半導体パッケージ及び半導体装置
【課題】半田を介して接続される上側と下側の基板の間の隙間に滞留する熱を効率よく冷却することができる半導体パッケージを提供することにある。
【解決手段】第１の電極パッド４が一面上に形成されたる第１の基板２と、第２の電極パッド１３が一面上に形成された第２の基板１２と、第１の基板２の一面と第２の基板１２の一面を対向させた状態で第１の電極パッド４と第２の電極パッド１３を接合する半田バンプ５と、第１の基板２と第２の基板１３の間の間隙を側方から密封して囲む開口部３１ａを有する放熱体３１と、第１の基板２と第２の基板１２のそれぞれの一面のうち少なくとも一方に形成された溝１６及び突起１７と、第１の基板２と第２の基板１２と放熱体３１によって区画される空間に封入された冷媒３５とを有する。
【解決手段】第１の電極パッド４が一面上に形成されたる第１の基板２と、第２の電極パッド１３が一面上に形成された第２の基板１２と、第１の基板２の一面と第２の基板１２の一面を対向させた状態で第１の電極パッド４と第２の電極パッド１３を接合する半田バンプ５と、第１の基板２と第２の基板１３の間の間隙を側方から密封して囲む開口部３１ａを有する放熱体３１と、第１の基板２と第２の基板１２のそれぞれの一面のうち少なくとも一方に形成された溝１６及び突起１７と、第１の基板２と第２の基板１２と放熱体３１によって区画される空間に封入された冷媒３５とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージ及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器、例えばコンピュータにおいて半導体集積回路（ＬＳＩ）素子を冷却するために、ＬＳＩ素子の放熱面に放熱素子であるヒートスプレッダー、ヒートシンク等を接着し、さらに放熱素子の近傍に送風機を配置して放熱素子に風を送って熱を拡散している。この場合、ＬＳＩ素子の放熱面として、はんだ接続用の電極パッドが形成されない面が選択される。
【０００３】
近年、ＬＳＩの回路の高集積化や高機能化により、ＬＳＩの発熱量が増加する傾向にあり、これに伴い、大型のヒートスプレッダー、ヒートシンクを採用したり、それらの形状を複雑にする構造を作製したりしている。このことは、ＬＳＩ素子を備えた機器の実装技術に大きな影響を与える。
【０００４】
これに対し、ＬＳＩ素子のうち回路基板との接合面側に放熱する方法もあり、例えば樹脂製の回路基板に替えてメタルコア基板を使用することが知られている。
【０００５】
また、ヒートシンクにヒートパイプの一部を接続し、或いは樹脂製の回路基板の内部にメタル板を挟み込んだメタルコア基板を使用し、これによりＬＳＩ素子の冷却効率を高める構造も知られている。
【０００６】
また、作動流体が封入された内部中空の金属製パッケージの表面の凹部に半導体集積回路チップを取り付けた構造が知られ、その中空部内には多数条の溝が形成されている。この場合、半導体集積回路チップのうち電極パッドの無い面が金属製パッケージに接着される。また、金属製パッケージの凹部の周囲には配線基板が取り付けられ、その配線基板の端子と半導体集積回路チップの端子は、ワイヤボンディングにより互いに接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−４７８９７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５０５７号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２４２５号公報
【特許文献４】特開２００２−１５６４０号公報
【特許文献５】特開平５−１９８７１３号公報
【特許文献６】特開２００７−１２３５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような半導体素子の冷却構造によれば、はんだ（半田）を介して半導体素子とインターポーザを接続する構造や、半田を介してインターポーザと配線基板を接続する構造のように、２つの基板の間の空間に滞留する熱を効率よく冷却することが難しい。
【０００９】
本発明の目的は、半田を介して接続される上側と下側の基板の間の隙間、又は半導体素子と基板の間の隙間に滞留する熱を効率よく冷却することができる半導体パッケージ及び半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの観点によれば、第１の電極パッドが一面上に形成された第１の基板と、第２の電極パッドが一面上に形成された第２の基板と、前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、前記第１の基板と前記第２の基板の間の間隙を側面から密封して囲む開口部を有する放熱体と、前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の前記一面のうち少なくとも一方に形成された溝及び突起と、前記第１の基板と前記第２の基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒とを有する半導体パッケージが提供される。
別の観点によれば、第１の電極パッドが一面上に形成されたる半導体素子と、第２の電極パッドが一面上に形成された回路配線基板と、前記半導体素子の前記一面と回路配線基板の前記一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、前記半導体素子と前記第回路配線基板の間の間隙を側面から密封して囲む開口部を有する放熱体と、前記回路配線基板の前記一面の上に形成された溝及び突起と、前記半導体素子と前記回路配線基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒とを有する半導体装置が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半田バンプを介して電極パッド同士が接合される第１の基板と第２の基板の対向面のうち少なくとも一方に溝及び突起を形成するとともに、第１の基板、第２の基板及びそれらの外周の放熱体によって区画される空間内に冷媒を封入している。
冷媒は、溝及び突起における毛細管現象により第１、第２の基板の隙間内の半田バンプに向けて導かれる。
一方、第１の基板の上に実装される半導体素子から発生した熱は、主に電極パッド及び半田バンプを介して第１の基板と第２の基板の隙間に伝わる。また、その隙間内に存在する液状の冷媒は、溝における毛細管現象によって電極パッド及び半田バンプの周囲に導かれる。
前記毛細管現象により導かれた冷媒は、電極パッド及び半田バンプ及びその周辺において蒸発、気化するので、半田バンプは熱を奪われ、冷却される。気化した冷媒は、温度の低い外周部の放熱体により冷却されて液化し、再び溝及び突起を伝って第１、第２の基板の隙間の内部に向けて導かれ、そこで再び蒸発するというように、それらの循環を繰り返す。
また、本発明によれば、半田バンプを介して電極パッド同士が接合される半導体素子と回路配線基板の対向面のうち回路配線基板側に溝及び突起を形成するとともに、半導体素子、回路配線基板及びそれらの外周の放熱体によって区画される空間に冷媒を封入している。
半導体素子で発生した熱は、電極パッド及び半田バンプを伝わり、半導体素子と回路配線基板の間の空間で冷媒を蒸発させる。この場合の冷媒は、溝及び突起における毛細管現象により放熱体から、半導体素子と回路配線基板の隙間に導かれる。また、気化した冷媒は、外周部の放熱体により冷却されて液化し、再び溝及び突起を伝って半導体素子と回路配線基板の隙間の内側に導かれ、再び蒸発するというように、それらの循環を繰り返す。
以上のように、基板同士の隙間、又は半導体素子と回路配線基板の間の隙間において、半導体素子から電極パッド、半田バンプを介して伝わった熱は、その隙間内の冷媒を気化し、その隙間の温度上昇を抑制し、さらに半導体素子の温度上昇を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図（その１〜３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄ、図１Ｅは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図（その４、５）である。
【図１Ｆ】図１Ｆ、図１Ｇは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図（その６、７）である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の平面図、図３Ｂは、図３Ａのうち上側の基板を取り除いた状態を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの実装基板内の熱交換作用を示す説明図である。
【図５Ａ】図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの実装基板に適用される電極パッド、溝及び突起の形成工程を示す断面図（その１〜４）である。
【図５Ｅ】図５Ｅ〜図５Ｇ、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板に適用される電極パッド、溝及び突起の形成工程を示す断面図（その５〜７）である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの実装基板の別の例を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージに実装される半導体素子の別の配置例を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。電極パッドの別の例を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの形成工程を示す断面図である。
まず、半導体パッケージに使用される２つのインターポーザについて説明する。インターポーザは、一面側の金属パッドの位置を反対面側の金属パッドの位置に変換する回路基板である。
【００１４】
図１Ａに示す第１のインターポーザ１は、例えば厚さ約２００μｍのシリコン基板２と、シリコン基板２の第１面上に例えば５０μｍ〜２００μｍのピッチで形成された複数の第１の電極パッド３とを有している。シリコン基板２の第２面上には、例えば約２ｍｍピッチで複数の第２の電極パッド４が形成されている。第１の電極パッド３と第２の電極パッド４は、シリコン基板２の内部に形成された配線（不図示）、ビア（不図示）等により接続されている。
【００１５】
また、第２の電極パッド４の表面には、半田バンプ５が接合されている。半田バンプ５は、鉛フリー半田、例えば融点２１７℃のスズ・銀・銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金から形成されている。
【００１６】
図１Ｂに示す第２のインターポーザ１１は、例えば厚さ約２ｍｍのガラスエポキシ樹脂から形成される絶縁基板１２と、その第１面上に形成された複数の第３の電極パッド１３とを有している。第３の電極パッド１３は、絶縁基板１２の上に第１のインターポーザ１を重ねた状態で第２の電極パッド４に対向する位置に形成される。
【００１７】
さらに、第２のインターポーザ１１の第２面上には、第４の電極パッド１４が形成されている。第３の電極パッド１３と第４の電極パッド１４は、絶縁基板１２の内部に形成されたビアホール１５ａ内のビア１５を介して電気的に接続されている。
なお、絶縁基板１２の内部に配線（不図示）、ビア（不図示）を形成することにより、
第３の電極パッド１３と第４電極パッド１４を電気的に接続してもよい。
【００１８】
ビア１５を形成する方法として、ビアホール１５ａ内に導電性ペーストを充填した後に加熱する方法、或いは、金属膜、例えばＣｕ膜をビアホール１５ａの内面に無電解メッキ、電解メッキにより形成する方法を採用してもよい。
【００１９】
第２のインターポーザ１１の絶縁基板１２の第１面のうち、第３の電極パッド１３とその周辺領域を除いた領域には複数の細溝１６と突起１７を有する金属膜１８が形成されている。即ち、金属膜１８の上部は凹凸形状を有し、突起１７の幅は例えば約４０μｍ、溝１６の幅は例えば約４０μｍであり、突起１７の高さは例えば約４０μｍに形成されている。
突起１７は第３の電極パッド１３から外部に向かって連続的又は断続的に伸びている。なお、溝１６及び突起１７の形成方法については後述する。
【００２０】
次に、図１Ｃに示すように、第２のインターポーザ１１の第３の電極パッド１３の上に、半田ペースト６をスクリーン印刷により形成する。なお、半田ペースト６の代わりにフラックスを形成してもよい。
その後に、第２のインターポーザ１１の第１面と第１のインターポーザ１の第２面を対向させる。さらに、第１のインターポーザ１を第１面側から押し、第１の半田バンプ５を半田ペースト６に押圧して第３の電極パッド１３に接触させる。
【００２１】
続いて、第２のインターポーザ１１とその上の第１のインターポーザ１をリフロー炉内にいれ、その状態で第１の半田バンプ５の融点よりも例えば約２０℃高い温度で半田バンプ５を溶融した後に、常温に戻す。
【００２２】
これにより、図１Ｄに示すように、第１のインターポーザ１の第２の電極パッド４上の半田バンプ５は、第２のインターポーザ１１上の第３の電極パッド１３に接合される。
次に、図１Ｅに示すように、第１の半導体素子２１と第２の半導体素子２３のそれぞれの電極パッド２１ａ、２３ａに接合された第２、第３の半田バンプ２２、２４を第１のインターポーザ１上の第１の電極パッド３に接合する。
【００２３】
第２、第３の半田バンプ２２、２４は、第１のインターポーザ１の下の第１の半田バンプ５よりも融点が低い材料、例えば融点が２０６℃〜２１４℃のＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金から形成することが好ましい。
【００２４】
第２、第３の半田バンプ２２、２４を第１の電極３に接合するために、まず、第１のインターポーザ１の第１の電極パッド３上に半田ペースト又はフラックスを塗布する。その後に、第１のインターポーザ１のうち第１、第２の半導体素子２１、２３を載置する領域にスクリーン印刷法によりアンダーフィル層２５を形成する。さらに、第１、第２の半導体素子２１、２３の第２、第３の半田バンプ２２、２４をアンダーフィル層２５に押しつけて貫通させ、第１の電極パッド３に接触させる。なお、アンダーフィル層として熱硬化樹脂、例えばエポキシ樹脂を使用する。
【００２５】
その後に第１、第２のインターポーザ１、１１及び第１、第２の半導体素子２１、２３をリフロー炉に入れて加熱する。この場合の加熱温度は、アンダーフィル層２５を熱硬化し且つ第２、第３の半田バンプ２２、２４を溶融する高さに設定される。その後に、アンダーフィル層２５及び第２、第３の半田バンプ２２、２４を冷却することにより、第２、第３の半田バンプ２２、２４は、第１の電極パッド３に接合する。
なお、第１、第２の半導体素子２１、２２にはそれぞれ半導体集積回路が形成されている。
【００２６】
次に、図１Ｆに示すように、銅、アルミニウム等の金属から形成される枠状の放熱体３１の中央寄りの領域に形成された開口部３１ａ内に第１、第２のインターポーザ１、１１を嵌め込む。これにより、第１、第２のインターポーザ１、１１の隙間を周囲から放熱体３１により密閉状態で囲む。
【００２７】
放熱体３１のうち第１、第２のインターポーザ１、１１を囲む開口部３１ａの内周面には、第１、第２のインターポーザ１、１１の相互間の隙間に通じる横溝３２が形成されている。横溝３２の底面は、第２のインターポーザ１１の第１面とほぼ同一面になるか或いはそれより上になる位置に形成される。また、放熱体３１の下面は、第２のインターポーザ１１の第２面から第２の電極パッド１４よりも突出する形状を有している。
【００２８】
また、放熱体３１内には、その側面から横溝３２の一部に通じる液体供給路３３が形成されている。また、放熱体３１の外面、例えば上面には複数枚の放熱フィン３４が形成されている。
【００２９】
続いて、放熱体３１と第１、第２のインターポーザ１、１１の境界を封止材３１ｂ、例えば、半田を用いて密封する。この場合の半田は、第１、第２、第３の半田バンプ５、２２、２４よりも融点が低い材料、例えばＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金から形成することが好ましい。
【００３０】
次に、図１Ｇに示すように、放熱体３１の側面にある液体供給路３３の開口端から冷媒となる作動流体３５を供給する。作動流体３５の供給量は、第１、第２のインターポーザ１、１１の間の間隙に存在する細溝１６内を満たし、且つその間隙内に空間を確保する量である。
【００３１】
作動流体３５として、沸点が例えば１００℃以下の流体、例えば代替フロンとして使用されるハイドロクロロフルオロカーボンであるＨＦＣ−３６５、ＨＦＣ−７０００を使用し、或いは有機溶媒であるブタン、ペンタンのような炭化水素系流体を使用する。
その後に、放熱体３１側面の液体供給路３３の開口端を栓３６により密閉し、これにより作動流体３５の液漏れ、及び揮発による消失を防止する。
【００３２】
次に、図２に示すように、第１、第２のインターポーザ１、１１を回路基板３７上に取り付ける。回路基板３７内には、配線、ビア等（不図示）が形成され、また、回路基板３７の上面には第５の電極パッド３８が形成され、さらに第５の電極パッド３８の上には第４の半田バンプ３９が形成されている。第４の半田バンプ３９は、第１〜第３の半田バンプ５、２２，２４よりも融点が低い材料、例えば融点が約１９９℃のＳｎＺｎ合金から形成されることが好ましい。
【００３３】
第１、第２のインターポーザ１、１１を回路基板３７上に取り付けるために、まず、第２のインターボーザ１１の第４の電極パッド１４表面に半田ペースト又はフラックスを塗布する。その後に、第４の電極パッド１４と第４の半田バンプ３９を位置合わせし、第４の半田バンプ３９を溶融して第４の電極パッド１４に接合させる。
【００３４】
これにより、第１、第２の半導体素子２１、２３内の半導体集積回路は、 第１〜第５の電極パッド３、４、１３、１４及び第１〜第４の半田バンプ５、２２、２４、３９等を介して回路基板３７内の配線に接続される。
【００３５】
以上のような第１、第２のインターポーザ１、１１を有するパッケージ基板に第１、第２の半導体素子２１、２３を実装した半導体装置は、例えば図３Ａに示すような平面構造
となる。また、第２のインターポーザ１の上面は図３Ｂに示すような平面構造となる。
なお、図３Ａにおいて符号７、８は、第１、第２の半導体素子２１、２３以外の半導体素子を示し、符号９は、その他の電子部品を示している。
【００３６】
以上のような半導体装置において、第１、第２のインターポーザ１、１１を有する半導体パッケージ基板に実装された第１、第２の半導体素子２１、２３内の半導体集積回路に電圧を供給し、信号を送受信して半導体集積回路を作動させる。これにより、第１、第２の半導体素子２１、２３の温度は、半導体集積回路の動作状況に応じて変化する。
【００３７】
図２において、第１、第２の半導体素子２１、２３の発熱量が高くなると、その熱は、第２、第３の半田バンプ２２、２４及び第１の電極パッド３を通して第１のインターポーザ１内に伝達される。
【００３８】
さらに、第１のインターポーザ１に伝達された熱は、シリコン基板２内の配線、ビア等を通して第２の電極パッド４、第１の半田バンプ５及び第３の電極パッド１３に伝わる。
【００３９】
また、第２の電極パッド４、第１の半田バンプ５及び第３の電極パッド１３が配置される第１、第２のインターボーザ１、１１の隙間の底では、作動流体３５が多数の細溝１６における毛細管現象により導かれて第３の電極パッド１４、第１の半田バンプ５及び第２の電極パッド４の周辺に供給される。
【００４０】
従って、図４に示すように、第１のインターポーザ１から第３の電極パッド１３、第１の半田バンプ５に伝達された熱は、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３及びその周囲の突起１７によって作動流体３５を加熱して蒸発させる。
【００４１】
気化した作動流体３５は、第１のインターポーザ１と第２のインターポーザ１１の間の空間を伝達して温度の低い外周部の放熱体３１の横溝３２に移動する。移動した気体は、多数の放熱フィン３４を有する放熱体３１の中の横溝１６内で熱交換により冷却されて液化する。
【００４２】
液化した作動流体３５は横溝３２の底部に流下し、さらに多数の細溝１６における毛細管現象により再び第３の電極パッド１３、第１の半田バンプ５の表面に導かれる。
【００４３】
このように、第１、第２のインターポーザ１、１１の間の隙間とその周囲の横溝３２により区画される空間内において、作動流体３５は気化と液化を繰り返し、循環することにより、第２の電極パッド４、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３に伝達された熱は冷媒と放熱体３１を介して外部に発散される。
【００４４】
また、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３及び細溝１６等の表面で作動流体３５が蒸発潜熱を奪うので、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３及び細溝１６の温度が低下する。これにより、第１、第２のインターボーザ１、１１の隙間の温度が低下し、その隙間の温度分布を一様にする。また、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３が冷却されることにより、これらに熱的に繋がる第１、第２の半導体素子２１、２３の局所的な温度の上昇、即ちホットスポットの発生が抑制される。
【００４５】
また、上記のパッケージ基板上にチップ状の第１、第２の半導体素子２１、２３等を搭載したシステムインパッケージにおいて、第１、第２の半導体素子２１、２３相互間の温度のバラツキを抑制して温度分布を平均化することができる。
さらに、第１、第２の半導体素子２１、２３の高さが相違しても、温度上昇を抑制することができ、部品実装の問題が生じない。
【００４６】
また、第１、第２の半導体素子２１、２３を第１のインターポーザ１にフェイスアップで実装する構造を採用しても、放熱効果が高くなる。しかも、第１、第２のインターポーザ１、１１内に熱伝達用の金属層を形成していないので、インターポーザ１、１１内の配線の自由度が高くなり、半導体集積回路の高集積化に対応することができる。
【００４７】
次に、図５Ａ〜図５Ｇを参照し、細溝１６及び突起１７を有する金属膜１８と第３の電極パッド１３を形成する方法について説明する。
まず、図５Ａに示すように、ビア１５が形成された絶縁基板１２の上面に、シード層として厚さ０．３μｍのＴｉ層１８ａ、厚さ０．２５μｍの第１のＣｕ層１８ｂを無電解メッキ法により形成する。
【００４８】
続いて、図５Ｂに示すように、第１のＣｕ層１８ｂの上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することによりレジストパターン１９を形成する。レジストパターン１９は、第３の電極パッド１３を形成しようとする領域を露出する直径約２００μｍ〜３００μｍの第１開口部１９ａと、突起１７を形成しようとする領域を露出する幅約４０μｍのストライプ形状の第２開口部１９ｂを有している。第１開口部１９ａの周囲はレジストパターン１９により覆われている。また、第２開口部１９ｂは、約４０μｍの間隔で複数形成されている。
なお、絶縁基板１２のうち第１開口部１９ａの下方にはビア１５が形成されている。
【００４９】
次に、図５Ｃに示すように、Ｔｉ層１８ａ及び第１のＣｕ層１８ｂをメッキ用電極に使用し、レジストパターン１９の第１、第２開口部１９ａ、１９ｂから露出するＣｕ層１８ｂ上にＮｉ層１８ｃ、第２のＣｕ層１８ｄを電解メッキにより順に形成する。Ｎｉ層１８ｃの厚さを例えば４μｍ、第２のＣｕ層１８ｄの厚さを例えば約４０μｍとする。
【００５０】
このように絶縁基板１２の上に形成されたＴｉ層１８ａ、第１のＣｕ層１８ｂ、Ｎｉ層１８ｃ及び第２のＣｕ層１８ｄを金属膜１８とする。
この後に、図５Ｄに示すように、レジストパターン１９を除去する。
【００５１】
次に、図５Ｅに示すように、フォトレジスト２０を塗布し、これを露光、現像することにより、第３の電極パッド１３を形成する領域の周囲に開口部２０ａを形成する。
続いて、図５Ｆに示すように、開口部２０ａを通して過酸化水素、硫酸を含む溶液によりＣｕ層１８ｂをエッチングした後に、開口部２０ａを通してフッ酸・硝酸含有溶液によりＴｉ層１８ａをエッチングして第２のインターポーザ１１の上面を露出する。
【００５２】
その後に、図５Ｇに示すように、フォトレジスト２０を除去する。これにより露出した金属膜１８のうちビア１５の上の領域に島状に残されたＴｉ層１８ａ、第１のＣｕ層１８ｂ、Ｎｉ層１８ｃ及び第２のＣｕ層１８ｄの金属膜を第３の電極パッド１３とする。また、その他の領域に凸状に残されたＴｉ層１８ａ、Ｃｕ層１８ｂ、Ｎｉ層１８ｃ及びＣｕ層１８ｄを突起１７として使用し、さらに、突起１７の間の凹部を細溝１６として使用する。
【００５３】
ところで、図５Ｆに示したフォトレジスト２０を使用せずに、第１のＣｕ層１８ｂ、Ｔｉ層１８ａをエッチングしてもよい。但し、第１のＣｕ層１８ｂをエッチングする際には、第２のＣｕ層１８ｄは、第１のＣｕ層１８ｂの厚さ程度に薄くなるが、特に問題はない。この場合、突起１７は下側の金属膜１８を介して繋がらないが、細溝１７による毛細管現象は発生する。
【００５４】
図６は、以上のような半導体装置の別の例を示す断面図であり、上記の細溝１６、突起
１７を有する金属膜１８を第１のインターポーザ１の第２面（図中下側）に形成した構造を有している。
【００５５】
これにより、放熱体３１の横溝３２のうち放熱フィン３４に近い領域、即ち横溝３２の上面で液化した作動流体３５を細溝１６により第１、第２のインターポーザ１，１２の隙間に導くことが容易になる。この場合、液化した作動流体３５は、細溝１６から第２のインターポーザ１１に落下して第２のインターポーザ１１上を流れる。また、細溝１６に導かれた作動流体３５は、第２、第３の電極パッド４、１３及び第１の半田バンプ５及びその周辺領域の熱により気化して放熱体３１に移動する。
【００５６】
図７は、上記の半導体装置のさらに別の例を示す断面図である。
図７において、第１のインターポーザ１の第１面上には高さ方向、即ち３次元に積層された第３〜第７の半導体素子４１ａ〜４１ｅが積層されている。それらのうち第３〜第６の半導体素子４１ａ〜４１ｄの上面と下面には電極パッドが形成され、それらのうち上下の電極パッドは、半田バンプ４２ｂ〜４２ｄを介して互いに接続されている。半田バンプ４２ａ〜４２ｅは、上記の第２、第３の半田バンプ２２、２４と同じ材料から形成されている。
【００５７】
最も下に配置される第３の半導体素子４１ａの下面の電極パッドに接合される半田バンプ４２ａは、第１の電極パッド３に接続されている。
最も上に配置される第７の半導体素子４１ｅの上面は放熱面となり、その上には、放熱フィン４３ａを有するヒートシンク４２が接着されている。また、第７の半導体素子４１ｅの下面には電極パッドが形成され、その下の半田バンプ４２ｅを介して第６の半導体素子４１ｄの上面の電極パッドに接続されている。
【００５８】
また、放熱体３１の開口部３１ａの下部には外側に広がる段差３１ｃが形成され、その段差３１ｃには第２のインターボーザ１２の外周面に形成されたフランジ１２ａが嵌め込まれている。また、放熱体３１の段差３１ｃの下部には、フランジ２１ａを下方から支持する支持枠３１ｄが嵌め込まれている。これにより、放熱体３１の開口部３１ａ内での第２のインターポーザ１２の位置決めが容易になる。
【００５９】
そのような構造の半導体装置によれば、第３〜第７の半導体素子４１ａ〜４１ｅで発生した熱は、第１のインターポーザ１と第２のインターポーザ１１の間の隙間に供給される作動流体３５を介して放熱体３１から発散されるだけでなく、ヒートシンク４３を介して外部に放出すことができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、図８において、図２と同じ符号は同じ要素を示している。
【００６１】
図８において、半導体集積回路を有する半導体素子５１の下面には、第１の電極パッド５２が複数形成されている。また、半導体素子５１の下に対向して配置される回路配線基板５３の上面には複数の第２の電極パッド５４が形成されている。
回路配線基板５３の平面形状は半導体素子５１の平面形状と同じに形成されている。第２の電極パッド５４は、回路配線基板５３と半導体素子５１のそれぞれの外周縁が上から見て一致する状態で、第１の電極パッド５２に重なる位置に形成されている。
【００６２】
また、配線回路基板５３の上面のうち第２の電極パッド５４とその周囲領域を除いた領域には、第１実施形態と同様に、複数の細溝１６と突起１７を有する金属膜１８が形成されている。
【００６３】
突起１７は第２の電極パッド５４から外部に向かって連続的又は断続的に伸びている。金属膜１８に溝１６及び突起１７を形成する方法は、第１実施形態に示した方法と同様である。溝１６の幅は例えば約４０μｍであり、突起１７の幅は例えば約４０μｍであり、突起１７の高さは例えば約４０μｍである。
【００６４】
半導体素子５１はその外周縁が回路配線基板５３の外周縁と上下に重なる状態に配置され、そのような状態で、第１の電極パッド５２と第２の電極パッド５４は、半田バンプ５５を介して互いに接合されている。半田バンプ５５は、鉛フリー半田、例えば融点２１７℃のＳｎＡｇＣｕ合金から形成されている。
【００６５】
半田バンプ５５により接続された半導体素子５１と回路配線基板５３は、放熱体５６の中央寄りに形成された開口部５６ａ内に密閉状態で嵌め込まれる。
放熱体５６のうち開口部５６ａの内周面には、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間に通じる横溝５７が形成されている。横溝５７の下面は、回路配線基板５３の下面とほぼ同一面になる位置かそれよりも上に形成される。なお、放熱体５６は、例えば銅、アルミニウム等の金属から形成される。
【００６６】
放熱体５６内には、液体供給路５８が横溝５７の一部から放熱体５６の外周面にかけて形成されている。また、放熱体５６の外面、例えば上面には複数枚の放熱フィン５９が形成されている。
【００６７】
放熱体５６と半導体素子５１の境界、および放熱体５６と回路配線基板５３の境界は、それぞれ封止材６０、例えば半田を用いて密封されている。その半田は、半田バンプ５５よりも融点が低い材料、例えばＳｎＩｎＢｉ合金から形成することが好ましい。
【００６８】
放熱体５６の液体供給路５８の側部開口端からは、冷媒となる作動流体３５が横溝５７を通して半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間に供給されている。作動流体３５の供給量は、常温において、半導体素子５１と回路配線基板５３の間に空間が存在し、かつ細溝１６内を満たす量とする。
【００６９】
作動流体３５は、沸点が例えば１００℃以下の流体、例えば第１実施形態に示したと同じ液体が用いられる。放熱体５６側面の液体供給路５８の開口端は栓６１により密閉されている。
【００７０】
以上のような半導体装置において、半導体素子５１に電力を供給し、信号を送受信することにより半導体集積回路を作動させる。これにより、半導体素子５１の温度は、半導体集積回路の動作状況に応じて変化する。
【００７１】
半導体素子５１の発熱量が高くなると、その熱は、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間に存在する半田バンプ５５、第１、第２の電極パッド５２、５４に伝わる。
【００７２】
その隙間の底には、作動流体３５が多数の細溝１６における毛細管現象により導かれて第２の電極パッド５４、半田バンプ５５の周辺に供給されるので、回路配線基板５３から第２の電極パッド５４、半田バンプ５５に伝達された熱は作動流体３５を加熱して蒸発させる。
【００７３】
気化した作動流体３５は、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の空間を伝達して温度の低い外周部の放熱体５６の横溝５７に移動する。移動した作動流体３５の気体は、多数の放熱フィン５９を有する放熱体５６の中の横溝５７内で熱交換により冷却されて液化
する。
【００７４】
液化した作動流体３５は横溝５７の底部に流下し、多数の細溝１６における毛細管現象により再び第２の電極パッド５４、半田バンプ５５の表面に導かれる。
【００７５】
このように、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間とその周囲の横溝５７により区画される空間内において、作動流体３５は気化と液化を繰り返し、循環するので、その空間内の熱は作動流体３５及び放熱体５６を介して外部に放出される。
【００７６】
また、半田バンプ５５、第２の電極パッド５４及び細溝１６及びその周辺領域で作動流体３５が蒸発潜熱を奪うことにより、半導体素子５１と回路配線基板５３の隙間を冷却する。これにより、半導体素子５１の内部温度が低下し、半導体素子５１の温度分布を一様にし、ホットスポットの発生を抑制する。
【００７７】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。
【符号の説明】
【００７８】
１ インターポーザ
２ シリコン基板
３ 第１の電極パッド
４ 第２の電極パッド
５ 半田バンプ
１１ インターポーザ
１２ 絶縁基板
１３ 第３の電極パッド
１４ 第４の電極パッド
１５ ビア
１６ 細溝
１７ 突起
１８ 金属膜
２１、２２ 半導体素子
２３、２４ 半田バンプ
３１ 放熱体
３１ａ 開口部
３２ 横溝
３３ 液体供給路
３４ 放熱フィン
３５ 作動流体
３６ 栓
３７ 回路基板
３８ 第５の電極パッド
３９ 半田バンプ
４１ａ〜４１ｅ 半導体素子
４３ ヒートシンク
５１ 半導体素子
５２、５４ 電極パッド
５５ 半田バンプ
５６ 放熱体
５７ 横溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージ及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器、例えばコンピュータにおいて半導体集積回路（ＬＳＩ）素子を冷却するために、ＬＳＩ素子の放熱面に放熱素子であるヒートスプレッダー、ヒートシンク等を接着し、さらに放熱素子の近傍に送風機を配置して放熱素子に風を送って熱を拡散している。この場合、ＬＳＩ素子の放熱面として、はんだ接続用の電極パッドが形成されない面が選択される。
【０００３】
近年、ＬＳＩの回路の高集積化や高機能化により、ＬＳＩの発熱量が増加する傾向にあり、これに伴い、大型のヒートスプレッダー、ヒートシンクを採用したり、それらの形状を複雑にする構造を作製したりしている。このことは、ＬＳＩ素子を備えた機器の実装技術に大きな影響を与える。
【０００４】
これに対し、ＬＳＩ素子のうち回路基板との接合面側に放熱する方法もあり、例えば樹脂製の回路基板に替えてメタルコア基板を使用することが知られている。
【０００５】
また、ヒートシンクにヒートパイプの一部を接続し、或いは樹脂製の回路基板の内部にメタル板を挟み込んだメタルコア基板を使用し、これによりＬＳＩ素子の冷却効率を高める構造も知られている。
【０００６】
また、作動流体が封入された内部中空の金属製パッケージの表面の凹部に半導体集積回路チップを取り付けた構造が知られ、その中空部内には多数条の溝が形成されている。この場合、半導体集積回路チップのうち電極パッドの無い面が金属製パッケージに接着される。また、金属製パッケージの凹部の周囲には配線基板が取り付けられ、その配線基板の端子と半導体集積回路チップの端子は、ワイヤボンディングにより互いに接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−４７８９７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５０５７号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２４２５号公報
【特許文献４】特開２００２−１５６４０号公報
【特許文献５】特開平５−１９８７１３号公報
【特許文献６】特開２００７−１２３５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような半導体素子の冷却構造によれば、はんだ（半田）を介して半導体素子とインターポーザを接続する構造や、半田を介してインターポーザと配線基板を接続する構造のように、２つの基板の間の空間に滞留する熱を効率よく冷却することが難しい。
【０００９】
本発明の目的は、半田を介して接続される上側と下側の基板の間の隙間、又は半導体素子と基板の間の隙間に滞留する熱を効率よく冷却することができる半導体パッケージ及び半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの観点によれば、第１の電極パッドが一面上に形成された第１の基板と、第２の電極パッドが一面上に形成された第２の基板と、前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、前記第１の基板と前記第２の基板の間の間隙を側面から密封して囲む開口部を有する放熱体と、前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の前記一面のうち少なくとも一方に形成された溝及び突起と、前記第１の基板と前記第２の基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒とを有する半導体パッケージが提供される。
別の観点によれば、第１の電極パッドが一面上に形成されたる半導体素子と、第２の電極パッドが一面上に形成された回路配線基板と、前記半導体素子の前記一面と回路配線基板の前記一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、前記半導体素子と前記第回路配線基板の間の間隙を側面から密封して囲む開口部を有する放熱体と、前記回路配線基板の前記一面の上に形成された溝及び突起と、前記半導体素子と前記回路配線基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒とを有する半導体装置が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半田バンプを介して電極パッド同士が接合される第１の基板と第２の基板の対向面のうち少なくとも一方に溝及び突起を形成するとともに、第１の基板、第２の基板及びそれらの外周の放熱体によって区画される空間内に冷媒を封入している。
冷媒は、溝及び突起における毛細管現象により第１、第２の基板の隙間内の半田バンプに向けて導かれる。
一方、第１の基板の上に実装される半導体素子から発生した熱は、主に電極パッド及び半田バンプを介して第１の基板と第２の基板の隙間に伝わる。また、その隙間内に存在する液状の冷媒は、溝における毛細管現象によって電極パッド及び半田バンプの周囲に導かれる。
前記毛細管現象により導かれた冷媒は、電極パッド及び半田バンプ及びその周辺において蒸発、気化するので、半田バンプは熱を奪われ、冷却される。気化した冷媒は、温度の低い外周部の放熱体により冷却されて液化し、再び溝及び突起を伝って第１、第２の基板の隙間の内部に向けて導かれ、そこで再び蒸発するというように、それらの循環を繰り返す。
また、本発明によれば、半田バンプを介して電極パッド同士が接合される半導体素子と回路配線基板の対向面のうち回路配線基板側に溝及び突起を形成するとともに、半導体素子、回路配線基板及びそれらの外周の放熱体によって区画される空間に冷媒を封入している。
半導体素子で発生した熱は、電極パッド及び半田バンプを伝わり、半導体素子と回路配線基板の間の空間で冷媒を蒸発させる。この場合の冷媒は、溝及び突起における毛細管現象により放熱体から、半導体素子と回路配線基板の隙間に導かれる。また、気化した冷媒は、外周部の放熱体により冷却されて液化し、再び溝及び突起を伝って半導体素子と回路配線基板の隙間の内側に導かれ、再び蒸発するというように、それらの循環を繰り返す。
以上のように、基板同士の隙間、又は半導体素子と回路配線基板の間の隙間において、半導体素子から電極パッド、半田バンプを介して伝わった熱は、その隙間内の冷媒を気化し、その隙間の温度上昇を抑制し、さらに半導体素子の温度上昇を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図（その１〜３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄ、図１Ｅは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図（その４、５）である。
【図１Ｆ】図１Ｆ、図１Ｇは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の形成工程を示す断面図（その６、７）である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板の平面図、図３Ｂは、図３Ａのうち上側の基板を取り除いた状態を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの実装基板内の熱交換作用を示す説明図である。
【図５Ａ】図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの実装基板に適用される電極パッド、溝及び突起の形成工程を示す断面図（その１〜４）である。
【図５Ｅ】図５Ｅ〜図５Ｇ、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのうちの実装基板に適用される電極パッド、溝及び突起の形成工程を示す断面図（その５〜７）である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの実装基板の別の例を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージに実装される半導体素子の別の配置例を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。電極パッドの別の例を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの形成工程を示す断面図である。
まず、半導体パッケージに使用される２つのインターポーザについて説明する。インターポーザは、一面側の金属パッドの位置を反対面側の金属パッドの位置に変換する回路基板である。
【００１４】
図１Ａに示す第１のインターポーザ１は、例えば厚さ約２００μｍのシリコン基板２と、シリコン基板２の第１面上に例えば５０μｍ〜２００μｍのピッチで形成された複数の第１の電極パッド３とを有している。シリコン基板２の第２面上には、例えば約２ｍｍピッチで複数の第２の電極パッド４が形成されている。第１の電極パッド３と第２の電極パッド４は、シリコン基板２の内部に形成された配線（不図示）、ビア（不図示）等により接続されている。
【００１５】
また、第２の電極パッド４の表面には、半田バンプ５が接合されている。半田バンプ５は、鉛フリー半田、例えば融点２１７℃のスズ・銀・銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金から形成されている。
【００１６】
図１Ｂに示す第２のインターポーザ１１は、例えば厚さ約２ｍｍのガラスエポキシ樹脂から形成される絶縁基板１２と、その第１面上に形成された複数の第３の電極パッド１３とを有している。第３の電極パッド１３は、絶縁基板１２の上に第１のインターポーザ１を重ねた状態で第２の電極パッド４に対向する位置に形成される。
【００１７】
さらに、第２のインターポーザ１１の第２面上には、第４の電極パッド１４が形成されている。第３の電極パッド１３と第４の電極パッド１４は、絶縁基板１２の内部に形成されたビアホール１５ａ内のビア１５を介して電気的に接続されている。
なお、絶縁基板１２の内部に配線（不図示）、ビア（不図示）を形成することにより、
第３の電極パッド１３と第４電極パッド１４を電気的に接続してもよい。
【００１８】
ビア１５を形成する方法として、ビアホール１５ａ内に導電性ペーストを充填した後に加熱する方法、或いは、金属膜、例えばＣｕ膜をビアホール１５ａの内面に無電解メッキ、電解メッキにより形成する方法を採用してもよい。
【００１９】
第２のインターポーザ１１の絶縁基板１２の第１面のうち、第３の電極パッド１３とその周辺領域を除いた領域には複数の細溝１６と突起１７を有する金属膜１８が形成されている。即ち、金属膜１８の上部は凹凸形状を有し、突起１７の幅は例えば約４０μｍ、溝１６の幅は例えば約４０μｍであり、突起１７の高さは例えば約４０μｍに形成されている。
突起１７は第３の電極パッド１３から外部に向かって連続的又は断続的に伸びている。なお、溝１６及び突起１７の形成方法については後述する。
【００２０】
次に、図１Ｃに示すように、第２のインターポーザ１１の第３の電極パッド１３の上に、半田ペースト６をスクリーン印刷により形成する。なお、半田ペースト６の代わりにフラックスを形成してもよい。
その後に、第２のインターポーザ１１の第１面と第１のインターポーザ１の第２面を対向させる。さらに、第１のインターポーザ１を第１面側から押し、第１の半田バンプ５を半田ペースト６に押圧して第３の電極パッド１３に接触させる。
【００２１】
続いて、第２のインターポーザ１１とその上の第１のインターポーザ１をリフロー炉内にいれ、その状態で第１の半田バンプ５の融点よりも例えば約２０℃高い温度で半田バンプ５を溶融した後に、常温に戻す。
【００２２】
これにより、図１Ｄに示すように、第１のインターポーザ１の第２の電極パッド４上の半田バンプ５は、第２のインターポーザ１１上の第３の電極パッド１３に接合される。
次に、図１Ｅに示すように、第１の半導体素子２１と第２の半導体素子２３のそれぞれの電極パッド２１ａ、２３ａに接合された第２、第３の半田バンプ２２、２４を第１のインターポーザ１上の第１の電極パッド３に接合する。
【００２３】
第２、第３の半田バンプ２２、２４は、第１のインターポーザ１の下の第１の半田バンプ５よりも融点が低い材料、例えば融点が２０６℃〜２１４℃のＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金から形成することが好ましい。
【００２４】
第２、第３の半田バンプ２２、２４を第１の電極３に接合するために、まず、第１のインターポーザ１の第１の電極パッド３上に半田ペースト又はフラックスを塗布する。その後に、第１のインターポーザ１のうち第１、第２の半導体素子２１、２３を載置する領域にスクリーン印刷法によりアンダーフィル層２５を形成する。さらに、第１、第２の半導体素子２１、２３の第２、第３の半田バンプ２２、２４をアンダーフィル層２５に押しつけて貫通させ、第１の電極パッド３に接触させる。なお、アンダーフィル層として熱硬化樹脂、例えばエポキシ樹脂を使用する。
【００２５】
その後に第１、第２のインターポーザ１、１１及び第１、第２の半導体素子２１、２３をリフロー炉に入れて加熱する。この場合の加熱温度は、アンダーフィル層２５を熱硬化し且つ第２、第３の半田バンプ２２、２４を溶融する高さに設定される。その後に、アンダーフィル層２５及び第２、第３の半田バンプ２２、２４を冷却することにより、第２、第３の半田バンプ２２、２４は、第１の電極パッド３に接合する。
なお、第１、第２の半導体素子２１、２２にはそれぞれ半導体集積回路が形成されている。
【００２６】
次に、図１Ｆに示すように、銅、アルミニウム等の金属から形成される枠状の放熱体３１の中央寄りの領域に形成された開口部３１ａ内に第１、第２のインターポーザ１、１１を嵌め込む。これにより、第１、第２のインターポーザ１、１１の隙間を周囲から放熱体３１により密閉状態で囲む。
【００２７】
放熱体３１のうち第１、第２のインターポーザ１、１１を囲む開口部３１ａの内周面には、第１、第２のインターポーザ１、１１の相互間の隙間に通じる横溝３２が形成されている。横溝３２の底面は、第２のインターポーザ１１の第１面とほぼ同一面になるか或いはそれより上になる位置に形成される。また、放熱体３１の下面は、第２のインターポーザ１１の第２面から第２の電極パッド１４よりも突出する形状を有している。
【００２８】
また、放熱体３１内には、その側面から横溝３２の一部に通じる液体供給路３３が形成されている。また、放熱体３１の外面、例えば上面には複数枚の放熱フィン３４が形成されている。
【００２９】
続いて、放熱体３１と第１、第２のインターポーザ１、１１の境界を封止材３１ｂ、例えば、半田を用いて密封する。この場合の半田は、第１、第２、第３の半田バンプ５、２２、２４よりも融点が低い材料、例えばＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金から形成することが好ましい。
【００３０】
次に、図１Ｇに示すように、放熱体３１の側面にある液体供給路３３の開口端から冷媒となる作動流体３５を供給する。作動流体３５の供給量は、第１、第２のインターポーザ１、１１の間の間隙に存在する細溝１６内を満たし、且つその間隙内に空間を確保する量である。
【００３１】
作動流体３５として、沸点が例えば１００℃以下の流体、例えば代替フロンとして使用されるハイドロクロロフルオロカーボンであるＨＦＣ−３６５、ＨＦＣ−７０００を使用し、或いは有機溶媒であるブタン、ペンタンのような炭化水素系流体を使用する。
その後に、放熱体３１側面の液体供給路３３の開口端を栓３６により密閉し、これにより作動流体３５の液漏れ、及び揮発による消失を防止する。
【００３２】
次に、図２に示すように、第１、第２のインターポーザ１、１１を回路基板３７上に取り付ける。回路基板３７内には、配線、ビア等（不図示）が形成され、また、回路基板３７の上面には第５の電極パッド３８が形成され、さらに第５の電極パッド３８の上には第４の半田バンプ３９が形成されている。第４の半田バンプ３９は、第１〜第３の半田バンプ５、２２，２４よりも融点が低い材料、例えば融点が約１９９℃のＳｎＺｎ合金から形成されることが好ましい。
【００３３】
第１、第２のインターポーザ１、１１を回路基板３７上に取り付けるために、まず、第２のインターボーザ１１の第４の電極パッド１４表面に半田ペースト又はフラックスを塗布する。その後に、第４の電極パッド１４と第４の半田バンプ３９を位置合わせし、第４の半田バンプ３９を溶融して第４の電極パッド１４に接合させる。
【００３４】
これにより、第１、第２の半導体素子２１、２３内の半導体集積回路は、 第１〜第５の電極パッド３、４、１３、１４及び第１〜第４の半田バンプ５、２２、２４、３９等を介して回路基板３７内の配線に接続される。
【００３５】
以上のような第１、第２のインターポーザ１、１１を有するパッケージ基板に第１、第２の半導体素子２１、２３を実装した半導体装置は、例えば図３Ａに示すような平面構造
となる。また、第２のインターポーザ１の上面は図３Ｂに示すような平面構造となる。
なお、図３Ａにおいて符号７、８は、第１、第２の半導体素子２１、２３以外の半導体素子を示し、符号９は、その他の電子部品を示している。
【００３６】
以上のような半導体装置において、第１、第２のインターポーザ１、１１を有する半導体パッケージ基板に実装された第１、第２の半導体素子２１、２３内の半導体集積回路に電圧を供給し、信号を送受信して半導体集積回路を作動させる。これにより、第１、第２の半導体素子２１、２３の温度は、半導体集積回路の動作状況に応じて変化する。
【００３７】
図２において、第１、第２の半導体素子２１、２３の発熱量が高くなると、その熱は、第２、第３の半田バンプ２２、２４及び第１の電極パッド３を通して第１のインターポーザ１内に伝達される。
【００３８】
さらに、第１のインターポーザ１に伝達された熱は、シリコン基板２内の配線、ビア等を通して第２の電極パッド４、第１の半田バンプ５及び第３の電極パッド１３に伝わる。
【００３９】
また、第２の電極パッド４、第１の半田バンプ５及び第３の電極パッド１３が配置される第１、第２のインターボーザ１、１１の隙間の底では、作動流体３５が多数の細溝１６における毛細管現象により導かれて第３の電極パッド１４、第１の半田バンプ５及び第２の電極パッド４の周辺に供給される。
【００４０】
従って、図４に示すように、第１のインターポーザ１から第３の電極パッド１３、第１の半田バンプ５に伝達された熱は、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３及びその周囲の突起１７によって作動流体３５を加熱して蒸発させる。
【００４１】
気化した作動流体３５は、第１のインターポーザ１と第２のインターポーザ１１の間の空間を伝達して温度の低い外周部の放熱体３１の横溝３２に移動する。移動した気体は、多数の放熱フィン３４を有する放熱体３１の中の横溝１６内で熱交換により冷却されて液化する。
【００４２】
液化した作動流体３５は横溝３２の底部に流下し、さらに多数の細溝１６における毛細管現象により再び第３の電極パッド１３、第１の半田バンプ５の表面に導かれる。
【００４３】
このように、第１、第２のインターポーザ１、１１の間の隙間とその周囲の横溝３２により区画される空間内において、作動流体３５は気化と液化を繰り返し、循環することにより、第２の電極パッド４、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３に伝達された熱は冷媒と放熱体３１を介して外部に発散される。
【００４４】
また、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３及び細溝１６等の表面で作動流体３５が蒸発潜熱を奪うので、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３及び細溝１６の温度が低下する。これにより、第１、第２のインターボーザ１、１１の隙間の温度が低下し、その隙間の温度分布を一様にする。また、第１の半田バンプ５、第３の電極パッド１３が冷却されることにより、これらに熱的に繋がる第１、第２の半導体素子２１、２３の局所的な温度の上昇、即ちホットスポットの発生が抑制される。
【００４５】
また、上記のパッケージ基板上にチップ状の第１、第２の半導体素子２１、２３等を搭載したシステムインパッケージにおいて、第１、第２の半導体素子２１、２３相互間の温度のバラツキを抑制して温度分布を平均化することができる。
さらに、第１、第２の半導体素子２１、２３の高さが相違しても、温度上昇を抑制することができ、部品実装の問題が生じない。
【００４６】
また、第１、第２の半導体素子２１、２３を第１のインターポーザ１にフェイスアップで実装する構造を採用しても、放熱効果が高くなる。しかも、第１、第２のインターポーザ１、１１内に熱伝達用の金属層を形成していないので、インターポーザ１、１１内の配線の自由度が高くなり、半導体集積回路の高集積化に対応することができる。
【００４７】
次に、図５Ａ〜図５Ｇを参照し、細溝１６及び突起１７を有する金属膜１８と第３の電極パッド１３を形成する方法について説明する。
まず、図５Ａに示すように、ビア１５が形成された絶縁基板１２の上面に、シード層として厚さ０．３μｍのＴｉ層１８ａ、厚さ０．２５μｍの第１のＣｕ層１８ｂを無電解メッキ法により形成する。
【００４８】
続いて、図５Ｂに示すように、第１のＣｕ層１８ｂの上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することによりレジストパターン１９を形成する。レジストパターン１９は、第３の電極パッド１３を形成しようとする領域を露出する直径約２００μｍ〜３００μｍの第１開口部１９ａと、突起１７を形成しようとする領域を露出する幅約４０μｍのストライプ形状の第２開口部１９ｂを有している。第１開口部１９ａの周囲はレジストパターン１９により覆われている。また、第２開口部１９ｂは、約４０μｍの間隔で複数形成されている。
なお、絶縁基板１２のうち第１開口部１９ａの下方にはビア１５が形成されている。
【００４９】
次に、図５Ｃに示すように、Ｔｉ層１８ａ及び第１のＣｕ層１８ｂをメッキ用電極に使用し、レジストパターン１９の第１、第２開口部１９ａ、１９ｂから露出するＣｕ層１８ｂ上にＮｉ層１８ｃ、第２のＣｕ層１８ｄを電解メッキにより順に形成する。Ｎｉ層１８ｃの厚さを例えば４μｍ、第２のＣｕ層１８ｄの厚さを例えば約４０μｍとする。
【００５０】
このように絶縁基板１２の上に形成されたＴｉ層１８ａ、第１のＣｕ層１８ｂ、Ｎｉ層１８ｃ及び第２のＣｕ層１８ｄを金属膜１８とする。
この後に、図５Ｄに示すように、レジストパターン１９を除去する。
【００５１】
次に、図５Ｅに示すように、フォトレジスト２０を塗布し、これを露光、現像することにより、第３の電極パッド１３を形成する領域の周囲に開口部２０ａを形成する。
続いて、図５Ｆに示すように、開口部２０ａを通して過酸化水素、硫酸を含む溶液によりＣｕ層１８ｂをエッチングした後に、開口部２０ａを通してフッ酸・硝酸含有溶液によりＴｉ層１８ａをエッチングして第２のインターポーザ１１の上面を露出する。
【００５２】
その後に、図５Ｇに示すように、フォトレジスト２０を除去する。これにより露出した金属膜１８のうちビア１５の上の領域に島状に残されたＴｉ層１８ａ、第１のＣｕ層１８ｂ、Ｎｉ層１８ｃ及び第２のＣｕ層１８ｄの金属膜を第３の電極パッド１３とする。また、その他の領域に凸状に残されたＴｉ層１８ａ、Ｃｕ層１８ｂ、Ｎｉ層１８ｃ及びＣｕ層１８ｄを突起１７として使用し、さらに、突起１７の間の凹部を細溝１６として使用する。
【００５３】
ところで、図５Ｆに示したフォトレジスト２０を使用せずに、第１のＣｕ層１８ｂ、Ｔｉ層１８ａをエッチングしてもよい。但し、第１のＣｕ層１８ｂをエッチングする際には、第２のＣｕ層１８ｄは、第１のＣｕ層１８ｂの厚さ程度に薄くなるが、特に問題はない。この場合、突起１７は下側の金属膜１８を介して繋がらないが、細溝１７による毛細管現象は発生する。
【００５４】
図６は、以上のような半導体装置の別の例を示す断面図であり、上記の細溝１６、突起
１７を有する金属膜１８を第１のインターポーザ１の第２面（図中下側）に形成した構造を有している。
【００５５】
これにより、放熱体３１の横溝３２のうち放熱フィン３４に近い領域、即ち横溝３２の上面で液化した作動流体３５を細溝１６により第１、第２のインターポーザ１，１２の隙間に導くことが容易になる。この場合、液化した作動流体３５は、細溝１６から第２のインターポーザ１１に落下して第２のインターポーザ１１上を流れる。また、細溝１６に導かれた作動流体３５は、第２、第３の電極パッド４、１３及び第１の半田バンプ５及びその周辺領域の熱により気化して放熱体３１に移動する。
【００５６】
図７は、上記の半導体装置のさらに別の例を示す断面図である。
図７において、第１のインターポーザ１の第１面上には高さ方向、即ち３次元に積層された第３〜第７の半導体素子４１ａ〜４１ｅが積層されている。それらのうち第３〜第６の半導体素子４１ａ〜４１ｄの上面と下面には電極パッドが形成され、それらのうち上下の電極パッドは、半田バンプ４２ｂ〜４２ｄを介して互いに接続されている。半田バンプ４２ａ〜４２ｅは、上記の第２、第３の半田バンプ２２、２４と同じ材料から形成されている。
【００５７】
最も下に配置される第３の半導体素子４１ａの下面の電極パッドに接合される半田バンプ４２ａは、第１の電極パッド３に接続されている。
最も上に配置される第７の半導体素子４１ｅの上面は放熱面となり、その上には、放熱フィン４３ａを有するヒートシンク４２が接着されている。また、第７の半導体素子４１ｅの下面には電極パッドが形成され、その下の半田バンプ４２ｅを介して第６の半導体素子４１ｄの上面の電極パッドに接続されている。
【００５８】
また、放熱体３１の開口部３１ａの下部には外側に広がる段差３１ｃが形成され、その段差３１ｃには第２のインターボーザ１２の外周面に形成されたフランジ１２ａが嵌め込まれている。また、放熱体３１の段差３１ｃの下部には、フランジ２１ａを下方から支持する支持枠３１ｄが嵌め込まれている。これにより、放熱体３１の開口部３１ａ内での第２のインターポーザ１２の位置決めが容易になる。
【００５９】
そのような構造の半導体装置によれば、第３〜第７の半導体素子４１ａ〜４１ｅで発生した熱は、第１のインターポーザ１と第２のインターポーザ１１の間の隙間に供給される作動流体３５を介して放熱体３１から発散されるだけでなく、ヒートシンク４３を介して外部に放出すことができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。なお、図８において、図２と同じ符号は同じ要素を示している。
【００６１】
図８において、半導体集積回路を有する半導体素子５１の下面には、第１の電極パッド５２が複数形成されている。また、半導体素子５１の下に対向して配置される回路配線基板５３の上面には複数の第２の電極パッド５４が形成されている。
回路配線基板５３の平面形状は半導体素子５１の平面形状と同じに形成されている。第２の電極パッド５４は、回路配線基板５３と半導体素子５１のそれぞれの外周縁が上から見て一致する状態で、第１の電極パッド５２に重なる位置に形成されている。
【００６２】
また、配線回路基板５３の上面のうち第２の電極パッド５４とその周囲領域を除いた領域には、第１実施形態と同様に、複数の細溝１６と突起１７を有する金属膜１８が形成されている。
【００６３】
突起１７は第２の電極パッド５４から外部に向かって連続的又は断続的に伸びている。金属膜１８に溝１６及び突起１７を形成する方法は、第１実施形態に示した方法と同様である。溝１６の幅は例えば約４０μｍであり、突起１７の幅は例えば約４０μｍであり、突起１７の高さは例えば約４０μｍである。
【００６４】
半導体素子５１はその外周縁が回路配線基板５３の外周縁と上下に重なる状態に配置され、そのような状態で、第１の電極パッド５２と第２の電極パッド５４は、半田バンプ５５を介して互いに接合されている。半田バンプ５５は、鉛フリー半田、例えば融点２１７℃のＳｎＡｇＣｕ合金から形成されている。
【００６５】
半田バンプ５５により接続された半導体素子５１と回路配線基板５３は、放熱体５６の中央寄りに形成された開口部５６ａ内に密閉状態で嵌め込まれる。
放熱体５６のうち開口部５６ａの内周面には、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間に通じる横溝５７が形成されている。横溝５７の下面は、回路配線基板５３の下面とほぼ同一面になる位置かそれよりも上に形成される。なお、放熱体５６は、例えば銅、アルミニウム等の金属から形成される。
【００６６】
放熱体５６内には、液体供給路５８が横溝５７の一部から放熱体５６の外周面にかけて形成されている。また、放熱体５６の外面、例えば上面には複数枚の放熱フィン５９が形成されている。
【００６７】
放熱体５６と半導体素子５１の境界、および放熱体５６と回路配線基板５３の境界は、それぞれ封止材６０、例えば半田を用いて密封されている。その半田は、半田バンプ５５よりも融点が低い材料、例えばＳｎＩｎＢｉ合金から形成することが好ましい。
【００６８】
放熱体５６の液体供給路５８の側部開口端からは、冷媒となる作動流体３５が横溝５７を通して半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間に供給されている。作動流体３５の供給量は、常温において、半導体素子５１と回路配線基板５３の間に空間が存在し、かつ細溝１６内を満たす量とする。
【００６９】
作動流体３５は、沸点が例えば１００℃以下の流体、例えば第１実施形態に示したと同じ液体が用いられる。放熱体５６側面の液体供給路５８の開口端は栓６１により密閉されている。
【００７０】
以上のような半導体装置において、半導体素子５１に電力を供給し、信号を送受信することにより半導体集積回路を作動させる。これにより、半導体素子５１の温度は、半導体集積回路の動作状況に応じて変化する。
【００７１】
半導体素子５１の発熱量が高くなると、その熱は、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間に存在する半田バンプ５５、第１、第２の電極パッド５２、５４に伝わる。
【００７２】
その隙間の底には、作動流体３５が多数の細溝１６における毛細管現象により導かれて第２の電極パッド５４、半田バンプ５５の周辺に供給されるので、回路配線基板５３から第２の電極パッド５４、半田バンプ５５に伝達された熱は作動流体３５を加熱して蒸発させる。
【００７３】
気化した作動流体３５は、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の空間を伝達して温度の低い外周部の放熱体５６の横溝５７に移動する。移動した作動流体３５の気体は、多数の放熱フィン５９を有する放熱体５６の中の横溝５７内で熱交換により冷却されて液化
する。
【００７４】
液化した作動流体３５は横溝５７の底部に流下し、多数の細溝１６における毛細管現象により再び第２の電極パッド５４、半田バンプ５５の表面に導かれる。
【００７５】
このように、半導体素子５１と回路配線基板５３の間の隙間とその周囲の横溝５７により区画される空間内において、作動流体３５は気化と液化を繰り返し、循環するので、その空間内の熱は作動流体３５及び放熱体５６を介して外部に放出される。
【００７６】
また、半田バンプ５５、第２の電極パッド５４及び細溝１６及びその周辺領域で作動流体３５が蒸発潜熱を奪うことにより、半導体素子５１と回路配線基板５３の隙間を冷却する。これにより、半導体素子５１の内部温度が低下し、半導体素子５１の温度分布を一様にし、ホットスポットの発生を抑制する。
【００７７】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。
【符号の説明】
【００７８】
１ インターポーザ
２ シリコン基板
３ 第１の電極パッド
４ 第２の電極パッド
５ 半田バンプ
１１ インターポーザ
１２ 絶縁基板
１３ 第３の電極パッド
１４ 第４の電極パッド
１５ ビア
１６ 細溝
１７ 突起
１８ 金属膜
２１、２２ 半導体素子
２３、２４ 半田バンプ
３１ 放熱体
３１ａ 開口部
３２ 横溝
３３ 液体供給路
３４ 放熱フィン
３５ 作動流体
３６ 栓
３７ 回路基板
３８ 第５の電極パッド
３９ 半田バンプ
４１ａ〜４１ｅ 半導体素子
４３ ヒートシンク
５１ 半導体素子
５２、５４ 電極パッド
５５ 半田バンプ
５６ 放熱体
５７ 横溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極パッドが一面上に形成された第１の基板と、
第２の電極パッドが一面上に形成された第２の基板と、
前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、
前記第１の基板と前記第２の基板の間の間隙を側方から密封して囲む開口部を有する放熱体と、
前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の前記一面のうち少なくとも一方に形成された溝及び突起と、
前記第１の基板と前記第２の基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒と、
を有する半導体パッケージ。
【請求項２】
前記放熱体の前記開口部の内周面には、前記第１の基板と前記第２の基板の間の間隙に通じる横溝が形成されている請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記第１の基板と前記第２の基板には、ビア、配線の少なくとも一方が形成されている請求項１又は請求項２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記第１の基板の他面上には、半導体素子の電極パッドにバンプを介して接続される第３の電極パッドが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２のうちいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
第１の電極パッドが一面上に形成されたる半導体素子と、
第２の電極パッドが一面上に形成された回路配線基板と、
前記半導体素子の前記一面と回路配線基板の前記一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、
前記半導体素子と前記第回路配線基板の間の間隙を側方から密封して囲む開口部を有する放熱体と、
前記回路配線基板の前記一面の上に形成された溝及び突起と、
前記半導体素子と前記回路配線基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒と、
を有する半導体装置。
【請求項１】
第１の電極パッドが一面上に形成された第１の基板と、
第２の電極パッドが一面上に形成された第２の基板と、
前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、
前記第１の基板と前記第２の基板の間の間隙を側方から密封して囲む開口部を有する放熱体と、
前記第１の基板の前記一面と前記第２の基板の前記一面のうち少なくとも一方に形成された溝及び突起と、
前記第１の基板と前記第２の基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒と、
を有する半導体パッケージ。
【請求項２】
前記放熱体の前記開口部の内周面には、前記第１の基板と前記第２の基板の間の間隙に通じる横溝が形成されている請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記第１の基板と前記第２の基板には、ビア、配線の少なくとも一方が形成されている請求項１又は請求項２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記第１の基板の他面上には、半導体素子の電極パッドにバンプを介して接続される第３の電極パッドが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２のうちいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
第１の電極パッドが一面上に形成されたる半導体素子と、
第２の電極パッドが一面上に形成された回路配線基板と、
前記半導体素子の前記一面と回路配線基板の前記一面を対向させて前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドを接合する半田バンプと、
前記半導体素子と前記第回路配線基板の間の間隙を側方から密封して囲む開口部を有する放熱体と、
前記回路配線基板の前記一面の上に形成された溝及び突起と、
前記半導体素子と前記回路配線基板と前記放熱体によって区画される空間に封入された冷媒と、
を有する半導体装置。
【図１Ａ】
【図１Ｄ】
【図１Ｆ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｅ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１Ｄ】
【図１Ｆ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｅ】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２０５０１８（Ｐ２０１１−２０５０１８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７２９８４（Ｐ２０１０−７２９８４）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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