JP2010219260A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置において、半導体パッケージとヒートシンクの間の充填剤を塗布する際に、空気ボイドの充填剤への混入や、充填剤の厚さバラツキにより熱伝導性が下がり、放熱性が低下することを防止する。
【解決手段】半導体パッケージ１０１とヒートシンク２の間に予め空間７を設け、半導体パッケージ１０１とヒートシンク２の間に充填剤３を塗布する際に、空間内を真空にした後に充填剤３を流し込むことにより最適な接合を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

従来より、ヒートシンクによって、半導体パッケージで発生した熱を大気に放熱する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来の半導体装置を図１３に示す。この半導体装置１００は、半導体素子を保護するため封止樹脂により密閉された半導体パッケージ１０１と、ヒートシンク１０４とを備える。ヒートシンク１０４は、熱伝導の良好な接着剤やシリコーングリスなどの充填剤１０２と、放熱フィン１０３とから構成され、半導体パッケージ１０１の熱を大気中に放熱させる。

半導体パッケージ１０１にヒートシンク１０４を密着させる際には、充填剤１０２に空気が入らないようにヒートシンク１０４を押し付け、ヒートシンク１０４に設けられた貫通孔から充填剤１０２を湧き上がらせる。

充填剤１０２は、ヒートシンクを形成するアルミや銅と比較して、熱伝導性が悪い。そのため、余分な充填剤を貫通孔より逃がすことにより、充填剤の厚みを薄くし、熱抵抗を低くして放熱性を向上している。

また、半導体素子を半導体パッケージから露出させて液体を封入し、ヒートシンクで閉塞することにより、半導体素子とヒートシンクとの間に半導体パッケージを介在させない構造が提案されている。この構造により、半導体素子とヒートシンクとの間の熱伝導性の向上を図ることができる（例えば、特許文献２参照）。
特開平２−２２８０５１号公報 特開平１−２９８７５３号公報

しかしながら、上記のような半導体装置では、半導体パッケージとヒートシンクとの間を、充填剤により最適な状態で結合させることが難しい。充填剤の量を少なくして薄くすると、塗布されない部分が発生する可能性が高くなる。一方、充填剤の量を多く塗布すると、厚くなって熱抵抗が増大する。

さらに、半導体パッケージとヒートシンクを貼り合わせる時に、充填剤の内部に熱抵抗となる空気ボイドが挟まれ、熱抵抗が増すことになり、ヒートシンクに十分な熱が伝わらず、十分に半導体パッケージの冷却ができなかった。

また、半導体素子を露出させる様な半導体パッケージでは、構成が特殊なため、広範囲な半導体パッケージに用いる事ができない。

本発明は、充填剤における空気ボイドの発生を抑制するとともに、充填剤を少量かつ定量に配することで、半導体パッケージとヒートシンクの間の熱抵抗を低く抑えて冷却性を高めて、性能および信頼性が高く、通常の半導体パッケージにも適用可能である半導体装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、
半導体素子と、前記半導体素子を封止するパッケージと、前記パッケージ上に配置された吸熱器と、前記吸熱器及び前記パッケージにより囲まれた空間と、前記空間と外部を繋ぐ通路と、前記通路を通して前記空間内を吸引した後、前記通路から前記空間内に注入された充填剤を備えたものである。

本発明の半導体装置によれば、充填剤の最適充填によって、吸熱器の性能を最大限に引き出して冷却性を高めることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図1は、本発明の実施の形態１における半導体装置１の側面図である。図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置１の断面図である。

図１および図２に示すように、本実施例の半導体装置１は、半導体パッケージ１０１と、ヒートシンク２と、半導体パッケージ１０１とヒートシンク２を接合する充填剤３と、から構成されている。ヒートシンク２は、放熱フィン４と凹部５と通路６とを備えている。放熱フィン４は、ヒートシンク２の上部に形成され、ヒートシンク２の熱を放熱する。凹部５は、充填剤３がヒートシンク２の底部に定量に配されるように、ヒートシンク２の底部に形成されている。

図３は、実施の形態１における製造時の工程図である。図３に示すように、半導体パッケージ１０１にヒートシンク２が取り付けられると、凹部５は、半導体パッケージ１０１の上面によって、通路６を残して、密閉空間７を区画する。通路６は、密閉空間３とヒートシンク２の上面とを連結している。

図３（ａ）は、装着前の状態を示す。図３（ｂ）は、半導体パッケージ１０１にヒートシンク２を取付けた状態を示す。半導体パッケージ１０１とヒートシンク２との間には密閉空間７が形成されている。

充填機２０は、バルブ２１とバルブ２２とを備え、通路６に取り付けられている。充填機２０は、バルブ２０を開くことによって空気を吸入し、バルブ２２を開くことにより充填剤３を圧入することが出来る。通路６に接続された充填機２０のバルブ２１が開かれて、密閉空間７は内部から空気が抜かれる。密閉空間７の内部が真空状態となった後にバルブ２１は閉じられる。

図３（ｃ）は、充填剤３が密閉空間７の内部に注入された状態を示す。通路６に接続された充填機２０のバルブ２２が開かれることにより、内部が真空状態の密閉空間７に、通路６から充填剤３が隙間なく押し込まれる。密閉空間７の内部は真空であるため、充填剤３で満たされ、空気などの余分なものは含まれない。さらに、充填剤３は、密閉空間７が設計された高さと等しい厚みで、半導体パッケージ１０１とヒートシンク２との間の空間を満たす。

このように、半導体パッケージ１０１とヒートシンク２との間の空間は、予め設計された厚さで、充填剤３により埋められ、かつ、空気ボイドなどを含まずに最適な状態で、半導体パッケージ１０１とヒートシンク２とが熱的に接合される。その結果、半導体パッケージ１０１の熱が低い熱抵抗でヒートシンク２に熱伝達され、ヒートシンク２の放熱性能を十分に引き出すことが可能となる。

なお、本実施例では、通路６はヒートシンク２の上部と繋がっているが、通路６は外部と連結されていれば良く、ヒートシンク側面などに繋がっていても良い。また、ヒートシンク２は導体パッケージ１０１に充填剤３により固着されて固定される例を示したが、充填剤３が柔軟な場合には、半導体パッケージ１０１とヒートシンク２とを固定具で固定しても良い。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を以下に説明する。実施の形態１と同等の部分についての説明は省略し、主に凹部１の周囲に設けられたシール構造について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンク８の断面図である。図５は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンク８の背面図である。

ヒートシンク８底面の凹部９の周囲を取り囲むように溝１０が形成されている。また、溝１０にはＯリング１１が嵌め込まれている。Ｏリング１１の径は溝１０の深さより大きいものが溝１０に嵌められているため、ヒートシンク８の底面よりＯリング１１が凸状に出ている。

図６に本発明の実施の形態２における半導体装置９の断面図を示す。ヒートシンク８に半導体パッケージ１０１が取付けられる際に、ヒートシンク８に取付けられたＯリング５が弾性変形を起こしながら半導体パッケージ１０１に押し付けられ密着する。ヒートシンク８と半導体パッケージ１０１の間に形成される密閉空間１２はＯリング５により確実に密着する構成となる。

このように、半導体パッケージ１０１とヒートシンク８の間はＯリング１１により確実に密閉されるため、密閉空間１２内の空気をより高い真空度で抜くことが出来、密閉空間１２内に高密度で充填剤３の注入が可能となる。

なお、Ｏリング５にはシリコーン等が使用されるが、弾性変形する材料であれば如何なるものでも良い。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を以下に説明する。実施の形態１と同等の部分についての説明は省略し、主にヒートシンク１３に設けられた２つの通路について説明する。

図７は、本発明の実施の形態２におけるヒートシンク１３の断面図である。

ヒートシンク１３は、凹部１４と、吸入通路１５と、注入通路１６を備えている。吸入通路１５と注入通路１６は、それぞれ凹部１４に繋がっている。半導体パッケージ１０１にヒートシンク１３が取り付けられると、凹部１４は、吸入通路１５と注入通路１６を残して密閉空間１７になる。密閉空間１７は吸入通路１５と注入通路１６により、外部と各々を連結されている。

図８に実施の形態３における製造時の工程図を示す。図８（ａ）に装着前の状態を示し、図８（ｂ）に、半導体パッケージ１０１にヒートシンク１３を取付けた状態を示す。半導体パッケージ１０１とヒートシンク１３の間には密閉空間１７が形成されている。密閉空間１７と繋がる通路１５にはバルブ２３が備わる吸入機２４が取付けられ、通路１６にはバルブ２５が備わる圧入機２６が取付けられている。吸入機２４はバルブ２３を開くことにより密閉空間１７内の空気を通路１５より吸入することが出来る。また、圧入機２６はバルブ２５を開くことにより密閉空間１７内に充填剤３を通路１６より注入することが出来る。通路１５には接続された吸入機２４のバルブ２３が開かれて、密閉空間１７は内部から空気が抜かれる。

図８（ｃ）に、密閉空間１７内部に充填剤３を注入される工程を示す。通路１６に接続された圧入機２６のバルブ２５が開かれることにより、密閉空間１７に通路１６から充填剤３が隙間無く押し込まれる。充填剤３が吸入される際にも通路１５から密閉空間１７の内部の空気は吸入され続け、充填剤３で全て満たされた後にバルブ２３およびバルブ２５が閉じられる。密閉空間１７は充填剤３により空気を含まない状態で満たされ、密閉空間１７は設計された高さと等しい厚みで半導体パッケージ１０１とヒートシンク１３の間を満たすこととなる。

このように、半導体パッケージ１０１とヒートシンク１３の間は充填剤３により予め設計された厚さで埋められ、かつ、空気ボイドなどを含まずに最適な状態で熱的に接合されるため、半導体パッケージ１０１の熱は低い熱抵抗でヒートシンク１３に熱伝達される。その結果、ヒートシンク１３の放熱性能を十分に引き出すことが可能となる。

また、密閉空間１７内部の空気を吸入しながら充填剤３を注入する為、工程時間が短くなり、更に、空気の吸入時間が長く取れるので真空度を上げることが出来る。

なお、本実施例では通路１５及び通路１６はヒートシンク１３の上部と繋がっているが、通路１５及び通路１６は外部と連結されていれば良く、ヒートシンク側面などに繋がっていても良い。また、ヒートシンク１３は導体パッケージ１０１に充填剤３により固着されて固定される例を示したが、充填剤３が柔軟な場合には半導体パッケージ１０１とヒートシンク１３は固定具で固定しても良い。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４を以下に説明する。実施の形態１と同等の部分についての説明は省略し説明する。

図９および図１０は、本発明の実施の形態４における半導体装置１８の断面図である。

図９に、充填剤３を注入する前の本実施例の半導体装置１８を示し、図１０に、充填剤３の注入後の半導体装置１８を示す。半導体装置１８は半導体パッケージ１０１と、ヒートシンク１９と、半導体パッケージ１０１とヒートシンク１９の間に挟む充填剤スペーサ２７と、半導体パッケージ１０１とヒートシンク１９を接合する充填剤３から構成されている。ヒートシンク１９は底面に充填剤スペーサ２７を配され、ヒートシンク１９底面の周囲を取り囲むように填剤スペーサ２７が凸状に出る。そして、半導体パッケージ１０１にヒートシンク１９が押し付けられ密着することにより、ヒートシンク１９と半導体パッケージ１０１の間に密閉空間２８が形成される。

なお、充填剤スペーサ２７を弾性変形する材質とした場合には、半導体パッケージ１０１とヒートシンク１９の間はより確実に密閉されるため、通路２９より密閉空間２８内の空気をより高い真空度で抜くことが出来、密閉空間２８内に高密度で充填剤３の注入が可能となる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５を以下に説明する。実施の形態１と同等の部分についての説明は省略し説明する。

図１１は、本発明の実施の形態４における半導体パッケージ３０にヒートシンク３１を取付ける前の半導体装置３２の断面図である。

半導体パッケージ３０上面には充填剤３が配される様に凹部３３が形成されている。また、ヒートシンク３１は通路３４を備え、ヒートシンク３１の上面から底面に貫通している。

図１２は、実施の形態１における製造時の工程図である。図１２（ａ）にヒートシンク３１を取付け前の状態を示し、図１２（ｂ）に、半導体パッケージ３０にヒートシンク３１を取付けた状態を示す。また、図１２（ｃ）に、取付けを完了した半導体装置３２を示す。

図１２（ｂ）に示すように、半導体パッケージ３０にヒートシンク３１が取り付けられると、凹部３３は、ヒートシンク３１の底面によって通路３４を残して密閉空間３５になる。密閉空間３５とヒートシンク３１の上面を連結している通路３４から密閉空間３５内の空気が抜かれて真空となる。次に、図１２（ｃ）に示すように、真空となった密閉空間３５内に充填剤３が注入されて半導体パッケージ３０とヒートシンク３１の間を満たす。

このように、半導体パッケージ３０とヒートシンク３１の間は充填剤３により所定の厚さで埋められ、かつ、空気ボイドなどを含まずに最適な状態で熱的に接合されるため、半導体パッケージ３０の熱は低い熱抵抗でヒートシンク３１に熱伝達される。その結果、ヒートシンク３１の放熱性能を十分に引き出すことが可能となる。

本発明は、半導体装置および電子機器について有用である。

本発明の実施の形態１における半導体装置の側面図 本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造工程図 本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの断面図 本発明の実施の形態２におけるヒートシンクの背面図 本発明の実施の形態２における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態３におけるヒートシンクの断面図 本発明の実施の形態３における半導体装置の製造工程図 本発明の実施の形態４における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態４における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態５における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態５における半導体装置の製造工程図 従来の半導体装置の断面図

２ ヒートシンク
３ 充填剤
５ 凹部
６ 通路
７ 密閉空間
８ ヒートシンク
９ 凹部
１１ Ｏリング
１２ 密閉空間
１３ ヒートシンク
１４ 凹部
１５ 吸入通路
１６ 注入通路
１７ 密閉空間
１８ 半導体装置
１９ ヒートシンク
２０ 充填機
２４ 吸入機
２６ 圧入機
２７ 充填剤スペーサ
２８ 密閉空間
２９ 通路
３０ 半導体パッケージ
３１ ヒートシンク
３２ 半導体装置
３３ 凹部
３４ 通路
３５ 密閉空間
１０１ 半導体パッケージ

Claims (8)

1. 半導体素子と、前記半導体素子を封止するパッケージと、前記パッケージ上に配置された吸熱器と、前記吸熱器及び前記パッケージにより囲まれた空間と、前記空間と外部を繋ぐ通路と、前記通路を通して前記空間内を吸引した後、前記通路から前記空間内に注入された充填剤と、を備える半導体装置。
2. 前記空間の外周にシール構造を設けたことを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記吸熱器の前記パッケージが配置される面に吸熱器凹部を設け、前記吸熱器凹部により前記吸熱器と前記パッケージの間に前記空間が形成されたことを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記パッケージの前記吸熱器が配置される面にパッケージ凹部を設け、前記パッケージ凹部により前記吸熱器と前記パッケージの間に前記空間が形成されたことを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
5. 前記吸熱器と前記パッケージの間に中央部が抜かれているスペーサを設け、前記スペーサにより前記吸熱器と前記パッケージの間に前記空間が形成されたことを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
6. 前記通路は前記吸熱器に設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
7. 前記通路は前記空間から真空に引くための吸入通路と、充填剤を注入充填するための注入通路とをそれぞれ一つ以上備えたことを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
8. 半導体素子と、前記半導体素子を封止するパッケージと、前記パッケージ上に配置された吸熱器と、前記吸熱器及び前記パッケージにより囲まれた空間と、前記空間と外部を繋ぐ通路とを備える半導体装置を用い、
   （Ａ）前記通路を通して前記空間内を吸引する工程、及び
   （Ｂ）前記通路から前記空間内に充填剤を注入する工程を含む、半導体装置の製造方法。

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