JP2007165486A - 放熱板及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の基板面に対して多少傾斜して載置されても基板面に平行に接着できる放熱板を提供する。
【解決手段】金属板の一面側に開口された凹部１２の底面に、基板２０に搭載された半導体素子２２が熱伝導性接着材層１８を介して接着され、且つ前記金属板の他面側に放熱フィン２６が接合される放熱板１０であって、前記金属板の凹部１２の開口周縁に形成された平坦面には、複数個の突出部１６が形成されていると共に、前記放熱板１０の凹部１２の開口面側を基板２０の半導体素子２２が搭載された基板面に被着したとき、各突出部１６の端面が前記基板面に同時に当接するように、前記各突出部１６の突出長が調整されていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は放熱板及び半導体装置に関し、更に詳細には金属板の一面側に開口された凹部の底面に、基板に搭載された半導体素子が熱伝導性接着材層を介して接着され、且つ前記金属板の他面側に放熱フィンが接合される放熱板、及び前記放熱板を用いた半導体装置に関する。

コンピュータのＣＰＵ等に用いられる半導体装置では、その高速処理に伴って大量の熱が発熱する。かかる大量に発熱する熱を半導体装置から迅速に放熱して除去することは、半導体装置の性能を維持する上で極めて大切である。
このため、例えば下記特許文献１には、図５に示す半導体装置が提案されている。図５に示す半導体装置は、基板１００の一面側に搭載された半導体素子１０２が、熱伝導性シリコーン組成物から成る熱伝導性樹脂層１０４を介して放熱フィン１０６に接着されている。この放熱フィン１０６と基板１００とはクランプ１０８，１０８によって締め付け固定されている。
特開２００３−１７６４１４号公報

図５に示す半導体装置によれば、半導体素子１０２で発熱した熱は、熱伝導性樹脂層１０４を経由して放熱フィン１０６から放熱できる。
ところで、放熱フィン１０６は、その放熱面積を可及的に広くとるべく、複雑な形状となるため、加工性等を考慮して、通常、アルミニウム製のものが用いられる。
しかし、アルミニウム製の放熱フィン１０６では、半導体素子１００の直上部のフィン部分は熱くなるものの、放熱フィン１０６の周縁部のフィン部分は熱くならないこと、つまり半導体素子１００で発熱した熱は放熱フィン１０６の周縁部まで伝熱され難いことが判明した。

本発明者は、半導体装置に設けられた放熱フィンの全体から放熱可能とするには、半導体素子から発熱した熱を迅速に放熱フィンの全体に伝熱することが必要であると考え、図６に示す半導体装置を試作した。
この半導体装置では、基板２００の一面側に搭載された半導体素子２０２が、基板２００の半導体素子２０２が搭載された基板面に被着された放熱板２０６に接着されている。この放熱板は、銅製であって、一面側に開口された凹部２０８の底面に熱伝導性樹脂層２０４を介して半導体素子２０６と接着されている。更に、放熱板２０６の他面側には、アルミニウム製の放熱板２１０が接合されている。
また、放熱板２０６と基板２００の基板面とは、熱硬化性接着材２１２によって接着されている。
尚、基板２００の他面側には、外部接続端子としてのピン２１４，２１４・・が設けられている。

図６に示す半導体装置によれば、放熱フィン２１０の略全体が熱くなり、半導体素子２０２で発熱された熱を効率的に放熱できる。
しかし、図６に示す半導体装置では、その奏する性能にバラツキが大きいことが判明した。
本発明者は、半導体装置の奏する性能に大きなバラツキが発生する原因について調査したところ、図７に示す半導体装置では、図６に示す半導体装置に比較して性能が低下していることが判った。図７に示す半導体装置では、放熱板２０６が基板２００の半導体素子２０２を搭載した基板面に対して傾斜して装着されている。このため、半導体素子２０２と熱伝導性樹脂層２０４との境界部分に微細な隙間２２０や気泡等が形成され、熱伝導性樹脂層２０４の伝熱性能が低下していたことに起因するものと考えられる。
かかる放熱板２０６の傾斜は、放熱板２０６と基板２００の基板面とを熱硬化性接着材２１２によって接着する際に、放熱板２０６が基板２００の基板面に対して傾斜状態でペースト状又は溶融状態の熱硬化性接着材２１２上に載置されたものと推察される。

従って、放熱板２０６を基板２００の基板面上のペースト状又は溶融状態の熱硬化性接着材２１２上に載置する際に、放熱板２０６を基板２００の基板面に対して平行を保持した状態で載置することによって、放熱板２０６が基板２００の基板面に対して傾斜する状態で接着されることを防止できる。
しかしながら、放熱板２０６を基板２００の基板面に対して常に平行状態を保持して、基板面上のペースト状又は溶融状態の熱硬化性接着材２１２上に載置することは極めて困難である。
また、例え放熱板２０６を基板２００の基板面に対して平行状態を保持して、基板面上のペースト状又は溶融状態の熱硬化性接着材２１２上に載置したとしても、基板面上にペースト状又は溶融状態の熱硬化性接着材２１２が均斉に載置されていなければ、放熱板２０６は基板２００の基板面に対して傾斜状態で接着される。
そこで、本発明の課題は、基板の基板面に対して多少傾斜して載置されても基板面に平行に接着できる放熱板、及びその放熱板を用いた半導体装置を提供するにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく検討した結果、放熱板の基板側の面に複数本の突出部を形成し、この複数本の突出部を、その各端面が基板面に同時に当接するようにするように突出長を調整することによって、放熱板が基板の基板面に傾斜状態で載置されても、基板の基板面に対して放熱板を平行状態にできることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、金属板の一面側に開口された凹部の底面に、基板に搭載された半導体素子が熱伝導性接着材層を介して接着され、且つ前記金属板の他面側に放熱フィンが接合される放熱板であって、前記金属板の凹部の開口周縁に形成された平坦面には、複数個の突出部が形成されていると共に、前記金属板の一面側を基板の半導体素子が搭載された基板面に被着したとき、前記各突出部の端面が前記基板面に同時に当接するように、前記各突出部の突出長が調整されていることを特徴とする放熱板にある。

また、本発明は、金属製の放熱板の一面側に開口された凹部の開口周縁が、基板の半導体素子が搭載された基板面に接着材で接着されていると共に、前記放熱板の凹部の底面に前記半導体素子が熱伝導性接着材層を介して接着され、且つ前記放熱板の他面側に放熱フィンが接合されて成る半導体装置であって、該放熱板が前記基板の基板面に対して平行に搭載されるように、前記平坦面に複数個の突出部が形成されていると共に、前記各突出部の端面が前記基板面に同時に当接していることを特徴とする半導体装置でもある。
かかる本発明において、金属板又は放熱板を、放熱フィンを形成する材料よりも熱伝導率の高い材料によって形成することによって、半導体素子で発熱した熱を迅速に放熱フィンの全体に伝熱でき、放熱効率を向上できる。

本発明によれば、放熱板の凹部の開口周縁に形成された平坦面から突出する複数個の突出部が、放熱板を基板の基板面に載置したとき、複数個の突出部の各端面が基板の基板面に同時に当接するように突出長が調整されている。
このため、放熱板が傾斜状態で基板の基板面に載置されたとしても、基板の基板面に放熱板の載置が完了したとき、放熱板から突出する複数個の突出部板の端面が基板の基板面に同時に当接するため、放熱板は基板の基板面に平行に載置される。
したがって、放熱板の凹部の底面に半導体素子を接着する熱伝導性接着材層と半導体素子とを密着でき、半導体素子で発熱した熱を熱伝導性接着材層を介して放熱板によって迅速に分散し、放熱フィンの全体で放熱できる。
その結果、本発明に係る放熱板を用いた半導体装置では、その呈する性能のバラツキを可及的に少なくできる。

本発明に係る放熱板の一例を図１に示す。図１（ａ）は放熱板１０の拡大正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す放熱板１０のＡ−Ａ面における拡大断面図である。
図１に示す矩形状の放熱板１０は、銅製であって、全面にニッケルめっきが施されている。この放熱板１０の一面側には、その中央部に半導体素子が挿入される凹部１２が開口されており、この開口縁近傍は平坦面１４に形成されている。
かかる放熱板１０の平坦面１４の各角部には、筒状の突出部１６が平坦面１４から突出されている。この突出部１６，１６・・は、その各先端面が他の部材の平坦面に同時に当接するように形成されている。図１に示す放熱板１０の各突出部１６は、その突出長が互いに等しくなるように形成されている。この突出部１６の具体的寸法は、直径が１ｍｍで且つ突出長が０．０５ｍｍである。
図１に示す放熱板１０は、所定厚さの銅板にプレス加工を施すことによって、凹部１２及び突出部１６，１６・・を形成でき、その後、表面に所望の金属皮膜をめっき等によって形成できる。

図１に示す放熱板１０を、半導体装置に搭載された半導体素子の放熱板として用いる場合には、図２に示す様に、凹部１２の底面の所定箇所に熱伝導性接着材としてのペースト状の熱伝導性樹脂１８′を塗布する。この熱伝導性樹脂１８′としては、前述した特許文献１に記載された熱伝導性シリコーン組成物等を好適に用いることができる。
また、半導体素子２２が搭載された一面側に、半導体素子２２よりも広い基板面が形成されていると共に、他面側に外部接続端子としてのピン２５，２５・・が設けられている基板２０を用いる。この基板２０の周縁近傍で且つ放熱板１０の平坦面１４が載置される基板面の平坦な箇所に熱硬化性樹脂から成るペースト状の接着剤２４′を搭載された半導体素子２２を囲むように塗布する。
次いで、図２に示す様に、放熱板１０を、その凹部１２を基板２０の搭載された半導体素子２２に向けて基板面に載置する。この際に、放熱板１０が基板２０の基板面に傾斜状態で載置されても、接着材２４′を押し進み最初に基板２０の平坦な基板面に端面が当接した突出部１６によって、放熱板１０の傾斜が基板面に対して平行となる方向に修正されつつ他の突出部１６が対応する接着材２４′を押し進み、各突出部１６の端面が平坦な基板面に当接する。
このため、放熱板１０の突出部１６，１６・・の各端面が基板２０の基板面に当接したとき、放熱板１０は基板２０の基板面に平行に載置され、放熱板１０の凹部１２の底面に塗布されていたペースト状の熱伝導性樹脂１８′も、半導体素子２２に接着する。

その後、基板２０の基板面に放熱板１０が載置された状態でペースト状の熱伝導性樹脂１８′及び接着材２４′をキュアして硬化した後、放熱板１０の他面側にアルミニウム製の放熱フィンを接合することによって、図３に示す半導体装置を得ることができる。
図３に示す半導体装置は、放熱板１０の一面側に開口された凹部１２の開口周縁に形成された平坦面１４（図２）が、基板２０の半導体素子２２が搭載された基板面に接着材２４で接着されている。
しかも、この平坦面１４から突出した同一突出長の突出部１６，１６・・の各端面は、基板２０の基板面に同時に当接している。したがって、放熱板１０は、基板２０の基板面に対して、その凹部１２の開口周縁の平坦面１４と基板２０の基板面との間隙が一定の状態、つまり基板２０の基板面に平行状態で固着されている。
かかる放熱板１０の凹部１２の底面と半導体素子２２とは、熱伝導性樹脂層１８によって接着されている。この半導体素子２２と熱伝導性樹脂層１８との境界部分には、微細な隙間や気泡等が形成されておらず、熱伝導性樹脂層１８の伝熱性能を充分に発揮できる。

図３に示す半導体装置では、半導体素子２２の駆動に伴って発生する熱は、熱伝導性樹脂層１８から放熱板１０に迅速に伝熱され、放熱板１０によって分散された熱は放熱フィン２６の全体から放熱される。このことは、放熱フィン２６の全体が加温されていることから確認できる。
この様に、半導体素子２２の駆動に伴って発生する熱を迅速に放熱できる図３に示す半導体装置では、その予定されている性能を充分に発揮できる。
しかも、図１に示す放熱板１０を用いることによって、放熱性が向上された半導体装置を安定して提供でき、半導体装置の呈する性能のバラツキを可及的に少なくできる。

ところで、図１に示す放熱板１０では、その平坦面１４の各角部に筒状の突出部１６を形成しているが、図４（ａ）（ｂ）に示す突出部１６を形成してもよい。この図４（ａ）は放熱板１０の拡大正面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す放熱板１０のＢ−Ｂ面における拡大断面図である。
図４に示す突出部１６は、矩形状の放熱板１０の各角部の外周縁側面が曲面に形成された略三角形状であって、その各先端面が他の部材の平坦面に同時に当接するように形成されており、その平坦面１４からの突出長が互いに等しくなるように形成されている。この突出部１６の突出長は０．０５ｍｍである。
かかる図４に示す放熱板１０は、図１に示す放熱板１０と同様に、銅製であって、全面にニッケルめっきが施されている。この放熱板１０の一面側には、中央部に半導体素子が挿入される凹部１２が開口されており、この開口縁近傍に平坦面１４が形成されている。

図４に示す放熱板１０も、所定厚さの銅板にプレス加工を施すことによって、凹部１２及び突出部１６，１６・・を形成でき、その後、表面に所望の金属皮膜をめっき等によって形成できる。

本発明に係る放熱板の一例を説明するための拡大正面図及び拡大断面図である。 図１に示す放熱板を用いて半導体装置を製造する製造方法を説明する説明図である。 図１に示す放熱板を用いて得られた半導体装置を説明する断面図である。 本発明に係る放熱板の他の例を説明するための拡大正面図及び拡大断面図である。 従来の半導体装置を説明する断面図である。 従来の半導体装置を改良した半導体装置を説明する断面図である。 放熱板が基板の半導体素子を搭載した基板面に対して傾斜して装着された図６に示す半導体装置を説明する説明図である。

符号の説明

１０ 放熱板
１２ 凹部
１４ 平坦面
１６ 突出部
１８ 熱伝導性樹脂層（熱伝導性接着材層）
２０ 基板
２２ 半導体素子
２４ 接着材
２５ ピン
２６ 放熱フィン

Claims (4)

1. 金属板の一面側に開口された凹部の底面に、基板に搭載された半導体素子が熱伝導性接着材層を介して接着され、且つ前記金属板の他面側に放熱フィンが接合される放熱板であって、
   前記金属板の凹部の開口周縁に形成された平坦面には、複数個の突出部が形成されていると共に、
   前記金属板の一面側を基板の半導体素子が搭載された基板面に被着したとき、前記各突出部の端面が前記基板面に同時に当接するように、前記各突出部の突出長が調整されていることを特徴とする放熱板。
2. 金属板が、放熱フィンを形成する材料よりも熱伝導率の高い材料によって形成されている請求項１記載の放熱板。
3. 金属製の放熱板の一面側に開口された凹部の開口周縁が、基板の半導体素子が搭載された基板面に接着材で接着されていると共に、前記放熱板の凹部の底面に前記半導体素子が熱伝導性接着材層を介して接着され、且つ前記放熱板の他面側に放熱フィンが接合されて成る半導体装置であって、
   該放熱板が前記基板の基板面に対して平行に搭載されるように、前記平坦面に複数個の突出部が形成されていると共に、前記各突出部の端面が前記基板面に同時に当接していることを特徴とする半導体装置。
4. 放熱板が、放熱フィンを形成する材料よりも熱伝導率の高い材料によって形成されている請求項３記載の半導体装置。

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