JP2019220604A - Heat dissipation mechanism of semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子の放熱機構に関し、詳しくは、半導体素子を冷却するためにヒートパイプを用いた半導体素子の放熱機構に関する。 The present invention relates to a heat dissipation mechanism for a semiconductor element, and more particularly, to a heat dissipation mechanism for a semiconductor element using a heat pipe to cool the semiconductor element.
半導体素子の高機能化・高性能化に伴い、半導体素子の発熱量は増加しやすくなる。また、実装基板のコンパクト化を達成するために半導体素子を小型にした場合にも、発熱量は増加する。半導体素子の発熱量の増加は半導体素子の性能に影響を与えることが多い。このため、例えば、特許文献1、2には、ヒートパイプを利用して半導体素子を冷却する構造が開示されている。また、特許文献3には、ヒートパイプの構造が開示されている。
As the function and performance of the semiconductor element become higher and higher, the amount of heat generated by the semiconductor element tends to increase. Also, when the size of the semiconductor element is reduced in order to achieve a compact mounting board, the amount of heat generated also increases. An increase in the amount of heat generated by a semiconductor element often affects the performance of the semiconductor element. For this reason, for example,
ところで、WLCSP(Wafer Level Chip Size Package)のような小型の集積回路では、半導体素子(ベアチップともいう)は、その表面に多数のバンプ電極を形成し、各バンプ電極を実装基板上のパッドに接触させて実装する(フェイスダウン実装)。
一般に、フェイスアップ実装では、半導体素子の裏面全体が実装基板に直接接触しているので、半導体素子で生じた熱は、半導体素子の裏面から実装基板に放熱される。
By the way, in a small-sized integrated circuit such as a WLCSP (Wafer Level Chip Size Package), a semiconductor element (also referred to as a bare chip) has a large number of bump electrodes formed on its surface, and each bump electrode contacts a pad on a mounting board. And implement (face-down implementation).
In general, in face-up mounting, the entire back surface of the semiconductor element is in direct contact with the mounting substrate, so that heat generated in the semiconductor element is radiated from the back surface of the semiconductor element to the mounting substrate.
しかし、WLCSPでは、半導体素子の裏面は実装基板に対し物理的に接触していないため、放熱放射によるものが支配的となる。また、半導体素子の表面と実装基板の表面との間には、バンプ電極の高さに相当するギャップが必然的に形成されていることから、半導体素子の表面と実装基板の表面との間で効率的な熱的接触を得ることは難しい。なお、このギャップにアンダーフィル材(樹脂溶剤)を充填する手法も知られているが、樹脂部材は一般的に熱伝導率の劣るものであり、また、樹脂部材がギャップ内にのみ充填され、半導体素子の設置範囲からはみ出ないような対策が別途必要になる。 However, in the WLCSP, since the back surface of the semiconductor element is not in physical contact with the mounting substrate, the radiation by heat radiation is dominant. In addition, since a gap corresponding to the height of the bump electrode is inevitably formed between the surface of the semiconductor element and the surface of the mounting substrate, the gap between the surface of the semiconductor element and the surface of the mounting substrate is formed. It is difficult to obtain efficient thermal contact. Although a method of filling the gap with an underfill material (resin solvent) is also known, the resin member generally has poor thermal conductivity, and the resin member is filled only in the gap. A separate countermeasure that does not protrude from the installation range of the semiconductor element is required.
近年、GaAsを主材料とする化合物半導体デバイスに加えて、GaNを主材料とする化合物半導体デバイスが実用化され始めている。後者のデバイスでは、基板材としてSiC、サファイア等の使用が一般的である。これら基板材の熱伝導率は、GaAs、あるいはSiに比較して非常に良好であり、この基板材の良熱伝導性を有効に利用するためにも、半導体素子の裏面に対する放熱機構が望まれる。 In recent years, compound semiconductor devices using GaN as a main material in addition to compound semiconductor devices using GaAs as a main material have begun to be put into practical use. In the latter device, SiC, sapphire, or the like is generally used as a substrate material. The thermal conductivity of these substrate materials is much better than that of GaAs or Si. To effectively utilize the good thermal conductivity of this substrate material, a heat dissipation mechanism for the back surface of the semiconductor element is desired. .
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、半導体素子を高信頼性、かつ、低コストで実装させる半導体素子の放熱機構を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a semiconductor device heat radiation mechanism for mounting a semiconductor device with high reliability and low cost.
本発明の一態様に係る半導体素子の放熱機構は、表面と裏面を有し、前記表面に複数のバンプ電極を設けた半導体素子と、前記表面と対向し、複数の前記ンプ電極それぞれと物理的に接触するパッドを有する実装基板と、前記半導体素子の前記裏面に接触して該半導体素子を放熱させるヒートパイプと、を備え、該ヒートパイプは、その内部を溶媒が循環する溶媒伝導部と、該溶媒伝導部の端部分に設けられ、略平板状に形成された圧潰部と、を有し、該圧潰部が、銀ペースト接着剤を介して前記半導体素子の前記裏面に接触している。 A heat dissipation mechanism for a semiconductor element according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor element having a front surface and a back surface, a plurality of bump electrodes provided on the front surface, and a plurality of bump electrodes facing the front surface and physically connected to each of the plurality of pump electrodes. A mounting substrate having a pad in contact with, and a heat pipe that contacts the back surface of the semiconductor element and radiates the semiconductor element, and the heat pipe has a solvent conduction section through which a solvent circulates, And a crushed portion formed in a substantially flat plate shape, provided at an end portion of the solvent conducting portion, and the crushed portion is in contact with the back surface of the semiconductor element via a silver paste adhesive.
上記によれば、半導体素子を高信頼性、かつ、低コストで実装することができる。 According to the above, the semiconductor element can be mounted with high reliability and at low cost.
[本発明の実施形態の詳細]
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る半導体素子の放熱機構の具体例について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る半導体素子の放熱機構のヒートパイプを説明するための図であり、図2は、ヒートパイプの拡大図である。
図1に示すように、ヒートパイプ30は、細長い棒状で形成され、その内部に溶媒を循環させて、吸熱箇所と放熱箇所との間の熱の授受を行うデバイスである。
[Details of Embodiment of the Present Invention]
Hereinafter, specific examples of the heat dissipation mechanism of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a view for explaining a heat pipe of a heat dissipation mechanism of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of the heat pipe.
As shown in FIG. 1, the
詳しくは、図1(A)に示すように、ヒートパイプ30は、中央位置に溶媒伝導部31を有し、溶媒伝導部31の一端には吸熱部31aが設けられ、他端には放熱部31bが設けられている。溶媒伝導部31は内壁に毛細管構造(ウイックともいう)を有し、溶媒伝導部31の内部には溶媒(例えば水、アルコール等)が密封されている。
吸熱部31aでは、外部から熱を奪って溶媒が蒸発する。蒸気が放熱部31bに向けて移動すると、放熱部31bでは、凝縮線熱を放出して溶媒が液化する。これにより、吸熱部31aと放熱部31bとの間の熱の授受を行うことができる。なお、溶媒はウイックの毛細管力によって還流する。
Specifically, as shown in FIG. 1A, the
In the
吸熱部31aから放熱部31bまでの長さは40(mm)以上で形成されており、吸熱部31aや放熱部31bの幅は3(mm)程度で、厚みが0.4(mm)程度である。
また、吸熱部31aの端部には、圧潰部33が溶接部32を介して設けられ、放熱部31bの端部にも、圧潰部33が溶接部32を介して設けられている。
各圧潰部33は、後述するベアチップ10の裏面12や放熱デバイス20との接触面積を増やすために、上下方向(ベアチップ10の表面11と裏面12を結ぶ方向)で潰れた略平板状に形成されている。吸熱部31a側の圧潰部33は、ベアチップ10の熱を吸熱部31aに伝え、放熱部31b側の圧潰部33は、放熱部31bの熱を放熱デバイス20に伝える。なお、圧潰部33は正面視で五角形状に形成されているが、四角形状でもよい。
The length from the
A crushed
Each crushing
各圧潰部33のうち、吸熱部31aに連結した圧潰部33には、複数(例えば5個)の貫通穴34が設けられている。具体的には、図1(B)や図2に示すように、圧潰部33は、ベアチップ10の裏面12に対向する下面33bと、この下面33bの反対側に位置する上面33aとを有し、貫通穴34が上面33aと下面33bとを貫通して設けられている。
Among the crushing
貫通穴34は、例えば直径0.5mm程度で形成されて上面33aや下面33bで開口しており、圧潰部33の中央位置と、この中央位置を挟んでヒートパイプ30の長手方向に1個ずつ形成され、また、この中央位置を挟んでヒートパイプ30の短手方向にも1個ずつ形成されている。
The through-
図3、4は、半導体素子の放熱機構による半導体素子の冷却を説明するための図である。
図3(A)に示すように、ベアチップ10はプリント基板2に実装される。プリント基板2の下側には、例えば銅板等のヒートシンク1が設置されている。なお、ベアチップ10が本発明の半導体素子に、プリント基板2が本発明の実装基板にそれぞれ相当する。
3 and 4 are diagrams for explaining cooling of the semiconductor element by the heat dissipation mechanism of the semiconductor element.
As shown in FIG. 3A, the
ベアチップ10は数mm2程度の表面11や裏面12を有し、表面11に複数のバンプ電極40が形成されている。そして、裏面12を上方に、表面11を下方に向けた姿勢で、バンプ電極40それぞれをプリント基板2のパッド(図示省略)と物理的に接触させる(半田リフロー実装工程)。放熱デバイス20は、エアファンや金属筐体(ヒートシンク)等であり、プリント基板2上の適宜位置に実装される。
The
次に、図3(B)に示すように、ベアチップ10の表面11とプリント基板2との間に、アンダーフィル41を流入させる(アンダーフィル注入工程)。これにより、後述する余ったナノ銀ペーストがベアチップ10の表面11とプリント基板2との間に流入するのも防止できる。
Next, as shown in FIG. 3B, an
続いて、図3(C)に示すように、ベアチップ10の裏面12に、ナノ銀ペースト42を塗布する(ナノ銀ペースト塗布工程)。ナノ銀ペーストは、熱伝導性が優れており、180℃程度の低温で硬化・接合可能であり、かつ、硬化後は銀とほぼ同じ熱伝導率を有している。なお、ナノ銀ペーストが本発明の銀ペースト接着剤に相当する。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a
吸熱部31a側の圧潰部33とベアチップ10の裏面12とを気密に接合させるために、ナノ銀ペースト42を多量に使用すると、ベアチップ10の裏面12からベアチップ10の側面やプリント基板2上に濡れ広がり、プリント基板2の導体パターン等をショートさせることがある。このため、ナノ銀ペースト42は塗布量を予め評価してベアチップ10の裏面12に塗布する。また、図3(C)に示すように、放熱デバイス20にもナノ銀ペースト42を塗布する。
If a large amount of the
次いで、図4(A)に示すように、ベアチップ10から放熱デバイス20まで届く適当な長さのヒートパイプ30を準備し、吸熱部31a側の圧潰部33をベアチップ10の裏面12に、放熱部31b側の圧潰部33を放熱デバイス20にそれぞれ位置合わせする(ヒートパイプセット工程)。
圧潰部33の下面33bがナノ銀ペースト42を用いてベアチップ10の裏面12に接触しているので、小型サイズの表面11にバンプ電極40を形成した場合にも、ヒートパイプ30をベアチップ10に確実に接合・固定することができる。このように、ベアチップ10の裏面12からの放熱パスを、ヒートパイプ30やナノ銀ペースト42を用いて確保したことにより、ベアチップ10を高信頼性、かつ、低コストで実装することができる。
Next, as shown in FIG. 4A, a
Since the
上記のようにナノ銀ペースト42の塗布量を管理しても、多量に塗布される場合があるが、吸熱部31a側の圧潰部33には、余ったナノ銀ペースト42を逃がすことができる例えば5個の貫通穴34が形成されている。つまり、ナノ銀ペースト42が圧潰部33に押されてベアチップ10の裏面12上で余ったとしても、図4(B)に示すように、毛細現象によって圧潰部33の内部を、下面33bから上面33aに向けて這い上がる。這い上がたナノ銀ペースト42は、その状態で硬化できるので、ベアチップ10の側面やプリント基板2上に濡れ広がるのを確実に防止できる。
Even if the application amount of the
このヒートパイプセット工程に続き、オモリ治具43を吸熱部31a側の圧潰部33と、放熱部31b側の圧潰部33とにそれぞれ載せる。そして、所定の効果条件(例えば50g重程度の加圧しながら、180℃で2時間程度の加熱)でナノ銀ペースト42を硬化させ、ヒートパイプ30とベアチップ10や放熱デバイス20とを接合する(ヒートパイプ接合工程)。
Following the heat pipe setting step, the
今回開示された実施の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、上記した意味ではなく、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。 The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1…ヒートシンク、2…プリント基板、10…ベアチップ、11…表面、12…裏面、20…放熱デバイス、30…ヒートパイプ、31…溶媒伝導部、31a…吸熱部、31b…放熱部、32…溶接部、33…圧潰部、33a…上面、33b…下面、34…貫通穴、40…バンプ電極、41…アンダーフィル、42…ナノ銀ペースト、43…オモリ治具。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heat sink, 2 ... Printed circuit board, 10 ... Bare chip, 11 ... Front surface, 12 ... Back surface, 20 ... Heat dissipation device, 30 ... Heat pipe, 31 ... Solvent conduction part, 31a ... Heat absorption part, 31b ... Heat dissipation part, 32 ... Welding Part, 33: crushed part, 33a: upper surface, 33b: lower surface, 34: through hole, 40: bump electrode, 41: underfill, 42: nano silver paste, 43: weight jig.
Claims (2)
前記表面と対向し、複数の前記ンプ電極それぞれと物理的に接触するパッドを有する実装基板と、
前記半導体素子の前記裏面に接触して該半導体素子を放熱させるヒートパイプと、を備え、
該ヒートパイプは、その内部を溶媒が循環する溶媒伝導部と、該溶媒伝導部の端部分に設けられ、略平板状に形成された圧潰部と、を有し、
該圧潰部が、銀ペースト接着剤を介して前記半導体素子の前記裏面に接触している、半導体素子の放熱機構。 A semiconductor element having a front surface and a back surface, and a plurality of bump electrodes provided on the front surface;
A mounting substrate having a pad facing the surface and physically contacting each of the plurality of pump electrodes,
A heat pipe that contacts the back surface of the semiconductor element to dissipate the heat of the semiconductor element,
The heat pipe has a solvent conduction section through which the solvent circulates, and a crushed section provided at an end portion of the solvent conduction section and formed in a substantially flat plate shape,
A heat dissipation mechanism for a semiconductor device, wherein the crushed portion is in contact with the back surface of the semiconductor device via a silver paste adhesive.
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