JP2015088683A - 熱接合シート、及びプロセッサ - Google Patents

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thermal bonding
heat
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中村　直章
Naoaki Nakamura
直章 中村
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Fujitsu Ltd
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Abstract

【課題】発生したボイドを接合面から除去でき、ボイドが少なく放熱性に優れる接合が実現できる熱接合シートなどの提供。
【解決手段】熱接合シート１０は、融点の異なる４種類のはんだから構成されており、第１のはんだ領域１１、第２のはんだ領域１２、第３のはんだ領域１３、及び第４のはんだ領域１４を有する。各はんだ領域の融点は、第１のはんだ領域１１＜第２のはんだ領域１２＜第３のはんだ領域１３＜第４のはんだ領域１４の関係を有する。
【選択図】図１Ａ

Description

本件は、半導体素子から効果的に放熱するための熱接合シート、及び前記熱接合シートから形成される熱接合層を有するプロセッサに関する。
近年、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）パッケージ構造は、半導体デバイスの高性能化に伴う発熱量の増加に対応するため、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）とヒートスプレッダとの間に、熱接合材（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）としてのはんだを用いて高熱伝導を実現している。
前記ＴＩＭとしては、例えば、熱伝導性金属と、前記熱伝導性金属中のシリコーン粒子とを含む複合材料（例えば、特許文献１参照）、インジウム金属と、１種以上のセラミック材料の均一な分散物とを含み、少なくとも８０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する複合体（例えば、特許文献２参照）、並びに、Ｇａ、Ｉｎ及びＳｎからなる群より選ばれる１種類以上の低融点金属、又は、前記１種類以上の低融点金属を含有する合金からなる位相変化部としてのＴＩＭ（例えば、特許文献３参照）が提案されている。
一般的に、はんだ付けの接合界面にはボイドが発生することが知られており、ＴＩＭを使用する場合、ボイドは冷却効率の低下及びデバイスの高温異常につながるため、ボイドが少ない接合が求められている。
しかし、すでに提案されている前述の技術を含め、従来の熱接合材（ＴＩＭ）においては、発生したボイドを接合面から除去できないため、ボイドの少ない接合が実現できていない。
したがって、発生したボイドを接合面から除去でき、ボイドが少なく放熱性に優れる接合が実現できる熱接合シート、及び前記熱接合シートから形成される熱接合層を有するプロセッサの提供が求められているのが現状である。
特表２０１０−５３９６８３号公報 特開２００９−１６１８５０号公報 特開２００７−３３５７４２号公報
本件は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本件は、発生したボイドを接合面から除去でき、ボイドが少なく放熱性に優れる接合が実現できる熱接合シート、及び前記熱接合シートから形成される熱接合層を有するプロセッサを提供することを目的とする。
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
開示の熱接合シートは、面方向の中央部よりも融点が高い前記面方向の周辺部を有する。
開示のプロセッサは、
回路面を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記回路面の反対側の面上に開示の前記熱接合シートから形成される接合層と、
前記接合層上にヒートスプレッダと、
を有する。
開示の熱接合シートによれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、発生したボイドを接合面から除去でき、ボイドが少なく放熱性に優れる接合が実現できる。
開示のプロセッサによれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、発生したボイドを接合面から除去でき、ボイドが少なく放熱性に優れるプロセッサを提供できる。
図１Ａは、熱接合シートの一例を示す概略上面図である。 図１Ｂは、図１Ａのａ−ａ断面図である。 図２Ａは、熱接合シートの他の一例を示す概略上面図である。 図２Ｂは、図２Ａのａ−ａ断面図である。 図３Ａは、熱接合シートの他の一例を示す概略上面図である。 図３Ｂは、図３Ａのａ−ａ断面図である。 図４Ａは、熱接合シートの他の一例を示す概略上面図である。 図４Ｂは、図４Ａのａ−ａ断面図である。 図５は、熱接合シートを製造するための熱接合ブロックの一例の概略斜視図である。 図６は、開示のプロセッサの一例の概略断面図である。
（熱接合シート）
開示の熱接合シートは、前記熱接合シートの前記面方向の中央部よりも融点が高い前記面方向の周辺部を有する。
前記熱接合シートは、半導体素子と、ヒートスプレッダとの接合に好適に使用される。
前記熱接合シートは、熱伝導性に優れるシートであり、熱伝導シートともいう。
前記熱接合シートは、前記熱接合シートの面方向の中央部から前記熱接合シートの面方向の周辺部に向かって融点が段階的に高いことが好ましい。
前記熱接合シートは、前記熱接合シートの面方向の中央部から前記熱接合シートの面方向の周辺部に向かって融点が漸次高いことが好ましい。
前記熱接合シートの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、はんだを含むことが好ましい。
前記はんだとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、Ｉｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉはんだなどが挙げられる。
前記Ｉｎ−Ａｇはんだは、例えば、ＩｎとＡｇとの組成比により、表１に示すように種々の融点をとりうる。
Ｉｎは柔らかくかつ熱伝導性に優れるため、前記はんだとしては、Ｉｎを含有するはんだが好ましい。通常、半導体素子はＳｉをその主構成成分に有し、ヒートスプレッダは、Ｃｕを主構成成分に有することが多い。ここで、Ｓｉは、熱膨張率が３ｐｐｍ／℃であり、Ｃｕは熱膨張率が１７ｐｐｍ／℃であり、熱膨張差があるため、スイッチングの繰り返しにより、熱接合シートが熱疲労することがある。前記熱疲労を防ぐには、柔らかく熱応力を吸収可能なＩｎを熱接合シートの構成成分に用いることが好ましい。
前記熱接合シートは、組成比の違いよって融点が異なるはんだ合金を用いて形成されていてもよい。
前記熱接合シートの平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、１００μｍ〜１ｍｍなどが挙げられる。
前記熱接合シートの大きさ、形状としては、接合される半導体素子等の大きさ、形状等に応じて適宜選択することができる。
図を用いて前記熱接合シートの一例を説明する。
前記熱接合シートの一例を図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａは、熱接合シート１０の一例の概略上面図である。図１Ｂは、図１Ａのａ−ａ断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂにおける熱接合シート１０は、融点の異なる４種類のはんだから構成されており、第１のはんだ領域１１、第２のはんだ領域１２、第３のはんだ領域１３、及び第４のはんだ領域１４を有する。各はんだ領域の融点は、第１のはんだ領域１１＜第２のはんだ領域１２＜第３のはんだ領域１３＜第４のはんだ領域１４の関係を有する。即ち、図１Ａ及び図１Ｂの熱接合シート１０は、熱接合シート１０の面方向の中央部から熱接合シート１０の面方向の周辺部に向かって融点が段階的に高くなっている。
第１のはんだ領域１１、第２のはんだ領域１２、及び第３のはんだ領域１３は、上面から見た際、大きさの異なる同心円である。
前記熱接合シートの他の一例を図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは、熱接合シート２０の他の一例の概略上面図である。図２Ｂは、図２Ａのａ−ａ断面図である。
図２Ａ及び図２Ｂにおける熱接合シート２０は、融点の異なる４種類のはんだから構成されており、第１のはんだ領域２１、第２のはんだ領域２２、第３のはんだ領域２３、及び第４のはんだ領域２４を有する。各はんだ領域の融点は、第１のはんだ領域２１＜第２のはんだ領域２２＜第３のはんだ領域２３＜第４のはんだ領域２４の関係を有する。即ち、図２Ａ及び図２Ｂの熱接合シート２０は、熱接合シート２０の面方向の中央部から熱接合シート２０の面方向の周辺部に向かって融点が段階的に高くなっている。
第１のはんだ領域２１、第２のはんだ領域２２、第３のはんだ領域２３、及び第４のはんだ領域２４は、上面から見た際、大きさの異なる正方形である。
前記熱接合シートの他の一例を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａは、熱接合シート３０の他の一例の概略上面図である。図３Ｂは、図３Ａのａ−ａ断面図である。
図３Ａ及び図３Ｂにおける熱接合シート３０は、融点の異なる４種類のはんだから構成されており、第１のはんだ領域３１、第２のはんだ領域３２、第３のはんだ領域３３、及び第４のはんだ領域３４を有する。各はんだ領域の融点は、第１のはんだ領域３１＜第２のはんだ領域３２＜第３のはんだ領域３３＜第４のはんだ領域３４の関係を有する。即ち、図３Ａ及び図３Ｂの熱接合シート３０は、熱接合シート３０の面方向の中央部から熱接合シート３０の面方向の周辺部に向かって融点が段階的に高くなっている。
第１のはんだ領域３１、第２のはんだ領域３２、第３のはんだ領域３３、及び第４のはんだ領域３４は、上面から見た際、大きさの異なる正六角形である。
前記熱接合シートの他の一例を図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａは、熱接合シート４０の他の一例の概略上面図である。図４Ｂは、図４Ａのａ−ａ断面図である。
図４Ａ及び図４Ｂにおける熱接合シート４０内には、融点の異なるはんだが、その境界を明確に持たずに存在している。即ち、図４Ａ及び図４Ｂの熱接合シート４０は、熱接合シート４０の面方向の中央部から熱接合シート４０の面方向の周辺部に向かって融点が漸次高くなっている。
なお、図４Ａ及び図４Ｂでは、熱接合シート４０における融点の漸次変化を、黒の階調（濃淡）で表現しており、白に近い（薄い）ほど相対的に融点が低く、黒に近い（濃い）ほど相対的に融点が高い。
前記熱接合シートの製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、図５に示す熱接合ブロック５０を製造し、熱接合ブロック５０を、図５に示す一点鎖線に沿って切断する方法などが挙げられる。切断の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、超音波カッターで切断する方法などが挙げられる。
図５に示す熱接合ブロック５０は、ｙ−ｚ平面において、中央部に第１のはんだ領域５１を有し、その外周に第２のはんだ領域５２及び第３のはんだ領域５３をこの順で有する。各はんだ領域の融点は、第１のはんだ領域５１＜第２のはんだ領域５２＜第３のはんだ領域５３の関係を有する。
図５に示す熱接合ブロック５０の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、以下の方法（１）〜（４）などが挙げられる。
［方法（１）］
第１のはんだ領域５１を構成する第１のはんだにより形成された四角柱状のはんだの周囲に、シート状の第２のはんだ（第２のはんだ領域５２を構成するはんだ）を巻きつけ、更にその上からシート状の第３のはんだ（第３のはんだ領域５３を構成するはんだ）を巻き付ける方法。この方法においては、各シートを巻き付ける際に、各はんだ領域が溶融して接合するように、熱プレスを行うことが好ましい。
［方法（２）］
第１のはんだ領域５１を構成する第１のはんだにより形成された四角柱状のはんだを、溶融した第２のはんだ（第２のはんだ領域５２を構成するはんだ）に浸漬して、第１のはんだ領域５１の周囲に第２のはんだ領域５２を形成する。続けて、第２のはんだ領域５２が形成された四角注状のはんだを、溶融した第３のはんだ（第３のはんだ領域５３を構成するはんだ）に浸漬して、第３のはんだ領域５３を形成する。
なお、溶融したはんだに浸漬する際には、浸漬する四角柱状のはんだを十分に冷却することが好ましい。そうすることにより、浸漬する四角柱状のはんだの溶融を少なくして、浸漬を行うことができる。
この方法によれば、主に、ｙ−ｚ平面における中央部から周辺部に向かって融点が段階的に高くなる熱接合ブロックが形成可能である。
一方、溶融したはんだの温度、及び浸漬する四角柱状のはんだの冷却度合いを適宜調整することで、各はんだ領域間の界面を不明確にし、ｙ−ｚ平面における中央部から周辺部に向かって融点が漸次高くなる熱接合ブロックを形成することも可能である。
［方法（３）］
融点が十分に高い四角柱状の芯材を、溶融した第２のはんだ（第２のはんだ領域５２を構成するはんだ）に浸漬して、前記四角柱状の芯材の周囲に第２のはんだ領域５２を形成する。続けて、第２のはんだ領域５２が形成された前記四角柱状の芯材を、溶融した第３のはんだ（第３のはんだ領域５３を構成するはんだ）に浸漬して、第３のはんだ領域５３を形成する。その後、第３のはんだ領域５３が形成された熱接合ブロックから芯材を取り除き、その中央部に溶融した第１のはんだ（第１のはんだ領域５１を構成するはんだ）を流し込み、冷却する。
［方法（４）］
第３のはんだ（第３のはんだ領域５３を構成するはんだ）かならる中空の四角柱状のはんだの内面に、溶融した第２のはんだ（第２のはんだ領域５２を構成するはんだ）を塗布し、冷却して、第３のはんだ領域５３の内面に第２のはんだ領域５２を形成する。続いて、第２のはんだ領域５２の内面に溶融した第１のはんだ（第１のはんだ領域５１を構成するはんだ）を流し込み、冷却する。
なお、上記方法では、四角注状のはんだを用いたが、その形状は特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、円柱状であってもよい。
（プロセッサ）
開示のプロセッサは、半導体素子と、熱接合層と、ヒートスプレッダとを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
＜半導体素子＞
前記半導体素子としては、回路面を有すれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、集積回路、大規模集積回路などが挙げられる。
＜熱接合層＞
前記熱接合層は、開示の熱接合シートから形成される。
前記熱接合層は、前記半導体素子の前記回路面の反対側の面上に形成されている。
＜ヒートスプレッダ＞
前記ヒートスプレッダとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱伝導性能の良好な材料により形成される。前記ヒートスプレッダは、Ｃｕ、Ａｌ、あるいはこれをベースにした複合材料により形成することができるが、無酸素銅が好ましい。
前記ヒートスプレッダは、前記接合層上に配置されている。
前記ヒートスプレッダの大きさ、形状としては、前記プロセッサの大きさ、形状等に応じて適宜選択することができる。
前記プロセッサとしては、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｏｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などが挙げられる。
前記プロセッサの一例を図を用いて説明する。
図６は、プロセッサの一例の概略断面図である。
図６のプロセッサは、パッケージ基板１と、前記半導体素子としての半導体チップ２と、接合層３と、ヒートスプレッダ４と、アンダーフィル樹脂５と、スティフナ６とを有する。
パッケージ基板１の中央部に半導体チップ２が実装されている。パッケージ基板１の裏面には、接続用バンプ１ａが配置されている。
パッケージ基板１のチップ搭載面には、半導体チップ２の搭載エリアを囲むように枠形状のスティフナ６が固定される。スティフナ６はパッケージ基板１の反り等の有害な変形、あるいはパッケージへの外力負荷時の破断を防止するための補強体として使用され、パッケージ基板１と熱膨張率が近いＣｕ、あるいはステンレス鋼が使用される。
半導体チップ２は、回路面に形成された電極２ａを利用してパッケージ基板１上の接続ランドに接続される。電極材料には、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｐｂはんだなどが使用される。
パッケージ基板１への接合部の熱疲労による断線を防止するために、電極２ａのパッケージ基板１への接合部には絶縁性を有するアンダーフィル樹脂５が充填される。アンダーフィル樹脂５には、エポキシ樹脂を主成分とする熱膨張率２０ｐｐｍ／℃〜８０ｐｐｍ／℃程度の合成樹脂が使用される。
半導体チップ２の回路面と反対側の面には、ヒートスプレッダ４との間に熱接合シートから形成された熱接合層３が形成されている。熱接合層３は、熱接合シートを加熱して溶融させることにより形成され、半導体チップ２とヒートスプレッダ４とをはんだ接合し、半導体チップ２からヒートスプレッダ４に半導体チップ２の熱を移動させる。
ここで、半導体チップ２上に熱接合シートと、ヒートスプレッダ４とをこの順で重ねると、半導体チップ２と熱接合シートとの間、熱接合シートとヒートスプレッダ４との間には、わずかな隙間（ボイド）が生じ、そこに空気（気泡（ボイド））が存在する。
従来の熱接合シートでは、その状態で加熱を行うと、熱接合シート全体が一気に溶融するため、半導体チップ２と熱接合シートとの間、熱接合シートとヒートスプレッダ４との間に存在する空気は、移動できずに、半導体チップ２と熱接合シートとの界面、及び熱接合シートとヒートスプレッダ４との界面に気泡として残存してしまう。空気は、熱伝導性が非常に低いため、空気が半導体チップ２と熱接合シートとの界面、及び熱接合シートとヒートスプレッダ４との界面に空気が残存すると、半導体チップ２からヒートスプレッダ４への熱の移動が悪くなる。
一方、開示の前記熱接合シートを用いると、加熱を行った際に、熱接合シートは、面方向の中央部から溶融し始める。そうすると、熱接合シートの溶融した中央部が半導体チップ２及びヒートスプレッダ４に濡れ広がる際に、半導体チップ２と熱接合シートとの界面、及び熱接合シートとヒートスプレッダ４との界面に存在する気泡は、面方向の外側に押し出される。熱接合シートの面方向の中央部から周辺部に向かって熱接合シートが溶融していくに従って、気泡は面方向の外側に押し出される結果、半導体チップ２と熱接合シートとの界面、及び熱接合シートとヒートスプレッダ４との界面から、空気を取り除くことができる。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 面方向の中央部よりも融点が高い前記面方向の周辺部を有することを特徴とする熱接合シート。
（付記２） 面方向の中央部から面方向の周辺部に向かって融点が段階的に高い付記１に記載の熱接合シート。
（付記３） 面方向の中央部から面方向の周辺部に向かって融点が漸次高い付記１に記載の熱接合シート。
（付記４） 材質が、はんだを含む付記１から３のいずれかに記載の熱接合シート。
（付記５） 回路面を有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記回路面の反対側の面上に付記１から４のいずれかに記載の熱接合シートからなる接合層と、
前記接合層上にヒートスプレッダと、
を有することを特徴とするプロセッサ。
１ パッケージ基板
１ａ 接続用バンプ
２ 半導体チップ
２ａ 電極
３ 接合層
４ ヒートスプレッダ
５ アンダーフィル樹脂
６ スティフナ
１０、２０、３０、４０ 熱接合シート
１１、２１、３１、５１ 第１のはんだ領域
１２、２２、３２、５２ 第２のはんだ領域
１３、２３、３３、５３ 第３のはんだ領域
１４、２４、３４ 第４のはんだ領域
５０ 熱接合ブロック

Claims (5)

  1. 面方向の中央部よりも融点が高い前記面方向の周辺部を有することを特徴とする熱接合シート。
  2. 面方向の中央部から面方向の周辺部に向かって融点が段階的に高い請求項１に記載の熱接合シート。
  3. 面方向の中央部から面方向の周辺部に向かって融点が漸次高い請求項１に記載の熱接合シート。
  4. 材質が、はんだを含む請求項１から３のいずれかに記載の熱接合シート。
  5. 回路面を有する半導体素子と、
    前記半導体素子の前記回路面の反対側の面上に請求項１から４のいずれかに記載の熱接合シートからなる接合層と、
    前記接合層上にヒートスプレッダと、
    を有することを特徴とするプロセッサ。
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