JP2010182855A

JP2010182855A - 半導体の冷却構造及びその製造方法

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Publication number: JP2010182855A
Application number: JP2009024685A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Ikeda; 博伸池田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: JP5278011B2

Abstract

【課題】簡易な構成で冷却効率を向上させた半導体の冷却構造及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体の冷却構造１０において、基板１上に実装された半導体２上に、ヒートシンク８が配置されている。また、半導体２の上面に、熱伝導部材５を介して熱伝導性のヒートスプレッダ６が取り付けられている。さらに、ヒートスプレッダ６の上面６ｃに、熱伝導グリース７を介してヒートシンク８が取り付けられている。なお、ヒートスプレッダ６は複数の板状部材６ａからなり、板状部材６ａの下面は半導体２の上面の形状に合わせて傾斜しているのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に実装された半導体などの電子部品が発生する熱を放熱する半導体の冷却構造及びその製造方法に関し、特に、基板上に実装された半導体上にヒートシンクが配置される半導体の冷却構造及びその製造方法に関するものである。

近年、コンピュータの高性能化に伴いＬＳＩ等の半導体の高集積化、高速化が進行しており、ＬＳＩの電気信号をより多量かつ高速に伝達する手段として、プリント基板にＬＳＩを直接半田付け、実装するフリップチップ実装が多数採用されている。また、同時に、ＬＳＩの消費電力は増加傾向にあり、そのＬＳＩを高効率に冷却する冷却構造が常に求められている。

一般に、ＬＳＩの実装構造としては、シリコンチップを内蔵したＱＦＰ（Quad Flatpack Package）やＢＧＡ（Ball Grid Array）をプリント基板に搭載する構造や、上記フリップチップ実装する構造が知られている。また、これら構造においては、発熱するＬＳＩ上に、ヒートシンクが取り付けられている。

ところで、プリント基板上にＬＳＩをフリップチップ実装する構造においては、ＬＳＩとプリント基板との熱膨張係数の差からＬＳＩ裏面（上面）側に凸形状の反りが発生する。一方で、従来の冷却構造１００において、ＬＳＩ１２上には、熱伝導グリース１７を介して、平坦な下面を有するヒートシンク１８が取り付けられている（図６）。これにより、熱伝導グリース１７の端側Ｄ部の厚さが、中心側Ｃ部の厚さと比較して大きくなるため、端側Ｄ部の熱抵抗が中心側Ｃ部の熱抵抗よりも大きくなる。したがって、ＬＳＩ１２で発生した熱を効率よくヒートシンク１８へ伝達するのが困難になるという問題が生じている。

特開２００６−２３７０６０号公報

この問題に対して、熱伝導グリースの代わりに熱伝導率の高い接着剤を用いて、ヒートシンクをＬＳＩに接着する構造が考えられる。しかしながら、例えば、ＬＳＩが大きくなるに従って、ＬＳＩの凸形状の反りも大きくなるため、接合が不十分となり、冷却効率の低下を招く虞がある。また、ＬＳＩの凸形状の反りに合わせて、ヒートシンクを凹面形状に加工する方法も考えられるが、数十μｍオーダーでの加工が必要となるため、その加工自体が困難となり、コスト増加に繋がる虞もある。さらに、半導体上に載置したヒートシンクをＬＳＩの形状にならう形で変形させるヒートシンクの実装構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。この実装構造においては、ヒートシンクに対して加工等が必要となる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成で冷却効率を向上させた半導体の冷却構造及びその製造方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、基板上に実装された半導体上に、ヒートシンクが配置される半導体の冷却構造であって、前記半導体の上面に、熱伝導部材を介して熱伝導性のヒートスプレッダが取り付けられ、前記ヒートスプレッダの上面に、熱伝導グリースを介して前記ヒートシンクが取り付けられる、ことを特徴とする半導体の冷却構造である。

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、基板上に半導体を取り付ける第１取付工程と、前記第１取付工程後、前記半導体の上面に、熱伝導部材を塗布する第１塗布工程と、前記第１塗布工程後、前記熱伝導部材上に熱伝導性のヒートスプレッダを取り付ける第２取付工程と、前記第２取付工程後、前記ヒートスプレッダの上面に熱伝導グリースを塗布する第２塗布工程と、前記第２塗布工程後、前記熱伝導グリース上にヒートシンクを取り付ける第３取付工程と、を含む、ことを特徴とする半導体の冷却構造の製造方法であってもよい。

本発明によれば、簡易な構成で冷却効率を向上させた半導体の冷却構造及びその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体の冷却構造の概略を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダの概略的な構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係るヒートスプレッダの板状部材の概略的な構成を示す斜視図である。ヒートスプレッダの各板状部材の傾斜面をＬＳＩの凸形状の反りに沿った状態で配置し、取付ける状態の一例を示す図である。ヒートスプレッダの上面が略平面状となる状態の一例を示す図である。従来に係る半導体の冷却構造の概略を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら一実施形態を挙げて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体の冷却構造の概略を示す断面図である。本実施形態に係る半導体の冷却構造１０において、プリント基板１上にＬＳＩ（半導体集積回路）２を、半田３により直接接合し実装するフリップチップ実装構造が適用されている。また、その半田３の接合部分は、アンダーフィル（封止用樹脂）４が充填硬化され、封止されている。上記フリップチップ実装構造においては、半田３の接合部分が非常に微細であるため、アンダーフィル４を充填硬化させて補強し、その接合の信頼性を確保している。

ＬＳＩ２の上面には、熱伝導部材５を介して、高い熱伝導性を有するヒートスプレッダ６が取付けられている。熱伝導部材５は、例えば、加熱硬化型の熱伝導性接着剤であり、ＬＳＩ２の上面とヒートスプレッダ６の下面とを接合する。また、熱伝導部材５として、例えば、エポキシ系の熱伝導性接着剤やシリコーン系接着剤、或いは半田材料などを用いることができる。

なお、ＬＳＩ２の上面にヒートスプレッダ６を上記熱伝導性接着剤により接着する場合、ヒートスプレッダ６と熱伝導性接着剤との密着性を向上させるために、ヒートスプレッダ６の接着表面を荒らす処理を施してもよい。また、ＬＳＩ２の上面にヒートスプレッダ６を半田３により接合する場合、ＬＳＩ２及びヒートスプレッダ６の接着面に、半田３の濡れ性が良好となる表面処理（例えば、Ａｕ鍍金）を、夫々施すのが好ましい。これにより、熱伝導効率をより向上させることができる。さらに、ヒートスプレッダ６の材料には、熱伝導性の高い材料を用いるのが好ましく、例えば、Ｃｕ、ＣｕＷを母材としたもの等の金属、若しくは、ＡＩＮ（窒化アルミニウム）等のセラミックを用いることができる。

ヒートスプレッダ６の上面６ｃに、熱伝導グリース７を介してヒートシンク８が取り付けられている。熱伝導グリース７は、ヒートスプレッダ６とヒートシンク８との間の熱伝導を補助するものである。また、熱伝導グリース７として、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）や銅紛、ダイヤモンド紛が混入されたシリコングリス等が用いられており、高効率の熱伝導が可能となっている。

ヒートシンク８は、例えば、略矩形状のベース部８ａと、ベース部８ａ上で格子状に立設された複数の棒状のフィン８ｂと、を有しており、各フィン８ｂから高効率の放熱を行うことができる。また、ヒートシンク８は、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導率の優れた材質で、一体成形されている。以上のように構成された半導体の冷却構造１０において、例えば、ＬＳＩ２で発生した熱は、熱伝導部材５、ヒートスプレッダ６、熱伝導グリース７、および、ヒートシンク８の順に高効率で伝達され、ヒートシンク８の各フィン８ｂから放熱される。

図２は、本実施形態に係るヒートスプレッダの概略的な構成を示す斜視図である。本実施形態に係るヒートスプレッダ６は、例えば、４つの略正方形状の板状部材６ａから構成されている。各板状部材６ａの上面（ヒートシンク８側面）６ｃは、略平面状に形成されている。また、各板状部材６ａの下面（ＬＳＩ２側面）は、ＬＳＩ２の上面の形状に合わせて、点線部分を加工した傾斜面６ｂが形成されている（図３）。なお、図３において、板状部材６ａの傾斜面６ｂが見易いように、板状部材６ａの下面（傾斜面６ｂ）を上に向けている。

各板状部材６ａのＧ部（ヒートスプレッダ６の端側）が最も厚い部分となっており、Ｅ部（ヒートスプレッダ６の中心側）が最も薄い部分となっている。また、各板状部材６ａのＦ部及びＨ部は、略同一の厚さとなっており、Ｇ部とＥ部との間の厚さとなっている。なお、Ｅ部、Ｆ部、Ｇ部及びＨ部を同一平面上に形成することで、各板状部材６ａを容易に加工することができる。

さらに、各板状部材６ａの傾斜面６ｂは、ＬＳＩ２の凸形状の反りに合わせて形成されるのが好ましい。例えば、図１に示すよう、ＬＳＩ２の凸形状の反りがＬＳＩ２の対角線において１００μｍである場合、Ｅ部の厚さがＧ部の厚さより約１００〜１５０μｍ薄くなるように、各板状部材６ａを加工してもよい。

図２に示すように、各板状部材６ａの薄いＥ部がヒートスプレッダ６の中心側となり、各板状部材６ａの厚いＧ部がヒートスプレッダ６の角側（端側）となるように、各板状部材６ａは配置される。これにより、ヒートスプレッダ６の各板状部材６ａの傾斜面６ｂは、ＬＳＩ２の凸形状の反りに沿った状態で配置され（図４）、取付けられるため、ヒートスプレッダ６の上面６ｃは略平面状となる（図５）。これにより、この略平面状のヒートスプレッダ６の上面６ｃに、略均一の厚さの熱伝導グリース７を塗布することができ、この略均一の厚さの熱伝導グリース７上に、ヒートシンク８を取り付けることができる。したがって、熱伝導グリース７の熱抵抗は、中心側から端側にわたって略均一にすることができるため、ＬＳＩ２で発生した熱を、熱伝導グリース７を介してヒートシンク８に対して効率的に伝達することができる。

次に、本実施形態に係る半導体の冷却構造の製造方法について、詳細に説明する。例えば、プリント基板１上のＬＳＩ搭載パッドと、ＬＳＩ２の半田３と、が対向するように、ＬＳＩ２を位置決めし、プリント基板１上に配置する。そして、半田３が溶融する温度（例えば、Ｓｎ９６．５／Ａｇ３／Ｃｕ０．５（ｗｔ％）であれば、約２２℃）以上まで加熱し、ＬＳＩ２の半田付けを行う（第１取付工程）。さらに、プリント基板１とＬＳＩ２との隙間にアンダーフィル４をその側方から供給充填し、その樹脂の硬化温度（例えば、１５０℃）で加熱し硬化させる。

このとき、アンダーフィル４の樹脂硬化中の温度（例えば、約１５０℃）において、プリント基板１及びＬＳＩ２は、略平面状（反りが発生していない状態）になっている。その後、樹脂硬化後の室温（例えば、２５℃）まで冷却されると、プリント基板１及びＬＳＩ２には、バイメタル現象が発生する。このバイメタル現象は、プリント基板１の熱膨張係数がＬＳＩ２の熱膨張係数よりも大きいことから、生じる現象である。

このバイメタル現象により、ＬＳＩ２にはヒートシンク８側へ凸形状の反りが発生する。なお、プリント基板１及びＬＳＩ２の熱膨張係数とＬＳＩ２の外形とに基づいて、ＬＳＩ２に発生する凸形状の反りを推測してもよい。例えば、ＬＳＩ２の熱膨張係数は約３ｐｐｍであり、プリント基板１（例えば、ＦＲ４）の熱膨張係数は約１６ｐｐｍであり、ＬＳＩ２の外形を約２０ｍｍ平方とすると、ＬＳＩ２には、約１００μｍの凸形状の反りが発生する。

そこで、図３に示すように、板状部材６ａの厚いＧ部に対し、板状部材６ａの薄いＥ部が約１００〜１５０μｍだけ薄くなるように、ヒートスプレッダ６の板状部材６ａの加工を行う。例えば、板状部材６ａのＧ部の厚さが約３ｍｍとなる場合、板状部材６ａのＥ部の厚さは約２．９〜２．８５ｍｍとなり、Ｆ部及びＨ部の厚さはその間の約２．９５〜２．９２ｍｍとなる。

次に、ＬＳＩ２の上面に熱伝導部材５を塗布し（第１塗布工程）、図２に示すように、ヒートスプレッダ６の板状部材６ａの薄いＥ部がヒートスプレッダ６の中心側となり、板状部材６ａの厚いＧ部がヒートスプレッダ６の角側となるように、各板状部材６ａを配置する。そして、配置した各板状部材６ａを、ＬＳＩ２の上面に塗布された熱伝導部材５に対して押付ける（第２取付工程）。さらに、図１に示すヒートスプレッダ６のＡ部近傍（ＬＳＩ２とヒートスプレッダ６が重なる中央部近傍）を、ヒートスプレッダ６の上面６ｃから治工具で押さえ付けつつ、熱伝導部材５が硬化する温度（例えば、１５０℃）で加熱し硬化させる。

熱伝導部材５の硬化後、室温に戻るとＬＳＩ２には、約１００μｍの凸形状の反りが発生するが、ヒートスプレッダ６の各板状部材６ａの傾斜面６ｂは、予め、このＬＳＩ２の凸形状の反りに合わせて加工されている（加工工程）。従って、ＬＳＩ２上面の凸形状の反りにならって、ヒートスプレッダ６の各板状部材６ａを接着することができる。これにより、ヒートスプレッダ６の上面６ｃを略平面に維持することができる。次に、ヒートスプレッダ６の上面６ｃに熱伝導グリース７を、略均一の厚さで塗布し（第２塗布工程）、塗布した熱伝導グリース７に対してヒートシンク８を押さえ付けて固定し、取り付けを行う（第３取付工程）。

ここで、熱伝導部材５の厚さが、Ａ部で１０μｍとなっている場合、Ｂ部では、Ａ部の１０μｍにＬＳＩ２の反り１００μｍの１／４（２５μｍ）を加算した約３５μｍとなる。この場合、熱伝導部材５の厚さの平均値を概算すると、（２０＋４５）／２＝約３３μｍになる。また、熱伝導グリース７の厚さは均一となるため、例えば、２０μｍ程度にすることができる。なお、上述の如く、ヒートシンク８をヒートスプレッダ６に直接接着しない理由として、例えば、ヒートシンク８の着脱を可能にするためである。

一方で、図６に示すように、従来の半導体の冷却構造１００において、ＬＳＩ１２の上面に熱伝導グリース１７を塗布し、この塗布した熱伝導グリース１７上に、平坦な下面を有するヒートシンク１８を配置し、押付け取付けている。例えば、ＬＳＩ１２の反りが１００μｍの場合、熱伝導グリース１７の中央Ｃ部の厚さは約１０μｍとなるが、熱伝導グリース１７の外周Ｄ部の厚さは約１１０μｍとなる。このとき、熱伝導グリース１７の厚さの平均値を概算すると、（１１０＋１０）／２＝約６０μｍになる。

上述したように、例えば、本実施形態に係る半導体の冷却構造１０の熱伝導部材５の厚さ（約３３μｍ）と熱伝導グリース７の厚さ（約２０μｍ）とを加算した厚さ（約５３μｍ）は、従来に係る半導体の冷却構造１００の熱伝導グリース１７の厚さ（約６０μｍ）と比較して、約１２％薄くすることができる。

このように、本実施形態に係る半導体の冷却構造１０においては、従来の冷却構造１００と比較して、熱伝導部材５及び熱伝導グリース７の厚さをより薄くすることができる。このため、ＬＳＩ２とヒートシンク８との間の熱抵抗を低減することができ、ＬＳＩ２で発生した熱をより効率的にヒートシンク８へ伝達することができる。したがって、ヒートシンク８の放熱効率が向上し、半導体の冷却構造１０における冷却効率を向上させることができる。さらに、ヒートスプレッダ６の各板状部材６ａの傾斜面６ｂを、ＬＳＩ２の凸形状の反りに合わせて簡易に形成するだけで、上記冷却効率を向上させることが可能となる。すなわち、本実施形態に係る半導体の冷却構造１０によれば、簡易な構成で冷却効率を向上させることができる。

また、熱伝導グリース７の熱伝達率よりも高い熱伝達率を有する（熱伝導性がより良好な）熱伝導部材５を任意に選択してもよい。これにより、ヒートシンク８の放熱効率をより向上させることができ、半導体の冷却構造１０における冷却効率をより向上させることができる。また、ヒートスプレッダ６の外形をＬＳＩ２の外形よりも大きくして、ヒートスプレッダ６の外形がＬＳＩ２の外形から、はみ出すように形成することで放熱部分を拡張してもよい。これにより、当該冷却構造１０の放熱効率をより向上させることができ、冷却効率をより向上させることができる。さらに、本実施形態に係る半導体の冷却構造１０の冷却効率を向上させることで、例えば、消費電力の大きいより高性能なＬＳＩ２を採用することができ、或いは、当該冷却構造１０を搭載した半導体装置の小型化にも寄与できる。

なお、本発明を実施するための最良の形態について上記一実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした一実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上述した一実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記一実施形態において、ヒートシンク８は、ベース部８ａと複数のフィン８ｂとを有する構成であるが、これに限らず、任意の構成が適用可能である。また、上記一実施形態において、ヒートスプレッダは、４つの略正方形状の板状部材６ａから構成されているが、これに限らず、例えば、２つの板状部材で構成（ＬＳＩ２が長方形である場合等）されていてもよく、任意の数および形状で構成されていてもよい。

１プリント基板
２ＬＳＩ
３半田
４アンダーフィル
５熱伝導部材
６ヒートスプレッダ
６ａ板状部材
６ｂ傾斜面
６ｃ上面
７熱伝導グリース
８ヒートシンク
１０半導体の冷却構造

Claims

基板上に実装された半導体上に、ヒートシンクが配置される半導体の冷却構造であって、
前記半導体の上面に、熱伝導部材を介して熱伝導性のヒートスプレッダが取り付けられ、
前記ヒートスプレッダの上面に、熱伝導グリースを介して前記ヒートシンクが取り付けられる、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１記載の半導体の冷却構造であって、
前記ヒートスプレッダは複数の板状部材からなり、該板状部材の下面は前記半導体の上面の形状に合わせて傾斜している、ことを半導体の冷却構造。
請求項２記載の半導体の冷却構造であって、
前記ヒートスプレッダの板状部材の傾斜面は、前記半導体の凸形状の反りに合わせて、形成されている、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の半導体の冷却構造であって、
前記ヒートスプレッダの中心側の厚さは、端側の厚さよりも薄くなるように形成されている、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の半導体の冷却構造であって、
前記ヒートスプレッダの上面は、略平面状に形成されている、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の半導体の冷却構造であって、
前記ヒートスプレッダは、４つの板状部材から構成されている、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１乃至６のうちいずれか１項記載の半導体の冷却構造であって、
前記熱伝導部材の熱伝達率は、前記熱伝導グリースの熱伝達率よりも高い、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の半導体の冷却構造であって、
前記ヒートスプレッダの外形は、前記半導体の外形よりも大きく形成されている、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
請求項１乃至８のうちいずれか１項記載の半導体の冷却構造であって、
前記半導体は、半田により前記基板上に接合されており、該接合部分はアンダーフィルにより封止されている、ことを特徴とする半導体の冷却構造。
基板上に半導体を取り付ける第１取付工程と、
前記第１取付工程後、前記半導体の上面に、熱伝導部材を塗布する第１塗布工程と、
前記第１塗布工程後、前記熱伝導部材上に熱伝導性のヒートスプレッダを取り付ける第２取付工程と、
前記第２取付工程後、前記ヒートスプレッダの上面に熱伝導グリースを塗布する第２塗布工程と、
前記第２塗布工程後、前記熱伝導グリース上にヒートシンクを取り付ける第３取付工程と、を含む、ことを特徴とする半導体の冷却構造の製造方法。
請求項１０に記載の半導体の冷却構造の製造方法であって、
前記ヒートスプレッダは、複数の板状部材からなり、
前記板状部材の下面を、前記半導体の上面の形状に合わせて傾斜させる加工を行う加工工程を更に含む、ことを特徴とする半導体の冷却構造の製造方法。
請求項１１に記載の半導体の冷却構造の製造方法であって、
前記加工工程において、前記ヒートスプレッダの板状部材の傾斜面を、前記半導体の凸形状の反りに合わせて加工する、ことを特徴とする半導体の冷却構造の製造方法。