JP3679721B2

JP3679721B2 - 半導体の冷却構造体

Info

Publication number: JP3679721B2
Application number: JP2001060315A
Authority: JP
Inventors: 慶満前田; 俊介山田; 淳三塩見; 一舟橋
Original assignee: Fuji Polymer Industries Co Ltd
Current assignee: Fuji Polymer Industries Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP2002261206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の冷却構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータ（ＣＰＵ），ビデオチップ，メモリーなどの半導体は使用中に発熱し、その熱のため電子部品の性能が低下することがある。そのため発熱するような電子部品には放熱体が取り付けられる。これら発熱素子と放熱体の間には通常、インターフェイスとして放熱シートが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般にこれら半導体の熱対策をするときに発熱する半導体に対してそれぞれ放熱シートを介在させていた。むろん多数の半導体が隣接している場合は一括して放熱シートを放熱体の間介在させる例がある。
【０００４】
しかし、基板上に実装される半導体は高さは一様でない。また、基板上にはいろいろな働きをする半導体が散在して配置されている。そのため各半導体に対して違う厚みの放熱シートを用意して放熱体に密着させている。また、放熱体も設計上いつも平面とは限らないため、同様に各半導体に対して違う厚みの放熱シートを用意して放熱体に密着させていた。さらに現状でも厚みの厚い放熱シートを用いることによって若干の高低差を吸収させて使用されている例もあるが、半導体間の距離がある場合に限られている。そうなると熱対策する半導体毎に放熱シートを貼り付けることが多くなり非常に面倒である。さらに熱対策に用いられる放熱シートは最近では柔らかいシリコーンゲルシートが用いられることが多いためますます面倒になってきた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するため、半導体と放熱体と間の距離に違いがあっても熱対策が必要な半導体の数より少ない数の放熱シートを介在することによって半導体の冷却ができる構造体を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の半導体の冷却構造体は、基板上に実装された基板からの高さの異なる複数の半導体、または放熱体の厚みの差がある実装体の半導体から発生する熱を放熱シートで冷却する構造体であって、前記半導体と前記放熱体の間には半導体の数より少ない数の放熱シートを介在させるとともに、前記放熱シートは上下両面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であり、内層に未加硫のコンパウンド層が存在し、前記内層は外側にはみ出しており、前記薄膜補強層および前記未加硫のコンパウンド層は、いずれもポリオルガノシロキサン成分１００重量部に対して無機物フィラー５０〜２５００重量部からなるコンパウンドであることを特徴とする。
【０００７】
【発明実施の形態】
本発明においては、基板からの高さの異なる複数の半導体の基板からの高さの差が、０．２ｍｍ以上であっても有効に放熱できる。同様に、半導体の高さは同じであるが放熱体の厚みの差がある実装体の厚みの差が、０．２ｍｍ以上であっても有効に放熱できる。
【０００８】
前記本発明の半導体の冷却構造に使用する放熱シートは、上下表面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であり、その間に未加硫のコンパウンド層が存在しその未加硫コンパウンド層の稠度が１８０以上であることが好ましい。
【０００９】
また、薄膜補強層および未加硫のコンパウンド層が、いずれもポリオルガノシロキサン成分１００重量部に対して無機物フィラー５０〜２５００重量部からなるコンパウンドであることが好ましい。
【００１０】
また、上下両面表層部の薄膜補強層の厚みが０．００２〜０．５ｍｍの範囲であり、その間の未加硫のコンパウンド層の厚みが０．２５〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００１１】
また、厚さ方向から荷重を１０ｇｆ／ｍｍ²以上かけたとき、内層の未加硫のコンパウンド層が外側にはみ出すことが好ましい。
【００１２】
また、厚さ方向から荷重をかけ、５０％圧縮した後、１分後の荷重値が、２０ｇｆ／ｍｍ²以下であることが好ましい。
【００１３】
また、表面表層部のアスカーＣ硬度が１０以上であることが好ましい。
【００１４】
本発明の半導体の冷却構造は基板上に実装された基板からの高さが異なる半導体，基板上に散在している半導体，均一の厚みでない放熱体を少ない枚数の放熱シートで熱対策ができるため簡単な熱設計，実装を実現できる。
【００１５】
放熱シートの材質はアクリル，ウレタン，シリコーンなどがありそれらの誘導体も適宜使用してよい。耐熱性を考慮するとシリコーンを使用するのが好ましい。
【００１６】
両表面の架橋密度を高くさせる方法としては放熱シートを構成する樹脂分を硬化させる成分を放熱シート表面に多く存在させ硬度を硬くするのが好ましい。
【００１７】
以下、図面とともに本発明の放熱シートを説明する。図１は本発明の一実施形態の低硬度放熱シートの断面図である。放熱シート１は、上下両面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層２，３と、その間の未加硫のコンパウンド層４によって形成されている。図２は、厚さ方向に圧縮荷重がかかったときの断面図である。未加硫のコンパウンド層４は両方の側面から膨出するため、応力を緩和でき、荷重値を低くすることができる。
【００１８】
本発明の放熱シートは、好適には上下面のいずれかの表層部から荷重を１０ｇｆ／ｍｍ²以上かけたとき、内層の未加硫のコンパウンド層が外側にはみ出す。これにより、圧縮荷重がかかったとき、内層の未加硫のコンパウンド層の外側へのはみ出しにより、応力を緩和でき、その結果、発熱素子に加わる荷重を低減することができる。
【００１９】
本発明の未加硫のコンパウンドを薄膜補強層にするには、シリコン原子に直接結合している水素原子が１分子中に少なくとも２個含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンが好適に使用される。
【００２０】
薄膜補強層の作成方法は、樹脂フィルムにあらかじめオルガノハイドロジェンポリシロキサンを塗布しておき、得られたオルガノハイドロジェンポリシロキサン層を内側に配置してその２枚の樹脂フィルムの間に未加硫のコンパウンドを充填し、前記オルガノハイドロジェンポリシロキサン層を未加硫のコンパウンドの両表面に転写して一体成形するのが好ましい。
【００２１】
成形方法としてはプレス成形、コーティング成形、カレンダー成形等があり未加硫のコンパウンドの性状でどの加工方法にするかは任意に選択できる。
【００２２】
樹脂フィルムにポリオルガノハイドロジェンポリシロキサンを塗布するにはナイフコーター，バーコーター，グラビアコーター，多段ロールコーターなどがありどれを用いてもよい。
【００２３】
放熱シートの切り口から未加硫のコンパウンドが滲みでてこないように未加硫のコンパウンドの稠度は１８０以上が好ましい。
【００２４】
未加硫のコンパウンドは架橋剤の添加されていないポリオルガノシロキサン成分１００重量部に対して無機物フィラー５０〜２５００重量部から構成される。
【００２５】
前記低硬度放熱シートは、スパーカッターなどのように刃がシート上面から下りて裁断する形式ではカット面が凸凹になりやすいため、ロータリーカッターのような丸刃で裁断されることが好ましい。
【００２６】
コンパウンドは、無機物フィラーが酸化アルミニウム，酸化亜鉛，酸化マグネシウム及び窒化硼素から選ばれる少なくともひとつの無機粒子であることが好ましい。無機物フィラーにはシランカップリング剤，チタンカップリング剤，アルミニウムカップリング剤などの処理をしてもよい。
【００２７】
難燃性付与のため白金系化合物を添加しもよい。白金系化合物としては塩化白金酸，アルコール変性塩化白金，白金オレフィン錯体，メチルビニルポリシロキサン白金錯体から選ばれる少なくともひとつであることが好ましい。
また、難燃助剤として酸化鉄，酸化チタン，水酸化アルミニウム，水酸化マグネシウムなどがあり一種または二種の混合物が好適に用いられる。
【００２８】
前記した本発明の低硬度放熱シートは上下面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であり、その間に未加硫のコンパウンドが存在することにより発熱素子に加わる荷重を低減することのできる放熱シートになりしかも上下面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であるため取り扱い性が良好な低硬度放熱シートを得ることができる。
【００２９】
【実施例】
以下実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
【００３０】
ここで使用する無機物フィラーは、フィラー表面をビニルトリメトキシシランなどのカップリング剤（例えば商品名「ＳＺ６３００」、東レ・ダウコーニングシリコーン株式会社）により処理をした。処理方法は乾式法であり、具体的には無機物フィラーをニーダーミキサーなどの混練機で攪拌中に前記カップリング剤を滴下し、３０分間攪拌した後、１２０℃に設定した熱風オーブン中で１時間乾燥して、目的とする無機物フィラーを得た。
【００３１】
樹脂フィルムはポリプロピレンフィルムを使用した。
【００３２】
樹脂フィルムへのオルガノハイドロジェンポリシロキサン（ＳＨ１１０７東レ・ダウコーニングシリコーン（株）製）をバーコーターにより厚さ５μｍで塗布した。得られた２枚の樹脂フィルムのオルガノハイドロジェンポリシロキサン層を内側に配置してその間に未加硫のコンパウンドを充填し、前記オルガノハイドロジェンポリシロキサン層を未加硫のコンパウンドの両表面に転写して一体成形する方法を採用した。
【００３３】
【実施例１】
架橋剤が添加されてないポリオルガノシロキサン１００重量部（ＳＥ４４００のＡ液東レ・ダウコーニングシリコーン（株））製に酸化アルミニウム１００重量部（ＡＬ３０昭和電工株式会社製））を添加混練りすることによって、未加硫のコンパウンドを得た（稠度：１９０）。これを前記オルガノハイドロジェンポリシロキサンを塗布した樹脂フィルム二枚でプレスで１２０℃、５分で硬化させ成型することで放熱シートを得ることができた。
【００３４】
得られた放熱シートの両表面の薄膜補強層の厚みは０．１ｍｍ、未加硫のコンパウンド層の厚みは１．８ｍｍ、トータル厚さ２．０ｍｍであった。
【００３５】
得られた放熱シートの特性は、硬度（アスカーＣ）が２３であり、５０％圧縮荷重（１分後）１０kgf荷重で１６gf/mm²、熱伝導率は２．５W/m・Kであり、表層部から荷重を10gf/mm²かけたとき、内層の未加硫のコンパウンド層が外側にはみ出す性質を有していた。
【００３６】
得られた放熱シート１を図３Ａに示す半導体実装基板に組み込んだ。具体的には、基板５の表面の半径５２ｍｍの円内に、高さ１．８ｍｍの半導体（ＩＣ）６ａと、高さ２．０ｍｍの半導体（ＩＣ）６ｂと、高さ１．８ｍｍの半導体（ＩＣ）６ｃが実装されている。図３Ｂの側面図に示すように、基板５と放熱板である厚さ２ｍｍのアルミニウム板７との間に１枚の放熱シート１を挟み込み実装した。
【００３７】
その結果、一枚の放熱シートのみですべての半導体温度を７０℃以下にすることができた。
【００３８】
以上の実施例によれば、基板5上に実装された高さの異なる複数の半導体6a,6b,6cから発生する熱を放熱シート1で放熱体7に放熱する構造体であって、半導体6a,6b,6cと放熱体７の間には半導体の数より少ない数の放熱シート１を介在させる。放熱シート１は上下両面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であり、内層に未加硫のコンパウンド層が存在し、前記内層は外側にはみ出す程度に流動性がある。これにより、内部のコンパウンドは未硬化なため圧力がかかっても徐々に緩和していくため多少の半導体と放熱体と間の距離は吸収できる。
【００３９】
【実施例２】
実施例１と同様な方法で厚さ１．５ｍｍの放熱シート（図４Ｂの符号１１）と厚さ３．０ｍｍの放熱シート（図４Ｂの符号１２）を得た。得られた放熱シートの両表面の薄膜補強層の厚みは０．１ｍｍであった。
【００４０】
得られた放熱シートの特性は、硬度（アスカーＣ）が２３であり、５０％圧縮荷重（１分後）１０kgf荷重で１６gf/mm²、熱伝導率は２．５W/m・Kであり、表層部から荷重を10gf/mm²かけたとき、内層の未加硫のコンパウンド層が外側にはみ出す性質を有していた。
【００４１】
得られた放熱シートを図４Ａに示す半導体実装基板に組み込んだ。具体的には、基板１５の表面の半径６０ｍｍの円内に、高さ２．３ｍｍの半導体（ＩＣ）１６ａと、高さ２．５ｍｍの半導体（ＩＣ）１６ｂと、高さ２．５ｍｍの半導体（ＩＣ）１６ｃと、高さ１．８ｍｍの半導体（ＩＣ）１６ｄと、高さ１．５ｍｍの半導体（ＩＣ）１６ｅが実装されている。図４Ｂの側面図に示すように、基板１５と放熱板である厚さ２ｍｍのアルミニウム板１７との間に２枚の放熱シート１１，１２を挟み込み実装した。
【００４２】
その結果、実施例１と同様に効率よく半導体の冷却ができた。
【００４３】
【実施例３】
実施例１と同様な方法で厚さ１．３ｍｍの放熱シート（図５Ｂの符号２１）を得た。得られた放熱シートの両表面の薄膜補強層の厚みは０．１ｍｍであった。
【００４４】
得られた放熱シートの特性は、硬度（アスカーＣ）が２３であり、５０％圧縮荷重（１分後）１０kgf荷重で１６gf/mm²、熱伝導率は２．５W/m・Kであり、表層部から荷重を10gf/mm²かけたとき、内層の未加硫のコンパウンド層が外側にはみ出す性質を有していた。
【００４５】
得られた放熱シートを図５Ａに示す半導体実装基板に組み込んだ。具体的には、基板２５の表面の半径５２ｍｍの円内に、高さ１．８ｍｍの半導体（ＩＣ）２６ａと、高さ１．８ｍｍの半導体（ＩＣ）２６ｂと、高さ１．８ｍｍの半導体（ＩＣ）２６ｃが実装されている。図５Ｂの側面図に示すように、基板２５と放熱板であるアルミニウム板（通常の部分の厚さ２．０ｍｍ，凸部の厚さ２．３ｍｍ）２７との間に１枚の放熱シート２１を挟み込み実装した。
【００４６】
その結果、実施例１と同様に効率よく半導体の冷却ができた。
【００４７】
以上の実施例によれば、基板25上に実装された複数の半導体26a,26b,26cを有し、放熱体27の厚みの差がある実装体の半導体から発生する熱を放熱シート21で放熱体27に放熱する構造体であって、半導体26a,26b,26cと放熱体2７の間に半導体の数より少ない数の放熱シート21を介在させる。放熱シート2１は上下両面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であり、内層に未加硫のコンパウンド層が存在し、前記内層は外側にはみ出す程度に流動性がある。これにより、内部のコンパウンドは未硬化なため圧力がかかっても徐々に緩和していくため多少の半導体と放熱体と間の距離は吸収できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、半導体と放熱体と間の距離に違いがあっても熱対策が必要な半導体の数より少ない数の放熱シートを介在することによって半導体の冷却ができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の低硬度放熱シートの断面図である。
【図２】同、厚さ方向に圧縮荷重がかかったときの断面図である。
【図３】Ａは本発明の実施例１で用いる半導体実装基板の平面配置図、Ｂは同実施例１の放熱シートを挟み込み実装した側面図である。
【図４】Ａは本発明の実施例２で用いる半導体実装基板の平面配置図、Ｂは同実施例２の放熱シートを挟み込み実装した側面図である。
【図５】Ａは本発明の実施例３で用いる半導体実装基板の平面配置図、Ｂは同実施例３の放熱シートを挟み込み実装した側面図である。

Claims

基板上に実装された基板からの高さの異なる複数の半導体、または放熱体の厚みの差がある実装体の半導体から発生する熱を放熱シートで冷却する構造体であって、
前記半導体と前記放熱体の間には半導体の数より少ない数の放熱シートを介在させるとともに、
前記放熱シートは上下両面表層部がゴム状に硬化させた薄膜補強層であり、内層に未加硫のコンパウンド層が存在し、前記内層は外側にはみ出しており、
前記薄膜補強層および前記未加硫のコンパウンド層は、いずれもポリオルガノシロキサン成分１００重量部に対して無機物フィラー５０〜２５００重量部からなるコンパウンドであることを特徴とする半導体の冷却構造体。
基板からの高さの異なる複数の半導体の基板からの高さの差が、０．２ｍｍ以上である請求項１に記載の半導体の冷却構造体。
半導体の高さは同じであるが放熱体の厚みの差がある実装体の厚みの差が、０．２ｍｍ以上である請求項１に記載の半導体の冷却構造体。
未加硫のコンパウンド層の稠度が１８０以上である請求項１に記載の半導体の冷却構造体。
上下両面表層部の薄膜補強層の厚みが０．００２〜０．５ｍｍの範囲であり、その間の未加硫のコンパウンド層の厚みが０．２５〜１０ｍｍの範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体の冷却構造体。
厚さ方向から荷重を１０ｇｆ／ｍｍ²以上かけたとき、内層の未加硫のコンパウンド層が外側にはみ出す請求項１〜５のいずれかに記載の半導体の冷却構造体。
厚さ方向から荷重をかけ、５０％圧縮した後、１分後の荷重値が、２０ｇｆ／ｍｍ²以下である請求項１〜６のいずれかに記載の半導体の冷却構造体。
表面表層部のアスカーＣ硬度が１０以上である請求項１〜７のいずれかに記載の半導体の冷却構造体。