JP2008235576A - 電子部品の放熱構造及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性を向上させることができ、更に、汎用性に富んだ電子部品の放熱構造及び半導体装置を提供する。
【解決手段】配線基板３１に実装された電子部品３５の放熱構造において、前記配線基板３１の上部に断熱材３３が設けられ、前記断熱材３３の上部に第１放熱体３４が設けられ、前記第１放熱体３４の上部に前記電子部品３５が載置されたことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電子部品の放熱構造に関し、より具体的には、基板に実装された半導体素子等の電子部品の放熱構造及び半導体装置に関する。

近年の電子機器の高機能化、高速動作化に伴い、電子機器に搭載される半導体装置にも高機能化・高速動作化が要求されている。そのため、半導体装置に於ける半導体素子も消費電力の増加する方向にあり、当該半導体素子からの発熱量が大きくなる傾向にある。

そこで、半導体装置に於ける半導体素子が動作する際に発生する熱を、半導体素子の背面から直接に、或いは熱伝導性樹脂等の熱伝導材料を介して、ヒートスプレッダ等の放熱体に伝達して放散する構造が提案されている。

しかしながら、このような構造では所望の放熱特性を十分に得ることができない場合があり、図１に示す構造が提案されている。

図１に示す半導体装置１０にあっては、配線基板１の一方の主面（表面）に半導体素子２が実装され、ボンディングワイヤ３を介して、図示を省略する配線基板１の電極端子と半導体素子２の外部接続端子とが接続されている。

また、配線基板１の他方の主面（裏面）であって、当該面の外周近傍には半田を主体とする球状電極端子等の外部接続端子となる半田ボール４が複数配設されている。更に、配線基板１の半導体素子２が実装された面は、当該半導体素子２及びボンディングワイヤ３を保護すべく樹脂封止５が設けられている。

このような構造を有する半導体装置１０は、マザーボードとも称される実装基板６上に実装されている。具体的には、実装基板６の表面に形成された電極端子（図示を省略する）上に、半導体装置１０の半田ボール４が接続されている。

更に、配線基板１の裏面であって半田ボール４が配設されていない箇所、即ち、配線基板１の略中央部分と、これに対向する実装基板６の面との間には、半田ボール４と同様のサーマルボール（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｌｌ）７が設けられている。

より具体的には、半導体素子２の搭載箇所の下方において、図示を省略する配線基板２の表面（半導体素子２の搭載側の主面）の電極と、配線基板２の裏面（半田ボール４の搭載側の面）の電極との間に熱伝導用のスルーホールとしてのサーマルビア８が形成され、前記配線基板２の裏面の電極上に、サーマルボール７が形成されている。なお、サーマルビア８には、例えば金属材料等から成るプラグが埋め込まれている。

サーマルビア８の熱抵抗は、配線基板２の基材（絶縁層）の熱抵抗よりも小さい。従って、配線基板２の表面上の電極はサーマルビア８を介してサーマルボール７に接続され、サーマルボール７は電気的にはグラウンドの役割を、熱的には実装基板６への熱伝導の役割を担っている。

ここで、図２も参照して、サーマルボール７の機能について説明する。なお、図２には、図１において点線Ａで囲んだ部分を拡大して示している。また、図２における矢印は、熱の流れを示している。

半導体素子２で発生した熱は、半導体素子２の裏面からサーマルビア８を介して配線基板２の下方に伝導され、サーマルボール７を介して、半導体装置１０を搭載した実装基板６に受熱されるという熱伝導経路が形成され、実装基板６で当該熱を放散させている。

そのほか、半導体チップの素子形成面である一面側に、前記半導体チップの放熱を行うための第１の放熱部材が接合され、前記一面とは反対側の他面側に第２の放熱部材が接合され、前記他面側に接合された第２の放熱部材が、外部の冷却部材と接合される部分である放熱面を有しており、第１の放熱部材と、第２の放熱部材とが接合されて、前記一面側からの放熱が前記放熱面で行われる半導体装置が提案されている。（特許文献１参照）
特開２００１−２８４５２５号公報

しかしながら、例えば、配線基板１の裏面の略全面に、外部接続端子となる半田ボール４が配設された構造を有する半導体装置にあっては、図１及び図２に示すサーマルボール７を配設することができず、サーマルボール７を用いた放熱構造を形成することができない。

そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、放熱特性を向上させることができ、更に、汎用性に富んだ電子部品の放熱構造及び半導体装置を提供することを本発明の目的とする。

本発明の一観点によれば、配線基板に実装された電子部品の放熱構造であって、前記配線基板の上部に断熱材が設けられ、前記断熱材の上部に第１放熱体が設けられ、前記第１放熱体の上部に前記電子部品が載置され、前記電子部品の上部に第１輻射材が設けられ、前記電子部品の上方に第２放熱体が設けられ、前記第２放熱体は、前記第１輻射材に対向して位置する第２輻射材を備えたことを特徴とする電子部品の放熱構造が提供される。

前記第１輻射材及び前記第２輻射材は、セラミックを含有する材料から成ることとしてもよい。

本発明の別の観点によれば、配線基板と、前記配線基板上に配設された断熱材と、前記断熱材の上部に配設された第１放熱体と、前記第１放熱体上に配設された半導体素子と、前記半導体素子上及び前記半導体素子の周辺の前記第１放熱体上に配設された第１輻射材と、前記第１放熱体上に前記半導体素子を覆うように配設された第２放熱体と、前記第２放熱体の前記半導体素子に対向する面に配設された第２輻射材と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。

前記断熱材と前記第１輻射材とは開口を有し、前記半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは、ワイヤで接続されていてもよい。前記第１輻射材及び前記第２輻射材は、セラミックを含有する材料から成り、前記第１輻射材と前記第２輻射材とを対向させることにより熱を輻射し相手側に伝える性質を有していてもよい。

本発明によれば、放熱特性を向上させることができ、更に、汎用性に富んだ電子部品の放熱構造及び半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱構造について説明し、次いで、該構造を形成する方法について説明する。

１．半導体装置の放熱構造
図３に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱構造を示す。

本構造の半導体装置３０においては、支持基板とも称される配線基板３１の一方の主面（表面）に配線層３２が形成されている。配線層３２の上であって、後述するボンディングワイヤ３７の配設領域Ｂを除く配線基板３１の主面全体に、例えばガラス繊維から成る断熱材３３が設けられている。

そして、断熱材３３の上には、放熱体である第１ヒートスプレッダ３４が設けられている。第１ヒートスプレッダ３４は、例えば、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属から成る板状部材である。

第１ヒートスプレッダ３４の略中央部分には、電子部品の一例である半導体素子３５がダイボンディングフィルム等のダイボンディグ材３６を介して搭載されている。

図４に、第１ヒートスプレッダ３４上に半導体素子３５が搭載された状態の上面図を示す。図４に示すように、略矩形形状を有する半導体素子３５は、第１ヒートスプレッダ３４の略中央部分に設けられ、当該半導体素子３５の外周の各辺に沿って、ボンディングワイヤ３７の配設領域Ｂが打ち抜いて形成されている。

半導体素子３５は、シリコン（Ｓｉ）半導体基板を用い、周知の半導体製造プロセスをもって形成される。半導体素子３５の上面には金（Ａｕ）等からなるボンディングワイヤ３７が接続される外部接続用パッド３８が設けられ、当該ボンディングワイヤ３７により、半導体素子３５は、配線基板３１の配線層３２に設けられた電極端子（図示を省略する）に電気的に接続される。

更に、半導体素子３５の上面であって、外部接続用パッド３８よりも内側部分の箇所と、第１ヒートスプレッダ３４の上面であって、ボンディングワイヤ３７が配設される箇所Ｂよりも外側の箇所とに、第１輻射材３９が設けられている。但し、第１ヒートスプレッダ３４の外周部分近傍には、後述する第２ヒートスプレッダ４３の配設箇所を確保すべく、第１輻射材３９は設けられていない。

第１輻射材３９として、熱を遠赤外線に変換して放熱するセラミックの放射特性を利用すべく、例えば、液体セラミック放熱塗料等の、セラミックス粉末を含有した無機系塗料又はフィルム状のものを用いることができる。

かかる材料は、発熱体の熱を電磁波（遠赤外線）に変換することにより約０．９６という高い熱放射率を有し、半導体基板に形成された電子回路が動作することによって発生する熱を外部に効率的に放射することができる。

このように、本例においては、発熱源である半導体素子３５上に第１輻射材３９が設けられているため、放熱量を高めることができる。

ボンディングワイヤ３７の配設箇所Ｂ及び半導体素子３２に於いてボンディングワイヤ３７が接続された箇所は、封止樹脂４０により封止されている。封止樹脂４０として、例えば、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂或いはエポキシ系樹脂等を用いることができるが、これらの例に限定されない。封止樹脂４０により、ボンディングワイヤ３７の配設箇所Ｂ及び半導体素子３２においてボンディングワイヤ３７が接続された箇所の保護が図られている。

配線体基板３１の他方の主面（裏面）の図示を省略する電極端子には、半田を主体とする球状電極端子等の外部接続端子となる半田ボール４１が複数、グリッド状に配設されている。半田ボール４１が設けられた前記電極端子と、配線体基板３１の配線層３２に設けられた図示を省略する電極端子とは、配線基板３１に形成されたスルーホール４２を介して接続されている。

第１ヒートスプレッダ３４の外周部分近傍には、例えば、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属から構成される第２ヒートスプレッダ４３が接続されている。第２ヒートスプレッダ４３は、断面がコの字を反時計回りに９０度回転させた形状を有し、鉛直方向に位置する２つの側面部４３−１と、２つの側面部４３−１間において水平方向に位置する上面部４３−２とが一体となって構成されている。

第１ヒートスプレッダ３４の縁部と第２ヒートスプレッダ４３の側面部４３−１の端部とは、接着材（シート状或いは液状樹脂）を介して接続されている。

第２ヒートスプレッダ４３の上面部４３−２の、第１輻射材３９と対向している面の全面には、第１輻射材３９と同様の材料から構成される第２輻射材４４が設けられている。

このように、本例においては、発熱源である半導体素子３５上に第１輻射材３９を設けると共に、発熱源である半導体素子３５の近傍に位置する金属体である第１ヒートスプレッダ３４及び第２ヒートスプレッダ４３に、第１輻射材３９及び第２輻射材４４が設けられているため、発熱源である半導体素子３５から放射された電磁波を吸収しやすくなり、熱の流量が大きい。

このような構造を有する本発明の実施の形態に係る半導体装置３０の放熱構造における、熱の伝導及び放熱効果について、図５を参照して説明する。なお、図５における矢印は、熱の流れを示している。

上述のように、本例では、配線基板３１の一方の主面（表面）に形成された配線層３２の上であって、ボンディングワイヤ３７の配設領域Ｂを除く配線基板３１の主面全体に、断熱材３３が設けられている。そして、当該断熱材３３の上に第１ヒートスプレッダ３４が設けられ、当該第１ヒートスプレッダ３４の上に半導体素子３５が搭載されている。

従って、断熱材３３により、半導体素子３５において発生した熱の、配線基板３１が設けられている側への伝導が遮断される。配線基板３１は、人が触れやすく又は熱に対する制限が課される部材であり、断熱材３３により配線基板３１への熱の伝導を防止している。

更に、本例では、発熱源である半導体素子３５の上面に第１輻射材３９が設けられているため、半導体素子３５の上方への放熱量が高められている。そして、半導体素子３５の近傍に位置する第１ヒートスプレッダ３４及び第２ヒートスプレッダ４３に、第１輻射材３９及び第２輻射材４４が設けられているため、発熱源である半導体素子３５から放射された電磁波を吸収しやすく、半導体装置３０の上方に位置する第２ヒートスプレッダ４３の上面部４３−２への熱の流量を大きくすることができる。よって、第２ヒートスプレッダ４３の上面部４３−２による外部への放熱量を多くすることができる。

即ち、本例の半導体装置３０の放熱構造では、断熱材３３により、発熱源である半導体素子３２から配線基板３１への熱の伝導を遮断すると共に、第１輻射材３９及び第２輻射材４４により、半導体素子３２からの熱の伝導方向を半導体装置３０の上方に位置する第２ヒートスプレッダ４３の上面部４３−２に向かう方向とすることにより、放熱の方向性を定めて熱の伝導を制御している。

なお、上述のように、断熱材３３により遮断される熱の伝導は、半導体素子３５において発生した熱の配線基板３１が設けられている側への伝導であり、第２ヒートスプレッダ４３の側面部４３−１においても、上面部４３−２同様に、外部へ放熱がなされている。

従って、半導体装置３０の放熱特性の向上を図ることができ、高い熱低減効果を得ることができる。

また、本例によれば、図１及び図２に示す例と異なり、配線基板３１の裏面における半田ボール４１の配設状況に拘わらず、半導体装置３０の放熱構造を形成することができ、
汎用性に富んだ放熱構造を実現することができる。

２．半導体装置の放熱構造を形成する方法
次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱構造を形成する方法について、図６を参照して説明する。

図６を参照するに、先ず、配線基板３１の一方の主面（表面）に形成された配線層３２の上であって、工程Ｓ５で配設されるボンディングワイヤ３７の配設領域Ｂを除く配線基板３１の主面全体に、シート状又は液状の断熱材３３を貼り付け又は塗布する（Ｓ１）。なお、予め断熱材３３が形成された配線基板３１を用いることにより、本工程を省略してもよい。

次に、断熱材３３の上に、例えば、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属から成る板状の放熱体である第１ヒートスプレッダ３４を配設する（Ｓ２）。なお、第１ヒートスプレッダ３４には、工程Ｓ４で搭載される半導体素子３５の搭載箇所の外周の各辺に沿って、工程Ｓ５で配設されるボンディングワイヤ３７の配設領域Ｂが打ち抜かれている。

しかる後、第１ヒートスプレッダ３４の上面の、工程Ｓ５で配設されるボンディングワイヤ３７の配設領域Ｂよりも外側の箇所であって、工程Ｓ８で配設される第２ヒートスプレッダ４１の配設箇所である第１ヒートスプレッダ３４の外周部分近傍を除く箇所に、第１輻射材３９を形成する（Ｓ３）。第１輻射材３９として、熱を遠赤外線に変換して放熱するセラミックの放射特性を利用すべく、例えば、液体セラミック放熱塗料等の、セラミックス粉末を含有した無機系塗料又はフィルム状のものを用いることができる。

なお、一方の面に断熱材３３を、他方の面に第１輻射材３９を予め形成した第１ヒートスプレッダ３４を断熱材３３の上に配設することにより、Ｓ１乃至Ｓ３の工程を簡略化することができる。

次に、背面（電子回路素子又は電子回路等の非形成面）にダイボンディングフィルム等のダイボンディング材３６が貼り付けられた半導体素子３５を、当該ダイボンディングフィルム３６を介して第１ヒートスプレッダ３４の略中央部分上に搭載・固着する（Ｓ４）。半導体素子３５は、シリコン（Ｓｉ）半導体基板を用い、周知の半導体製造プロセスをもって形成される。

なお、半導体素子３５の上面であって、外部接続端子３８よりも内側には、第１輻射材３９が形成されている。

ダイボンディング材３６を硬化させることにより、半導体素子３５は第１ヒートスプレッダ３４に固定される。

次いで、半導体素子３５の外部接続端子３８と配線基板３１上の電極端子とを、金（Ａｕ）等から成るボンディングワイヤ３７を用いて接続する（Ｓ５）。

しかる後、ボンディングワイヤ３７の配設箇所Ｂ及び半導体素子３２においてボンディングワイヤ３７が接続された箇所を、封止樹脂４０により一括して封止する（Ｓ６）。封止樹脂４０として、例えば、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂或いはエポキシ系樹脂等を用いることができるが、これらの例に限定されない。封止樹脂４０により、ボンディングワイヤ３７の配設箇所Ｂ及び半導体素子３２においてボンディングワイヤ３７が接続された箇所の保護が図られる。

また、配線基板３１の他方の主面（裏面）に、半田を主体とする球状電極端子等の外部接続端子となる半田ボール４１を複数、グリッド状に配設する（Ｓ７）。

次に、第１ヒートスプレッダ３４の外周部分近傍上に、側面部４３−１の端部が位置するように、接着材（シート状或いは液状樹脂）を介して第２ヒートスプレッダ４３を第１ヒートスプレッダ３４上に搭載する（Ｓ８）。第２ヒートスプレッダ４３は、第１ヒートスプレッダ３４と同様に、例えば、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属から成る放熱体である。なお、第２ヒートスプレッダ４３の上面部４３−２の、第１輻射材３９と対向している面の全面には、第１輻射材３９と同様の材料から構成される第２輻射材４４が予め設けられている。

しかる後、配線基板３１、断熱材３３、第１ヒートスプレッダ３４、第２ヒートスプレッダ４３、第１輻射材３９、当該配線基板３１の一方の主面にあって封止用樹脂４０により樹脂封止された半導体素子３５並びに当該半導体素子３５から導出されたボンディングワイヤ３７を１つの単位として、ダイシングソーを用いたダイシング等により切断して個片化し（Ｓ９）、個々の半導体装置３０の放熱構造が形成される。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
配線基板に実装された電子部品の放熱構造であって、
前記配線基板の上部に断熱材が設けられ、
前記断熱材の上部に第１放熱体が設けられ、
前記第１放熱体の上部に前記電子部品が載置され、
前記電子部品の上部に第１輻射材が設けられ、
前記電子部品の上方に第２放熱体が設けられ、
前記第２放熱体は、前記第１輻射材に対向して位置する第２輻射材を備えたことを特徴とする電子部品の放熱構造。
（付記２）
付記１記載の電子部品の放熱構造であって、
前記第１輻射材及び前記第２輻射材は、セラミックを含有する材料から成ることを特徴とする電子部品の放熱構造。
（付記３）
付記１又は２記載の電子部品の放熱構造であって、
前記第１放熱体の上部であって前記電子部品が載置されていない箇所に、前記第１輻射材が設けられていることを特徴とする電子部品の放熱構造。
（付記４）
付記１乃至３いずれか一項記載の電子部品の放熱構造であって、
前記電子部品と前記配線基板とはボンディングワイヤを介して接続されており、
前記ボンディングワイヤの配設箇所と前記電子部品に於いて前記ボンディングワイヤが接続された箇所は樹脂封止されていることを特徴とする電子部品の放熱構造。
（付記５）
配線基板に実装された電子部品の放熱構造であって、
前記電子部品と前記配線基板との間に断熱材を設けて、前記電子部品で発生した熱の前記配線基板への伝導を遮断し、
前記電子部品の、前記配線基板と反対の側に、輻射材を設けて、前記電子部品で発生した前記熱を放散することを特徴とする電子部品の放熱構造。
（付記６）
配線基板と、
前記配線基板上に配設された断熱材と、
前記断熱材の上部に配設された第１放熱体と、
前記第１放熱体上に配設された半導体素子と、
前記半導体素子上及び前記半導体素子の周辺の前記第１放熱体上に配設された第１輻射材と、
前記第１放熱体上に前記半導体素子を覆うように配設された第２放熱体と、
前記第２放熱体の前記半導体素子に対向する面に配設された第２輻射材と、を有することを特徴とする半導体装置。
（付記７）
付記６記載の半導体装置であって、
前記断熱材と前記第１輻射材とは開口を有し、
前記半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは、ワイヤで接続されていることを特徴とする半導体装置。
（付記８）
付記６又は７記載の半導体装置であって、
前記第１輻射材及び前記第２輻射材は、セラミックを含有する材料から成り、前記第１輻射材と前記第２輻射材とを対向させることにより熱を輻射し相手側に伝える性質を有することを特徴とする半導体装置。

サーマルボールを用いた放熱構造を有する半導体装置を実装基板に搭載した状態を示す概略断面図である。 図１において点線Ａで囲んだ部分を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱構造を示す断面図である。 第１ヒートスプレッダ上に半導体素子が搭載された状態の上面図である。 図３に示す構造における熱の伝導及び放熱効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱構造を形成するための方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

３１ 配線基板
３３ 断熱材
３４ 第１ヒートスプレッダ
３５ 半導体素子
３７ ボンディングワイヤ
３９ 第１輻射材
４０ 封止樹脂
４３ 第２ヒートスプレッダ
４４ 第２輻射材

Claims (5)

1. 配線基板に実装された電子部品の放熱構造であって、
   前記配線基板の上部に断熱材が設けられ、
   前記断熱材の上部に第１放熱体が設けられ、
   前記第１放熱体の上部に前記電子部品が載置され、
   前記電子部品の上部に第１輻射材が設けられ、
   前記電子部品の上方に第２放熱体が設けられ、
   前記第２放熱体は、前記第１輻射材に対向して位置する第２輻射材を備えたことを特徴とする電子部品の放熱構造。
2. 請求項１記載の電子部品の放熱構造であって、
   前記第１輻射材及び前記第２輻射材は、セラミックを含有する材料から成ることを特徴とする電子部品の放熱構造。
3. 配線基板と、
   前記配線基板上に配設された断熱材と、
   前記断熱材の上部に配設された第１放熱体と、
   前記第１放熱体上に配設された半導体素子と、
   前記半導体素子上及び前記半導体素子の周辺の前記第１放熱体上に配設された第１輻射材と、
   前記第１放熱体上に前記半導体素子を覆うように配設された第２放熱体と、
   前記第２放熱体の前記半導体素子に対向する面に配設された第２輻射材と、を有することを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３記載の半導体装置であって、
   前記断熱材と前記第１輻射材とは開口を有し、
   前記半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは、ワイヤで接続されていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項３又は４記載の半導体装置であって、
   前記第１輻射材及び前記第２輻射材は、セラミックを含有する材料から成り、前記第１輻射材と前記第２輻射材とを対向させることにより熱を輻射し相手側に伝える性質を有することを特徴とする半導体装置。

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