JP2019186310A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば特許文献1には、大きく開口したシールド部材内に、リッドが取り付けられた半導体パッケージを設けるとともに、リッドの上面周縁部に電気的に接触する環状のリッド接触部を設け、該リッド接触部とシールド部材とを電気的に接続させる、という技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、一定の放熱性及び電磁波抑制効果が得られるものの、基板や冷却部材が大きい場合には、電磁共振を起こし、十分な電磁波抑制効果を得ることができないと考えられた。また、放熱性についても、さらなる改良が望まれていた。
その結果、本発明の半導体装置は、従来にはない高いレベルで放熱性及び電磁波抑制効果を両立できる。
(1)基板上に形成された半導体素子と、開口部を有し、グラウンドに接続された、開口部を有する導電シールドカンと、前記導電シールドカンの上部に設けられた導電冷却部材と、少なくとも前記導電シールドカンの開口部を通して、前記半導体素子と前記導電冷却部材との間に形成された熱伝導シートと、前記導電シールドカンの上面と前記導電冷却部材の下面との間に形成され、前記導電シールドカンと前記導電冷却部材とを電気的に接続する導電性部材と、を備えることを特徴とする、半導体装置。
上記構成によって、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を実現できる。
(2前記導電性部材は、前記熱伝導シートを介して対向する導電性部材同士の間隔が、前記半導体素子の最大周波数における波長の1/10以下であることを特徴とする、上記(1)に記載の半導体装置。
(3)前記導電性部材は、前記導電シールドカン及び前記導電冷却部材と連結し、閉じた領域を形成していることを特徴とする、上記(2)に記載の半導体装置。
(4)前記導電性部材の抵抗値が、2Ω以下であることを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の半導体装置。
(5)前記導電性部材が、表面に粘着性又は接着性を有することを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の半導体装置。
(6)前記導電性部材が、樹脂の硬化物を含むことを特徴とする、上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の半導体装置。
(7)前記導電性部材が、導電性充填剤を含むことを特徴とする、上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の半導体装置。
(8)前記熱伝導シートが炭素繊維を含むことを特徴とする、上記(1)〜(7)のいずれか1項に記載の半導体装置。
ここで、図1〜3は、本発明の半導体装置の実施形態について、断面を模式的に示した図である。また、図4は、本発明の半導体装置の一実施形態について、組立状態を説明するための斜視図である。なお、各図面については、説明の便宜のため、各部材の形状やスケールが実際のものとは異なる状態で示されている。各部材の形状やスケールについては、本明細書の中で規定されていること以外は、半導体装置ごとに適宜変更することが可能である。
そして、本発明の半導体装置1では、前記導電シールドカン20が開口部21を有し、該開口部21を通して、前記熱伝導シート10が、前記半導体素子30と前記導電導電冷却部材40との間に形成されていること、並びに、前記導電性部材11が、前記導電シールドカン20の上面20aと前記導電冷却部材の下面40bとの間に形成され、前記導電シールドカン20と前記導電冷却部材40とを電気的に接続することを特徴とする。
また、前記導電性部材11が、前記導電シールドカン20と前記導電冷却部材40とを電気的に接続することによって、本発明の半導体装置1において電気的に閉じられた空間が形成される結果、導電シールドカン20の電磁波遮断効果を高めることが可能となり、導電シールドカン20に開口部21を設けた場合であっても、高い電磁波抑制効果が得られる。
(半導体素子)
本発明の半導体装置1は、図1〜3に示すように、基板50上に形成された半導体素子30を備える。
ここで、前記半導体素子30については、半導体による電子部品であれば特に限定されるものではない。例えば、ICやLSI等の集積回路、CPU、MPU、グラフィック演算素子、イメージセンサなどが挙げられる。
本発明の半導体装置1は、図1〜3に示すように、グラウンド60に接続された、開口部21を有する導電シールドカン20を備える。
前記グラウンド60に接続された導電シールドカン20によって、電磁波のシールドが可能となり、本発明の半導体装置1の電磁波抑制効果を向上できる。
前記、前記開口部21の大きさについては、特に限定はされず、半導体素子30の大きさ等に応じて適宜変更することができる。前記開口部21は、開口面積が小さい方が、電磁波の放出を少なくでき、放射電磁界を小さくすることが可能である。ただし、半導体素子30からの熱を逃がすという観点からは、前記開口部21を大きくして大きな熱伝導シート10を用いることが好ましい。そのため、開口部21の大きさは、本発明の半導体装置1に要求される熱伝導性や電磁ノイズ抑制効果に応じて適宜変更することになる。
本発明の半導体装置1は、図1〜3に示すように、前記導電シールドカン20の上部に導電冷却部材40を備える。
ここで、前記導電冷却部材40は、前記熱源(半導体素子30)から発生する熱を吸収し、外部に放散させる部材である。後述する熱伝導シート10を介して、前記半導体素子30と接続されることによって、半導体素子30が発生した熱を外部に拡散させ、半導体装置の放熱性を確保できる。
また、前記導電冷却部材40は、導電性を有するため、後述する、導電性部材21を介して、前記導電シールドカン20と電気的に接続されることによって、電気的に閉じた空間(図1の破線で囲んだ領域A)を形成し、半導体装置1の電磁波抑制効果を高めることができる。
また、前記導電冷却部材40は、その裏面40bにおいて、後述する導電性部材11と接触する部分に突起(図示せず)を設けることもできる。突起を設けることによって、導電性部材11及び該導電性部材11を介して設けられた導電シールドカン20との間価格を狭くでき、前記導電性部材11をフィルム等から構成した場合であっても強固な接続が可能となる。
本発明の半導体装置1は、図1〜3に示すように、少なくとも前記導電シールドカン20の開口部21を通して、前記半導体素子30と、前記導電冷却部材40との間に形成された熱伝導シート10を備える。
熱伝導性の高い熱伝導シート10が、半導体素子30と導電冷却部材40との間に設けられることで、放熱性を向上させることが可能となる。また、前記熱伝導シート10が、電磁波吸収性能を有する場合には、電磁波抑制効果も得ることも可能である。
また、前記熱伝導シート10のサイズについても、特に限定はされない。例えば、図1に示すように、前記導電シールドカン20の開口部21の面積よりも小さな断面積を有することもできるし、図2又は3に示すように、前記熱伝導シート10が、前記導電シールドカン20の上面20aの一部を覆うようなサイズをとすることもできる。
さらに、特に優れた電磁波抑制効果が得られる点からは、前記熱伝導シート10が、図2に示すように、前記導電シールドカン20の上面20a及び下面20bの一部を覆っていることが好ましい。
例えば、図1に示すように、前記熱伝導シート10が前記シールドカン20の上面20a又は下面20bを覆わない場合には、前記熱伝導シート10を一層のシートにより構成することができる。ただし、シートの厚さを調整しやすい等の観点から、複数のシートから構成することもできる。
また、図2及び3に示すように、前記熱伝導シート10が前記シールドカン20の上面20aや下面20bの一部を覆う場合には、前記熱伝導シート10を一層のシートにより構成してもよいし、複数のシートにより構成することもできる。前記熱伝導シート10を一層のシートから構成する場合には、熱伝導シート10と部材(図2及び3では、半導体素子30及び導電冷却部材40)とを圧着することによって、シートの一部が押し出され、前記シールドカン20の上面20aや下面20bの一部を覆うことができる。前記熱伝導シート10を複数枚のシートから構成する場合には、大きさが異なるシートを組み合わせることによって、所望の形状の熱伝導シート10を得ることができる。
ただし、前記熱伝導シート10と前記導電シールドカン20の端部との間の隙間が大きくなりすぎると、放熱効果が低下することが考えられるため、放熱効果の観点からは、前記熱伝導シート10と前記導電シールドカン20の端部との間の隙間の大きさXは、小さくすることが好ましい。
ここで、前記熱伝導シート10の厚さTは、図1〜3に示すように、前記熱伝導シート10の最も厚さが大きな部分の厚さTのことを意味し、一層のシートから形成されても、複数のシートから形成される場合も含む。
なお、前記熱伝導シート10の表面にタック性を付与する方法については特に限定はされない。例えば、後述する熱伝導シート10を構成するバインダ樹脂の適正化を図ってタック性を持たせることもできるし、該熱伝導シート10の表面にタック性のある接着層を別途設けることもできる。
例えば、高いレベルで、電磁波吸収性能及び熱伝導性を実現できる点からは、前記熱伝導シートとして、バインダ樹脂と、熱伝導性充填剤とを含む、熱伝導シートを用いることができる。
・バインダ樹脂
前記熱伝導シートを構成するバインダ樹脂とは、熱伝導シートの基材となる樹脂成分のことである。その種類については、特に限定されず、公知のバインダ樹脂を適宜選択することができる。例えば、バインダ樹脂の一つとして、熱硬化性樹脂が挙げられる。
上述した成形加工性、耐候性、密着性等を得る観点からは、前記シリコーンとして、液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤とから構成されるシリコーンであることが好ましい。そのようなシリコーンとしては、例えば、付加反応型液状シリコーン、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーン等が挙げられる。
なお、前記液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤との組合せにおいて、前記主剤と前記硬化剤との配合割合としては、質量比で、主剤:硬化剤=35:65〜65:35であることが好ましい。
前記熱伝導シートは、前記バインダ樹脂内に熱伝導性充填剤を含む。該熱伝導性充填剤は、シートの熱伝導性を向上させるための成分である。
なお、熱伝導性充填剤の形状、材料、平均粒径等については、シートの熱伝導性を向上させることができるものであれば、特に限定はされない。
なお、前記繊維状の熱伝導性充填剤の「繊維状」とは、アスペクト比の高い(およそ6以上)の形状のことをいう。そのため、本発明では、繊維状や棒状等の熱導電性充填剤だけでなく、アスペクト比の高い粒状の充填材や、フレーク状の熱導電性充填剤等も繊維状の熱導電性充填剤に含まれる。
なお、前記熱伝導性充填剤については、一種単独でもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。また、二種以上の熱伝導性充填剤を用いる場合には、いずれも同じ形状であってもよいし、それぞれ別の形状の熱伝導性充填剤を混合して用いてもよい。
これらの繊維状の熱伝導性充填剤の中でも、より高い熱伝導性を得られる点からは、繊維状の金属粉や、炭素繊維を用いることが好ましく、炭素繊維を用いることがより好ましい。
さらにまた、前記繊維状の熱伝導性充填剤の平均繊維径(平均短軸長さ)についても、特に制限はなく適宜選択することができるが、確実に高い熱伝導性を得る点から、4μm〜20μmの範囲であることが好ましく、5μm〜14μmの範囲であることがより好ましい。
ここで、前記繊維状の熱伝導性充填剤の平均長軸長さ、及び平均短軸長さは、例えばマイクロスコープ、走査型電子顕微鏡(SEM)等によって測定し、複数のサンプルから平均を算出することができる。
例えば、前記熱伝導シートによる熱伝導性を高め、本発明の半導体装置の放熱性を向上させたい場合には、前記熱伝導性充填剤をシート面に対して略垂直状に配向させる(前記半導体素子と前記導電冷却部材とを結ぶ方向に配向させる)ことが有効である。一方、前記熱伝導シートによる電磁波シールド性能を高め、本発明の半導体装置の電磁波抑制効果を向上させたい場合には、前記熱伝導性充填剤をシート面に対して略平行状に配向させることができる。
ここで、前記シート面に対して略垂直状や、略平行の方向は、前記シート面方向に対してほぼ垂直な方向やほぼ平行な方向を意味する。ただし、前記熱伝導性充填剤の配向方向は、製造時に多少のばらつきはあるため、本発明では、上述したシート面の方向に対して垂直な方向や平行な方向から±20°程度のズレは許容される。
また、前記熱伝導シートは、上述したバインダ樹脂及び熱伝導性繊維に加えて、無機物フィラーをさらに含むことができる。熱伝導シートの熱伝導性をより高め、シートの強度を向上できるからである。
前記無機物フィラーとしては、形状、材質、平均粒径等については特に制限がされず、目的に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状等が挙げられる。これらの中でも、球状、楕円形状が充填性の点から好ましく、球状が特に好ましい。
前記無機物フィラーがアルミナの場合、その平均粒径は、1μm〜10μmであることが好ましく、1μm〜5μmであることがより好ましく、4μm〜5μmであることが特に好ましい。前記平均粒径が1μm未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがある。一方、前記平均粒径が10μmを超えると、前記熱伝導シートの熱抵抗が大きくなるおそれがある。
さらに、前記無機物フィラーが窒化アルミニウムの場合、その平均粒径は、0.3μm〜6.0μmであることが好ましく、0.3μm〜2.0μmであることがより好ましく、0.5μm〜1.5μmであることが特に好ましい。前記平均粒径が、0.3μm未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがあり、6.0μmを超えると、前記熱伝導シートの熱抵抗が大きくなるおそれがある。
なお、前記無機物フィラーの平均粒径については、例えば、粒度分布計、走査型電子顕微鏡(SEM)により測定することができる。
さらに、前記熱伝導シートは、上述したバインダ樹脂、繊維状の熱伝導性繊維及び無機物フィラーに加えて、磁性金属粉をさらに含むことが好ましい。該磁性金属粉を含むことで、熱伝導シートの電磁波吸収性を向上させることができる。
なお、前記磁性金属粉については、材料が異なるものや、平均粒径が異なるものを二種以上混合したものを用いてもよい。
その他の成分としては、例えば、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤等が挙げられる。
本発明の半導体装置1は、図1〜3に示すように、前記導電シールドカン20の上面20aと前記導電冷却部材40の下面40bとの間に形成された、導電性部材11を備える。
前記導電性部材11が、前記導電シールドカン20と前記導電冷却部材40とを電気的に接続することによって、前記導電シールドカン20が開口部21を有する場合であっても、電気的に閉じた空間(図1の破線で囲んだ領域A)を形成することが可能となるため、電磁ノイズ抑制効果を高めることができる。
前記導電性部材11の形状としては、例えば、図4に示すように、中央に孔が空いたシート状を取ることもできる。これによって、図1〜3に示すように、前記導電シールドカン20の開口部21を囲むように、前記導電性部材11が配設され、前記導電シールドカン20と前記導電冷却部材40とを電気的に接続することができる。
なお、各部材の形状は同じものでもよいし、異なる形状の部材を組み合わせて用いることもできる。
ただし、前記導電性部材11が複数の部材から構成される場合には、上述した熱伝導シート10を介して対向する導電性部材11同士の間隔Pと同様に、確実に高い電磁波抑制効果を得る点から、各部材同士の間隔が、前記半導体素子の最大周波数における波長の1/10以下であることが好ましい。
例えば、前記導電シールドカン20と前記導電冷却部材40との電気的な接続を確実に可能とすることができる点からは、前記導電性部材11の材料が、少なくとも、バインダ樹脂と、導電性充填剤と、を含むことが好ましい。
なお、図2で示すように、前記導電性部材11と前記熱伝導シート10とが接するような実施形態の場合には、前記熱伝導シート10を、前記導電性部材11と同じ材料から構成する(つまり、熱伝導シート10が導電性部材11の役目を果たすようにする)こともできる。
さらに、前記熱導電性充填剤の形状については、特に限定はされない。例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状、繊維状、コイル状、網目状等のものを用いることができる。
前記添加剤としては、例えば、磁性粉、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤等が挙げられる。
具体的には、前記導電性部材11の抵抗値は、2Ω以下であることが好ましく、0.2Ω以下であることがより好ましく、0.1Ω以下であることがさらに好ましく、0.01Ω以下であることが特に好ましく、0.001Ω以下であることが最も好ましい。前記導電性部材11の抵抗値を2Ω以下とすることで、より優れた電磁波抑制効果が得られるからである。
なお、前記導電性部材11の熱伝導性(抵抗値)を変更させる方法としては、特に限定はされないが、バインダ樹脂の種類や、熱伝導性充填材の材料、配合量及び配向方向等を変えることによって、変更することが可能である。
なお、前記導電性部材11の表面に粘着性や接着性を付与する方法については特に限定はされない。例えば、前記導電性部材11を構成するバインダ樹脂の調製を行って接着力を向上させることもできるし、該導電性部材11の表面に粘着性のある材料を塗布することもできる。
例えば、図1及び3に示すように、前記導電性部材11が、前記熱伝導シート10から離れた位置に設けることもでき、また、図2に示すように、前記導電性部材11が、前記熱伝導シート10と接触するような位置に設けることもできる。
実施例1では、3次元電磁界シミュレータANSYS HFSS(アンシス社製)を用いて、図5(a)及び(b)に示すような半導体装置の解析モデルを作製し、電磁波抑制効果の評価を行った。
・ここで、半導体装置のモデルに用いた熱伝導シート10は、樹脂バインダとして2液性の付加反応型液状シリコーンを用い、磁性金属粉として平均粒径5μmのFe-Si-B-Crアモルファス磁性粒子を用い、繊維状熱伝導性充填剤として平均繊維長200μmのピッチ系炭素繊維(「熱伝導性繊維」 日本グラファイトファイバー株式会社製)を用い、2液性の付加反応型液状シリコーン:アモルファス磁性粒子:ピッチ系炭素繊維=35vol%:53vol%:12vol%の体積比となるように分散させて、シリコーン組成物(シート用組成物)を調製したものを用いた。得られた熱伝導シートは、垂直方向の平均熱伝導率(界面の熱抵抗と内部の熱抵抗を合わせて算出している)が、ASTM D5470に準拠した測定で9.2 W/m.Kを示し、該シートの磁気特性及び誘電特性については、Sパラメータ法で測定した値を用いた。なお、熱伝導シート10の厚さTは、0.7mmとした。
・また、半導体装置のモデルに用いた冷却部材40(ヒートシンク)は、アルミ板を材料として用い、大きさは60×120mmで、厚さは、0.3mmとした。
さらに、シールドカン20は、肉厚0.2mmのステンレスであり、外径寸法は、20mm×20mm×1.2mmとして中央に開口部21を設けた。開口部21の大きさは、□10mm:10mm×10mmとした。
・さらに、導電性部材11については、バインダ樹脂として熱伝導シート10と同様のシリコーンを用い、導電性充填剤として、炭素繊維を用い、外径寸法を、16mm×16mm×0.2mmとし、□12mmの開口を有するシート状のものを用いた。そして、上記導電性充填剤の含有量を変えることで、導電性部材11の抵抗値については、図7に示すように、180Ω、18Ω、1.8Ω、0.18Ω及び0.018Ωのサンプルを作製した。
なお、前記解析モデルの断面構造は、図1と同様であり、半導体素子30は、図5(a)及び(b)に示すように、マイクロストリップライン(MSL)31を樹脂モールドで覆ったものとし、該MSL31については、誘電体基板50(基板サイズ:60 mm×120 mm×0.65 mm)表面側に銅の信号線(信号線サイズ:1mm×14 mm×0.02 mm)、裏面側にグラウンド60を配したものとした。半導体素子30の信号源は、このMSL31で簡略化し両端を信号の入出力端に設定している。なお、上述の半導体素子30の本体(樹脂でモールドした部分)は、比誘電率4、誘電正接0.01の誘電体とした。なお、半導体素子30の本体の大きさは16mm×16mm×0.7mmとした。
図7では、導電性部材11の抵抗値が180Ω、18Ω、1.8Ω、0.18Ω及び0.018Ωのものを用いた場合の結果を、それぞれ示している。
その中でも特に、抵抗値を0.18Ω、0.018Ωの導電性部材11を備えるサンプルの電界強度が小さく、さらに優れた電磁波抑制効果を確認できた。
10 熱伝導シート
11 導電性部材
20 導電シールドカン
20a 導電シールドカンの上面
20b 導電シールドカンの上面
21 開口部
30 半導体素子
31 MSL
40 導電冷却部材
40b 導電冷却部材の下面
50 基板
51 ランド
60 グラウンド
100 従来の半導体装置
A 電気的に閉じた空間
P 熱伝導シートを介して対向する導電性部材同士の間隔
T 熱伝導シートの厚さ
Claims (8)
- 基板上に形成された半導体素子と、
グラウンドに接続された、開口部を有する導電シールドカンと、
前記導電シールドカンの上部に設けられた導電冷却部材と、
少なくとも前記導電シールドカンの開口部を通して、前記半導体素子と前記導電冷却部材との間に形成された熱伝導シートと、
前記導電シールドカンの上面と前記導電冷却部材の下面との間に形成され、前記導電シールドカンと前記導電冷却部材とを電気的に接続する導電性部材と、を備えることを特徴とする、半導体装置。 - 前記導電性部材は、前記熱伝導シートを介して対向する導電性部材同士の間隔が、前記半導体素子の最大周波数における波長の1/10以下であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記導電性部材は、前記導電シールドカン及び前記導電冷却部材と連結し、閉じた領域を形成していることを特徴とする、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記導電性部材の抵抗値が、2Ω以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記導電性部材が、表面に粘着性又は接着性を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記導電性部材が、樹脂の硬化物を含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記導電性部材が、導電性充填剤を含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記熱伝導シートが炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。
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