JPH08330507A - ハイブリッド・マルチチップ・モデュールおよびその製造方法 - Google Patents

ハイブリッド・マルチチップ・モデュールおよびその製造方法

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JPH08330507A
JPH08330507A JP8157716A JP15771696A JPH08330507A JP H08330507 A JPH08330507 A JP H08330507A JP 8157716 A JP8157716 A JP 8157716A JP 15771696 A JP15771696 A JP 15771696A JP H08330507 A JPH08330507 A JP H08330507A
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JP
Japan
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thermal expansion
base plate
coefficient
conductive material
substrate
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JP8157716A
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Christopher M Scanlan
クリストファー・エム・スキャンラン
Carl J Raleigh
カール・ジェイ・ラリー
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Motorola Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 反りを減少させ、信頼性、熱伝導性、および
熱伝達効率を向上させたハイブリッド・マルチチップ・
モデュールおよびその製造方法を提供する。 【解決手段】 ハイブリッド・マルチチップ・モデュー
ルは、ベース・プレート（２４）に接合された半導体チ
ップ（２７，３１）を含む。ベース・プレートは、２つ
の表面（１２，１３）を有する基板（１１）と、これら
２つの表面（１２，１３）上に成形された導電性物質
（１６）とを含む。第１表面（１２）における基板（１
１）と導電性物質（１６）との間の熱膨張係数(CTE)の
不整合は、第２表面（１３）における基板（１１）と導
電性物質（１６）との間の同様であるが反対方向のＣＴ
Ｅ不整合によって均衡化される。ベース・プレート（２
４）を隔ててＣＴＥ不整合を均衡化することによって、
高温においてもほぼ平面形状を有するベース・プレート
（２４）が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にハイブリ
ッド・マルチチップ・モデュールに関し、更に特定すれ
ばハイブリッド・マルチチップ・モデュールに用いられ
るベース・プレート(base plate)に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】当技術では知られているように、ハイブ
リッド・マルチチップ・モデュールは、一般的に、ヒー
トシンクとして機能する銅製のベース・プレート上に取
り付けられた絶縁基板を用いている。薄い金属シートが
絶縁基板上に接合され、半導体チップがこの薄い金属シ
ートに接合される。薄い金属シートにパターニングを行
うときに半導体チップをこの薄い金属シートに電気的に
結合することができる。あるいは、別個のリードフレー
ムを半導体チップに取り付けることもできる。次に、半
導体チップは、保護のために樹脂で封入される。
【０００３】上述のハイブリッド・マルチチップ・モデ
ュールにはいくつかの欠点がある。銅製ベース・プレー
トと絶縁基板の熱膨張率は非常に異なるので、高温では
これらは異なる比率で膨張する。この膨張率の差のため
に、絶縁基板に反り(warp)が生じ、半導体チップから銅
製ベース・プレートから成るヒートシンクへの熱伝達率
が減少する。より厚い絶縁基板を用いれば反りは減少す
るが、熱はより厚い絶縁基板を通って転送されるので、
半導体チップからヒートシンクへの熱伝達効率も低下す
ることになる。
【０００４】銅製ベース・プレートの代わりに、炭化シ
リコン・アルミニウムの金属マトリクス化合物(metal m
atrix composite)を用いて、ベース・プレートと絶縁基
板との間の熱膨張係数の不整合を改善することができる
が、極端な温度では、やはり反りが発生する。更に、薄
い金属シートと絶縁基板との間にも、異なる熱膨張係数
の不整合は存在する。反りが発生すると、ハイブリッド
・マルチチップ・モデュールの信頼性を大きく損なうこ
とになる。
【０００５】上述のハイブリッド・マルチチップ・モデ
ュールの製造には、２対の別個の熱盤(molding plate)
が使用されており、各熱盤は約２５，０００ドルであ
る。第１対は、絶縁基板が接合される多孔性セラミック
予備成形物(porous ceramic preform)の鋳込み(castin
g)を行うために用いられ、第２対は多孔性セラミック予
備成型物の浸潤(infiltrate)を行い、かつ多孔性セラミ
ック予備成形物と絶縁基板との上に薄い金属シートを鋳
込み、ベース・プレートを完成するために用いられる。
この二重鋳込みプロセスは費用も時間もかかるものであ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、改良され
たハイブリッド・マルチチップ・モデュールおよび改良
されたハイブリッド・マルチチップ・モデュールのベー
ス・プレートを製造する方法が必要とされている。この
場合、モデュールは反りを減少させ、信頼性、熱伝導
性、および熱伝達効率を向上させなければならない。ま
た、製造方法は、サイクル・タイムを改善し、プロセス
のコストを低減させなければならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、反りを減少さ
せ、信頼性、熱伝導性、および熱伝達効率を向上させた
ハイブリッド・マルチチップ・モデュールおよびその製
造方法を提供する。本発明によるハイブリッド・マルチ
チップ・モデュールは、ベース・プレートに接合された
半導体チップを含む。ベース・プレートは、２つの表面
を有する基板と、これら２つの表面上に成形された導電
性物質とを含む。第１表面における基板と導電性物質と
の間の熱膨張係数(CTE)の不整合は、第２表面における
基板と導電性物質との間の同様であるが反対方向のＣＴ
Ｅ不整合によって均衡化される。ベース・プレートを隔
ててＣＴＥ不整合を均衡化することによって、高温にお
いてもほぼ平面形状を有するベース・プレートが形成さ
れる。
【０００８】
【発明の実施の形態】まず最初に図１を参照すると、セ
ラミック基板１１は表面１２，１３と、側面１４とを有
する。セラミック基板１１の厚さは約５００ミクロンな
いし２０００ミクロンであり、窒化アルミニウム、酸化
アルミニウム、炭化シリコン、酸化ベリリウム、窒化硼
素、およびその他の絶縁物のような物質で構成される。
セラミック基板１１が厚い程、ベース・プレート１５の
剛性が増加し、ベース・プレート１５の反りが減少し、
半導体チップ１８，１９，２１にするよりよい支持部が
設けられることになる。また、セラミック基板１１が薄
い程、ベース・プレート１５はより効果的に半導体チッ
プ１８，１９，２１から熱を消散する。
【０００９】Anderson, et. al.に発行された米国特許
第5,371,043号に記載されているように、セラミック基
板即ち基板１１の表面１２，１３および側面１４周囲
に、導電性物質１６の成形または鋳込みを行う。尚、米
国特許第5,371,043号は、本願でも使用可能である。導
電性物質１６は、アルミニウム、銅、およびその他の導
体のような物質で構成される。導電性物質１６の厚さ
は、表面１２，１３上では約２０ないし５００ミクロ
ン、側面１４上では約２，５００ないし２０，０００ミ
クロンである。基板１１および導電性物質１６は、ベー
ス・プレート１５を含む。導電性物質１６は、ベース・
プレート１５の周囲に孔１７を含み、ベース・プレート
１５をヒートシンクのような部材に締結する際の便宜を
図っている。
【００１０】基板１１周囲に導電性物質１６の鋳込みあ
るいは成形を行うことを注記するのは重要である。導電
性物質１６は最初に予備成形されず、次いで従来技術に
おけるような従来の鑞付け(brazing)を用いて、基板１
１に接合される。鑞付け技法によって、導電性物質１６
と基板１１との間に界面層が生成され、このために、従
来技術のハイブリッド・マルチチップ・モデュールでは
熱伝達効率の低下を招いている。鋳込みプロセスによっ
て、有害な界面層形成を排除するので、ハイブリッド・
マルチチップ・モデュール１０の熱伝達特性を劣化させ
ることはない。
【００１１】半導体チップ１８，１９，２１は、シリコ
ン、シリコン・ゲルマニウム、砒化ガリウム、燐化イン
ディウム、またはその他の半導体基板上に作成されたハ
イブリッド素子または回路を含む。ハイブリッド素子お
よび回路の作成には、当技術では既知の技法が用いられ
る。作成後で、しかしながら好ましくはパッケージング
の前に、半導体チップ１８，１９，２１を、基板１１の
表面１２に最も近い導電性物質１６に接合する。接合技
法には、フリップ・チップ・ボンディングが含まれ、こ
の場合、基板１２上の導電性物質１６はパターニングさ
れている（図示せず）。フリップ・チップ・ボンディン
グを用いない場合、リードフレーム（図示せず）を用い
て、半導体チップ１８，１９，２１の電気的結合を行う
こともできる。最後に、電気的結合の後に、半導体チッ
プ１８，１９，２１を、パッケージ用樹脂（図示せず）
で封入する。パッケージ用樹脂は、ベース・プレート１
５上に成形され、半導体チップ１８，１９，２１を被覆
する。
【００１２】上述のプロセスを用いて製造されたハイブ
リッド・マルチチップ・モデュール１０のベース・プレ
ート１５は、約２００ないし２６０ワット／メートル℃
という高い熱電導率を有する。しかしながら、ベース・
プレート１５には、約４．５ｐｐｍ(parts per meter)
／℃の熱膨張係数(CTE)を有する窒化アルミニウム基板
１１と、約２２．１ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するアルミ
ニウム導電性物質１６との間に、熱膨張係数の不整合が
ある。このＣＴＥ不整合のために、導電性物質１６を基
板１１の表面１２上に配し表面１３上には配さない場
合、ベース・プレート１５は、高温環境では凹型形状を
有することになる。表面１２，１３が湾曲すると、基板
１１の側面１４が半導体チップ１８，１９，２１から離
れ、凹状の反り(bow)が生じる。ＣＴＥ不整合による残
量応力によって、ベース・プレート１５に均等でない曲
げモーメントが発生し、ベース・プレート１５に凹状の
反りが生じる。孔１７を通じて配置された接続器（図示
せず）を用いてベース・プレート１５を別個のヒートシ
ンク（図示せず）に締結し、表面または背面１３をヒー
トシンクに最も近付けた場合、ベース・プレート１５の
中央部がその反りのためにヒートシンクから突出するの
で、半導体チップ１８，１９，２１からヒートシンクへ
の熱伝達効率は極端に低くなる。
【００１３】しかしながら、導電性物質１６も基板１１
の背面１３上に鋳込まれていれば、基板１１におけるＣ
ＴＥ不整合を均衡化することができ、ベース・プレート
２４はほぼ平面形状を有することになる。導電性物質１
６は表面１２上で基板１１に応力を与えるが、導電性物
質１６は同様で反対方向の応力を基板１１の背面１３に
も与えることができる。基板１１を隔てて等しくしかも
反対方向の応力が働くので、曲げモーメントは中和さ
れ、ベース・プレート１５は高温においても平面状を保
つ。基板１１を隔てたＣＴＥ不整合の均衡化は、表面１
２，１３に同様の厚さの導電性物質１６を鋳込むことに
よって実現することができる。側面１４を覆う導電性物
質１６を鋳込むまたは成形することによっても、基板１
１に対するＣＴＥ不整合の均衡化に役立ち、従来技術に
はない利点を得ることができる。第１に、先に述べたよ
うに、均衡化によって基板１５をほぼ平面状に形成する
ことができる。第２に、従来技術において用いられてい
たベース・プレートの信頼性に対して、ベース・プレー
ト１５の信頼性が大幅に改善される。導電性物質１６を
側面１４上に鋳込んだ場合、信頼性は最も顕著に改善さ
れる。
【００１４】ＣＴＥ不整合の均衡化は、小さな残留応力
が残っているために、室温または高温においてベース・
プレート１５が約０ないし３００ミクロンの小さな凸状
の反りを有する場合に対して調節することも可能であ
る。凸状の反りがある場合、側面１４が半導体チップ１
８，１９，２１に向かって移動するように、基板１１の
表面１２，１３を湾曲させる。先に述べたようにベース
・プレート１５をヒートシンクに締結した場合、ベース
・プレート１５の周辺をヒートシンクに締結することに
よって、背面１３上の導電性物質１６の周辺が撓んでヒ
ートシンクから離れられず、高温においてもヒートシン
クとの接触を保たせるようにする。凸状の反りの場合、
ベース・プレート１５の中央部は、従来技術におけるよ
うに、突出してヒートシンクから離れることはない。し
たがって、凹状の反りは背面側でヒートシンクと適切な
接触を保てないのに対して、凸状の反りは背面側のヒー
トシンクとの適切な接触を保つので、本発明の凸状の反
りは、従来技術の凹状の反りより好ましいものである。
【００１５】アルミニウムおよび窒化アルミニウム以外
の物質を導電性物質１６および基板１１にそれぞれ用い
る場合、導電性物質１６および基板１１の厚さは、先に
纏めた範囲から変動してもよい。その他の物質でも代用
可能であるが、それらは、導電性物質１６については同
様のまたはより良い熱伝導性および導電性を有し、基板
１１に対しては同様のまたはより良い絶縁特性を有さな
ければならない。また、かかるその他の物質は、ＣＴＥ
不整合があっても、ベース・プレート１５を通じて均衡
化が可能でなければならない。
【００１６】引続き本発明による他の実施例を説明す
る。図２は、導電性物質３２と、側面１４および表面１
２，１３とを有する基板１１とから成るベース・プレー
ト２４を有するハイブリッド・マルチチップ・モデュー
ル２２を示す。導電性物質３２は、図１で説明したよう
に、基板１１上に鋳込まれているが、導電性物質３２は
表面１２上でパターン２９として鋳込まれている点が異
なる。図２の孔２６は、図１の孔１７と同様の目的を果
たす。また、導電性物質３２の外側には、ヒートシンク
２３も成形されており、基板１１の表面１３の下に位置
している。
【００１７】半導体チップ１８，１９，２１と同様に、
半導体チップ２７，３１は、ベース・プレート２４のパ
ターン２９に接合され、パターン２９への電気的結合に
はワイヤ・ボンディング・ワイヤ２８が用いられる。半
導体素子２７，３１は、背面接点(backside contacts)
を有する縦型素子(vertical devices)とすることがで
き、パターン２９への電気的結合は、ワイヤ・ボンディ
ング・ワイヤ２８によって達成される。更に、半導体チ
ップ２７，３１を、パターン即ちパターニングされた導
電性物質２９へ直接接触させることによっても、電気的
結合は達成される。ハイブリッド・マルチチップ・モデ
ュール１０，２２は、単一半導体チップ、またはハイブ
リッド・マルチチップ・モデュール以外のものにも使用
可能であることは理解されよう。
【００１８】基板１１および導電性物質３２は、図１で
説明したものと同様の物理的特性を有する。基板１１
は、パターニングされた導電性物質２９とヒートシンク
２３との間に、特に、パターニングされた導電性物質２
９を用いて半導体チップ２７，３１を電気的に結合する
場合に、電気的分離を与える絶縁体である。基板１１
は、電気的分離を与えつつ、高い熱電導率を有し、半導
体チップ２７，３１からヒートシンク２３への効率的な
熱伝達も行う。導電性物質３２は、導電性および熱伝導
性特性を有し、半導体チップ２７，３１に対する電気的
結合を与えると共に、ハイブリッド・マルチチップ・モ
デュール２２からの熱を消散させる。
【００１９】基板１１と導電性物質３２との間でＣＴＥ
が異なるために、基板１１と導電性物質３２との界面に
おいて応力が発生する。この応力によって、ベース・プ
レート２４を隔てた表面１２，１３上に曲げモーメント
が発生する。しかしながら、表面１２におけるＣＴＥ不
整合は、表面１３におけるＣＴＥ不整合と均衡化し、ほ
ぼ平面状のベース・プレート２４が得られる。パターン
２９が表面１２の大部分を覆う場合、ＣＴＥ不整合は、
表面１２，１３上に同様の厚さの導電性物質３２を鋳込
むことによって、基板１１を隔てて均衡化することがで
きる。パターン２９が表面１２の小部分のみを覆う場
合、表面１３に比較して厚めの導電性物質３２を表面１
２に鋳込むことによって、基板１１を隔ててＣＴＥ不整
合を均衡化することができる。図１において述べたよう
に、側面１４を覆う導電性物質３２も、ベース・プレー
ト２４を隔てた残留応力の均衡化に役立つ。
【００２０】ベース・プレート２４を隔ててＣＴＥ不整
合を均衡化するために、代替案として、表面１２上のパ
ターン２９は、導電性物質３２と比較して、異なるＣＴ
Ｅおよび異なる厚さを有する異なる導体で構成すること
によって、ほぼ平面状のベース・プレート２４を形成す
ることもできる。更に、少なくとも１枚の導電性物質の
付加層を、導電性物質３２上に成形することも可能であ
る。
【００２１】図１におけるベース・プレート１５の反り
を制御することは、図２のベース・プレート２４の反り
を制御するよりも重要であることを注記するのは重要で
ある。図２ではヒートシンク２３は基板１１に直接鋳込
まれるので、ヒートシンク２３および基板１１は互いに
直接接触状態に保たれ、ベース・プレート２４が歪んで
も、熱性能(thermal performance)は劣化しない。しか
しながら、図１のベース・プレート１５は、効率的な熱
消散のために、別個のヒートシンクと接触していなけれ
ばならないので、ほぼ平面状を維持しなければならな
い。
【００２２】ハイブリッド・マルチチップ・モデュール
２２の製品（図示せず）への取り付けは、孔２６を通じ
て接続器を挿入し、ハイブリッド・マルチチップ・モデ
ュール２２をかかる製品に締結し、半導体チップ２７，
３１を製品とヒートシンク２３との間に位置付けること
によって達成することができる。このようにして、ヒー
トシンク２３を露出させ、半導体チップ２７，３１から
の熱消散をより効率的に行う。孔２６を用いてハイブリ
ッド・マルチチップ・モデュール２２を製品に締結する
ことに加えて、あるいはこれの代わりに、導電性物質３
２の表面を製品に接合することも可能である。
【００２３】このように、本発明によれば、従来技術の
欠点を克服する改善されたハイブリッド・マルチチップ
・モデュールが提供されたことは明白である。本発明
は、ベース・プレートが凹状の反りを根絶し、ハイブリ
ッド・マルチチップ・モデュールの熱伝導率、熱伝達効
率、および信頼性の向上を図るものである。かかるハイ
ブリッド・マルチチップ・モデュールおよびそのベース
・プレートを製造する方法は、使用するモールディング
・プレートのセット数が少なくて済み、鋳込み工程の工
数が減少するため、コストの低減およびサイクル・タイ
ムの短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるハイブリッド・マルチチップ・モ
デュールの封入前の状態を示す断面図。
【図２】封入前のハイブリッド・マルチチップ・モデュ
ールの別の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１１ セラミック基板 １２，１３ 表面 １４ 側面 １５ ベース・プレート １６ 導電性物質 １７ 孔 １８，１９，２１ 半導体チップ ２３ ヒートシンク ２４ ベース・プレート ２６ 孔 ２７，３１ 半導体チップ ２８ ワイヤ・ボンディング・ワイヤ ２９ パターン ３２ 導電性物質

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ハイブリッド・マルチチップ・モデュール
    を製造する方法であって：第１表面（１２）、第２表面
    （１３）、および側面（１４）を有するセラミック基板
    （１１）であって、第１熱膨張係数を有する前記セラミ
    ック基板（１１）を用意する段階；前記セラミック基板
    （１１）の第１表面（１２）、第２表面（１３）、およ
    び側面（１４）上に導電性物質（１６，３２）を成形し
    てベース・プレート（１５，２４）を形成する段階であ
    って、前記導電性物質（１６，３２）は第２熱膨張係数
    を有し、前記セラミック基板（１１）の第１表面（１
    ２）、第２表面（１３）、および側面（１４）上に前記
    導電性物質（１６，３２）を成形することによって、前
    記セラミック基板（１１）周囲の第１および第２熱膨張
    係数間の不整合を均衡化し、前記ベース・プレート（１
    ５，２４）にほぼ平面形状を与える段階；少なくとも１
    つの半導体チップ（１９，２７）を用意する段階；およ
    び前記少なくとも１つの半導体チップ（１９，２７）を
    前記ベース・プレート（１５，２４）に結合する段階；
    から成ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】ほぼ平面状のベース・プレートを製造する
    方法であって：第１熱膨張係数を有する基板（１１）を
    用意する段階；および前記基板（１１）上に導電性物質
    （１６，３２）を鋳込む段階であって、前記導電性物質
    （１６，３２）は第２熱膨張係数を有し、前記導電性物
    質（１６，３２）を前記基板上に鋳込むことによって、
    前記基板（１１）を隔てた前記第１および第２熱膨張係
    数間の不整合を実質的に均衡化し、前記不整合を実質的
    に均衡化することによってほぼ平面状のベース・プレー
    トを形成する段階；から成ることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】ハイブリッド・マルチチップ・モデュール
    であって：第１表面（１２）、第２表面（１３）、およ
    び側面（１４）を有するセラミック基板（１１）であっ
    て、第１熱膨張係数を有する前記セラミック基板（１
    １）；前記第１表面（１２）上に成形された第１導電層
    （１６，３２）であって、第２熱膨張係数と第１の厚さ
    とを有する前記第１導電層（１６，３２）；前記第２表
    面（１３）上に成形された第２導電層（１６，３２）で
    あって、第３熱膨張係数と第２の厚さとを有する前記第
    ２導電層（１６，３２）；前記側面（１４）上に成形さ
    れ、第４熱膨張係数を有する第３導電層（１６，３２）
    であって、前記第２、第３および第４熱膨張係数は前記
    第１熱膨張係数とは異なるために、熱膨張係数の不整合
    を生じ、前記第１、第２、および第３導電層は、各々、
    前記セラミック基板を隔てた熱膨張係数の不整合を均衡
    化する厚さを有し、前記熱膨張係数の不整合を均衡化す
    ることによって、前記ハイブリッド・マルチチップ・モ
    デュールにほぼ平面状のベース・プレート（１５，２
    ４）を生成する、前記第３導電層（１６，３２）；およ
    び前記ほぼ平面状のベース・プレート（１５，２４）に
    結合された少なくとも１つの半導体チップ（１８，３
    １）；から成ることを特徴とするハイブリッド・マルチ
    チップ・モデュール。
  4. 【請求項４】ベース・プレートであって：第１熱膨張係
    数を有する基板（１１）；および前記基板（１１）上に
    鋳込まれ、第２熱膨張係数を有する導電性物質（１６，
    ３２）；から成り、 前記第１および第２熱膨張係数は異なることにより熱膨
    張係数の不整合を生じ、前記ベース・プレートを隔てた
    前記熱膨張係数の不整合を均衡化させることによって、
    ほぼ平面形状を形成することを特徴とするベース・プレ
    ート。
JP8157716A 1995-05-30 1996-05-28 ハイブリッド・マルチチップ・モデュールおよびその製造方法 Pending JPH08330507A (ja)

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