JPS6395637A - 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、超大型コンピュータ用ＣＰＵの論理ＬＳＩの
高密度実装に使用するパッケージ構造に関す゛る。

〔従来の技術〕

第２図はフリップチップボンディング２３されたチップ
１４の裏面をカバー２０と高熱伝導性接着物２１で接続
し、次いでこのカバーを接着物２２によって接合して気
密封止する特開昭５７−２１８４５号公報に開示されて
いる実装構造である。

これよりフロン等の冷却用液体と接触させた場合にも腐
食が防止される効果がある。

しかし、このフリップチップ構造では、チップ裏面から
の冷却は可能であっても、又、耐湿構造であっても、チ
ップと基板間の熱膨張差により生ずる熱応力を緩和する
構造になっていないことから、従来のフリップチップと
同等の熱疲労寿命と考えられること、及びチップのメタ
ライズ１悶は薄膜であることから熱履歴に弱く、リペア
プロセスに耐えきれないこと、更にリペアプロセスにお
けるチップ検査後の取外し、そして多層回路基板への再
取付時に接続部のはんだを高く、かつ均一化することが
困薙と考えられる。このため、耐熱疲労性と耐リペア性
に課題があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、チップの耐湿性保護としては十分であ
るが、コンピュータ等で使用されるマルチチップデバイ
スを対象とした場合に要求されろリペア性と耐熱疲労性
に問題があった。

本発明の目的は高出力ＬＳＩチップを多層回路基板上に
フリップチップ方式で、キャリア基板と多層回路基板と
の接続端子の応力を軽減し、要求される耐熱疲労性、リ
ペア性および耐湿性を保証したチップキャリア実装構造
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

フリップチップ構造にチップ下を特定の樹脂で充填した
チップキャリア構造とすることでチップの耐熱疲労性が
、従来の裸チップ構造の１０倍に向上することを確認し
た。また、樹脂で充填した構造であるため耐湿性も大巾
に向上している。

他方、セラミックキャリア基板のメタライズ膜は強固で
あることから、フリップチップ接続部を溶かさないでキ
ャリア基板を取外し、多層回路基板に再取付が可能なり
ペア性に優れた構造になっている。

しかし、本発明のチップキャリア接続部のはんだ接続端
子はフリップチップと同等レベルに小さいので、耐湿性
に８１１がある。

これを保護する目的で、キャリア接続部の周囲をはんだ
封止することにより、微小端子チップキャリア構造の欠
点とされている耐湿性を大巾に向上させることができる
。

〔作用〕

高耐熱疲労性とチップ周辺の耐湿性を兼ねそなえた樹脂
補強フリップチップ方式のチップキャリア構造の欠点は
微小はんだ付部の耐湿性にある。

そこで微小はんだ付部の周囲にリペア可能なはんだ封止
部を設けることにより、チップキャリアの高耐湿性を大
巾に向上させることを可能にした。

また、キャリアと多層回路基板間の温度差で生ずるチッ
プキャリア接続部の熱応力に対しても、はんだ封止部が
補強の役割を果すこと、及び封止部の溶融により端子の
はんだを若干高く持上げ。

端子のはんだに作用する応力を低下させるため、耐熱疲
労向上にもつながる。

【実施例〕

以下１本発明の実施例を第３図〜第１０図により説明す
る。

第３図はＡＱｚＯｓ・Ｓ　ｉＯｚ混合のｌ〜ラスト焼結
体からなる多層セラミック回路基板８（多層回路基板と
呼称する）に、同一の熱膨脹係数を示す、焼結体のムラ
イト板（キャリア基板１６としては同一材でなくても低
誘電率で熱膨脹係数がムライト多層回路基板に近いガラ
スセラミック基板であっても良い）を用いたキャリア基
板１６に８図口のＳｉチップ１４を高温のＰｂ−５％Ｓ
ｎはんだ４（融点３００’Ｃ）でフリップチップ接続し
、接続後、チップとキャリア基板間を下記に示す樹脂１
５（特願昭６０−２７６８０７）を用いて充填した後、
硬化した樹脂補強型チップキャリアである６図に示すよ
うキャリア基板１６はチップ１４より太きい。樹脂１５
は主成分として熱硬化性樹脂、ゴム状樹脂、硬化剤、硬
化促進剤及びカップリング剤と樹脂成分の熱膨脹係数よ
り小さい無機絶縁粉末とを有し、ゴム状樹脂は樹脂中５
〜２０重量％を有し、無機粉末は全体の４０〜７０体積
％（好ましくは５０〜６０体積％）である。

無機絶縁粉末及びゴム状樹脂は粒径５μｍ以下が好まし
い。

エポキシ樹脂（ＥＰ８２８）　　　　１００部　′ゴム
状樹脂：ポリブタジエン（ＣＴ　Ｂ　Ｎ）１５部 硬化剤ニジシアンジアミド　　　　１０部硬化促進剤：
イミダゾール（２部４Ｍ）ＩＺ）５部 シランカップリング剤（Ａ−１８７）２部石黄粉（粒径
１μｍ、ＥＭＣ−Ｙ２Ｏ）５５ＶＯＬ％ このチップキャリアのチップとキャリア基板間のはんだ
の寿命は通常のフリップチップ裸構造の約１０倍の耐熱
疲労性を有している。

キャリア基板１６はチップ１４との熱膨張差から生ずる
バイメタル効果による反りに対する寿命低下を避ける目
的で、チップ厚さに対して１．２倍以上が望ましい。

なお、キャリア基板のスルーホール導体部５はムライト
基板の場合、Ｗ導体を使用する（基板と同時焼成）。端
子表面２６はＮｉめつきを２〜３μｍ、更にその上にＡ
ｕめつきを０．１〜０．２μｍ施す。

ガラスセラミック基板の場合は、Ｃｕペーストもしくは
Ｃｕめつきスルーホール導体を形成するＣｕペースト導
体とする場合は基板と同時に低温で焼成する。Ｃｕめつ
き導体とする場合は焼成したセラミック基板を電子ビー
ム、レーザ等で穴明けした後に形成する。

キャリア基板の多層回路基板との接続する側には、端子
周辺に端子をとりまくように周囲に封止用のメタライズ
膜２６を設ける（スルーホール導体のメタライズ膜と同
時に形成）。なお、′焼結導体としてＷの代りにＭｏで
も可能である。

このチップキャリアは特性評価用基板に接続後。

取外して多層回路板に再取付けするりペア工程を経る必
要があるため、メタライズ膜として、数回のりペアに耐
えられる強固な前述の厚膜法が最適である。導体として
は、抵抗の関係からＣｕ導体が望ましく、端子部はＣｕ
の上にＮｉめつき、更にＡｕめっきを施す構成が優れて
いる。

チップキャリア接続部を囲うように封止するはんだ６は
、第３図（ｂ）に示したように３０μｍ厚さのパンチン
グ加工した箔２７である。はんだ材はチップキャリア端
子部と同じく、Ｐｂ−６０％Ｓｎ（融点１８３℃）であ
る。なお、検査時には、封止部は接続しないで、多層回
路基板に接続する時のみチップキャリア端子部と同時に
接続する。

第３図（ｃ）はチップキャリアをムライト多層回路基板
に位置決めして、加圧した状態を示す。

封止部のはんだ箔寸法は、端子のメタライズ部分より広
くかつ、加圧しても、若干のすき間がある程の１１−さ
になっている。溶融させると（ｄ）図の如く、チップキ
ャリア端子及び封止ｍＳは同時に溶融し、接合される。

なお、はんだ箭の寸法を調整することにより、封止部の
はんだはチップキャリア接続部のはんだを高く持上げて
、耐熱疲労性を向上させる効果もある。封止部形状とし
て、四隅の応力集中を緩和するため四隅の内側、外側共
。

角型でなく、円弧状にすることが望ましい。

このように（ｄ）図に示した接続構造にすることにより
、＊小な端子を持つチップキャリアでも、耐湿性の大１
１な向上になる。

また、多層回路基板とキャリア基板間とには熱膨張差は
ないが５局部的な温度差により熱応力を発生しても、封
止部が応力的負担を分担すること、かつ封止部の面積が
広いことから、溶融時に接続端子を若干持上げることか
ら、耐熱疲労性も向−ヒする。

なお、チップ裏面に熱の流れを良くするため、チップよ
り大きな寸法のＳｉＣ，ＡＱＮ、Ｃｕ。

Ｃｕ　−Ｃ複合材などの高熱伝導性板１３を接合したチ
ップキャリア構造でも同一の効果が期待できる。

上°記構造をＰ　ＣＴ　　（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｏ
ｋｅｒ　Ｔｅ５ｔ１２１℃、２ｋｇｆ／ｄの条件）試験
で、封止なしのチップキャリア構造と比較した結果、裸
のチップキャリアは５０時間で断線したが、はんだ封止
した構造は８００時間をクリアすることができた。

これより１０倍以上の耐湿性チップキャリア構造になっ
ていることが分かる。

なお、多層回路基板上に接続したチップキャリアを交換
したい時には、溶融して取外した後、封止部の余分なは
んだを、例えば表面積の大なるＣｕにぬらして、吸着除
去後に前述の如く、はんだ箔を用いた再接続を行う。

第４，５図はチップキャリアを多層回路基板８に接合し
た、マルチチップキャリア搭載構造断面を示す。

組立は、チップ１４裏面（ＳｉＣ熱伝導板のある時はそ
の裏面）に一定景の熱伝導グリース１２を塗布後、裏面
とハウジングの冷却板１１間を平均１００μｍの間隙に
保つ高さに予め設定した側壁２９部を多層回路基板８に
ボルトなどで機械的に固定、もしくは熱可塑性樹脂で固
着して、リペア性に対応した構造とした。

チップキャリア構造は既に耐湿性であることから、特に
湿度に対する保護は不要である。但し。

熱伝導グリース１２を用いるため、樹脂グリースの劣化
、ゴミ浸入防止等に対する保護のため、側壁部の機械的
固定、樹脂固着は効果がある。

第５図は中間に＜　Ｌ［３５を取付けた構造で、チップ
キャリアと冷却板との間隙が不ぞろいの場合に、グリー
ス１２をＳｉＣ板と下くシ市、及びくし歯間に入れる方
式を示す。この方式は多層回路基板８の反り、チップキ
ャリア高さのばらつき等による間隙不ぞろいを吸収でき
る↑Ｊ造である。

なお、チップ裏面とＳｉＣ板とはＡ　ｕ　−２０重量％
Ｓｎの高熱伝導性のはんだ３を用いて接着した。

第６図は放熱スタッド３２を用いた応用例である。熱は
放熱スタッド３２から熱伝導ブロック３１に伝わり、更
に冷却板１１に伝わる。この構造は、はんだ、樹脂等の
封止方式ではなく、機械的にボルト、ばね等で締め付け
る封止方式である。

第７図はフロン液３７を用いた冷却方式（沸騰を用いる
こともある）を示す。多層回路基板８を縦かけた方式で
使用すると冷却効率が高い。

チップキャリア構造はチップ側を密着力のある樹脂１５
、及び多層回路基板側をはんだ６等で封止されているこ
とから、フロン等による悪影響は考えられない。

第８図はチップキャリアのムライト基板を多層化して、
チップキャリア接続部の寸法及びピッチを拡大した構造
である。このようにチップキャリア接続端子１７を大き
くすることにより、従来のチップキャリアと同等に使用
できるので、耐食性にもある程度強く、ハウジング構造
として封止する必要はなく、熱放散だけを考慮した構造
とすればよい。

第９図はチップを樹脂封止しない構造に適用した例であ
る。チップ裏面は高熱伝導、低膨張のＡＱＮ、ＳｉＣ，
Ｃｕ−Ｃ等のキャップ２０にはんだ付３し、キャリア基
板は前述と同様である。

この構造の欠点は熱疲労寿命が裸チップ並みに短いこと
である。

第１０図（ａ）はキャリア基板表面乃至は内部に特性イ
ンピーダンスを一致させる目的で抵抗素子を設けたチッ
プキャリア構造である。従来はフリップチップ構造で、
多層回路基板上に設けたり、抵抗素子を集めてチップ構
造にした方式を採用していた。前者の場合は、チップの
りペア回数が多い場合などは、高価な多層回路基板の端
子を破壊する恐れがある。後者の場合は、コンピュータ
の高速計算に適した配置とは言えない。

そこで１図（ｂ）の拡大図に示す如く、キャリア基板上
に薄膜抵抗素子４０（例えばＣｒ　−Ｓ　ｉ−〇）を形
成し、その上にポリイミド絶縁Ｐ！Ｊ２４から成る多層
配線膜４４を形成し、はんだバンプ４（Ｐｂ−５％Ｓｎ
はんだ）を通してＳｉ素子に連結する方式、図（ｃ）の
拡大図に示す如く、キャリア基板内部に厚膜抵抗素子４
２を形成する方式、もしくはキャリア基板表面、あるい
はスルーホール導体部に厚膜抵抗素子を形成させる方式
等の、キャリア基板上に素子を形成することによりトリ
ミングの容易性など高価な多層回路基板上の薄膜配線層
への負担を軽減し、プロセス歩留り向上などの使い勝手
性に優れた構造が可能になる。

キャリア基板上への素子として、抵抗以外に、Ｌ、Ｃ回
路形成も可能である。

〔発明の効果〕

本発明のチップキャリアはチップ素子及び接続端子が保
護されるので、フロン等の沸騰による直接冷却構造が可
能となる。

フリップチップをチップキャリア化したことにより、焼
結Ｗ−Ｎｉめつきの強い厚膜導体を使用できるため、リ
ペア化を容易にし、検査性、保守性等の使い勝手である
。

従来の裸フリップチップ構造と比べ、はぼ同等の小型構
造にもかかわらず、耐熱疲労性と耐湿性を１桁向上させ
ることができる。

封止部の占める面積が広いことから、第６図に示したバ
ネにかかる加圧構造に対しても、はんだ端子にかかる圧
力が小さくなることから、耐クリープ構造となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の半導体装置チップキャリア実装
構造を示す断面図とその拡大図（ｂ）、第２図は従来の
半導体装置の断面図、第３図は本発明の他の実装構造の
接続プロセスを示す断面図で、（ａ）は接続前、（ｂ）
ははんだ箔の形状、（ｃ）は接合前の状態、（ｄ）は接
合後のもの、第４図は本発明実装構造のマルチチップ構
造の断面図、第５図は同じく本発明におけろくし歯構造
の断面図、第６図は本発明における放熱スタッド構造の
断面図、第７図は本発明におけるフロン液を用いた場合
の断面図、第８図は本発明におけるキャリア基板の接続
部を拡大した構造の断面図、第９図は樹脂なし構造の応
用例の断面図、第１０図は本発明におけるキャリア基板
の断面図（ａ）で、（ｂ）は薄膜抵抗の拡大断面図、（
Ｃ）は厚膜抵抗の拡大断面図である。 １・・・冷却板、２・・・熱伝導グリース、３・・・Ａ
　ｕ　−２０％Ｓ’ｎはんだ、４　・Ｐ　ｂ　−５％Ｓ
ｎはんだ、５・・・スルーホール導体、６・・・封止は
んだ、７・・・接着剤、８・・・多層回路基板、９・・
・ビン、１０・・・冷却水路、１１・・・冷却板、１２
・・・熱伝導グリース、１３・・・熱伝導板、１４・・
・Ｓｉチップ、１５・・・樹脂。 １６・・・キャリア基板、１７・・・Ｐｂ−６０％Ｓｎ
はんだ、１８・・・プリント板、１９・・・低温はんだ
、２０・・・カバー、２１・・・高熱伝導性接着物、２
２・・・接着物、２３・・・ボンディング部、２４・・
・絶縁層、２５・・・導体、２６・・・Ｗ−Ｎｉめつき
−Ａｕめつき。 ２７・・・はんだ箔、２９・・・側壁部、３０・・・フ
ランジ、３１・・・熱伝導ブロック、３２・・・放熱ス
タッド、３３・・・バネ、３４・・・ピン、３５・・・
下くし歯、３６・・・上＜シ歯、３７・・・フロン液、
３９・・・Ｐｂ−５％Ｓｎはんだ、４０・・・薄膜抵抗
、４１・・・薄膜メタライズ、４２・・・厚膜抵抗、４
３・・・スルーホール厚膜抵抗、４４・・・薄膜配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子、該半導体素子を搭載するキャリア基板
   、該基板を搭載する多層回路基板、前記半導体素子の端
   子とキャリア基板の端子とをフリップチップ接続するは
   んだ及び前記キャリア基板の端子と多層回路基板の端子
   とを接続するはんだを有するものおいて、前記キャリア
   基板の端子と多層回路基板の端子とを接続するはんだを
   外気と遮断するように前記キャリア基板の全外周部を前
   記多層回路基板にはんだによつて接続したことを特徴と
   する半導体集積回路装置。 ２、前記半導体素子とキャリア基板との間に前記半導体
   素子の熱膨脹係数に近似した熱膨脹係数を有する樹脂組
   成物が充填されている特許請求の範囲第１項に記載の半
   導体集積回路装置。 ３、前記キャリア基板の前記多層回路基板への投影面の
   大きさが前記半導体素子の前記投影面の大きさより大き
   い特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の半導体集積
   回路装置。 ４、前記キャリア基板の端子と多層回路基板の端子とを
   接続したはんだは鼓型である特許請求の範囲第１項〜第
   ３項のいずれかに記載の半導体集積回路装置。 ５、前記キャリア基板と多層回路基板とは同等の熱膨脹
   係数を有する特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか
   に記載の半導体集積回路装置。 ６、前記樹脂組成物は熱硬化性樹脂、ゴム状樹脂、硬化
   促進剤及びカップリング剤と樹脂成分より熱膨脹係数の
   小さい無機粉末とを有する特許請求の範囲第１項〜第５
   項のいずれかに記載の半導体集積回路装置。 ７、前記半導体素子裏面を間接又は直接水又はフロンに
   より冷却する特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれか
   に記載の半導体集積回路装置。