JPH1174425A - フリップチップパッケージ用高性能熱拡散装置 - Google Patents

フリップチップパッケージ用高性能熱拡散装置

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JPH1174425A
JPH1174425A JP10154892A JP15489298A JPH1174425A JP H1174425 A JPH1174425 A JP H1174425A JP 10154892 A JP10154892 A JP 10154892A JP 15489298 A JP15489298 A JP 15489298A JP H1174425 A JPH1174425 A JP H1174425A
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semiconductor
semiconductor die
protrusion
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アティラ・マートル
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 フリップチップ半導体パッケージングで使用
するための放熱特性を向上させた高性能熱拡散装置。 【解決手段】 半導体パッケージ内で有用な熱拡散装置
２００は、パッケージ内に含まれる半導体ダイ２１１の
非能動面に熱的に接触するようになった突出部２０１を
有する。半導体パッケージは、上面及び下面を持つ基材
２０６を有し、基材下面に設けられた電気接点２０７
は、プリント回路基板の対応する電気接点に連結され
る。半導体ダイの能動面は、複数のはんだバンプ２０８
によってパッケージ基板の上面に電気的に接続される。
熱拡散装置の突出部は、半導体ダイの最外寸法と一致す
る大きさを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、全体として、半導
体パッケージング技術に関し、更に詳細には、フリップ
チップ半導体パッケージングで使用するための放熱特性
を向上させた高性能熱拡散装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置、例えばシリコンチップが発
生する熱の量は、装置に配置されたトランジスターの
数、これらのトランジスターに通される電力量、及び半
導体装置を作動するクロック速度と関連している。かく
して、一つの半導体装置に組み込まれるトランジスター
の数が増えるに従って、装置が発生する熱の量が増大す
る。同様に、トランジスターに通される電力量が増大す
るに従って、又は半導体装置を作動するクロック速度が
高くなるに従って、装置が発生する熱の量が増大する。
【０００３】半導体製造技術の発展により、更に速いク
ロック速度で作動する高出力のトランジスターが更に密
にパッケージされるようになってきたため、半導体装置
の発熱及び放熱と関連した問題が更に切迫したものとな
ってきた。性能を主眼においた用途では、一般的には、
クロック速度が最も高速の態様が好ましい。しかしなが
ら、クロック速度が最も高速の態様は、更に多くの電力
を必要とし、装置が更に多くの熱を発生し、発熱及び放
熱と関連した困難性が特に一般的である。
【０００４】高出力半導体装置と関連した一つの主要な
問題点は、装置が発生する熱の量が増大するに従って、
装置のトランジスターの接合温度（junction temperatu
re）がこれと比例して増大することである。半導体装置
の故障率は、装置の作動時の接合温度と正比例するとい
うことは当業者には理解されよう。換言すると、接合温
度が高くなればなる程、装置は故障し易くなる。従っ
て、熱伝達を更に促し、及びかくして装置の寿命を延ば
し且つ装置の故障率を低下する様々なパッケージ形体の
半導体装置を製造するのが望ましい。
【０００５】高出力半導体装置が発生した熱を除去する
方法を説明する上で、問題を二つの分けて考えるのが便
利である。第１に、外熱路（external thermal path ）
と呼ばれるケース−周囲放熱路がある。ケース−周囲放
熱路は、主として、発生した熱を装置から外に周囲環境
中に直接移送する機構である。
【０００６】次に、内熱路と呼ばれる接合部−ケース放
熱路がある。接合部−ケース放熱路は、代表的には、熱
が主に垂直方向、即ちダイの能動面に対して法線方向に
流れるダイと直接的に接触した領域と、この領域に続
く、熱が主に横方向に流れる熱拡散装置を備えた領域と
を有する。熱拡散装置は任意の厚さの伝熱性プレートで
あり、パッケージ表面上の熱を横方向に伝達するため、
及び熱を電子装置から対流によって除去するために使用
される。熱拡散装置が熱を横方向に拡散するため、熱が
ダイから周囲環境まで流通できる領域が効果的に増大す
る。
【０００７】従来の熱拡散装置の一つの問題点は、熱拡
散装置を装置の後側に取り付けるのに使用される界面材
料が、ダイと熱拡散装置との間の伝熱路に追加の熱抵抗
を提供することである。例えば、半導体ダイの非能動面
を熱拡散装置の底面に取り付けるのに、多くの場合、厚
いエポキシ層が使用される。しかしながら、エポキシは
熱伝導率が非常に低いため、熱の流れに対して大きな抵
抗を提供する。従って、パッケージの放熱性能が低下す
る。逆に、装置表面と熱拡散装置との間の熱抵抗を減少
すると、熱路の抵抗が低いため、パッケージの熱的性能
が改善される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】半導体ダイと熱拡散装
置との間の界面の熱抵抗が大きい場合には、半導体パッ
ケージの性能及び寿命に悪影響が及ぼされるため、本発
明の目的は、熱抵抗を小さくし且つ伝熱プロセスを改善
することによって上述の問題点を解決した高性能の熱拡
散装置を提供することである。本発明の別の目的は、下
面に突出部を有する熱拡散装置を提供することである。
この突出部の大きさは、熱拡散装置との間の界面での熱
抵抗を小さくし、良好な熱伝達特性が実現されるように
熱拡散装置との間に界面を形成する半導体ダイの大きさ
と一致する。本発明のこの他の目的及び利点は、以下の
開示を読むことによって明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ため、本発明の一実施例によれば、上面及び下面を有
し、プリント回路基板の対応する電気接点に取り付ける
ことができる電気接点が前記下面に設けられたパッケー
ジ基材と、非能動面及びパッケージ基材の上面に電気的
に接続された能動面を有する半導体ダイと、ダイが発生
した熱を熱拡散装置に伝達するように半導体ダイの非能
動面に連結された熱拡散装置とを有し、この熱拡散装置
にはダイの最外寸法と一致する突出部が設けられてい
る、半導体パッケージが提供される。
【００１０】本発明の別の実施例によれば、上面及び下
面を持ち、プリント回路基板の対応する電気接点に複数
のはんだボールで接続するための電気接点が下面に設け
られたパッケージ基材と、パッケージ基材の上面に電気
的に接続された半導体ダイとを含む半導体パッケージで
有用な熱拡散装置が提供される。この熱拡散装置は、半
導体ダイに連結するための突出部を下面に有し、半導体
ダイが発生した熱を対流で除去するための上面を有す
る。熱拡散装置の下面の突出部は、ダイの最外寸法と一
致する。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の利点を持つ熱拡散装置を
図１及び図２に示す。図示のように、熱拡散装置１００
の底面、即ち半導体ダイの後側即ち非能動面に取り付け
られる熱拡散装置の側部には突出部１０１が形成されて
いる。図３でわかるように、熱拡散装置２００の底部に
設けられた突出部２０１の最外寸法は、熱拡散装置が取
り付けられる半導体ダイ２１１の最外寸法と一致する。
突出部２０１が、半導体ダイ２１１の非能動面と実質的
に係合するのに十分大きくパッケージ基材２０６に向か
って下方に延びているため、突出部２０１の底面がダイ
２１１の後側即ち非能動面と直接接触する「金属−金
属」シール２０２が形成される。金属−金属連結部分
は、熱拡散装置が僅かな機械的圧力を及ぼすことによっ
て維持される。かくして、ダイ２１１の後面と突出部２
０１との間にはエポキシ又は他の界面材料がないけれど
も、ダイ２１１と突出部２０１との間の接触を通してダ
イ２１１から熱拡散装置２００への熱伝達が維持され
る。
【００１２】ダイ２１１の能動面には、この能動面に設
けられた結合パッド上に複数のはんだバンプ２０８が形
成されている。はんだバンプ２０８は、ダイ２１１の結
合パッドとパッケージ基材２０６の上面上に配置された
電気接点との間を電気的に接続する。これを「フリップ
チップ」パッケージと呼ぶ。ダイ２１１の下側の領域
は、保護のため、敏感な電気的接続部用の封入体として
役立つ裏込めエポキシ材料２０９によってカバーされて
いる。実際の用途では、パッケージは、例えば、電気的
接続を行うための複数のはんだボール２０７を使用して
プリント回路基板（図示せず）に取り付けられている。
同様に、従来の熱拡散装置を、ボールグリッドアレイ、
ピングリッドアレイ、等の種類の異なるパッケージに取
り付けることができる。
【００１３】パッケージ基材２０６は、例えば多数のシ
ェルフ即ち層が互いに結合された成形プラスチック等の
当業者に周知の様々な材料から形成できる。基材をプラ
スチック材料から形成した場合、パッケージは、多くの
場合、プラスチックフリップチップボールグリッドアレ
イと呼ばれる。
【００１４】別の態様では、基材は、薄いフィルム又は
コファイヤード（cofired ）セラミック材料からなるの
がよく、この場合も、はんだバンプ２０８を介して半導
体ダイ２０６に接続するための電気的トレースが基材に
設けられている。基材がセラミック材料で形成されてい
る場合には、パッケージは、セラミックパッケージと呼
ばれる。テープ式自動ボンディング（「ＴＡＢ（tape a
utomated bonding）」）、ピングリッドアレイパッケー
ジング、等の他のパッケージ技術もまた本発明の実施例
で有用である。
【００１５】一実施例では、半導体ダイ２１１をパッケ
ージ基材２０６の頂部に電気的に接続した後、ダムリン
グ又は補剛リング２０３を基材２０６の上面に、例え
ば、ダムリング又は補剛リングを取り付けるためのエポ
キシによって取り付ける。接続された半導体装置２１１
とダムリング２０３との間に形成された隙間を熱伝導率
が高いエポキシ２０９／２１０で充填する。装置２１１
とダムリング２０３との間で使用されたのと同じ種類で
あるのがよい別のエポキシ２０４をダムリング２０３の
上面上に送出する。最後に、上文中に論じた突出部２０
１を持つ熱拡散装置２００を、硬化中に、パッケージに
クランプする。金属−金属シール２０２間にエポキシ又
は他の界面材料がないため、ダイ２１１と熱拡散装置２
００の突出部２０１との間に熱抵抗が小さい界面が形成
される。界面の熱抵抗が小さくなるため、ダイ２１１が
発生した熱が、放散のために熱拡散装置２００に更に良
好に伝達される。この改良された熱伝達プロセスは、パ
ッケージの期待寿命を改善し、半導体装置２１１が故障
する機会を少なくする。
【００１６】次に図４を参照すると、この図には、底面
に突出部３０１が形成された熱拡散装置を含む本発明の
別の実施例が示してある。突出部３０１を熱拡散装置３
００に設けることによって、熱拡散装置が、半導体ダイ
３１１に効果的に近付けて配置される。上文中に論じた
ように、熱拡散装置３００が半導体ダイ３１１に近付け
ば近付く程、これらの間の界面の熱抵抗が小さくなり、
ダイから熱拡散装置への熱伝達プロセスが改善される。
しかしながら、半導体装置の熱膨張率が熱拡散装置の材
料の熱膨張率と異なるため、上述の実施例の金属−金属
シールが、加熱中に、損なわれる場合がある。かくし
て、本発明は、装置の加熱中及び冷却中に突出部３０１
と半導体ダイ３１１との間を永久的に接触させ且つこの
状態を維持するため、突出部３０１と半導体ダイ３１１
との間に薄いエポキシ層からなる界面３０２を形成す
る。このエポキシは、例えば、ロクタイト社から入手で
きる「ロクタイト（LOCTITE ）−３８４」等である。別
の態様では、薄いエポキシ層の代わりに、例えばサーマ
ゴン社から入手できる「Ｔ−フレックス」４４０等の伝
熱性テープを使用できる。エポキシ及びテープは、両方
とも、熱伝導率が比較的小さく、従って、追加の望まし
からぬ熱抵抗を界面３０２にもたらすけれども、この追
加の抵抗は、従来の熱拡散装置３００よりもはるかに低
い。これは、突出部３０１が半導体ダイ３１１の非能動
面に向かって延びているためにエポキシ層又はテープが
非常に薄いためである。これに対し、従来の熱拡散装置
では、熱拡散装置の底面からダイの後面に向かって延び
る突出部が設けられていないために界面材料層が非常に
厚く、及びかくして伝熱路の熱抵抗が本発明におけるよ
りもはるかに大きい。
【００１７】次に図７を参照すると、この図には、突出
部４０１の底面がダイ４０５の非能動面と近接するよう
に、突出部４０１が下方に、即ちパッケージ基材４０６
に向かって延びる熱拡散装置４００を含む本発明の更に
別の実施例が示してある。この実施例では、突出部４０
１とダイ４０５の後側との間の界面４０２は、例えばサ
ーマゴン社から入手できるＴ−Ｐｌｉ２０５−ＡＯ等の
熱伝導率が高い相変化材料を使用することによって行わ
れた結合によって形成される。この材料は、パッケージ
が熱くないときは固体であるが、パッケージが加熱され
るに従って液化し、ダイ４０５と突出部４０１とを互い
にしっかりと結合する界面４０２を形成する。
【００１８】相変化界面材料４０２が加熱時に液化する
ため、パッケージは、相変化材料が液体状態と固体状態
との間で変化する際に膨張したり収縮したりすることに
よる相変化材料の容積の相違を許容するように適合され
ていなければならない。従って、本発明の一実施例で
は、リザーバ性能を持つ小型ダムリング４０４をダイの
非能動面に取り付ける。相変化界面材料４０２がパッケ
ージに侵入しないようにするのに使用される小型ダムリ
ング４０４は、ダイ４０５を取り囲む充填エポキシがパ
ッケージの外に流れないようにするのに使用されるダム
リング４０３とは別のリングであるということは当業者
には明らかであろう。
【００１９】小型ダムリング４０４の一部の斜視図を図
６に示す。図示のように、小型ダムリング４０４にはチ
ャンネル４０７が形成されている。チャンネル４０７
は、図７に示すように、ダイ４０５に面している。ダイ
４０５と突出部４０１との間に配置した相変化材料４０
２が溶融すると、溶融した界面材料４０２は、界面から
パッケージに侵入するのでなく、ダムリング４０４のチ
ャンネル４０７を充填するのである。冷却プロセス中、
相変化材料は収縮し固化する。
【００２０】次に図８を参照すると、この図には、本発
明の利点を持つ半導体及びパッケージの更に別の実施例
が示してある。この実施例でも、熱拡散装置５００の下
面には突出部５０１が形成されている。この突出部５０
１は、その下面が半導体ダイ５０４の非能動面と近接す
るように、下方に、即ちパッケージ基材５０６の上面に
向かって延びている。しかしながら、熱拡散装置５００
の下面にはリング状補剛体５０３が構造的に一体に形成
されており、このリング状補剛体５０３の下面は、リン
グ状補剛体取り付け材料５０５、例えばエポキシによっ
てパッケージ基材５０６の上面に取り付けられる。熱拡
散装置５００及びリング状補剛体５０３が一つの部品に
一体化されているため、リング状補剛体５０３の上面を
熱拡散装置５００の下面に取り付け材料を使用して取り
付けるのに要する時間及び費用が回避される。
【００２１】上述の実施例に関して論じたように、突出
部５０１の下面と半導体ダイ５０４の非能動面との間の
界面５０２は、突出部５０１とダイ５０４との間の直接
的な接触により形成される金属−金属シール、又は突出
部５０１とダイ５０４とをテープ、エポキシ、又は相変
化材料のうちの一つを使用して接着することのいずれか
によって形成できる。
【００２２】本発明の範囲及び精神から逸脱することな
く本発明のこの他の実施例及び利点を実現できるという
ことは当業者には理解されよう。上述の実施例は、限定
的な実施例であると考えてはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による高性能熱拡散装置の平
面図である。
【図２】本発明の一実施例による高性能熱拡散装置の側
面図である。
【図３】圧力接触によって半導体装置の後側に取り付け
られた本発明の一実施例による高性能熱拡散装置の断面
図である。
【図４】エポキシ、テープ取り付け材料によって半導体
装置の後面に取り付けられた本発明の一実施例による高
性能熱拡散装置の断面本発明の断面図である。
【図５】本発明の一実施例による高性能熱拡散装置で使
用するための小型ダムリング装置の平面図である。
【図６】本発明の一実施例による高性能熱拡散装置で使
用するための小型ダムリング装置の断面図である。
【図７】小型ダムリング装置が相変化界面材料によって
半導体装置の後側に取り付けられた本発明の一実施例に
よる高性能熱拡散装置の断面図である。
【図８】本発明の一実施例による高性能一体化熱拡散装
置及び半導体装置の後側に取り付けられたリング状補剛
体の断面図である。
【符号の説明】
１００ 熱拡散装置 １０１ 突出部 ２００ 熱拡散装置 ２０１ 突出部 ２０２ シール ２０３ 補剛リング ２０６ パッケージ基材 ２０７ はんだボール ２０８ はんだバンプ ２１１ 半導体ダイ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上面及び下面を有し、プリント回路基板
    の対応する電気接点に取り付けることができる電気接点
    （２０７）が前記下面に設けられたパッケージ基材（２
    ０６）と、 非能動面及び能動面を有し、前記能動面は、前記パッケ
    ージ基材の上面に電気的に接続されており、前記非能動
    面は、前記ダイで発生した熱を熱拡散装置（２００）に
    伝達するように、前記熱拡散装置（２００）との間に界
    面を構成する半導体ダイ（２１１）とを有する半導体パ
    ッケージにおいて、 前記ダイ（２１１）の最外寸法と一致する突出部（２０
    １）が前記熱拡散装置（２００）の底面に形成されてい
    る、ことを特徴とする半導体パッケージ。
  2. 【請求項２】 前記半導体ダイの前記非能動面は、前記
    熱拡散装置の前記突出部と直接的に接触している、請求
    項１に記載の半導体パッケージ。
  3. 【請求項３】 前記半導体ダイの前記非能動面は、前記
    熱拡散装置の前記突出部にエポキシによって連結されて
    いる、請求項１に記載の半導体パッケージ。
  4. 【請求項４】 前記半導体ダイの前記非能動面は、前記
    熱拡散装置の前記突出部にテープによって連結されてい
    る、請求項１に記載の半導体パッケージ。
  5. 【請求項５】 前記半導体ダイの前記非能動面は、前記
    熱拡散装置の前記突出部に相変化材料によって連結され
    ている、請求項１に記載の半導体パッケージ。
  6. 【請求項６】 前記熱拡散装置は、前記パッケージ基材
    上に形成されており且つ前記半導体ダイをカバーする封
    入領域上に配置される、請求項１乃至５のうちのいずれ
    か一項に記載の半導体パッケージ。
  7. 【請求項７】 前記半導体ダイ（３１１）の能動面は、
    複数のはんだバンプ（３０８）によってパッケージ基材
    の上面に電気的に接続されている、請求項１乃至６のう
    ちのいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  8. 【請求項８】 前記熱拡散装置（５００）は一体のリン
    グ状補剛体（５０３）を有し、このリング状補剛体の下
    面は前記パッケージ基材の上面に取り付けられる、請求
    項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の半導体パッケ
    ージ。
  9. 【請求項９】 上面及び下面を有し、プリント回路基板
    の対応する電気接点に取り付けることができる電気接点
    （２０７）が前記下面に設けられたパッケージ基材（２
    ０６、３０６、４０６、５０６）と、前記パッケージ基
    材の前記上面に電気的に接続された半導体ダイ（２１
    １、３１１、４１１、５１１）とを有する半導体パッケ
    ージで有用な熱拡散装置（１００、２００、３００、４
    ００、５００）において、 前記半導体ダイの非能動面に熱的に連結された、前記半
    導体ダイの非能動面の表面積とほぼ同じ実質的に平らな
    表面積を持つ突出部（１０１、２０１、３０１、４０
    １、５０１）が下面に設けられ、 前記半導体ダイで発生した熱を対流で除去するための上
    面を有する、ことを特徴とする熱拡散装置。
  10. 【請求項１０】 前記突出部（４０１）を取り囲む、前
    記半導体ダイ（４０５）の非能動面に取り付けられた小
    型ダムリング（４０４）を更に有し、前記熱拡散装置
    （４００）の下面に設けられた前記突出部（４０１）
    は、相変化材料によって前記半導体ダイ（４０５）の非
    能動面に連結されており、前記相変化材料は、液状であ
    るとき、前記ダムリング（４０４）内のチャンネル（４
    ０７）内に保持される、請求項９に記載の熱拡散装置。
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