JP2006108296A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、冷却ファンを小型にせずに、半導体チップを冷却ファンの中心からずらすことができる半導体装置を提供することを課題とする。
【解決手段】
半導体装置は、少なくとも一つの半導体素子２と半導体素子２を冷却するための冷却ファン１２とを有する。冷却ファン１２の中心は半導体装置とほぼ等しい大きさのヒートスプレッダ８の中心と実質的に一致し、且つ半導体素子２の中心は冷却ファン１２の中心から距離Ｄだけずれている。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置に係り、特に半導体素子の熱を冷却するための冷却ファンを備えた半導体装置に関する。

半導体チップをパッケージに収容したＩＣパッケージや、複数の半導体チップや周辺回路部品を一つのパッケージに収容したシステム・イン・パッケージ（ＳＩＰ）では、収容した半導体素子からの熱を効率的に外部に放出するために、ヒートスプレッダ（ヒートシンクとも称される）や冷却ファンが設けられる場合がある。

一般的に、ヒートスプレッダは半導体チップの背面に接着され、半導体チップからの熱はヒートスプレッダに移動する。ヒートスプレッダは自然空冷する場合もあるが、近年の半導体チップのように動作スピードが速い場合や、処理能力が大きい場合、半導体チップからの発熱量が大きいため、強制的に空冷することが効果的である。強制空冷の一手段として、ヒートスプレッダに冷却ファンを設ける場合がある。

ヒートスプレッダの下側に半導体チップが配置され、半導体チップの背面がヒートスプレッダに接着される構造が多い。一つの半導体素子を収容したＩＣパッケージの場合、例えば、ヒートスプレッダの中央に半導体チップが配置され、冷却ファンは半導体チップが配置された面とは反対面のヒートスプレッダのほぼ中央に配置される。したがって、ヒートスプレッダの中心と、ＩＣパッケージの中心と、冷却ファンの中心とは、ほぼ一致する。

冷却ファンは中央に回転用モータが組み込まれ、中央部分の周囲にファンブレードが配置されるため、空気流が発生する部分はファンブレードが回転する周囲部分である。したがって、空気流が発生する部分の直下に半導体チップが配置されているほうが、より効率的に冷却できる。しかし、上述の場合にはＩＣパッケージの中心と冷却ファンの中心とがほぼ一致するため、最も温度が高くなる半導体チップの中心部分に相当する部分が最も強く空気流が当たるわけではなく、効率的な冷却ではない。

そこで、半導体チップの中心に対して冷却ファンの中心をずらして（オフセット）半導体チップの真上に冷却ファンの空気流が一番強い部分がくるようにしたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ヒートスプレッダ（あるいはヒートシンク）の一部を覆うように冷却ファンが設けられ、半導体チップは冷却ファンの真下からはずれた位置に設けられるファン付きヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３２４９７７７号 特開２００３−１０１２７３号公報

上述の特許文献１に開示されたような、半導体チップの中心に対して冷却ファンの中心をずらしたヒートシンクの場合、ヒートシンクの中心に対して冷却ファンの中心をずらすため、同じ大きさのヒートシンクを用いた場合、冷却ファンがヒートシンクからはみ出ないように冷却ファンを小型にする必要がある。また、上述の特許文献２に開示されたように、冷却ファンがヒートシンクの一部のみを覆う場合も、ヒートシンクの外形に比較して冷却ファンは小型となる。

冷却ファンを小型にした場合、同じ風量を確保するには回転数を大きくする必要があるが、回転数を大きくすると、冷却ファンの動作に伴う騒音や振動が大きくなるという問題が発生する。また、回転数を上げると冷却ファンの寿命が短くなるといった問題もある。

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、冷却ファンを小型にせずに、半導体チップを冷却ファンの中心からずらすことができる半導体装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも一つの半導体素子と該半導体素子を冷却するための冷却ファンとを有する半導体装置であって、該冷却ファンの中心は該半導体装置の中心と実質的に一致し、且つ前記半導体素子の中心は前記冷却ファンの中心からずれていることを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明による半導体装置において、前記半導体素子と前記冷却ファンは互いにヒートスプレッダの反対面に設けられ、前記ヒートスプレッダの外形が実質的に前記半導体装置の外形に等しいことが好ましい。

また、上述の発明による半導体装置において、前記半導体素子は基板に搭載され、前記ヒートスプレッダは該基板に接着剤により固定され、前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を挟んで互いに対向する部分における前記基板に対する接着面積を、前記基板上における前記半導体素子の搭載位置に基づいて互いに異らせたこととしてもよい。あるいは、前記半導体素子は基板に搭載され、前記ヒートスプレッダは該基板に接着剤により固定され、前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を挟んで互いに対向する部分における該接着剤の厚みを、前記基板上における前記半導体素子の搭載位置に基づいて互いに異ならせたこととしてもよい。また、前記半導体素子は基板に搭載され、前記ヒートスプレッダは該基板に接着剤により固定され、前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を挟んで互いに対向する部分における該接着剤を、前記基板上における前記半導体素子の搭載位置に基づいて互いに異なる物性とすることもできる。

上述の本発明によれば、冷却ファンは半導体装置の外形に近い寸法としながら、半導体チップの位置を冷却ファンの中心からずらすことができる。したがって、冷却ファンを小型化することなく、冷却ファンによる冷却効果が一番高い位置に半導体チップ配置することができる。これにより、冷却ファンの回転数を上げずに冷却効率を高めることができ、冷却ファンの作動に伴う騒音を大きくせずに冷却効率を高めることができる。

次に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の第１実施例による半導体装置について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例による半導体装置の断面図である。

図１に示す半導体装置は、いわゆるＦＣ−ＢＧＡタイプのＩＣパッケージであり、半導体チップ２は基板４にフリップチップ実装されている。半導体チップ２と基板４との間にはアンダーフィル材６が充填されている。半導体チップ２の発熱を外部に逃がすために、ヒートスプレッダ８が設けられている。

ヒートスプレッダ８は半導体チップ２を収容する凹部８ａを有し、凹部８ａの底面８ｂにおいて半導体チップ２の背面とダイ付け材１０により接着されている。ヒートスプレッダ８は例えば銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い材料で形成されており、半導体チップ２が動作する際に発生する熱を外部に放出するためのものである。ヒートスプレッダ８の凹部８ａの反対側には冷却ファン１２が設けられており、ヒートスプレッダ８に空気流を当てて強制空冷を行なう。

冷却ファン１２は中央にモータを有して周囲にブレードが設けられたファンであり、その中心軸（モータの回転軸）は、半導体装置の外形の中心、すなわちヒートスプレッダ８の外形の中心にほぼ一致している。したがって、冷却ファン１２は半導体装置のほぼ全体、すなわちヒートスプレッダ８のほぼ全体を覆うような大きさとすることができる。

上述の構成の半導体装置は、基板４の裏面に設けられた外部接続用端子としてのハンダボール１４を介して実装回路基板１６に実装される。

上述の半導体装置において、半導体チップ２は冷却ファン１２の中心軸に対して中心が距離Ｄだけずれた位置となるように配置されている。冷却ファン１２の中心軸と半導体チップ２の中心とのずれは、図１において距離Ｄで表されている。これにより、発熱により最も温度が高くなる半導体チップ２の中央部分が、冷却ファン１２の中央部分からずれている。すなわち、冷却ファン１２の中央部分（モータに相当する部分）で空気流が発生しない部位の真下に半導体チップの中心が位置しないように、半導体チップ２の位置が冷却ファンに対して距離Ｄだけずれている。

したがって、半導体チップ２の最も温度が高くなる中央部分が、冷却ファン１２からの空気流が直接当たるヒートスプレッダ８の部分に位置することとなり、効率的に半導体チップ２の冷却を行なうことができる。この際、半導体チップ２の位置だけをずらすことにより冷却ファン１２の中心は半導体装置（すなわちヒートスプレッダ）の中心に一致させることができる。この結果、半導体装置に対して冷却ファン１２を最大限に大きくすることができる。言い換えれば、冷却ファン１２を小型化しなくても、半導体チップ２を効率的に冷却する位置に配置することができる。

以上の構成の半導体装置において、半導体チップ２の位置を半導体装置の中心からずらしたことにより、半導体チップ２の基板４に対する位置もその中心からずれることとなる。ここで、半導体チップ２を基板４に実装すると、基板４に反りが生じることがある。一般的に、図１において基板４には上に凸となるような反りが生じる。半導体チップ２が基板４の中央に配置された場合は、基板４の反りは左右対称となり、比較的高い剛性を有するヒートスプレッダ８を接着剤１８を介して取り付けることにより基板４の反りが矯正される。

ところが、上述のように半導体チップ２を基板４の中心からずれた位置に搭載した場合、基板４には左右非対称の反りが発生するおそれがある。すなわち、図１において半導体チップ２の左側に延在する基板４の部分は、半導体チップ２の右側に延在する基板４の部分より長くなっており、シミュレーションにより調べた結果、左側端部のほうが右側端部より反り（変位量）が大きくなることがわかった。このように非対称に反りが生じた基板４にヒートスプレッダ８を取り付けると、反りがうまく矯正されずに、例えば基板４の平面度が損なわれて全てのハンダボール１４を実装回路基板１６に接触させることができないといったような不具合が生じるおそれがある。

そこで、本実施例では、ヒートスプレッダ８と基板４との接着面積を左右で異ならせることにより基板４の反りをうまく矯正して基板４の平面度を確保している。図１において、基板４の右側部分でヒートスプレッダ８に接着される部分の幅（すなわち接着領域Ｂの面積）を基板４の左側部分でヒートスプレッダ８に接着される部分の幅（すなわち接着領域Ａの面積）より大きくしている。基板４の変形量は様々な要素により変動するため、接着部の幅を左右でどの程度差をつけるかは、シミュレーションや試作で決定することが好ましい。

なお、反りは図１の左右方向だけではなく基板４の平面内の全方向に関して発生するものであり、ヒートスプレッダ８の接着面積はヒートスプレッダ８の周囲に沿って適宜設定して、うまく反りが矯正されるようにすることが好ましい。すなわち、ヒートスプレッダ８の半導体チップ２を挟んで互いに対向する部分における接着面積を、基板４上における半導体チップ２の搭載位置に基づいて互いに異らせることにより、基板４の反りを矯正する。

次に、本発明の第２実施例について図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第２実施例による半導体装置の断面図である。図２において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本発明の第２実施例では、図２に示すように、ヒートスプレッダ８の接着部分の幅が左右等しいが、左側の接着剤１８の厚みＴ１を右側の接着剤１８の厚みＴ２より大きくすることで、基板４の反りを矯正している。例えば接着剤１８が板状の接着剤シートである場合、左側の接着剤１８として接着剤シートを２枚とし、右側の接着剤１８としては接着剤シートを１枚設けることで接着剤１８の厚みを調節する。

なお、反りは図２の左右方向だけではなく基板４の平面方向全てに関して発生するものであり、接着剤１８の厚みはヒートスプレッダ８の周囲に沿って適宜設定して、うまく反りが矯正されるようにすることが好ましい。すなわち、ヒートスプレッダ８の半導体チップ２を挟んで互いに対向する部分における接着剤の厚みを、基板４上における半導体チップ２の搭載位置に基づいて互いに異らせることにより、基板４の反りを矯正する。

次に、本発明の第３実施例について図３を参照しながら説明する。図３は本発明の第３実施例による半導体装置の断面図である。図３において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本発明の第３実施例では、図３に示すように、ヒートスプレッダ８の接着部分の幅は左右等しいが、左側の接着剤１８Ａの物性と右側の接着剤１８Ｂの物性とを互いに異ならせることにより接着状態を互いに異ならせ、基板４の反りを矯正している。ここで異ならせる物性とは、ガラス転移温度、ヤング率、熱膨張係数、などが考えられる。

ガラス転移温度を異ならせる場合、図３において左側の接着剤１８Ａのガラス転移温度が、右側の接着剤１８Ｂのガラス転移温度より低くなるように、接着剤１８Ａ，１８Ｂを適宜選定すればよい。ヤング率を異ならせる場合、図３において左側の接着剤１８Ａのヤング率が、右側の接着剤１８Ｂのヤング率より低くなるように、接着剤１８Ａ，１８Ｂを適宜選定すればよい。また、熱膨張係数を異ならせる場合は、図３において左側の接着剤１８Ａの熱膨張係数が、右側の接着剤１８Ｂの熱膨張係数より大きくなるように、接着剤１８Ａ，１８Ｂを適宜選定すればよい。

なお、反りは図３の左右方向だけではなく基板４の平面方向全てに関して発生するものであり、接着剤１８Ａ，１８Ｂの物性はヒートスプレッダ８の周囲に沿って適宜設定して、うまく反りが矯正されるようにすることが好ましい。すなわち、ヒートスプレッダ８の半導体チップ２を挟んで互いに対向する部分における接着剤の物性を、基板４上における半導体チップ２の搭載位置に基づいて互いに異らせることにより、基板４の反りを矯正する。

次に、本発明の第４実施例について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の第４実施例による半導体装置の断面図である。図４において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号又は同じ符号に記号を添付したものを付す。

本発明の第４実施例は、半導体チップを冷却ファンの中心からずらすという本発明の特徴をいわゆるＥ−ＢＧＡタイプのＩＣパッケージに適用したものである。図４に示すように、Ｅ−ＢＧＡタイプのＩＣパッケージでは、半導体チップ２Ａは基板４Ａの開口部に配置され、基板４Ａに対してワイヤボンディング実装される。半導体チップ２Ａは封止樹脂２０により基板４Ｂの開口内で封止される。半導体チップ２Ａ及び基板４Ａの全面がヒートスプレッダ８Ａに接着剤１８を介して固定される。半導体チップ２Ａは、その中心が冷却ファン１２の中心から距離Ｄだけずれるように配置される。

なお、本実施例では、半導体チップ２Ａは基板４Ａにフリップチップ実装されるものではなく、また、基板４Ａの全面がヒートスプレッダ８Ａに接着剤１８を介して固定されるので、基板４Ａの反りはほとんど発生せず、上述の第１〜第３実施例のように基板の反り防止対策を施す必要はない。

次に、本発明の第５実施例について、図５を参照しながら説明する。図５は本発明の第５実施例による半導体装置の断面図である。図５において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号又は同じ符号に記号を添付したものを付す。

本発明の第５実施例は、半導体チップを冷却ファンの中心からずらすという本発明の特徴をいわゆるＴＡＢ−ＢＧＡタイプのＩＣパッケージに適用したものである。図５に示すように、ＴＡＢ−ＢＧＡタイプのＩＣパッケージでは、半導体チップ２ＢはＴＡＢ基板４Ｂの開口部に配置され、ＴＡＢ基板４Ｂに対してフリップチップ実装される。

ＴＡＢ基板４Ｂは例えば３層構造のテープ基板であり、剛性を付与するためにステンレス鋼などでできたスティフナ２２が全面に渡って設けられる。そして、半導体チップ２Ｂ及びスティフナ２２の全面がヒートスプレッダ８Ｂに接着剤１８を介して固定される。半導体チップ２ＢはＴＡＢ基板４Ｂの開口とスティフナ２２の開口内で封止樹脂２０により封止される。半導体チップ２Ｂは、その中心が冷却ファン１２の中心から距離Ｄだけずれるように配置される。

なお、本実施例では、ＴＡＢ基板４Ｂには全面に渡ってスティフナ２２が設けられ、また、スティフナ２２の全面がヒートスプレッダ８Ｂに接着剤１８を介して固定されるので、基板４Ｂの反りはほとんど発生せず、上述の第１〜第３実施例のように基板の反り防止対策を施す必要はない。

次に、本発明の第６実施例について、図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第６実施例による半導体装置の内部透視平面図である。図６において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号又は同じ符号に記号を添付したものを付す。

本発明の第６実施例では、図６に示すように、半導体装置内に複数（図６では２つ）の同じ大きさの半導体チップ２が設けられる。冷却ファン１２の中心は半導体装置の外形の中心にほぼ一致しており、冷却ファン１２はヒートスプレッダ８Ｃの大部分をカバーしている。２つの半導体チップ２は冷却ファン１２の中心からそれぞれ反対方向にずれた位置に配置されており、各半導体チップ２の真上のヒートスプレッダ８の部位に冷却ファン１２の空気流が直接当たるようになっている。

これにより、各半導体チップ２の最も温度が高くなる中央部分に対応するヒートスプレッダ８Ｃの位置に空気流が当たるので効率的にヒートスプレッダ８Ｃ（すなわち、各半導体チップ２）を冷却することができる。また、冷却ファン１２の中心がほぼ正方形の半導体装置の中心に一致しているため、冷却ファン１２の大きさを半導体装置の外形内で最大限に大きくすることができる。このため、冷却ファンの回転速度を低くすることができ、騒音や振動の発生を抑制することができる。

本実施例では、ヒートスプレッダ８Ｃと基板４Cとの接着部分の幅は全周にわたって等しくなっている。本実施例では、同じ大きさの２個の半導体チップ２を基板４Cの中心に対して点対称となる位置に設けられており、このような構成であると基板４Cの反りはほぼ９０°対称になるというシミュレーションの結果に基づいている。すなわち、同じ大きさの２個の半導体チップ２を基板４Cの中心に対して点対称となる位置に設けることとすれば、基板４Cには非対称な反りが発生せず、非対称な反りに関してヒートスプレッダ８Cを非対称な形状のような特別な構成とする必要はない。

次に、本発明の第７実施例について、図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第７実施例による半導体装置の内部透視平面図である。図７において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号又は同じ符号に記号を添付したものを付す。

本発明の第７実施例では、図７に示すように、半導体装置内に複数（図７では２つ）の半導体チップ２，２Ａが設けられる。半導体チップ２Ａは半導体チップ２に比較して小さい。冷却ファン１２の中心は半導体装置の外形の中心にほぼ一致しており、冷却ファン１２はヒートスプレッダ８Ｄの大部分をカバーしている。２つの半導体チップ２，２Ａは冷却ファン１２の中心からそれぞれ反対方向にずれた位置に配置されており、各半導体チップ２の真上のヒートスプレッダ８Ｄの部位に冷却ファン１２の空気流が直接当たるようになっている。

これにより、各半導体チップ２の最も温度が高くなる中央部分に対応するヒートスプレッダ８Ｄの位置に空気流が当たるので効率的にヒートスプレッダ８Ｄ（すなわち、各半導体チップ２，２Ａ）を冷却することができる。また、冷却ファン１２の中心がほぼ正方形の半導体装置の中心に一致しているため、冷却ファン１２の大きさを半導体装置の外形内で最大限に大きくすることができる。このため、冷却ファンの回転速度を低くすることができ、騒音や振動の発生を抑制することができる。

ここで、本実施例の場合、半導体チップ２，２Ａは基板４Ｃの中心に対して点対称な位置に配置されているが、大きさが互いに異なっている。具体的には、半導体チップ２Ａは半導体チップ２より小さい。このように、半導体チップのサイズが異なると、半導体チップを基板の中心からずらして配置した際と同様に、基板４Ｃに非対称な反りが発生する。この非対称な反りを矯正するために、本実施例では、ヒートスプレッダ８Ｄと基板４Ｃとの接着部の幅（すなわち、接着面積）を、大きい方の半導体チップ２に近い側において広くし、小さいほうの半導体チップ２Ａに近い側において狭くしている。これにより、上述の第１実施例と同様に基板４Ｃに発生する非対称な反りを矯正することができる。

本実施例による半導体装置において、ヒートスプレッダの基板４Ｃとの接着幅（接着面積）をその周囲にわたって一定とし（図６に示すヒートスプレッダ８Ｃと同じとする）、上述の第２及び第３実施例のように接着剤の厚みや物性を異ならせることにより基板４Ｃの非対称な反りを矯正することとしてもよい。

図８は、上述の第２実施例における接着剤１８の厚みを異ならせる構造を図７に示す半導体装置に適用した際の内部透視平面図である。図８において、接着剤１８−１の厚みは接着剤１８−２の厚みより厚くなるように設定されており、基板４Ｃの非対称な反りを矯正することができる。なお、接着剤１８−１，１８−２は異なる接着剤ではなく同じ接着剤であり、便宜上異なる符号を付したものである。また、接着剤１８−１と１８−１の継ぎ目は徐々に厚みが変化することが好ましい。

図９は、上述の第３実施例における接着剤１８の物性を異ならせる構造を図７に示す半導体装置に適用した際の内部透視平面図である。図９において、接着剤１８Ａの物性は接着剤１８Ｂの物性とは異なっており、基板４Ｃの非対称な反りを矯正することができる。物性の異ならせかたは、上述の第３実施例と同様であり、説明は省略する。

本発明の第１実施例による半導体装置の断面図である。 本発明の第２実施例による半導体装置の断面図である。 本発明の第３実施例による半導体装置の断面図である。 本発明の第４実施例による半導体装置の断面図である。 本発明の第５実施例による半導体装置の断面図である。 本発明の第６実施例による半導体装置の内部透視平面図である。 本発明の第７実施例による半導体装置の内部透視平面図である。 本発明の第２実施例における接着剤の厚みを異ならせる構造を図７に示す半導体装置に適用した際の内部透視平面図である。 本発明の第３実施例における接着剤の物性を異ならせる構造を図７に示す半導体装置に適用した際の内部透視平面図である。

符号の説明

２，２Ａ，２Ｂ 半導体チップ
４，４Ａ，４Ｃ 基板
４Ｂ ＴＡＢ基板
６ アンダーフィル材
８、８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ ヒートスプレッダ
１０ ダイ付け材
１２ 冷却ファン
１４ ハンダボール
１６ 実装回路基板
１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８−１，１８−２ 接着剤
２０ 封止樹脂
２２ スティフナ

Claims (5)

1. 少なくとも一つの半導体素子と該半導体素子を冷却するための冷却ファンとを有する半導体装置であって、
   該冷却ファンの中心は該半導体装置の中心と実質的に一致し、且つ前記半導体素子の中心は前記冷却ファンの中心からずれていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置であって、
   前記半導体素子と前記冷却ファンは互いにヒートスプレッダの反対面に設けられ、前記ヒートスプレッダの外形が実質的に前記半導体装置の外形に等しいことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２記載の半導体装置であって、
   前記半導体素子は基板に搭載され、前記ヒートスプレッダは該基板に接着剤により固定され、前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を挟んで互いに対向する部分における前記基板に対する接着面積を、前記基板上における前記半導体素子の搭載位置に基づいて互いに異らせたことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１又は２記載の半導体装置であって、
   前記半導体素子は基板に搭載され、前記ヒートスプレッダは該基板に接着剤により固定され、前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を挟んで互いに対向する部分における該接着剤の厚みを、前記基板上における前記半導体素子の搭載位置に基づいて互いに異ならせたことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１又は２記載の半導体装置であって、
   前記半導体素子は基板に搭載され、前記ヒートスプレッダは該基板に接着剤により固定され、前記ヒートスプレッダの前記半導体素子を挟んで互いに対向する部分における該接着剤を、前記基板上における前記半導体素子の搭載位置に基づいて互いに異なる物性としたことを特徴とする半導体装置。
   

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