半導体装置

【目的】表面実装用プリント板と半導体素子を搭載した熱拡散板とを接続一体化することにより、高発熱の半導体素子と表面実装用パッケージとを一つのモジュールに実装することが可能であり、信号の遅延時間やインダクタンスを小さくすると共に計算機を小型化する。
【構成】高発熱する半導体素子１は熱拡散板２に搭載する。表面実装用プリント板４は両面に表面実装用パッケージ６やチップ部品７を搭載し、中央に半導体素子１が位置するように貫通孔が形成されている。そして、半導体素子１を搭載した熱拡散板４と表面実装用プリント板４とが接続一体化されている。
【効果】これより、高発熱の半導体素子と表面実装用パッケージとを一つのモジュールに混載することが可能となり、計算機を小型化することができる。また、半導体素子間の距離を小さくすることができるため、信号の遅延時間やインダクタンス成分などの電気特性を改善することができる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、計算機の実装技術に係り、特に、半導体素子の高密度実装に適したモジュール実装型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体素子を搭載したコンピュータの処理速度の高速化、さらに筺体の小型化の要求から、年々、半導体素子の高集積化，大型化が進んでいる。それに伴い半導体素子一個当たりの入出力端子数、発熱量も増大する傾向にある。このため、半導体素子を搭載するパッケージ形態も、高速化，小型化，高放熱化が求められている。そこで、半導体素子を１枚の基板上に複数搭載したモジュール実装形態が使われ出してきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のモジュール実装形態においては、プリント板上に半導体素子チップを直接付け、樹脂でポッティングを行なっていたが、熱伝導率の小さい樹脂でプリント板が形成されているため放熱性が悪く、高発熱する半導体素子を搭載することは困難であった。
【０００４】本発明の目的は、上記課題を解決し、高速化，小型化，高放熱化といった要求を達成できる実装構造を有した半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】表面実装用プリント板と半導体素子を搭載した熱拡散板とを接続一体化したことによって上記目的は達成される。
【０００６】
【作用】表面実装用プリント板と半導体素子を搭載した熱拡散板とを接続一体化することにより、高発熱の半導体素子と表面実装パッケージとを一つのモジュールに実装することが可能であり、計算機を小型化することができる。また、半導体素子間の距離を短くすることが可能であるため、インダクタンスなどの電気特性や伝播遅延時間を小さくすることができる。
【０００７】
【実施例】（実施例１）図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第一実施例を示す平面図およびＸ−Ｘ′線断面図である。表面実装用プリント板４の中央に貫通孔を有し、該貫通孔に半導体素子１を配置した。前記半導体素子１は論理用回路からなる。表面実装用プリント板４の表面上のメモリ用パッケージの半導体素子はメモリ素子である。半導体素子１は熱拡散板２に接着材１０で接着されている。熱拡散板２の材質は、銅である。銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫと比較的大きいため、半導体素子１からの発熱を十分に広げ、熱拡散板２に接着されている放熱フィン３へ伝えることができる。なお、ここでは、熱拡散板２に銅を用いたが銅以外の材料のアルミニウム等の金属材料や窒化アルミニウムや炭化硅素等の高熱伝導性セラミックスなど熱伝導率が十分に高い材料で半導体素子１の発熱を放熱フィン３に十分伝えることができれば適用可能である。半導体素子１は、ここでは、熱拡散板２に樹脂で接着したが、熱膨脹係数がシリコンから成る半導体素子１と近い炭化硅素や窒化アルミニウムなどであれば、はんだで固着することも可能である。また、半導体素子としてシリコン以外のＧａＡｓ等の材料なるものも考えられ、半導体素子を接続する熱拡散板は、半導体素子の熱膨脹係数に近い係数を有することが望ましい。また、ここでは、熱拡散板２に放熱フィン３を樹脂で接着したが、放熱フィン３の交換が容易であるように、熱拡散板２にネジ等を固着し、そのネジで放熱フィン３を機械的に接続しても良い。その際、熱拡散板２と放熱フィン３の間には伝熱を良くするため、柔らかい伝熱シートを挟んでも良い。放熱フィン３は、平行平型フィンであり、表面実装用プリント板４に搭載したメモリ用パッケージ６の上部まで張り出している。ここでは、平行平型フィンを用いたが、放熱フィン３をピン型等の高放熱フィンを用いれば、表面実装用プリント板４に搭載したメモリ用パッケージ６の上部まで張り出さなくてもよい。半導体素子１を搭載した熱拡散板２は、表面実装用プリント板４に樹脂で接着し、一体化されている。表面実装用プリント板４に搭載される半導体素子の信号入力又は出力端子と表面実装用プリント板４の貫通孔に配置された半導体素子１の信号入力又は出力端子とは電気的に接続されている。半導体素子１と表面実装用プリント板４とは、相互の電気配線用パッド間をワイヤ９で電気的接続を取っている。ワイヤのかわりに導電層を含んだフィルム状のもので電気接続をとっても良い。半導体素子１の保護のためにキャップ５を表面実装用プリント板４の半導体素子が搭載されている窪みを覆っている。表面実装用プリント板４は、ポリイミド樹脂でできている。ポリイミド樹脂以外のガラスエポキシ樹脂等の多層配線が可能な樹脂であれば良い。表面実装用プリント板４は、内部に複数の導電層を含んでいる。それら導電層は複数の電源層，グランド層および信号層から成っている。信号層は、表面を除いて、電源又はグランド層によって挟まれて配置されている。最も表面に近い導電層には信号層を形成した。ここでは、導電層の厚みをすべてほぼ同じに形成したが、伝熱性を高めるため、電源又はグランド層を信号層に比べて厚く形成してもよい。この導電層の銅の含有量を増やすことによって、表面実装用プリント板内の導電層を伝熱板として利用することにより表面実装用プリント板４内の温度分布を±１０℃以内に保つことができる。表面実装用プリント板４の上には、メモリ用パッケージ６やコンデンサや抵抗などのチップ部品７が複数個表裏に表面実装してある。表面実装用プリント板４の配線回路の一部に半導体素子１の動作試験及び表面実装用プリント板４の配線経路の導通試験のためのスルーホール又は電極パッドを表面実装用プリント板４の一方の面に設けてある。これによって、本発明のモジュール実装型半導体装置の性能試験が一度に簡単に行うことができる。また、外部との電気接続用にコネクタ８を設けてある。コネクタ８のピンの長さは平均±１０％以内に納まっているため、コネクタ部のインダクタンス成分のばらつきが少なく、電気的に安定な構造となっている。また、コネクタの電源、グランド用ピンの直径は、信号用ピンの直径より大きくしてあり、電源電圧変動に対して効果的な構造となっている。コネクタ８は表面実装用プリント板４の放熱フィン３と同じ側についている。このため、コネクタにかかる応力が少なく、重量的にバランスのとれた構造となっている。
【０００８】次に、本発明の半導体装置の製造工程の一例を図２に示す。
【０００９】工程（１）：表面を平滑にした熱拡散板２に、半導体素子１を樹脂から成る接着材１０で接着する。
【００１０】工程（２）：半導体素子１を搭載した熱拡散板２に、半導体素子が搭載される部分に貫通孔を設けた表面実装用プリント板４を接着する。半導体素子１のボンディングパッドと表面実装用プリント板４のボンディングパッドとは、ワイヤ９で接続される。
【００１１】工程（３）：半導体素子１を保護するため、半導体素子１をゲルで被覆後、キャップ５を被せる。次に、はんだペーストを印刷後、チップ部品７を搭載してから、メモリー用パッケージ６を搭載し、リフローソルダリングを行なう。
【００１２】工程（４）：挿入部品であるコネクタ８を表面実装用プリント板４に接合する。
【００１３】工程（５）：フィン３を熱拡散板２上に搭載し、モジュール実装型半導体装置が得られる。
【００１４】上記によって得たムジュール実装型半導体装置２０は、図３に示すように、マザーボード２０上にコネクタ８で電気的に接続する。
【００１５】前記製造工程では、半導体素子１は表面実装用プリント板４の表面上に接着されているのではなく、熱拡散板２に接着されているため、表面実装用プリント板４の反りやうねりによって半導体素子１が傾いたりせず、ワイヤ９による接続を確実に行なうことができた。フィン３は半導体素子１を搭載している熱拡散板２に直接接着できるため半導体素子１からの発熱を効率良く放熱させることができる。キャップは表面実装用プリント板４上に被せたため、表面実装用プリント板４の表面から突き出ているが、表面実装用プリント板４にキャップの厚さ分だけ窪みを設けて埋没させ、表面を平にすることも可能である。キャップを埋没させれば、表面実装部品であるチップ部品７やメモリ用パッケージ６のためのはんだペースト印刷が容易になる。本発明では、表面実装用プリント板４の厚さを薄くさせるために、キャップは埋没させず、表面上に突き出た格好で搭載した。このため、段さのついた表面実装用プリント板４を一度で印刷するために、図４(ａ)，（ｂ)，(ｃ）に示すような構造のスキージ１４を用いた。短冊状に細分化されたスキージ１４はスキージ押さえ治具１３に挟まれ、ネジで押さえられている。スキージ押さえ治具１３は、図４（ｂ)，(ｃ）のような構造となっている。図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＸ′−Ｘ面の断面図である。細分化されたスキージ１４はバネ１６で表面実装用プリント板４の板厚方向である上下方向の移動が可能となっている。横方向に可動しないようにスキージガイド１７が設けられ、スキージ押さえ治具１３のスキージガイド用凹部に沿って動くようになっている。表面実装用プリント板４から突き出ている熱拡散板２のところのスキージ長さはバネによって縮まり、それ以外のところのスキージ長さはバネによって伸張しているため、表面上の凹凸に関係なくはんだペーストを印刷できた。細分化されたスキージの幅は、はんだペーストが印刷されるべきパッドの位置に合わせて決められており、必ずしも等幅でなくても構わない。この図では図示しなかったが、表面実装用プリント板４などの被印刷物とスキージ１４の間には印刷用マスクが介在する。印刷用マスクは、被印刷物の凹凸に合わせた形状となっている。本発明は表面実装用パッケージとして、発熱量が最大１Ｗの１Mbit ＳＲＡＭの半導体素子を搭載したパッケージを表裏合計２４個用いた。また、半導体素子１としは、発熱量２５Ｗの大規模集積回路チップを用いた。このように、本発明を用いれば、発熱量が２０倍以上の半導体素子を１つのモジュールに混載可能となる。本発明では、作業性の面から表面実装用パッケージを用いたが、さらに小型化するためにモジュールに搭載する半導体素子を全てパッケージに封入していないチップを用いることも可能である。
【００１６】（実施例２）図５（ａ)，(ｂ）は他のモジュール実装型半導体装置の平面図と断面図である。実施例１と同様に表面実装プリント板４の中央に半導体素子１を搭載し、その周囲の表裏にメモリ用パッケージやチップ部品を搭載している。コネクタ８は表面実装用プリント板４の両端に設けてある。本発明は、表面実装用プリント板４は、図３に示したマザーボード１９上のコネクタ（図示せず）にマザーボードと平行に装着される。平行に装着されるため、表面実装用プリント板４を垂直に装着した第１実施例に比べて低く実装でき、マザーボード１９上の高さに制限がある薄型計算機に適している。また、表面実装用プリント板４の両端にコネクタ８が設けられているため、コネクタが１つの場合に比べて、マザーボード１９からの電源、グランドピン数を多く設定でき、電源、グランドのノイズ変動に対して有効である。
【００１７】（実施例３）図６は、他のモジュール実装型半導体装置の中心軸対称の平面図の左半分の図である。実施例１と同様に表面実装プリント板４の中央に半導体素子１を搭載し、その周囲の表裏にメモリ用パッケージ６やチップ部品（図示せず）を搭載している。熱拡散板２に搭載した半導体素子１と表面実装用プリント板４に搭載した半導体素子１とを結ぶアドレス配線とデータ配線の配線長の差が１０％以下にメモリ用パッケージ６を配置している。半導体素子１とメモリ用パッケージは信号の伝送遅延を小さくするために、アドレス配線とデータ配線はできるだけ短いことが望まれる。しかし、片方の配線だけが短くても他方が長ければ、他方の信号遅延のために全体としての伝送遅延時間が大きくなってしまう。本発明は、半導体素子１から最も遠い位置にあるメモリ用パッケージ６のアドレス配線とデータ配線は配線長の差が１０％以下になっているため、バランスのとれた配線構造となっている。
【００１８】（実施例４）図７は他のモジュール実装型半導体装置の斜視図である。実施例１と同様に表面実装プリント板４の中央に半導体素子１を搭載し、その周囲の表裏にメモリ用パッケージ６やチップ部品（図示せず）を搭載している。表面実装用プリント板４に搭載するメモリ用パッケージは、表面実装用プリント板４に対して垂直に搭載してある。メモリ用パッケージの１つ当たりの表面実装用プリント板４表面上の実装面積を小さくできるため、メモリ用パッケージの実装密度を上げることができ、より大容量のメモリを搭載することが可能である。また、メモリ用パッケージの両平面が冷却空気にさらされるため、言わば、冷却フィンの役割も果たし、より発熱する高集積化したメモリが搭載可能である。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、表面実装用プリント板と半導体素子を搭載した熱拡散板とを接続一体化することにより、５Ｗ以上の高発熱の半導体素子と表面実装パッケージとを一つのモジュールに実装することが可能であり、計算機を小型化することができる。また、半導体素子間の距離を短くすることが可能であるため、インダクタンスなどの電気特性や信号の伝播遅延時間が小さい電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施例を示す平面図、図１（ｂ）は本発明の第１実施例を示す断面図。
【図２】図２は本発明の半導体装置の製造工程図。
【図３】図３は本発明の半導体装置を用いたマザーボードの斜視模式図。
【図４】図４（ａ）は本発明の半導体装置を製造するときに用いる印刷用スキージの平面模式図、図４（ｂ）は図４（ａ）の拡大透視模式図、図４（ｃ）は図４（ｂ）の断面模式図。
【図５】図５（ａ）は本発明の第２実施例の半導体装置を示す平面図、図５（ｂ）は本発明の第２実施例を示す断面図。
【図６】図６は本発明の第３実施例の半導体装置を示す平面模式図。
【図７】図７は本発明の第４実施例の半導体装置を示す斜視模式図。
【符号の説明】
１…半導体素子、２…熱拡散板、３…放熱フィン、４…表面実装用プリント板、５…キャップ、６…メモリ用パッケージ、７…チップ部品、８…コネクタ、９…ワイヤ、１０…接着材、１１…データ線、１２…アドレス線、１３…スキージ押さえ治具、１４…スキージ、１５…ネジ、１６…バネ、１７…スキージガイド、１８…スキージガイド用凹部、１９…マザーボード、２０…モジュール実装型半導体装置、２１…表面実装部品。

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数の半導体素子を搭載し少なくとも１つの貫通孔を有する表面実装用プリント板と、前記貫通孔に配置された半導体素子を搭載した熱拡散板とを接続一体化し、前記表面実装用プリント板に搭載された半導体素子の信号入力又は出力端子と前記貫通孔に配置された半導体素子の信号入力又は出力端子とを電気的接続し、前記熱拡散板に放熱フィンを搭載し、前記表面実装用プリント板に外部入出力端子を有することを特徴とするモジュール実装型半導体装置。
【請求項２】前記貫通孔に配置された半導体素子は論理用回路からなり、前記表面実装用プリント板に搭載された半導体素子はメモリ素子であることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項３】前記熱拡散板に搭載された半導体素子と前記表面実装用プリント板に搭載された半導体素子とを結ぶアドレス配線とデータ配線との配線長の差が、前記半導体素子から最も遠い位置にあるメモリ用パッケージにおいて１０％以下であることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項４】前記表面実装用プリント板に搭載された複数の半導体素子における発熱量の差が、最大の場合で２０倍以上であることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項５】前記表面実装用プリント板内の電源／グランド層を伝熱板として利用することにより、前記表面実装用プリント板内の温度分布が±１０℃以内であることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項６】前記熱拡散板に搭載された放熱フィンが、前記表面実装用プリント板に搭載された半導体素子を搭載したパッケージの上部まで張り出していることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項７】前記熱拡散板に搭載された半導体素子の電気配線用パッドと、前記表面実装用プリント板の電気配線用パッドとが、ワイヤで電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項８】前記表面実装用プリント板と外部ボードとを接続するコネクタのピンの長さが平均して±１０％以内に納まっていることを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項９】前記表面実装用プリント板と外部ボードとを接続するコネクタの電源／グランド用ピンの直径が、信号用ピンの直径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。
【請求項１０】前記熱拡散板に搭載された半導体素子と電気的に接続している表面実装用プリント板の配線経路の一部に、動作検査のためのスルーホール又は電極パッドを、前記表面実装用プリント板の一方の面のみに設けたことを特徴とする請求項１記載のモジュール実装型半導体装置。

【図１】