JPH10308466A - ヒートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体パッケージ - Google Patents

ヒートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体パッケージ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップ回路の動作時に発生する熱がよ
り効率的に放出されるようにしたボールグリッドアレイ
半導体パッケージを提供する。 【解決手段】 半導体チップ３０が実装されるＰＣＢ基
板２０面上のダイパドル２１の周縁の一部をパッケージ
の外周縁部まで延長させ、このダイパドル延長部２２上
面に封止部３２を取り囲む環状のヒートシンク１０を付
着させて放熱面積を大きくした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ボールグリッドア
レイ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ：ＢＧＡ）半導
体パッケージに関するもので、詳しくは、ＰＣＢ基板
（プリント配線基板）上に形成され、半導体チップが付
着される銅又は銅合金層でなるダイパドルの周縁をパッ
ケージの外周縁部まで延長させ、その上面に環状のヒー
トシンクを付着して放熱面積を大きくさせることによ
り、半導体チップ回路の動作時に発生する熱がより効率
的に放出されるようにしたボールグリッドアレイ半導体
パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ボールグリッドアレイ半導体パッケージ
は、ＰＣＢ基板の上面に一つ又はそれ以上の半導体チッ
プが装着され、ＰＣＢ基板の下面に位置するソルダボー
ルのアレイにより、その下の導電性材料に対して電気的
に接続されるようになっている構造の半導体パッケージ
である。
【０００３】ボールグリッドアレイ半導体パッケージは
２００ピン多ピンデバイス又は高集積化された大規模集
積回路（ＶＬＳＩ）、マイクロプロセッサ等の用途とし
て次第に脚光を浴びてきてる。しかし、このような半導
体デバイスは信号伝達速度の高速化が要求されるので、
チップの動作中に発生する熱を適切に外部へ放出させる
ことができなくなると、チップの動作中にエラーが発生
するか又はチップの本来機能が低下し得るため、使用途
中に深刻な問題を引き起こす憂いがある。
【０００４】図７に示すように、従来のボールグリッド
アレイ半導体パッケージ１’は、ＰＣＢ基板２０の底面
上に多数のソルダボール４０を溶着してアレイを構成
し、ＰＣＢ基板２０の上面には銀充填エポキシ樹脂等の
ような熱伝導性樹脂３３を使用して半導体チップ３０を
付着し、ＰＣＢ基板２０の前記半導体チップ３０の底面
と接着された部位に複数の貫通めっきスロット（Ｐｌａ
ｔｅｄ ＴｈｒｏｕｇｈＨｏｌｅ：ＰＴＨ……内壁面を
金属めっきしたスルーホール）２３を形成することによ
り、半導体チップ３０から発生した熱が半導体チップ３
０の底面と熱伝導性樹脂３３を介し、複数の貫通スロッ
ト２３を通り、ＰＣＢ基板２０の底面に溶着されたソル
ダボール４０を介して放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のボールグリッドアレイ半導体パッケージ１’
では、半導体チップ３０の動作中に発生した熱が熱伝導
性樹脂３３、貫通スロット２３及びソルダボール４０を
介して放出されるため、その放熱効果が十分ではなかっ
た。さらに、ボールグリッドアレイ半導体パッケージの
多ピン化（即ち、ソルダボールの増大）による信号伝達
速度の高速化がさらに要求されている最近の実情では、
半導体チップの動作中に発生する熱を効果的に外部へ放
出させ得る構造のボールグリッドアレイ半導体パッケー
ジが要望され、このような半導体パッケージの開発は重
要な問題として台頭している。
【０００６】従って、本発明者らはこのような問題点を
解消するため、半導体チップの動作中に発生する熱の６
０〜７０％程度が半導体チップの底面に放出される事実
に着眼して、半導体チップが実装される銅又は銅合金層
で形成されるダイパドルの周縁の少なくとも一部をパッ
ケージの外周縁部まで延長形成させ、その上面に半導体
チップ等を保護するための封止部を取り囲む環状のヒー
トシンクを付着させて、半導体チップの底面を介する放
熱面積を大きくすることにより、半導体チップから発生
する熱が高熱伝導率のヒートシンクを介して直接外部へ
放出されるようにした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のヒートシンク付着ボールグリッドアレイ
は、上面にダイパドルが形成されたＰＣＢ基板と、前記
ダイパドル上に固着された半導体チップと、該半導体チ
ップのボンドパッドと前記ＰＣＢ基板のボンドフィンガ
ーとを電気的に接続するボンドワイヤーと、前記ＰＣＢ
基板上で前記半導体チップとボンドワイヤーをモールド
して保護する封止部と、前記ＰＣＢ基板の下面に溶着さ
れ、パッケージの入出力端として使用される複数のソル
ダボールと、前記ＰＣＢ基板の上面のダイパドルから前
記封止部の外方まで延設されたダイパドル延長部と、前
記封止部を取り囲み、かつ、前記ダイパドル延長部に付
着させたヒートシンクとを備えたことを特徴とする。
【０００８】このような本発明のボールグリッドアレイ
半導体パッケージは、パッケージ内の半導体チップの動
作時に発生する熱を外部へより効率的に放出させること
ができるので、半導体チップの動作時のエラー発生及び
性能低下が殆どなく、耐久性に優れているとともに、高
信号伝達速度を要求される多ピンデバイス又は大規模集
積回路、マイクロプロセッサ等に適する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面を参照し
てより詳細に説明する。図１は本発明の望ましい一実施
形態になるボールグリッドアレイ半導体パッケージ１の
断面を示すものである。
【００１０】ＰＣＢ基板２０の両面上には、銅又は銅合
金層が鍍金され、上面の銅又は銅合金層は部分的な鍍金
層になっていて、ダイパドル２１とその延長部２２およ
び、詳細な図示は省略したが、ボンドフィンガー２４を
含むプリント配線を形成している（図２参照）。このダ
イパドル２１上に半導体チップ３０が実装される。半導
体チップ３０をＰＣＢ基板２０上に実装させるために
は、銀充填エポキシ樹脂等のような熱伝導性の優秀であ
る樹脂を使用して半導体チップ３０をダイパドル２１に
接着（固着）する（３３）。基板としては図に示したＰ
ＣＢ基板２０以外にも多様な種類の通常の基板が使用で
きる。本発明に望ましいＰＣＢ基板２０の構成物質とし
てはビスマレイミドトリアジン（Ｂｉｓｍａｌｅｉｍｉ
ｄｅ ｔｒｉａｚｉｎｅ）が挙げられる。
【００１１】ＰＣＢ基板２０上に接着された半導体チッ
プ３０とＰＣＢ基板２０間の電気的接続は、半導体チッ
プ３０に形成されたボンドパッド（図示せず）とＰＣＢ
基板２０の上面に形成された導電性のボンドフィンガー
２４をボンドワイヤー３１でボンディングさせることに
よりなる。
【００１２】半導体チップ３０とボンドワイヤー３１及
び選択的要素である手動素子等のような周辺構成要素
（図示せず）は、湿気、埃又は外部衝撃、振動等のよう
な有害な外部環境から保護するため、エポキシ樹脂等の
封止剤からなる封止部３２内にモールディングする。封
止部３２は、半導体チップ３０とＰＣＢ基板２０間の比
較的大きい熱膨張係数差に起因する応力及び変形力を緩
和させるとともに、半導体チップ３０のコーナー部に集
中される応力及び変形力を半導体チップ３０の全体面積
上に再分布させる大切な役割をする。ＰＣＢ基板２０面
の下面（図１ではＰＣＢ基板２０の底面）には複数のソ
ルダボール４０が溶着されており、ソルダボール４０は
入出力端子として機能する。
【００１３】ヒートシンク１０は略四角環状に形成され
るが、これに限定されるものではなく、封止部３２を取
り囲む環状のものであれば本発明の目的を達成し得るも
のであるので、必要によって適宜その形状を変形させて
使用しても本発明の領域に包含されることはもちろんで
ある。又、選択的に、前記本発明のボールグリッドアレ
イ半導体パッケージ１において、半導体チップ３０が実
装されるＰＣＢ基板２０部位に放熱のための構成要素で
ある環状のヒートシンク１０の外に、付加的構成要素と
して、従来の放熱用貫通めっきスロット２３を形成して
もよく、この構造のパッケージは放熱特性がより優秀で
あり、これもやはり本発明の好ましい実施形態である。
【００１４】図２及び図３はそれぞれ本発明の一実施形
態になるＰＣＢ基板２０を示すものである。図２（Ａ）
及び図２（Ｂ）は、それぞれＰＣＢ基板２０の上面中央
部に形成されたダイパドル２１の一例を示す平面図及び
そのＡ−Ａ線についての断面図である。図２（Ａ）は、
図１の半導体チップ３０が実装されるダイパドル２１の
周縁２２’の一部、つまり四角の角部がパッケージの外
周縁部の一部まで延長されたダイパドル延長部２２を形
成する一例を示す。ここで、前記ダイパドル延長部２２
はダイパドル２１の各角部から延長されることが製造工
程上好ましいが、ダイパドル２１の周縁２２’の一部が
封止部３２の外方、パッケージの外周縁部まで延長され
ているものであれば、必要によって任意の位置で任意の
形状に延長させてもかまわない。このダイパドル２１の
延長部２２の上面には封止部３２を取り囲む環状のヒー
トシンク１０を付着させて放熱面積を大きくする。前記
ダイパドル２１及び延長部２２は熱伝導の良好な銅又は
銅合金層で形成し、延長部２２の上面には、ヒートシン
ク１０との接着力を増大させるため、ニッケル（Ｎｉ）
又はニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）を鍍金するとよい。二
点鎖線で表示した領域（ＥＡ：Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉ
ｎｇ Ａｒｅａ）は封止剤（Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎ
ｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）がモールディングされる領域を
示す。
【００１５】図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線につい
ての断面図で、基板２０上のダイパドル２１及びその延
長部２２が基板２０の面上に積層されたものを示す。し
かし、ダイパドル２１及びその延長部２２の高さは図１
のソルダマスク２５の高さよりは低い。図３（Ａ）及び
図３（Ｂ）はそれぞれＰＣＢ基板２０の上面中央部に形
成されたダイパドル２１の他の実施形態を示す平面図及
びそのＢ−Ｂ線についての断面図である。図３（Ａ）は
半導体チップ３０が実装されるダイパドル２１の周縁２
２’の一部、つまり四角の角部がパッケージの外周縁部
全体に延長されて延長部２２を形成した一例を示すが、
このような形態は放熱効果を大きくすることができる。
図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線についての断面図
で、基板２０上のダイパドル２１及びその延長部２２が
基板２０の面上に積層されたものを示す。
【００１６】図４〜図６は本発明のボールグリッドアレ
イ半導体パッケージ１に付着されるヒートシンク１０を
例示した平面図及び断面図で、ヒートシンク１０は、ボ
ールグリッドアレイ半導体パッケージの外郭部の上面に
図１の封止部３２を取り囲んで付着される。ヒートシン
ク１０は封止部３２と直接接触しないように（直接接触
時は熱膨張係数の差による応力及び変形力が大きくなる
ため好ましくない）その中央部分に封止部３２の領域よ
り大きい空間部１１が形成される。ダイパドル２１の延
長部２２に付着されるヒートシンク１０の付着面（底
面）は、図５に示すように、同一平面に形成させるか、
又は、図６に示すように、ヒートシンク１０がボールグ
リッドアレイ半導体パッケージの外郭上面のダイパドル
延長部２２（図２（Ａ）参照）に密着するように少し下
部を突出させて突出部１２を形成することもできる。
【００１７】ヒートシンク１０はその放熱効率より大き
くするために、その材質として銅、銅合金、アルミニウ
ム又はステンレス等のような金属材質が使用され、ヒー
トシンク１０の各角部には応力集中を緩和させるため、
４０ｍｉｌ以上のラウンド部１３を形成することが好ま
しい。このようなヒートシンク１０は熱伝導性の優れた
エポキシ樹脂又は接着テープを用いて付着することがで
き、必要によっては溶接方式で付着することもできる。
又、ヒートシンク１０を付着させる時、Ｓｎ／Ｐｂが含
有したソルダを用いるソルダリング方式により付着する
と付着強度をさらに向上させることができる。又、アル
ミニウム製のヒートシンク１０の表面には表面保護のた
め酸化皮膜処理（Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）して薄膜を形成
させ、又、銅、銅合金製のヒートシンクに対しては、ニ
ッケル又はクロム等を使用して表面被覆することもでき
る。
【００１８】本発明の一実施形態によるボールグリッド
アレイ半導体パッケージにおいては、半導体チップ３０
が実装される銅又は銅合金で形成されたダイパドル２１
の周縁２２’の一部がパッケージの外周縁部まで延長さ
れてダイパドル延長部２２が形成され、この延長部２２
の上面にヒートシンク１０が付着された状態で外部に露
出しているので、半導体チップ３０から発生する熱はそ
の下部のダイパドル２１及びパッケージ外部に延長され
た延長部２２を経てヒートシンクを介して放出される。
即ち、ヒートシンク１０の外部に露出した全体表面から
熱が外部へ放出されるので効率的である。本発明の他の
実施形態になるボールグリッドアレイ半導体パッケージ
においては、前述した本発明による一パッケージ構造に
加え、従来の例でのような貫通めっきスロット２３をＰ
ＣＢ基板２０に形成して、半導体チップ３０の作動中に
発生する熱を効率的に放出させることができる。
【００１９】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のヒ
ートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体パッケージ
によると、半導体チップの回路動作時に発生する熱がヒ
ートシンク又はヒートシンク及び貫通スロットを介して
効率的に外部へ放出されるので、パッケージの性能向上
及び寿命延長の効果があることはもちろん、半導体チッ
プの動作中のエラー発生及び機能低下が殆どない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態になるボールグリッドアレ
イ半導体パッケージの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態になるＰＣＢ基板を示すも
ので、（Ａ）はＰＣＢ基板の平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線
についての断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態になるＰＣＢ基板を示す
もので、（Ａ）はＰＣＢ基板の平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ
線についての断面図である。
【図４】本発明のボールグリッドアレイ半導体パッケー
ジに付着される環状のヒートシンクの一実施形態を示す
平面図である。
【図５】図４の線Ｃ−Ｃについての断面図である。
【図６】本発明のボールグリッドアレイ半導体パッケー
ジに付着される環状のヒートシンクの他の実施形態を示
す断面図である。
【図７】従来の通常のボールグリッドアレイ半導体パッ
ケージの断面図である。
【符号の説明】
１０ 環状のヒートシンク １１ 空間部 １２ 突出部 １３ ラウンド部 ２０ ＰＣＢ基板 ２１ ダイパドル ２２ ダイパドルの延長部 ２２’ ダイパドルの周縁 ２３ 貫通めっきスロット ２４ ボンドフィンガー ２５ ソルダマスク ３０ 半導体チップ ３１ ボンドワイヤー ３２ 封止部 ３３ 熱伝導性樹脂 ４０ ソルダボール

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上面にダイパドルが形成されたＰＣＢ基
    板と、前記ダイパドル上に固着された半導体チップと、
    該半導体チップのボンドパッドと前記ＰＣＢ基板のボン
    ドフィンガーとを電気的に接続するボンドワイヤーと、 前記ＰＣＢ基板上で前記半導体チップとボンドワイヤー
    をモールドして保護する封止部と、 前記ＰＣＢ基板の下面に溶着され、パッケージの入出力
    端として使用される複数のソルダボールと、 前記ＰＣＢ基板の上面のダイパドルから前記封止部の外
    方まで延設されたダイパドル延長部と、 前記封止部を取り囲み、かつ、前記ダイパドル延長部に
    付着させたヒートシンクとを備えたことを特徴とするヒ
    ートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体パッケー
    ジ。
  2. 【請求項２】 ＰＣＢ基板の半導体チップが実装される
    部位に放熱用貫通めっきスロットが一つ又はそれ以上形
    成されることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク
    付着ボールグリッドアレイ半導体パッケージ。
  3. 【請求項３】 ダイパドル及びダイパドル延長部は、高
    熱伝導性を有する銅又は銅合金で一体に形成され、か
    つ、パッケージの外周縁部の一部又は全体に延長されて
    いることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートシン
    ク付着ボールグリッドアレイ半導体パッケージ。
  4. 【請求項４】 ダイパドル延長部の上面にヒートシンク
    の接着力強化用ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル／金（Ｎ
    ｉ／Ａｕ）鍍金層が形成されることを特徴とする請求項
    １〜３のいずれか一つに記載のヒートシンク付着ボール
    グリッドアレイ半導体パッケージ。
  5. 【請求項５】 ヒートシンクが環状であって、封止部と
    直接接触しないようにその中央部分に封止部の領域より
    大きい空間部を有することを特徴とする請求項１〜４の
    いずれか一つに記載のヒートシンク付着ボールグリッド
    アレイ半導体パッケージ。
  6. 【請求項６】 環状ヒートシンクの各角部が４０ｍｉｌ
    以上のラウンド部に形成されて、ヒートシンクの各角部
    に対する応力集中を緩和させることを特徴とする請求項
    ５記載のヒートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体
    パッケージ。
  7. 【請求項７】 ヒートシンクが、銅または銅合金で形成
    され、前記ヒートシンクの表面保護のため、その表面が
    ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）で表面被覆され
    ていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに
    記載のヒートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体パ
    ッケージ。
  8. 【請求項８】 ヒートシンクが、アルミニウムで形成さ
    れ、前記ヒートシンクの表面保護のため、その表面が酸
    化膜処理（Ａｎｌｄｉｚｉｎｇ）されたことを特徴とす
    るヒートシンク付着ボールグリッドアレイ半導体パッケ
    ージ。
  9. 【請求項９】 熱伝導性エポキシ、接着テープ、金属間
    溶接及び錫／鉛（Ｓｎ／Ｐｂ）ソルダリングでなる群か
    ら選択されるいずれかの付着手段により、ヒートシンク
    をダイパドル延長部に付着したことを特徴とする請求項
    １〜８のいずれか一つに記載のヒートシンク付着ボール
    グリッドアレイ半導体パッケージ。
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