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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022056688
(43)【公開日】2022-04-11
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/29 20060101AFI20220404BHJP
   H01L 25/065 20060101ALI20220404BHJP
   H01L 25/18 20060101ALI20220404BHJP
【FI】
H01L23/36 A
H01L25/08 E
H01L25/04 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020164568
(22)【出願日】2020-09-30
(71)【出願人】
【識別番号】318010018
【氏名又は名称】キオクシア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】鴨田 涼
(72)【発明者】
【氏名】高橋 秀樹
【テーマコード(参考)】
5F136
【Fターム(参考)】
5F136BC05
5F136BC07
5F136DA44
5F136FA14
5F136FA23
5F136FA52
5F136FA88
5F136HA01
(57)【要約】
【課題】電磁波の遮蔽と、放熱性の向上を実現する半導体装置を提供する。
【解決手段】実施の形態に係る半導体装置は、基板と、半導体メモリと、コントローラと、第1熱伝導板と、グラファイトシートと、封止部と、半田ボールとを備える。基板は、第1面と、第1面とは反対側に位置した第2面とを有する。半導体メモリは、第1面に設けられる。コントローラは、第1面に半導体メモリと離して設けられ、半導体メモリを制御可能である。第1熱伝導板は、コントローラの上に配置される。グラファイトシートは、半導体メモリと、コントローラとの上方であって、第1熱伝導板の上に配置される。封止部は、半導体メモリと、コントローラと、第1熱伝導板と、グラファイトシートとを封止する。半田ボールは、基板の第2面に複数設けられる。
【選択図】図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1面と、前記第1面とは反対側に位置した第2面と、を有した基板と、
前記第1面に設けられる半導体メモリと、
前記第1面に前記半導体メモリと離して設けられ、前記半導体メモリを制御可能なコントローラと、
前記コントローラの上に配置された第1熱伝導板と、
前記半導体メモリと、前記コントローラとの上方であって、前記第1熱伝導板の上に配置されたグラファイトシートと、
前記半導体メモリと、前記コントローラと、前記第1熱伝導板と、前記グラファイトシートとを封止した第1封止部と、
前記第2面に設けられた複数の半田ボールとを備える、
半導体装置。
【請求項2】
前記グラファイトシートは、前記半導体メモリと前記コントローラと、前記第1熱伝導板とを包含する、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第1面に対向する前記グラファイトシートの裏面に絶縁シートを備える、
請求項1又は2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記コントローラの上面に接続された第1ボンディングワイヤと、
前記第1ボンディングワイヤの一部を含み、前記コントローラの上面に配置された絶縁フィルムとを備え、
前記第1熱伝導板は、前記絶縁フィルムと前記絶縁シートとの間に配置される、
請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記グラファイトシートの前記絶縁シートに対向する上面に配置された第2熱伝導板と、
前記グラファイトシートと、前記第2熱伝導板とを封止した第2封止部とを備える、
請求項4に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記グラファイトシートと前記絶縁シートは略等しい大きさを有する、
請求項5に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記グラファイトシートは、前記第1封止部よりも小さなサイズを有する、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記グラファイトシートは、前記基板よりも小さなサイズを有する、
請求項1~7のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第2熱伝導板は、前記第1熱伝導板よりも大きいサイズを有する、
請求項5に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記グラファイトシートは、前記第2熱伝導板よりも大きいサイズを有する、
請求項9に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記グラファイトシートは、前記基板に平行な方向に熱伝導率が高い配向を有する、
請求項1~10のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項12】
前記グラファイトシートは、前記基板に平行な方向及び前記基板に垂直な方向に熱伝導率が高い配向を有する、
請求項1~10のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項13】
前記第1面に設けられる前記半導体メモリは、複数個積層化されて設けられ、
複数の前記半導体メモリは、複数の前記半導体メモリと前記コントローラとの並び方向において、前記コントローラの方向にずらされて積層される、
請求項1~12のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項14】
更に、前記第1面に実装された温度センサを備え、
前記温度センサは、前記コントローラの近傍に設けられる、
請求項1~13のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項15】
第1面と、前記第1面とは反対側に位置した第2面と、を有した基板と、
前記第1面に設けられる半導体メモリと、
前記第1面に前記半導体メモリと離して設けられ、前記半導体メモリを制御可能なコントローラと、
前記コントローラの上方に配置された熱伝導板と、
前記半導体メモリと、前記コントローラと、前記熱伝導板と、を封止した封止部と、
前記第2面に設けられた複数の半田ボールとを備える、
半導体装置。
【請求項16】
前記コントローラの上面に接続された第1ボンディングワイヤと、
前記第1ボンディングワイヤの一部を含み、前記コントローラの上面に配置された絶縁フィルムとを更に備え、
前記熱伝導板は、前記絶縁フィルムの上面に配置され、
前記熱伝導板の上面は、外部に露出している、
請求項15に記載の半導体装置。
【請求項17】
更に、前記熱伝導板の上面に配置された第2ボンディングワイヤを備え、
前記封止部は、前記第2ボンディングワイヤを封止する、
請求項15に記載の半導体装置。
【請求項18】
前記コントローラの上面に接続された第1ボンディングワイヤと、
前記第1ボンディングワイヤの一部を含み、前記コントローラの上面に配置された絶縁フィルムとを備え、
前記熱伝導板は、前記絶縁フィルムの上面に配置される、
請求項15に記載の半導体装置。
【請求項19】
第1面と、前記第1面とは反対側に位置した第2面と、を有した基板を形成し、
前記第2面に複数の半田ボールを形成し、
前記第1面に半導体メモリを形成し、
前記第1面に、前記半導体メモリと離して、前記半導体メモリを制御可能なコントローラを形成し、
前記コントローラの上面に、絶縁フィルムを介して第1熱伝導板を形成し、
前記第1熱伝導板の上にグラファイトシートを形成し、
前記半導体メモリと、前記コントローラと、前記グラファイトシートを封止する第1封止部を形成し、
前記グラファイトシートの上に第2熱伝導板を形成し、
前記グラファイトシートと、前記第2熱伝導板と、を封止する第2封止部を形成する、
半導体装置の製造方法。
【請求項20】
前記コントローラの上に第1ボンディングワイヤを形成し、
前記第1熱伝導板の上に前記絶縁フィルムを予め形成し、
前記第1ボンディングワイヤの一部を含み、前記コントローラの上に前記絶縁フィルムを形成して、前記第1熱伝導板を前記コントローラの上に形成する、
請求項19に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の一般的な半導体装置は、樹脂でモールドされたパッケージの状態で使用されている。近年の半導体装置として、特にボールグリッドアレイ(BGA: Ball Grid Array)型ソリッドステートドライブ(SSD: Solid State Drives)は性能が向上している。BGA型SSDは、その性能の向上に伴って、電磁波の放射及び発熱量の増加が問題になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第5967206号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、電磁波の遮蔽と、放熱性の向上を実現する半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施の形態に係る半導体装置は、基板と、半導体メモリと、コントローラと、第1熱伝導板と、グラファイトシートと、封止部と、半田ボールとを備える。基板は、第1面と、第1面とは反対側に位置した第2面とを有する。半導体メモリは、第1面に設けられる。コントローラは、第1面に半導体メモリと離して設けられ、半導体メモリを制御可能である。第1熱伝導板は、コントローラの上に配置される。グラファイトシートは、半導体メモリと、コントローラとの上方であって、第1熱伝導板の上に配置される。封止部は、半導体メモリと、コントローラと、第1熱伝導板と、グラファイトシートとを封止する。半田ボールは、基板の第2面に複数設けられる。
【図面の簡単な説明】
【0006】
図1】第1の実施の形態に係る半導体装置が搭載される電子機器の一例を示す概略構成図。
図2】第1の実施の形態に係る回路基板の構成の一部を模式的に示すブロック図。
図3】第1の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示すブロック図。
図4】第1の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
図5】第1の実施の形態に係る半導体装置の上面図。
図6】第1の実施の形態に係る半導体装置の一部構成を除外して示した図。
図7】第1の実施の形態に係る半導体装置に適用可能なグラファイトシートの構成図。
図8】第1の実施の形態に係る半導体装置に適用可能な第1のグラファイトシートGF(XY)を例示する図。
図9】第1の実施の形態に係る半導体装置に適用可能な第2のグラファイトシートGF(XZ)を例示する図。
図10】第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の断面図。
図11】第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の上面図。
図12】第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の一部構成を除外して示した図。
図13】第2の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
図14】第2の実施の形態に係る半導体装置の上面図。
図15】第2の実施の形態に係る半導体装置の一部構成を除外して示した上面図。
図16A】第2の実施の形態に係る半導体装置の第1の断面図
図16B】第2の実施の形態に係る半導体装置の第2の断面図。
図16C】第2の実施の形態に係る半導体装置の第3の断面図。
図16D】第2の実施の形態に係る半導体装置の第4の断面図。
図17】第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の断面図。
図18】第3の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
図19】第3の実施の形態に係る半導体装置の上面図。
図20】第4の実施の形態に係る半導体装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
次に、図面を参照して、実施の形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。図面は模式的なものである。また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。実施の形態は、種々の変更を加えることができる。
【0008】
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態に係る半導体装置1が搭載される電子機器2の一例を示す概略構成図である。電子機器2は、筐体3を含む。筐体3は回路基板(メインボード)4を収容する。回路基板4は、半導体装置1およびホストコントローラ5(例えばCPU)を含む。半導体装置1は、例えば、BGA型SSDとして構成される。半導体装置1は、電子機器2の記憶装置として機能する。ホストコントローラ5は、半導体装置1を含む電子機器2の全体の動作を制御する。ホストコントローラ5は、例えばサウスブリッジを含む。
【0009】
図2は、回路基板4の構成の一部を模式的に示すブロック図である。回路基板4には、電源回路7が設けられている。電源回路7は、電源ライン8(8a,8b)を介して、半導体装置1およびホストコントローラ5に接続されている。電源回路7は、電源ライン8(8a)を介して電源電圧をホストコントローラ5に供給する。また、電源回路7は、電源ライン8(8b)を介して電源電圧を半導体装置1に供給する。
【0010】
半導体装置1とホストコントローラ5との間には、複数の信号ライン6が設けられている。半導体装置1は、信号ライン6を介して、ホストコントローラ5との間で信号をやり取りする。半導体装置1およびホストコントローラ5は、例えば、PCI-express(以下、PCIe)の規格に則したインタフェースを有する。半導体装置1およびホストコントローラ5が有するインタフェースは、必ずしもPCIeの規格に則したインタフェースでなくても良い。ホストコントローラ5及び半導体装置1が有するインタフェースは、例えば、SAS(Serial Attached SCSI)やSATA(Serial Advanced Technology Attachment)の規格に則するものでもよい。また、ホストコントローラ5及び半導体装置1が有するインタフェースは、NVMe(Non Volatile Memory Express)、USB(Universal Serial Bus)等の他の規格に則するものでもよい。
【0011】
(半導体装置の構成)
次に、半導体装置1の構成について説明する。
【0012】
図3は、半導体装置1の構成の一例を示すブロック図である。図4は、第1の実施の形態に係る半導体装置1の断面図である。図5は、第1の実施の形態に係る半導体装置1の上面図である。半導体装置1は、コントローラ11、半導体メモリ12、RAM13、オシレータ(OSC)14、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)15、温度センサ16、基板21(パッケージ基板)、ボンディングワイヤ22M、22C、絶縁フィルム17、第1熱伝導板34、絶縁シート30、グラファイトシート32、封止部(モールド材)23、マウントフィルム24、及び半田ボール25を備える。
【0013】
コントローラ11は、半導体メモリ12の動作を制御する集積回路である。コントローラ11は、集積回路の1個のチップ上に、プロセッサコア、マイクロコントローラなどを集積している。プロセッサコア、マイクロコントローラなどは連携してSoCとして機能する。
【0014】
半導体メモリ12は、例えば、NANDフラッシュメモリである。半導体メモリ12は、NANDフラッシュメモリの他に、例えば、NOR型フラッシュメモリ、抵抗変化メモリ(ReRAM:Resistive Random Access Memory)、相変化メモリ(PCM: Phase-Change Memory)、強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)、磁気トンネル接合(MTJ:Magneto Tunnel Junction)抵抗変化素子が適用可能である。
【0015】
RAM13は、揮発性メモリである。RAM13は、例えば、DRAMである。RAM13は、半導体メモリ12の管理情報を記憶する。RAM13は、例えば、データのキャッシュなどに用いられる。
【0016】
オシレータ(OSC)14は、所定周波数の動作信号をコントローラ11に供給する。
【0017】
EEPROM15は、不揮発性メモリである。EEPROM15は、制御プログラム等を固定情報として記憶する。
【0018】
温度センサ16は、半導体装置1内の温度を計測する。温度センサ16は、計測した温度を、温度情報としてコントローラ11に送信する。
【0019】
基板21は、多層の配線基板である。基板21は、第1面21aと、第1面21aとは反対側に位置した第2面21bとを有する。基板21は、電源層28及びグランド層29を有する。
【0020】
ボンディングワイヤ22M、22Cは、例えば、銅ワイヤ、銀ワイヤ、金ワイヤである。ボンディングワイヤ22M、22Cの太さは、例えば直径20μm~50μm程度である。
【0021】
絶縁フィルム17は、柔軟性を備えた絶縁膜である。絶縁フィルム17には、フィルムオンワイヤ(Film On Wire、FOW)技術が適用される。このため、ボンディングワイヤ22Cの一部を絶縁フィルム17内に内蔵させることができる。絶縁フィルム17の厚さは、例えば約50μm程度である。絶縁フィルム17の厚さは、ボンディングワイヤ22Cの一部を埋め込むことができる厚さである。
【0022】
第1熱伝導板34は、例えば、シリコン基板である。第1熱伝導板34は、シリコン基板以外の熱伝導性の高い基板であっても良い。第1熱伝導板34は、絶縁フィルム17を介してコントローラ11上に配置される。また、第1熱伝導板34は、絶縁フィルム17と絶縁シート30との間に配置される。第1熱伝導板34により、コントローラ11から発生する熱をグラファイトシート32に効率よく伝えることができる。
【0023】
絶縁シート30は、例えば、アルミナシートである。絶縁シート30は、グラファイトシート32を保護する。絶縁シート30は、グラファイトシート32の帯電を防止する。
【0024】
グラファイトシート32は、ヒートスプレッダとして使用される。グラファイトシート32には、封止部(モールド材)23を介して、半導体メモリ12の熱が伝達される。また、グラファイトシート32には、第1熱伝導板34を介して、コントローラ11の熱が伝達される。グラファイトシート32は、熱伝導異方性を有する。グラファイトシート32は、例えば、基板21に平行な方向に熱伝導率が高い配向を有する。また、グラファイトシート32は、基板21に平行な方向及び基板21に垂直な方向に熱伝導率が高い配向を有していても良い。グラファイトシート32は導電性が高い。グラファイトシート32は、例えば、電気的にフローティング状態になされている。また、グラファイトシート32は接地電位になされていても良い。グラファイトシート32は、第1熱伝導板34上に配置される。グラファイトシート32は、平面視で、第1熱伝導板34及びコントローラ11を覆うように配置されている。また、グラファイトシート32は、平面視で、封止部(モールド材)23を介して半導体メモリ12を覆うように配置されている。グラファイトシート32は、封止部23よりも小さい。グラファイトシート32は、基板21よりも小さい。グラファイトシート32と絶縁シート30とは大きさが略等しい。
【0025】
封止部23は、例えば、エポキシ系樹脂のようなモールド材である。封止部23は、基板21の第1面21aに設けられる。封止部23は、半導体メモリ12、コントローラ11、第1熱伝導板34、絶縁フィルム17、グラファイトシート32、絶縁シート30、ボンディングワイヤ22M、及びボンディングワイヤ22Cを封止している。
【0026】
マウントフィルム24は、接着フィルムである。マウントフィルム24は、半導体メモリ12やコントローラ11を基板21に固定するために用いられる。
【0027】
半田ボール25は、接続部材である。半田ボール25は、例えば、半田である。半田ボール25は、例えば、球状である。半田ボール25は、半導体装置1を外部に接続するために用いられる。半田ボール25は基板21の第2面21bに設けられる。
【0028】
(半導体装置の構造)
次に、半導体装置1の構造について説明する。
【0029】
図4に示すように、半導体メモリ12は、基板21の第1面21aに載せられる。半導体メモリ12は、マウントフィルム24によって第1面21aに固定される。複数の半導体メモリ12は、基板21を介して、コントローラ11に電気的に接続される。また、第1面21aにおいて、半導体メモリ12とコントローラ11とが並ぶ方向をX方向、X方向と直交する方向をY方向とする。また、第1面21aと垂直な方向をZ方向とする。
【0030】
尚、複数の半導体メモリ12が、積層されていても良い。複数の半導体メモリ12は、X方向にずらされてZ方向に積層される。また、複数の半導体メモリ12は、マウントフィルム24によって固定される。また、複数の半導体メモリ12は、ボンディングワイヤ22Mによって基板21に電気的に接続される。マウントフィルム24にFOW技術を適用して、ボンディングワイヤ22Mを内蔵させてもよい。以降、複数の半導体メモリ12の内、最下層の半導体メモリを、特に半導体メモリ12Zとする。半導体メモリ12Zは、基板21の第1面21a上において、コントローラ11と距離X1離れて配置されている。距離X1の値は、例えば、数mmである。
【0031】
図6は、第1の実施の形態に係る半導体装置1の一部構成を除外して示した図である。第1の実施の形態においてコントローラ11、RAM13、及び温度センサ16は、半導体メモリ12に隣接した領域Aに実装される。
【0032】
コントローラ11は、基板21の第1面21aに載せられる。コントローラ11は、例えば、マウントフィルム24によって基板21の第1面21aに固定される。また、コントローラ11は、ボンディングワイヤ22Cによって基板21に電気的に接続される。
【0033】
RAM13は、基板21の第1面21aに載せられる。尚、RAM13は、図示されないマウントフィルム24によって第1面21aに固定される。RAM13は、ボンディングワイヤを介して基板21に電気的に接続される。RAM13は、基板21を介して、コントローラ11に電気的に接続される。
【0034】
温度センサ16は、基板21の第1面21aに載せられる。温度センサ16は、例えば、コントローラ11の近傍に位置する。より具体的には、半導体メモリ12Z、コントローラ11、及びRAM13のうち、コントローラ11の、温度センサ16との距離が、最も短い。
【0035】
(グラファイトシート)
図7は、第1の実施の形態に係るグラファイトシートの構成図である。グラファイトシート32は、グラフェンGF1、GF2、GF3、…、GFnを含む。グラフェンGF1、GF2、GF3、…、GFnは、グラファイトシート32の積層構造を構成する。グラフェンGF1、GF2、GF3、…、GFnは、1つの結晶構造の中に多数の六方晶系の共有結合を有する。隣接するグラフェンGF1、GF2、GF3、…、GFn同士は、ファンデルワールス力によって結合している。グラフェンGF1、GF2、GF3、…、GFnは、Z軸の厚さ方向よりも結晶面方向(XY面上)に大きな熱伝導度(高い熱伝導率)を有する。
【0036】
グラファイトシート32として、第1のグラファイトシートGF(XY)と第2のグラファイトシートGF(XZ)との2種類のグラファイトシートが用いられ得る。2種類のグラファイトシートは、配向が異なる。
【0037】
図8は、第1の実施の形態に係る第1のグラファイトシートGF(XY)を例示する図である。第1のグラファイトシートGF(XY)は、XY配向(第1の配向)を有する。第1のグラファイトシートGF(XY)は、厚み方向の熱伝導率よりも面方向の熱伝導率が高い。第1のグラファイトシートGF(XY)は、例えば、X=1500(W/mK)程度、Y=1500(W/mK)程度、Z=5(W/mK)程度の熱伝導率を備える。
【0038】
図9は、第1の実施の形態に係る第2のグラファイトシートGF(XZ)を例示する図である。第2のグラファイトシートGF(XZ)は、XZ配向(第2の配向)を有する。第2のグラファイトシートGF(XZ)は、面方向の熱伝導率よりも厚み方向の熱伝導率が高い。第2のグラファイトシートGF(XZ)は、例えば、X=1500(W/mK)程度、Y=5(W/mK)程度、Z=1500(W/mK)程度の熱伝導率を備える。
【0039】
第1の実施の形態に係る半導体装置1は、コントローラ11の熱を効率的にパッケージ外部へ逃がすことができる。第1の実施の形態によれば、半導体メモリ12の温度上昇を緩和することができる。また、第1の実施の形態によれば、温度センサ16がコントローラ11の近傍に設けられているため、半導体装置1の温度検出の精度を向上することができる。また、第1の実施の形態に係る半導体装置1は、グラファイトシート32を内蔵することで、半導体装置の内部を電磁遮蔽することができる。また、第1の実施の形態に係る半導体装置1は、グラファイトシート32を内蔵することで、放熱性を向上できる。
【0040】
(第1の実施の形態の変形例)
図10は、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置1の断面図である。図11は、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置1の上面図である。図10、及び図11では、半導体装置1に備えられるオシレータ14、EEPROM15を省略している。また、図11では、半導体装置1の構成の中で、封止部(モールド材)23を省略している。
【0041】
第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置1は、基板21(パッケージ基板)、コントローラ11、半導体メモリ12、ボンディングワイヤ22M、22C、第1熱伝導板34、絶縁フィルム17、グラファイトシート32、絶縁シート30、封止部(モールド材)23、マウントフィルム24、及び半田ボール25を備える。
【0042】
図12は、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の一部構成を除外して示した図である。第1の実施の形態の変形例においてコントローラ11、RAM13、及び温度センサ16は、半導体メモリ12に隣接した領域Bに実装される。複数のボンディングワイヤ22Mは、最下の半導体メモリ12Zの端部と基板21とを電気的に接続する。複数のボンディングワイヤ22Cは、コントローラ11の周囲の端部と基板21とを電気的に接続する。
【0043】
第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置1は、コントローラ11の熱を効率的にパッケージ外部へ逃がすことができる。第1の実施の形態の変形例によれば半導体メモリ12の温度上昇を緩和することができる。また、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置1は、グラファイトシート32を内蔵することで、半導体装置1の内部を電磁遮蔽することができる。また、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置1は、グラファイトシート32を内蔵することで、放熱性を向上できる。
【0044】
(第2の実施の形態)
図13は、第2の実施の形態に係る半導体装置1の断面図である。図13では、半導体装置1に備えられるオシレータ14、EEPROM15、RAM13、温度センサ16を省略している。
【0045】
第2の実施の形態に係る半導体装置1では、ボンディングワイヤ22Mが、半導体メモリ12と基板21とを電気的に接続している。
【0046】
第2の実施の形態に係る半導体装置1は、基板21(パッケージ基板)、コントローラ11、半導体メモリ12、ボンディングワイヤ22M、22C、第1熱伝導板34、第2熱伝導板36、絶縁フィルム17、グラファイトシート32、絶縁シート30、封止部(モールド材)231、232、マウントフィルム24、及び半田ボール25を備える。
【0047】
第2熱伝導板36は、グラファイトシート32に伝導された熱を半導体装置1の外部に放散させるための熱伝導板である。第2熱伝導板36は、例えばシリコン基板である。尚、第2熱伝導板36は、シリコン基板以外の熱伝導性の高い基板であっても良い。第2熱伝導板36は、グラファイトシート32の上面に配置されている。
【0048】
封止部231は、例えば、エポキシ系樹脂のようなモールド材である。封止部231は、半導体メモリ12、コントローラ11、第1熱伝導板34、絶縁フィルム17、グラファイトシート32、絶縁シート30、ボンディングワイヤ22M、及びボンディングワイヤ22Cを封止している。
【0049】
封止部232は、例えば、エポキシ系樹脂のようなモールド材である。封止部232は、グラファイトシート32と、第2熱伝導板36とを封止している。
【0050】
図14は、第2の実施の形態に係る半導体装置1の上面図である。図14では、第1熱伝導板34、第2熱伝導板36、絶縁フィルム17、グラファイトシート32、絶縁シート30、封止部(モールド材)231、232以外の構成を省略している。図15は、第2の実施の形態に係る半導体装置1の一部構成を除外して示した上面図である。図15では、封止部(モールド材)231、232を省略している。
【0051】
第1熱伝導板34は、コントローラ11の上に配置される。コントローラ11には、絶縁フィルム17が配置されている。第1熱伝導板34は、RAMや温度センサの上方にも配置されていても良い。
【0052】
第2熱伝導板36は、第1熱伝導板34よりも大きい。第2熱伝導板36の上面は、封止部232の外部に露出している。このため、第2熱伝導板36を介して、熱を効率良く半導体装置1の外部に放散することができる。
【0053】
第2の実施の形態によれば、半導体装置1は、グラファイトシート32を内蔵している。グラファイトシート32の上には、第2熱伝導板36が配置されている。半導体メモリ12及びコントローラ11の熱をグラファイトシート32を介して第2熱伝導板36に逃がすことができる。また、第2の実施の形態によれば、半導体装置1が第1熱伝導板34と第2熱伝導板36との間にグラファイトシート32が挟まる構造を備えている。第2の実施の形態によれば、半導体メモリ12及びコントローラ11の放熱速度を向上できる。また、第2の実施の形態によれば、コントローラの熱を効率的にパッケージ外部へ逃がすことができる。第2の実施の形態によれば、半導体メモリの温度上昇を緩和することができる。また、第2の実施の形態によれば、グラファイトシートを内蔵することにより、半導体装置の内部を電磁遮蔽することができる。また、第2の実施の形態によれば、グラファイトシートを内蔵することにより、放熱性を向上できる。
(製造方法)
【0054】
図16Aは、第2の実施の形態に係る半導体装置1の第1の断面図である。
(A1)まず、図16Aに示すように、第1面21aと、第1面21aとは反対側に位置した第2面21bと、を有した基板21を形成する。基板21は、多層の配線基板であり、電源層28及びグランド層29を有する。
【0055】
(A2)次に、図16Aに示すように、第1面21a側に半導体メモリ12を形成する。半導体メモリ12は多層化されている。最下層の半導体メモリ12ZとX方向に距離X1離して、半導体メモリ12、12Zを制御可能なコントローラ11を形成する。
【0056】
(A3)次に、図16Aに示すように、コントローラ11の上面にボンディングワイヤ22Cを形成する。また、半導体メモリ12、12Zの上面にボンディングワイヤ22Mを形成する。
【0057】
図16Bは、第2の実施の形態に係る半導体装置1の第2の断面図である。
(B1)次に、図16Bに示すように、第1熱伝導板34上に絶縁フィルム17を予め形成する。
【0058】
(B2)次に、図16Bに示すように、コントローラ11の上面に絶縁フィルム17と第1熱伝導板34との積層構造を配置する。第1熱伝導板34は、コントローラ11の上面に絶縁フィルム17で接合される。尚、第1熱伝導板34は、コントローラ11の上面に、絶縁フィルム17を介してフリップに配置してもよい。
【0059】
図16Cは、第2の実施の形態に係る半導体装置1の第3の断面図である。
(C1)次に、図16Cに示すように、コントローラ11の上面に、絶縁フィルム17を介して第1熱伝導板34を形成する。コントローラ11の上面のボンディングワイヤ22Cは、FOW技術により、その一部が、絶縁フィルム17に内蔵される。
【0060】
(C2)次に、図16Cに示すように、グラファイトシート32の裏面に、絶縁シート30が一体的に形成する。
【0061】
(C3)次に、図16Cに示すように、第1熱伝導板34の上に絶縁シート30を介してグラファイトシート32を形成する。
【0062】
(C4)次に、図16Cに示すように、半導体メモリ12及び12Z、コントローラ11、ボンディングワイヤ22M及び22C、絶縁フィルム17、第1熱伝導板34、絶縁シート30、グラファイトシート32、を封止する封止部231を形成する。グラファイトシート32の上面は、第1封止部231から露出させる。
【0063】
図16Dは、第2の実施の形態に係る半導体装置1の第4の断面図である。
(D)次に、図16Dに示すように、グラファイトシート32上の絶縁シート30に対向する面に第2熱伝導板36を形成する。
【0064】
(E1)次に、図13に示すように、封止部231、グラファイトシート32、第2熱伝導板36、を封止する第2封止部232を形成する。第2熱伝導板36の上面は、第2封止部232から露出させる。
【0065】
(E2)次に、図13に示すように、第2面21b側に複数の半田ボール25を形成する。
【0066】
(第2の実施の形態の変形例)
図17は、第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の断面図である。第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置は、半導体メモリ12に接続されるボンディングワイヤ22Mの接続構造が異なる。その他の構成は第2の実施の形態に係る半導体装置と同様である。図17では、半導体装置1に備えられるオシレータ14、EEPROM15、RAM13、温度センサ16を省略している。以下、第2の実施の形態と異なる構成について説明する。
【0067】
第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置においては、ボンディングワイヤ22Mは、複数の半導体メモリ12を接続している。また、ボンディングワイヤ22Mは、最下層の半導体メモリ12Zと基板21とを電気的に接続している。
【0068】
第2の実施の形態に係る半導体装置1は、基板21(パッケージ基板)、コントローラ11、半導体メモリ12、ボンディングワイヤ22M、22C、第1熱伝導板34、第2熱伝導板36、絶縁フィルム17、グラファイトシート32、絶縁シート30、封止部(モールド材)231、232、マウントフィルム24、及び半田ボール25を備える。
【0069】
第2の実施の形態の変形例によれば、半導体装置1は、グラファイトシート32を内蔵している。グラファイトシート32の上には、第2熱伝導板36が配置されている。半導体メモリ12及びコントローラ11の熱をグラファイトシート32を介して第2熱伝導板36に逃がすことができる。また、第2の実施の形態の変形例によれば、半導体装置1が第1熱伝導板34と第2熱伝導板36との間にグラファイトシート32が挟まる構造を備えている。第2の実施の形態の変形例によれば、半導体メモリ12及びコントローラ11の放熱速度を向上できる。また、第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、コントローラの熱を効率的にパッケージ外部へ逃がすことができる。第2の実施の形態の変形例によれば、半導体メモリの温度上昇を緩和することができる。また、第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置によれば、グラファイトシートを内蔵することにより、半導体装置1の内部を遮蔽することができる。また、第2の実施の形態に係る半導体装置によれば、グラファイトシートを内蔵することにより、放熱性を向上できる。
【0070】
(第3の実施の形態)
図18は、第3の実施の形態に係る半導体装置1の断面図である。また、図19は、第3の実施の形態に係る半導体装置1の上面図である。
【0071】
第3の実施の形態に係る半導体装置1によれば、第1熱伝導板34の熱を半導体装置1の外部に逃がすことができる。第3の実施の形態に係る半導体装置1では、コントローラ11の上部に絶縁フィルム17を介して第1熱伝導板34が配置されている。第1熱伝導板34の上面は、封止部231から、露出している。
【0072】
第3の実施の形態に係る半導体装置1によれば、半導体装置1の内部に熱がこもることを防ぐことができる。コントローラ11の上に熱を吸収するため第1熱伝導板34が配置されている。第1熱伝導板34の上面は、封止部231から露出している。すなわち、コントローラ11の熱を半導体装置1の外部へ逃がす経路が設けられている。
【0073】
(第4の実施の形態)
図20は、第4の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
【0074】
第4の実施の形態に係る半導体装置では、コントローラ11の上部に絶縁フィルム17を介して第1熱伝導板34が配置されている。更に、第1熱伝導板34の上面と基板21との間にボンディングワイヤ22Tが接続されている。コントローラ11の上に第1熱伝導板34が積層されている。
【0075】
ボンディングワイヤ22Tは、熱伝導用のワイヤである。ボンディングワイヤ22Tは、例えば、銅ワイヤ、銀ワイヤや金ワイヤ線である。ボンディングワイヤ22Tの太さは、例えば直径20μm~50μm程度である。ボンディングワイヤ22Tによって、コントローラ11から発生した熱を基板21及び半田ボール25側に逃がすことができる。熱伝導率を高めるために、ボンディングワイヤ22Tの本数を増やしても良い。
【0076】
第4の実施の形態に係る半導体装置によれば、コントローラの熱を効率的にパッケージ外部へ逃がすことができる。第4の実施の形態に係る半導体装置によれば、半導体メモリの温度の上昇を緩和することができる。
【0077】
(比較例)
SSDは、SoC(System-on-a-chip)とNANDが1つのパッケージ内に搭載されている。このため、NANDがSoCの発熱の影響を受けやすい。NANDとSoCを熱的に遮断する技術には、PoP(Package on Package)やサーマルビア(TMV:Thermal Via)が知られている。PoPは、ICパッケージの上にICや部品を積層実装させる技術である。TMVは、基板を利用した表面実装部品の放熱効果を向上させる技術である。TMVは、構造的には、基板に貫通穴を設け、基板表面と裏面の銅箔をつないで、放熱に利用する面積と体積を増やす、つまり熱抵抗を下げる手法である。
【0078】
実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。例えば、上記各実施例においてコントローラと基板の間は、ボンディングワイヤによる接合を行ったが、これに代えてフリップチップによる接合としてもよい。フリップチップは、ワイヤを介することなく、チップ表面に設けたバンプと下地基板とを直接接合する。このフリップチップ接合により、コントローラ厚を薄くでき、その分、熱伝導板の厚膜化して放熱性をさらに向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【0079】
1…半導体装置
2…電子機器
3…筐体
4…回路基板(メインボード)
5…ホストコントローラ(CPU)
6…信号ライン
7…電源回路
8、8a、8b…電源ライン
11…コントローラ
12、12Z…半導体メモリ(NAND)
13…RAM
14…オシレータ(OSC)
15…EEPROM
16…温度センサ
17…絶縁フィルム(FOW)
21…基板
21a…第1面
21b…第2面
22M、22C、22T…ボンディングワイヤ
23、231、232…封止部(モールド材)
24…マウントフィルム
25…半田ボール
28…電源層
29…グランド層
30…絶縁シート
32…グラファイトシート
34…第1熱伝導板
36…第2熱伝導板
GF(XY)…第1のグラファイトシート
GF(XZ)…第2のグラファイトシート
GF1、GF2、GF3、…、GFn…グラフェン
X1…X方向の距離
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16A
図16B
図16C
図16D
図17
図18
図19
図20