JP2902531B2 - 半導体装置の放熱装置 - Google Patents

半導体装置の放熱装置

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JP2902531B2 JP34694392A JP34694392A JP2902531B2 JP 2902531 B2 JP2902531 B2 JP 2902531B2 JP 34694392 A JP34694392 A JP 34694392A JP 34694392 A JP34694392 A JP 34694392A JP 2902531 B2 JP2902531 B2 JP 2902531B2
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康 小島
直哉 山▲崎▼
良憲 星野
勝樹 松永
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    • HELECTRICITY
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01L23/40Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4093Snap-on arrangements, e.g. clips
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Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の放熱装置
に関し、特に回路基板に実装された半導体装置を放熱体
により冷却する半導体装置の放熱装置に関する。

【0002】近年、電子機器の高機能化及び高密度実装
がますます進展するのに伴い、半導体集積回路は高集積
化されると共に動作の高速化によって使用電力が増加
し、半導体装置の発熱量が増加してきている。そのた
め、発熱した半導体装置の表面から効率良く放熱させる
放熱装置が必要とされている。

【0003】

【従来の技術】従来、外部放熱体を半導体装置に接触さ
せるタイプの半導体装置の放熱装置として、1つは回路
基板に実装された半導体装置上面に、スタッド部に複数
の放熱フィンを備えてなる放熱体を、熱伝導性接着剤で
固着した装置がある。また、他の1つは、同様な構造の
放熱体を固定金具によって半導体装置上面に固定するよ
うにした装置があり、例えば、2分割した固定金具を放
熱体の放熱フィンの間に両側から挿入して鋏み、スタッ
ド部端面を半導体装置の上面に押さえ付けるようにして
固定金具を回路基板に固着している。この固着はネジ止
めやフックの引っかけによって行われている。

【0004】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような放
熱装置では、前者の場合、半導体装置と放熱体との間に
接着剤が介在し、譬えそれが熱伝導性接着剤であって
も、熱伝導率は、半導体装置と放熱体との直接の接触に
比べて良くないため、放熱効率が低下してしまうという
問題があった。さらに放熱体と熱伝導性接着剤との熱膨
張係数が異なるため、高温状態では熱応力が発生して半
導体装置の上面にストレスを与えてしまうとともに、温
度サイクルの結果、遂には接着剤が劣化破壊し、放熱体
が半導体装置から脱落してしまうという問題があった。

【0005】後者の場合、半導体装置の上面に対し放熱
体が少し浮いたり、傾いて取り付けられる可能性があ
り、その場合、接触面積が著しく低下し、半導体装置か
ら放熱体への熱伝導は接触だけで行われているから、熱
伝導率が著しく低下するという問題があった。また、半
導体装置に対する放熱体の固定にあたって、必要以上の
圧力が放熱体側から半導体装置に加えられる恐れがあ
り、この場合には、半導体装置が破壊する可能性があっ
た。

【0006】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、回路基板に実装された半導体装置の上面にス
トレスを与えることなく、また、半導体装置からの放熱
体の脱落を防止しつつ、半導体装置から放熱体への確実
な熱伝導の確保を図った半導体装置の放熱装置を提供す
ることを目的とする。

【0007】

【課題を解決するための手段】本発明では上記目的を達
成するために、図1〜図3に示すように、放熱フィン1
bを有した放熱体1と、回路基板4に固定される放熱体
密着手段2とを備える。この放熱体1は端部付近に段差
部を有し、また、放熱体密着手段2は、放熱体1の段差
部と係合する切り欠き部2hと、放熱体1の段差部が切
り欠き部2hに係合したとき、放熱体1を半導体装置3
の外周面に密着させる弾性手段とを有している。そし
て、放熱体密着手段2は弾性があり熱伝導性のよい金属
のある板材から成り、割り溝2iによって撓み力を持た
せる。

【0008】また、図5,6に示すように、放熱体の段
差部は2段の構成(11b,11c)となっており、放
熱体密着手段の切り欠き部は、放熱体の2段の段差部に
それぞれ係合する2つの切り欠き部12ab,12ac
からなっている。

【0009】さらに、図7,8に示すように、放熱フィ
ンを有した放熱体21と、回路基板に固定される放熱体
密着手段22とを備える。この放熱体21は端部付近に
雄ねじ部21cを有し、放熱体密着手段22は、放熱体
21の雄ねじ部21cと係合する切り欠き部22abを
有する。

【0010】

【作用】以上の構成により、図1〜図3に示すように、
放熱体1の段差部を放熱体密着手段2の切り欠き部2h
に係合させ、放熱体1を放熱体密着手段2の中央部へス
ライドさせる。この際、放熱体密着手段2の弾性手段に
より、放熱体1の端部が半導体装置3の外周面に密着さ
れる。これにより、回路基板4に実装された半導体装置
3の上面にストレスを与えることなく、また、半導体装
置3からの放熱体1の脱落を防止しつつ、半導体装置3
から放熱体1への確実な熱伝導が確保される。そして、
放熱体密着手段2を弾性のある板材で構成し、この板材
に割り溝2iを設けることで、さらに放熱体密着手段2
に撓み力を与える。これにより、放熱体1の端部を半導
体装置3の外周面に、より確実に密着させることができ
る。

【0011】

【0012】また、図5,6に示すように、放熱体11
の段差部を2段の構成にし、放熱体密着手段の切り欠き
部12aに、放熱体11の2段の段差部にそれぞれ係合
する2つの切り欠き部12ab,12acを設け、放熱
体11を放熱体密着手段12の中央部へスライドさせた
とき、放熱体11の大きい径の段差部である周溝11b
が切り欠き部12ab(最奥部)に嵌合するようにす
る。これにより、放熱体11が放熱体密着手段12から
振動等により脱落することを防止できる。

【0013】さらに、図7,8に示すように、放熱体2
1を放熱体密着手段22の中央部へスライドさせたと
き、放熱体21の雄ねじ部21cを放熱体密着手段22
の切り欠き部22aの最奥部22abにねじ込み螺着す
る。この雄ねじ部21cのねじ込みにより、固定用ばね
金具22のばね変位を加減し、半導体装置上面に対する
放熱体21の端面の押圧力を適性な値に調節することが
できる。

【0014】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は、半導体装置の放熱装置の第1の実施例を
示すものであり、(A)はその平面図、(B)は側断面
図を示す。放熱装置は放熱体1と、固定用ばね金具2と
からなり、PGAタイプのLSIである半導体装置3が
回路基板4に実装されている。半導体装置3には複数の
リード3aおよびヒートシンク3bが設けられ、回路基
板4には複数のスルーホール4aが設けられる。放熱体
1および固定用ばね金具2の詳しい構造については、図
2,3をも参照して説明する。

【0015】図2は放熱体1の側面図である。放熱体1
は熱伝導度の良好なアルミニウムなどの金属からなり、
円柱状のスタッド部1aと、複数の円板状の放熱フィン
1bとを備えている。スタッド部1aの端部付近には、
スタッド部1aの円周に沿った溝である周溝1cを備え
ている。

【0016】図3は固定用ばね金具2を示し、(A)は
その平面図、(B)は側面図である。固定用ばね金具2
は、ばね性を有し、かつ熱伝導性のよい薄い金属板を加
工したものであり、主に、その平面部を占める中間片2
aと折曲片2b,2cとから成る。折曲片2b,2c
は、中間片2aが、回路基板4に実装された半導体装置
3を跨ぐようにするために、門形に折曲されたものであ
り、その両折曲片2b,2cの裾の四隅に、回路基板4
のスルーホール4aに挿入される取付足2d〜2gが一
体突設される。中間片2aの中央部には、放熱体1の周
溝1cが係合する切欠き2hを設ける。切欠き2hは、
放熱体1の周溝1cの直径と同じ幅の開口部と、放熱体
1の周溝1cの直径と同じ直径の円状の最奥部と、これ
らの開口部と最奥部とを繋ぐ直線状の中間部とから成
る。さらに、中間片2aには、切欠き2hの回りに、中
間片2aが上下に撓み、ばね変位し易くなるように、割
り溝2iを設ける。割り溝2iは、図3(A)に示すよ
うに、切欠き2hを中心にして対称に交互に刻まれる。
なお、折曲片2b,2cの高さH寸法と、放熱体1のス
タッド部1aの端面から周溝1cまでの長さL寸法(図
2参照)とは、図1に示したように、放熱体1と固定用
ばね金具2とが回路基板4に実装されたとき、放熱体1
が半導体装置3上面に適正な押圧力で押し当てられるよ
うに、割り溝2iの形状と共に考慮される。

【0017】つぎに、放熱装置の組立手順を図4を参照
して説明する。図4は組立手順を示す放熱装置の側断面
図であり、(A)から(D)への方向に組み立てられ
る。まず、(A)において、半導体装置3を回路基板4
に載置する。すなわち、半導体装置3のリード3aを回
路基板4のスルーホール4aに挿入し、仮固定する。

【0018】つぎに(B)において、固定用ばね金具2
を、半導体装置3を跨いで回路基板4に固着する。すな
わち、固定用ばね金具2の取付足2d〜2gを回路基板
4のスルーホール4aに挿入する。

【0019】そして(C)において、半導体装置3のリ
ード3aおよび固定用ばね金具2の取付足2d〜2gを
回路基板4に半田ディップにより接合し、固定する。最
後に(D)において、固定用ばね金具2の切欠き2hに
放熱体1の周溝1cを係合させ、側方から放熱体1を固
定用ばね金具2の中央部へスライドする。この際、固定
用ばね金具2のばね性および割り溝2iにより、放熱体
1のスタッド部1aの端面が半導体装置3の上面のヒー
トシンク3bに隙間なく密着し、半導体装置3から放熱
体1への確実な熱伝導が確保される。なお、固定用ばね
金具2も熱伝導性の良い素材から構成されているので、
固定用ばね金具2によっても放熱が行われる。また、固
定用ばね金具2の切欠き2hの最奥部の位置を、ヒート
シンク3bに対し適正な位置になるように予め設計する
ことが容易にできるから、放熱体1のスタッド部1aの
端面を半導体装置3の上面のヒートシンク3bに対し、
熱伝導が最も行われ易い位置に正確に位置決めすること
ができる。

【0020】なお、上記実施例では、放熱体1のスタッ
ド部1aの端面付近に周溝1cを設けたが、周溝1cに
代えて、固定用ばね金具2の切欠き2hに係合する段差
であればなんでもよく、例えば、直線状の溝、凹凸等で
あってもよい。

【0021】つぎに、第2の実施例を図5,6を参照し
て説明する。図5は半導体装置の放熱装置の第2の実施
例における放熱体を示し、(A)は放熱体の側面図、
(B)は放熱体を下側からみた底面図である。第2の実
施例の放熱体11は、第1実施例の放熱体1とほぼ同じ
形状を備えているが、周溝が異なる。すなわち、スタッ
ド部11aの端面付近に2段の周溝11b,11cを設
け、周溝11bの直径Vを周溝11cの直径Wより大き
く設定する。

【0022】図6は第2の実施例における固定用ばね金
具の平面図である。第2の実施例の固定用ばね金具12
は、第1実施例の固定用ばね金具2とほぼ同じ形状を備
えているが、切欠きが異なる。すなわち、切欠き12a
は、放熱体11の周溝11cの直径Wと同じ長さWの開
口部12aaと、放熱体11の周溝11bの直径Vと同
じ直径Vの円状の最奥部12abと、これらの開口部1
2aaと最奥部12abとを繋ぐ、幅Wの直線状の中間
部12acとから成る。

【0023】したがって、第2の実施例の放熱装置の組
み立てにおいては、固定用ばね金具12の切欠き12a
の開口部12aaおよび中間部12acに放熱体11の
周溝11cを係合させ、側方から固定用ばね金具12の
切欠き12aの最奥部12abに向け放熱体11をスラ
イドさせる。そして、放熱体11のスタッド部11aが
固定用ばね金具12の最奥部12abに至ると、固定用
ばね金具12のばね作用により、放熱体11の周溝11
bが固定用ばね金具12の最奥部12abに嵌合する。
これにより、放熱体11のスタッド部11aは最奥部1
2abに固定され、振動などにより放熱体11が固定用
ばね金具12から抜け落ちることを防止できる。

【0024】つぎに、第3の実施例を図7,8を参照し
て説明する。図7は半導体装置の放熱装置の第3の実施
例における放熱体の側面図である。第3の実施例の放熱
体21は、第1実施例の放熱体1とほぼ同じ形状を備え
ているが、周溝が異なる。すなわち、スタッド部21a
の端面付近に周溝21bの他にねじ部21cを付設す
る。そして、周溝21bの直径Wをねじ部21cの谷径
Vより小さく設定する。

【0025】図8は第3の実施例における固定用ばね金
具の平面図である。第3の実施例の固定用ばね金具22
は、第1実施例の固定用ばね金具2とほぼ同じ形状を備
えているが、切欠きが異なる。すなわち、切欠き22a
は、放熱体21の周溝21bの直径Wと同じ長さWの開
口部22aaと、放熱体21のねじ部21cの谷径Vと
同じ直径Vの最奥部22abと、これらの開口部22a
aと最奥部22abとを繋ぐ、幅Wの直線状の中間部2
2acとから成る。

【0026】したがって、第3の実施例の放熱装置の組
み立てにおいては、固定用ばね金具22の切欠き22a
の開口部22aaおよび中間部22acに放熱体21の
周溝21bを係合させ、側方から固定用ばね金具22の
切欠き22aの最奥部22abに向け放熱体21をスラ
イドさせる。そして、放熱体21のスタッド部21aが
固定用ばね金具22の最奥部22abに至ると、放熱体
21を回転して放熱体21のねじ部21cを固定用ばね
金具22の最奥部22abに対してねじ込み螺着する。
この放熱体21の回転により、固定用ばね金具22のば
ね変位を加減し、半導体装置上面に対する放熱体21の
端面の押圧力を適性な値に調節する。すなわち、上記の
第1および第2の実施例では、半導体装置上面に対する
スタッド部端面の押圧力が構成部品の関係寸法により一
義的に決められるのに対し、第3の実施例では押圧力を
調節することができ、半導体装置に過剰な押圧力が掛か
ることを防止することが可能となる。また、放熱体21
のスタッド部21aは固定用ばね金具22の最奥部22
abに固定されるから、振動などにより放熱体21が固
定用ばね金具22から抜け落ちることも防止できる。

【0027】以上の実施例では、半導体装置をPGAタ
イプのLSIで説明したが、半導体装置はQFPタイプ
のLSIであってもよい。また、上記実施例では、固定
用ばね金具は熱伝導性の良い素材から構成されている
が、素材は必ずしも熱伝導性の良い必要はなく、ばね性
があれば、樹脂等であってもよい。ただし、熱伝導性の
良い素材の方がより好ましい。

【0028】また、上記実施例では、固定用ばね金具に
割り溝を設けてばね性を高め、放熱体が半導体装置に密
着し易くしているが、必ずしも割り溝がなくとも、固定
用ばね金具にばね性があるので、放熱体を半導体装置に
密着させることは可能である。

【0029】また、上記実施例では、固定用ばね金具を
回路基板に、半導体装置を跨ぐようにして設置している
が、回路基板側にヒートシンクが設けられている半導体
装置に対しては、ヒートシンク付近の回路基板側に穴を
明け、半導体装置と反対側の回路基板側に固定用ばね金
具を設けるようにしてもよい。

【0030】さらに、放熱体のスタッド部の端面と半導
体装置のヒートシンクとをより密着させることを狙っ
て、両者の間に、シリコン・コンパウンド等の熱伝導性
のよい充填体を介在させるようにしてもよい。

【0031】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、放熱体
に段差部を設け、また、割り溝による撓み力を有する
熱体密着手段に、この段差部に係合する切り欠き部を設
け、放熱体の段差部を放熱体密着手段の切り欠き部に係
合させたとき、放熱体の端部が半導体装置の外周面に密
着するようにする。これにより、回路基板に実装された
半導体装置の上面にストレスを与えることなく、また、
半導体装置からの放熱体の脱落を防止しつつ、半導体装
置から放熱体への確実な熱伝導が確保される。

【0032】

【0033】また、放熱体の段差部を2段の構成にし、
放熱体密着手段の切り欠き部に、放熱体の2段の段差部
にそれぞれ係合する2つの切り欠き部を設け、放熱体の
2段の段差部のうちの大きい径の段差が放熱体密着手段
の切り欠き部の最奥部に嵌合するようにする。これによ
り、放熱体が放熱体密着手段から振動等により脱落する
ことを防止できる。

【0034】さらに、放熱体の端部付近に雄ねじ部を設
ける。そして放熱体を放熱体密着手段の中央部へスライ
ドさせたとき、放熱体の雄ねじ部を放熱体密着手段の切
り欠き部の最奥部にねじ込み螺着する。この雄ねじ部の
ねじ込みにより、固定用ばね金具のばね変位を加減し、
半導体装置上面に対する放熱体の端面の押圧力を適性な
値に調節することができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】半導体装置の放熱装置の第1の実施例を示すも
のであり、(A)はその平面図、(B)は側断面図を示
す。

【図2】放熱体の側面図である。

【図3】固定用ばね金具を示し、(A)はその平面図、
(B)は側面図である。

【図4】組立手順を示す放熱装置の側断面図である。

【図5】半導体装置の放熱装置の第2の実施例における
放熱体を示し、(A)は放熱体の側面図、(B)は放熱
体を下側からみた底面図である。

【図6】第2の実施例における固定用ばね金具の平面図
である。

【図7】半導体装置の放熱装置の第3の実施例における
放熱体の側面図である。

【図8】第3の実施例における固定用ばね金具の平面図
である。

【符号の説明】

1 放熱体 1a スタッド部 1b 放熱フィン 1c 溝部(周溝) 2 放熱体密着手段(固定用ばね金具) 2b 折曲片 2c 折曲片 2h 切り欠き部 2i 割り溝 3 半導体装置 4 回路基板 11a スタッド部 11b 周溝 11c 周溝 12a 切り欠き部 12ab 切り欠き部(最奥部) 12ac 切り欠き部(中間部) 21 放熱体 21c 雄ねじ部 22ab 切り欠き部(最奥部)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 潔 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 星野 良憲 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05K 7/20

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回路基板に実装された半導体装置を放熱
    体により冷却する半導体装置の放熱装置において、 端部付近に段差部を有するとともに、放熱フィン(1
    b)を有した放熱体(1)と、 前記放熱体(1)の段差部と係合する切り欠き部(2
    h)、および前記放熱体(1)の段差部が前記切り欠き
    部(2h)に係合したとき、前記放熱体(1)を半導体
    装置(3)の外周面に密着させるための撓み力を持たせ
    るための前記切り欠き部(2h)と平行な割り溝を有
    し、弾性がありかつ熱伝導性のよい金属板材からなり、
    回路基板(4)に固定される放熱体密着手段(2)と、 を備えることを特徴とする半導体装置の放熱装置。
  2. 【請求項2】 前記放熱体(1)は、端部付近に溝部
    (1c)を有するスタッド部(1a)と、前記スタッド
    部(1a)に設けられた複数の放熱フィン(1b)とか
    ら成ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の放
    熱装置。
  3. 【請求項3】 前記放熱体密着手段(2)は門形に折曲
    した2つの折曲片(2b,2c)を有し、前記半導体装
    置(3)を跨ぐように回路基板(4)に固定されること
    を特徴とする請求項1記載の半導体装置の放熱装置。
  4. 【請求項4】 前記放熱体の段差部は2段の構成(11
    b,11c)となっており、前記切り欠き部は、前記放
    熱体の2段の段差部にそれぞれ係合する2つの切り欠き
    部(12ab,12ac)からなっていることを特徴と
    する請求項1記載の半導体装置の放熱装置。
  5. 【請求項5】 前記放熱体は、端部付近に2段の周溝部
    (11b,11c)を有するスタッド部(11a)と、
    前記スタッド部(11a)に設けられた複数の放熱フィ
    ンとから成り、前記切り欠き部は、前記放熱体の2段の
    周溝部のうちの半径の小さい方の周溝部(11c)に係
    合する直線状の第1の切り欠き部(12ac)と、前記
    第1の切り欠き部(12ac)の端に設けられ、前記放
    熱体の2段の周溝部のうちの半径の大きい方の周溝部
    (11b)に係合する第2の切り欠き部(12ab)と
    から成ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の
    放熱装置。
  6. 【請求項6】 回路基板に実装された半導体装置を放熱
    体により冷却する半導体装置の放熱装置において、 端部付近に雄ねじ部(21c)を有するとともに、放熱
    フィンを有した放熱体(21)と、 前記放熱体(21)の雄ねじ部(21c)と係合する切
    り欠き部(22ab)、および前記放熱体(21)の雄
    ねじ部(21c)が前記切り欠き部(22ab)に係合
    したとき、前記放熱体(21)を半導体装置(3)の外
    周面に密着させるための撓み力を持たせるための前記切
    り欠き部(22aa)と平行な割り溝を有し、弾性があ
    りかつ熱伝導性のよい金属板材からなり、回路基板
    (4)に固定される放熱体密着手段(22)と、 を備えることを特徴とする半導体装置の放熱装置。
  7. 【請求項7】 前記放熱体密着手段(22)は、さらに
    前記放熱体(21)の雄ねじ部(21c)が前記切り欠
    き部(22ab)に係合したとき、前記放熱体(21)
    を半導体装置の外周面に密着させる弾性手段を有するこ
    とを特徴とする請求項記載の半導体装置の放熱装置。
  8. 【請求項8】 前記放熱体(21)の雄ねじ部(21
    c)は、前記切り欠き部(22ab)にねじ込み螺着さ
    れ、前記放熱体(21)の端部が半導体装置の外周面に
    密着するように調節されることを特徴とする請求項
    載の半導体装置の放熱装置。
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