半導体装置及び電子装置
【課題】半導体チップに備えられる回路や配線の設計に影響を与えることなく、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させることができる構造体を提供する。
【解決手段】半導体装置２を、絶縁膜５と、配線６と、絶縁膜５の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極７とを含む配線層８を備える半導体チップ２と、絶縁膜５の表面上の第１電極７が設けられていない領域に貼り付けられ、絶縁膜５よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材１５とを備えるものとする。
【解決手段】半導体装置２を、絶縁膜５と、配線６と、絶縁膜５の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極７とを含む配線層８を備える半導体チップ２と、絶縁膜５の表面上の第１電極７が設けられていない領域に貼り付けられ、絶縁膜５よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材１５とを備えるものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子装置の高性能化にともない、半導体チップの発熱量が増える傾向がある。また、半導体チップの大きさもますます大きくなり、今後もその傾向は続くと予想されている。また、一つのチップ内に複数のコアが形成されているマルチコアの半導体チップが多くなり、これも発熱量の増大につながっている。
一般に、半導体チップを配線基板上にフリップチップ接合する場合、半導体チップの表面側に設けられた配線層、即ち、回路や配線を絶縁膜で覆った配線層が配線基板側になるため、半導体チップの裏面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるようにしている。つまり、本来であれば、半導体チップの表面側、即ち、配線層が設けられている側に発熱箇所があるため、この表面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるのが効率的である。しかしながら、フリップチップ接合の場合、半導体チップの表面側を配線基板側に向けて接合するため、半導体チップの表面側には全面にわたって複数の電極が設けられており、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるのは難しい。そこで、フリップチップ接合する場合、半導体チップの裏面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるようにしている。
【０００３】
また、半導体チップの表面側に発熱箇所があるにもかかわらず、半導体チップの表面側は絶縁膜で覆われており、さらに、フリップチップ接合の場合、半導体チップと配線基板との間に充填されたアンダーフィル材が絶縁膜の表面に接しているため、放熱性が非常に悪い。そこで、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させるために、半導体チップの表面側に設けられた配線層の中に、即ち、配線層を構成する絶縁膜の中に、熱拡散率の高い材料からなる熱伝導膜や放熱用のダミー配線を設けるようにしたものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９８１３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように半導体チップの発熱量が増えてくると、半導体チップの裏面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるだけでは十分に放熱させるのが難しくなる。
また、上述のように、半導体チップの表面側に設けられた配線層の中に熱伝導膜やダミー配線を設けるには、半導体チップの製造プロセスの中でこれらを形成することが必要になる。このため、熱伝導膜やダミー配線を含むものとして、半導体チップに備えられる回路や配線の設計を行なう必要がある。また、既に設計済みの半導体チップについては新たに設計しなおす必要があり、これには莫大な工数とコストがかかる。また、半導体チップを実際に作製した後に性能が十分でない場合には、設計変更が必要になり、さらに工数やコストがかかることになる。
【０００６】
そこで、半導体チップに備えられる回路や配線の設計に影響を与えることなく、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させることができるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本半導体装置は、絶縁膜と、配線と、絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、絶縁膜の表面上の第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材とを備えることを要件とする。
本電子装置は、絶縁膜と、配線と、絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、絶縁膜の表面上の第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材と、複数の第１電極に対応する位置に設けられた複数の第２電極を有する配線基板とを備え、半導体チップが配線基板にフリップチップ接合されている半導体装置を備えることを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本半導体装置及び電子装置によれば、半導体チップに備えられる回路や配線の設計に影響を与えることなく、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）に備えられる半導体チップ（高熱伝導部材が貼り付けられたもの）の構成を示す模式図であって、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図２】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）の構成を示す模式的断面図である。
【図３】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｆ）は斜視図であり、（Ｇ）は断面図である。
【図４】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）に備えられる半導体チップに高熱伝導部材が貼り付けられた状態を示す模式的断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態にかかる半導体装置の製造方法において半導体チップの各電極上にはんだバンプを形成する方法を説明するための模式的断面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の効果を確認するための熱シミュレーションにおける発熱モデルを示す模式的断面図であって、（Ａ）は従来の発熱モデル、（Ｂ）は第１実施形態の発熱モデルを示している。
【図７】第１実施形態にかかる半導体装置の変形例の構成を示す模式図であって、半導体チップに高熱伝導部材が貼り付けられた状態を示す断面図である。
【図８】第２実施形態にかかる電子装置の構成を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置及び電子装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる半導体装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００１１】
本実施形態にかかる半導体装置は、例えばサーバやパソコンなどの電子装置に用いられる半導体パッケージである。なお、電子装置を、電子機器あるいは情報機器ともいう。
本半導体パッケージは、図２に示すように、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に搭載された半導体チップ２と、パッケージ基板１のチップ搭載面の反対側の面の全面に格子状に配列された複数の電極３と、各電極３上に設けられたはんだボール４とを備えるＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージである。
【００１２】
なお、半導体パッケージを、半導体装置ともいう。また、パッケージ基板１を、配線基板ともいう。また、はんだボール４を、はんだバンプあるいはボール電極ともいう。また、半導体チップ２を、半導体素子ともいう。
ここで、半導体チップ２は、図１（Ａ）に示すように、その表面側に、絶縁膜５と、配線６と、絶縁膜５の表面上に全面にわたって設けられた複数の電極７（第１電極）とを含む配線層８を備える。なお、配線層８に含まれる配線６によって各素子が接続されて回路が構成されるため、半導体チップ２は、その表面側に回路を含むことになる。このため、半導体チップ２の表面側は、回路が形成されている側であるため、半導体チップ２の表面を回路面ともいう。ここでは、半導体チップ２は、ＬＳＩチップである。また、絶縁膜５の表面上に露出している複数の電極７は、例えば信号入出力用の電極である。
【００１３】
本半導体パッケージは、図２に示すように、半導体チップ２がパッケージ基板１にフリップチップ接合（ここでははんだ接合）された実装構造を有する。つまり、パッケージ基板１のチップ搭載面に格子状に配列された複数の電極９（第２電極）と、半導体チップ２の表面側に格子状に配列された複数の電極７とが、はんだバンプ１０を介して接続されている。ここで、パッケージ基板１のチップ搭載面に設けられた複数の電極９は、半導体チップ２の表面側に設けられた複数の電極７に対応する位置に設けられている。
【００１４】
また、本半導体パッケージでは、フリップチップ接合部である半導体チップ２とパッケージ基板１との間の隙間に、例えばエポキシ樹脂などを主成分とするアンダーフィル材１１が充填されている。
また、本実施形態では、半導体チップ２の裏面側に、例えばはんだ接合部などの熱伝導用接合部１２を介して、ヒートスプレッダとして機能するリッド１３が熱的に接続されている。ここでは、半導体チップ２の裏面側に熱的に接続されるように、パッケージ基板１上に例えば接着シート１４によってリッド１３が接着されている。このため、本半導体パッケージは、リッド１３を備える。
【００１５】
なお、ここでは、半導体パッケージを半導体装置としているが、半導体装置は、このように構成される半導体パッケージのリッド１３の上面上に、冷却器（冷却構造）を熱的に接続させたものとしても良い。例えば、リッド１３の上面上に、熱伝導シート又は熱伝導グリースを介して、フィンを有するヒートシンクを備えるものとしても良い。なお、後述の第２実施形態では、冷却器（冷却構造）として、フィンを有するヒートシンクを、リッド１３の上面上に熱的に接続させたものとし、ファンを設けて送風し、フィンに風を当てるようにして、半導体チップ２を冷却するようにしている。
【００１６】
特に、本実施形態では、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５が貼り付けられている。つまり、本半導体パッケージは、半導体チップ２の絶縁膜５の表面上の複数の電極７が設けられていない領域に貼り付けられた高熱伝導部材１５を備える。本実施形態では、高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の絶縁膜５の表面上の複数の電極７が設けられていない領域にはんだ接合されている。このように、例えば半導体チップ２の表面上に高熱伝導膜を成膜すると、半導体チップ２に大きな応力が加わることになり、好ましくないため、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を貼り付けるようにしている。
【００１７】
ここで、高熱伝導部材１５は、絶縁膜５よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材である。ここでは、半導体チップ２の表面側に設けられた複数の電極７のそれぞれに対応する位置に貫通穴１５Ａを有し、絶縁膜５よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる板状部材である。そして、図２に示すように、これらの貫通穴１５Ａを介して、パッケージ基板１のチップ搭載面に設けられた複数の電極９と、半導体チップ２の表面側に設けられた複数の電極７とが、はんだ接合されるようになっている。なお、高熱伝導材料からなる板状部材を、高熱伝導板ともいう。
【００１８】
このように、半導体チップ２の表面側に設けられた絶縁膜５の表面の大部分において、金属などに比べて熱伝導率が低い（例えば１〜２Ｗ／ｍＫ程度）アンダーフィル材１１は接しておらず、高熱伝導部材１５が貼り付けられているため、熱拡散を促進させることができる。これにより、半導体チップ２の表面側から、半導体チップ２からの発熱を効率良く放熱させることができる。この場合、半導体チップ２の裏面側だけでなく、表面側からも、半導体チップ２からの発熱を放熱させることができるため、半導体チップ２の発熱量が増えてきても、十分に放熱させることが可能となる。このため、半導体チップ２の裏面側から大きな冷却能力で冷却する必要もなくなる。
【００１９】
また、半導体チップ２の製造プロセスの後工程で、作製された半導体チップ２に対して、高熱伝導部材１５を貼り付けるだけで良いため、半導体チップ２の設計変更を伴わず、比較的容易に適用可能である。特に、現存する半導体チップ２に対しても適用可能である。また、仮に、半導体チップ２に貼り付けた高熱伝導部材１５が十分な性能を発揮しなかった場合でも、半導体チップ２の設計変更を伴わず、高熱伝導部材１５に対して例えば材料や寸法等の変更などを行なうことで容易に対応可能である。
【００２０】
本実施形態では、高熱伝導部材１５は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成される。
なお、高熱伝導部材１５は、ＡｌＮ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、炭素系材料、ダイヤモンド、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選ばれるいずれか一種の材料で構成されるものとすれば良い。
例えば、高熱伝導部材１５をＡｌＮ、ＳｉＣ、炭素系材料、ダイヤモンド、Ａｌによって構成する場合には、半導体チップ２の表面及び高熱伝導部材１５の半導体チップ２に貼り付ける側の表面をメタライズして金属層（図４参照）を形成した上で、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面にはんだ接合すれば良い。なお、高熱伝導部材１５をＣｕ、Ａｇ、Ａｕによって構成する場合には、メタライズして金属層を形成しなくても良い。また、メタライズして形成される金属層を、メタライズ層ともいう。
【００２１】
ここで、メタライズによって形成する金属層は、はんだ付けを行なうことを考慮すると、多層構造にするのが好ましい。例えば、表面層にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等、中間層にＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ等、絶縁膜との密着層にＣｒ、Ｔｉ等を用いた３層構造の金属層とするのが好ましい。これにより、はんだぬれ不良やはんだ食われを防止することができる。なお、メタライズによって形成する金属層は、多層構造でなくても良く、密着性とはんだぬれ性を確保することができるのであれば、単層であっても良い。
【００２２】
また、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合する場合、接合部分（接合層）をできるだけ薄くすることが望ましい。このため、半導体チップ２側に形成された金属層と高熱伝導部材１５側に形成された金属層とが、互いに接触して加熱した際に共晶反応を起こして溶融し、接合されるように、半導体チップ２側に形成する金属層及び高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料を決めるのが望ましい。例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をインジウムとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＳｎとすれば良い。この場合、共晶反応は約１１７℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。また、例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をＳｎとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＢｉとしても良い。この場合、共晶反応は約１３９℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。また、例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をインジウムとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＢｉとしても良い。この場合、共晶反応は約７２℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。また、例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をＡｕとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＳｉとしても良い。この場合、共晶反応は約３６３℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。
【００２３】
本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、高熱伝導部材１５として、複数（ここでは４つ）の高熱伝導部材１５が設けられている。つまり、半導体チップ２と同程度のサイズの高熱伝導部材１５を用いると、動作時に半導体チップ２が発熱して熱膨張した場合に、半導体チップ２と高熱伝導部材１５との間に熱膨張差が生じ、半導体チップ２に大きな応力が加わることになる。そこで、半導体チップ２と同程度のサイズの高熱伝導部材１５を複数に分割し、複数の高熱伝導部材１５とすることで、動作時に半導体チップ２に加わる応力を小さくし、信頼性を向上させるようにしている。
【００２４】
ここでは、複数の高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面側の全面にわたって貼り付けている。なお、高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の表面側に部分的に貼り付けるようにしても良い。
特に、半導体チップ２には、その表面側の全面にわたって回路や配線６が設けられているものの、例えば演算に用いられる箇所など、局所的に発熱が集中する箇所、即ち、ホットスポットＨＳがある。このようなホットスポットＨＳがあると、その箇所で配線６が断線してしまうおそれがあるため、ホットスポットＨＳから効率良く放熱させることが重要である。
【００２５】
このため、高熱伝導部材１５を、少なくともホットスポットＨＳの上方に貼り付けるのが好ましい。例えばマルチコアの半導体チップ２などの場合、ホットスポットＨＳは複数個所となるため、それぞれのホットスポットＨＳの上方に高熱伝導部材１５を貼り付けるのが好ましい。つまり、ホットスポットＨＳが少なくとも一つ以上存在する半導体チップ２において、ホットスポットＨＳの上方に個別に高熱伝導部材１５を貼り付けるようにすれば良い。ここでは、４箇所のホットスポットＨＳがあるため、それぞれの上方に高熱伝導部材１５を貼り付けている。
【００２６】
このように、ホットスポットＨＳの上方に高熱伝導部材１５を設けることで、ホットスポットＨＳの熱を周囲に拡散させ、効率良く放熱させることができる。この結果、局所的に温度が高くなるのを防止することができ、配線６の断線（焼き切れ）を防止することができる。つまり、配線６が焼き切れる温度まで温度が上昇するのを防止することができる。
【００２７】
また、従来は、ホットスポットＨＳの温度によって配線６が焼き切れてしまうことがないようにジャンクション温度を設定し、これを超えないように、冷却器の能力を大きくして、半導体チップ２の裏面側から冷却する必要があった。これに対し、上述のように構成することで、半導体チップ２の局所加熱を緩和し、半導体チップ２の発熱の集中を抑制することができるため（例えばホットスポットＨＳの温度を下げて他の部分の温度と均一にすることができるため）、冷却器の能力を落とす、即ち、冷却器を小さくすることが可能性となる。
【００２８】
次に、上述のように構成される半導体パッケージの製造方法について、図３〜図５を参照しながら説明する。
ここでは、直径約０．１ｍｍの複数の電極７がピッチ約０．２ｍｍで配列されている半導体チップ２であって、ホットスポットＨＳが４箇所ある場合に、各ホットスポットＨＳの上方のそれぞれに高熱伝導部材１５を貼り付けて、半導体パッケージを製造する場合を例に挙げて説明する。
【００２９】
まず、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、半導体チップ２の表面上、即ち、絶縁膜５の表面上の電極７が設けられていない領域をメタライズして、金属層１６を形成する。ここでは、半導体チップ２の複数の電極７に金属層１６が接してショートしないように、直径約０．１ｍｍの各電極７に対して直径約０．１２ｍｍのマスキング（図示せず）を施し、４つの高熱伝導部材１５のそれぞれを貼り付ける各領域に、蒸着又はスパッタリングによってメタライズして、金属層１６を形成する。
【００３０】
例えば、表面層にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等、中間層にＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ等、絶縁層との密着層にＣｒ、Ｔｉ等を用いた３層構造の金属層１６を形成する。ここで、表面層の厚さは約１００ｎｍ、中間層の厚さは約３００ｎｍ、密着層の厚さは約１００ｎｍとすれば良い。
次いで、図３（Ｃ）に示すように、上述のようにして４つの領域に分割して形成された各金属層１６上に、蒸着法によって約０．０１ｍｍ程度の厚さになるようにはんだ１７を設ける。ここで、はんだ１７の種類はＩｎ系のはんだが柔軟性に優れる点で好ましい。ここでは、例えばＩｎ−１０Ａｇはんだを用いる。
【００３１】
その後、各電極７を覆っているマスキング用マスクを除去する。
また、半導体チップ２の表面に貼り付ける高熱伝導部材１５を用意する。
ここでは、各高熱伝導部材１５は、例えばＡｌＮからなるものとし、厚さを約０．０３ｍｍとし、４つの領域に形成された金属層１６と同じ大きさとする。そして、各高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の各電極７に対応する領域に貫通穴１５Ａを有するものとする。つまり、半導体チップ２の各電極７の上方の金属層１６が形成されていない領域と同じ大きさの貫通穴１５Ａ（直径約０．１２ｍｍ）を有するものとする。ここで、各高熱伝導部材１５の貫通穴１５Ａは、例えばレーザー加工、超音波加工、ドライエッチングなど様々は方法によって形成することができる。
【００３２】
また、図３（Ｄ）に示すように、各高熱伝導部材１５には、半導体チップ２に貼り付ける側の表面にメタライズを施して、金属層１８を形成する。ここでは、上述の半導体チップ２の表面上にメタライズして金属層１６を形成する場合と同様にして、例えば、表面層にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等、中間層にＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ等、絶縁層との密着層にＣｒ、Ｔｉ等を用いた３層構造の金属層１８を形成する。
【００３３】
次に、図３（Ｄ）、図３（Ｅ）、図４に示すように、半導体チップ２の表面に各高熱伝導部材１５を貼り付ける。
ここでは、上述のようにして、表面に金属層１８を形成された各高熱伝導部材１５を、半導体チップ２の表面上の各領域に分割して形成された各金属層１６上に位置合わせし、載置した状態で、例えば窒素雰囲気の加熱炉で加熱して、はんだ接合する。なお、接合性を上げるために、接合箇所に予めフラックスを塗布しておくのが好ましい。
【００３４】
次に、図３（Ｆ）に示すように、各高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２の各電極７上に、それぞれ、はんだバンプ１０を形成する。
ここで、はんだバンプ１０の形成方法としては、例えばメッキ法、蒸着法、蒸着転写法などがある。ここでは、蒸着転写法を用いてはんだバンプ１０を形成する場合を例に挙げて、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）を参照しながら説明する。
【００３５】
まず、図５（Ａ）に示すように、半導体チップ２の各電極７に対応する位置に直径約０．１５ｍｍの穴を有する、厚さ約０．１５ｍｍのメタルマスク１９を、無垢のシリコンウェハ２０（シリコン板）上に位置合わせし、図５（Ｂ）に示すように、はんだ１０Ｘとして例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを、約１００μｍの高さに蒸着する。
次に、メタルマスク１９を剥がし、図５（Ｃ）に示すように、シリコンウェハ２０上の各はんだ１０Ｘを半導体チップ２の各電極７に位置合わせし、これらが接した状態で、例えば約２３５℃の窒素雰囲気の加熱炉で加熱すると、それぞれのはんだ１０Ｘはシリコンウェハ２０から剥がれ、図５（Ｄ）に示すように、半導体チップ２の各電極７に転写される。この際、蒸着はんだ１０Ｘの表面にフラックスを塗布しておくと、より良いはんだバンプ１０を形成することが可能となる。なお、このはんだバンプ１０の形成の際に、先に半導体チップ２に高熱伝導部材１５を接合するのに用いたＩｎ−１０Ａｇはんだ１７も溶融状態となるが、表面張力で高熱伝導部材１５がずれたり、剥がれたりすることはない。
【００３６】
次に、図３（Ｇ）に示すように、上述のようにして得られた半導体チップ２を、パッケージ基板１上に位置合わせし、載置した状態で、例えば約２３５℃の窒素雰囲気の加熱炉で加熱して、はんだ接合する。つまり、上述のようにして得られた半導体チップ２を、パッケージ基板１上にフリップチップ接合する。そして、半導体チップ２とパッケージ基板１との間の隙間にアンダーフィル材１１を充填する。
【００３７】
その後、半導体チップ２の裏面側に熱伝導用接合部１２を介してリッド１３を熱的に接続させ、パッケージ基板１上に例えば接着シート１４によってリッド１３を接着する（図２参照）。
このようにして、本実施形態の半導体パッケージが完成する。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置によれば、半導体チップ２に備えられる回路や配線６の設計に影響を与えることなく、半導体チップ２の表面側から、半導体チップ２からの発熱を効率良く放熱させることができるという利点がある。
【００３８】
ここで、この効果を確認するために、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、従来の発熱モデル及び上述の実施形態の発熱モデルを作成し、熱シミュレーションを行なった。
従来の発熱モデルでは、図６（Ａ）に示すように、縦約１００ｍｍ、横約１００ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍのシリコン板２１（熱伝導率：約１４９Ｗ／ｍＫ）の表面上の中央部に、縦約２ｍｍ、横約２ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍの発熱部２２（約１００Ｗ）を設けた。そして、シリコン板２１を含む表面全体を、絶縁膜としての厚さ約０．０１ｍｍのＳｉＯ２膜２３（熱伝導率：約１〜２Ｗ／ｍＫ）で覆った。また、シリコン板２１の裏面側には冷却ブロック２４を設け、温度を約２０℃に固定した。
【００３９】
上述の実施形態の発熱モデルでは、上述の従来の発熱モデルに対し、図６（Ｂ）に示すように、さらに、表面全体を、高熱伝導部材としての厚さ約０．０３ｍｍのＡｌＮ板２５（熱伝導率：約２３０Ｗ／ｍＫ）で覆った。
これらの発熱モデルを用いて熱シミュレーションを行なった結果、従来の発熱モデルに比べて、上述の実施形態の発熱モデルでは、発熱部２２の中心部温度を約２７％改善できた。このように、発熱部２２の熱を絶縁膜としてのＳｉＯ２膜２３上に設けられた高熱伝導部材としてのＡｌＮ板２５によって放熱させ、発熱部２２の温度を下げることができることが確認できた。これにより、上述の実施形態の構成によって、半導体チップ２からの発熱を効率良く放熱させ、温度を下げることができることが確認できた。
【００４０】
なお、上述の実施形態では、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５をはんだ接合する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を貼り付けることができれば良い。
例えば、図７に示すように、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を接着剤２６によって接着するようにしても良い。この場合、高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の絶縁膜５の表面上の複数の電極７が設けられていない領域に接着剤２６によって接着されることになる。例えば、ＡｌＮからなり、半導体チップ２の各電極７に対応する領域に直径約０．１２ｍｍの貫通穴１５Ａを有する高熱伝導部材１５を用意し、この高熱伝導部材１５の半導体チップ２に貼り付ける側の表面に、耐熱性に優れるポリイミド系の接着剤２６を約０．０２ｍｍ塗布する。次に、フリップチップボンダーを用いて、接着剤２６を塗布した面を半導体チップ２の表面に向けて、半導体チップ２に対して高熱伝導部材１５を位置合わせし、載置した状態で、約１５０℃で約１時間加熱して、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を接着するようにすれば良い。なお、接着剤２６によって接着する場合には、上述の実施形態のように半導体チップ２や高熱伝導部材１５にメタライズによる金属層１６、１８を形成しなくても良い。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる電子装置について、図８を参照しながら説明する。
【００４１】
本実施形態にかかる電子装置は、例えばサーバやパソコンなどの電子装置である。
本電子装置は、図８に示すように、例えばマザーボードやシステムボードなどの回路基板（配線基板）２７上に、上述の第１実施形態の半導体パッケージ２８が実装され、さらに、電源部品２９、コネクタ部品３０、コントローラ部品３１、メモリ部品３２、その他の部品３３が実装され、冷却ファン３４を備えるラック３５に収納されたものである。なお、本実施形態では、上述の第１実施形態の半導体パッケージ２８上（即ち、リッド１３の上面上）にフィンを有するヒートシンク３６を熱的に接続したものを、回路基板２７上に実装している。
【００４２】
そして、回路基板２７上に実装された各部品２８〜３３は、回路基板２７に電気的に接続されている。また、ラック３５に備えられる冷却ファン３４によって、ラック３５にセットされた回路基板２７上に実装されている半導体パッケージ２８上に設けられたフィンに風を当てることができるようになっている。なお、回路基板２７を、配線基板あるいはプリント基板ともいう。
【００４３】
したがって、本実施形態にかかる電子装置によれば、上述の第１実施形態の半導体パッケージを備えるため、より信頼性の高い電子装置を実現することができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、冷却構造としてフィンを有するヒートシンク３６を搭載して空冷方式によって冷却を行なう場合を例に挙げて説明しているが、冷却方式はこれに限られるものではない。例えば、冷却方式として、水冷、ＬＨＰ（Loop Heat Pipe）、サーモサイフォン、浸漬液冷などのいずれの方式を用いることもでき、この場合も上述の実施形態の場合と同様の効果が得られる。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【００４４】
例えば、上述の各実施形態では、半導体装置として、高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２をパッケージ基板１（配線基板）にフリップチップ接合した半導体パッケージを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、半導体装置は、高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２を、例えばマザーボードやシステムボードなどの回路基板（配線基板）にフリップチップ接合したものであっても良い。この場合、回路基板は、半導体チップの複数の電極に対応する位置に設けられた複数の電極を有するものとなる。また、例えば、半導体装置は、高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２のみによって構成される場合もある。
【符号の説明】
【００４５】
１ パッケージ基板（配線基板）
２ 半導体チップ（半導体装置）
３ 電極
４ はんだボール
５ 絶縁膜
６ 配線
７ 電極（第１電極）
８ 配線層
９ 電極（第２電極）
１０ はんだバンプ
１０Ｘ はんだ
１１ アンダーフィル材
１２ 熱伝導用接合部
１３ リッド
１４ 接着シート
１５ 高熱伝導部材
１５Ａ 貫通穴
１６ 金属層
１７ はんだ
１８ 金属層
１９ メタルマスク
２０ シリコンウェハ
２１ シリコン板
２２ 発熱部
２３ ＳｉＯ２膜（絶縁膜）
２４ 冷却ブロック
２５ ＡｌＮ板（高熱伝導部材）
２６ 接着剤
２７ 回路基板（配線基板）
２８ 半導体パッケージ（半導体装置）
２９ 電源部品
３０ コネクタ部品
３１ コントローラ部品
３２ メモリ部品
３３ その他の部品
３４ 冷却ファン
３５ ラック
３６ フィンを有するヒートシンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子装置の高性能化にともない、半導体チップの発熱量が増える傾向がある。また、半導体チップの大きさもますます大きくなり、今後もその傾向は続くと予想されている。また、一つのチップ内に複数のコアが形成されているマルチコアの半導体チップが多くなり、これも発熱量の増大につながっている。
一般に、半導体チップを配線基板上にフリップチップ接合する場合、半導体チップの表面側に設けられた配線層、即ち、回路や配線を絶縁膜で覆った配線層が配線基板側になるため、半導体チップの裏面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるようにしている。つまり、本来であれば、半導体チップの表面側、即ち、配線層が設けられている側に発熱箇所があるため、この表面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるのが効率的である。しかしながら、フリップチップ接合の場合、半導体チップの表面側を配線基板側に向けて接合するため、半導体チップの表面側には全面にわたって複数の電極が設けられており、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるのは難しい。そこで、フリップチップ接合する場合、半導体チップの裏面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるようにしている。
【０００３】
また、半導体チップの表面側に発熱箇所があるにもかかわらず、半導体チップの表面側は絶縁膜で覆われており、さらに、フリップチップ接合の場合、半導体チップと配線基板との間に充填されたアンダーフィル材が絶縁膜の表面に接しているため、放熱性が非常に悪い。そこで、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させるために、半導体チップの表面側に設けられた配線層の中に、即ち、配線層を構成する絶縁膜の中に、熱拡散率の高い材料からなる熱伝導膜や放熱用のダミー配線を設けるようにしたものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９８１３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のように半導体チップの発熱量が増えてくると、半導体チップの裏面側から、半導体チップからの発熱を放熱させるだけでは十分に放熱させるのが難しくなる。
また、上述のように、半導体チップの表面側に設けられた配線層の中に熱伝導膜やダミー配線を設けるには、半導体チップの製造プロセスの中でこれらを形成することが必要になる。このため、熱伝導膜やダミー配線を含むものとして、半導体チップに備えられる回路や配線の設計を行なう必要がある。また、既に設計済みの半導体チップについては新たに設計しなおす必要があり、これには莫大な工数とコストがかかる。また、半導体チップを実際に作製した後に性能が十分でない場合には、設計変更が必要になり、さらに工数やコストがかかることになる。
【０００６】
そこで、半導体チップに備えられる回路や配線の設計に影響を与えることなく、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させることができるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本半導体装置は、絶縁膜と、配線と、絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、絶縁膜の表面上の第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材とを備えることを要件とする。
本電子装置は、絶縁膜と、配線と、絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、絶縁膜の表面上の第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材と、複数の第１電極に対応する位置に設けられた複数の第２電極を有する配線基板とを備え、半導体チップが配線基板にフリップチップ接合されている半導体装置を備えることを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本半導体装置及び電子装置によれば、半導体チップに備えられる回路や配線の設計に影響を与えることなく、半導体チップの表面側から、半導体チップからの発熱を効率良く放熱させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）に備えられる半導体チップ（高熱伝導部材が貼り付けられたもの）の構成を示す模式図であって、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図２】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）の構成を示す模式的断面図である。
【図３】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｆ）は斜視図であり、（Ｇ）は断面図である。
【図４】第１実施形態にかかる半導体装置（半導体パッケージ）に備えられる半導体チップに高熱伝導部材が貼り付けられた状態を示す模式的断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態にかかる半導体装置の製造方法において半導体チップの各電極上にはんだバンプを形成する方法を説明するための模式的断面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の効果を確認するための熱シミュレーションにおける発熱モデルを示す模式的断面図であって、（Ａ）は従来の発熱モデル、（Ｂ）は第１実施形態の発熱モデルを示している。
【図７】第１実施形態にかかる半導体装置の変形例の構成を示す模式図であって、半導体チップに高熱伝導部材が貼り付けられた状態を示す断面図である。
【図８】第２実施形態にかかる電子装置の構成を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置及び電子装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる半導体装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００１１】
本実施形態にかかる半導体装置は、例えばサーバやパソコンなどの電子装置に用いられる半導体パッケージである。なお、電子装置を、電子機器あるいは情報機器ともいう。
本半導体パッケージは、図２に示すように、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に搭載された半導体チップ２と、パッケージ基板１のチップ搭載面の反対側の面の全面に格子状に配列された複数の電極３と、各電極３上に設けられたはんだボール４とを備えるＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージである。
【００１２】
なお、半導体パッケージを、半導体装置ともいう。また、パッケージ基板１を、配線基板ともいう。また、はんだボール４を、はんだバンプあるいはボール電極ともいう。また、半導体チップ２を、半導体素子ともいう。
ここで、半導体チップ２は、図１（Ａ）に示すように、その表面側に、絶縁膜５と、配線６と、絶縁膜５の表面上に全面にわたって設けられた複数の電極７（第１電極）とを含む配線層８を備える。なお、配線層８に含まれる配線６によって各素子が接続されて回路が構成されるため、半導体チップ２は、その表面側に回路を含むことになる。このため、半導体チップ２の表面側は、回路が形成されている側であるため、半導体チップ２の表面を回路面ともいう。ここでは、半導体チップ２は、ＬＳＩチップである。また、絶縁膜５の表面上に露出している複数の電極７は、例えば信号入出力用の電極である。
【００１３】
本半導体パッケージは、図２に示すように、半導体チップ２がパッケージ基板１にフリップチップ接合（ここでははんだ接合）された実装構造を有する。つまり、パッケージ基板１のチップ搭載面に格子状に配列された複数の電極９（第２電極）と、半導体チップ２の表面側に格子状に配列された複数の電極７とが、はんだバンプ１０を介して接続されている。ここで、パッケージ基板１のチップ搭載面に設けられた複数の電極９は、半導体チップ２の表面側に設けられた複数の電極７に対応する位置に設けられている。
【００１４】
また、本半導体パッケージでは、フリップチップ接合部である半導体チップ２とパッケージ基板１との間の隙間に、例えばエポキシ樹脂などを主成分とするアンダーフィル材１１が充填されている。
また、本実施形態では、半導体チップ２の裏面側に、例えばはんだ接合部などの熱伝導用接合部１２を介して、ヒートスプレッダとして機能するリッド１３が熱的に接続されている。ここでは、半導体チップ２の裏面側に熱的に接続されるように、パッケージ基板１上に例えば接着シート１４によってリッド１３が接着されている。このため、本半導体パッケージは、リッド１３を備える。
【００１５】
なお、ここでは、半導体パッケージを半導体装置としているが、半導体装置は、このように構成される半導体パッケージのリッド１３の上面上に、冷却器（冷却構造）を熱的に接続させたものとしても良い。例えば、リッド１３の上面上に、熱伝導シート又は熱伝導グリースを介して、フィンを有するヒートシンクを備えるものとしても良い。なお、後述の第２実施形態では、冷却器（冷却構造）として、フィンを有するヒートシンクを、リッド１３の上面上に熱的に接続させたものとし、ファンを設けて送風し、フィンに風を当てるようにして、半導体チップ２を冷却するようにしている。
【００１６】
特に、本実施形態では、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５が貼り付けられている。つまり、本半導体パッケージは、半導体チップ２の絶縁膜５の表面上の複数の電極７が設けられていない領域に貼り付けられた高熱伝導部材１５を備える。本実施形態では、高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の絶縁膜５の表面上の複数の電極７が設けられていない領域にはんだ接合されている。このように、例えば半導体チップ２の表面上に高熱伝導膜を成膜すると、半導体チップ２に大きな応力が加わることになり、好ましくないため、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を貼り付けるようにしている。
【００１７】
ここで、高熱伝導部材１５は、絶縁膜５よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材である。ここでは、半導体チップ２の表面側に設けられた複数の電極７のそれぞれに対応する位置に貫通穴１５Ａを有し、絶縁膜５よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料からなる板状部材である。そして、図２に示すように、これらの貫通穴１５Ａを介して、パッケージ基板１のチップ搭載面に設けられた複数の電極９と、半導体チップ２の表面側に設けられた複数の電極７とが、はんだ接合されるようになっている。なお、高熱伝導材料からなる板状部材を、高熱伝導板ともいう。
【００１８】
このように、半導体チップ２の表面側に設けられた絶縁膜５の表面の大部分において、金属などに比べて熱伝導率が低い（例えば１〜２Ｗ／ｍＫ程度）アンダーフィル材１１は接しておらず、高熱伝導部材１５が貼り付けられているため、熱拡散を促進させることができる。これにより、半導体チップ２の表面側から、半導体チップ２からの発熱を効率良く放熱させることができる。この場合、半導体チップ２の裏面側だけでなく、表面側からも、半導体チップ２からの発熱を放熱させることができるため、半導体チップ２の発熱量が増えてきても、十分に放熱させることが可能となる。このため、半導体チップ２の裏面側から大きな冷却能力で冷却する必要もなくなる。
【００１９】
また、半導体チップ２の製造プロセスの後工程で、作製された半導体チップ２に対して、高熱伝導部材１５を貼り付けるだけで良いため、半導体チップ２の設計変更を伴わず、比較的容易に適用可能である。特に、現存する半導体チップ２に対しても適用可能である。また、仮に、半導体チップ２に貼り付けた高熱伝導部材１５が十分な性能を発揮しなかった場合でも、半導体チップ２の設計変更を伴わず、高熱伝導部材１５に対して例えば材料や寸法等の変更などを行なうことで容易に対応可能である。
【００２０】
本実施形態では、高熱伝導部材１５は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成される。
なお、高熱伝導部材１５は、ＡｌＮ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、炭素系材料、ダイヤモンド、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選ばれるいずれか一種の材料で構成されるものとすれば良い。
例えば、高熱伝導部材１５をＡｌＮ、ＳｉＣ、炭素系材料、ダイヤモンド、Ａｌによって構成する場合には、半導体チップ２の表面及び高熱伝導部材１５の半導体チップ２に貼り付ける側の表面をメタライズして金属層（図４参照）を形成した上で、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面にはんだ接合すれば良い。なお、高熱伝導部材１５をＣｕ、Ａｇ、Ａｕによって構成する場合には、メタライズして金属層を形成しなくても良い。また、メタライズして形成される金属層を、メタライズ層ともいう。
【００２１】
ここで、メタライズによって形成する金属層は、はんだ付けを行なうことを考慮すると、多層構造にするのが好ましい。例えば、表面層にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等、中間層にＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ等、絶縁膜との密着層にＣｒ、Ｔｉ等を用いた３層構造の金属層とするのが好ましい。これにより、はんだぬれ不良やはんだ食われを防止することができる。なお、メタライズによって形成する金属層は、多層構造でなくても良く、密着性とはんだぬれ性を確保することができるのであれば、単層であっても良い。
【００２２】
また、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合する場合、接合部分（接合層）をできるだけ薄くすることが望ましい。このため、半導体チップ２側に形成された金属層と高熱伝導部材１５側に形成された金属層とが、互いに接触して加熱した際に共晶反応を起こして溶融し、接合されるように、半導体チップ２側に形成する金属層及び高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料を決めるのが望ましい。例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をインジウムとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＳｎとすれば良い。この場合、共晶反応は約１１７℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。また、例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をＳｎとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＢｉとしても良い。この場合、共晶反応は約１３９℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。また、例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をインジウムとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＢｉとしても良い。この場合、共晶反応は約７２℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。また、例えば、半導体チップ２側に形成する金属層の材料をＡｕとし、高熱伝導部材１５側に形成する金属層の材料をＳｉとしても良い。この場合、共晶反応は約３６３℃で起きるため、この温度以上の温度に加熱して、高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面に接合すれば良い。
【００２３】
本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、高熱伝導部材１５として、複数（ここでは４つ）の高熱伝導部材１５が設けられている。つまり、半導体チップ２と同程度のサイズの高熱伝導部材１５を用いると、動作時に半導体チップ２が発熱して熱膨張した場合に、半導体チップ２と高熱伝導部材１５との間に熱膨張差が生じ、半導体チップ２に大きな応力が加わることになる。そこで、半導体チップ２と同程度のサイズの高熱伝導部材１５を複数に分割し、複数の高熱伝導部材１５とすることで、動作時に半導体チップ２に加わる応力を小さくし、信頼性を向上させるようにしている。
【００２４】
ここでは、複数の高熱伝導部材１５を半導体チップ２の表面側の全面にわたって貼り付けている。なお、高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の表面側に部分的に貼り付けるようにしても良い。
特に、半導体チップ２には、その表面側の全面にわたって回路や配線６が設けられているものの、例えば演算に用いられる箇所など、局所的に発熱が集中する箇所、即ち、ホットスポットＨＳがある。このようなホットスポットＨＳがあると、その箇所で配線６が断線してしまうおそれがあるため、ホットスポットＨＳから効率良く放熱させることが重要である。
【００２５】
このため、高熱伝導部材１５を、少なくともホットスポットＨＳの上方に貼り付けるのが好ましい。例えばマルチコアの半導体チップ２などの場合、ホットスポットＨＳは複数個所となるため、それぞれのホットスポットＨＳの上方に高熱伝導部材１５を貼り付けるのが好ましい。つまり、ホットスポットＨＳが少なくとも一つ以上存在する半導体チップ２において、ホットスポットＨＳの上方に個別に高熱伝導部材１５を貼り付けるようにすれば良い。ここでは、４箇所のホットスポットＨＳがあるため、それぞれの上方に高熱伝導部材１５を貼り付けている。
【００２６】
このように、ホットスポットＨＳの上方に高熱伝導部材１５を設けることで、ホットスポットＨＳの熱を周囲に拡散させ、効率良く放熱させることができる。この結果、局所的に温度が高くなるのを防止することができ、配線６の断線（焼き切れ）を防止することができる。つまり、配線６が焼き切れる温度まで温度が上昇するのを防止することができる。
【００２７】
また、従来は、ホットスポットＨＳの温度によって配線６が焼き切れてしまうことがないようにジャンクション温度を設定し、これを超えないように、冷却器の能力を大きくして、半導体チップ２の裏面側から冷却する必要があった。これに対し、上述のように構成することで、半導体チップ２の局所加熱を緩和し、半導体チップ２の発熱の集中を抑制することができるため（例えばホットスポットＨＳの温度を下げて他の部分の温度と均一にすることができるため）、冷却器の能力を落とす、即ち、冷却器を小さくすることが可能性となる。
【００２８】
次に、上述のように構成される半導体パッケージの製造方法について、図３〜図５を参照しながら説明する。
ここでは、直径約０．１ｍｍの複数の電極７がピッチ約０．２ｍｍで配列されている半導体チップ２であって、ホットスポットＨＳが４箇所ある場合に、各ホットスポットＨＳの上方のそれぞれに高熱伝導部材１５を貼り付けて、半導体パッケージを製造する場合を例に挙げて説明する。
【００２９】
まず、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、半導体チップ２の表面上、即ち、絶縁膜５の表面上の電極７が設けられていない領域をメタライズして、金属層１６を形成する。ここでは、半導体チップ２の複数の電極７に金属層１６が接してショートしないように、直径約０．１ｍｍの各電極７に対して直径約０．１２ｍｍのマスキング（図示せず）を施し、４つの高熱伝導部材１５のそれぞれを貼り付ける各領域に、蒸着又はスパッタリングによってメタライズして、金属層１６を形成する。
【００３０】
例えば、表面層にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等、中間層にＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ等、絶縁層との密着層にＣｒ、Ｔｉ等を用いた３層構造の金属層１６を形成する。ここで、表面層の厚さは約１００ｎｍ、中間層の厚さは約３００ｎｍ、密着層の厚さは約１００ｎｍとすれば良い。
次いで、図３（Ｃ）に示すように、上述のようにして４つの領域に分割して形成された各金属層１６上に、蒸着法によって約０．０１ｍｍ程度の厚さになるようにはんだ１７を設ける。ここで、はんだ１７の種類はＩｎ系のはんだが柔軟性に優れる点で好ましい。ここでは、例えばＩｎ−１０Ａｇはんだを用いる。
【００３１】
その後、各電極７を覆っているマスキング用マスクを除去する。
また、半導体チップ２の表面に貼り付ける高熱伝導部材１５を用意する。
ここでは、各高熱伝導部材１５は、例えばＡｌＮからなるものとし、厚さを約０．０３ｍｍとし、４つの領域に形成された金属層１６と同じ大きさとする。そして、各高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の各電極７に対応する領域に貫通穴１５Ａを有するものとする。つまり、半導体チップ２の各電極７の上方の金属層１６が形成されていない領域と同じ大きさの貫通穴１５Ａ（直径約０．１２ｍｍ）を有するものとする。ここで、各高熱伝導部材１５の貫通穴１５Ａは、例えばレーザー加工、超音波加工、ドライエッチングなど様々は方法によって形成することができる。
【００３２】
また、図３（Ｄ）に示すように、各高熱伝導部材１５には、半導体チップ２に貼り付ける側の表面にメタライズを施して、金属層１８を形成する。ここでは、上述の半導体チップ２の表面上にメタライズして金属層１６を形成する場合と同様にして、例えば、表面層にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等、中間層にＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ等、絶縁層との密着層にＣｒ、Ｔｉ等を用いた３層構造の金属層１８を形成する。
【００３３】
次に、図３（Ｄ）、図３（Ｅ）、図４に示すように、半導体チップ２の表面に各高熱伝導部材１５を貼り付ける。
ここでは、上述のようにして、表面に金属層１８を形成された各高熱伝導部材１５を、半導体チップ２の表面上の各領域に分割して形成された各金属層１６上に位置合わせし、載置した状態で、例えば窒素雰囲気の加熱炉で加熱して、はんだ接合する。なお、接合性を上げるために、接合箇所に予めフラックスを塗布しておくのが好ましい。
【００３４】
次に、図３（Ｆ）に示すように、各高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２の各電極７上に、それぞれ、はんだバンプ１０を形成する。
ここで、はんだバンプ１０の形成方法としては、例えばメッキ法、蒸着法、蒸着転写法などがある。ここでは、蒸着転写法を用いてはんだバンプ１０を形成する場合を例に挙げて、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）を参照しながら説明する。
【００３５】
まず、図５（Ａ）に示すように、半導体チップ２の各電極７に対応する位置に直径約０．１５ｍｍの穴を有する、厚さ約０．１５ｍｍのメタルマスク１９を、無垢のシリコンウェハ２０（シリコン板）上に位置合わせし、図５（Ｂ）に示すように、はんだ１０Ｘとして例えばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを、約１００μｍの高さに蒸着する。
次に、メタルマスク１９を剥がし、図５（Ｃ）に示すように、シリコンウェハ２０上の各はんだ１０Ｘを半導体チップ２の各電極７に位置合わせし、これらが接した状態で、例えば約２３５℃の窒素雰囲気の加熱炉で加熱すると、それぞれのはんだ１０Ｘはシリコンウェハ２０から剥がれ、図５（Ｄ）に示すように、半導体チップ２の各電極７に転写される。この際、蒸着はんだ１０Ｘの表面にフラックスを塗布しておくと、より良いはんだバンプ１０を形成することが可能となる。なお、このはんだバンプ１０の形成の際に、先に半導体チップ２に高熱伝導部材１５を接合するのに用いたＩｎ−１０Ａｇはんだ１７も溶融状態となるが、表面張力で高熱伝導部材１５がずれたり、剥がれたりすることはない。
【００３６】
次に、図３（Ｇ）に示すように、上述のようにして得られた半導体チップ２を、パッケージ基板１上に位置合わせし、載置した状態で、例えば約２３５℃の窒素雰囲気の加熱炉で加熱して、はんだ接合する。つまり、上述のようにして得られた半導体チップ２を、パッケージ基板１上にフリップチップ接合する。そして、半導体チップ２とパッケージ基板１との間の隙間にアンダーフィル材１１を充填する。
【００３７】
その後、半導体チップ２の裏面側に熱伝導用接合部１２を介してリッド１３を熱的に接続させ、パッケージ基板１上に例えば接着シート１４によってリッド１３を接着する（図２参照）。
このようにして、本実施形態の半導体パッケージが完成する。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置によれば、半導体チップ２に備えられる回路や配線６の設計に影響を与えることなく、半導体チップ２の表面側から、半導体チップ２からの発熱を効率良く放熱させることができるという利点がある。
【００３８】
ここで、この効果を確認するために、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、従来の発熱モデル及び上述の実施形態の発熱モデルを作成し、熱シミュレーションを行なった。
従来の発熱モデルでは、図６（Ａ）に示すように、縦約１００ｍｍ、横約１００ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍのシリコン板２１（熱伝導率：約１４９Ｗ／ｍＫ）の表面上の中央部に、縦約２ｍｍ、横約２ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍの発熱部２２（約１００Ｗ）を設けた。そして、シリコン板２１を含む表面全体を、絶縁膜としての厚さ約０．０１ｍｍのＳｉＯ２膜２３（熱伝導率：約１〜２Ｗ／ｍＫ）で覆った。また、シリコン板２１の裏面側には冷却ブロック２４を設け、温度を約２０℃に固定した。
【００３９】
上述の実施形態の発熱モデルでは、上述の従来の発熱モデルに対し、図６（Ｂ）に示すように、さらに、表面全体を、高熱伝導部材としての厚さ約０．０３ｍｍのＡｌＮ板２５（熱伝導率：約２３０Ｗ／ｍＫ）で覆った。
これらの発熱モデルを用いて熱シミュレーションを行なった結果、従来の発熱モデルに比べて、上述の実施形態の発熱モデルでは、発熱部２２の中心部温度を約２７％改善できた。このように、発熱部２２の熱を絶縁膜としてのＳｉＯ２膜２３上に設けられた高熱伝導部材としてのＡｌＮ板２５によって放熱させ、発熱部２２の温度を下げることができることが確認できた。これにより、上述の実施形態の構成によって、半導体チップ２からの発熱を効率良く放熱させ、温度を下げることができることが確認できた。
【００４０】
なお、上述の実施形態では、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５をはんだ接合する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を貼り付けることができれば良い。
例えば、図７に示すように、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を接着剤２６によって接着するようにしても良い。この場合、高熱伝導部材１５は、半導体チップ２の絶縁膜５の表面上の複数の電極７が設けられていない領域に接着剤２６によって接着されることになる。例えば、ＡｌＮからなり、半導体チップ２の各電極７に対応する領域に直径約０．１２ｍｍの貫通穴１５Ａを有する高熱伝導部材１５を用意し、この高熱伝導部材１５の半導体チップ２に貼り付ける側の表面に、耐熱性に優れるポリイミド系の接着剤２６を約０．０２ｍｍ塗布する。次に、フリップチップボンダーを用いて、接着剤２６を塗布した面を半導体チップ２の表面に向けて、半導体チップ２に対して高熱伝導部材１５を位置合わせし、載置した状態で、約１５０℃で約１時間加熱して、半導体チップ２の表面側に高熱伝導部材１５を接着するようにすれば良い。なお、接着剤２６によって接着する場合には、上述の実施形態のように半導体チップ２や高熱伝導部材１５にメタライズによる金属層１６、１８を形成しなくても良い。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる電子装置について、図８を参照しながら説明する。
【００４１】
本実施形態にかかる電子装置は、例えばサーバやパソコンなどの電子装置である。
本電子装置は、図８に示すように、例えばマザーボードやシステムボードなどの回路基板（配線基板）２７上に、上述の第１実施形態の半導体パッケージ２８が実装され、さらに、電源部品２９、コネクタ部品３０、コントローラ部品３１、メモリ部品３２、その他の部品３３が実装され、冷却ファン３４を備えるラック３５に収納されたものである。なお、本実施形態では、上述の第１実施形態の半導体パッケージ２８上（即ち、リッド１３の上面上）にフィンを有するヒートシンク３６を熱的に接続したものを、回路基板２７上に実装している。
【００４２】
そして、回路基板２７上に実装された各部品２８〜３３は、回路基板２７に電気的に接続されている。また、ラック３５に備えられる冷却ファン３４によって、ラック３５にセットされた回路基板２７上に実装されている半導体パッケージ２８上に設けられたフィンに風を当てることができるようになっている。なお、回路基板２７を、配線基板あるいはプリント基板ともいう。
【００４３】
したがって、本実施形態にかかる電子装置によれば、上述の第１実施形態の半導体パッケージを備えるため、より信頼性の高い電子装置を実現することができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、冷却構造としてフィンを有するヒートシンク３６を搭載して空冷方式によって冷却を行なう場合を例に挙げて説明しているが、冷却方式はこれに限られるものではない。例えば、冷却方式として、水冷、ＬＨＰ（Loop Heat Pipe）、サーモサイフォン、浸漬液冷などのいずれの方式を用いることもでき、この場合も上述の実施形態の場合と同様の効果が得られる。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【００４４】
例えば、上述の各実施形態では、半導体装置として、高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２をパッケージ基板１（配線基板）にフリップチップ接合した半導体パッケージを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、半導体装置は、高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２を、例えばマザーボードやシステムボードなどの回路基板（配線基板）にフリップチップ接合したものであっても良い。この場合、回路基板は、半導体チップの複数の電極に対応する位置に設けられた複数の電極を有するものとなる。また、例えば、半導体装置は、高熱伝導部材１５を貼り付けた半導体チップ２のみによって構成される場合もある。
【符号の説明】
【００４５】
１ パッケージ基板（配線基板）
２ 半導体チップ（半導体装置）
３ 電極
４ はんだボール
５ 絶縁膜
６ 配線
７ 電極（第１電極）
８ 配線層
９ 電極（第２電極）
１０ はんだバンプ
１０Ｘ はんだ
１１ アンダーフィル材
１２ 熱伝導用接合部
１３ リッド
１４ 接着シート
１５ 高熱伝導部材
１５Ａ 貫通穴
１６ 金属層
１７ はんだ
１８ 金属層
１９ メタルマスク
２０ シリコンウェハ
２１ シリコン板
２２ 発熱部
２３ ＳｉＯ２膜（絶縁膜）
２４ 冷却ブロック
２５ ＡｌＮ板（高熱伝導部材）
２６ 接着剤
２７ 回路基板（配線基板）
２８ 半導体パッケージ（半導体装置）
２９ 電源部品
３０ コネクタ部品
３１ コントローラ部品
３２ メモリ部品
３３ その他の部品
３４ 冷却ファン
３５ ラック
３６ フィンを有するヒートシンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と、配線と、前記絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、
前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、前記絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記高熱伝導部材は、局所的に発熱が集中する箇所の上方に貼り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記高熱伝導部材として、複数の高熱伝導部材が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記高熱伝導部材は、前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域にはんだ接合されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記高熱伝導部材は、前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域に接着剤によって接着されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記高熱伝導部材は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、炭素系材料、ダイヤモンド、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選ばれるいずれか一種の材料で構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記複数の第１電極に対応する位置に設けられた複数の第２電極を有する配線基板を備え、
前記半導体チップは前記配線基板にフリップチップ接合されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
絶縁膜と、配線と、前記絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、前記絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材と、前記複数の第１電極に対応する位置に設けられた複数の第２電極を有する配線基板とを備え、前記半導体チップが前記配線基板にフリップチップ接合されている半導体装置を備えることを特徴とする電子装置。
【請求項１】
絶縁膜と、配線と、前記絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、
前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、前記絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記高熱伝導部材は、局所的に発熱が集中する箇所の上方に貼り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記高熱伝導部材として、複数の高熱伝導部材が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記高熱伝導部材は、前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域にはんだ接合されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記高熱伝導部材は、前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域に接着剤によって接着されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記高熱伝導部材は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、炭素系材料、ダイヤモンド、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌからなる群から選ばれるいずれか一種の材料で構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記複数の第１電極に対応する位置に設けられた複数の第２電極を有する配線基板を備え、
前記半導体チップは前記配線基板にフリップチップ接合されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
絶縁膜と、配線と、前記絶縁膜の表面上に全面にわたって設けられた複数の第１電極とを含む配線層を備える半導体チップと、前記絶縁膜の表面上の前記第１電極が設けられていない領域に貼り付けられ、前記絶縁膜よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導部材と、前記複数の第１電極に対応する位置に設けられた複数の第２電極を有する配線基板とを備え、前記半導体チップが前記配線基板にフリップチップ接合されている半導体装置を備えることを特徴とする電子装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１１０３３９（Ｐ２０１３−１１０３３９Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５８７１（Ｐ２０１１−２５５８７１）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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