JP4467380B2

JP4467380B2 - 半導体パッケージ、それを搭載したプリント基板、並びに、かかるプリント基板を有する電子機器

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Publication number: JP4467380B2
Application number: JP2004232921A
Authority: JP
Inventors: 久雄安斎
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: US7268427B2; JP2006054230A; US20060033202A1

Description

本発明は、一般に放熱機構に係り、特に、電子機器に搭載された発熱性回路素子（以下、「発熱素子」という。）から発生する熱を伝達するための放熱機構に関する。本発明は、例えば、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という。）のプリント基板（「システム基板」や「マザーボード」と呼ばれる場合もある。）に実装されるＣＰＵを放熱するためのヒートスプレッダに関する。ここで、「ヒートスプレッダ」とは、一般には、発熱素子からの熱を外部に効率的に伝達するための金属板をいう。

近年、高性能な電子機器を供給する需要が益々高まっており、かかる要求を満足するために、ＢＧＡパッケージが従来から提案されている。ＢＧＡパッケージは、ハンダ付けによってプリント基板（「システム基板」や「マザーボード」と呼ばれる場合もある。）に接続するパッケージ基板の一種である。ＢＧＡパッケージは、４辺にガルウィング型のリードを有するＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）に比較して、パッケージのサイズを大きくせずにリードの狭ピッチ化及び多ピン化（多リード化）を実現し、パッケージの高密度化により電子機器の高性能化を達成するものである。

ＢＧＡパッケージは、一般にＣＰＵとして機能するＩＣやＬＳＩを搭載し、ＬＳＩの性能の向上や大型化に伴ってその発熱量も、例えば、１００Ｗ乃至１５０Ｗと増加する。そこで、ＬＳＩの電子回路を熱的に保護するために、ＬＳＩには、ヒートシンクと呼ばれる冷却装置がヒートスプレッダを介して熱的に接続されている。ヒートシンクは、冷却フィンを含み、ＣＰＵに近接して自然冷却によってＬＳＩの放熱を行う。銅などの熱伝導性の高い（約１６．５×１０^−６／℃）材料をヒートスプレッダに用いると、シリコンからなるＬＳＩの熱伝導率（約４．２×１０^−６／℃）との差は非常に大きくなる。また、ＬＳＩの厚さは数百ミクロンであり、ヒートスプレッダの厚さは数ミリであるため両者の厚さの差も大きい。

従来技術としては、例えば、特許文献１乃至６などがある。
特開平６−１６９０３７号公報特開平２−４７８９５号公報特開平６２−１８３１５０号公報特開２００２−１８４９１４号公報実開平２−１０１５３５号公報

ＬＳＩとヒートスプレッダとは接合層によって接合される。接合層は典型的にエポキシ樹脂やハンダなどの弾性力のない接合材料を使用する。例えば、シリコンからなるチップの上に熱硬化型接着剤を介して銅からなるヒートスプレッダを配置し、例えば、１５０℃で接合層を硬化させ、その後、常温に戻す。この時、ヒートスプレッダ及びＬＳＩには熱歪が発生するが、ヒートスプレッダはＬＳＩよりも厚く、厚さ方向に撓みにくい。そのためＬＳＩには大きな熱応力が加わり、ＬＳＩや接合層が破壊するという問題が発生してきた。特に、チップサイズが大型化するに従ってＬＳＩが受ける熱応力の影響は顕著になってきた。

かかる問題を防止するために、接合層に弾性的な接着剤、例えば、シリコン系の接着剤、あるいは、シート又はペースト状の接合材を使用することが考えられる。しかし、ハンダ等の金属接合材料の熱伝導率が約４０Ｗ／℃・ｍであるのに対してそれらの材料の熱伝導率は、例えば、１乃至２Ｗ／℃・ｍと小さく、ＣＰＵの放熱効率を低下させる。ＬＳＩは非動作時には２００℃程度の温度にも耐えられるが、動作時には電子回路は約１００℃以下に維持されて熱的に保護される必要がある。放熱効率が低いと動作時にＬＳＩの温度が１００℃を超えてしまい熱破壊するおそれがある。特に、近年のＣＰＵの発熱量の増大に伴い、ＣＰＵとヒートスプレッダとを熱伝導率の低い接合材を使用することは好ましくない。

そこで、発熱素子の放熱効果を維持しつつ、ヒートスプレッダとの接合に伴う熱応力による発熱素子や接合層の破壊を防止する半導体パッケージ、及びそれらを有するプリント基板、電子機器を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての半導体パッケージは、プリント基板に搭載可能な半導体パッケージであって、発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、当該発熱性回路素子からの熱を伝達するためのヒートスプレッダと、前記発熱性回路素子を前記ヒートスプレッダに接合し、実質的に弾性力のない固体系の接合材料から構成される接合層とを有し、当該ヒートスプレッダは、前記発熱性回路素子が接合される第１の面と、当該第１の面の裏面としての第２の面とを有し、前記ヒートスプレッダは、前記第１の面又は前記第２の面から透過して見た場合に、前記第１の面における前記発熱性回路素子と接合する領域又は前記第２の面に前記領域を正射影した領域の内側から外側に略放射状に延びるスリットを含み、前記スリットは、前記接合する領域又は前記正射影した領域の外側にまで延びることを特徴とする。かかる半導体パッケージのヒートスプレッダは、スリットにより変形しやすく、エポキシ樹脂やハンダなどの金属接合材料からなる接合層を硬化させた後の発熱性回路素子に作用する残留応力を低減することができる。その一方、ハンダ等の熱伝導率が大きい金属接合材料によってシリコンなどからなる発熱性回路素子を熱伝導率の高い銅などからなるヒートスプレッダに強固に密着させて放熱効率を高めることができる。

前記スリットは、前記発熱性回路素子の中心に関してほぼ対称に、例えば、略十字状又は米印状に、配置されることが好ましい。対称性により発熱性回路素子に部分的に熱応力が集中することを防止することができるからである。前記スリットは、前記ヒートスプレッダを貫通していてもよい。スリットはヒートスプレッダの変形を補助するためのものであるからその形状、大きさ、数は、放熱効率を維持できる限り問わない。即ち、スリット領域が多ければヒートスプレッダは変形しやすくなるが、スリット領域においては放熱効果が失われる。また、前記スリットは、前記発熱性回路素子の中心から所定の距離だけ離れていることが好ましい。一般に、発熱性回路素子の中心は発熱源であり、ここにスリットを形成すると放熱効果が大きく低減するという問題を防止するためである。

前記スリットは、前記ヒートスプレッダに形成される前記熱による熱流束にほぼ沿って形成されることが好ましい。発熱性回路素子を放熱するための熱流束を横切ることにより放熱効果が大きく低減するという問題を防止するためである。前記パッケージ基板が複数の発熱性回路素子を搭載し、前記ヒートスプレッダは前記複数の発熱性回路素子に共通に使用される場合には、前記熱流束は前記複数の発熱性回路素子によって前記ヒートスプレッダに形成される合成の熱流束である。

前記ヒートスプレッダは、前記熱を自然放熱するためのヒートシンクの一部として機能してもよい。代替的に、前記半導体パッケージは、前記熱を自然放熱するためのヒートシンクを更に有し、前記ヒートスプレッダは前記ヒートシンクに変形可能に接合されてもよい。ヒートスプレッダとヒートシンクとの接合はグリースなどを使用することができる。ヒートスプレッダとヒートシンクとを強固に接合すると、結果的にヒートスプレッダが変形しにくくなり発熱性回路素子が受ける熱応力を低減することができなくなるからである。前記半導体パッケージは、例えば、ＢＧＡ構造を有する。上述のいずれかの半導体パッケージを有するプリント基板やかかるプリント基板を有する電子機器も本発明の一側面を構成する。

本発明の他の目的及び更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施例により明らかにされる。

本発明によれば、発熱素子の放熱効果を維持しつつ、ヒートスプレッダとの接合に伴う熱応力による発熱素子や接合層の破壊を防止する半導体パッケージ、及びそれらを有するプリント基板、電子機器を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の半導体パッケージの一実施形態であるパッケージモジュール１００、パッケージモジュール１００を搭載したプリント基板２００、プリント基板２００を搭載した電子機器３００について説明する。ここで、図１は、電子機器３００の概略斜視図である。図２は、電子機器３００に搭載されるプリント基板２００としてのシステムボードの外観斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の電子機器３００は、例示的に、ラックマウント型のＵＮＩＸサーバーとして具体化されている。電子機器３００は、一対の取り付け部３０２によって図示しないラックにネジ止めされ、図２に示すプリント基板２００を筐体３１０内に搭載している。

筐体３１０にはファンモジュール３２０が設けられている。ファンモジュール３２０は、内蔵する冷却ファンが回転して空気流を発生することによって後述するヒートスプレッダ１４０が接続するヒートシンク１５０を強制的に冷却する。ファンモジュール３２０は、図示しない動力部と、動力部に固定される図示しないプロペラ部とを有する。動力部は、典型的に、回転軸と、回転軸の周りに設けられたベアリングと、ベアリングハウスと、モータを構成する磁石など、当業界で周知のいかなる構造も使用することができるので、ここでは詳細な説明は省略する。プロペラ部は、所望の角度に形成された所望の数の回転翼を有する。回転翼は、等角的又は非等角的に配置され、所望の寸法を有する。動力部とプロペラ部とは分割可能でも分割不能でもよい。

図２に示すように、プリント基板２００は、パッケージモジュール１００と、パッケージモジュール１００周辺のＬＳＩモジュール２１０と、メモリカード２４０を挿入するための複数のブロックプレート２２０と、ハードディスクやＬＡＮなどの外部機器とのコネクタ２３０とを有する。

パッケージモジュール１００は、ＣＰＵ１０２を搭載してプリント基板２００とＢＧＡ１２０を介して接続するＢＧＡパッケージとして機能する。より詳細には、パッケージモジュール１００は、図２及び図３に示すように、パッケージ基板１１０と、ＢＧＡ１２０と、接合層１３０と、ヒートスプレッダ１４０と、ヒートシンク１５０とを有する。ここで、図３は、図２に示すパッケージモジュール１００の概略断面図である。但し、図３は、図２に示すヒートシンク１５０を省略している。

パッケージ基板１１０は、例えば、セラミックから構成される。これは、ＣＰＵ１０２とセラミックの熱膨張率が近いため、ＣＰＵ１０２搭載時にＣＰＵ１０２やパッケージ基板１１０に反りを発生させないためである。代替的に、パッケージ基板は樹脂から構成されてもよい。樹脂基板は、厚みがセラミック基板と比較して薄いために電気特性に優れ、セラミックよりも安価で、加工も容易であるという長所を有する。

パッケージ基板１１０は、ＬＳＩからなるＣＰＵ１０２とコンデンサその他の回路部品１０８を上面に搭載し、ＢＧＡ１２０を底面に搭載している。かかる配置は例示的であり、例えば、回路部品１０８はパッケージ基板１１０の底面に搭載されていてもよい。本実施形態のパッケージ基板１１０は、一のＣＰＵ１０２が搭載されたシングルチップ型である。もっとも、パッケージ基板は複数のＣＰＵ１０２を搭載するマルチチップ型であってもよい。

ＣＰＵ１０２は、ＬＳＩ（発熱素子）であり、端子としてのバンプ１０４によってパッケージ基板１１０にハンダ付けされ、ＣＰＵ１０２とパッケージ基板１１０との間には、バンプ１０４の接続信頼性を保証するためにフリップチップ（バンプを有するチップ）に対して一般に使用される樹脂製のアンダーフィル１０６が充填され、バンプ１０４を封止している。

ＢＧＡ１２０は、ボール状のハンダバンプ（ハンダボール）として構成され、パッケージ基板１１０の底面のプリント基板２００との接続箇所に格子状に配列される。換言すれば、ＢＧＡ１２０は端子として機能し、ハンダボール（ハンダ付け）によってプリント基板２００に強固に接続する。ＱＦＰパッケージのように４辺に設けられたリードで接続されるのではなく、ＢＧＡ１２０によって接続する。このため、ＢＧＡパッケージは、端子間のピッチを狭め、且つ、多くの端子を配置することが可能であり、パッケージのサイズを大きくすることなく高密度化を達成して高性能化及び小型化に寄与する。ＢＧＡ１２０はパッケージ基板１１０の底面の全体にハンダバンプを配置してもよいし、パッケージ基板１１０の底面に回路部品１０８がある場合は、略正方形状の中空を有する略正方形状にハンダバンプを配置してもよい。本実施形態のヒートスプレッダ１４０はＢＧＡパッケージに好適である。ＢＧＡパッケージではヒートスプレッダをＬＳＩと異なる材料で構成する場合が多いからである。

必要があれば、パッケージ基板の上面に設けられ、パッケージ基板を補強する補強金属が設けられる。補強金属は、パッケージ基板１１０のねじれを矯正する。補強金属は、例えば、アルミニウム、銅などから構成される。

接合層１３０は、ＣＰＵ１０２をヒートスプレッダ１４０に強固に接合する。接合層１３０は、エポキシ系高熱伝導接着剤やハンダなど、実質的に弾性力がなく、熱伝導率が高い接合材料を使用する。接合層１３０は、ＣＰＵ１０２とヒートスプレッダ１４０とを強固に密着してＣＰＵ１０２からの熱を効率良くヒートスプレッダ１４０に伝達する。このため、接合層１３０がＣＰＵ１０２とヒートスプレッダ１４０との温度ギャップになることはない。

ヒートスプレッダ１４０は、パッケージ基板１１０とヒートシンク１５０との間に配置され、ＣＰＵ１０２に接合層１３０によって接続されている。ヒートスプレッダ１４０は、ＣＰＵ１０２からの熱をヒートシンク１５０に伝達する機能を有し、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、炭化アルミニウム、アルミニウム、アルミシリコンカーバイト（シリコン含有アルミニウム）、炭化シリコンなどから構成される。

ヒートスプレッダ１４０は、図４（ａ）に示すように、ＣＰＵ１０２が接合される面１４１と、面１４２の裏面としての面１４２とを有する。また、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、ヒートスプレッダ１４０を面１４１又は面１４２側から透過して見た場合に、面１４２におけるＣＰＵ１０２と接合する領域１４３ａ又は面１４２に領域１４３ａを正射影した領域１４３ｂの内側から外側に放射状に延びるスリット１４４を含む。ここで、図４（ａ）は、ＣＰＵ１０２、接合層１３０、ヒートスプレッダ１４０の接合状態を示す概略断面図である。図４（ｂ）は、領域１４３ａ及び１４３ｂを示すために図４（ａ）においてＣＰＵ１０２と接合層１３０をヒートスプレッダ１４０から分離した部分分解断面図である。図４（ｃ）は、ヒートスプレッダ１４０を面１４１又は面１４２側から透過して見た概略平面図である。領域１４３ａ及び１４３ｂは面１４１又は面１４２側から透過した場合には同一の領域１４３となり、図４（ｃ）では領域１４３を点線で囲っている。

図３や図４では作図の便宜上誇張して描いているが、ヒートスプレッダ１４０の厚さは、例えば、数ミリであり、ＣＰＵ１０２の厚さは、例えば、３００μｍ乃至６００μｍである。また、ヒートスプレッダ１４０は、熱膨張率の高い材料（例えば、熱膨張率約１６．５×１０^−６／℃を有する銅）から構成され、シリコンから構成されるＣＰＵ１０２（熱膨張率約４．２×１０^−６／℃）とは熱膨張率の差が大きい。

このため、接合層１３０を硬化させるために１５０℃に加熱した後で常温まで戻すとヒートスプレッダ１４０の熱収縮と熱膨張率の差によりＣＰＵ１０２には大きな熱応力がかかる。特に、ヒートスプレッダ１４０はＣＰＵ１０２よりも厚いために、ＣＰＵ１０２よりも厚さ方向に変形しにくい。そのためＣＰＵには大きな熱応力が加わり、ＣＰＵ１０２や接合層１３０が破壊するという問題が発生する。チップサイズが１０ｍｍ乃至２０ｍｍ角と大型化するに従ってＣＰＵ１０２が受ける熱応力の影響は顕著になっている。

かかる問題を防止するために、接合層１３０に弾性的な接着剤、例えば、シリコン系の接着剤、あるいは、シート又はペースト状の接合材料を使用することが考えられる。しかし、これらの接合材料はハンダなどの金属接合材料に比べて熱伝導率が小さく(即ち、熱抵抗が大きく)、ＣＰＵ１０２の放熱効率を低下させる。ＣＰＵ１０２は非動作時には２００℃程度の温度にも耐えられるが、動作時には電子回路は約１００℃以下に維持されて熱的に保護される必要がある。放熱効率が低いと動作時にＣＰＵの温度が１００℃を超えてしまい、電子回路が熱破壊するおそれがある。特に、ＣＰＵ１０２の発熱量が１００Ｗ乃至１５０Ｗと増大するに伴ってＣＰＵ１０２とヒートスプレッダ１４０とを熱伝導率の低い接着剤で接合することは好ましくない。

そこで、接合層１３０に熱伝導率が高いハンダ等の接合材料を使用することによって放熱効率を維持しつつ、ヒートスプレッダ１４０にスリット１４４を設けてヒートスプレッダ１４０を厚さ方向に変形しやすくしてＣＰＵ１０２に加わる熱応力を低減している。この結果、ＣＰＵ１０２の電子回路が動作時において熱破壊されることを防止することができると共に、ＣＰＵ１０２とヒートシンク１４０との接合時にＣＰＵ１０２や接合層１３０が熱歪によって破壊されることを防止することができる。

スリット１４４は、図４（ｃ）に示すように、ＣＰＵ１０２の中心Ｃから放射状に延びている。放射状に延びているのは、図５（ａ）に示すように、ＣＰＵ１０２の中心を発熱源とすると熱流束ＨＦは略放射状に延びるからである。ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、発熱源からの熱流束ＨＦとスリットＳとの関係を示す概略平面図である。図５（ａ）は、スリットＳが熱流束ＨＦにほぼ沿って形成されている様子を示し、図５（ｂ）は、スリットＳが熱流束ＨＦを遮るように形成されている様子を示している。

ＣＰＵ１０２からの熱はヒートスプレッダ１４０によって拡散される。熱流束を遮るとヒートスプレッダ１４０上の熱拡散が妨げられる。つまり、ＣＰＵ１０２の放熱効率を維持するためには熱流束を遮らないようにスリットを形成することが必要である。図５（ｂ）に示すように、スリットＳを配置すると、熱流束ＨＦ１が遮られて効果的にＣＰＵ１０２の放熱を行うことができない。なお、本出願では、「放射状」は必ずしも中心から直線状に延びる場合に限定されず、熱流束に沿う限り、渦状その他の曲線形状を含む。

本実施形態では発熱源をＣＰＵ１０２の中心の一点に擬制しているが、実際には発熱源はある範囲を持っているためにＣＰＵ１０２からの熱が形成する熱流束はＣＰＵ１０２の中心から完全に放射状に延びるわけではない。従って、スリットのより効果的な配置をシミュレーションなどによって熱流束を求めた後で決定することが好ましい。もっとも、スリットを形成する際の加工の便宜性から複雑な形状にできない場合など、本発明は、スリットの形状や配置を熱流束に完全に一致させることを要求するものではない。

また、本発明は、全てのスリット１４４の延長線がＣＰＵ１０２の中心Ｃに完全に一致することは要求しない。例えば、図４（ｃ）において、スリット１４４ａ及び１４４ｂの延長線は中心Ｃから所定の距離だけ離れた位置で交差してもよい。この意味で、スリットは、ＣＰＵ１０２の中心Ｃから略放射状に延びていれば足りる。「略放射状」とはスリットが熱流束に沿っており、スリットが熱流束を切断する本数が少ないことをいう。スリットは熱流束に沿って形成されることが好ましく、熱流束は一般には中央から外側に向けて延びるものの放射方向に完全に一致しない場合がある。「略放射状」とは、スリットが熱流束に沿っている限り、熱流束が完全に放射状に一致しない場合も含む趣旨である。また、「スリットが熱流束を切断する本数が少ない」とは、スリットと熱流束とのなす角度が４５°以内、好ましくは、３０°以内であることを意味する。スリットと熱流束とのなす角度が４５°であれば熱流束を約５０％切断し、スリットと熱流束とのなす角度が３０°であれば熱流束を約３３％切断するからである。

スリット１４４は、ＣＰＵ１０２の中心Ｃに関してほぼ対称に、例えば、略十字状、米印状、３０°等間隔などに配置されている。対称性によりＣＰＵ１０２に部分的に熱応力が集中することを防止することができるからである。例えば、図４（ｃ）に示すヒートスプレッダ１４０の右側のみにスリット１４４が形成されれば、左側においてはＣＰＵ１０２に熱応力を低減することができなくなる。

もっとも、熱流束が対称に形成されず偏っていればスリット１４４を非対称的に配置することは可能である。例えば、パッケージ基板１１０が複数のＣＰＵを搭載している場合やＣＰＵを搭載した別のパッケージ基板１１０が隣接している場合など、周囲の温度に温度偏差がある場合には熱流束は対称に形成されないからである。

スリット１４４は、図４（ｃ）に示すように、領域１４３の内側から外側に延びている。換言すれば、スリット１４４は、領域１４３を画定する輪郭を跨いで延びている。領域１４３はＣＰＵ１０２に接合している領域１４３ａ又はその裏面の領域１４３ｂであり、その範囲でＣＰＵ１０２は一般にヒートスプレッダ１４０から熱応力を受けるからである。一方、スリット１４４が領域１４３の内側においてその輪郭まで延びており、輪郭の外側までは延びていないとすると、輪郭に応力が集中するため好ましくない。

また、スリット１４４は、領域１４３の外側においてヒートスプレッダ１４０の外形の輪郭まで延びる必要はない。領域１４３の外側においてはＣＰＵ１０２とヒートスプレッダ１４０は接合しておらず、この領域においてＣＰＵ１０２はヒートスプレッダ１４０から熱応力を受けないからである。もちろん、本発明はスリット１４４がヒートスプレッダ１４０の外形の輪郭まで延びることを妨げるものではない。スリット１４４が領域１４３の輪郭を跨ぐべき長さはＣＰＵ１０２の発熱量やサイズ、ヒートスプレッダ１４０の材質やサイズからシミュレーション又は実験によって設定される。

スリット１４４は、ヒートスプレッダ１４０を貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。本出願では、「スリット」という用語は両者の概念を含むものである。スリット１４４は、貫通していない場合には、面１４１側又は面１４２側にのみ設けられてもよいし、両面に設けられてもよい。また、スリット１４４は、面１４１と面１４２を斜めに貫通していてもよい。スリット１４４は、貫通孔と未貫通孔とが混在していてもよい。

スリット１４４はヒートスプレッダ１４０の変形を補助するためのものであるからその形状、大きさ、数は、必要な放熱効率を維持できる限り、問わない。即ち、スリット領域が多ければヒートスプレッダ１４０は変形しやすくなるが、スリット領域においては放熱効果が失われる。スリット１４４はその形状が限定されないため、必ずしも細長い孔又は溝である必要はなく、例えば、図４（ｃ）において、スリットは、円形、扇形などの計上を有してもよい。また、スリット１４４の深さは一定である必要もない。例えば、図４（ｃ）において、スリット１４４が中心Ｃから離れるに従って深くなるような場合である。

スリット１４４は、例えば、銅の板金をパンチで打ち抜くなどして形成される。

また、スリット１４４は、図４（ｃ）に示すように、ＣＰＵ１０２の中心Ｃから所定の距離だけ離れていることが好ましい。一般に、ＣＰＵ１０２の中心Ｃを中心とする一定半径の円は発熱源であり、ここにスリットを形成すると放熱効果が大きく低減するからである。

パッケージ基板１１０が複数の発熱素子（例えば、ＣＰＵとチップセットや複数のＣＰＵなど）を搭載し、ヒートスプレッダ１４０が複数の発熱素子に共通に使用される場合もある。この場合には、熱流束はこれら複数の発熱素子によってヒートスプレッダ１４０に形成される合成の熱流束である。例えば、２つの発熱源Ｃ_１及びＣ_２からの熱流束が図６に示すようにヒートスプレッダ１４０Ａに形成される場合には、スリットＳを同図に示すように配置するとＨＦ２及びＨＦ３に略沿うことになるので好ましい。図６においては、２つの発熱源Ｃ_１及びＣ_２の発熱量が略同じ場合を想定しているが、どちらかの発熱量が大きければスリットＳはそれに従って傾斜、変形する場合があることはいうまでもない。

ヒートスプレッダ１４０は、本実施例では矩形の平板状であるが、断面が下に凸型など任意の形状を有することができる。また、ヒートスプレッダ１４０は、２以上の要素の組み合わせから構成されてもよい。この場合、ＣＰＵ１０２に加わる熱応力を低減するように、スリットは複数の要素のうちの一又は複数の要素に形成される。

ヒートスプレッダ１４０は、ＣＰＵ１０２からの熱を自然放熱するためのヒートシンクの一部として機能してもよい。例えば、図７において、ヒートスプレッダ１４０の上にフィン１４５を設けるなどである。ここで、図７は、図４（ａ）の変形例である。ヒートスプレッダ１４０にスリットを設ける理由は、ヒートスプレッダ１４０を変形しやすくするためであるから、図７においては、板状フィン１４５は変形を妨げないようにヒートスプレッダ１４０の両端に形成されている。但し、フィン１４５が針状の場合など、ヒートスプレッダ１４０が変形可能であればＣＰＵ１０２の上に形成されてもよい。

なお、スリット１４４はヒートスプレッダ１４０の変形を補助するためのものであるから、ヒートスプレッダ１４０が弾性部材から構成されればスリットを設ける必要はない。本発明は、このように、ヒートスプレッダ１４０が熱伝導率が高い弾性部材から構成されることを妨げるものではない。

本実施例では、パッケージ１００は、ヒートシンク１５０を更に有し、ヒートスプレッダ１４０はヒートシンク１５０に変形可能に接合されている。例えば、ヒートシンク１５０を取り付ける際には、ヒートシンク１５０のヒートスプレッダ１４０側の面にサーマルグリース又はコンパウンドがディスペンサにより放射状に塗布される。次いで、ヒートシンク１５０の塗布面をヒートスプレッダ１４０に載置する。

ヒートスプレッダ１４０及びヒートシンク１５０は略同様の接合面積（１６ｃｍ^２）を介して接合され、その接合面積はＣＰＵ１０２とヒートスプレッダ１３０の接合面積（４ｃｍ^２）に比べて約４倍大きいので、接合層１３０ほど熱伝導率が大きい接合材は必要ない。また、両者を強固に密着するとヒートシンク１５０によりヒートスプレッダ１４０のスリット１４４による変形が妨げられるので好ましくない。

必要があれば、バネなどの加圧機構によりＣＰＵ１０２が破壊されない程度にヒートシンク１５０をヒートスプレッダ１４０に加圧して両者の密着性を高めてもよい。

ヒートシンク１５０は、基部と冷却フィンとを有する。基部は、例えば、アルミニウム、銅、窒化アルミニウム、人工ダイヤモンド、プラスチック等の高熱伝導性材料から構成される平板であり、ヒートスプレッダ１４０に接合される。ヒートシンク１５０は、板金加工、アルミダイキャスト、その他の方法によって製造され、プラスチック製であれば、例えば、射出成形によって形成されてもよい。冷却フィンは、例えば、整列した多数の板状フィンから構成される。冷却フィンは、凸形状を有して表面積を増加させることで放熱効果を増加させる。もっとも冷却フィンの形状は板状に限定されず、ピン状、湾曲形状など任意の配置形状を採用することができる。また、冷却フィンは、一定間隔で横に整列する必要はなく、放射状に配置されたり、基部に対して傾斜して配置されたりしてもよい。冷却フィンの数も任意に設定することができる。冷却フィンは、アルミニウム、銅、窒化アルミニウム、人工ダイヤモンド、プラスチックなどの高熱伝導性材料で形成されることが好ましい。冷却フィンは、金型成形、圧入、ロウ付け、溶接、射出成形などによって形成される。

次に、パッケージモジュール１００の製造方法について、図８を参照して説明する。ここで、図８は、パッケージモジュールの製造方法を示すフローチャートである。まず、シミュレーション又は実験によりヒートスプレッダ１４０に形成される熱流束を取得する（ステップ１００２）。次に、ＣＰＵ１０２に加わる熱応力を低減するために必要なヒートスプレッダ１４０の変形量を算出する（ステップ１００４）。次に、ヒートスプレッダ１４０に必要な変形量と許容される放熱効率の損失との観点から熱流束に対してスリット１４４をどのように配置するかを決定する（ステップ００６）。次に、板金にスリット１４４をパンチなどで形成した後で所定の大きさに切断することによってヒートスプレッダ１４０を形成する（ステップ１００８）。

次に、ＣＰＵ１０２をバンプ１０４によってパッケージ基板１１０にハンダ付けし、ＣＰＵ１０２とパッケージ基板１１０との間にアンダーフィル１０６を充填する（ステップ１０１０）。次に、ＣＰＵ１０２とヒートスプレッダ１４０とを接合層１３０により強固に密着する（ステップ１０１２）。ステップ１０１２においては、例えば、図４（ａ）に示す状態で１５０℃に加熱して接合層１３０を硬化させ、その後常温に戻す。その際、ヒートスプレッダ１４０はスリット１４４によって変形し、ＣＰＵ１０２に加わる熱応力は低減するため、ＣＰＵ１０２が破壊することを防止することができると共にパッケージ１００を歩留まりよく製造できる。

動作において、電子機器３００は、ＣＰＵ１０２は発熱するが、スリット１４４は熱流束に沿って形成されているので、ヒートスプレッダ１４０（及びヒートシンク１５０）による大きく放熱効果を妨げることがない。ヒートスプレッダ１４０は高い熱拡散性能を維持することができるので、ＣＰＵ１０２で発生した熱はヒートシンク１５０によって適切に放熱される。ヒートシンク１５０の冷却フィンは、ファンモジュール３２０に内蔵された冷却ファンによって冷却される。従って、電子機器３００は、ＣＰＵ１０２内の電子回路が熱破壊されることを防止してＣＰＵ１０２の動作の安定性を維持することができる。

以上、本発明の好ましい実施態様及びその変形をここで詳細に説明してきたが、本発明はこれらの実施態様及び変形に正確に限定されるものではなく、様々な変形及び変更が可能である。例えば、本発明の電子機器は、ラックマウント型のサーバーに限定されず、ブックシェルフ型にも適用可能であり、また、サーバーに限定されず、ＰＣ、ネットワーク機器、ＰＤＡ、その他の周辺装置にも適用可能である。また、本発明のパッケージモジュールは、ハンダ付けせずにＬＧＡ（ＬａｎｄＧｒｉｄＡｒｒａｙ）ソケットを介してプリント基板に接続するＬＧＡパッケージその他のパッケージ（例えば、ＰＧＡ（ＰｉｎＧｒｉｄＡｒｒａｙ））にも適用可能である。更に、本発明のパッケージモジュールは、チップセットなどＣＰＵとして機能しない発熱素子にも適用可能である。

本出願は更に以下の事項を開示する。

（付記１）プリント基板に搭載可能な半導体パッケージであって、発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、当該発熱性回路素子からの熱を伝達するためのヒートスプレッダと、前記発熱性回路素子を前記ヒートスプレッダに接合し、実質的に弾性力のない固体系の接合材料から構成される接合層とを有し、当該ヒートスプレッダは、前記発熱性回路素子が接合される第１の面と、当該第１の面の裏面としての第２の面とを有し、前記ヒートスプレッダは、前記第１の面又は前記第２の面から透過して見た場合に、前記第１の面における前記発熱性回路素子と接合する領域又は前記第２の面に前記領域を正射影した領域の内側から外側に略放射状に延びるスリットを含むことを特徴とする半導体パッケージ。（１）
（付記２）前記スリットは、前記発熱性回路素子の中心に関してほぼ対称に配置されていることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。

（付記３）前記スリットは、前記ヒートスプレッダを貫通していることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。

（付記４）前記スリットは、前記第１又は第２の面から見た場合に、略十字状又は米印状に前記ヒートシンクに形成されていることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。

（付記５）前記スリットは、前記発熱性回路素子の中心から所定の距離だけ離れていることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。（２）
（付記６）前記スリットは、前記ヒートスプレッダに形成される前記熱による熱流束にほぼ沿って形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。（３）
（付記７）前記パッケージ基板は複数の発熱性回路素子を搭載し、前記ヒートスプレッダは前記複数の発熱性回路素子に共通に使用され、前記熱流束は前記複数の発熱性回路素子によって前記ヒートスプレッダに形成される合成の熱流束であることを特徴とする付記６記載の半導体パッケージ。

（付記８）前記ヒートスプレッダは、前記熱を自然放熱するためのヒートシンクの一部として機能することを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。

（付記９）前記半導体パッケージは、前記熱を自然放熱するためのヒートシンクを更に有し、前記ヒートスプレッダは前記ヒートシンクに変形可能に接合されることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。

（付記１０）
前記半導体パッケージは、ボールグリッドアレイ構造を有することを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。

（付記１１）付記１記載の半導体パッケージを搭載したプリント基板。（４）
（付記１２）付記１記載の半導体パッケージを搭載したプリント基板を搭載した電子機器。（５）
（付記１３）プリント基板に搭載可能な半導体パッケージであって、発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、当該発熱性回路素子からの熱を伝達するための弾性材料から構成されるヒートスプレッダと、前記発熱性回路素子を前記ヒートスプレッダに接合し、実質的に弾性力のない固体系の接合材料から構成される接合層とを有することを特徴とする半導体パッケージ。

本発明の電子機器の概略斜視図である。図１に示す電子機器の内部構成を示す概略斜視図である。図２に示すパッケージモジュールを示す概略斜視図である。図４（ａ）は図２に示すＣＰＵ、接合層及びヒートスプレッダの概略断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の部分分解断面図であり、図４（ｃ）はヒートスプレッダの透過平面図である。ヒートスプレッダに形成される熱流束とスリットとの関係を示す概略平面図である。複数の発熱源に共通に使用されるヒートスプレッダの概略平面図である。図４（ａ）の変形例としての概略断面図である。図３に示すパッケージモジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１００パッケージモジュール
１０２発熱性回路素子（ＣＰＵ）
１１０パッケージ基板
１２０ＢＧＡソケット
１４０ヒートスプレッダ
１４４スリット
１５０ヒートシンク
２００プリント基板
３００電子機器（サーバー）

Claims

プリント基板に搭載可能な半導体パッケージであって、
発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、
当該発熱性回路素子からの熱を伝達するためのヒートスプレッダと、
前記発熱性回路素子を前記ヒートスプレッダに接合し、実質的に弾性力のない固体系の接合材料から構成される接合層とを有し、
前記ヒートスプレッダは、前記発熱性回路素子が接合される第１の面と、当該第１の面の裏面としての第２の面とを有し、
前記ヒートスプレッダは、前記第１の面又は前記第２の面から透過して見た場合に、前記第１の面における前記発熱性回路素子と接合する領域又は前記第２の面に前記領域を正射影した領域の内側から外側に略放射状に延びるスリットを含み、
前記スリットは、前記接合する領域又は前記正射影した領域の外側にまで延びることを特徴とする半導体パッケージ。
前記スリットは、前記発熱性回路素子の中心から所定の距離だけ離れていることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
前記スリットは、前記ヒートスプレッダに形成される前記熱による熱流束にほぼ沿って形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
請求項１記載の半導体パッケージを搭載したプリント基板。
請求項１記載の半導体パッケージを搭載したプリント基板を搭載した電子機器。