JP4589960B2 - パッケージユニット - Google Patents

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Description

本発明は、半導体チップが収納された半導体パッケージに、さらにヒートシンクが取り付けられたパッケージユニットに関する。
近年の半導体チップ上に搭載される半導体回路の益々の高集積化、高速度化等に伴い、半導体チップの発熱が極めて大きく、その半導体チップが収納された半導体パッケージに大きなヒートシンクを取り付けたパッケージユニットを構成して放熱を促す工夫がなされている。
図１は、従来のパッケージユニットの概要図である。
図１に示すパッケージユニット１００では、システム基板１０上に、ハンダボール２０の溶解、固着により、半導体パッケージ３０が搭載されている。
この半導体パッケージ３０は、パッケージ基板３１と、そのパッケージ基板３１の中央に搭載された半導体チップ３２とパッケージ基板３１の周辺部を一周するようにそのパッケージ基板３１に固定されてパッケージ基板３１の反り等の変形を防止する、ステンレスあるいは銅等からなるスティフナ３３と、そのスティフナに固定され、半導体チップ３２の発熱を熱接合材３４を介して受け取る、典型的には銅製のヒートスプレッダ３５とで構成されている。
図１に示すパッケージユニット１００には、さらに、その半導体パッケージ３０のヒートスプレッタ３５の上に、サーマルグリースあるいはサーマルシート等の熱接合材４０が置かれ、さらにその上に、基体５１と多数のフィン５２とからなるヒートシンク５０が載せられている。
システム基板１０には雄ネジを有する雄ネジ部材６１が固定されており、また、ヒートシンク５０の基体５１には、雌ネジを有する雌ネジ部材６２が貫通する取付穴５１１が設けられている。雌ネジ部材６２の軸がコイルスプリング６３に挿通され、さらにその雌ネジ部材６２の軸がヒートシンク５０の基体５１の取付穴５１１を貫通し、その雌ネジ部材６２の雌ネジと雄ネジ部材６１の雄ネジが螺合している。コイルスプリング６３は、雌ネジ部材６２の頭部６２１と、ヒートシンク５０の基体５１との間で圧縮して、ヒートシンク５０を半導体パッケージ３０側に押し付け、半導体パッケージ３０とヒートシンク５０との間の、熱接合材４０を介在させての密着性を高めている。
図２は、図１に示す円Ｒの内部の拡大図である。但しフィン５２は図示省略されている。この図２を参照して、図１に示すパッケージユニット１００の問題点を説明する。
図１に示すパッケージユニット１００を長期間使用していると、半導体パッケージ３０へのパワーオフによる半導体パッケージ３０とヒートシンク５０との間の熱膨張差、半導体パッケージ３０の熱歪み、およびコイルスプリング６３による常時加圧により、熱接合材４０の厚さが時間経過とともに徐々に薄くなるとともに横に広がり、その熱接合材４０の一部４１１がちぎれてこのパッケージユニット１００の外部へ脱落してしまうことがある。すると、この熱接合材４０が導電性を有する場合は、システム基板１０上の図示しない他の回路部品や配線をショートさせて動作不良あるいは故障の原因となり、あるいはこの熱接合材４０が絶縁性を有する場合は、システム基板上への他の回路部品の増設あるいは交換の際に接触不良を引き起こす原因となる。
この問題を回避するために、特許文献１，２には、熱接合材の一種であるサーマルコンパウンドあるいはグリスをフランジあるいは弾性部材で取り囲んだ内側に配置し、サーマルコンパウンドあるいはグリスが外に洩れるのを防止することが開示されている。
また、特許文献３には、半導体チップ等に過大な押圧力が加わるのを防止するために、図１に示すシステム基板に相当するベースとヒートシンクとの間にスペーサを配置することが提案されている。
特開平４−８５８６１号公報 特開２０００−３３２１６９号公報 特開２００１−１６８５６２号公報 上掲の特許文献１，２に開示されたサーマルコンパウンドあるいはグリスを、フランジあるいは弾性部材で取り囲む技術は、サーマルコンパウンドあるいはグリスを外に洩れにくくするという点ではある程度の効果を期待できるものの、フランジあるいは弾性部材という別部品を必要とし、組立ても複雑となり、コストアップの要因となる。
また、上掲の特許文献３に開示された、ベースとヒートシンクとの間にスペーサを配置しヒートシンクが過大な力で半導体チップ等を押圧するのを防止する技術は、スペーサが半導体チップ等の全周を取り巻いているか否かは不明であリ、したがって熱接合材の外部への洩れを防止することができるか否かは不明である。また、このスペーサで全周を取り巻くように構成した場合、ベース（システム基板）上のかなり大きな面積部分がそのスペーサで占有され、他の回路部品の配置スペースが圧迫され、ベース（システム基板）上への回路部品の高密度実装の観点から問題が残る。
本発明は、上記事情に鑑み、新たな部品追加やシステム基板上の新たな面積占有を引き起こすことなく熱接合材の外部への脱落が防止されたパッケージユニットを提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明のパッケージユニットは、半導体チップが収容されシステム基板上に搭載された半導体パッケージ、および
前記半導体パッケージとの間に熱接合材を挟んで配置されたヒートシンクを備え、半導体パッケージが、熱接合材の周縁を取り囲む庇部を有することを特徴とする。
ここで、上記本発明のパッケージユニットのうちの第１のパッケージユニットは、
パッケージ基板と、パッケージ基板表面中央部に搭載された半導体チップと、パッケージ基板表面周辺部に搭載された、その周辺部を一周するスティフナと、半導体チップおよびスティフナを前記パッケージ基板との間に挟む位置に置かれた熱拡散板とを有し、パッケージ基板裏面をシステム基板に向けてシステム基板に搭載された半導体パッケージ、および
熱拡散板との間に熱接合材を挟んで配置されたヒートシンクを備え、
上記スティフナが、熱接合板の周縁を取り囲む庇部を有することを特徴とする。
また、本発明のパッケージユニットのうちの第２のパッケージユニットは、
パッケージ基板と、パッケージ基板表面中央部に搭載された半導体チップと、パッケージ基板表面周辺部に搭載された、その周辺部を一周するスティフナと、半導体チップおよびスティフナを前記パッケージ基板との間に挟む位置に置かれた熱拡散板とを有し、パッケージ基板裏面をシステム基板に向けてシステム基板に搭載された半導体パッケージ、および
熱拡散板との間に熱接合材を挟んで配置されたヒートシンクを備え、
上記熱拡散板が、熱接合材の周縁を取り囲む庇部を有することを特徴とする。
本発明のパッケージユニットは、半導体パッケージ、例えばその半導体パッケージを構成するスティフナあるいは熱拡散板が上記の庇部を有するため、熱接合材の外部への脱落や洩れが防止される。この場合、例えばスティフナあるいは熱拡散板の形状の変更で済み、新たな部品の追加は不要であるとともに、システム基板上に新たな面積を占めることも回避される。
ここで、本発明の第１、第２のパッケージユニットのいずれにおいても、上記ヒートシンクが、庇部先端に対応する位置にその庇部先端が嵌入する溝を有することが好ましい。
こうすることにより、ヒートシンクを載せるときの正確な位置合わせが容易となり、また、熱接合材の外部への脱落等が一層確実に防止される。
また、本発明の第１のパッケージユニットにおけるスティフナあるいは本発明の第２のパッケージユニットの熱拡散板が、ヒートシンクを支持する支持部を有することも好ましい形態である。
このように構成すると、その支持部がヒートシンクを支持し、ヒートシンクによる半導体チップへの過度な荷重が防止される。また、その支持部を接着等によりヒートシンクに固定することにより、ネジ部材を用いたネジ止め機構を省くことも可能となる。
以上のように、本発明によれば、新たな部品追加やシステム基板上の新たな面積占有を引き起こすことなく熱接合材の外部への脱落が防止される。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
以下に説明する実施形態では、図１に示す従来のパッケージユニットの要素と同一の要素には、分かりやすさのため、多少の形状の相違等があっても同一の符号を付して示し、図１の従来のパッケージユニットとの相違点について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。
図２に示す従来のパッケージユニット１００を構成する半導体パッケージ３０のスティフナ３３に代わる、半導体パッケージ３０Ａのスティフナ３３１が、ヒートシンクの基体５１にほぼ当接する位置まで上に延びる庇部３３１ａを有する。
図４は、図３に示すパッケージユニット１００Ａの半導体パッケージ３０Ａを構成するスティフナ３３１の平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。
このスティフナ３３１の庇部３３１ａは、図３に示す熱接合材４０の周縁を取り囲むように形成されており、その中央には、パッケージ基板３１上に半導体チップ３２を搭載する（図１参照）ための開口３３１ｂが形成されている。
図３に示すパッケージユニット１００Ａによれば、スティフナ３３１が庇部３３１ａを有するため、熱接合材４０の、パッケージユニット１００Ａの外部への脱落が防止される。
図５は、本発明の第２実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。
図２に示す従来例との相違点は、この図５に示すパッケージユニット１００Ｂは、図２に示す従来例のパッケージユニット１００を構成する半導体パッケージ３０のスティフナ３３に代わり、半導体パッケージ３０Ｂのスティフナ３３２が、ヒートシンクの基体５１に設けられ溝５１２に嵌入する位置まで延びる庇部３３２ａを有する点である。
図６は、図５に示すパッケージユニット１００Ｂの半導体パッケージ３０Ｂを構成するスティフナ３３２の平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。
このスティフナ３３２の庇部３３２ａは、図４に示す第１実施形態を構成するスティフナ３３１の庇部３３１ａと同様、図５に示す熱接合材４０の周縁を取り囲むように形成されており、その中央には、図１に示すパッケージ基板３１上に半導体チップ３２を搭載するための開口３３２ｂが形成されている。ただし、この図６に示すスティフナ３３２は、図４に示すスティフナ３３１とは異なり、その庇部３３２ａがヒートシンクの基体５１の溝５１２（図５参照）に嵌入する高さまで延びている。
これに対応して、ヒートシンクの基体５１に形成された溝５１２は、その庇部３３２ａが全周にわたって嵌入するように短形に一周する溝となっている。
図５，図６に示す第２実施形態のパッケージユニット１００Ｂによれば、スティフナ３３２の庇部３３２ａがヒートシンクの基体５１に設けられた溝５１２に嵌入する高さまで延びているため、ヒートシンクを組み立てる際に容易に正確な位置を決めを行なうことができるとともに、庇部３３２ａが溝５１２に嵌入していることから、熱接合材４０の、このパッケージユニット１００Ｂの外部への脱落が一層確実に防止される。
図７は、本発明の第３実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。
図２に示す従来例との相違点は、この図７に示すパッケージユニット１００Ｃは、図２に示す従来例のパッケージユニット１００を構成する半導体パッケージ３０のスティフナ３３に代わり、半導体パッケージ３０Ｃのスティフナ３３３が、ヒートシンクの基体５１に設けられ溝５１２に嵌入する位置まで延びる庇部３３３ａとヒートシンクの基体５１の下面を支える支持部３３３ｃを有する点である。この支持部３３３ｃは、基体５１の下面に接着されており、これにより、図１の従来例のパッケージユニット１００に示す雄ネジ部材６１と雌ネジ部材６２とコイルスプリング６３とからなるネジ止め機構を不要としている。
図８は、図７に示すパッケージユニット１００Ｃの半導体パッケージ３０Ｃを構成するスティフナ３３３の平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。
このスティフナ３３３の庇部３３３ａは、図６に示す第２実施形態を構成するスティフナ３３２の庇部３３２ａと同様、図７に示す熱接合材４０の周縁を取り囲むように形成されており、その中央には、図１に示すパッケージ基板３１上に半導体チップ３２を搭載するための開口３３３ｂが形成されている。また、この図８に示すスティフナ３３３は、図６に示すスティフナ３３２、その庇部３３３ａがヒートシンクの基体５１の溝５１２（図５参照）に嵌入する高さまで延びている。
ヒートシンクの基体５１に形成された溝５１２は、その庇部３３３ａが全周にわたって嵌入するように短形に一周する溝となっている。
したがって、図７，図８に示す第３実施形態のパッケージユニット１００Ｃによれば、図５，図６に示す第２実施形態のパッケージユニット１００Ｂと同様、スティフナ３３３の庇部３３３ａがヒートシンクの基体５１に設けられた溝５１２に嵌入する高さまで延びているため、ヒートシンクを組み立てる際に容易に正確に位置決めすることができる。また、庇部３３２ａが溝５１２に嵌入していることから、熱接合材４０の、このパッケージユニット１００Ｃの外部への脱落が一層確実に防止される。
また、この図７，図８に示すスティフナ３３３は、図８に示すように、庇部３３３ａの途中位置から外向きに水平に広がる支持部３３３ｃが形成されており、図７に示すように、この支持部３３３ｃによりヒートシンクの基体５１が支持される構造となっている。
この支持部３３３ｃは、基体５１の下面に接着されており、これにより、図１の従来例のパッケージユニット１００に示す雄ネジ部材６１と雌ネジ部材６２とコイルスプリング６３とからなるネジ止め機構を不要としている。
図９は、本発明の第４実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。
図３に示す第１実施形態のパッケージユニット１００Ａの場合、スティフナ３３１に庇部３３１ａが形成されているが、この図９に示す第４実施形態のパッケージユニット１００Ｄの場合は、スティフナ３３は図１，図２に示す従来例のスティフナ３３と同一形状のものであり、図１，図２に示す従来例のヒートスプレッダ３５に代わるヒートスプレッダ３５１に庇部３５１ａが形成されている。このように、この図９に示す第４実施形態のパッケージユニット１００Ｄは、図３に示す第１実施形態のパッケージユニット１００Ａと比べ、庇部３５１ａがヒートスプレッダ３５１に形成されている点が異なるのみであり、他の要素は、図３に示す第１実施形態のパッケージユニット１００Ａと同一である。またその庇部３５１ａの作用も、図３に示す第１実施形態のパッケージユニット１００Ａにおける、スティフナ３３１に形成された庇部３３１ａの作用と同一である。
図１０は、本発明の第５実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。
図５に示す第２実施形態のパッケージユニット１００Ｂの場合、スティフナ３３２に、ヒートシンクの基体５１の溝５１２に嵌入する高さを有する庇部３３２ａが形成されているが、この図１０に示す第５実施形態のパッケージユニット１００Ｅの場合は、スティフナ３３は図１，図２に示す従来例のスティフナ３３と同一形状のものであり、図１，図２に示す従来例のヒートスプレッダ３５に代わるヒートスプレッダ３５２に、ヒートシンクの基体５１の溝５１２に嵌入する高さの庇部３５２ａが形成されている。このように、この図１０に示す第５実施形態のパッケージユニット１００Ｅは、図５に示す第２実施形態のパッケージユニット１００Ｂと比べ、庇部３５２ａがヒートスプレッダ３５２に形成されている点が異なるのみであり、他の要素は、図５に示す第２実施形態のパッケージユニット１００Ｂと同一である。またその庇部３５２ａの作用も、図５に示す第２実施形態のパッケージユニット１００Ｂにおける、スティフナ３３２に形成された庇部３３２ａの作用と同一である。
図１１は、本発明の第６実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。
図７に示す第３実施形態のパッケージユニット１００Ｃの場合、スティフナ３３３に庇部３３３ａと支持部３３３ｃが形成されているが、この図１１に示す第６実施形態のパッケージユニット１００Ｆの場合は、スティフナ３３は図１，図２に示す従来例のスティフナ３３と同一形状のものであり、図１，図２に示す従来例のヒートスプレッダ３５に代わるヒートスプレッダ３５３に庇部３５３ａと支持部３５３ｃが形成されている。このように、この図１１に示す第６実施形態のパッケージユニット１００Ｆは、図７示す第３実施形態のパッケージユニット１００Ｃと比べ、庇部３５３ａと支持部３５３ｃがヒートスプレッダ３５３に形成されている点が異なるのみであり、他の要素は、図７に示す第３実施形態のパッケージユニット１００Ｃと同一である。またその庇部３５３ａおよび支持部３５３ｃの各作用も、図７に示す第３実施形態のパッケージユニット１００Ｃにおける、スティフナ３３３に形成された庇部３３３ａおよび支持部３３３ｃの各作用と同一である。
従来のパッケージユニットの概要図である。 図１に示す円Ｒの内部の拡大図である。 本発明の第１実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。 図３に示すパッケージユニットの半導体パッケージを構成するスティフナの平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。 本発明の第２実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。 図５に示すパッケージユニットの半導体パッケージを構成するスティフナの平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。 本発明の第３実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。 図７に示すパッケージユニットの半導体パッケージを構成するスティフナの平面図（Ａ）および正面図（Ｂ）である。 本発明の第４実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。 本発明の第５実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。 本発明の第６実施形態のパッケージユニットの、図１の円Ｒに相当する部分の拡大図である。

Claims (5)

  1. パッケージ基板と、該パッケージ基板表面中央部に搭載された半導体チップと、該パッケージ基板表面周辺部に搭載された、該周辺部を一周するスティフナと、前記半導体チップおよび前記スティフナを前記パッケージ基板との間に挟む位置に置かれた熱拡散板とを有し、該パッケージ基板裏面をシステム基板に向けて該システム基板に搭載された半導体パッケージ、および
    前記熱拡散板との間に熱接合材を挟んで配置されたヒートシンクを備え、
    前記スティフナが、前記熱接合材の周縁を取り囲む庇部を有することを特徴とするパッケージユニット。
  2. 前記ヒートシンクが、前記庇部先端に対応する位置に該庇部先端が嵌入する溝を有することを特徴とする請求項１記載のパッケージユニット。
  3. 前記スティフナが、前記ヒートシンクを支持する支持部を有することを特徴とする請求項１記載のパッケージユニット。
  4. パッケージ基板と、該パッケージ基板表面中央部に搭載された半導体チップと、該パッケージ基板表面周辺部に搭載された、該周辺部を一周するスティフナと、前記半導体チップおよび前記スティフナを前記パッケージ基板との間に挟む位置に置かれた熱拡散板とを有し、該パッケージ基板裏面をシステム基板に向けて該システム基板に搭載された半導体パッケージ、および
    前記熱拡散板との間に熱接合材を挟んで配置されたヒートシンクを備え、
    前記熱拡散板が、前記熱接合材の周縁を取り囲む庇部を有し、
    前記ヒートシンクが、前記庇部先端に対応する位置に該庇部先端が嵌入する溝を有することを特徴とするパッケージユニット。
  5. 前記熱拡散板が、前記ヒートシンクを支持する支持部を有することを特徴とする請求項４記載のパッケージユニット。
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