JP4430451B2 - 半導体素子の放熱装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体素子の放熱装置に係り、とくに基板に実装された半導体素子上にヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置に関する。

パソコンや各種の電子機器の演算手段として中央演算処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）が広く用いられている。このようなＣＰＵは通常半導体のベアチップを樹脂あるいはセラミックによって封止してパッケージ化したものであって、その外表面の所定の位置に電極あるいはリードが取付けられ、このＣＰＵをマザーボード上に実装してマザーボードの接続用ランドに上記の電極あるいはリードを半田付けして接続するようにしている。

一方でＣＰＵの高性能化と演算速度の高速化とが進み、これに伴って動作時に内部でジュール熱を発生する。このような熱はパッケージを通して外表面に伝わる。そこでＣＰＵの内部を冷却するために、上記ＣＰＵの外表面に接するように純アルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導性に富む材料から成るヒートシンクを取付け、このヒートシンクを介して大気中に熱を放出している。

しかるに従来の単なるヒートシンクによる放熱のみでは、ＣＰＵの放熱を十分に行なうことができず、ＣＰＵが異常に高い温度、例えば１００℃以上の温度に昇温し、これによってＣＰＵの寿命を制限したり、処理動作に不具合を生じたりする可能性がある。従って半導体素子、とくにＣＰＵにおいては、より効果的な放熱装置を設けることを必要とする。

本願発明の課題は、ＣＰＵ等の半導体素子の放熱をより効果的に行ない得るようにした放熱装置を提供することである。

本願発明の別の課題は、低コストでしかも放熱性能を大幅に改善することが可能な半導体素子の放熱装置を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、ＣＰＵを構成する半導体素子の温度上昇をより確実に防止できるようにした半導体素子の放熱装置を提供することである。

本願発明の上記の課題および他の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。

本願の主要な発明は、基板に実装された半導体素子上に金属製のヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、
前記ヒートシンクの上面には多数の溝によって溝間にフィンを形成し、該フィンの外表面を直接大気と接触させるようにし、
前記半導体素子と前記ヒートシングの前記フィンが形成された上面とは反対側の平坦な底面との間または前記ヒートシンクの前記平坦な底面にカーボングラファイトシートを介装または接合するとともに、前記カーボングラファイトシートの外周部であって前記ヒートシンクの底面よりも外周側の部位に外方に突出する突出片を連設し、該突出片が大気と接触して放熱を行なうようにしたことを特徴とする半導体素子の放熱装置に関するものである。

ここで前記カーボングラファイトシートの前記突出片は、前記ヒートシンクの底面の４辺の側方に突出とともに、前記ヒートシンクの底面の外側部よりも外側で斜め上方に折曲げられてよい。また前記カーボングラファイトシートが接着シートを介して前記半導体素子の表面に接合されてよい。また前記カーボングラファイトシートの前記半導体素子と接合される部位または前記カーボングラファイトシートの前記ヒートシンクと接合される部位に熱伝導性グリースが塗布されてよい。また前記カーボングラファイトシートの所定の位置に開口が形成され、該開口によって前記半導体素子を逃げて前記カーボングラファイトシートが前記ヒートシンクの前記底面であって前記半導体素子との接合面の周縁部に接合されてよい。また前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片にさらにカーボングラファイトシートの接合片または折曲げ片が接合されてよい。また複数枚のカーボングラファイトシートを具備し、これらのカーボングラファイトシートの半導体素子またはヒートシンクと接する部位間および側方に突出する突出片間に前記カーボングラファイトシートよりも厚いカーボングラファイト製のパッドを介装してよい。また前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片に切込みが形成されてよい。また前記カーボングラファイトシートの前記突出片の先端部が筐体の内表面に接合されてよい。また前記半導体素子が中央演算処理装置（ＣＰＵ）であってよい。

本願の主要な発明は、基板に実装された半導体素子上に金属製のヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、ヒートシンクの上面には多数の溝によって溝間にフィンを形成し、該フィンの外表面を直接大気と接触させるようにし、半導体素子とヒートシングのフィンが形成された上面とは反対側の平坦な底面との間またはヒートシンクの平坦な底面にカーボングラファイトシートを介装または接合するとともに、カーボングラファイトシートの外周部であってヒートシンクの底面よりも外周側の部位に外方に突出する突出片を連設し、該突出片が大気と接触して放熱を行なうようにしたものである。

従ってこのような半導体素子の放熱装置によれば、半導体素子とヒートシンクとの間またはヒートシンクの外表面に介装または接合されたカーボングラファイトシートがより確実にヒートシンクに対して半導体素子の内部で発生した熱を伝達することになり、またはこのカーボングラファイトシートそれ自身が放熱を行なうために、ヒートシンクのみによる放熱に比べて放熱性能が改善される。従って半導体素子の過度の温度上昇が確実に抑えられ、半導体素子が熱によって劣化してその寿命が短くなることが回避される。

以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１〜図３は第１の実施の形態を示している。ここではマザーボードから成る実装基板１１上の所定の位置にソケット１２がマウントされるとともに、このソケット１２に半導体素子、例えばＣＰＵ１３が接続され、このＣＰＵ１３の電極が上記ソケット１２を介してマザーボード１１の接続用ランドに接続され、これによってマザーボード１１上の回路との間での電気的な接続が確立される。そしてＣＰＵ１３の上面にはヒートシンク１４が取付けられる。ヒートシンク１４はアルミニウム合金から成り、互いに平行な多数の溝を形成し、これらの溝間にフィン１５が形成されるようにしたものであって、フィン１５によって広い表面積を得、このような表面積の広い部分を大気と接触させることによって大気中に熱を逃がすものである。

このようなＣＰＵ１３の実装構造において、とくにここではカーボングラファイトシート１８が用いられる。グラファイトシート１８は天然の黒鉛を圧延し、樹脂を用いてその表面を絶縁封止してシート状に構成したものである。なおこのようなカーボングラファイトシート１８の表面には、必要であれば多数の筋を形成してもよい。また形成される筋の方向は、熱の伝達方向とほぼ一致するように形成することもできる。

このようなカーボングラファイトシート１８は図３に示すように、その外側側の四方にそれぞれ突出片１９を備えている。突出片１９は後述するように放熱部位になる。そしてこのようなカーボングラファイトシート１８をＣＰＵ１３とヒートシンク１４との間に挟着して取付ける。しかもこのカーボングラファイトシート１８の四方に突出する突出片１９を図２に示すように、ヒートシンク１４の側方に位置するように必要に応じて斜めに折曲げる。そして上記ヒートシンク１４を固定手段によって実装基板１１に固定すると、カーボングラファイトシート１８は半導体素子１３とヒートシンク１４との間に挟着された状態でその両側の表面が半導体素子１３の上面とヒートシンク１４の下面とにそれぞれ圧着される。なお半導体素子１３とカーボングラファイトシート１８との間および／またはカーボングラファイトシート１８とヒートシンク１４の底面との間に熱伝導性グリースを塗布しておくことが好ましい。

このような半導体素子１３の放熱装置によれば、この半導体素子を構成するＣＰＵ１３が演算動作を行なう際に、内部で発生するジュール熱をこの半導体素子１３のパッケージを通してカーボングラファイトシート１８とヒートシンク１４とに伝達することになる。すなわちここで発生した熱はカーボングラファイトシート１８からヒートシンク１４に伝達されるために、そのフィン１５と接触する大気中に放熱される。さらに一部の熱はカーボングラファイトシート１８それ自身の放熱機能によって放熱される。すなわちカーボングラファイトシート１８はアルミニウム合金から成るヒートシンク１４よりも放熱性に優れており、その四辺に突出する突出片１９が放熱動作を行なう。従ってヒートシンク１４による放熱動作と、カーボングラファイトシート１８による放熱動作とが重畳される。よって単位時間当りの放熱量が増加し、半導体素子１３の温度上昇が防止され、従来よりも放熱効果が改善される。

次に別の実施の形態を図４〜図７によって説明する。この実施の形態はヒートシンク１４の上部に強制冷却用の冷却ファン２３を配するとともに、接着シート２６によって半導体素子１３とカーボングラファイトシート１８とを互いに接合する構造を採用している。

ここで接着シート２６は図５に示すように、接着剤層の中に導電性粒子２７を多数分散させたものである。導電性粒子２７は図６に示すように樹脂ボール２８の表面にニッケル層２９を形成し、さらにその上に金層３０を形成している。なおこのような接着シートは異方性導電膜と称されており、例えばソニーケミカル株式会社等によって供給されている。ここでは同社製の例えば品番がＣＰ７６３２Ｋが用いられている。

半導体素子１３にカーボングラファイトシート１８を接合する際に、両者の間に介在される接着シート２６をその厚さ方向に圧縮すると、導電性粒子２７が図７に示すように互いに接触し、これによって厚さ方向に熱の伝達が確実に生ずるようになる。従ってこのような接着シート２６によって、カーボングラファイトシート１８が半導体素子１３の表面に確実に接合されるとともに、この半導体素子１３で発生した熱を上記接着シート２６を介してカーボングラファイトシート１８に確実に伝達することが可能になる。またここでは上述の如くヒートシンク１４上に冷却ファン２３が取付けられている。従ってこの冷却ファン２３によってヒートシンク１４のフィン１５の間の溝の部分に大気を強制的に送ることによって、ヒートシンク１４の放熱性能をさらに高めることが可能になり、より高い放熱性が確保される。

次にさらに別の実施の形態を図８によって説明する。この実施の形態は半導体素子１３とヒートシンク１４との間に介装されるカーボングラファイトシート１８のとくに半導体素子１３の上面に当る部分に矩形の開口３４を形成したものである。この矩形の開口３４は上記半導体素子１３のパッケージの大きさよりも一回り大きな寸法とし、これによって開口３４が半導体素子１３を逃げるようにする。そしてこのようなカーボングラファイトシート１８を図９に示すようにヒートシンク１４の底面であってその周縁部に接合する。このときに開口３４に上記半導体素子１３が位置するようにし、これによって半導体素子１３はヒートシンク１４の底面に直接接触するようになる。

従ってこのような構成によれば、半導体素子１３で発生した熱は直接ヒートシンク１４の底面に伝達されるとともに、このヒートシンク１４の底面に伝達された熱がヒートシンク１４のフィン１５によって放熱されるばかりでなく、ヒートシンク１４の底面に接合されたカーボングラファイトシート１８に伝達され、その突出片１９によって放熱されることになる。従ってこのような構成によれば、さらに放熱性が改善された半導体素子の放熱装置が得られる。

図１０は上記放熱装置にさらに変形を加えた構成を示しており、ヒートシンク１４の底面に接合されたカーボングラファイトシート１８の側方に突出する突出片１９の表面に同じくカーボングラファイトシートの接合片４６を接合しており、突出片１９の先端側の部分が３層構造になっている。従ってこれにより、突出片１９の部分における放熱性がさらに改善される。

図１１はさらに別の変形例を示している。この変形例は、ヒートシンク１４の底面に接合されるとともに、開口３４によって半導体素子１３を逃げているカーボングラファイトシート１８の側方に突出する突出片１９に断面がＬ字状に屈曲した折曲げ片４７を接合したものである。このような折曲げ片４７を接合することによって、側方に突出した突出片１９の放熱性がさらに改善される。

次に図１２および図１３によってさらに別の変形例を説明する。この変形例は図１２に示すように２枚のカーボングラファイトシート１８を備えている。これらのカーボングラファイトシート１８はその厚さが、例えば２０μｍの非常に薄いカーボングラファイトシートから構成されており、しかもその４辺には側方に突出するように一体に突出片１９が形成されている。そしてこれらのカーボングラファイトシート１８間には５枚の矩形のパッド４８が配されている。すなわちこれらのカーボングラファイトシート１８の半導体素子１３あるいはヒートシンク１４の底部に接する部位と側方へ突出した突出片１９間にそれぞれ厚さが、例えば２．０ｍｍのカーボングラファイトシート４８が介装されている。これらのパッド４８は粘着層を介して上下のカーボングラファイトシート１８の対応する部位に接合されている。

図１３はこのようなカーボングラファイトシート１８とパッド４８との組合わせから成る放熱装置によってＣＰＵ１３の放熱を行なう状態を示しており、フィン１５を備えるヒートシンク１４の底面に２枚のカーボングラファイトシート１８の中央部であってパッド４８を接合した部位を配するとともに、側方に突出する４つの突出片１９間にそれぞれパッド４８を接合した構造になっている。従ってこのような構成によれば、ＣＰＵ等の半導体素子１３からの熱がカーボングラファイトシート１８によってヒートシンク１４に伝達されるとともに、このカーボングラファイトシート１８の側方へ突出する突出片１９の部位においても、パッド４８を挟着して厚くなっている部分で熱を効果的に放熱させることが可能になる。しかもこのカーボングラファイトシート１８のヒートシンク１４の側縁よりも外側の屈曲される部位がパッド４８を含んでいないために、容易に屈曲させることが可能になる。

図１４は上記カーボングラファイトシート１８の変形例を示している。この変形例に係るカーボングラファイトシート１８の側方に突出する４つの突出片１９の先端部には切込みによって分割された複数の三角形の突片５１が形成され、このような突片５１によって先端効果を生じ、この先端効果によって突出片１９の先端部からの放熱性がさらに改善されることになる。なおこのカーボングラファイトシート１８の取付け構造は上記図９の取付け構造と同一であってよい。

図１５はさらに別の実施の形態を示している。この実施の形態は、カーボングラファイトシート１８の外側部に形成される突出片１９をより長くするとともに、この突出片１９の先端側の部分を折曲げて折返し片４０とし、この折返し片４０の外表面を接着シート４１を介して筐体４２の内表面に接合している。従ってこのような構成によれば、上記カーボングラファイトシート１８の突出片１９に流れる熱が、さらに筐体４２に伝達されることになり、この筐体４２が放熱手段を構成することになる。従ってカーボングラファイトシート１８による放熱性能を筐体４２の放熱を利用してより高めることが可能になる。

以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は何れも半導体素子１３としてＣＰＵを用いた例を示しているが、本願発明は必ずしもＣＰＵに限られることなく、その他各種の半導体素子の放熱装置に広く利用可能である。またそのパッケージの形態や実装基板１１に対する実装形態についても、上記実施の形態に限定されない。

本願発明は、ＣＰＵ等の半導体素子が発生する熱の放熱に広く利用可能である。

第１の実施の形態の放熱装置の分解斜視図である。 同放熱装置の縦断面図である。 カーボングラファイトシートの展開平面図である。 第２の実施の形態の放熱装置の縦断面図である。 接着シートの拡大断面図である。 接着シートに含まれる導電性粒子の拡大縦断面図である。 接着シートによる接合構造を示す拡大断面図である。 別の実施の形態のカーボングラファイトシートの展開平面図である。 このカーボングラファイトシートを用いた放熱装置の縦断面図である。 変形例に係る放熱装置の縦断面図である。 さらに別の変形例に係る放熱装置の縦断面図である。 さらに別の変形例に係る放熱装置のカーボングラファイトシートの分解斜視図である。 同放熱装置の縦断面図である。 変形例のカーボングラファイトシートの展開平面図である。 さらに別の実施の形態の放熱装置を示す縦断面図である。

符号の説明

１１ 実装基板（マザーボード）
１２ ソケット
１３ 半導体素子（ＣＰＵ）
１４ ヒートシンク
１５ フィン
１８ カーボングラファイトシート
１９ 突出片
２３ 冷却ファン
２６ 接着シート
２７ 導電性粒子
２８ 樹脂ボール
２９ ニッケル層
３０ 金層
３４ 開口
３５ 小孔
３６ 小孔
４０ 折返し片
４１ 接着シート
４２ 筐体
４６ 接合片
４７ 折曲げ片
４８ パッド（カーボングラファイトシート）
５１ 三角形の突出片

Claims (10)

1. 基板に実装された半導体素子上に金属製のヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、
   前記ヒートシンクの上面には多数の溝によって溝間にフィンを形成し、該フィンの外表面を直接大気と接触させるようにし、
   前記半導体素子と前記ヒートシングの前記フィンが形成された上面とは反対側の平坦な底面との間または前記ヒートシンクの前記平坦な底面にカーボングラファイトシートを介装または接合するとともに、前記カーボングラファイトシートの外周部であって前記ヒートシンクの底面よりも外周側の部位に外方に突出する突出片を連設し、該突出片が大気と接触して放熱を行なうようにしたことを特徴とする半導体素子の放熱装置。
2. 前記カーボングラファイトシートの前記突出片は、前記ヒートシンクの底面の４辺の側方に突出するとともに、前記ヒートシンクの底面の外側部よりも外側で斜め上方に折曲げられることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の放熱装置。
3. 前記カーボングラファイトシートが接着シートを介して前記半導体素子の表面に接合されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
4. 前記カーボングラファイトシートの前記半導体素子と接合される部位または前記カーボングラファイトシートの前記ヒートシンクと接合される部位に熱伝導性グリースが塗布されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
5. 前記カーボングラファイトシートの所定の位置に開口が形成され、該開口によって前記半導体素子を逃げて前記カーボングラファイトシートが前記ヒートシンクの前記底面であって前記半導体素子との接合面の周縁部に接合されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の放熱装置。
6. 前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片にさらにカーボングラファイトシートの接合片または折曲げ片が接合されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
7. 複数枚のカーボングラファイトシートを具備し、これらのカーボングラファイトシートの半導体素子またはヒートシンクと接する部位間および側方に突出する突出片間に前記カーボングラファイトシートよりも厚いカーボングラファイト製のパッドを介装したことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
8. 前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片に切込みが形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
9. 前記カーボングラファイトシートの前記突出片の先端部が筐体の内表面に接合されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
10. 前記半導体素子が中央演算処理装置（ＣＰＵ）であることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れかに記載の半導体素子の放熱装置。

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