JP2010141167A - 高放熱性半導体パッケージ及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子が発生する熱を効率よく放熱可能な半導体パッケージを提供する。
【解決手段】半導体パッケージは、少なくとも、発熱体からの熱を放熱するための放熱面を有する半導体パッケージであって、該放熱面に髭状材料からなる放熱層を有し、該放熱層が、放熱面に立設した複数の髭状材料により形成されていることを特徴とする。放熱面が、ＣuまたはＡlを主成分とする金属板であり、髭状材料が、カーボンナノチューブ、金属ウィスカー又はセラミックウィスカーであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱抵抗の低い半導体デバイスに関する。より詳しくは、髭状材料からなる放熱層を放熱面に有する半導体パッケージに関する。

パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは、半導体素子は構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では素子が破壊してしまうため、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。通常自然対流や電動送風装置を用いた強制対流をもちいて放熱をはかるが、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限があるため、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートシンクやヒートパイプと称する放熱装置が一般には用いられている。放熱装置の一つとして簡易でかつ効果的な方法は、発熱源の表面に放熱シート、ヒートパイプ等の冷却体を貼り付けたりグリースを介在させたりして熱抵抗を低下させる方法である。

具体的には、半導体パッケージの放熱面に比べ数〜数十倍の表面積を有し、熱伝導率の高い金属製（銅もしくはアルミニウムが一般的）のヒートシンク等の冷却体を該放熱面に接触させ、半導体素子（ダイ）が発熱した熱をヒートシンクに移動させて放熱している。このとき、半導体パッケージの放熱面とヒートシンクとの接着性・接触性を高めるために、熱伝導性グリースを介在させるのが一般的である。しかしながら、熱伝導性グリースの熱伝導率が十分でないため、放熱面からヒートシンク等の冷却体に熱を伝える段階が律速となっていた。

特開２００６−１０８３１７号公報 特許第３１８３８４５号公報 特開２０００−１０９３０６号公報

そこで本発明は、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱可能な半導体パッケージを提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ＣＰＵ等を構成するパッケージの放熱面に熱伝導率の高い髭状材料（微細髭状構造体）からなる放熱層を形成することで高い効果が得られることを見出した。

本発明は以下から構成される。
（１）本発明に係る半導体パッケージは、少なくとも、発熱体からの熱を放熱するための放熱面を有する半導体パッケージであって、該放熱面に髭状材料からなる放熱層を有し、該放熱層が、前記放熱面に立設した複数の髭状材料により形成されていることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の半導体パッケージであって、前記髭状材料が、前記半導体パッケージの放熱面から外側に向かって成長していることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体パッケージであって、前記半導体パッケージ
の放熱面が、ＣuまたはＡlを主成分とする金属板からなることを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の半導体パッケージであって、前記髭状材料が、カーボンナノチューブ、金属ウィスカー又はセラミックウィスカーのいずれかであることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の半導体パッケージであって、前記髭状材料が、炭化アルミニウム、アルミナ又は酸化亜鉛のいずれかであることを特徴とする。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の半導体パッケージであって、前記髭状材料からなる放熱層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（７）上記（６）に記載の半導体パッケージであって、前記髭状材料からなる放熱層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
（８）上記（６）に記載の半導体パッケージであって、前記髭状材料からなる放熱層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする。

（９）本発明に係る電子機器は、上記（１）〜（８）に記載の半導体パッケージの放熱面を冷却体に接触させる方式であることを特徴とする。
（１０）上記（９）に記載の電子機器であって、前記半導体パッケージの放熱面と冷却体の間に樹脂成分が介在することを特徴とする。
（１１）上記（９）又は（１０）に記載の電子機器であって、前記冷却体がヒートシンク又は放熱ファンであることを特徴とする。

本発明に係る半導体パッケージは、半導体パッケージの表面に熱伝導率の高い髭状材料が形成されている。半導体に発生した熱はパッケージの表面から主として髭状材料を伝搬して冷却体に輸送されるために高い放熱性能を持たせることができる。

上述のように、本発明は、ＣＰＵなどの半導体パッケージの放熱面に髭状材料からなる放熱層を形成することで、飛躍的に放熱性能を高めた高放熱性半導体パッケージに関する。すなわち、本発明に係る半導体パッケージは、少なくとも、発熱体からの熱を放熱するための放熱面を有し、該放熱面に髭状材料からなる放熱層を有することを特徴としている。そして、上記放熱層は、無数の髭状材料が上記放熱面に立設して形成されていることを特徴とする。

図１に示すように、この発明に従った髭状材料とは、半導体パッケージの放熱面から外側に向かって成長したもので、一種の配向性を持つ。このような髭状材料からなる放熱層が形成された半導体パッケージをヒートシンクやヒートパイプなどの冷却体に接触させることで、半導体パッケージから発生した熱を効率的に冷却体に伝えることができる。髭状材料の長さ方向は、できるだけ放熱面の法線方向と平行であることが好ましい。放熱面に垂直であることにより、ヒートシンク等の相手材表面に存在する微小な凹凸との接触性が良好になり、接触熱抵抗を低下させることができる。この場合、放熱層を形成する大半の髭状材料が概ね垂直方向を向いていれば当該効果を発揮することができるため、全ての髭状材料が厳密に垂直方向に配向している必要はない。

また、この時、半導体パッケージと冷却体の間にグリースなどの接触性を補完する樹脂成分を介在させるとより効果がある。例えば、予め冷却体の表面にグリースを塗布しておくと、これを半導体パッケージと接触させるために押しつけた時、グリースは髭状材料層の気孔部分に自然と含浸されることになり、半導体パッケージや冷却体の表面に存在する凹凸部に隙間無く入り込むため接触性が極めて高くなる。この時、両者の間には、擬似的に柱状フィラーとグリースからなる熱伝導率の高い複合材料層が形成されていることにな
り、より高い放熱効果を発現することができる（図２及び３に例示）。

半導体パッケージの放熱面はＣuまたはＡlを主成分とする熱伝導率の高い金属からなることが好ましい。
髭状材料としては、熱伝導率の高いカーボンナノチューブ、金属ウィスカー、セラミックウィスカーなどが好ましい。更に、セラミックウィスカーとしては、炭化アルミニウム、アルミナ、酸化亜鉛などが、効果が高く好ましい。これらの材料は、どのような手法で形成しても構わない。カーボンナノチューブやセラミックスウィスカーであれば公知のＣＶＤ法等を用いることができる。

髭状材料からなる放熱層の厚さが１μｍ以上であると、上述の接触性が高まり、放熱効果が高くなる。一般に半導体パッケージや冷却体は平坦度が低い場合がある。すなわち、反りが存在する場合があるので、この場合は、髭状材料からなる放熱層の厚さが大きくなるほど接触熱抵抗低減には効果がある。すなわち、相手材の表面形状に合わせて髭状材料が変形して反りを吸収して、髭状材料の先端が均一の相手材表面に接触することができる。髭状材料からなる放熱層の厚さは１０μｍ以上が好ましく、厚さが５０μｍ以上になるとほぼどのような形状にも適応することができるようになる。更に、上記髭状材料はアスペクト比が大きくなるほど、しなる性質があるため、放熱面と冷却体との熱膨張係数に差がある場合にも、両者の間に発生する熱応力を緩和することもできる。
尚、冷却体にはヒートシンク、ヒートスプレッダ、ヒートパイプなどを含むが、これらの冷却体は一般には放熱ファンを組み合わせて使用する場合もある。

本発明に係る電子機器は、上記の半導体パッケージの放熱面に冷却体を接触させる放熱方式を採用することを特徴とする。冷却体としては、ヒートシンク、ヒートパイプ、放熱シート等、公知のものを良好に用いることができる。これは、通常であれば、半導体パッケージの放熱面と冷却体の熱膨張係数の差により、繰り返し使用により反りやクラックが発生してしまうのに対し、本発明に係る半導体パッケージは、上述のように髭状材料からなる放熱層が当該熱応力を緩和することが可能であるため、冷却体の種類を選ばないことによる。

また、本発明に係る電子機器においては、半導体パッケージと冷却体との間に熱伝導性グリース等の樹脂成分を介在させることにより、より放熱性能を高めることができる。特に、冷却体として、ヒートシンク及び／又は放熱ファンを用いることが好ましい。

（１）材料
＜基板（放熱面）＞
１００×１００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種アルミ板、またはＣu板を用意した。

＜髭状材料（放熱層）の形成＞
（１）炭化アルミニウムウィスカー
アルミ基板を各種炭化水素ガスを含む雰囲気で加熱した。加熱後の基板表面にはウィスカーが生成していた。Ｘ線回折によりウィスカー相を同定した結果、Ａl₄Ｃ₃であった。

（２）ＺnＯウィスカー
上記Ｃu基板を用いた。
図４に示す大気開放型ＣＶＤ装置を使用した。気化器にアセチルアセトナト亜鉛（Ｚn
（Ｃ₅Ｈ₇Ｏ₂）₂）を装填し１１５℃で気化させた。加熱台を６００℃に加熱した。吹き出しスリットの下、２０ｍｍの位置に前記基板を置いた。気化器に乾燥Ａrガスを流量１．
５Ｌ／minで導入し、アセチルアセトナト亜鉛を大気圧雰囲気中に放出し、基板表面にウ
ィスカーが所定の長さになるまで吹き付けた。スリットを移動させながら基板全体に亘ってウィスカーを成長させた。アセチルアセトナト亜鉛は大気中で反応しＺnＯとなり、こ
れが基板上に堆積し、ウィスカーを所定の長さまで成長させた。ウィスカーの生成間隔（ピッチ）は、スリットの移動速度を調整することで変化させた。
このような処理を基板の両面に施して両面にＺnＯウィスカーを形成した。図５に作製
したウィスカーのＳＥＭ写真の一例を示す。

（３）カーボンナノチューブ
基材として上記Ａl板またはＣu板を用いた。
Ａl板の片面にスパッタリング法で、触媒となるコバルトをコーティングしてコバルト
の微粒子を一定のパターンで付着させた。次に、基板を炉内に設置し、エタノールガスをアルゴンガスをキャリアガスとして、温度５００℃、炉内圧力４８０torr、各種時間で反応させた。これにより、基板面にほぼ垂直に成長した平均直径が２０ｎｍのカーボンナノチューブ層が形成した。

＜半導体パッケージの作製＞
上記で作製した金属板をパッケージ筐体の形状に加工し、内部にシリコン半導体と絶縁封止ジェル等を挿入したパッケージを製作した。パッケージの放熱面は３０×３０ｍｍであり、放熱面には前記髭状材料が形成されている。

＜熱抵抗の測定＞
図６に示すように、受熱面が３０×３０ｍｍ、直径１ｍｍ、高さ１０ｍｍのフィンが２ｍｍピッチで形成されたヒートシンクを接触させた後、上部に１０ｋgの重りを乗せた後
、静かに重りを取り外した。その後、ヒートシンク上に放熱ファンを設置した。一部の試料は、予めヒートシンクの接触面上に厚さ１００μｍで市販のシリコングリースを塗布しておいた。
筐体およびヒートシンクの表面部の温度測定用に、これらの側面に直径０．３ｍｍの穴を開け、熱電対を挿入しておいた。このような半導体デバイスが、発熱量（Ｑ）が５０Ｗになるまで通電した。空冷ファンを作動させて冷却しながら、ヒートシンク表面温度（Ｔc）、パッケージ表面温度（Ｔh）を測定した。

熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔh−Ｔc）／Ｑ

結果を表１に示す。

本発明に係る半導体パッケージの概略の一例を示す図である。 本発明に係る半導体パッケージの使用例の一例の概略を示す図である。 本発明に係る半導体パッケージの使用例の別の一例の概略を示す図である。 実施例において使用したＣＶＤ装置の概略を示す図である。 実施例において作製した髭状材料の電子顕微鏡写真を表す図である。 実施例において使用した熱抵抗測定装置の概略を示す図である。

Claims (11)

1. 少なくとも、発熱体からの熱を放熱するための放熱面を有する半導体パッケージであって、該放熱面に髭状材料からなる放熱層を有し、該放熱層が、前記放熱面に立設した複数の髭状材料により形成されていることを特徴とする高放熱性半導体パッケージ。
2. 前記髭状材料が、前記半導体パッケージの放熱面から外側に向かって成長していることを特徴とする請求項１に記載の高放熱性半導体パッケージ。
3. 前記半導体パッケージの放熱面が、ＣuまたはＡlを主成分とする金属板からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の高放熱性半導体パッケージ。
4. 前記髭状材料が、カーボンナノチューブ、金属ウィスカー又はセラミックウィスカーのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の高放熱性半導体パッケージ。
5. 前記髭状材料が、炭化アルミニウム、アルミナ又は酸化亜鉛のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の高放熱性半導体パッケージ。
6. 前記髭状材料からなる放熱層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の高放熱性半導体パッケージ。
7. 前記髭状材料からなる放熱層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の高放熱性半導体パッケージ。
8. 前記髭状材料からなる放熱層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の高放熱性半導体パッケージ。
9. 請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体パッケージの放熱面を冷却体に接触させる方式であることを特徴とする電子機器。
10. 前記半導体パッケージの放熱面と冷却体の間に樹脂成分が介在することを特徴とする請求項９に記載の電子機器。
11. 前記冷却体がヒートシンク及び／又は放熱ファンであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電子機器。