの信号接続端子
    側に露出した伝熱金属を有し、該パッケージ内部の該伝
    熱金属上に半導体チップを実装し、該伝熱金属外部にパ
    ッケージの信号接続端子と同じ構造の伝熱端子を有し、
    該伝熱端子の接触部分に放熱構造を持たせた印刷配線基
    板に対し、該信号接続端子と同じ接続手段を用いて、信
    号接続端子と同時に該伝熱端子と該放熱構造とを熱的に
    接続し、必要に応じて該印刷配線基板の該放熱構造部分
    に放熱器を接続する手順で実装することを特徴とする半
    導体装置の実装方法。
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