JP2016207785A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の実施形態は、放熱効率を向上させる。【解決手段】実施形態の半導体装置は、筐体と、前記筐体に収容され、第一の面と、該第一の面とは反対側に位置した第二の面と、前記第一の面及び前記第二の面を貫通した開口部と、を有した第一の基板と、前記第一の基板に設けられ、前記第二の面と面した第三の面を有した制御部と、前記第二の面に設けられた記憶部と、前記第三の面に設けられるとともに、前記制御部と熱的に接続された接続部と、前記第三の面に設けられるとともに、前記制御部と前記基板とを電気的に接続した導電部と、前記接続部と接し、前記開口部を通って前記基板を貫通するとともに、前記筐体と前記制御部とを熱的に接続した第一の熱伝導部材と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、一般的に、半導体装置に関する。
従来、放熱構造を有する半導体装置が知られている。
特開2010−171030号公報
本発明の実施形態は、放熱効率を向上させる。
実施形態の半導体装置は、筐体と、前記筐体に収容され、第一の面と、該第一の面とは反対側に位置した第二の面と、前記第一の面及び前記第二の面を貫通した開口部と、を有した第一の基板と、前記第一の基板に設けられ、前記第二の面と面した第三の面を有した制御部と、前記第二の面に設けられた記憶部と、前記第三の面に設けられるとともに、前記制御部と熱的に接続された接続部と、前記第三の面に設けられるとともに、前記制御部と前記基板とを電気的に接続した導電部と、前記接続部と接し、前記開口部を通って前記基板を貫通するとともに、前記筐体と前記制御部とを熱的に接続した第一の熱伝導部材と、を備える。
第1実施形態にかかる半導体装置の一例を示す斜視図。 図1の半導体装置が備える素子の模式的な機能ブロック図。 第1実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面図。 第1実施形態にかかる半導体装置の制御部の熱伝導パッドの形状の一例を示す平面図。 熱伝導パッドの他の形状例を示す平面図。 熱伝導パッドの他の形状例を示す平面図。 第2実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面図。 第3実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面図。 第4実施形態にかかる半導体装置の一例を示す斜視図。 第4実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面図。 第4実施形態にかかる半導記憶体装置に使用する熱伝導部材の一例を示す斜視図。 第5実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面図。
以下の例示的な複数の実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。
本明細書では、いくつかの要素に複数の表現の例を付している。なおこれら表現の例はあくまで例示であり、上記要素が他の表現で表現されることを否定するものではない。また、複数の表現が付されていない要素についても、別の表現で表現されてもよい。
また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係や各層の厚みの比率などは現実のものと異なることがある。また、図面相互間において互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれることもある。
(第1実施形態)
本実施形態にかかる半導体装置130は、例えば、SSD(Solid State Drive)装置であり、NAND型のフラッシュメモリなどの不揮発性半導体メモリを使用した大容量のデータ記憶装置である。半導体装置130は、一例として、ケース12(ハウジング、筐体、カバー)を備え、このケース12の内部に第一の基板14(プリント配線板:PWB(Printed Wiring Board)、生基板、マザーボード)が固定されている。第一の基板14は、少なくとも1つの素子16(半導体部品、電子部品、パッケージ部品)を備えている。
素子16は、第二の基板18(PWB、生基板、ベアボード)と、当該第二の基板18上に設けられた少なくとも1つ記憶部20(第一電子部品、記憶チップ、NAND型フラッシュメモリチップ、Siチップ、ダイ)と、その記憶部20を制御する制御部22(第二電子部品、制御チップ、コントローラ、Siチップ、ダイ)を備えている。素子16は、それ単独でも記憶装置として機能可能な、いわゆる1パッケージSSDを構成している。また、素子16は、記憶部20や制御部22が樹脂で被覆されない、いわゆる「ベアチップ」である。
制御部22や記憶部20を第二の基板18にフリップチップ実装することにより素子16の厚みを低減して、素子16の小型化(薄型化)に寄与することができる。さらに、素子16を実装する半導体装置130の小型化(薄型化)に寄与することができる。
なお、図1に示す半導体装置130の場合、ケース12内部に固定された第一の基板14に複数の素子16を設けることで、半導体装置130全体としての記憶容量を増加させている。図1の場合、第一の基板14が、2個の素子16を有する例を示しているが、素子16の数は、半導体装置130に要求される記憶容量に応じて適宜選択可能であり、例えば、1個でもよいし、3個以上でもよい。
ケース12は、例えば、第一のカバー12a(上カバー、蓋、上部筐体)と、第二のカバー12b(下カバー、ケース本体、下部筐体)とを備える。第一のカバー12aは、第二のカバー12bの収納領域に第一の基板14が固定された状態で、第二のカバー12bに組み合わせられて、締結部材24(ネジ、ボルト、クリップ)によって一体化される。
第一の基板14や素子16(第二の基板18、記憶部20、制御部22)をケース12で覆うことにより、外力が第一の基板14や素子16に付与されることを抑制する。つまり、半導体装置130の保護性能を向上するとともに、防塵性能を向上することができる。なお、図1の場合、締結部材24として、例えば6本のネジを示したが、締結部材24の本数は適宜変更可能である。例えば、第一のカバー12aと第二のカバー12bとが、互いに引っ掛かる結合部を有する場合、その結合部の結合状態を維持するように1本や2本のネジで第一のカバー12aと第二のカバー12bとを一体化してもよい。
半導体装置130の場合、例えば、第二のカバー12bの外面12cには、当該半導体装置130が接続される機器(不図示)に電気的に接続されてデータの入出力を行ったり、電力の供給を受けたりするためのケースコネクタ12dが設けられている。なお、図示を省略しているが、第一の基板14には、ケースコネクタ12dに電気的に接続される内部コネクタが設けられている。ケースコネクタ12dは、半導体装置130の用途に応じて、適宜変更可能である。
例えば、半導体装置130が、コンピュータの内部でマザーボード等に接続される内蔵型の場合、図1に示すような複数のピンを備えるケースコネクタ12d(ピンコネクタ)を備えることができる。また、半導体装置130が、コンピュータに外部接続される外付け型の場合、ケースコネクタ12dに代えて、ユニバーサル・シリアル・バス(Universal Serial Bus:USB)や電源端子を備えることができる。
図2は、図1に示す半導体装置130が備える素子16の模式的な機能ブロック図である。記憶部20は、不揮発性メモリであって、例えば、NAND型フラッシュメモリである。記憶部20は、NAND型フラッシュメモリには限定されず、RERAM(resistance random access memory)や、FERAM(ferroelectric random access memory)等であってもよい。
記憶部20は、半導体装置130の外部(ホスト装置)から送信されるユーザデータや、素子16の内部のみで使用されるシステムデータ等を記憶する。また、記憶部20は、第二の基板18上に複数個が配列されて固定されている。図1の場合、一例として、1枚の第二の基板18の上に3個の記憶部20が固定されている。第二の基板18上に固定される記憶部20の数は半導体装置130に要求される記憶容量に応じて変更可能であり、1個でもよいし2個でもよい。また、4個以上でもよい。個々の記憶部20は2値または多値記憶が可能である。
データバッファ28は、データを一時的に保持する。データバッファ28は、例えば、DRAM(dynamic static random access memory)である。なお、データバッファ28は、DRAMには限定されず、SRAM(static random access memory)等であってもよい。データバッファ28は制御部22とは独立して設けられてもよいし、制御部22の内部に組み込み型メモリとして実装されてもよい。
制御部22は、記憶部20を制御する。制御部22の機能は、例えば、記憶部20または制御部22が有するROM(read only memory)等に記憶されるファームウエアを実行するプロセッサや、ハードウエア等によって実現されうる。制御部22は、ホスト装置からのコマンドにしたがって、記憶部20からデータを読み出したり、記憶部20にデータを書き込んだりする。
また、制御部22は、例えばメモリインタフェース部22a(メモリI/F部)、データ管理部22b、読み出し制御部22c、書き込み制御部22d、ECCエンコーダ22e、ECCデコーダ22f等を備える。
メモリインタフェース部22aは、書き込み制御部22d等の制御に従ってECCエンコーダ22eから入力された符号語を記憶部20に書込む。また、メモリインタフェース部22aは、読み出し制御部22c等の制御に従って記憶部20から符号語を読み出し、ECCデコーダ22fに転送する。
データ管理部22bは、データを記憶部20上のどの位置に格納するかを管理する。データ管理部22bは、ホスト装置から与えられる論理アドレスと記憶部20上の物理位置とを対応付けるアドレス変換テーブル22gを持ち、記憶部20上のブロックの使用状況に応じてガーベジコレクトを行う。
読み出し制御部22cは、ホスト装置から内部コネクタ30を介して通知されたコマンドに従い、記憶部20からデータを読み出すための処理を実行する。具体的に、読み出し制御部22cは、リードデータの論理アドレスに対応する記憶部20上の物理位置をデータ管理部22bから取得し、当該物理位置を、メモリインタフェース部22aに通知する。読み出されたデータは、ECCデコーダ22fやデータバッファ28等を介してホスト装置に向けて送信される。
書き込み制御部22dは、ホスト装置から内部コネクタ30を介して通知されたコマンドに従い、記憶部20にデータを書き込むための処理を実行する。具体的に、書き込み制御部22dは、データを書込むべき記憶部20上の物理位置をデータ管理部22bから取得し、当該物理位置とECCエンコーダ22eから出力される符号語を、メモリインタフェース部22aに出力する。
ECCエンコーダ22eは、データバッファ28に保持されたデータを符号化して、データと冗長部(パリティ)とを有する符号語を生成する。ECCデコーダ22fは、記憶部20から読み出された符号語をメモリインタフェース部22aから取得し、取得した符号語を復号する。ECCデコーダ22fは、復号時に誤り訂正に失敗した場合は、読み出し制御部22cにリードエラーを通知する。
ところで、制御部22の使用周波数が高くなるのに対応して、制御部22における発熱量が増加し、制御部22や周囲の部品を加熱してしまうことがある。そのため、制御部22の放熱を効果的に行うことができれば制御部22や隣接する記憶部20の熱による機能の低下や寿命の短縮を抑制できる。
そこで、本実施形態の半導体装置130は、第一の熱伝導部材132が設けられており、第一の熱伝導部材132を介してケース12の例えば第二のカバー12bと熱的に接続(密着)されている。尚、本実施形態において「熱的に接続」とは、例えば空気(外気)よりも高い熱伝導率を有した媒体を介して、積極的に熱輸送がされる構成を指す。換言すれば、熱の流れる方向を制御可能な構成であればよく、必ずしも直接接触している必要は無い。
図3は、第1実施形態にかかる半導体装置130の一例を示す断面図である。図3は、素子16を拡大した半導体装置10の断面図である。図1及び図3に示すように、ケース12に収納された第一の基板14は、第一の面14a(第一表面、実装面、第一基板面、上面)と、この第一の面14aとは反対側の裏面14b(下面、裏面、底面)と、側面14c,14d,14e,14fを有する扁平な板状部品である。
図3では、図示を省略しているが、第一の基板14は、合成樹脂を重ねて形成された多層構造になっており、例えば8層構造になっている。各層の表面には、様々な形状の配線パターンが形成されている。例えば信号の送受信を行う信号層、グランド層、電源層等が形成されている。なお、第一の基板14の層数は8層に限られない。また、各層の配線パターンの種類は適宜変更可能であり、例えば、異なる種類の配線パターンが同一の層に存在してもよいし、配線パターンが存在しない層があってもよい。
また、別の実施形態では、第一の基板14は、片面基板(1層基板)や両面基板(2層基板)であってもよい。第一の基板14が片面基板である場合、第一の面14aにグランドパターンや信号パターン、電源パターンなどが形成される。また、第一の基板14が両面基板の場合、第一の面14aと裏面14bとでグランドパターンや信号パターン、電源パターンなどが適宜振り分けられて形成される。なお、第一の基板14の側面14fは、ケースコネクタ12dに接続される内部コネクタ30(インターフェース、SATA(Serial ATA)、接栓、図2参照)を備える。第一の基板14の内層に形成された図示を省略した信号層、グランド層、電源層等は、内部コネクタ30の所定の端子ピンに電気的に接続され、さらに、ケースコネクタ12dに接続されている。
第一の基板14の第一の面14aは、1パッケージSSDを構成する素子16を備える。図3に示すように、素子16は、第二の基板18(パッケージ基板、BGA基板)と、制御部22と、記憶部20を備える。素子16は、前述したように制御部22や記憶部20を覆う被覆部(モールド、補強材、カバー)を有さないベアチップを第二の基板18に実装したベアチップ半導体である。素子16は、第一の基板14の第一の面14aにバンプ32(半田バンプ)を介して電気的に接続されるとともに固定される。
第二の基板18は、第一の面14aと接合された第二の面18a(下面、裏面、底面)と、この第二の面18aとは反対側に位置された第三の面18b(第三表面、実装面、第三基板面、上面、表面、天面)とを有する。また、第二の基板18は、図1に示すように、側面18c,18d,18e,18fを有する扁平な板状部品である。第二の基板18は、図示を省略しているが、第一の基板14と同様に合成樹脂を重ねて形成された多層構造になっている。第二の基板18の各層の表面には、様々な形状の配線パターンが形成されている。例えば信号の送受信を行う信号層、グランド層、電源層等が形成されている。
ベアチップである制御部22は、図1に示すように、例えば扁平な直方体の部品であり、第三の面18bと接続するためのバンプ34(半田バンプ)が形成された第四の面22h(下面、裏面、底面)と、第四の面22hとは反対側の第五の面22i(上面、表面、天面)とを備える。
同様にベアチップ部品である記憶部20は、図1に示すように、例えば扁平な直方体の部品であり、第三の面18bと接続するためのバンプ34が形成された第六の面20a(下面、裏面、底面)と、第六の面20aとは反対側の第七の面20b(上面、表面、天面)とを備える。
制御部22および記憶部20は、例えばフリップチップ実装によりバンプ34を介して、第二の基板18の第三の面18bに電気的に接続されるとともに、機械的に接続される。
なお、図1に示すように、制御部22は、第三の面18b上で例えば側面18cと側面18fとが交差する角部に近い位置に配置されている。また、3つの記憶部20は、それぞれ、側面18cと側面18dとが交差する角部に近い位置、側面18dと側面18eとが交差する角部に近い位置、側面18eと側面18fとが交差する角部に近い位置に配置されている。そして、第一の基板14の第一の面14a上に配置される素子16同士は、図1に示すように制御部22が互いに隣接しないように配置される。
このように制御部22同士を隣接しないように配置することにより、それぞれの制御部22に接触した第一の熱伝導部材132を介して輸送される熱を第二のカバー12bで分散させる。その結果、第二のカバー12bからの放熱効率を向上することができる。
本実施形態の半導体装置130は、前述の通り第一の熱伝導部材132が設けられており、第一の熱伝導部材132を介してケース12の例えば第二のカバー12bと熱的に接続(密着)されている。すなわち、ケース12は、第一の壁12e(第一のカバー12aの壁)と、第一の基板14の第一の壁12eとは反対側に位置され、第一の熱伝導部材132が接触する第二の壁12f(第二のカバー12bの壁)を有している。
そして、第一の熱伝導部材132は、第一の基板14を貫通して、第二の壁12fに熱的に接続(密着)されている。すなわち、第一の熱伝導部材132は、制御部22の第四の面22hに形成された熱伝導パッド134と熱的に接続される第十の面132aと、それとは反対側で第二のカバー12bの第二の壁12fと熱的に接続される第十一の面132bを備える、例えば棒状の部材である。
第一の基板14や第二の基板18を貫通する第一の熱伝導部材132は、制御部22で発生した熱が第一の基板14や第二の基板18に輸送されることを抑制しつつ、第四の面22hを介して第二のカバー12bに向けて輸送することができる。
図4は、制御部22を第四の面22h側から見た平面図であり、第一の熱伝導部材132と熱的に接続(密着)される熱伝導パッド134の形状を示す図である。図4に示す例の場合、熱伝導パッド134は、第四の面22hの例えば中央領域に正方形の形状で形成されている。熱伝導パッド134は例えば熱伝導性のよい銅等の金属で構成することができる。なお、熱伝導パッド134の周囲には、制御部22の信号の入出力を行うためのバンプ34が複数個配列され、第二の基板18の第三の面18bと電気的に接続できるようになっている。
なお、熱伝導パッド134の形状は、図4に示す正方形に限らす、図5に示すように、四角枠形状の熱伝導パッド134aでもよい。この場合、熱伝導パッド134aの四角枠形状の内側にもバンプ34が配置できる。例えば、制御部22の構成上の都合で、バンプ34を第四の面22hの中央領域に配置する必要がある場合には、このような四角枠形状の熱伝導パッド134aが採用できる。
また、図6に示すように、図4に示す熱伝導パッド134より小形の正方形の熱伝導パッド134bを複数個(図6の場合は4個)分散して配置してもよい。この場合も制御部22の構成上の都合で第四の面22hでバンプ34を配置する場所が決められている場合に、バンプ34の位置を避けて熱伝導パッド134bを配置することができる。
なお、本実施形態において熱伝導パッド134(134b)は、少なくとも第一の熱伝導部材132と制御部22とを熱的に接続する構成であればよい。また、第二のカバー12b(ケース)と制御部22とが第一の熱伝導部材132を介して熱的に接続される構成であれば、熱伝導パッド134(134b)は必ずしも必要ではない。
その他、熱伝導パッド134は記憶部20の方向に寄せて配置されても良い。換言すれば、熱伝導パッド134は、制御部22の中心と記憶部20との間の領域に位置しても良い。尚ここでの「制御部22の中心」とは、制御部22の第四の面22hと第五の面22iを除いたそれぞれの側面からの距離が等しい位置を指すとする。一般にメモリI/F部22aは、制御部22において記憶部20側に寄せて配置される。これは、第二の基板18において記憶部20とメモリI/F部22aとの配線距離を短くするためである。
メモリI/F部22aは、記憶部20側に寄せて配置されない場合、記憶部20とメモリI/F部22aとの配線距離が長くなり、寄生容量、寄生抵抗、及び寄生インダクタンス等が増え、信号配線の特性インピーダンスの維持が困難になる。また、信号遅延の原因にもなり得る。
したがって、一般にメモリI/F部22aは、制御部22において記憶部20側に寄せて配置される。さらに制御部22では、メモリI/F部22aが位置する部分は温度が上がりやすい。これは、記憶部20と制御部22の間におけるデータのやり取り等で、制御部22(メモリI/F部22a)に負荷がかかるためである。
このため、熱伝導パッド134は記憶部20の方向に寄せて配置されることで、制御部22の中で最も発熱の大きい領域と近い位置に放熱経路を設けることになり、より効率的に制御部22の放熱を行うことが可能である。なお、熱伝導パッド134,134a,134bは必ずしも必要な構成ではないため、熱伝導パッド134,134a,134bが存在しない場合は、制御部22と当接する第一の熱伝導部材132が記憶部20の方向に寄せて配置されることで同様の効果が得られる。
なお、熱伝導パッド134,134a,134bが熱伝導路として機能する面積は、熱伝導効率と、バンプ34の占有面積と、バンプ34の配置等によって適宜決めることができる。図4乃至図6に示す熱伝導パッド134、134a,134bの形状や配置は一例であり、適宜変更可能である。例えば、熱伝導パッド134の形状は円形や三角形でもよい。
図3に戻り、第一の熱伝導部材132は、熱輸送ができれば、例えば合成樹脂材料(シリコーンゴム、エラストマ、柔軟性樹脂)で形成されてもよいし、銅等の熱伝導性を有する金属で形成されてもよい。第一の熱伝導部材132を合成樹脂で形成する場合、第一の熱伝導部材132に可撓性を持たせて、熱伝導パッド134と第二のカバー12bの第二の壁12fとの間に圧縮状態で介在できるようにしてもよい。
つまり、第一の熱伝導部材132は、熱伝導パッド134(素子、制御部)と第二のカバー12b(ケース)の間に挟まれない自由状態のときの厚み方向(挟み込み方向)の寸法が、熱伝導パッド134(素子)と第二のカバー12b(ケース)の間に挟まれたときの厚み方向(挟み込み方向)の寸法より大きくなっている。この場合、第一の熱伝導部材132は、熱伝導パッド134と第二の壁12fのそれぞれの面に密着して、熱輸送の効率を向上することができる。
また、第一の熱伝導部材132自身に粘着性(粘着力)を持たせてもよい。この場合、半導体装置130の組立時に、第一の熱伝導部材132を第二のカバー12bまたは熱伝導パッド134(素子、制御部)の少なくともいずれか一方に仮止めする(貼り付かせる)ことが可能になり、組立効率の向上に寄与することができる。
なお、この粘着性(粘着力)は、少なくとも組立作業に必要な期間の粘着力があればよいが、恒久的に粘着力を有するものでもよい。また、粘着力は、第一の熱伝導部材132を貼ったり剥がしたりすることが容易にできる程度の粘着力があればよい。この場合、第一の熱伝導部材132の仮止めする際の位置決めやそのやり直しが容易になり作業性の向上に寄与できる。
また、第一の熱伝導部材132を銅等の金属の棒状部材で形成する場合、第一の熱伝導部材132と熱伝導パッド134との接続部分や第一の熱伝導部材132と第二の壁12fとの接続部分を半田等の接合材を用いて熱的および機械的に接続するようにしてもよい。機械的に接続することにより、第一の熱伝導部材132を介した熱輸送の効率を向上させることができる。なお、第一の熱伝導部材132の形状は、熱伝導パッド134,134bの形状に対応させて、直方体でもよいし、熱伝導パッド134aの形状に対応させて角管形状でもよい。
また、筐体の一部に突出部を設け、該突出部が制御部22の放熱経路となっても良い。したがって、第一の熱伝導部材132は例えば第二のカバー12b(ケース)と一体でも良い。
ところで、制御部22で発生した熱を第一の熱伝導部材132を介して第二のカバー12b側に輸送する場合、第一の基板14や第二の基板18に第一の熱伝導部材132が接触すると、輸送中の熱が第一の基板14や第二の基板18に輸送されてしまう場合がある。
そこで、本実施形態では、第一の熱伝導部材132が第一の基板14を貫通するときに、第一の基板14と非接触になるような大きさの貫通孔136aを第一の基板14に形成している。同様に第一の熱伝導部材132が第二の基板18を貫通するときに、第二の基板18と非接触になるような大きさの貫通孔136bを第二の基板18に形成している。
このように、第一の熱伝導部材132を第一の基板14に貫通させる場合、貫通孔136aの壁と第一の熱伝導部材132の外面(側面)との間に空気層が形成されるようにする。これにより、第一の熱伝導部材132を介して輸送される熱が第一の基板14に輸送されてしまうことが抑制できる。
同様に、第一の熱伝導部材132を第二の基板18に貫通させる場合、貫通孔136bの壁と第一の熱伝導部材132の外面(側面)との間に空気層が形成されるようにする。これにより、第一の熱伝導部材132を介して輸送される熱が第二の基板18に輸送されてしまうことが抑制できる。その結果、第一の熱伝導部材132により輸送される熱が、第一の基板14や第二の基板18を介して記憶部20に輸送されて制御部22で発生した熱で記憶部20側を加熱してしまうことが抑制できる。
上記の説明から、第一の熱伝導部材132は第一の基板14及び第二の基板18と熱的に接続されていないと言える。したがって本実施形態においては少なくとも、第一の熱伝導部材132によって、第一の基板14及び第二の基板18への熱の拡散よりも第二のカバー12b(ケース)への熱の拡散(放熱)が多い構成となればよい。
このように、半導体装置130によれば、制御部22で発生した熱は、第一の熱伝導部材132を介して第二のカバー12bに輸送されて放熱される。その結果、制御部22の放熱が効率的に行われ、制御部22の熱による機能の低下や寿命の短縮の抑制に寄与できる。また、制御部22で発生した熱の放熱が効率的にできるので、制御部22で発生した熱が記憶部20側に輸送される可能性が低減され、制御部22で発生した熱が原因で記憶部20の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。
なお、図3の場合、熱伝導パッド134を制御部22の第四の面22hに形成して、第二の基板18を貫通する第一の熱伝導部材132と接触させる例を示した。別の実施形態では、熱伝導パッド134を第二の基板18の第二の面18aに形成して、この熱伝導パッド134と熱的に接続(密着)させた第一の熱伝導部材132を介して、制御部22で発生した熱を第二のカバー12b側に輸送してもよい。
この場合、制御部22で発生した熱と併せて、記憶部20で発生して第二の基板18を介して輸送された熱を第一の熱伝導部材132を用いて第二のカバー12b側に輸送することができる。つまり、素子16全体で発生している熱を第二のカバー12b側に輸送して、素子16の放熱効率を向上させることができる。
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態にかかる半導体装置140の一例を示す断面図である。半導体装置140は、第1実施形態の半導体装置130の変形例であり、第一の熱伝導部材132は、第二の熱伝導部材142を介して第二のカバー12bの第二の壁12fに熱的に接続されている。他の構成は第1実施形態の半導体装置130と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
第一の熱伝導部材132は、第十の面132aが制御部22の第四の面22hに形成された熱伝導パッド134と熱的に接続される。また、第一の熱伝導部材132は、第二の基板18および第一の基板14を貫通するとともに、第十一の面132bが第一の基板14の裏面14bに露出している。第十一の面132bは、裏面14bから僅かに突出していてもよい。そして、第二の熱伝導部材142は、第一の基板14の裏面14bと第二のカバー12bの第二の壁12fとの間に挟まれるとともに圧縮された状態で介在している。
第二の熱伝導部材142は、合成樹脂材料(シリコーンゴム、エラストマ、柔軟性樹脂)で、例えばブロック形状(直方体、立方体)に成形される。第二の熱伝導部材142は、第一の熱伝導部材132の第十一の面132bおよび裏面14bと接触するように、貫通孔136aより大きな第十二の面142aを有する。
第二の熱伝導部材142の厚みH1は、第一の基板14が第二のカバー12bに例えばネジ等により固定された場合に形成される裏面14bと第二の壁12fとの間の距離Hより僅かに大きくされている(H1=H+β)。そして、図7に示すように、素子16を支持した状態の第一の基板14が第二のカバー12bに固定されることにより、第二の熱伝導部材142は、第一の基板14によって第二の壁12fに押し付けられて圧縮させられる。
つまり、第二の熱伝導部材142が変形して第一の熱伝導部材132に密着するとともに、第二の壁12fにも密着する。その結果、第二の熱伝導部材142は、第一の熱伝導部材132を介して輸送された制御部22で発生した熱を第二のカバー12bに効率的に輸送して、第二のカバー12bを介して放熱することができる。
また、第二の熱伝導部材142は、可撓性を有するので、例えば第二のカバー12bに外力が加えられた場合でも第二の熱伝導部材142でその外力を吸収することができる。その結果、第一の熱伝導部材132や制御部22に第二のカバー12bからの外力が作用することを抑制できる。なお、第二の熱伝導部材142は、熱伝導性を向上させるために、カーボン等のフィラーを含んでもよい。
このように、半導体装置140によれば、制御部22で発生した熱は、第一の熱伝導部材132および第二の熱伝導部材142を介して第二のカバー12bに輸送されて放熱される。その結果、制御部22の放熱が効率的に行われ、制御部22が発生した熱により制御部22の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。また、制御部22で発生した熱の放熱が効率的にできるので、制御部22で発生した熱が記憶部20側に輸送される可能性が低減され、制御部22が発生した熱により記憶部20の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。
尚、本実施形態において第一の熱伝導部材132は、必ずしも第一の基板14を貫通する必要はない。たとえば、第一の熱伝導部材132は第二の基板18のみを貫通し、第一の熱伝導部材132の第十一の面132bが第一の基板14の第一の面14aと当接する構成としてもよい。
この場合、制御部22によって発生した熱は、第一の熱伝導部材132を経由して第十一の面132bから第一の基板14へと放熱される。放熱された該熱は、第一の基板14の裏面14bから第二の熱伝導部材142へと流れ、最終的に第二のカバー12bに輸送されて放熱される。
以上のように、本実施形態において制御部20から発生した熱の主たる放熱先が第二のカバー14bであれば、第一の熱伝導部材132は必ずしも第一の基板14及び第二の基板18を貫通する必要はない。
(第3実施形態)
図8は、第3実施形態にかかる半導体装置150の一例を示す断面図である。半導体装置150は、第2実施形態の半導体装置140の変形例である。例えば、第四の面22hに形成される熱伝導パッド134やそれに接続される第一の熱伝導部材132の構成は半導体装置140と同じである。したがって、第一の熱伝導部材132を用いた熱の輸送は同様に行われ、制御部22で発生した熱がケース12に輸送され放熱される。
半導体装置150の場合、素子16を支持する第一の基板14が第二のカバー12bの第二の壁12fに接触した状態で固定されるとともに、第一の基板14と第二のカバー12bとが熱的に接続されている。前述したように、制御部22で発生した熱は、第一の熱伝導部材132を介して第二のカバー12bに輸送される。また、記憶部20で発生した熱は、バンプ34を介して第二の基板18に輸送され、さらにバンプ32を介して第一の基板14に輸送される。そして、第一の基板14は、第二の壁12fに接触しているので、第一の基板14に輸送された記憶部20で発生した熱は、第二の壁12fを介して第二のカバー12bに輸送されて第二のカバー12bで放熱される。
このように、半導体装置150によれば、制御部22で発生した熱は、第一の熱伝導部材132を介して第二のカバー12bに輸送されて放熱される。その結果、制御部22の放熱が効率的に行われ、制御部22が発生した熱により制御部22の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。また、第一の基板14を第二の壁12fに接触させた状態で固定することにより、記憶部20で発生した熱を効率的に第二のカバー12bに輸送して放熱することができる。その結果、記憶部20が発生した熱により記憶部20の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。
(第4実施形態)
図9は、第4実施形態にかかる半導体装置10の一例を示す斜視図である。また、図10は、第4実施形態にかかる半導体装置10の一例を示す断面図である。半導体装置10において制御部22には、第三の熱伝導部材26が熱的に接続(接触、密着)され、制御部22で発生した熱を第一のカバー12a側に輸送して放熱している。なお、その他の構成に関しては第1実施形態の半導体装置130と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
本実施形態の半導体装置10は、第一の熱伝導部材132の他に、制御部22に第三の熱伝導部材26を設けている。第三の熱伝導部材26は、可撓性(柔軟性)を有する材料で形成される。図11に示すように、第三の熱伝導部材26は、例えば、合成樹脂材料(シリコーンゴム、エラストマ、柔軟性樹脂)で、例えばブロック形状(直方体、立方体)に成形される。
そして、図9に示すように、制御部22と第一のカバー12aとの間に介在させられる。第三の熱伝導部材26は、第一のカバー12aと第二のカバー12bとが締結されることにより、第一のカバー12aによって制御部22に押し付けられて圧縮させられる。その結果、第三の熱伝導部材26が変形して制御部22に密着するとともに、第一のカバー12aにも密着する。そして、制御部22で発生した熱を第一のカバー12aに効率的に輸送して、第一のカバー12aを介して放熱することができる。第三の熱伝導部材26は、熱伝導性を向上させるために、カーボン等のフィラーを含んでもよい。
第三の熱伝導部材26は、制御部22と接触する部分が扁平である。例えば、第三の熱伝導部材26の制御部22に接触する部分が、制御部22が嵌り込むように凹形状の窪み部を有していた場合を考える。窪み部に制御部22が嵌り込む場合、窪み部と制御部22の間に空気が残留する可能性がある。
一方、本実施形態のように、第三の熱伝導部材26の制御部22と接触する部分が扁平である場合を考える。この場合、制御部22と第一の熱伝導部材132とが接触するときにその間の空気が残り難い。この状態で第三の熱伝導部材26が圧縮されるので、窪み部を設けている場合に比べて、その接触面に空気が残留し難くなる。その結果、第三の熱伝導部材26が制御部22と接触する場合に熱伝導性が低下することを抑制している。
図9及び図10に示すように、第三の熱伝導部材26は、制御部22およびその周囲の第三の面18bの領域を覆うように配置される。さらに、この第一の熱伝導部材132は、第三の面18bおよび制御部22とケース12との間に挟まれるとともに圧縮された状態で介在させられる。すなわち、第三の熱伝導部材26は少なくとも制御部22の第五の面22iおよび第三の面18bと接触する第八の面26aと、第一のカバー12aの第一の壁12eと接触する第九の面26bを備える。
図10の場合、第三の熱伝導部材26の第八の面26aの面積(図3のX*Y)は、制御部22の第五の面22iの面積(図1のM*N)より大きい。また、第三の熱伝導部材26は、第三の面18bおよび制御部22と第二のカバー12b(ケース)の間に挟まれない自由状態のときの厚み(厚み方向の寸法、挟み込み方向の寸法、図3のZ)は、素子16が固定された第一の基板14が第二のカバー12bに固定されて、当該第二のカバー12bに第一のカバー12aが締結部材24で固定されたときの第一のカバー12aの第一の壁12eと第二の基板18の第三の面18bとの距離P(第三の面18bおよび制御部22と第二のカバー12bの間に挟まれたときの厚み方向(挟み込み方向)の寸法)より圧縮予定寸法αだけ大きくなっている(Z=P+α)。
つまり、第三の熱伝導部材26は、それ自体が有する可撓性により縮むことができる。なお、圧縮予定寸法αは、第三の熱伝導部材26が、第一のカバー12aと第二の基板18(制御部22)により挟まれたときに圧縮される場合の変形率や第三の熱伝導部材26を圧縮させることによって生じる第一の壁12eや第五の面22iに対する押圧力の大きさを予め試験等で測定しておき、距離Pの大きさに応じて、適宜選択することができる。なお、第三の熱伝導部材26は、可撓性を有するので、第一のカバー12aに外力が作用した場合でも、その外力を第三の熱伝導部材26で吸収して制御部22に外力が付与されることを抑制することができる。
このように、可撓性を有する第三の熱伝導部材26が第一のカバー12aと第二の基板18(制御部22)により挟まれたときに圧縮されることで、制御部22の第五の面22iに第三の熱伝導部材26の第八の面26aが密着する。その結果、制御部22が駆動することによって発生する熱を効率的に第三の熱伝導部材26に輸送することがきる。同様に、第三の熱伝導部材26の第九の面26bが、第一のカバー12aの第一の壁12eに密着することにより、第三の熱伝導部材26に輸送された熱が、さらに第一のカバー12aに輸送されて第一のカバー12aを介して放熱できる。
本実施形態によれば、ベアチップである制御部22の第五の面22iに直接第三の熱伝導部材26の第八の面26aを密着させて、制御部22で発生した熱の輸送を行う。そのため、制御部22が樹脂等の被覆部で覆われる場合に比べて、第一のカバー12aに至るまでに介在する層が少なくなるので熱輸送の効率の低下が抑制できる。その結果、制御部22の使用周波数を高くしても制御部22の放熱を効率的に行うことが可能になり、制御部22が発生した熱が原因で、当該制御部22の機能(性能)が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。
また、制御部22から第一のカバー12aに向けた熱の輸送が効率的にできるので、バンプ34を介して第二の基板18に輸送される熱量を低減することができる。つまり、制御部22で発生した熱が、第二の基板18を介して記憶部20に輸送されことが抑制できる。その結果、動作時に発熱する記憶部20をさらに外部の熱で加熱してしまうことが抑制できる。したがって、制御部22が発生した熱が原因で記憶部20の機能(性能)が低下したり寿命が短縮したりすることを抑制できる。
なお、図10の例の場合、第三の熱伝導部材26は、制御部22を覆うとともにその周囲の第三の面18bの一部も覆っている。その結果、制御部22で発生した熱の一部がバンプ34を介して第二の基板18側に輸送された場合でも、その熱を第三の熱伝導部材26を介して第一のカバー12aに輸送できる。この構成でも、制御部22で発生した熱の第一のカバー12aへの輸送効率を向上できる。
さらに、記憶部20で発生した熱がバンプ34を介して第二の基板18に輸送された場合は、その熱を第三の熱伝導部材26を介して第一のカバー12aに輸送できる。その結果、記憶部20で発生した熱が、制御部22に輸送されて、当該制御部22を加熱したり、他の記憶部20に輸送されて加熱してしまうことが抑制できる。つまり、第二の基板18を介して輸送される熱によって、制御部22や記憶部20の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。
なお、第三の熱伝導部材26は、非導電性で電波を通し難い磁性体を含んでもよい。例えば、フェライト等のフィラーを第一の熱伝導部材132を構成する合成樹脂材料に混ぜてもよい。このように非導電性の磁性体を含む第三の熱伝導部材26で制御部22を覆うことで、制御部22の電波障害対策を行うことができる。その結果、制御部22の動作をより安定させることができる。また、第三の熱伝導部材26は、半導体装置10に組み付ける際の作業を容易にするために、それ自体に粘着性(粘着力)を備えてもよい。
例えば、第三の熱伝導部材26をシリコーンゴム等で構成する場合、シリコーンゴム成分とシリコーンレジン成分の構成比を変化させることで、必要な粘着特性を得ることできる。この第三の熱伝導部材26の粘着性を利用して、例えば、第三の熱伝導部材26を制御部22と第一のカバー12aとの間に挟むときに第一のカバー12aの第一の壁12eまたは制御部22の少なくともいずれか一方に仮止めする(貼り付かせる)ことができるので、組立作業性の向上に寄与できる。
なお、この粘着性(粘着力)は、少なくとも組立作業に必要な期間の粘着力があればよいが、恒久的に粘略力を有するものでもよい。また、粘着力は、第三の熱伝導部材26を貼ったり剥がしたりすることが容易にできる程度の粘着力があればよい。この場合、第三の熱伝導部材26の仮止めする際の位置決めやそのやり直しが容易になり作業性の向上に寄与できる。
また、第三の熱伝導部材26に粘着性を持たせることにより、第一の壁12eに仮止めを行う場合、別途接着剤等を用いる必要がない。接着剤等が第三の熱伝導部材26と第一のカバー12aまたは制御部22との間に介在する場合、界面や層が増加するので熱伝導性を低下させる原因になる場合がある。
一方、本実施形態のように第三の熱伝導部材26自体が粘着性を有することにより、不要な層が形成されることが抑制できるので熱伝導性の低下を抑制できる。また、本実施形態では、第三の熱伝導部材26を制御部22の形状にしたがって、直方体とする例を示したが、これに限らず、制御部22を覆うことができれば、例えば、多角柱形状や円柱でもよく、同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態の説明において、特に第三の熱伝導部材26について詳述したが、同様の原理や構成を、第1実施形態乃至第3実施形態で説明した第一の熱伝導部材132や第二の熱伝導部材142に適用しても良い。
以上の構成により、本実施形態にかかる半導体装置10によれば、制御部22で発生した熱は、第一の熱伝導部材132を介して第二のカバー12bに輸送されて放熱されるとともに、第三の熱伝導部材26を介して第一のカバー12aに輸送されて放熱される。
その結果、制御部22の放熱が効率的に行われ、制御部22の熱による機能の低下や寿命の短縮の抑制に寄与できる。また、制御部22で発生した熱の放熱が効率的にできるので、制御部22で発生した熱が記憶部20側に輸送される可能性が低減され、制御部22で発生した熱が原因で記憶部20の機能が低下させられたり寿命が短縮させられたりすることが抑制できる。
(第5実施形態)
図12は、第5実施形態にかかる半導体装置160の一例を示す断面図である。半導体装置160は、第4実施形態の半導体装置10の変形例である。半導体装置160は、半導体装置10の第三の熱伝導部材26を省略している。すなわち、半導体装置160は、制御部22で発生した熱の輸送を制御部22の第四の面22hに形成した熱伝導パッド134を介して熱的に接続した第一の熱伝導部材132を用いて第二の壁12fを介して第二のカバー12bに輸送している。このような構成は、例えば、制御部22で発生した熱を第一のカバー12aに輸送することが望ましくない場合に有効である。
なお、図12の場合、記憶部20を第四の熱伝導部材162を覆っている。第四の熱伝導部材162は、第三の熱伝導部材26と同様に、例えば、合成樹脂材料(シリコーンゴム、エラストマ、柔軟性樹脂)で、例えばブロック形状(直方体、立方体)に成形される。そして、記憶部20と第一のカバー12aとの間に介在させられる。
第四の熱伝導部材162は、第一のカバー12aと第二のカバー12bとが締結されることにより、第一のカバー12aによって記憶部20に押し付けられて圧縮させられる。その結果、第四の熱伝導部材162が変形して記憶部20に密着するとともに、第一のカバー12aにも密着する。その結果、記憶部20で発生した熱を第一のカバー12aに効率的に輸送して、第一のカバー12aを介して放熱することができる。
第四の熱伝導部材162は、熱伝導性を向上させるために、カーボン等のフィラーを含んでもよい。また、第四の熱伝導部材162は電波障害対策のために、非導電性で電波を通し難い磁性体、例えばフェライト等を含んでもよい。また、第四の熱伝導部材162は、それ自体が粘着性を有してもよい。
第四の熱伝導部材162は、第一の熱伝導部材132と同様に記憶部20で発生した熱の輸送を行い、同様の効果を得ることができる。例えば、制御部22で発した熱の放熱を第二のカバー12bで行い、制御部22で発生した熱の放熱を第一のカバー12aで行いたい場合、つまり、放熱を別々に行いたい場合に、上述のような構成が有効である。
なお、第四の熱伝導部材162を省略した記憶部20で発生した熱を半導体装置150で説明したように、第一の基板14を介して第二のカバー12bに輸送するようにしてもよいし、ケース12の内部に放熱して、例えば送風装置(ファン)等を用いてケース12の外部に排気してもよい。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10:半導体装置、12:ケース、14:第一の基板、16:素子、18:第二の基板、20:記憶部、22:制御部、24:締結部材、26:第三の熱伝導部材、28:データバッファ、30:内部コネクタ、34:バンプ、130:半導体装置、132:第一の熱伝導部材、134:熱伝導パッド、140:導体記憶装置、142:第二の熱伝導部材、150:半導体装置、160:半導体装置、162:第四の熱伝導部材。

Claims (8)

  1. 筐体と、
    前記筐体に収容され、第一の面と、該第一の面とは反対側に位置した第二の面と、前記第一の面及び前記第二の面を貫通した開口部と、を有した第一の基板と、
    前記第一の基板に設けられ、前記第二の面と面した第三の面を有した制御部と、
    前記第二の面に設けられた記憶部と、
    前記第三の面に設けられるとともに、前記制御部と熱的に接続された接続部と、
    前記第三の面に設けられるとともに、前記制御部と前記基板とを電気的に接続した導電部と、
    前記接続部と接し、前記開口部を通って前記基板を貫通するとともに、前記筐体と前記制御部とを熱的に接続した第一の熱伝導部材と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記第一の熱伝導部材は、
    前記筐体に貼り付く粘着力を有するとともに前記筐体と接し、前記筐体と前記接続部との間に挟まれた状態で前記筐体と前記制御部とを熱的に接続することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第一の熱伝導部材は、
    前記開口部と離間した状態で前記基板を貫通することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第一の熱伝導部材は、
    前記筐体の一部が突出した突出部であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記第一の熱伝導部材は、
    前記筐体と、前記第一の面と面した第二の基板と、によって挟まれるとともに、前記筐体に貼り付く第二の熱伝導部材と熱的に接続されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記筐体は、
    前記第二の面と面した第一の内面と、該第一の内面と向かい合う第二の内面とを有し、
    前記筐体内には
    前記第一の面と面した第二の基板が設けられ、
    該第二の基板は、
    前記第二の内面と接するとともに、前記第一の熱伝導部材と前記筐体とが熱的に接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記接続部は、
    前記制御部と前記記憶部との並び方向において、前記記憶部側に寄せて配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 第一面と、該第一面とは反対側に位置した第二面とを有した基板と、
    前記第一面に設けられた電子部品と、
    前記第一面と面した第一の内面と、前記第二面と面した第二の内面とを有するとともに、前記電子部品を収容した筐体と、
    前記電子部品と前記基板とを熱的に接続した第一熱伝導部と、
    前記基板の厚さ方向において前記第一熱伝導部と重なる位置に設けられ、前記基板と前記第二の内面とを熱的に接続した第二熱伝導部と、
    を備えた半導体装置。
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