WO2010110281A1

WO2010110281A1 - ヒートシンク一体化パッケージ及びその製造方法

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Publication number: WO2010110281A1
Application number: PCT/JP2010/055014
Authority: WO
Inventors: 健治大沢; 倫康福永; 克也鶴田; 敬水田; 政道石原
Original assignee: Kagoshima University NUC; Molex Japan LLC
Current assignee: Kagoshima University NUC; Molex Japan LLC
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2011-09-27
Also published as: CN102449756A; JP5512992B2; US20120127667A1; CN102449756B; JP2010232403A; US8988882B2

Abstract

ヒートシンク以外にＬＳＩチップ装着基板を必要とせず、また、装着基板に貫通孔を開けて金属材料を充填する貫通配線技術の必要なく、容易に外部電極を取り出す。ヒートシンク基板は、少なくとも１枚の金属板を積層した構造となっており、その金属板を延長させて、電子部品から発生した熱をそこから外部に逃がす熱コネクタを形成する。配線が形成されたヒートシンク基板上に、電子部品を装着して、該電子部品の電極端子と配線の必要個所とを電気接続する。ヒートシンク基板上の配線には、水平配線部とポスト電極を有する配線付ポスト電極部品を装着し、水平配線部に接続される外部電極を形成する。

Description

ヒートシンク一体化パッケージ及びその製造方法

　本発明は、ヒートシンク基板上に、電子部品を装着したヒートシンク一体化パッケージ及びその製造方法に関する。

　パワーIC用に各種の放熱基板が製造されている。図１６は、特許文献１に開示の薄い板状の部材で構成したフラット型ヒートパイプ構造を示す断面図である。図示のヒートパイプ構造では、下部材、下側中間板、上側中間板及び上部材は、それらの周辺部が直接接合されることにより一体化した状態になる。ヒートパイプの内部空間内への冷媒の注入が済むと、冷媒注入用孔及び空気排出用孔は閉塞される。プリント配線板に搭載された被冷却装置からの熱を冷媒が吸熱し、これにより冷媒が温められて蒸発すると、蒸気が周辺部側に拡散し、ヒートパイプの周辺部にて蒸気が放熱して凝縮する。このように、例示のヒートパイプ構造は、毛細管現象を起こさせるように網目状に積層したウイック構造となっている。

　しかし、このようなヒートパイプ構造は、封入した冷媒の蒸発及び凝縮により被冷却装置からの熱を周辺部にまで拡散することができるものの、熱が筐体内部に籠もってしまって、ヒートパイプ構造外部への放熱が十分でなかった。周辺部からさらに外部へ放熱するための構成が求められていた。

　また、例示のヒートパイプ構造は、プリント配線板の裏面に外部接続用の電極が設けられている。このようにヒートシンクをLSIチップの背面側に接着したパッケージにおいて外部電極を取り出そうとする場合は、被冷却装置の装着基板としてのプリント配線板を必要とするだけでなく、それを貫通する配線が必要になるために、製造工程が複雑でコストが高くなる。ヒートシンクとは、反対側面に設けた外部電極に対する配線を容易にする技術が求められている。

　なお、特許文献２には、後述の電鋳法により作成した配線付ポスト電極部品についての開示がある。

特開２００７－３１５７４５号公報国際公開ＷＯ２００８／０６５８９６　Ａ１

　本発明は、ヒートシンク一体化パッケージにおいて、ＬＳＩチップの装着基板としてヒートシンク自体を利用して取り付けることにより、ヒートシンク以外にＬＳＩチップ装着基板を必要とせず、また、装着基板に貫通孔を開けて金属材料を充填する貫通配線技術の必要なく、容易に外部電極を取り出すことを目的としている。

　また、本発明は、ヒートシンクからさらに外部へ放熱するための構成を備えて、熱が筐体内部に籠もること無く、大きな冷却効果を得ることのできるより簡単なヒートシンク装置を提供することを目的としている。

　本発明のヒートシンク基板上に電子部品を装着したヒートシンク一体化パッケージにおいて、ヒートシンク基板は、少なくとも１枚の金属板を積層した構造となっており、その金属板を延長させて、電子部品から発生した熱をそこから外部に逃がす熱コネクタを形成する。配線が形成されたヒートシンク基板上に、電子部品を装着して、該電子部品の電極端子と配線の必要個所とを電気接続する。ヒートシンク基板上の配線には、水平配線部とポスト電極を有する配線付ポスト電極部品を装着し、水平配線部に接続される外部電極を形成する。

　また、本発明のヒートシンク基板上に電子部品を装着したヒートシンク一体化パッケージの製造方法において、ヒートシンク基板は、少なくとも１枚の金属板を積層した構造となっており、その金属板を延長させて、電子部品から発生した熱をそこから外部に逃がす熱コネクタを形成する。配線が形成されたヒートシンク基板上に、電子部品を装着して、該電子部品の電極端子と配線の必要個所とを電気接続する。支持板により水平配線部とポスト電極が一体に連結されて構成した配線付ポスト電極部品を、ヒートシンク基板上に装着して、ヒートシンク基板上の配線と接続する。樹脂封止した後、支持板を剥離し、この剥離により露出した水平配線部に接続される外部電極を形成する。

　配線付ポスト電極部品の支持板は、該支持板に貼り付けた絶縁基材テープを有し、支持板を剥離することにより露出した絶縁基材テープを保護膜として機能させ、外部電極と水平配線部の接続は、保護膜に開けた穴を介して行う。ヒートシンク基板上の配線は、該ヒートシンク基板上に金属膜付テープ材を貼りつけ、かつ、この金属膜を、リソグラフィとエッチングによりパターニングすることにより形成する。

　本発明によれば、ヒートシンク一体化パッケージにおいて、ＬＳＩチップの装着基板としてヒートシンク自体を利用して取り付けることにより、ヒートシンク以外にＬＳＩチップ装着基板を必要とせず、また、装着基板に貫通孔を開けて金属材料を充填する貫通配線技術の必要なく、容易に外部電極を取り出すことができる。また、本発明によれば、ヒートシンクからさらに外部へ放熱するための構成を備えて、熱が筐体内部に籠もること無く、大きな冷却効果を得ることができる。

本発明を具体化した第１の実施形態のヒートシンク一体化パッケージの全体構成を示す断面図である。（Ａ）は、配線を有するヒートシンク基板上にＬＳＩチップのような電子部品を装着した状態で示す断面図であり、（Ｂ）はその斜視図である。（Ａ）は、多数個一体に連結された状態で示す配線付ポスト電極部品を示す斜視図であり、図中のＹ－Ｙ’ラインで切断した断面図を（Ｂ）に示している。特許文献２に開示の配線付ポスト電極部品を示す斜視図である。ＬＳＩチップを装着したヒートシンク基板上に、配線付ポスト電極部品を配置した状態で示す断面図である。ヒートシンク基板上に配線付ポスト電極部品を接続、固定した状態で示す図である。ポスト電極固定後、樹脂封止した状態で示す図である。支持板を剥離した後の状態で示す図である。本発明を具体化した第２の実施形態のヒートシンク一体化パッケージの全体構成を示す断面図である。（Ａ）は、金属板を貼り付けた多層積層板（ヒートシンク本体）の平面図であり、（Ｂ）はＰ－Ｐ’ラインで切断した断面図である。（Ａ）は、貼り付けた状態の平面図であり、（Ｂ）はＱ－Ｑ’ラインで切断した断面図である。（Ａ）は、完成したヒートシンク基板を示す平面図であり、（Ｂ）はＲ－Ｒ’ラインで切断した断面図である。ヒートシンク一体化パッケージの熱コネクタの使用方法の一例を説明する図である。取付け固定後の状態を示す図である。ヒートシンク一体化パッケージを装着したプリント基板を、その上方から見た図である。特許文献１に開示の薄い板状の部材で構成したフラット型ヒートパイプ構造を示す断面図である。

　以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、本発明を具体化した第１の実施形態のヒートシンク一体化パッケージの全体構成を示す断面図である。テープ材を介して配線が形成されたヒートシンク基板上に、ＬＳＩチップのような電子部品の電極端子と該配線の必要個所とを電気接続する。本明細書で用いる用語「ヒートシンク基板」とは、ヒートシンク機能を有するだけでなく、その上に装着されるＬＳＩチップのような電子部品のための装着基板としての機能を有するものを意味している。このヒートシンク基板は、少なくとも１枚の金属板（銅板）を積層して、その積層板を左右に、或いは前後左右に延長させて、それをウイングのようにして熱をそこから外部の筐体等へ逃がす熱コネクタを形成しているが、ヒートシンク基板構成自体は、いかなる形状、構成にすることもできる。図示のように、複数枚の金属板を貼り合わせた構成にすることもできるし、また、図１６を参照して従来技術として説明したヒートパイプ構造或いはウイック構造（毛細管現象を起させるように網目状に積層）にすることも可能である。図示の例では、ＬＳＩチップ装着面とは反対側（最上面）に銅板を積層して、それを左右に延長している。

　ヒートシンク基板上の配線には、配線付ポスト電極部品が装着される。配線付ポスト電極部品は、詳細は、図３（或いは図４）を参照して後述するように、支持板とこの支持板に貼り付けた絶縁基材テープにより構成される支持部により水平配線部とポスト電極が一体に連結されて構成される。この配線付ポスト電極部品が、ヒートシンク基板上に一括して固定されかつ電気的に接続され、樹脂封止した後、この支持板は剥離される。図１では、剥離後の状態で示している。剥離により露出した絶縁基材テープは、保護膜として機能する。この後、裏面側においては、保護膜に穴を開けて、水平配線部に接続される外部電極（バンプ電極）を形成する。

　次に、図２～図８を参照して、図１に示すヒートシンク一体化パッケージの製造について説明する。図２（Ａ）は、配線を有するヒートシンク基板上にＬＳＩチップのような電子部品を装着した状態で示す断面図であり、（Ｂ）はその斜視図である。ヒートシンク基板のおもて面には、テープ材を介して配線を有している。このように配線が形成されたヒートシンク基板上に、ＬＳＩチップのような電子部品の電極端子と該配線パターンの必要個所とを電気接続する。即ち、配線パターンを有するヒートシンク基板上に、電子部品をダイボンド材により接着して、フリップチップ方式で搭載する。或いは、配線パターンとはボンディングワイヤにより接続することもできる（ワイヤボンド接続方式）。なお、ヒートシンク基板の製造については、図１０～図１２を参照して後述するように、実際の製造においては、多数個一体に連結された状態のヒートシンク基板の上に組み立てられて、ヒートシンク一体化パッケージの組立完成後に個々のチップに切断される個片化が行われることになる。

　図３は、配線付ポスト電極部品を示す図であり、（Ａ）は、多数個一体に連結された状態で示す配線付ポスト電極部品を示す斜視図であり、図中のＹ－Ｙ’ラインで切断した断面図を（Ｂ）に示している。図において、支持部として、支持板（例えば、ステンレス板、シリコン基板あるいはガラス）の一方の全面に、ポリイミドテープなどに代表される薄膜フィルムの絶縁基材により作成したテープあるいは絶縁基材に銅箔付テープを貼り付けたものを用いる。この絶縁基材テープは、完成製品において配線層を覆う保護膜として機能する。支持板は、後の工程で絶縁基材テープから剥離される。このため、例えばリフロー温度より高温（モールド温度以上）を加えると、ステンレス板、シリコン基板あるいはガラスとテープが剥離し易い処理を予め行っておく。例えば高温で剥離し易い接着剤あるいは熱カプセル入り接着剤、または支持部として光を透過する材料（耐熱低熱膨張ガラスなど）にして、紫外線剥離型接着剤を用いる。または熱可塑性の接着剤でも良い。

　さらに、絶縁基材のみの場合はこのテープ上に、配線パターン（水平配線部）となるべき金属のシード層を形成して、メタル付きテープを形成する。このシード層としては、例えば、銅メッキを可能とする金、銀、銅、パラジューム箔を用いることができる。水平配線部のパターンはシード層の上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して完成させる。このシード層の上にメッキにより配線層を成長させる。さらにその上に、ポスト電極部形成のためレジスト塗布と現像を行い、ポスト部をメッキ成長させる。或いは、水平配線部はナノ金属粒子で直接シード層をパターンニングにしてリソグラフィ工程を省略することもできる。前記と同じようにさらにその上に、ポスト電極部形成のためレジスト塗布と現像を行い、ポスト部をメッキ成長させる。これによって、配線付ポスト電極部品が完成する。

　また銅箔付絶縁基材（テープ）の場合は銅箔をリソグラフィにより水平配線パターンを形成することもできる。さらにその上に、ポスト電極部形成のためレジスト塗布と現像を行い、ポスト部をメッキ成長させる。これによって、配線付ポスト電極部品が完成する。

　図４は、特許文献２に開示の配線付ポスト電極部品を示す斜視図である。上述の配線付ポスト電極部品に代えて、特許文献２に開示のような公知の部品を使用することもできる。このような電極部品には、後の工程で剥離されることになる支持板に、例えば、電鋳法により、配線パターン（水平配線部）を形成して、配線パターン造り込みがなされている。

　図５は、ＬＳＩチップを装着したヒートシンク基板上に、図３或いは図４に示すような配線付ポスト電極部品を配置した状態で示す断面図である。図６は、ヒートシンク基板上に配線付ポスト電極部品を接続、固定した状態で示す図である。ヒートシンク基板上に形成した配線の所定の位置には、支持板により一体に連結された配線付ポスト電極部品が、一括して固定されかつ電気的に接続される。ポスト電極を固定及び接続する手法としては、（１）超音波による接合、（２）銀ペースト等の導電性ペーストによる接続、（３）半田接続、（４）有機基板側に設けた接続電極用金属パッド部に凹部を設ける一方、ポスト電極部品側は凸部を設けて挿入圧着あるいは挿入しカシメる方法、により行うことができる。ポスト電極が配線パターン上の所定の位置に固定された段階では、全てのポスト電極が、板状の支持板により一体に連結されている。

　図７は、ポスト電極固定後、樹脂封止した状態で示す図である。図は１個のみの部品を示しているが、実際には多数個連結されている状態で、金型に入れて樹脂を充填する。これによって、ヒートシンク基板と絶縁基材テープとの間の空間を満たすようにトランスファーモールドされ、或いは液状樹脂（材質は、例えばエポキシ系）を用いて樹脂封止される。

　図８は、支持板を剥離した後の状態で示す図である。支持板を剥離することにより、配線層を覆う絶縁基材テープが露出する。この絶縁基材テープは、完成製品の保護膜として機能する。

　次に、天地（上下）逆転させて、外部電極を接続して完成させたものが、上述した図１に相当する。裏面側においては、保護膜に穴を開けて、水平配線部に接続される外部電極（バンプ電極）を形成する。或いは、図４に例示したような配線付ポスト電極部品を用いた場合は、保護膜が存在しないが、必要に応じて、水平配線部の上に保護膜を塗布する。
この水平配線部を利用して、ポスト電極の配置から、任意にヒートシンク一体化パッケージの外部電極の位置に持っていくことができる。このため容易に３次元に、ヒートシンク一体化パッケージを接続することができる。

　実際の製造においては、この後、個々のチップに切断して切り分ける個片化を経た後に、製品として完成する。これによって、貫通配線の必要もなく、ＬＳＩチップに接続される水平配線部及び外部電極（バンプ電極）を形成したヒートシンク一体化パッケージが完成する。

　図９は、本発明を具体化した第２の実施形態のヒートシンク一体化パッケージの全体構成を示す断面図である。第１の実施形態とは、ヒートシンク基板の構成のみを異にしている。図示のヒートシンク基板は、第１の実施形態と同様に、少なくとも１枚の金属板（銅板）を積層した構造となっており、その積層板の一部を左右、或いは前後左右に延長させて、それをウイングのようにして熱をそこから外部の筐体等へ逃がす熱コネクタを形成しているが、図示の例では、ＬＳＩチップ装着面に近い側（最下面）の板を延長している。また、第１の実施形態と同様に、ヒートシンク基板の最下面には、テープ材を介して配線を有している。これによって、ヒートシンク一体化パッケージを筐体に接続する場合に、放熱板（熱コネクタ）にスプリング効果を持たせて、より強く筐体に接触させることが可能になる。

　次に、図１０～図１２を参照して、配線を形成したヒートシンク基板の製造について、６個のヒートシンク基板を一括形成する場合を例として、説明する。例示のヒートシンク基板は、ＬＳＩチップ装着面に近い側の板を延長させる上述の第２の実施形態に相当するが、以下に説明する製造技術は、積層する金属板の位置をＬＳＩチップ装着面に遠い側に変更するのみで、上述の第１の実施形態に用いることのできるヒートシンク基板の製造が可能となる。

　図１０（Ａ）は、金属板を貼り付けた多層積層板（ヒートシンク本体）の平面図であり、（Ｂ）はＰ－Ｐ’ラインで切断した断面図である。ここでは、ヒートシンク本体は、複数枚の金属板を貼り合わせた多層積層板として例示したが、本発明は、多層積層板に限らず、図１６を参照して従来技術として説明したヒートパイプ構造或いはウイック構造（毛細管現象を起させるように網目状に積層）を含むいかなる形状、構成も使用可能である。
個々のヒートシンク本体部分を積層するには、後で簡単に切断できる程度の吊り部を付けておいて、複数パッケージ分を1枚の板として積層していく。このようなヒートシンク本体の最上面（或いは最下面）に、１枚の金属板（銅板）が、例えば接着剤を用いて貼り合わされる（本明細書では、ヒートシンク本体とそれに貼り合わせた金属板を併せたものをヒートシンクと言う）。この貼り合わせる積層板は、図１０（Ａ）に示すように、個々のパッケージの４つのコーナー部を予め切り欠いておくことにより、後の工程で、４辺の外周で切断したのみで、熱コネクタが形成できる（図１２（Ａ）参照）。ここでは、図中の前後左右の４辺に延長した熱コネクタを設ける場合を例示するが、必ずしも、前後左右に設ける必要はなく、相対する２辺（図中の左右又は前後）若しくは１辺のみでも可能である。

　次に、図１１に示すように、この金属板の上に、銅箔付テープ材を貼りつける。図１１（Ａ）は、貼り付けた状態の平面図であり、（Ｂ）はＱ－Ｑ’ラインで切断した断面図である。銅箔付テープ材としては、薄膜テープ上の全面に、配線パターンとなるべき低抵抗の金属膜を蒸着あるいは貼り付け、メタル付きテープを形成する。薄膜テープとしては、ポリイミドテープなどに代表される薄膜フィルムの絶縁基材が望ましい。金属膜としては、例えば、金、銀、銅、パラジューム箔を用いることができる。または、金属膜を蒸着あるいは貼り付けることに代えて、薄膜テープと薄い金属膜（例えば銅箔）を一体化したものを用いても良い。

　次に、図１２に示すように、配線パターンを形成する。図１２（Ａ）は、連結した状態で完成したヒートシンク基板を示す平面図であり、（Ｂ）はＲ－Ｒ’ラインで切断した断面図である。配線パターンの形成のために、金属層（銅箔）の上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して、配線パターンを完成させる。このように複数個連結した状態のヒートシンク基板の上に、後の工程で、ヒートシンク一体化パッケージが組み立てられ、完成後に個々の基板に切り分ける個片化が行われる。

　図１３は、ヒートシンク一体化パッケージの熱コネクタの使用方法の一例を説明する図である。配線層を有するプリント基板の上には、抵抗、ＩＣ，コンデンサ、コネクタなどの電子回路素子と共に、上述した第２の実施形態のヒートシンク一体化パッケージが装着されている。このプリント基板が、筐体に固定されることになる。筐体自体を、上述したヒートシンク基板と同様な構成にすることができる。即ち、図示の筐体は、１枚の銅板を積層した構造となっており、その１枚の銅板を延伸させて、その延伸部を所定の形状に折り曲げることによりプリント基板取付部を構成している。

　図１３に示すように、電子回路素子を装着したプリント基板を、筐体内部に配置した状態から、プリント基板をさらに上方の所定の取付位置に移動させて、そこで、取付け固定する。図１４は、取付け固定後の状態を示す図である。プリント基板が筐体延伸部へ固定されると共に、ヒートシンク一体化パッケージの熱コネクタが、接続部において筐体積層部に対して固定される。プリント基板の筐体延伸部への固定は、図示のように固定治具を用いて、ネジ止めなどにより固定される。また、ヒートシンク一体化パッケージの熱コネクタの筐体積層部に対する固定は、ネジ止め、挿入、かしめ等により行うことができる。ここで、挿入とは、筐体側に予め挿入口を設けておき、コネクタ部をそこに挿入することであり、また、かしめとは、コネクタ部と筐体部を同時に凹凸部ができるように圧接することである。ネジ止め等による固定を容易にするために、図１５に示すように、ヒートシンク一体化パッケージの熱コネクタを基板側面よりはみ出すように構成することができる。図１５は、ヒートシンク一体化パッケージを装着したプリント基板を、その上方から見た図である。プリント基板の両側面に、熱コネクタがはみ出すことにより、プリント基板の下方側からのネジ止め操作が容易となる。ヒートシンク一体化パッケージで発生した熱は、熱コネクタから筐体積層部から外部に、また、そこからさらに、筐体延伸部を介して、外部に逃がすことが可能となる。

Claims

ヒートシンク基板上に、電子部品を装着したヒートシンク一体化パッケージにおいて、
　前記ヒートシンク基板は、少なくとも１枚の金属板を積層した構造となっており、その金属板を延長させて、前記電子部品から発生した熱をそこから外部に逃がす熱コネクタを形成し、
　配線が形成されたヒートシンク基板上に、電子部品を装着して、該電子部品の電極端子と前記配線の必要個所とを電気接続し、
　前記ヒートシンク基板上の配線には、水平配線部とポスト電極を有する配線付ポスト電極部品を装着し、
　前記水平配線部に接続される外部電極を形成した、
　ことから成るヒートシンク一体化パッケージ。
前記ヒートシンク一体化パッケージを装着したプリント基板を、筐体内部に取付けると共に、前記熱コネクタを筐体に接続固定した請求項１に記載のヒートシンク一体化パッケージ。
前記筐体は、少なくとも１枚の金属板を積層した構造となっており、その金属板を延伸させて、その延伸部を所定の形状に折り曲げることにより前記プリント基板の取付部を構成している請求項２に記載のヒートシンク一体化パッケージ。
ヒートシンク基板上に、電子部品を装着したヒートシンク一体化パッケージの製造方法において、
　前記ヒートシンク基板は、少なくとも１枚の金属板を積層した構造となっており、その金属板を延長させて、前記電子部品から発生した熱をそこから外部に逃がす熱コネクタを形成し、
　配線が形成された前記ヒートシンク基板上に、電子部品を装着して、該電子部品の電極端子と前記配線の必要個所とを電気接続し、
　支持板により水平配線部とポスト電極が一体に連結されて構成した配線付ポスト電極部品を、前記ヒートシンク基板上に装着して、前記ヒートシンク基板上の配線と接続し、
　樹脂封止した後、前記支持板を剥離し、
　剥離により露出した水平配線部に接続される外部電極を形成する、
　ことから成るヒートシンク一体化パッケージの製造方法。
前記配線付ポスト電極部品の前記支持板は、該支持板に貼り付けた絶縁基材テープを有し、前記支持板を剥離することにより露出した前記絶縁基材テープを保護膜として機能させ、
　前記外部電極と前記水平配線部の接続は、前記保護膜に開けた穴を介して行う請求項４に記載のヒートシンク一体化パッケージの製造方法。
前記ヒートシンク基板上の配線は、該ヒートシンク基板上に金属膜付テープ材を貼りつけ、かつ、この金属膜を、リソグラフィとエッチングによりパターニングすることにより形成した請求項４に記載のヒートシンク一体化パッケージの製造方法。