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WO2011121779A1 - マルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法 - Google Patents

マルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法 Download PDF

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WO2011121779A1
WO2011121779A1 PCT/JP2010/055947 JP2010055947W WO2011121779A1 WO 2011121779 A1 WO2011121779 A1 WO 2011121779A1 JP 2010055947 W JP2010055947 W JP 2010055947W WO 2011121779 A1 WO2011121779 A1 WO 2011121779A1
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WO
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package substrate
arithmetic element
arithmetic
cpu
multichip module
Prior art date
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PCT/JP2010/055947
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English (en)
French (fr)
Inventor
福園 健治
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Priority to PCT/JP2010/055947 priority patent/WO2011121779A1/ja
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    • Y10T29/49124On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/4913Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc.
    • Y10T29/49139Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc. by inserting component lead or terminal into base aperture

Definitions

  • the present invention relates to a multichip module, a printed wiring board unit, a manufacturing method of a multichip module, and a manufacturing method of a printed wiring board unit.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a multichip module having a package substrate on which components are three-dimensionally mounted.
  • a CPU 2 bonded by flip lip bonding is mounted on a package substrate 1 having a core layer.
  • the BGA 5 is mounted on the package substrate 1 on the side opposite to the CPU 2, in other words, on the bottom surface of the package.
  • the CPU 2 is mounted with the stacked memory 3 bonded to the CPU 2 on the opposite side to the package substrate 1, in other words, on the back surface of the CPU 2 with the through electrodes 4. That is, the CPU 2 and the stacked memory 3 are connected via the package substrate 1 connected to the electrode that penetrates the CPU 2.
  • Such a multi-chip module mounted three-dimensionally is useful when a large number of connection terminals are required, such as joining a large CPU such as a multi-core and a high-density large-capacity memory.
  • a large number of connection terminals such as joining a large CPU such as a multi-core and a high-density large-capacity memory.
  • FIG. 14 when the through electrode 4 is provided in the CPU 2 and the stacked memory 3 is mounted on the back surface, the back surface of the CPU 2 is covered with the stacked memory 3. Heat needs to be released and cooling efficiency is poor.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a multichip module with improved cooling efficiency.
  • the CPU 2 and the stacked memory 3 are joined by the through electrode 4 so as to face each other with the package substrate 1 having the core layer interposed therebetween.
  • the external terminal 6 on the package surface is connected to the CPU 2 via a wire 7.
  • the multichip module shown in FIG. 15 is a diagram showing an example of a multichip module with improved cooling efficiency.
  • the CPU 2 and the stacked memory 3 are joined by the through electrode 4 so as to face each other with the package substrate 1 having the core layer interposed therebetween.
  • the external terminal 6 on the package surface is connected to the CPU 2 via a wire 7.
  • the multichip module shown in FIG. 15 has better cooling efficiency than FIG.
  • the multi-chip module according to the prior art shown in FIG. 15 has a problem that it is difficult to maintain flatness because it is necessary to use a thin high-density substrate as a package substrate.
  • the multichip module shown in FIG. 15 requires a high-density package substrate on which the through electrodes 4 can be manufactured at a narrow pitch so that the distance between the CPU 2 and the stacked memory 3 is not increased.
  • a high-density package substrate has a core layer. Therefore, it is not easy to install the through electrodes 4 that need to penetrate the core layer at a narrow pitch with respect to the high-density package substrate having the core layer. Therefore, in order to form the multichip module shown in FIG. 15, a thin high-density package substrate having no core is required.
  • FIG. 15 is mounted using a thin high-density package substrate that does not have a core layer, the substrate is thin and easily affected by external pressure, and the substrate is deformed. Flatness cannot be maintained. That is, the multichip module as shown in FIG. 15 has poor mountability and cannot be said to be effective.
  • the multichip module shown in FIG. 14 can use a thick package substrate as compared with FIG. 15, it is easy to maintain the flatness of the substrate, but the cooling efficiency is poor as described above. That is, since the multichip module shown in FIG. 14 uses a thick substrate having a core, it is easy to maintain the flatness of the substrate, but the cooling efficiency is poor, and the multichip module shown in FIG. 15 has good cooling efficiency. The flatness of things cannot be maintained.
  • the present invention has been made in view of the above, and is capable of maintaining the flatness of the substrate and has a good cooling efficiency, a multichip module, a printed wiring board unit, a method of manufacturing a multichip module, and a print It aims at providing the manufacturing method of a wiring board unit.
  • the present invention provides a semiconductor device having an arithmetic element that is a semiconductor element that executes arithmetic processing, and a data storage device that is connected to face the arithmetic element.
  • a memory element that is an element, a package board that has the arithmetic element mounted thereon, a surface on which the arithmetic element is mounted, an external terminal connected to another component, and a surface of the package board that has the external terminal Reinforcing parts arranged on the opposite surface so as to cover from the outer peripheral portion of the arithmetic element to a predetermined position on the central portion side.
  • the multichip module, the printed wiring board unit, the manufacturing method of the multichip module, and the manufacturing method of the printed wiring board unit according to the present invention can maintain the flatness of the board and have an effect of good cooling efficiency. Play.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a multichip module according to a first embodiment when viewed from the side.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the multichip module according to the first embodiment as viewed from above.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the multichip module according to the first embodiment when viewed from the bottom.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a multichip module in which a CPU and a stacked memory are directly connected to face each other as viewed from the side.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of a multichip module being manufactured as viewed from the side.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the multi-chip module being manufactured as viewed from the side.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view of the multichip module being manufactured as viewed from the side.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view of the multichip module being manufactured as viewed from the side.
  • FIG. 5E is a cross-sectional view of the multichip module being manufactured as viewed from the side.
  • FIG. 5F is a cross-sectional view of the multi-chip module being manufactured as viewed from the side.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the cooling structure of the printed wiring board unit having the multichip module described in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the cooling structure of the printed wiring board unit having the multichip module described in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a cooling structure of a printed wiring board unit having the multichip module described in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the cooling structure of the printed wiring board unit having the multichip module described in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the cooling structure of the printed wiring board unit having the multichip module described in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a multichip module used in the experiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an experimental result of the degree of warping of the package substrate.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a multichip module in which a stiffener is mounted only on the central portion of the CPU as viewed from the side.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a multichip module having a package substrate on which components are three-dimensionally mounted.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a multichip module with improved cooling efficiency.
  • (Side view) 1 is a cross-sectional view of a multichip module according to a first embodiment when viewed from the side.
  • the multichip module shown in FIG. 1 includes a package substrate 10, a CPU 11, a stacked memory 12, a through electrode 13, an external terminal 15, and a stiffener 20.
  • the package substrate 10 is a thin high-density substrate that does not have a core, and includes a CPU 11 that is an arithmetic element, and has external terminals 15 that are connected to other components on the surface on which the CPU 11 is mounted.
  • the package substrate 10 is electrically connected to the CPU 11 and has the external terminals 15 on the surface to which the CPU 11 is connected.
  • the package substrate 10 has a wire 16 for connecting the CPU 11 and the external terminal 15 therein.
  • the CPU 11 is a semiconductor element that executes arithmetic processing.
  • the CPU 11 is electrically connected to the stacked memory 12 via a through electrode 13 that penetrates the package substrate 10 so as to sandwich the package substrate 10 near the center.
  • the CPU 11 is connected to the surface on which the package substrate 10 has the external terminals 15.
  • An underfill agent 30 that is a sealing resin is placed between the CPU 11 and the package substrate 10.
  • the CPU 11 is connected to an external terminal 15 included in the package substrate 10 by a wire 16.
  • the stacked memory 12 is a semiconductor element that stores data and is connected to the central portion of the CPU 11 so as to face the CPU 11.
  • the stacked memory 12 sandwiches the package substrate 10 with the CPU 11 and is electrically connected to the CPU 11 through a through electrode 13 that penetrates the package substrate 10. That is, the stacked memory 12 faces the CPU 11 at the center of the CPU 11 on the surface opposite to the surface on which the package substrate 10 has the external terminals 15, in other words, on the surface opposite to the surface on which the CPU 11 is mounted. And are electrically connected.
  • the through electrode 13 is one of the mounting technologies for a semiconductor that is an electronic component, and is an electrode that vertically penetrates the inside of the package substrate 10.
  • the through electrode 13 connects the upper and lower chips and elements, which are conventionally performed by wire bonding.
  • the through electrodes 13 are installed on the package substrate 10 at a narrow pitch, and penetrate the package substrate 10 to electrically connect the CPU 11 and the stacked memory 12.
  • the external terminal 15 is a terminal that electrically connects the CPU 11 and other electronic components, and is, for example, a solder ball, a lead wire, or an electrode pad.
  • the external terminals 15 are formed by being embedded in the surface of the package substrate 10 where the CPU 11 is installed.
  • the stiffener 20 prevents the warpage of stainless steel or copper which is arranged on the surface opposite to the surface having the external terminals 15 in the package substrate 10 so as to cover from the outer peripheral portion of the CPU 11 to a predetermined position on the central portion side. Reinforcing parts to be The stiffener 20 is bonded to the surface of the package substrate 10 where the external terminals 15 are not present, that is, the surface to which the stacked memory 12 is connected, using a heat-resistant epoxy resin adhesive or the like. The stiffener 20 is arranged to cover the surface from the end (edge) of the package substrate 10 to the vicinity of the stacked memory 12.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the multichip module according to the first embodiment as viewed from above.
  • FIG. 2 illustrates the case where there are four stacked memories 12, but the present invention is not limited to this.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the multichip module according to the first embodiment when viewed from the bottom.
  • the stiffener 20 extends from all the top, bottom, left, and right ends of the package substrate 10 to a predetermined position in the central portion where the CPU 11 is mounted. Mounted to cover. A stacked memory 12 is mounted at the center of the CPU 11. 3 illustrates the case where there are four stacked memories 12 as in FIG. 2, the present invention is not limited to this.
  • the multichip module formed in this way has good cooling efficiency. Further, since the stiffener 20 is installed on the bottom surface of the package substrate 10, even when a thin high-density package substrate having no core is used, the substrate can be prevented from being deformed by external pressure. Therefore, the multichip module formed in this way can maintain flatness.
  • a short distance connection between the CPU 11 and the stacked memory 12, cooling from the back of the CPU 11, and a thin wiring board can be packaged with less warpage and less stress applied to the CPU 11, and external forces such as tests can be performed.
  • the handling that adds is also possible.
  • the CPU 11 and the stacked memory 12 are connected by the through electrode 13 that penetrates the package substrate 10 .
  • the present application is not limited to this.
  • the CPU 11 and the stacked memory 12 may be directly electrically connected without sandwiching the package substrate 10.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a multichip module in which a CPU and a stacked memory are directly connected to face each other as viewed from the side.
  • the multi-chip module shown in FIG. 4 includes the package substrate 10, the CPU 11, the stacked memory 12, the external terminal 15, and the stiffener 20 as in the first embodiment.
  • the package substrate 10 has the CPU 11 mounted thereon, and has external terminals 15 connected to other components on the surface on which the CPU 11 is mounted.
  • the stiffener 20 is also arranged on the surface opposite to the surface on which the package substrate 10 has the external terminals 15 so as to cover from the outer peripheral portion of the CPU 11 to a predetermined position on the central portion side. .
  • the package substrate 10 has a position where the CPU 11 and the stacked memory 12 are connected, in other words, the central portion of the CPU 11 is hollowed out, and a space for mounting the stacked memory 12 is secured.
  • the difference from the first embodiment is that the package substrate 10 is not provided between the CPU 11 and the stacked memory 12. For this reason, the CPU 11 and the stacked memory 12 are electrically directly connected via the connection terminal or the like without using the through electrode 13.
  • the CPU 11 and the stacked memory 12 can be connected with the shortest distance. Even when the CPU 11 and the stacked memory 12 are connected at the shortest distance, it is not necessary to cover any surface of the CPU 11 with the stacked memory 12, so that the cooling efficiency is good.
  • a thin high-density package substrate having no core can be used, and flatness can be maintained.
  • a wiring board that does not require a through electrode can be selected, and the cost can be reduced.
  • FIGS. 5A to 5F are cross-sectional views of the multichip module being manufactured as viewed from the side.
  • the manufacturing apparatus uses a solder or the like on the surface of the thin high-density package substrate 10 in which the through-electrodes 13 are concentratedly arranged in a part on the side where the external terminals 15 are provided. Join. At this time, the CPU 11 and the external terminal 15 are connected by the wire 16 inside the package substrate 10.
  • the manufacturing apparatus throws an underfill agent 30 into a joint portion between the CPU 11 and the package substrate 10 on which the CPU 11 is mounted. As a result, the bonding between the package substrate 10 and the CPU 11 is strengthened and sealed.
  • the manufacturing apparatus covers the surface of the package substrate 10 on which the CPU 11 is mounted on the surface opposite to the surface having the external terminals 15 from the outer peripheral portion of the CPU 11 to a predetermined position on the central portion side.
  • the stiffener 20 is mounted on.
  • the manufacturing apparatus mounts the stiffener 20 so as to cover the surface from the end of the package substrate 10 to the vicinity of the stacked memory 12.
  • the manufacturing apparatus adheres the surface of the package substrate 10 and the stiffener 20 with a heat-resistant epoxy resin adhesive or the like.
  • the manufacturing apparatus joins the stacked memory 12 using solder or the like so that the package substrate 10 on which the stiffener 20 is mounted is sandwiched between the CPU 11 and faces the CPU 11.
  • the manufacturing apparatus mounts the stacked memory 12 so as to be connected to each of the through electrodes 13 to which the CPU 11 is connected. That is, the manufacturing apparatus is mounted such that the CPU 11 and the stacked memory 12 are connected to both ends of the through electrode 13 that penetrates the package substrate 10.
  • the manufacturing apparatus mounts a predetermined BGA 14 on the external terminal 15 in the package substrate 10 on which the CPU 11, the stiffener 20, and the stacked memory 12 are mounted. Thereafter, as shown in FIG. 5F, the manufacturing apparatus connects the BGA 14 mounted on the package substrate 10 and the mother board 50.
  • the multichip module described in the first embodiment can be manufactured, and a printed wiring board unit having the multichip module can be manufactured.
  • FIGS. 6 to 10 are diagrams showing examples of the cooling structure of the printed wiring board unit having the multichip module described in the first embodiment.
  • FIG. 6 illustrates a cooling structure of the printed wiring board unit shown in FIG. 5F. Since the printed wiring board unit 200 shown in FIG. 6 is the same as the printed wiring board unit generated by FIGS. 5A to 5F, detailed description thereof is omitted here.
  • FIG. 6 illustrates a structure in which a heat sink is mounted on the printed wiring board unit 200 and is cooled by radiating heat through the heat sink.
  • the mother board 50 and the heat sink 70 of the printed wiring board unit 200 are bonded with a heat-resistant epoxy resin adhesive 80 or the like.
  • a high thermal conductivity sheet (TIM) 60 is mounted between the CPU 11 of the printed wiring board unit 200 and the heat sink 70. As a result, the heat generated from the CPU 11 reaches the heat sink 70 via the TIM 60 and is radiated through the heat sink 70. Therefore, efficient cooling can be implemented.
  • TIM high thermal conductivity sheet
  • the printed wiring board unit 200 shown in FIG. 7 has the same configuration as that of FIG. 6 such as the TIM 60 and the heat sink 70, but FIG. 6 is different from the mother board 50 and the heat sink 70 of the printed wiring board unit 200. Connection method is different.
  • the mother board 50 and the heat sink 70 of the printed wiring board unit 200 are bonded with the epoxy resin adhesive 80 or the like, but in FIG. As a result, there is no gap between the printed wiring board unit 200 and the heat sink 70, and more efficient cooling can be performed.
  • a joining tool such as a screw may be used.
  • FIG. 8 is a diagram in which the printed wiring board unit 200 and the heat sink 71 are connected by screws 90, as in FIG.
  • the difference from FIG. 7 is that the heat sink 71 has a heat pipe therein.
  • the heat sink 71 encloses a volatile working liquid such as alternative chlorofluorocarbon in a heat pipe.
  • a volatile working liquid such as alternative chlorofluorocarbon in a heat pipe.
  • the heat sink 71 has is not limited to the heat pipe, and may be a microchannel, a heat exchanger, or the like.
  • FIG. 9 shows an example in which the heat sink 71 similar to that in FIG. 8 is joined to the printed wiring board unit 200.
  • FIG. 8 is different from FIG. 8 in that the heat sink 72 is also mounted at the place where the stiffener 20 is mounted in FIG.
  • the heat sink 72 that is mounted instead of the stiffener 20 functions as a reinforcing component that prevents warping as in the case of the stiffener 20, and also functions as a radiator that dissipates heat from the package substrate 10.
  • FIG. 9 since they are joined by a spring load, they are pressed into contact with the mother board 50 and the connector instead of the BGA 14 connected to the external terminal 15 of the package substrate 10.
  • 9 may have the stiffener 20 similarly to FIG. 8 and the like, and in that case, the heat sink 72 of FIG. 9 may be mounted so as to cover the stiffener 20.
  • FIGS. 6 to 9 are examples in the case where a heat sink is generated in accordance with the shape of the printed wiring board unit 200.
  • a cooling structure capable of performing efficient cooling in addition to the heat sink will be described.
  • the heat sink 75 can be in contact with the mother board 50, but cannot be in contact with the CPU 11.
  • the CPU 11 and the heat sink 75 are connected via the heat spreader 65.
  • the TIM 60 is provided between the CPU 11 and the heat spreader 65 and the TIM 60 is provided between the heat sink 75 and the heat spreader 65.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a multichip module used in the experiment. As shown in FIG. 11, here, as an example, the description will be made assuming that the outer shape of the package substrate is 40 mm, the CPU size is 20 mm, and the stiffener non-arrangement region is Lmm. The thickness of the stiffener is 1 mm.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an experimental result of the degree of warping of the package substrate.
  • the maximum principal stress when the multichip module of FIG. 11 is mounted as an LSI is the left vertical axis
  • the stiffener non-arranged area is 40 mm.
  • the package substrate is warped by 0.5 mm.
  • the stiffener non-arranged area exceeds 20 mm, the LSI maximum principal stress rapidly increases and the warpage of the package substrate also increases. That is, when the stiffener is mounted only on the outer side of the CPU (on the end side of the package substrate), it is difficult to prevent the warpage of the package substrate.
  • the stiffener non-arranged area is smaller than 20 mm, that is, when the stiffener is mounted from the outer peripheral portion to the central portion of the CPU, it can be seen that warpage of the package substrate can be prevented.
  • the stiffener of the multichip module disclosed in the present application is not necessarily mounted as in the first and second embodiments.
  • a stiffener may be mounted only on the central side of the CPU. That is, the stiffener is not mounted from the outer peripheral side of the CPU to the end of the package substrate.
  • the stiffener is mounted in this manner, the degree of warpage can be prevented is small because the strength of the package substrate is weaker than in the first and second embodiments. In other words, the first and second embodiments can be firmly warped.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a multichip module in which a stiffener is mounted only on the central portion of the CPU as viewed from the side.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

 マルチチップモジュールは、演算処理を実行する半導体素子である演算素子と、演算素子に対向して接続される、データを記憶保持する半導体素子である記憶素子とを有する。そして、マルチチップモジュールは、演算素子を搭載し、演算素子が搭載される面に、他の部品と接続する外部端子を有するパッケージ基板を有する。さらに、マルチチップモジュールは、パッケージ基板における外部端子を有する面とは反対側の面に、演算素子の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように配置された補強部品を有する。

Description

マルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法
 本発明は、マルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法に関する。
 近年、CPU(Central Processing Unit)などの演算素子は、微細化およびメニーコア化が進み、大型化されている。そして、このような演算素子を実装するパッケージ基板では、微細配線技術が進んでいる。また、メモリなどの機能を集約させることを目的としてSiP(System In Package)の利用も盛んになり、複数の部品を1つのパッケージにすることが求められている。この結果、パッケージ基板の実装技術等では、更なる高密度が進められている。
 現在では、シリコンに貫通ビアを設けて3次元実装された部品が利用されつつあり、複数部品、高密度、多端子接合などが実現されている。例えば、図14に示すように、パッケージ基板1とCPU2と積層メモリ3と貫通電極4とBGA(Ball Grid Array)5とを有するマルチチップモジュールが開示されている。図14は、部品を3次元実装したパッケージ基板を有するマルチチップモジュールの例を示す図である。
 図14に示すように、コア層を有するパッケージ基板1には、フリップリップ接合で接合されたCPU2が実装される。また、パッケージ基板1には、CPU2とは逆側に、言い換える、パッケージ底面にBGA5が実装される。そして、CPU2には、パッケージ基板1とは逆側に、言い換えると、CPU2の背面に、貫通電極4で接合された積層メモリ3が実装される。つまり、CPU2と積層メモリ3は、CPU2を貫通する電極と接続されるパッケージ基板1を介して接続される。
 このような3次元実装されたマルチチップモジュールは、マルチコアなどの大型CPUと高密度大容量メモリとを接合するなど、接続端子を多数必要とする場合に有用である。ところが、図14のように、CPU2に貫通電極4を設けて裏面に積層メモリ3を実装すると、CPU2の背面が積層メモリ3で覆われてしまうため、積層メモリ3を介して、CPU2から発生した熱を逃がす必要があり、冷却効率が悪い。
 そして、冷却効率を向上させる3次元実装例としては、図15に示すような、パッケージ基板1とCPU2と積層メモリ3と貫通電極4と外部端子6とワイヤ7と有するマルチチップモジュールが開示されている。図15は、冷却効率を向上させたマルチチップモジュールの例を示す図である。図15に示すように、CPU2と積層メモリ3とは、コア層を有するパッケージ基板1を挟んで対向するように、貫通電極4で接合される。また、パッケージ表面の外部端子6は、ワイヤ7を介してCPU2と接続される。このような図15に示すマルチチップモジュールは、CPU2の背面に積層メモリ3を有していないため、CPU2の熱が積層メモリ3に影響を与えることも少なく、積層メモリ3の熱がCPU2に与える影響も少ない。したがって、図15に示すマルチチップモジュールは、図14と比較して、冷却効率がよい。
特開平09-321184号公報 特開2001-308258号公報
 しかしながら、図15に示した従来技術に係るマルチチップモジュールでは、パッケージ基板として薄型の高密度基板を用いる必要があるので、平坦度を維持することが難しいという課題があった。
 具体的には、図15に示したマルチチップモジュールでは、CPU2と積層メモリ3間との距離が遠くならないように貫通電極4を狭ピッチで製作できる高密度なパッケージ基板が必要となる。ところが、一般的に、高密度なパッケージ基板はコア層を有している。したがって、コア層を有する高密度なパッケージ基板に対して、コア層を貫通させる必要がある貫通電極4を狭ピッチで設置することが簡単にできない。このため、図15に示したマルチチップモジュールを形成するには、コアを有さない薄型の高密度なパッケージ基板が必要となる。そして、コア層を有さない薄型の高密度なパッケージ基板を用いて、図15を実装した場合、基板が薄いことから外部からの圧力の影響を受けやすく、基板が変形してしまい、基板の平坦度を維持できない。つまり、図15のようなマルチチップモジュールは、実装性が悪く、有効なものとは言えない。
 一方、図14に示したマルチチップモジュールは、図15に比べて厚いパッケージ基板を用いることができるので、基板の平坦度を維持しやすいが、上記したように冷却効率が悪い。つまり、図14に示したマルチチップモジュールでは、コアを有する厚い基板を用いるので、基板の平坦度を維持しやすくなるものの冷却効率が悪く、図15に示したマルチチップモジュールでは、冷却効率がよいものの平坦度を維持できない。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、基板の平坦度を維持することが可能であるとともに、冷却効率がよいマルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法を提供することを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、演算処理を実行する半導体素子である演算素子と、前記演算素子に対向して接続される、データを記憶保持するを有する半導体素子である記憶素子と、前記演算素子を搭載し、前記演算素子が搭載される面に、他の部品と接続する外部端子を有するパッケージ基板と、前記パッケージ基板における前記外部端子を有する面とは反対側の面に、前記演算素子の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように配置された補強部品とを有する。
 本発明にかかるマルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法は、基板の平坦度を維持することが可能であるとともに、冷却効率がよいという効果を奏する。
図1は、実施例1に係るマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図2は、実施例1に係るマルチチップモジュールを上方から見た断面図である。 図3は、実施例1に係るマルチチップモジュールを底方から見た断面図である。 図4は、CPUと積層メモリとが対向して直接接続されるマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図5Aは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図5Bは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図5Cは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図5Dは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図5Eは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図5Fは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図6は、実施例1で説明したマルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットの冷却構造の例を示す図である。 図7は、実施例1で説明したマルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットの冷却構造の例を示す図である。 図8は、実施例1で説明したマルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットの冷却構造の例を示す図である。 図9は、実施例1で説明したマルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットの冷却構造の例を示す図である。 図10は、実施例1で説明したマルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットの冷却構造の例を示す図である。 図11は、実験に用いるマルチチップモジュールの構成を示す図である。 図12は、パッケージ基板の反り具合の実験結果の例を示す図である。 図13は、CPUの中心部分のみにスティフナを実装したマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。 図14は、部品を3次元実装したパッケージ基板を有するマルチチップモジュールの例を示す図である。 図15は、冷却効率を向上させたマルチチップモジュールの例を示す図である。
 以下に、本発明にかかるマルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
(側面図)
 図1は、実施例1に係るマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。図1に示すマルチチップモジュールは、パッケージ基板10とCPU11と積層メモリ12と貫通電極13と外部端子15とスティフナ20とを有して形成される。
 パッケージ基板10は、コアを有さない薄型の高密度基板であり、演算素子であるCPU11を搭載し、CPU11が搭載される面に、他の部品と接続する外部端子15を有する。言い換えると、パッケージ基板10は、CPU11と電気的に接続され、CPU11が接続される面に外部端子15を有する。また、パッケージ基板10は、CPU11と外部端子15とを接続するワイヤ16を内部に有している。
 CPU11は、演算処理を実行する半導体素子である。CPU11は、中心部付近で、パッケージ基板10を挟むように、パッケージ基板10を貫通する貫通電極13を介して積層メモリ12と電気的に接続される。このCPU11は、パッケージ基板10が外部端子15を有する面に接続される。また、CPU11とパッケージ基板10との間には、封止樹脂であるアンダーフィル剤30が入れられる。また、CPU11は、パッケージ基板10が有する外部端子15とワイヤ16で接続される。
 積層メモリ12は、CPU11の中心部でCPU11に対向して接続される、データを記憶保持する半導体素子である。積層メモリ12は、CPU11との間でパッケージ基板10を挟み、パッケージ基板10を貫通する貫通電極13を介してCPU11と電気的に接続される。つまり、積層メモリ12は、パッケージ基板10が外部端子15を有する面とは反対側の面に、言い換えると、CPU11が搭載される面とは反対側の面に、CPU11の中心部でCPU11に対向して電気的に接続される。
 貫通電極13は、電子部品である半導体の実装技術の1つであり、パッケージ基板10内部を垂直に貫通する電極である。貫通電極13は、従来ではワイヤ・ボンディングで行なわれていた上下のチップや素子同士を接続する。ここでは、貫通電極13は、パッケージ基板10に狭ピッチで設置され、パッケージ基板10を貫通して、CPU11と積層メモリ12とを電気的に接続する。
 外部端子15は、CPU11と他の電子部品等を電気的に接続する端子であり、例えば、半田ボール、リード線もしくは電極パッドなどである。この外部端子15は、パッケージ基板10のCPU11が設置される面に埋め込まれるなどして形成される。
 スティフナ20は、パッケージ基板10における外部端子15を有する面とは反対側の面に、CPU11の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように配置されたステンレス鋼製や銅製の反りを防止する補強部品である。このスティフナ20は、パッケージ基板10において外部端子15がない側の面、つまり、積層メモリ12が接続される面に、耐熱性のあるエポキシ樹脂系接着剤等で接着される。そして、スティフナ20は、パッケージ基板10の端(エッジ)から積層メモリ12付近までの面を網羅するように配置される。
(上面図)
 次に、図2を用いて、図1に示したマルチチップモジュールを上から見た図、言い換えると、CPU11が実装される側から見た図を説明する。図2は、実施例1に係るマルチチップモジュールを上方から見た断面図である。
 図2に示すように、図1に示したマルチチップモジュールを上方から見た場合、パッケージ基板10の表面に、CPU11と外部端子15とが形成される。なお、外部端子15の数や配置例はあくまで例示であり、これに限定されるものではない。また、積層メモリ12は、マルチチップモジュールを上方から見た場合には、自身と対向して接続されるCPU11があるためにパッケージ基板10の表面には現れない。なお、図2は、積層メモリ12が4つある場合を図示しているがこれに限定されるものではない。
(底面図)
 次に、図3を用いて、図1に示したマルチチップモジュールを下から見た図、言い換えると、積層メモリ12が実装される側から見た図を説明する。図3は、実施例1に係るマルチチップモジュールを底方から見た断面図である。
 図3に示すように、図1に示したマルチチップモジュールを底方から見た場合、スティフナ20が、パッケージ基板10の上下左右の全端から、CPU11が搭載される中心部の所定位置までを覆うように実装される。そして、CPU11の中心部には、積層メモリ12が実装される。なお、図3は、図2と同様に、積層メモリ12が4つある場合を図示しているがこれに限定されるものではない。
(実施例1による効果)
 実施例1によれば、CPU11の背面を積層メモリ12で覆う必要がないので、CPU11の熱が積層メモリ12に影響を与えることも少なく、積層メモリ12の熱がCPU11に与える影響も少ない。したがって、このように形成されたマルチチップモジュールは、冷却効率がよい。また、パッケージ基板10の底面にはスティフナ20が設置されるので、コアを有さない薄型の高密度なパッケージ基板を用いた場合でも、外部からの圧力によって基板が変形することを防止できる。したがって、このように形成されたマルチチップモジュールは、平坦度を維持することが可能である。
 また、実施例1によれば、CPU11と積層メモリ12との近距離接続と、CPU11背面からの冷却、および薄型配線基板でも反りが小さく、CPU11にかかる応力も小さいパッケージが可能となり、試験など外力が加わるような取り扱いも可能となる。
 ところで、実施例1では、CPU11と積層メモリ12とがパッケージ基板10を貫通させた貫通電極13で接続される例について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、CPU11と積層メモリ12とがパッケージ基板10を挟むことなく、直接電気的に接続されてもよい。
 そこで、実施例2では、図4を用いて、CPUと積層メモリとが対向して直接接続されるマルチチップモジュールの例を説明する。図4は、CPUと積層メモリとが対向して直接接続されるマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。
 図4に示すマルチチップモジュールは、実施例1と同様、パッケージ基板10とCPU11と積層メモリ12と外部端子15とスティフナ20とを有して形成される。具体的には、パッケージ基板10は、CPU11を搭載し、CPU11が搭載される面に、他の部品と接続する外部端子15を有する。また、スティフナ20についても、実施例1と同様、パッケージ基板10が外部端子15を有する面とは反対側の面に、CPU11の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように配置される。
 そして、実施例1と異なる点として、パッケージ基板10は、CPU11と積層メモリ12とが接続される位置、言い換えると、CPU11の中心部周辺がくり抜かれており、積層メモリ12が実装できるスペースが確保されている。つまり、実施例1と異なる点は、CPU11と積層メモリ12との間に、パッケージ基板10を有していない点である。このため、CPU11と積層メモリ12とは、貫通電極13を用いることなく、接続端子等を介して電気的に直接接続される。
 このようにすることで、CPU11と積層メモリ12とを最短距離で接続することができる。また、CPU11と積層メモリ12とを最短距離で接続した場合であっても、CPU11のいずれかの面を積層メモリ12で覆う必要がないので、冷却効率がよい。また、コアを有さない薄型の高密度なパッケージ基板を用いることができ、平坦度を維持することが可能である。また、貫通電極の必要ない配線基板も選択でき、低コスト化できる。
 次に、図5A~図5Fを用いて、実施例1で説明したマルチチップモジュールの製造工程を説明する。なお、ここで説明するマルチチップモジュールの製造工程は、所定の製造装置もしくは手作業にておこなわれるが、ここでは製造装置が実施する例について説明する。また、図5A~図5Fは、製造途中のマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。
 図5Aに示すように、製造装置は、一部分に貫通電極13が集中配置された薄型の高密度なパッケージ基板10の面のうち外部端子15がある側の面に、ハンダ等を用いて、CPU11を接合する。このとき、CPU11と外部端子15とがパッケージ基板10内部のワイヤ16によって接続される。
 続いて、図5Bに示すように、製造装置は、CPU11を実装したパッケージ基板10とCPU11との接合部分にアンダーフィル剤30を投入する。この結果、パッケージ基板10とCPU11との接合が強化されて封止される。
 そして、図5Cに示すように、製造装置は、CPU11を実装したパッケージ基板10が外部端子15を有する面とは反対側の面に、CPU11の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するようにスティフナ20を実装する。言い換えると、製造装置は、パッケージ基板10の端から積層メモリ12付近までの面を網羅するようにスティフナ20を実装する。このとき、製造装置は、パッケージ基板10の面とスティフナ20とを耐熱性のあるエポキシ樹脂系接着剤等で接着する。
 続いて、図5Dに示すように、製造装置は、スティフナ20を実装したパッケージ基板10をCPU11と挟んでCPU11と対向するように、ハンダ等を用いて、積層メモリ12を接合する。具体的には、製造装置は、CPU11が接続される貫通電極13それぞれに接続されるように、積層メモリ12を実装する。つまり、製造装置は、パッケージ基板10を貫通する貫通電極13の両端に、CPU11と積層メモリ12とが接続されるように実装する。
 そして、図5Eに示すように、製造装置は、CPU11とスティフナ20と積層メモリ12とを実装したパッケージ基板10における外部端子15に所定のBGA14を実装する。その後、図5Fに示すように、製造装置は、パッケージ基板10に実装したBGA14とマザーボード50とを接続する。この結果、実施例1で説明したマルチチップモジュールを製造することができるとともに、当該マルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットを製造することができる。
 次に、図6~図10を用いて、実施例1で説明したマルチチップモジュールをマザーボードに接続した状態で、効率的に冷却できる冷却構造を説明する。図6~図10は、実施例1で説明したマルチチップモジュールを有するプリント配線基板ユニットの冷却構造の例を示す図である。
 図6では、図5Fに示したプリント配線基板ユニットの冷却構造を説明する。図6に示すプリント配線基板ユニット200は、図5A~図5Fによって生成されるプリント配線基板ユニットと同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。図6には、プリント配線基板ユニット200にヒートシンクを実装し、ヒートシンクを介して放熱することで冷却する構造を図示している。ここでは、プリント配線基板ユニット200のマザーボード50とヒートシンク70とを耐熱性のあるエポキシ樹脂系接着剤80等で接着する。また、プリント配線基板ユニット200のCPU11とヒートシンク70と間には、高熱伝導性シート(TIM)60が実装される。この結果、CPU11から発生する熱は、TIM60を介してヒートシンク70に到達し、ヒートシンク70を介して放熱される。したがって、効率的な冷却を実施することができる。
 次に、図7に示すプリント配線基板ユニット200は、TIM60、ヒートシンク70など図6と同様の構成を有しているが、図6とは、プリント配線基板ユニット200のマザーボード50とヒートシンク70との接続手法が異なる。図6の場合、プリント配線基板ユニット200のマザーボード50とヒートシンク70とをエポキシ樹脂系接着剤80等で接着していたが、図7では、ビス90などを用いて接続する。この結果、プリント配線基板ユニット200とヒートシンク70との間に隙間がなくなり、より効率的な冷却を実施することができる。なお、ビス90以外にも、例えばネジなどの接合器具で接合してもよい。
 図8は、図7と同様に、プリント配線基板ユニット200とヒートシンク71とをビス90で接続した図である。図7と異なる点は、ヒートシンク71は、その内部にヒートパイプを有している点である。ヒートシンク71は、ヒートパイプ内に代替フロンなどの揮発性の作業液を封入する。この結果、プリント配線基板ユニット200から発生した熱をヒートパイプ内で冷却することができるので、より効率的な冷却を実施することができる。なお、ヒートシンク71が内部に有するのは、ヒートパイプに限定されるものではなく、マイクロチャネルや熱交換器等であってもよい。
 そして、図9は、図8と同様のヒートシンク71をプリント配線基板ユニット200に接合した場合の例であるが、図8とは、図8においてスティフナ20が実装される箇所にもヒートシンク72を実装し、バネ100によるバネ荷重によって接合する点が異なる。スティフナ20に変わって実装されるヒートシンク72は、スティフナ20と同様に反りを防止する補強部品としても機能し、パッケージ基板10からの熱を放熱する放熱器としても機能する。また、図9では、バネ荷重によって接合されるため、パッケージ基板10の外部端子15と接続されるBGA14に変わって、マザーボード50とコネクタによって圧接される。なお、図9は、図8等と同様にスティフナ20を有していてもよく、その場合、図9のヒートシンク72は、スティフナ20を覆うように実装すればよい。
 ところで、図6~図9は、プリント配線基板ユニット200の形に合わせてヒートシンクを生成した場合の例である。具体的には、プリント配線基板ユニット200にマザーボード50にも、CPU11にも接することができるように、凸部を有するヒートシンクを生成した場合の例である。ところが、このようにヒートシンク以外にも効率的な冷却を実施することができる冷却構造の例を示す。
 図10に示すように、ヒートシンク75は、マザーボード50とは接することができるが、CPU11とは接することができない。この場合、CPU11とヒートシンク75とがヒートスプッレダー65を介して接続する。さらに、冷却効率を上げるためには、CPU11とヒートスプッレダー65との間にTIM60を設け、ヒートシンク75とヒートスプッレダー65との間にTIM60を設けるようにする。このようにすることで、CPU11等から発せられた熱がヒートスプッレダー65およびヒートシンク75に流れやすくなり、冷却効率を上げることができる。
 次に、図11と図12とを用いて、スティフナ20を実装した有用性についての実験例を説明する。図11は、実験に用いるマルチチップモジュールの構成を示す図である。図11に示すように、ここでは一例として、パッケージ基板の外形が40mm、CPUサイズが20mm、スティフナ未配置領域がLmmとして説明する。また、スティフナの厚さは、1mmとする。
 この実験では、スティフナの位置を変えて、図11のマルチチップモジュールをLSIとして実装した場合のLSI最大主応力(MPa)の変化によってパッケージ基板10がどのくらい反ったかを実験し、その結果を図12に示した。図12は、パッケージ基板の反り具合の実験結果の例を示す図である。図12では、スティフナ未配置領域(1辺の長さ)=Lmmを横軸、図11のマルチチップモジュールをLSIとして実装した場合の最大主応力を左縦軸、パッケージ基板の反り(mm/40mm)を右縦軸に表した。
 図12に示すように、スティフナの未配置領域が40mm、言い換えると、スティフナを実装しない場合、パッケージ基板が0.5mm反っていることがわかる。また、スティフナの未配置領域が20mmを超えると、LSI最大主応力が急激に増加し、パッケージ基板の反りも増加する。つまり、CPUの外周部よりも外側(パッケージ基板の端側)だけスティフナを実装した場合には、パッケージ基板の反りを防止できるとは言い難い。ところが、スティフナの未配置領域が20mmより小さくなると、つまり、CPUの外周部から中心部までスティフナを実装した場合には、パッケージ基板の反りを防止できることがわかる。
 さて、これまで本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下に異なる実施例を説明する。
(スティフナの実装位置)
 本願の開示するマルチチップモジュールのスティフナは、必ずしも実施例1や2のように実装される必要はない。例えば、図13に示すように、CPUの中心側のみにスティフナを実装してもよい。つまり、CPUの外周側からパッケージ基板の端まではスティフナは実装されない。このようにスティフナを実装した場合、実施例1や2に比べて、パッケージ基板の強度が弱いために反りを防止できる度合いを小さい。言い換えると、実施例1や2の方が反り強固に防止できる。しかし、図13のようにスティフナを実装した場合でも、従来に比べれば、十分に反りを防止できるとともに冷却効率もよい。なお、図13は、CPUの中心部分のみにスティフナを実装したマルチチップモジュールを側方から見た断面図である。
(半導体素子)
 上記実施例では、演算素子と記憶素子とを対向して接続する例について説明したが、これに限定されるものではない。開示の技術は、目的を達成するため、LSI(Large Scale Integration)、インターポーザ、マザーボード、半導体素子一般、パッケージ基板一般、中継基板一般、回路基板一般に広く適用可能である。
 10 パッケージ基板
 11 CPU
 12 積層メモリ
 13 貫通電極
 14 BGA
 15 外部端子
 16 ワイヤ
 20 スティフナ
 30 アンダーフィル剤
 50 マザーボード
 60 TIM
 70、71、72、75 ヒートシンク
 80 エポキシ樹脂系接着剤
 90 ビス
 100 バネ
 200 プリント配線基板ユニット

Claims (7)

  1.  演算処理を実行する半導体素子である演算素子と、
     前記演算素子に対向して接続される、データを記憶保持する半導体素子である記憶素子と、
     前記演算素子を搭載し、前記演算素子が搭載される面に、他の部品と接続する外部端子を有するパッケージ基板と、
     前記パッケージ基板における前記外部端子を有する面とは反対側の面に、前記演算素子の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように配置された補強部品と
     を有することを特徴とするマルチチップモジュール。
  2.  前記記憶素子は、前記演算素子との間で前記パッケージ基板を挟み、前記パッケージ基板を貫通する貫通電極を介して前記演算素子と接続されることを特徴とする請求項1に記載のマルチチップモジュール。
  3.  前記記憶素子は、前記演算素子との間で前記パッケージ基板を挟まずに、前記演算素子と直接接続されることを特徴とする請求項1に記載のマルチチップモジュール。
  4.  前記補強部品は、前記演算素子の中心部の所定位置から前記パッケージ基板が前記外部端子を有する面とは反対側の面全てを網羅するように配置されたことを特徴とする請求項1に記載のマルチチップモジュール。
  5.  演算処理を実行する半導体素子である演算素子と、
     前記演算素子に対向して接続される、データを記憶保持する半導体素子である記憶素子と、
     前記演算素子を搭載し、前記演算素子が搭載される面に、他の部品と接続する外部端子を有するパッケージ基板と、
     前記パッケージ基板が前記外部端子を有する面とは反対側の面に、前記演算素子の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように配置された補強部品と、
     前記パッケージ基板が有する外部端子と接続される電子回路基板と、
     前記電子回路基板が前記パッケージ基板と接続する面とは反対側の面と前記演算素子とに接合される放熱部品と
     を有することを特徴とするプリント配線基板ユニット。
  6.  マルチチップモジュールを製造する製造装置が、
     他の部品と接続する外部端子を有するとともに、一部分に貫通電極が集中配置されたパッケージ基板が外部端子を有する面の前記貫通電極と接続されるように、演算処理を実行する半導体素子である演算素子を接合するステップと、
     前記演算素子と前記パッケージ基板との接合部分に封止剤を投入するステップと、
     前記演算素子が接合された面とは反対側の面に、前記パッケージ基板に接合された演算素子の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように補強部品を接合するステップと、
     前記演算素子が接合されたパッケージ基板を挟むように前記演算素子と対向し、前記パッケージ基板の補強部品が接合された面の前記貫通電極と接続されるように、データを記憶保持する半導体素子である記憶素子を接合するステップと、
     を含んだことを特徴とするマルチチップモジュールの製造方法。
  7.  プリント配線基板ユニットを製造する製造装置が、
     他の部品と接続する外部端子を有するとともに、一部分に貫通電極が集中配置されたパッケージ基板が外部端子を有する面の前記貫通電極と接続されるように、演算処理を実行する半導体素子である演算素子を接合するステップと、
     前記演算素子と前記パッケージ基板との接合部分に封止剤を投入するステップと、
     前記演算素子が接合された面とは反対側の面に、前記パッケージ基板に接合された演算素子の外周部から中心部側の所定位置まで網羅するように補強部品を接合するステップと、
     前記演算素子が接合されたパッケージ基板を挟むように前記演算素子と対向し、前記パッケージ基板の補強部品が接合された面の前記貫通電極と接続されるように、データを記憶保持する半導体素子である記憶素子を接合するステップと、
     前記演算素子と記憶素子と補強部品とが接合されたパッケージ基板の外部端子と電子回路基板とを接合するステップと、
     前記電子回路基板と前記演算素子とに接するように放熱部品を接合するステップと
     を含んだことを特徴とするプリント配線基板ユニットの製造方法。
PCT/JP2010/055947 2010-03-31 2010-03-31 マルチチップモジュール、プリント配線基板ユニット、マルチチップモジュールの製造方法およびプリント配線基板ユニットの製造方法 Ceased WO2011121779A1 (ja)

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