JP4783272B2

JP4783272B2 - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP4783272B2
Application number: JP2006326086A
Authority: JP
Inventors: 剛長谷川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: JP2008141002A

Description

この発明は、例えば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、パッケージ本体を熱伝導率の高い銅や銅合金で形成して、このパッケージ本体には、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、このパッケージ本体には、外部接続用の接続端子が突設され、この接続端子が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、半導体素子の熱をパッケージ本体に伝達した後、パッケージ本体から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、小型化の要請が強くあり、その要請を満足するために、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排熱して、半導体素子の温度を許容値に熱制御するための各種の冷却構造が開発されている。このような冷却構造としては、例えば基板に実装するパッケージ本体上に放熱フィンを設け、この放熱フィンの上から冷媒を吹付けて半導体素子の駆動に伴う熱を強制的に排熱する構成のものが提案されている（例えば，特許文献１参照）。
実開平５−４４９８号公報

しかしながら、上記冷却構造では、半導体パッケージのパッケージ本体上に直接的に冷媒を吹付けて強制的に冷却する構成上、半導体素子の高出力化による発熱量が増加すればするほど、基板との接触部位の温度上昇を招くために、許容温度に保つことが困難となるという不都合を有する。

係る熱制御の問題は、特に、半導体素子の高出力化を促進して、性能の向上を図る場合における重要な課題となっている。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型化を実現したうえで、高効率な熱制御を実現して、高出力化の促進を図り得るようにし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、半導体素子を形成してなる回路パターンの実装される半導体用基板材料で一部が形成され、当該一部以外は取付け部が設けられた金属材料で形成されるベース部と、このベース部の少なくとも前記基板材料領域を囲うフレーム部と、このフレーム部を閉塞する蓋体とを有するパッケージ本体と、このパッケージ本体のフレーム部に外部接続可能に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続された外部接続端子とを備えて半導体パッケージを構成した。

上記構成によれば、パッケージ本体には、半導体素子が、その一部の半導体用基板材料部位に直接的に回路パターンが実装されて形成され、該半導体用基板材料部位が半導体素子の基板の役を果たすように構成されていることにより、その半導体素子からの熱伝導経路の短縮化が図れると共に、発生した熱の広がりを、多く取ることが可能となる。従って、半導体素子の温度上昇の低減化が図れて、パッケージ本体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可能となる。

以上述べたように、この発明によれば、小型化を実現したうえで、高効率な熱制御を実現して、高出力化の促進を図り得るようにし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及び図２は、この発明の一実施の形態に係る半導体パッケージの外観構成を示すもので、図１は、パッケージ本体１０の上面側から見た状態を示し、図２は、パッケージ本体１０の底面側から見た状態を示す。

即ち、パッケージ本体１０は、ベース部１１、枠状のフレーム部１２及び蓋体１３で形成される。このうちベース部１１は、例えばＳｉＣ（炭化けい素）、Ｓｉ（シリコン）等の半導体用基板材料で形成される。このベース部１１には、その一方面の所定部位に直接的に回路パターン１４１が形成され（図３参照）、この回路パターン１４１に対応する他方面の部位には、例えば絶縁層が形成される。そして、回路パターン１４１に対して、図示しない電子部品が配線接続され、上記ベース部１１には、半導体素子１４が形成される。

また、ベース部１１上には、上記フレーム部１２が上記半導体素子１４を囲んで設けられる。このフレーム部１２は、例えば銅、銅合金等の金属材料で形成され、その対向する両側壁には、上記ベース部１１の半導体素子１４に電気的に接続される外部接続端子１５，１５がそれぞれ外部接続可能に突設される。この外部接続端子１５，１５は、図示しない外部機器に配線接続される。

さらに、ベース部１１の上記外部接続端子１５を挟んだ両端部には、例えば凹状の取付け部１１１，１１１がそれぞれ設けられる。これにより、ベース部１１は、例えば取付け部１１１，１１１が、図示しない支持台等に取付けられて上記パッケージ本体１０が位置決め配置される。

上記フレーム部１２の開口側には、上記蓋体１３が被着されて閉塞される。この蓋体１３は、例えば上記フレーム部１２と同様に銅、銅合金等の金属材料で形成され、該フレーム部１２と協働して上記ベース部１１の一部を基板とする上記半導体素子１４を密閉収容する。

上記構成により、パッケージ本体１０は、そのベース部１１が、例えば図示しない放熱部に熱的に結合された状態で、その取付け部１１１，１１１が上記支持台等に取付けられて設置される。そして、このパッケージ本体１０は、そのフレーム部１２から突設された外部接続端子１５，１５が図示しない外部機器に電気的に接続されて所望の電子機器システムが構築される。

ここで、半導体用基板材料製のベース部１１の一部を基板として構成した半導体素子１４は、上記外部機器を介して駆動され、その駆動に伴い発熱される。この半導体素子１４の熱伝達経路は、そのパッケージ本体１０のベース部１１である半導体用基板材料から直接的に上記放熱部に至る経路を有する。

この熱伝達経路は、半導体素子１４を構成する回路パターン１４１を直接的に形成したベース部１１を利用して構成されている。このベース部１１の一部を、その構成に含む半導体素子１４は、ベース部１１と別体の基板を備えた場合に比して熱伝達経路の短縮化が図れ、その熱抵抗の削減を図ることができる。

そして、上記半導体素子１４は、熱伝達経路的にベース部１１全体が、その基板面を構成することとなり、大きな熱伝達面積が得られるため、その熱の広がりを多く採ることができる。この結果、パッケージ本体１０内の半導体素子１４で発生した熱は、効率的に上記放熱部に熱移送されて放熱され、半導体素子１４が許容温度に熱制御される。

ここで、上記放熱部としては、例えば図４及び図５に示す空気等の気体を供給する空冷式、あるいは図６乃至図８に示す冷却液を供給する液冷式等の冷却流体を供給することにより、強制的に冷却する放熱手段が構成される。

すなわち、図４及び図５に示す空冷式では、例えば上記ベース部１１の背面側に、放熱フィン１６が上記ベース部１１上の半導体素子１４に対応して設けられる。また、ベース部１１の背面側には、ダクト１７が放熱フィン１６を囲んで設けられる。このダクト１７は、外部より空気を放熱フィン１６に案内することにより、該放熱フィン１６の放熱効率を促進する。

これにより、パッケージ本体１０内の半導体素子１４の熱は、ベース部１１より直接的に放熱フィン１６に熱移送される。すると、この熱は、放熱フィン１６に対してダクト１７を介して導かれる空気により強制的に排熱され、ここに、ベース部１１の一部を、その構成に含む半導体素子１４を許容温度に効率よく熱制御することができる。

また、図６乃至図８に示す液冷式では、例えば上記ベース部１１の背面側に凹状の冷却液供給部１８がＯリング１９を介して密閉構造に配置される（図７及び図８参照）。そして、この冷却液供給部１８内には、上記ベース部１１の背面側に上記半導体素子１４に設けられた放熱フィン２０が収容配置される。また、冷却液供給部１８には、液供給口１８１及び液出口１８２が設けられ、この液供給口１８１及び液出口１８２には、図示しない液供給源が配管接続される。

これにより、冷却液供給部１８は、その液供給口１８１に上記液供給源（図示せず）からの冷却液が供給されると、その冷却液が循環されて液出口１８２から排出される。この冷却液は、パッケージ本体１０のベース部１１の放熱フィン２０に熱移送された熱を奪って液出口１８２から排出されて排熱することにより、ベース部１１の一部を、その構成に含む半導体素子１４を許容温度に効率よく熱制御する。

このように、上記半導体パッケージは、パッケージ本体１０のベース部１１を、半導体用基板材料で形成して、このベース部１１の一部に回路パターン１４１を直接的に実装した半導体素子１４を形成し、この半導体素子１４に電気的に接続される外部接続端子１５を、フレーム部１１より突設配置するように構成した。

これによれば、パッケージ本体１０は、半導体素子１４が、その半導体用基板材料製のベース部１１と回路パターン１４１とにより形成され、そのベース部１１自体が半導体素子１４の基板を構成していることにより、半導体素子１４からの熱伝導経路の短縮化が図れると共に、その発生した熱がベース部１１全体に効率よく広がる。これにより、半導体素子１４の温度上昇の低減化が図れて、パッケージ本体１０の小型化を実現したうえで、半導体素子１４の高出力化の促進を実現することができる。

なお、上記実施の形態では、パッケージ本体１０のベース部１１を、半導体用基板材料で形成して、ベース部１１の一部を基板として、半導体素子１４を配置するように構成した場合について説明したが、これに限ることなく、その他、図９乃至図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９乃至図１１の実施の形態においては、上記図１〜図３及び図６〜図８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。

即ち、この実施の形態では、ベース部２１を銅、銅合金等の金属材料で形成して、このベース部２１の例えばフレーム部１２で囲まれた領域の一部に、半導体用基板材料を埋め込んだりして素子形成部位２２を設ける。このベース部２１の一部を構成する素子形成部位２２には、その上面側に回路パターン１４１（図３参照）が直接的に実装されて半導体素子１４が形成され、この半導体素子１４が上記パッケージ本体１０のフレーム部１２内に収容配置される。そして、上記素子形成部位２２の背面側には、放熱フィン２３が半導体素子１４に対応して設けられる。

上記ベース部２１の背面側には、例えば上述した液冷式放熱手段を構成する冷却液供給部１８が上記素子形成部位２２の放熱フィン２３を覆うように取付けられる。この冷却液供給部には、上述したようにその液供給口１８１に上記液供給源からの冷却液が供給されて、その冷却液が液出口１８２から排出されることにより、上記放熱フィン２３を強制的に冷却して熱制御する。

これにより、同様に半導体素子１４からの熱伝導経路の短縮化が図れると共に、その発生した熱がベース部２１全体に効率よく広がり、半導体素子１４の温度上昇の低減化が図れて、パッケージ本体１０の小型化を実現したうえで、半導体素子１４の高出力化の促進を実現することができる。

また、上記ベース部２１の一部に配する素子形成部位２２としては、ベース部２１に複数個を分離して設けて、この複数の素子形成部位２２にそれぞれに半導体素子１４を形成するように構成してもよい。

さらに、この図９乃至１１に示す実施の形態においても、ベース部２１に配する放熱手段としては、その他、例えば上記図４及び図５に示すダクト構造の放熱フィン１６を設けて、空冷式放熱手段を配するように構成してもよい。

なお、上記各実施の形態においては、放熱手段として、上記実施の形態で説明した空冷式あるいは液冷式の構成に限るものでなく、その他、各種放熱構造のものが適用可能である。

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を上面側から見た状態を示した斜視図である。図１の半導体パッケージを下面側から見た状態を示した斜視図である。図１のベース部に半導体素子を形成する回路パターンを実装した状態を示した図である。図１のベース部に空冷式放熱手段を設けた状態において蓋体の一部を破断して示した斜視図である。図４の要部を拡大して示した図である。図１のベース部に液冷式放熱手段を設けた状態の外観を示した斜視図である。図６の一部を破断して示した図である。図７の要部を拡大して示した図である。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取出して示した斜視図である。図９を側面から見た状態を示した図である。図１０の要部を拡大して示した図である。

符号の説明

１０…パッケージ本体、１１…ベース部、１１１…取付け部、１２…フレーム部、１３…蓋体、１４…半導体素子、１４１…回路パターン、１５…外部接続端子、１６…放熱フィン、１７…ダクト、１８…冷却液供給部、１８１…液供給口、１８２…液出口、１９…Ｏリング、２０…放熱フィン、２１…ベース部、２２…素子形成部位、２３…放熱フィン。

Claims

半導体素子を形成してなる回路パターンの実装される半導体用基板材料で一部が形成され、当該一部以外は取付け部が設けられた金属材料で形成されるベース部と、このベース部の少なくとも前記基板材料領域を囲うフレーム部と、このフレーム部を閉塞する蓋体とを有するパッケージ本体と、
このパッケージ本体のフレーム部に外部接続可能に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続された外部接続端子と、
を具備することを特徴とする半導体パッケージ。
前記ベース部には、放熱フィンが設けら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。
前記ベース部には、前記放熱フィンに対して冷却流体を供給する冷却流体供給口及び冷却流体排出口を有した冷却流体供給部を備えることを特徴とする請求項２記載の半導体パッケージ。