JP4860552B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、放熱構造を備えた半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
特開２００６−２６１３３６号公報（特許文献１）には、表面が粘着性を有する弾性体でシート状に形成された熱伝導シートを用い、この熱伝導シートの一方の面を孔開きシートで覆い、他方の面を電子素子に粘着させ、放熱ねじを孔開きシートに対して押圧し、押圧によって孔開きシートの孔から熱伝導シートの弾性体の表面を押し出すことによって放熱ねじと熱伝導シートとを粘着することにより、電子素子を放熱するための放熱構造を形成する技術が開示されている。
特開２００４−２５９９７７号公報（特許文献２）には、半導体チップを実装した基板を金属製の密閉筐体に収容し、半導体チップと筐体の内壁との間のギャップに熱伝導部材を挟み込んだ構造を形成し、筐体の内壁の半導体チップに対向する部分および半導体チップの少なくとも一方には凹凸が形成された構造とすることにより、熱伝導部材が変形し筐体と半導体チップとの間の応力を緩和する技術が開示されている。
特開２００１−６８６０７号公報（特許文献３）には、回路基板と放熱板との間に柔軟な高熱伝導体を介在させて放熱する際に、柔軟な高熱伝導体を圧縮することにより回路基板が受ける荷重により発生する回路基板の撓みを抑制する技術が開示されており、さらに放熱板に設けた貫通孔により良好に放熱する技術も開示されている。
特開２００６−２６１３３６号公報 特開２００４−２５９９７７号公報 特開２００１−６８６０７号公報
図８および図９は、本発明者らが検討した光送受信機（光伝送モジュール）における放熱構造を示す断面図であり、それぞれ異なる断面を示したものである。図８および図９に示す放熱構造は、プリント配線基板１０１の上に実装された半導体パッケージ１０２と、その半導体パッケージ１０２の上面に配置した熱伝導シート１０３と、その熱伝導シート１０３から伝わる熱を大気中に放出する放熱フィン１０４を設けた金属ケース１０５とで構成する。
熱伝導シート１０３は、半導体パッケージ１０２および金属ケース１０５に接する表面に粘着性を有するとともに、半導体パッケージ１０２と金属ケース１０５の間隙に合わせて厚さが変化するように弾力性を持ったものを使用する。
図８および図９に示す例では、半導体パッケージ１０２として、プリント配線基板１０１との接続部分に半田ボールを用いたボールグリッドアレイ構造を有するものを示している。
図８および図９に示す放熱構造の組み立て手順の一例は、半導体パッケージ１０２が半田接続されたプリント配線基板１０１を金属ケース１０５と対を成す金属ケース１０６に螺子１０７および螺子１０８を用いて螺子固定し、半導体パッケージ１０２の上面に熱伝導シート１０３を配置した後に、放熱フィン１０４が設けられた金属ケース１０５を被せて螺子１０９および螺子１１０で金属ケース１０６に固定するものである。螺子１０９および螺子１１０は、金属ケース１０５に設けられた貫通孔１１１および金属ケース１０６に設けられた螺子孔１１２と嵌合し、それにより金属ケース１０５と金属ケース１０６とが固定される。
放熱フィン１０４が設けられた金属ケース１０５を螺子１０９および螺子１１０で金属ケース１０６に固定する際に、金属ケース１０５と半導体パッケージ１０２との間隙が狭くなる。熱伝導シート１０３は、熱伝導シート１０３自体の弾力性を利用して、金属ケース１０５と半導体パッケージ１０２の間隙にあわせた厚みに調整される。
熱伝導性シート１０３は、弾力性を有していても環境（雰囲気）温度が低温の場合や螺子閉めによる加圧速度によっては、急速に厚みを変化させられない場合がある。このような条件下で図８および図９に示す放熱構造を組み立てた場合、金属ケース１０５からの加圧が熱伝導シート１０３で緩和されずに、半導体パッケージ１０２に機械的ストレスが印加されてしまう。半導体パッケージ１０２に過剰な機械的ストレスが印加されると、半導体パッケージ１０２および半導体パッケージ１０２とプリント配線基板１０１との接続部分を破壊してしまう恐れがある。さらに、プリント配線基板１０１にも機械的ストレスが伝達されてしまうため、プリント配線基板１０１に歪みが生じ、抵抗およびコンデンサなどの半導体パッケージ１０２の周辺に実装されている表面実装部品も破損させてしまう恐れがある。
熱伝導シート１０３は、図８および図９に示す放熱構造を組み立てた直後のものには及ばないものの、時間を経ても組立時に発生した弾性応力を保ち続ける。この弾性応力により、長期間に渡って半導体パッケージ１０２、およびプリント配線基板１０１に機械的ストレスを印加し続けてしまい、半導体パッケージ１０２を含むプリント配線基板１０１の上に実装されている表面実装部品の特性の劣化および寿命の低下を招く恐れがある。
図１０において実線にて示されるグラフは、図８および図９に示す放熱構造において、金属ケース１０５より熱伝導シート１０３を加圧した場合において、半導体パッケージ１０２に印加される機械的ストレスの時間的変化を示す特性図の一例である。この図１０のグラフの縦軸は半導体パッケージ１０２に印加される機械的ストレスを表し、横軸は時間を対数表示したものを示している。
金属ケース１０５より熱伝導シート１０３を急激に加圧した場合、熱伝導シート１０３が急速な変化に追従できないため、機械的ストレスが緩和されることなく半導体パッケージ１０２に印加されてしまうことになり、図１０のグラフでは、急激な機械的ストレスの増加として表されている。その後、熱伝導シート１０３が加圧に対して馴染んでくるため、時間経過とともに緩やかに機械的ストレスが減少するものの、熱伝導シート１０３の残留応力により、半導体パッケージ１０２には加圧時ほどではないが機械的ストレスが印加され続けてしまう。
図１１は、図８および図９に示す放熱構造による機械的ストレスを抑制する技術として本発明者らが検討した放熱構造の一例である。図１１に示す放熱構造では、表面に凹凸構造を設けた熱伝導シート１１３を用いる。熱伝導シート１１３は、図１２に示すように、図８および図９に示した放熱構造で用いた表面が平坦な熱伝導シート１０３に対して凹凸を有する型を用いて型押し、表面に凹凸構造を設けたものである。
図１１に示す熱伝導シート１１３を用いた放熱構造では、金属ケース１０５を螺子１０９、１１０で固定した場合でも、熱伝導シート１１３に設けた表面の凹凸構造が崩れることにより、半導体パッケージ１０２を含むプリント配線基板１０１の上に実装された電子部品に対して、過剰な機械的ストレスが印加され難くなる。
しかしながら、図１１に示した熱伝導シート１１３は、表面に凹凸構造を設けたことにより、熱伝導シートを摘んだ際に、凹部の強度が弱く千切れてしまうなどの扱い難い点がある。指やピンセット等で摘んだ際に、凹凸構造が崩れやすく、この状態では光伝送モジュールの組み立て時の機械的ストレスを緩和できない場合がある。
ところで、上記特開２００４−２５９９７７号公報（特許文献２）に開示された技術の場合は、筐体の内壁の半導体チップに対向する部分および半導体チップの少なくとも一方には凹凸が形成された構造とすることにより、熱伝導部材が歪んでいると、凹凸と熱伝導部材との間に空気が閉じ込められてしまう場合がある。このように空気が閉じ込められてしまった場合には、熱伝導部材との密着性が低下したり、放熱性が低下したりする恐れがある。
上記特開２００１−６８６０７号公報（特許文献３）に開示された技術の場合には、放熱板に貫通孔を設けた構造とするために、その貫通孔を設ける作業が困難になってしまう恐れがある。貫通孔が設けられた場合でも、放熱板の構造上から、放熱板に放熱フィンが設けられなくなってしまう恐れがある。また、その貫通孔から電磁波が外部へ漏れ出す恐れがあり、光送受信機がルーター等の機器に配置されている場合には、漏れ出した電磁波によって機器内の他の部品を誤動作させてしまう恐れがある。また、その貫通孔から光送受信機内へ異物が入り込んでしまう恐れもある。
本発明の目的は、半導体パッケージを含むプリント配線基板上に実装された電子部品への機械的ストレスを低減する放熱構造を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明による半導体装置は、
実装基板と、
前記実装基板上に実装された半導体パッケージと、
前記実装基板および前記半導体パッケージを内部に収容および固定する金属ケースと、
前記半導体パッケージと前記金属ケースとの間に配置され、前記半導体パッケージおよび前記金属ケースと接し、前記半導体パッケージから発生する熱を放熱する熱伝導シートと、を備え、
前記熱伝導シートは、加圧に対して経時的に応力が緩和する弾性を有し、
前記金属ケースには、前記熱伝導シートとの接触部にて複数の凹部および凸部が設けられ、
前記複数の凹部は、２つ以上の深さで形成されているものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
すなわち、半導体パッケージを含むプリント配線基板上の電子部品の機械的ストレスを緩和できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の光送受信機（光伝送モジュール）の一断面（放熱構造）を示したものであり、図２は、その一部を拡大して示したものである。
図１および図２に示す本実施の形態の光送受信機における放熱構造は、プリント配線基板（実装基板）１の上に実装された半導体パッケージ２と、その半導体パッケージ２の上面に配置した熱伝導シート３と、その熱伝導シート３から伝わる熱を受け大気中に放出するための放熱フィン４を設けた金属ケース５とで構成されている。
熱伝導シート３は、半導体パッケージ２および金属ケース５に接する表面に粘着性を有するとともに、半導体パッケージ２と金属ケース５の間隙に合わせて厚さが変化するように弾力性を持ったものを使用するものであり、本実施の形態においては、厚さ２ｍｍ〜５ｍｍ程度の熱伝導性シリコン（シリコンゴム）を使用することを例示できる。
半導体パッケージ２は、プリント配線基板１との接続部分に半田ボールを用いたボールグリッドアレイ構造を有する。
図１および図２に示す光送受信機は、例えば以下のような手順で組み立てることができる。すなわち、半導体パッケージ２が半田接続されたプリント配線基板１を金属ケース５と対を成す金属ケース６に螺子７および螺子８を用いて螺子固定し、半導体パッケージ２の上面に熱伝導シート３を配置した後に、放熱フィン４が設けられた金属ケース５を被せ、図１には示されない螺子で金属ケース５と金属ケース６とを固定するものである。
放熱フィン４が設けられた金属ケース５を金属ケース６に固定する際に、金属ケース５と半導体パッケージ２との間隙が狭くなる。熱伝導シート３は、熱伝導シート３自体の弾力性を利用して、金属ケース５と半導体パッケージ２の間隙にあわせた厚みに調整される。
図２に示すように、金属ケース５は、熱伝導シート３との接触部分が突起状に形成され、その突起部の先端に凹凸構造（複数の凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃ）を有することが特徴になっている。凹部（第２の凹部）５Ｂの深さ（第２の深さ）ｈ１は、凹部（第１の凹部）５Ａの深さ（第１の深さ）ｈ２に比べて深く形成されており、本実施の形態では、凹部５Ｂの深さｈ１を３ｍｍ程度とし、凹部５Ａの深さｈ２を１ｍｍ程度とすることを例示できる。なお、凹部５Ｂの深さｈ１および凹部５Ａの深さｈ２は、それぞれ凸部５Ｃの先端からの深さである。また、凸部５Ｃの先端は、熱伝導シート３に向かって尖った形状となっている。ここで、図３は、これら凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃが形成された金属ケース５の突起部の平面図である。図３中では、一点鎖線は凹部５Ａの最深部を示し、点線は凹部５Ｂの最深部を示し、実線（突起部の平面輪郭は除く）は凸部５Ｃの先端を示している。図２および図３に示すように、凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃは、それぞれ溝状で形成され、突起部の外周まで略格子状に延在している。図３では、凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃが略格子状に形成されている例を図示したが、一方向のみとしてもよい。また、図２に示した金属ケース５の突起部の断面は、図３に示す方向Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４のいずれかから見た側面にも相当するものである。
図４は、金属ケース５の突起部と熱伝導シート３との界面を拡大した模式図を示し、金属ケース５の突起部先端の凹凸構造（凸部５Ｃ）によって加圧された際の、熱伝導シート３内の圧力の分散について図示している。
図４に示すように、金属ケース５より熱伝導シート３に対して印加された垂直方向の圧力の一部は、突起構造（凸部５Ｃ）により、熱伝導シート３に対して水平方向の力に変換される。この水平方向の力は、熱伝導シート３を水平方向に変形させる他、水平方向の力の度合いによっては凸部５Ｃの先端５Ｄを起点に熱伝導シート３にクラック（亀裂）を生じさせ、垂直方向の反発力を低減する役割を担う。また、熱伝導シート３にクラックが生じても、熱伝導シート３は、このクラック部でも凸部５Ｃと密着させることができる。
また、図５に示すように、熱伝導シート３が金属ケース５から加圧される過程において、凹部５Ａ内で金属ケース５と熱伝導シート３とが密着した後でも、凹部５Ｂ内では、凹部５Ａより深い領域で空隙９が生じた状態となる。前述したように、凹部５Ｂは金属ケース５の突起部の外周まで延在する溝状で形成されていることから、この空隙９も金属ケース５の突起部の外周まで延在し、熱伝導シート３と金属ケース５との接触部の外部雰囲気と通じることになる。すなわち、金属ケース５が熱伝導シート３を加圧する過程において、熱伝導シート３に歪みが生じていた場合でも、金属ケース５の突起部と熱伝導シート３との界面の空気は、この空隙９を通じて金属ケース５の突起部の外周から脱気することができ、空気を閉じ込めてしまう不具合を防ぐことができる。それにより、金属ケース５の突起部と熱伝導シート３との密着性の低下と、放熱性の低下とを防ぐことが可能となる。
また、図６に示すように、凹部５Ｂは、凹部５Ａの底部に設ける構造としても良い。この時、凸部５Ｃの先端から凹部５Ｂの底部までの深さは、前述の図２で示した凹部５Ｂの深さｈ１に相当する。金属ケース５の突起部の先端の凹凸構造をこの図６に示した構造とした場合でも、図２〜図５に示した凹凸構造の場合と同様の効果を得ることができる。
上記図２〜図６に示した凹凸構造（凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃ）は、金属ケース５を製造する際に金型を用いて一括して形成することができる。そのため、凹凸構造を形成するための加工工程を別途必要としないので、容易に形成することができる。
また、上記図２〜図６に示した凹凸構造（凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃ）は、金属ケース５の外部にまで達する貫通構造とはなっていない。そのため、光送受信機の駆動中において、金属ケース５の外部に電磁波が漏れ出してしまうことを防ぐことができる。その結果、光送受信機がルーター等の機器に配置されている場合でも、漏れ出した電磁波によって機器内の他の部品が誤動作してしまう不具合を防ぐことができる。さらに、光送受信機内へ異物が入り込んでしまう不具合も防ぐことができる。
なお、本実施の形態では、先端の尖った突起構造（凸部５Ｃ）を備えた凹凸構造を図示（図２、図４、図５および図６参照）したが、柱状の凹凸構造を含む針状もしくは刃状を含む突起構造であっても上記の効果は期待できる。
図７は、金属ケース５より熱伝導シート３を加圧した際に、半導体パッケージ２に印加される機械的ストレスの時間的変化を示す特性図の一例である。図７中にて、破線にて示すグラフは本実施の形態に係る凹凸構造（凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃ）を設けた放熱構造（図２〜図６参照）の場合であり、実線にて示すグラフは本実施の形態に係る凹凸構造を設けていない放熱構造の場合である。
実線にて示す凹凸構造を設けていない放熱構造特性と比較すると、本実施の形態に係る凹凸構造を設けた放熱構造の方が機械的ストレスのピーク値が低く、かつ機械的ストレスが緩和される時間的変化が速い。これは金属ケース５において、突起構造（凸部５Ｃ）を設けたことにより、熱伝導シート３に対して垂直方向の圧力が分散されるためである。加圧条件によっては、突起構造が熱伝導シート３内部にて局所的な変形や前述のクラック（亀裂）を生じさせるので、機械的ストレスを効果的に低減することができる。
上記説明のように、金属ケース５の凹凸構造（凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃ）により、金属ケース５によって熱伝導シート３を加圧した場合でも、熱伝導シート３を介して半導体パッケージ２に印加される機械的ストレスを緩和できる。さらに、プリント配線基板１に加えられる機械的ストレスおよびプリント配線基板１上に搭載された電子部品に加えられる機械的ストレスを緩和できるので、電子部品の信頼性劣化を抑制することができる。
さらに、金属ケース５に凹凸構造（凹部５Ａ、５Ｂおよび凸部５Ｃ）を設けたことにより、金属ケース５と熱伝導シート３の界面における熱伝導という観点においても、金属ケース５と熱伝導シート３との接触部の面積が拡張するので、熱伝導性の向上を図ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、前記実施の形態においては、熱伝導シートと接触する金属ケースの突起部の先端に相対的に深い凹部および相対的に浅い凹部の２種類の凹部を設けた場合について説明したが、２種類に限定するものではなく、さらに深さの異なる凹部を設け、３種類以上の奥部を設けた構造としてもよい。
本発明の半導体装置は、光送受信機（光伝送モジュール）等の放熱構造を有する半導体装置に適用することができる。
本発明の一実施の形態である光送受信機における放熱構造を示す断面図である。 図１中の要部を拡大した断面図である。 本発明の一実施の形態である光送受信機における金属ケースの要部平面図である。 本発明の一実施の形態である光送受信機における放熱構造において、金属ケースおよび熱伝導シートの界面を拡大した模式図である。 本発明の一実施の形態である光送受信機における放熱構造の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である光送受信機における放熱構造の要部断面図である。 本発明の一実施の形態である光送受信機の放熱構造において半導体パッケージに印加される機械的ストレスの時間的変化を示す特性図である。 本発明者らが検討した光送受信機における放熱構造を示す断面図である。 本発明者らが検討した光送受信機における放熱構造を示す断面図である。 本発明者らが検討した光送受信機の放熱構造において半導体パッケージに印加される機械的ストレスの時間的変化を示す特性図である。 本発明者らが検討した光送受信機における放熱構造を示す断面図である。 図１１に示した放熱構造で用いた熱伝導シートの加工方法を説明する斜視図である。
符号の説明
１ プリント配線基板（実装基板）
２ 半導体パッケージ
３ 熱伝導シート
４ 放熱フィン
５ 金属ケース
５Ａ 凹部（第１の凹部）
５Ｂ 凹部（第２の凹部）
５Ｃ 凸部
５Ｄ 先端
６ 金属ケース
７、８ 螺子
９ 空隙
１０１ プリント配線基板
１０２ 半導体パッケージ
１０３ 熱伝導シート
１０４ 放熱フィン
１０５、１０６ 金属ケース
１０７〜１１０ 螺子
１１１ 貫通孔
１１２ 螺子孔
１１３ 熱伝導シート

Claims (5)

  1. 実装基板と、
    前記実装基板上に実装された半導体パッケージと、
    前記実装基板および前記半導体パッケージを内部に収容および固定する金属ケースと、
    前記半導体パッケージと前記金属ケースとの間に配置され、前記半導体パッケージおよび前記金属ケースと接し、前記半導体パッケージから発生する熱を放熱する熱伝導シートと、を備え、
    前記熱伝導シートは、加圧に対して経時的に応力が緩和する弾性を有し、
    前記金属ケースには、前記熱伝導シートとの接触部にて複数の凹部および凸部が設けられ、
    前記複数の凹部は、２つ以上の深さで形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記複数の凸部は、前記熱伝導シートに向かって尖っていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記複数の凹部は、第１の深さの第１の凹部と、前記第１の深さより深い第２の深さの第２の凹部とを含み、
    前記第２の凹部内では、前記金属ケースの一部以下が前記熱伝導シートと接し、前記金属ケースと前記熱伝導シートとの間に空隙が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３記載の半導体装置において、
    前記第２の凹部は溝状に形成され、前記金属ケースと前記熱伝導シートとの前記接触部の外周まで延在し、
    前記空隙は、前記金属ケースと前記熱伝導シートとの前記接触部の外部雰囲気と通じていることを特徴とする半導体装置。
  5. 実装基板と、
    前記実装基板上に実装された半導体パッケージと、
    前記実装基板および前記半導体パッケージを内部に収容および固定する金属ケースと、
    前記半導体パッケージと前記金属ケースとの間に配置され、前記半導体パッケージおよび前記金属ケースと接し、前記半導体パッケージから発生する熱を放熱する熱伝導シートと、を備え、
    前記熱伝導シートは、加圧に対して経時的に応力が緩和する弾性を有し、
    前記金属ケースには、前記熱伝導シートとの接触部にて複数の凹部および凸部が設けられ、
    前記複数の凹部のそれぞれの底部には、第２の凹部がさらに設けられ、
    前記第２の凹部内では、前記金属ケースと前記熱伝導シートとの間に空隙が形成されていることを特徴とする半導体装置。
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