JP4504401B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

この発明は、例えば高周波増幅器等の各種の電子部品を構成する半導体素子が収容配置される半導体パッケージに関する。

一般に、半導体パッケージは、パッケージ本体を構成するベースプレートを熱伝導率の高い銅や銅合金で形成して、このベースプレートには、Ｓｉ（シリコン）基板等の半導体用基板材料製の基板上に回路パターンを実装した各種の電子部品を構成する半導体素子が熱的に結合されて収容配置される。また、このベースプレートには、外部接続用の接続端子が突設され、この接続端子が、半導体素子を構成する印刷配線基板の回路に電気的に接続されて使用に供される。

ところで、このような半導体パッケージは、その使用により、半導体素子が駆動され、発熱してその温度が許容値を超えると、所望の部品性能を確保することが困難となる。このため、半導体パッケージにおいては、半導体素子の熱をベースプレートに伝達した後、このベースプレートからヒートシンク等の放熱板に熱移送させて排熱することにより、半導体素子の温度を許容値に保つように熱制御する方法が採られている。

一方、このような半導体パッケージは、その半導体素子の高出力化の要請と共に、小型化の要請により、その発熱密度が増加されていることで、十分な放熱面積を確保することが困難なために、半導体素子の熱制御が大きな課題の一つとなっている。

そこで、半導体パッケージにおいては、その駆動に伴う熱を効率よく放熱して、半導体素子の温度を許容値に熱制御するための各種の放熱構造のものが開発されている。このような半導体パッケージとしては、例えば半導体素子を実装する銅合金等の金属材料で形成されるベースプレートを、熱伝導率が１５００（Ｗ/ｍＫ））と高いグラファイトシートを介在してヒートシンクに取付けることで、半導体素子からベースプレートに熱拡散された熱を、グラファイトシートを介して放熱板に熱移送して排熱し、熱制御するようにした構成のものが提案されている（例えば，特許文献１参照）。
特開２００４−２８８９４９号公報

しかしながら、上記半導体パッケージでは、半導体素子の発熱により、熱が半導体素子直下のベースプレートに熱移送されると、その熱が金属材料及びグラファイトシートにより熱拡散されるが、該グラファイトシートが、面方向の熱伝導率に比して面と直交するベースプレートの実装面と逆側の取付面側への熱伝導が劣るために、半導体素子の大出力化を促進して発熱密度が高められると、該半導体素子の安定した熱制御が困難となるという問題を有する。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、熱伝導効率の向上を図り得るようにして、半導体素子の高出力化の促進を図った半導体パッケージを提供することを目的とする。

この発明は、半導体素子と、
この半導体素子が一方の面に実装され、他方の面が取付体に熱的に結合されて配置され、前記半導体素子の発熱部位の直下を含む金属材料層に該金属材料層に比して熱伝導率の優れた異方性熱伝導材料が、その熱伝導率の優れた方向を前記一方の面に交わるように配向させて複数配されたベースプレートを備えたパッケージ本体とを具備して半導体パッケージを構成した。

上記構成によれば、半導体素子の熱は、直下のベースプレートに熱移動されると、金属材料層により熱拡散されると共に、異方性熱伝導材料に案内されて一方の面側から、その配向方向に熱拡散されることにより、ベースプレートの全体に熱拡散される。これにより、半導体素子からの発熱を効率よく熱拡散して、半導体素子の温度上昇を効率よく抑えて、許容温度に保つことが可能となり、パッケージの小型化を確保したうえで、半導体素子の高出力化の促進を図ることができる。

以上述べたように、この発明によれば、簡易な構成で、熱伝導効率の向上を図り得るようにして、半導体素子の高出力化の促進を図った半導体パッケージを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に係る半導体パッケージを示すもので、パッケージ本体１０は、例えばベースプレート１１、枠状フレーム１２及び蓋体１３で形構成され、銅合金、銅等の金属材料で形成される。

このベースプレート１１は、その金属材料層１１１内に異方性熱伝導材料として、例えば図２に示すように周知の複数のグラファイトシート１１２が、図２に示すようにその素子実装面に対して面方向が交わるように配向されて埋設される。即ち、複数のグラファイトシート１１２は、金属材料１１１層内にベースプレート１１上に実装する後述する半導体素子１４の発熱部１４１の、例えば長手方向に対して、その面直方向より熱伝導率の高い面方向が直交するように配向されて、所定間隔に埋設される（図２及び図３参照、但し、図２及び図３においては、図の都合上、上記半導体素子１４の発熱部１４１のみを図示し回路基板１４２を省略）。

これにより、複数のグラファイトシート１１２は、熱が、ベースプレート１１の素子実装面側に熱伝導されると、その熱を面方向である取付面側に効率よく熱移送する。同時に、ベースプレート１１上に移送された熱は、金属材料層１１１により、３次元的に熱移送されることで、該金属材料層１１１と複数のグラファイトシート１１２とで協動してベースプレート１１全体に効率よく熱拡散される。

ここで、上記ベースプレート１１は、その素子実装面及び逆側の取付面を含む全体に金メッキ等のメッキが施されてメッキ層１１３が形成されている。そして、ベースプレート１１の素子実装面上には、上記半導体素子１４を構成する発熱部１４１及びセラミック基板等の回路基板１４２が、例えば半田接続等により電気的に接続されて実装され（図１参照）、これら発熱部１４１及び回路基板１４２は、相互間がボンディング等の手法により電気的に接続される。

上記ベースプレート１１の素子実装面側には、上記枠状フレーム１２が上記発熱部１４１及び回路基板１４２を囲繞するように接合される。この枠状フレーム１２には、外部接続端子１５が設けられ、この外部接続端子１５は、上記回路基板１４２に電気的に接続される。そして、この枠状フレーム１２の開口側には、上記蓋体１３が被着され、上記発熱部１４１及び回路基板１４２が枠状フレーム１２内に密閉収容される。

上記構成において、パッケージ本体１０のベースプレート１１は、その取付面が図示しない取付体を構成するヒートシンクに熱的に結合されて配置される。そして、半導体素子１４が駆動されて、発熱部１４１が発熱されると、その熱は、先ず、ペースプレート１１の半導体素子１４の発熱部１４１の直下の素子実装面に熱伝導され、金属材料層１１１からベースプレート１１の取付面側に熱拡散される。

同時に、ベースプレート１１に熱伝導された熱は、複数のグラファイトシート１１２の面の沿って効率よく取付面側に熱拡散されることで、グラファイトシート１１２と金属材料層１１１とで協働してベースプレート１１の全体に均一的に熱拡散され、ベースプレート１１の取付面から上記ヒートシンク（図示せず）に熱伝導されて排熱される。これにより、半導体素子１４の発熱部１４１は、その発熱に伴う熱が効率的に排熱されて所望の許容温度に保たれ、所望の動作が継続される。

なお、上記ヒートシンク（図示せず）として、周知の空冷構造、冷却プレート構造のものや、冷却液を用いた液冷却構造のものを用いて構成される。

このように、上記半導体パッケージは、一方の面の素子実装面に半導体素子１４が実装され、他方の取付面がヒートシンク（図示せず）に熱的に結合されて配置されるベースプレート１１を金属材料層１１１で形成して、この金属材料層１１１に該金属材料層１１１に比して熱伝導率の優れた複数のグラファイトシート１１２を、その面直方向に比して熱伝導率の優れた面方向が素子実装面と交わるように素子実装面と取付面との間に配向させて構成した。

これによれば、半導体素子１４の熱は、直下のベースプレート１１に熱移動されると、金属材料層１１１により熱拡散されると共に、複数のグラファイトシート１１２に案内されて素子実装面側から、その面に沿って効率よく熱拡散されることにより、ベースプレート１１の全体に熱拡散される。これにより、半導体素子１４からの発熱を効率よく熱拡散して、半導体素子１４の温度上昇を効率よく抑えて、許容温度に保つことが可能となり、パッケージ本体１０の小型化を確保したうえで、半導体素子１４の高出力化の促進を図ることができる。

なお、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、図４及び図５、図６及び図７、図８及び図９、図１０及び図１１に示すように構成してもよく、同様に有効な効果が期待される。
但し、この図４乃至図１１の各実施の形態においては、上記図１乃至図３と同一部分について同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

先ず、図４及び図５に示す実施の形態においては、上記ベースプレート１１の金属材料層１１１内にモリブデンやカーボンクロス等の熱膨張制御材料層１１４を、上記グラファイトシート１１２に交差させて、例えば所定の間隔を有して複数層形成し、ベースプレート１１の熱膨張係数を、例えば半導体素子１４の回路基板１４２の熱膨張係数に近付けるように構成した。

これにより、半導体素子１４の発熱部１４１及び回路基板１４２は、例えば半田等で接合した場合は、接合部を加熱及び冷却するため、温度変化が発生するが、ベースプレート１１の熱膨張係数が、回路基板の熱膨張係数に近付けられていることで、相互の熱変形が略同じとなるため、その温度変化によって半導体素子１４の回路基板１４２が割れたりすることなく、高精度な接合を維持した状態で、高効率な熱拡散を実現することが可能となる。

また、同様な作用でパッケージ本体１０の外周囲等に温度変化があっても、半導体素子１４の回路基板１４２が割れたりすることなく、高精度な接合が維持される。これにより、半導体素子１４の発熱部１４１が発熱して、その熱が熱移送されると、ベースプレート１１の熱膨張係数が、回路基板１４２の熱膨張係数に近付けられていることで、その熱変形が略同じとなるため、温度変化によって回路基板１４２が割れたりすることなく、高精度な接合が維持される。

そして、ベースプレート１１に熱移送された熱は、その金属材料層１１１、グラファイトシート１１２及び熱膨張制御材料層１１４で効率よく伝導されて、ベースプレート１１全体に均一的に熱伝導される。これにより、半導体素子１４のベースプレート１１との実装部位（接合部位）における熱変形による回路基板１４２の損傷の防止を実現したうえで、優れた熱伝導性能が実現されて、高効率な熱制御が可能となる。

また、図６及び図７に示す実施の形態においては、上記ベースプレート１１の金属材料層１１１内に複数のグラファイトシート１１２ａの各一辺を半導体素子１４の発熱部１４１の長手方向に沿わせた状態で、少なくともベースプレート１１の素子実装面に対して、その面直方向より熱伝導率の高い面方向が交わるように放射状に配向させて埋設してベースプレート１１を構成した。

即ち、複数のグラファイトシート１１２ａは、その一辺を素子実装面に実装した半導体素子１４の発熱部１４１の長手方向に沿わせた状態で、他方の辺がベースプレート１１の取付面側にいわゆる放射状に配向されて金属材料層１１１内に埋設される。これにより、グラファイトシート１１２ａは、半導体素子１４の発熱部１４１からの熱が金属材料層１１を経由して熱移送されると、その熱を面に沿って熱拡散することにより、ベースプレート１１の取付面方向に効率よく熱拡散する。

この結果、半導体素子１４の発熱部１４１からの熱は、金属材料層１１１とグラファイトシート層１１２ａとで協働して効率よくベースプレート１１全体に熱拡散することができる。

なお、この図６及び図７に示す実施の形態においても、上記図４及び図５の実施の形態と同様に、金属材料層１１１内にモリブデンやカーボンクロス等の熱膨張制御材料層１１４を、上記グラファイトシート１１２ａに直交して例えば複数層形成して、ベースプレート１１の熱膨張係数を、半導体素子１４の回路基板１４２の熱膨張係数に近付けるように構成してもよい。このように熱膨張制御材料層１１４を備えることにより、半導体素子１４の発熱部１４１の発熱による、ベースプレート１１との熱膨張係数の差による熱変形により、その回路基板１４２の実装部位（接合部位）における損傷防止等の熱影響による不都合が防止される。この結果、上述した図４及び図５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、図８及び図９に示す実施の形態においては、異方性熱伝導材料として、複数の周知のカーボンナノチューブ１１５を、金属材料層１１１内に、半導体素子１４の発熱部１４１の長手方向を中心として、いわゆる放射状に配向させて埋設してベースプレート１１を構成した。

このカーボンナノチューブ１１５は、半導体素子１４の発熱部１４１からの熱が金属材料層１１を経由して熱移送されると、その熱を配向方向であるベースプレート１１の取付面方向に効率よく熱拡散する。この結果、半導体素子１４の発熱部１４１からの熱は、金属材料層１１１とカーボンナノチューブ１１５とで協働して効率よくベースプレート１１全体に熱拡散することができる。

また、図１０及び図１１に示す実施の形態においては、上記図８及び図９に示す実施の形態で説明したカーボンナノチューブ１１５を埋設した金属材料層１１１内にモリブデンやカーボンクロス等の熱膨張制御材料層１１４を、上記カーボンナノチューブ１１５の配向方向に交差させて例えば複数層形成して、ベースプレート１１の熱膨張係数を、半導体素子１４の回路基板１４２の熱膨張係数に近付けるように構成した。

これにより、半導体素子１４が駆動されて、その発熱部１４１で発熱しても、該熱によるベースプレート１１と半導体素子１４の回路基板１４２の熱変形が均一化される。この結果、半導体素子１４のベースプレート１１との実装部位（接合部位）における回路基板１４２の割れ等の損傷が発生することを防止することが可能となり、上記図４及び図５の実施の形態と同様の効果が期待される。

よって、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の一実施の形態に係る半導体パッケージの構成を説明するために示した分解斜視図である。 図１のＡ―Ａを断面して示した斜視図である。 図１のＢ―Ｂを断面して示した斜視図である。 この発明の他の実施の形態に係る半導体パッケージの要部を断面して示した斜視図である。 図４の断面方向と直交する方向で要部を断面して示した斜視図である。 この発明の他の実施の形態に係る半導体パッケージの要部を断面して示した斜視図である。 図６の断面方向と直交する方向で要部を断面して示した斜視図である。 この発明の他の実施の形態に係る半導体パッケージの要部を断面して示した斜視図である。 図８の断面方向と直交する方向で要部を断面して示した斜視図である。 この発明の他の実施の形態に係る半導体パッケージの要部を断面して示した斜視図である。 図１０の断面方向と直交する方向で要部を断面して示した斜視図である。

符号の説明

１０…パッケージ本体、１１…ベースプレート、１１１…金属材料層，１１２…グラファイトシート、１１２ａ…グラファイトシート、１１３…メッキ層、１１４…熱膨張制御材料層、１１５…カーボンナノチューブ、１２…枠状フレーム、１３…蓋体、１４…半導体素子、１４１…発熱部、１４２…回路基板、１５…外部接続端子。

Claims (9)

1. 半導体素子と、
   この半導体素子が一方の面に実装され、他方の面が取付体に熱的に結合されて配置され、前記半導体素子の発熱部位の直下を含む金属材料層に該金属材料層に比して熱伝導率の優れた異方性熱伝導材料が、その熱伝導率の優れた方向を前記一方の面に交わるように配向させて複数配されたベースプレートを備えたパッケージ本体と、
   を具備することを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記異方性熱伝導材料は、複数のグラファイトシートで形成され、各シート面が、前記半導体素子の実装された一方の面に交わるように配向されて前記金属材料層に所定の間隔に配置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. 前記複数のグラファイトシートは、前記半導体素子の実装された一方の面の前記半導体素子の発熱部位から他方の面に向けて配向されることを特徴とする請求項２記載の半導体パッケージ。
4. 前記複数のグラファイトシートは、前記半導体素子の発熱部の長手方向に直交して配列されることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体パッケージ。
5. 前記複数のグラファイトシートは、前記半導体素子の発熱部の長手方向に並行して放射状に配列されることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体パッケージ。
6. 前記異方性熱伝導材料は、複数のカーボンナノチューブで形成され、各繊維方向が前記半導体素子の実装された一方の面に交わるように配向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。
7. 前記複数のカーボンナノチューブは、繊維方向が前記ベースプレートの前記半導体素子の実装された一方の面の前記発熱部に向けて配向されることを特徴とする請求項６記載の半導体パッケージ。
8. 前記ベースプレートは、モリブデン層を、前記金属材料層の積層方向に少なくとも一層、積層して設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の半導体パッケージ。
9. 前記ベースプレートは、カーボンクロス層を、前記金属材料層の積層方向に少なくとも一層、積層して設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の半導体パッケージ。

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