JP2017212254A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】伝熱部材の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性を向上させることで、放熱性が向上した半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、発熱部材、発熱部材の熱を放散させるための放熱部材、および、発熱部材と放熱部材との間に配置された伝熱部材を備える。伝熱部材は、絶縁伝熱層と、絶縁伝熱層の少なくとも片側に設けられた表面伝熱層とを備える。絶縁伝熱層は、熱硬化型樹脂と、熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含む。絶縁性粒子は、熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。表面伝熱層は、シリコーンゲルと、シリコーンゲル中に分散された伝熱粒子と、を含む。伝熱粒子は、シリコーンゲルよりも高い熱伝導性を有する材料からなり、平坦な面を有する。そして、少なくとも一部の伝熱粒子と発熱部材とが、平坦な面を介して接している。【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置に関する。
近年、車載や車両用の大容量産業機器に用いられる半導体装置は、多機能化、高出力化および小型化の傾向にある。これに伴い、半導体装置に実装される電子部品の単位体積当たりの発熱量は大きく上昇している。このため、放熱性が向上した半導体装置の開発が望まれている。
半導体装置において、電子部品等の発熱する部材(発熱部材)からヒートシンクなどの放熱用の部材(放熱部材)への熱伝導により、放熱が行われる。ここで、発熱部材と放熱部材との隙間を、熱伝導性を有する伝熱部材で埋めることにより、放熱性が高められる。
伝熱部材は、各部材の表面の凹凸にならって密着できるようにゴム弾性を有し、かつ、熱伝導性を有している。また、伝熱部材は、電子部品の短絡を防止するために、電気的な絶縁性も有している。
なお、伝熱部材は、例えば、(1)発熱する半導体素子(電子部品)と放熱部材との間に用いられるか(例えば、特許文献1:特開平6−209057号公報)、または、(2)半導体素子(電子部品)を実装した基板と放熱部材との間に用いられる(例えば、特許文献2:特開2014−36033号公報)。
伝熱部材の熱伝導は、一般に、フィラー(伝熱部材内に分散された粒子など)を経由して行われる。このため、従来の伝熱部材の開発においては、主に、(i)熱伝導のよいフィラーを充填すること、および、(ii)フィラーの充填率(伝熱部材中の粒子の含有率)を大きくすることにより、熱伝導性を向上させる検討が行われていた。このような伝熱部材に関する先行技術について、以下に例示する。
特許文献3(特開平2−196453号公報)に開示される伝熱部材(伝熱シート)では、シリコーンゴム中に金属酸化物等の熱伝導性材料が混入されている。なお、取り扱いに必要な強度を有するシリコーンゴムの層と、柔らかく変形しやすいシリコーンゴムの層とが積層されている。これにより、プリント基板に搭載された集積回路素子(発熱部材)の高さや傾きのばらつきを吸収することができる。
特許文献4(特開平8−88488号公報)に開示される伝熱部材では、シリコーンゴム等の樹脂中に、粒状熱伝導性フィラーとして、粒状アルミナとこれよりも粒径が大きいマグネシアを含有した伝熱部材が分散されている。
特許文献5(特開2011−54609号公報)に開示される伝熱部材(熱伝導性シート)は、導電性かつ熱伝導性のフィラーと熱可塑性樹脂(ポリエステル系熱可塑性エラストマー)とからなる導電性熱伝導性樹脂層、および、その片面または両面に設けられた絶縁性かつ熱伝導性のフィラーと熱可塑性樹脂とからなる絶縁性熱伝導性樹脂層を備えている。
伝熱部材の熱伝導性は、熱抵抗を用いて評価される。伝熱部材の熱伝導性を向上させるためには、熱抵抗(R)を小さくする必要がある。なお、伝熱部材の熱抵抗(R)は、伝熱部材内部の熱抵抗(Rb)と、伝熱部材と発熱部材等との界面における接触熱抵抗(Rc)との和で表わされる。従来の伝熱部材の開発においては、伝熱部材内部の熱抵抗(Rb)を減少させることが検討されてきた。
しかし、本発明者らの検討により、熱抵抗(R)全体に対する接触熱抵抗(Rc)の占める割合が比較的大きいことが分かった。これまでは、接触熱抵抗(Rc)を減少させることは検討されておらず、伝熱部材の熱伝導性を大幅に向上させることは難しかった。
本発明は、上記の課題に鑑み、伝熱部材と発熱部材との間の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性を向上させることで、放熱性が向上した半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、発熱部材、発熱部材の熱を放散させるための放熱部材、および、発熱部材と放熱部材との間に配置された伝熱部材を備える。伝熱部材は、絶縁伝熱層と、絶縁伝熱層の少なくとも片側に設けられた表面伝熱層とを備える。絶縁伝熱層は、熱硬化型樹脂と、熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含む。絶縁性粒子は、熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。表面伝熱層は、シリコーンゲルと、シリコーンゲル中に分散された伝熱粒子と、を含む。伝熱粒子は、シリコーンゲルよりも高い熱伝導性を有する材料からなり、表面に平坦な面を有する。そして、少なくとも一部の伝熱粒子と発熱部材とが、平坦な面を介して接している。
本発明によれば、伝熱部材と発熱部材との間の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性を向上させることで、放熱性が向上した半導体装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。
[実施形態1]
(半導体装置)
図1は、実施形態1の半導体装置の断面図である。
(半導体装置)
図1は、実施形態1の半導体装置の断面図である。
図1(a)に示されるように、本実施形態の半導体装置100は、発熱する電子部品1(発熱部材)、配線板2、発熱部材の熱を放散させるための放熱部材4、および、発熱部材と放熱部材との間に配置された伝熱部材5を備えている。なお、電子部品1は、配線板2の表面に設けられた電極2aに、はんだ3を用いて接続されている。
発熱部材は、熱を発生する部材であれば特に限定されず、例えば、電子部品などの発熱体自体、または、発熱体に伝熱可能に接続された部材などが挙げられる。なお、本明細書では、「発熱部材」の用語は、熱を発する部材のうち、伝熱部材に直接接触する部材を意味する。
放熱部材は、伝熱部材を介して発熱部材の熱を放散させることのできる部材であれば特に限定されず、例えば、ヒートシンク、筐体などが挙げられる。
電子部品1からの熱は伝熱部材5を経由して放熱部材4に伝導され外部に放散される。伝熱部材5は、高温側には平坦な面を有する伝熱粒子61を充填したシリコーンゲル71からなる表面伝熱層51と、熱伝導のよい絶縁性粒子62を熱硬化型樹脂72に充填した絶縁伝熱層52で構成される。
表面伝熱層51は、シリコーンゲル71と、シリコーンゲル71中に分散された(平坦な面を有する)伝熱粒子61とを含んでいる。絶縁伝熱層52は、熱硬化型樹脂72と、熱硬化型樹脂72中に分散された絶縁性粒子62を含んでいる。
図1(b)に、電子部品1と伝熱部材5との界面の拡大図(図1(a)における領域Aの拡大図)を示す。平坦な面を有する伝熱粒子61は、シリコーンゲル71を排除して、電子部品1と接触している。これにより、伝熱部材5の熱伝導性が向上し、半導体装置100の放熱性が向上する。
伝熱粒子61が電子部品1と接触するには、シリコーンゲルのような軟らかい樹脂が適する。JIS K2220に規定されている針入度が30〜90のシリコーンゲルを用いた場合において、伝熱粒子61が電子部品1と接触できることを実験的に見出した。
また、熱硬化型樹脂72として、シリコーンゲルを用いてもよい。ただし、熱硬化型樹脂72は、絶縁性粒子62を保持する作用の他に、伝熱粒子61と電子部品1との接触状態、および、絶縁性粒子62と放熱部材4との接触状態を維持する作用を有している。このため、熱硬化型樹脂72としては、シリコーンゲル71よりも針入度の小さいシリコーンゲルを用いることが好ましい。絶縁性粒子62は、熱硬化型樹脂72より高い熱伝導性を有する材料からなる。
絶縁伝熱層52に用いられる熱硬化型樹脂72は、耐熱性、耐候性、耐寒性および絶縁性を有することが好ましい。このような熱硬化型樹脂としては、例えば、シリコーンゲル、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などがあげられる。熱硬化型樹脂72およびシリコーンゲル71は、同じシリコーンゲルであってもよく、異なる樹脂であってもよい。
なお、本明細書において、「熱硬化型樹脂」とは、特にその状態について記載のない限り、熱硬化後の状態を意味し、硬化前の状態については、「硬化前の熱硬化型樹脂」のように記載される。
絶縁性粒子62を構成する材料としては、絶縁性を有し、かつ、熱硬化型樹脂72よりも高い熱伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素などが挙げられる。
絶縁性粒子62の粒径は、10〜100μmであることが好ましく、例えば30〜90μm程度である。なお、本明細書において、「粒径」は、例えば、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡にて撮影した画像から読み取ることができる。
絶縁伝熱層52中の絶縁性粒子62の含有率は、60〜80体積%であることが好ましく、例えば、70体積%程度である。
伝熱粒子61は、平坦な面を有する粒子であれば、特にその形状は限定されない。伝熱粒子61の具体的な形状として、平面が2面以上あるのが好ましく、このような形状としては、例えば、直方体、偏平形状(実施形態3参照)などが挙げられる。ただし、例えば半球形状のように平面が1面のみである粒子であってもよい。なお、伝熱粒子61の「平坦な面」とは、JIS B 0621に規定された平面度10μm以下の面をいう。なお、表面の凹凸の平面度は、例えば、レーザを用いた非接触3次元測定装置によって測定することができる。
伝熱粒子61の材料は、シリコーンゲル71より高い熱伝導性を有する材料であり、導電性であってもよく、絶縁性であってもよい。
具体的な伝熱粒子61の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などのセラミック粒子、または、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属粒子が挙げられる。
伝熱粒子61のサイズは、10〜200μmであることが好ましい。なお、一部、10μm以下の微粒子や200μmを超える粒子が混入することは許容される。ここで、サイズとは粒子の外接球の直径をいう。表面伝熱層51中の伝熱粒子61の含有率は、60〜80体積%であることが好ましく、例えば、70体積%程度である。
図3は、実施形態1の半導体装置に用いた伝熱部材の断面模式図である。図3に示されるように、伝熱部材5は、表面伝熱層51と絶縁伝熱層52の2層から構成される。
次に、本実施形態に用いられる伝熱部材5の製造方法の一例について説明する。
熱硬化前の液状のシリコーンゲル71に熱伝導のよい薄いセラミック板を浸漬した後、セラミック板を粉砕することによって、多数の平坦な面を有する伝熱粒子61をシリコーンゲル中に作製した後、5〜6分の熱処理をして半硬化のシリコーンゲル71のシートを形成する。次に、熱硬化前の液状の熱硬化型樹脂72に絶縁性粒子62を加え混練した後、半硬化したシリコーンゲル71上に塗布し、シートを加熱し、シリコーンゲル71および熱硬化型樹脂を硬化することで、伝熱部材5を得ることができる。
熱硬化前の液状のシリコーンゲル71に熱伝導のよい薄いセラミック板を浸漬した後、セラミック板を粉砕することによって、多数の平坦な面を有する伝熱粒子61をシリコーンゲル中に作製した後、5〜6分の熱処理をして半硬化のシリコーンゲル71のシートを形成する。次に、熱硬化前の液状の熱硬化型樹脂72に絶縁性粒子62を加え混練した後、半硬化したシリコーンゲル71上に塗布し、シートを加熱し、シリコーンゲル71および熱硬化型樹脂を硬化することで、伝熱部材5を得ることができる。
粉砕される薄いセラミック板として、厚さ50μmの酸化アルミニウム(Al2O3)を用いたがこれに限定されることなく、窒化アルミニウム(AlN)、炭化ケイ素(SiC)などの高熱伝導材を用いてもよい。また、予め、粉砕して表面の一部が平面である伝熱粒子61を作製し、シリコーンゲル71中に充填したものを用いてもよい。
本実施形態では、表面伝熱層51として、針入度60のシリコーンゲル71に、平坦な面を有する酸化アルミニウム(サイズ:50〜200μm、厚50μm)を80%(体積比)充填した層を形成し、絶縁伝熱層52として、針入度40のシリコーンゲルからなる熱硬化型樹脂72に球状アルミナを70%(体積比)充填した層を形成した。平坦な面を有する伝熱粒子61として、アルミナを用いたが、他に、窒化アルミ(AlN)、炭化ケイ素(SiC)などの高熱伝導材料を用いてもよい。
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記の伝熱部材(図3に示されるシート)を圧縮すると、シリコーンゲル71が排除され、伝熱粒子61を表面に露出させる(発熱部材と接触させる)ことが可能であることを見出した。
この知見をもとに、発熱部材(電子部品、配線基板等)と熱伝導のよい伝熱粒子61を平坦な面で接触させることで、伝熱粒子61の熱伝導面積を大きくすることができ、接触熱抵抗を小さくすることができた。その結果、電子部品等からの熱を効率よく放散できる半導体装置を提供することができた。
なお、本実施形態の半導体装置は、上記の伝熱部材を用いることで放熱性が向上するため、小型化および高集積化が可能である。
(半導体装置の製造方法)
図4は、半導体装置100の製造方法を説明するための断面模式図である。
図4は、半導体装置100の製造方法を説明するための断面模式図である。
図4(a)は、配線板2の電極2aに、電子部品1をはんだ3にて実装した状態を示す断面模式図である。
図4(b)は、放熱部材4の電子部品1と対向する位置に、伝熱部材5を設けた状態を示す断面模式図である。本実施形態では、絶縁伝熱層52の熱硬化型樹脂72として、シート状のものを用いたが、電子部品1の表面形状に合わせた形状を有する伝熱部材を得て電子部品1の厚さむらに対応するために、例えば、硬化前のシリコーンゲル、エポキシ樹脂などの液状に絶縁性粒子62を充填したペースト状のものを用いてもよい。ただし、硬化前のペースト状のものを用いた場合には、後工程で熱硬化型樹脂72を加熱し、硬化する必要がある。
図4(c)は、配線板2を放熱部材4に押し付けた状態を示す断面模式図である。表面の一部が平面である伝熱粒子61と電子部品1との接触に要する荷重は、例えば20kPaである。伝熱部材5の接触状態を保持するために、例えば、配線板2と放熱部材4とをネジ(図示せず)などで機械的に固定する。
(伝熱部材の熱伝導性)
伝熱部材5の熱伝導性は、熱抵抗を用いて評価される。「熱抵抗」とは、温度の伝わりにくさを表す指標であり、単位発熱量当たりの温度上昇値を意味する。伝熱部材5の熱伝導性を向上させるためには、熱抵抗(R)を小さくする必要がある。
伝熱部材5の熱伝導性は、熱抵抗を用いて評価される。「熱抵抗」とは、温度の伝わりにくさを表す指標であり、単位発熱量当たりの温度上昇値を意味する。伝熱部材5の熱伝導性を向上させるためには、熱抵抗(R)を小さくする必要がある。
なお、伝熱部材5の熱抵抗(R)は、式(1):
R=Rb+Rc ・・・(1)
に示されるように、伝熱部材内部の熱抵抗(Rb)と、伝熱部材5と発熱部材1との間での接触熱抵抗(Rc)との和で表わされる。
R=Rb+Rc ・・・(1)
に示されるように、伝熱部材内部の熱抵抗(Rb)と、伝熱部材5と発熱部材1との間での接触熱抵抗(Rc)との和で表わされる。
ここで、伝熱部材内の熱抵抗(Rb)は、式(2):
Rb=t/(λA) ・・・(2)
〔t:伝熱部材厚、λ:伝熱部材の熱伝導率(フィラー材質、熱硬化性樹脂の熱伝導率、フィラーの充填率などの因子による)、A:伝熱部材の伝熱面積(伝熱部材の面積)で表わされる。
Rb=t/(λA) ・・・(2)
〔t:伝熱部材厚、λ:伝熱部材の熱伝導率(フィラー材質、熱硬化性樹脂の熱伝導率、フィラーの充填率などの因子による)、A:伝熱部材の伝熱面積(伝熱部材の面積)で表わされる。
特許文献3では、伝熱部材を構成する樹脂を軟らかくし、伝熱部材を発熱部材の表面に密着させることで、式(2)の伝熱面積(A)を大きくすることで、伝熱部材5の内部の熱抵抗(Rb)を小さくしようとしている。
特許文献4では、フィラー(粒子)の材料と径を変えて、式(2)のλとAを大きくして、伝熱部材5の内部の熱抵抗を小さくしようとしている。
特許文献5においては、導電性のフィラー(粒子)を含む層を積層して、式(2)のλを大きくすることで、伝熱部材5の内部の熱抵抗を小さくしようとしている。
このように従来は、伝熱部材内部の熱抵抗(Rb)を減少させることが検討されてきた。しかし、本発明者らの検討により、熱抵抗(R)全体に対する接触熱抵抗(Rc)の占める割合が比較的大きいことが分かった。
一例として、厚さ1mmの従来の一般的な伝熱部材(シリコーンゲルに酸化アルミニウムのフィラー(サイズ10〜50μm)を充填したシート)を用いて、熱抵抗(R)全体に対する接触熱抵抗(Rc)の占める割合を実験的に求めたところ、伝熱部材5の熱抵抗Rに占める接触熱抵抗Rcの割合は30〜40%であった。
したがって、接触熱抵抗(Rc)を小さくすることで、伝熱部材のさらなる熱伝導性の向上が可能である。
接触熱抵抗値は実験的に求めることができる(「定常法による厚さ方向および面内方向熱伝導率測定法」、エレクトロニクス実装学会誌、Vol.18、No.1(2015)を参照)。
図11に示すように、伝熱部材の厚さを変えて測定した熱抵抗値と厚さの関係のグラフ(一次近似関数:Rth=a・ts+b)を実験にて求め、外挿により伝熱部材の厚さが0の熱抵抗値を接触熱抵抗(Rc)として求めることができる。すなわち、上記一次近似関数のbの値が接触熱抵抗となる。
本実施例では、伝熱部材の厚さを1、2および3mmに変えて、それぞれの厚さについて測定された熱抵抗値から、接触熱抵抗値を求めた。
図2は、接触熱抵抗に対する粒子形状の影響を説明するためのグラフである。
サンプルとしては、(1)シリコーンゲルにサイズ1〜50μmの不定形の酸化アルミニウム粒子を充填したもの、(2)シリコーンゲルに50〜90μmの球状の酸化アルミニウム粒子を充填したもの、および、(3)本実施形態の表面伝熱層51と絶縁伝熱層52からなる伝熱部材を用いた。
サンプルとしては、(1)シリコーンゲルにサイズ1〜50μmの不定形の酸化アルミニウム粒子を充填したもの、(2)シリコーンゲルに50〜90μmの球状の酸化アルミニウム粒子を充填したもの、および、(3)本実施形態の表面伝熱層51と絶縁伝熱層52からなる伝熱部材を用いた。
本実施形態の表面伝熱層51には、シリコーンゲルに平坦な面を有する酸化アルミニウム粒子(サイズ50〜200μm)を充填したものを用いた。表面伝熱層51の厚さは50μmと一定にして、伝熱部材5の厚さを1、2および3mmに変えたものを作製した。なお、絶縁伝熱層52は、同じシリコーンゲルに球状の酸化アルミニウム粒子(径30〜90μm)を充填したものからなる。
図2に、不均一な不定形状粒子を用いた場合の接触熱抵抗を1.0としたときの、各粒子形状における接触熱抵抗比率を示す。図2において、従来の不均一な形状の粒子に比べて、球状粒子の場合は50%に、本実施形態の伝熱粒子の場合は30%に、接触熱抵抗を低減できることがわかる。なお、粒子のサイズとは、粒子に外接する球の直径である。
これらの結果から、平坦な面を有する伝熱粒子が接触面積を大きくできるため、接触熱抵抗を小さくする上で有利であることがわかる。
[実施形態1の変形例]
図5は、実施形態1の変形例の半導体装置101を示す断面模式図である。
図5は、実施形態1の変形例の半導体装置101を示す断面模式図である。
図5に示されるように、本変形例の半導体装置101においては、伝熱部材5が配線板2と放熱部材4との間に設けられている点で、実施形態1とは異なる。それ以外の構成は、基本的に実施形態1と同じである。
電子部品1の熱は、放熱ビア21を経由して、配線板2の裏面に設けられた配線層2bに伝達され、伝熱部材5を経由して放熱部材4に伝達される。このように、放熱ビア等により伝熱経路が確保されていれば、電子部品と放熱部材の間に配線板(放熱ビア)などが介在していてもよい。
この半導体装置101において、伝熱部材5の表面伝熱層51に充填された平坦な面を有する伝熱粒子61は配線層2bに接触している。これにより、実施形態1と同様に、伝熱部材5の接触熱抵抗を小さくすることができ、電子部品等からの熱を効率よく放散できる半導体装置が提供される。
[実施形態2]
本実施形態の半導体装置は、伝熱部材において、絶縁伝熱層の両側に表面伝熱層が設けられている点で、実施形態1とは異なる。それ以外の点は、基本的に上記の実施形態1と同じである。
本実施形態の半導体装置は、伝熱部材において、絶縁伝熱層の両側に表面伝熱層が設けられている点で、実施形態1とは異なる。それ以外の点は、基本的に上記の実施形態1と同じである。
図6は、実施形態2の半導体装置102の断面模式図である。図6に示されるように、伝熱部材5は、絶縁伝熱層52の表裏(両面)に、平坦な面を有する伝熱粒子61を充填した表面伝熱層51が形成されている。
ここで、表面伝熱層51中に含まれる伝熱粒子61は、電子部品1だけでなく、放熱部材4とも接触している。これにより、伝熱部材5の熱伝導性がさらに向上し、半導体装置100の放熱性がさらに向上する。
次に、絶縁伝熱層52の両側に表面伝熱層51を有する伝熱部材5の製造方法について説明する。
硬化前の液状のシリコーンゲルに、平坦な面を有する伝熱粒子61を加えて混練した後、例えば5〜10分の加熱処理でゲル化させて半硬化のシリコーンゲル71のシートを形成する。
次に、硬化前の液状の熱硬化型樹脂72に絶縁性粒子62を加えて混練する。得られた混練物を、半硬化のシリコーンゲル71上に塗布する。その後、5〜10分加熱し、熱硬化型樹脂をゲル化(半硬化)させる。これにより、絶縁伝熱層52上に表面伝熱層51を備えた第1の半硬化のシートが作製される。なお、表面伝熱層51のシリコーンゲル71および絶縁伝熱層52の熱硬化型樹脂72は完全には硬化していない。
第1の半硬化のシートと同様な方法で、絶縁伝熱層52上に表面伝熱層51を形成した第2の半硬化のシートを作製する。
次に、第1のシートの絶縁伝熱層52上に、第2のシートの絶縁伝熱層52を真空中でボイドがはいらないように積層した後で、加熱し、第1の半硬化シートおよび第2の半硬化シートのシリコーンゲル71および熱硬化型樹脂72を完全に硬化させる。この結果、絶縁伝熱層52の両側に表面伝熱層51を備えた伝熱部材5を得ることができる。
[実施形態3]
本実施形態の半導体装置は、伝熱粒子として偏平な粒子61aが用いられている点で、実施形態1とは異なる。それ以外の点は、基本的に上記の実施形態1と同じである。
本実施形態の半導体装置は、伝熱粒子として偏平な粒子61aが用いられている点で、実施形態1とは異なる。それ以外の点は、基本的に上記の実施形態1と同じである。
図7(a)は、実施形態3の半導体装置103の断面模式図である。図7(b)は、実施形態3の半導体装置103における伝熱部材5(図7(a)における領域C)の拡大図である。
図7(b)に示されるように、伝熱部材5の表面伝熱層51中には、伝熱粒子として偏平な粒子61aが積層されている。
偏平な粒子61aは、電子部品1に接触しているとともに、積層されて充填され、互いに接触している。電子部品1からの熱は接触している偏平な粒子61aに伝導された後、積層された内部にある偏平な粒子61aに伝導される。そのため、熱の伝導が、電子部品1の面に垂直な方向だけでなく、積層された偏平な粒子61aを経由して面内に拡がる経路によっても行われる。
一方、電子部品1で発生する熱は電子部品の面内で均一でなく、局所的に発熱するため、偏平な粒子61aにより、熱を面内に拡げることで、絶縁伝熱層52内を移動する熱流束の面積を大きくすることができるため、放熱量を大きくすることができ、放熱性を向上することができる。
なお、扁平な粒子61aは、その形状が偏平である点で、実施形態1の伝熱粒子と異なるが、それ以外の点(材料など)は実施形態1の伝熱粒子と基本的に同じである。ここで、「偏平な粒子」とは、その表面が2つの平面を含み、その2つの平面のなす角度が0〜10度であるような粒子である。なお、「偏平な粒子」において、粒子の表面の凹凸は10μm以下である。
偏平な粒子61aの材料としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの絶縁材料の他に、金属材料を用いることができる。金属材料としては、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、マグネシウム(Mg)などを用いることができる。
[実施形態4]
図8は、実施形態4に係る半導体装置104の断面模式図である。
図8は、実施形態4に係る半導体装置104の断面模式図である。
図8(a)は、実施形態4の半導体装置104の断面模式図である。図8(b)は、実施形態4の半導体装置104における伝熱部材5(図8(a)における領域D)の拡大図である。
図8(b)に示されるように、本実施形態の半導体装置104において、電子部品1と接触している伝熱部材5の表面伝熱層51および絶縁伝熱層52には、伝熱粒子61および絶縁性粒子62間の隙間に、伝熱粒子61および絶縁性粒子62よりも小さい小粒子63が充填されている。
小粒子63を充填することによって、平坦な面を有する伝熱粒子61間の隙間を小粒子63で埋めることができ、粒子の充填量を大きくすることができる。そのため、電子部品1からの熱伝導に寄与する経路を大きくすることができるため、熱の移動量を大きくすることができ、放熱性能を向上させることができる。
小粒子63の大きさは、伝熱粒子61同士の隙間に入り込むことが可能な大きさであり、20μm以下であることが好ましい。小粒子63を充填することによって、電子部品1からの熱伝導に寄与する経路が多くなり、熱の移動量を大きくすることができ、放熱性能を向上させることができる。小粒子63は、表面伝熱層51と絶縁伝熱層52の両方に充填してもよく、表面伝熱層51または絶縁伝熱層52の一方のみに充填してもよい。
なお、「伝熱粒子61および絶縁性粒子62よりも小さい」とは、小粒子63の粒径が伝熱粒子61および絶縁性粒子62よりも小さいことを意味する。
小粒子63の材料は、シリコーンゲルおよび熱硬化型樹脂よりも伝熱性の高い材料である。小粒子63の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化シリコンなどの絶縁性粒子を用いることができる。
[実施形態5]
図9は、実施形態5に係る半導体装置105の断面模式図である。
図9は、実施形態5に係る半導体装置105の断面模式図である。
本実施形態の半導体装置は、絶縁伝熱層52を構成する熱硬化型樹脂72が熱硬化型エポキシ樹脂である点で、実施形態1とは異なる。それ以外の点は、基本的に実施形態1と同じである。
図9において、配線板2に実装された電子部品1と放熱部材4との間に伝熱部材5が設けられている。伝熱部材5は表面伝熱層51と絶縁伝熱層52からなる。表面伝熱層51は、平坦な面を有する伝熱粒子61を充填したシリコーンゲル71からなる。
絶縁伝熱層52は絶縁性粒子62を充填した熱硬化型エポキシ樹脂72aからなる。熱硬化型エポキシ樹脂72aは、硬化前は液状であるため、充填した絶縁性粒子62間に存在する熱硬化型エポキシ樹脂72aが排除されやすく、互いに接触する絶縁性粒子62を増やすことができる。これにより、伝熱部材5(絶縁伝熱層52)の熱伝導性が向上する。
また、熱硬化型エポキシ樹脂72aは、ヤング率がシリコーンゲルの104倍以上大きく、シリコーンゲルよりも非常に硬いため、絶縁性粒子62間の接触を強固に維持することができる。そのため、シリコーンゲルに比べて絶縁性粒子62を経由して移動する熱量を大きくできる。
また、熱硬化型エポキシ樹脂72aと表面伝熱層51のシリコーンゲル71は接着せず、粘着した状態で、表面伝熱層51に充填した伝熱粒子61と絶縁伝熱層52に充填された絶縁性粒子62は接触した状態にある。
そのため、電子部品1aおよび電子部品1bと放熱部材4との間に熱膨張差があっても、熱ひずみを表面伝熱層51の軟らかいシリコーンゲル71が吸収するため、表面伝熱層51と絶縁伝熱層52は剥離することはない。したがって、伝熱部材5を経由する熱量が減少することなく、信頼性の高い安定した放熱が可能になる。
図10は、実施形態5の半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。
図10(a)は、電子部品1aおよび電子部品1bが配線板2にはんだにて実装された状態を示す断面模式図である。図10(b)は電子部品1aおよび電子部品1bの表面に表面伝熱層51を押し付けて貼りつけた状態を示す断面模式図である。
図10(a)は、電子部品1aおよび電子部品1bが配線板2にはんだにて実装された状態を示す断面模式図である。図10(b)は電子部品1aおよび電子部品1bの表面に表面伝熱層51を押し付けて貼りつけた状態を示す断面模式図である。
表面伝熱層51は平坦な面を有する伝熱粒子61を充填したシリコーンゲル71である。シリコーンゲル71の表面は粘着性を有するシート状であるため、電子部品1aおよび電子部品1bへの貼付固定は容易である。また、平坦な面を有する伝熱粒子61は電子部品1a,1bと接触している。
図10(c)に示されるように、放熱部材4上の電子部品1aおよび電子部品1bと対向する位置に、絶縁性粒子62を充填した硬化前のペースト状の熱硬化型エポキシ樹脂72aを塗布する。硬化前の熱硬化型エポキシ樹脂72aはペースト状であるため、塗布量の制御が容易であり、電子部品1a,1bと放熱部材4との間の間隙の長さに応じた塗布量を供給する。
図10(d)は、硬化前の熱硬化型エポキシ樹脂72aに電子部品1a,1bを押しつけた状態で加熱し、熱硬化型エポキシ樹脂72aを硬化させた状態を示す断面模式図である。図10(d)において、平坦な面を有する伝熱粒子61は電子部品1a,1bに接触するとともに、絶縁性粒子62とも接触している。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電子部品、2 配線基板、2a 電極、2b 配線層、21 放熱ビア、3 はんだ、4 放熱部材、5 伝熱部材、51 表面伝熱層、52 絶縁伝熱層、61 伝熱粒子、61a 偏平な粒子、62 絶縁性粒子、63 小粒子、71 シリコーンゲル、72 熱硬化型樹脂、100 半導体装置。
Claims (6)
- 発熱部材、前記発熱部材の熱を放散させるための放熱部材、および、前記発熱部材と前記放熱部材との間に配置された伝熱部材を備える、半導体装置であって、
前記伝熱部材は、絶縁伝熱層と、前記絶縁伝熱層の少なくとも片側に設けられた表面伝熱層とを備え、
前記絶縁伝熱層は、熱硬化型樹脂と、前記熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含み、
前記絶縁性粒子は、前記熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなり、
前記表面伝熱層は、シリコーンゲルと、前記シリコーンゲル中に分散された伝熱粒子と、を含み、
前記伝熱粒子は表面に平坦な面を有し、前記シリコーンゲルよりも高い熱伝導性を有する材料からなり、
少なくとも一部の前記伝熱粒子と前記発熱部材とが、前記平坦な面を介して接していることを特徴とする、半導体装置。 - 前記伝熱部材の前記絶縁伝熱層の両側に前記表面伝熱層を備える、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記伝熱粒子は偏平な粒子である、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記表面伝熱層は、前記伝熱粒子よりも小さい小粒子をさらに含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記熱硬化型樹脂が熱硬化型エポキシ樹脂である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記表面伝熱層において前記伝熱粒子が積層されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
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2016
- 2016-05-23 JP JP2016102479A patent/JP2017212254A/ja active Pending
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