JP4872394B2 - 放熱板及びこの放熱板を備えた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱板及びこの放熱板を備えた半導体装置に関するものであり、特に、半導体素子が接合される放熱板の接合面に突出片を設けて放熱性を向上させた放熱板及びこの放熱板を備えた半導体装置に関するものである。

従来、半導体基板に所定の回路を形成して構成した半導体素子は、パッケージと呼ばれる封止体内に密封状態で封入され、湿気などの影響による劣化を生じさせにくくしたり、外部からの衝撃から保護したりしており、さらにはパッケージに収容することで取り扱い性を向上させている。

半導体素子は、通常、動作にともなって電力を消費することから発熱するため、熱の発生が多い半導体素子の場合には、パッケージによって熱の放散が阻害されるおそれがあるので、パッケージの一部に金属製の放熱板を設け、この放熱板を半導体素子に接合することにより放熱板を介して熱を効率よく放散させることが行われている。

昨今、半導体素子の中でもＭＰＵやＣＰＵと呼ばれる高集積半導体素子では、さらなる高速化及び高集積化の要望に対応した結果、消費電力がますます上昇し、高集積半導体素子の発熱量は著しく増大している。

この高集積半導体素子における発熱量の増大に対して、パッケージでは放熱性のさらなる向上が求められており、様々な放熱構造が提案されている。

特に、通常、放熱板と半導体素子とは熱伝導性の高い樹脂を介して接合しているが、この樹脂は熱伝導率が３〜４℃／Ｗ程度であり、放熱板として利用される銅の熱伝導率が４００℃／Ｗ程度であるのに対して極めて効率が悪く、放熱性向上の障害となっていたため、放熱板における半導体素子との接合面に半導体素子に直接的に当接させる金属製の突起体を設けて放熱性を向上させる構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３１７８９号公報

しかしながら、放熱板の接合面に突起体を設けた場合には、半導体素子が完全な平坦面を有していれば問題ないが、一般的には半導体素子には多少のソリが生じており、多くの場合で接合面と対向した半導体素子の中央部分が接合面側に膨出しているので、接合面の中央部分に設けた突起体のみが半導体素子と当接することとなって、十分な放熱性が得られていないという問題があった。

そこで、半導体素子のソリに応じて接合面に形成する突起体の突出量を調整することにより、より多くの突起体を半導体素子に当接させることは可能ではあるが、半導体素子のソリ形状は千差万別であって、個々の半導体素子に合わせて突起体の突出量を調整することは現実的には不可能であった。

本発明者らはこのような現状に鑑み、放熱効率をさらに向上させるべく研究開発を行って本発明を成すに至ったものである。

本発明の放熱板では、接合用の樹脂を介して半導体素子に接合し、この半導体素子が発する熱を放散させる金属製の放熱板において、樹脂を介して半導体素子が接合される接合面には、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有する金属性の突出片を設け、半導体素子を接合させる際には、突出片の先端を半導体素子に当接させるとともに突出片を撓ませながら接合させ前記突出片は、前記先端によって形成される稜線で交わる第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、この第1の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも前記接合面を基準とした傾斜角度を大きくするとともに、前記第１の傾斜面を前記第２の傾斜面よりも前記接合面の中心寄りに配置したこととした。

さらに、突出片は長手状に形成して、先端によって形成される稜線を接合面と略平行としたことにも特徴を有するものである。

また、本発明の半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子と接合用の樹脂を介して接合した放熱板を備えた半導体装置において、放熱板には、樹脂を介して半導体素子が接合される接合面に、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有する金属性の突出片を設け、突出片の先端を半導体素子に当接させるとともに突出片を撓ませながら放熱板と半導体素子とを接合し、前記突出片は、前記先端によって形成される稜線で交わる第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、この第1の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも前記接合面を基準とした傾斜角度を大きくするとともに、前記第１の傾斜面を前記第２の傾斜面よりも前記接合面の中心寄りに配置したこととした。

請求項１記載の発明によれば、接合用の樹脂を介して半導体素子に接合し、この半導体素子が発する熱を放散させる金属製の放熱板において、樹脂を介して半導体素子が接合される接合面には、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有する金属性の突出片を設け、半導体素子を接合させる際には、突出片の先端を半導体素子に当接させるとともに突出片を撓ませながら接合させ、前記突出片は、前記先端によって形成される稜線で交わる第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、この第1の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも前記接合面を基準とした傾斜角度を大きくするとともに、前記第１の傾斜面を前記第２の傾斜面よりも前記接合面の中心寄りに配置したことによって、半導体素子にソリが生じていても、接合面に設けた全ての突出片を半導体素子に当接させることができ、半導体素子から放熱板への熱の移動量を増大させて放熱性を向上させることができる。

特に、可撓性を有した突出片が半導体素子に当接された場合に突出片が撓み、半導体素子との接触面積が増大することとなるので、接合面の中心部分に設けた突出片は、接合面の周縁部に設けた突出片よりも接触面積を大きくすることができ、比較的高温となりやすい半導体素子の中心部分の放熱性をより向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の放熱板において、突出片は長手状に形成して、先端によって形成される稜線を接合面と略平行としたことによって、突出片と半導体素子との接触面積を大きくすることができ、半導体素子から放熱板への熱の移動量を増大させて放熱性を向上させることができる。

請求項３記載の発明によれば、半導体素子と、この半導体素子と接合用の樹脂を介して接合した放熱板を備えた半導体装置において、放熱板には、樹脂を介して半導体素子が接合される接合面に、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有する金属性の突出片を設け、突出片の先端を半導体素子に当接させるとともに突出片を撓ませながら放熱板と半導体素子とを接合し、前記突出片は、前記先端によって形成される稜線で交わる第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、この第1の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも前記接合面を基準とした傾斜角度を大きくするとともに、前記第１の傾斜面を前記第２の傾斜面よりも前記接合面の中心寄りに配置したことによって、半導体素子にソリが生じていても、接合面に設けた全ての突出片を半導体素子に当接させることができ、半導体素子から放熱板への熱の移動量を増大させて放熱性を向上させて、熱に対する信頼性の高い半導体装置を提供できる。

本発明の放熱板、及びこの放熱板を備えた半導体装置では、半導体素子と接合される放熱板の接合面に金属製の突出片を設けているものであり、この突出片を半導体素子に当接させながら半導体素子と放熱板とを接合することにより、半導体素子から放熱板への熱の移動量を増大させて放熱性の向上を図っているものである。

特に、突出片は、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有しているので、放熱板と半導体素子とを接合した際に突出片は撓み、突出片と半導体素子との接触面積を増大させることができるとともに、ソリが生じている半導体素子のソリ形状に突出片を追従させることができるので、接合面に形成した突出片を確実に半導体素子に当接させて、放熱性を向上させることができる。

以下において、本発明の実施形態を図面に基づいて詳説する。なお、本実施形態の半導体素子は、フリップチップ型の半導体素子であるが、フリップチップ型の半導体素子に限定するものではなく、半導体素子に接続する全ての放熱板に対して本発明を適用することができる。

図１の放熱板10の概略模式図、及び図１のＸ−Ｘ断面図である図２に示すように、本実施形態の放熱板10は、矩形平板状の金属板で構成し、一方の面の中央部分を後述するように半導体素子20を接合する接合面11としている（図４参照）。放熱板10には外周縁に沿って矩形枠状のシール用フレーム12を設けている。なお、シール用フレーム12は放熱板10と別体とするのではなく、放熱板10と一体としてもよい。

接合面11には、所定位置に接合面11に対して突出状とした突出片13を形成している。本実施形態では、突出片13は、図３に示すように、接合面11に対して所定の角度に切削刃30の刃先を調整して、放熱板10の所定位置に切削刃30によって切れ込みを形成し、この切れ込みよって形成された金属片を切削刃30によって引き起こすことにより接合面11に対して突出状とした突出片13を形成している。したがって、突出片13は先端を先鋭状とすることができる。

特に、本実施形態では、突出片13を形成する際に用いた切削刃30は、彫刻刀における平刀と同様の一文字状の刃を有するとともに、この一文字状の刃の両端部分に直角状に立設した直立状の刃を有することにより、全体でＵ字状とした刃を有し、この切削刃30を接合面11の所定位置に所定角度で突き込むことにより突出片13となる金属片を形成している。

このように形成した突出片13は、切削刃30が一文字状の刃と直立状の刃とでＵ字状となっていることにより、直立状の刃の間隔方向と平行な長手状とすることができ、突出片13の先端によって形成される稜線を接合面と略平行とすることができる。

さらに、突出片13は、図２に示すように、稜線で交わる第1傾斜面14と第２傾斜面15とを有し、この第1傾斜面14は、第２傾斜面15よりも接合面11を基準とした傾斜角度を大きくすることができる。すなわち、接合面11を基準とした第1傾斜面14の傾斜角度である第１傾斜角度θ１は、接合面11を基準とした第２傾斜面15の傾斜角度である第２傾斜角度θ２はよりも大きくすることができる。

本実施形態では、直立状の刃の間隔寸法は５ｍｍ程度として、５ｍｍ程度の稜線を有する突出片13としているが、突出片13は稜線をできるだけ長く形成することにより、後述するように放熱板10と半導体素子20とを接合した際に、突出片13と半導体素子20の接触面積を大きくすることができるので、放熱効果を向上させることができる。

また、突出片13の突出量は、本実施形態では３０μｍ程度としている。ただし、突出片13の突出量は、放熱板10と半導体素子20との接合に用いる樹脂中に配合したフィラーのサイズや、樹脂の粘性及び熱伝導率に応じて適宜の突出量とすればよく、一般的には１０〜１００μｍ程度であればよい。

本実施形態では、前述したように接合面11に切削刃30を突き込んで突出片13を形成しているが、突出片13の形成はこの方法に限定するものではなく、例えば接合面11に切削加工を施して互いに一側縁で交わる第1傾斜面14と第２傾斜面15を所定位置に形成することにより先端を先鋭状とした突出片を形成してもよい。

なお、本実施形態では放熱板10は銅板で構成しており、単に銅板のみで放熱板10を構成した場合には、放熱板10と半導体素子20を接合用の樹脂で接合する際に、放熱板10の銅が樹脂中の硬化剤に対する触媒毒として作用するおそれがあるので、放熱板10は突出片13の形成後にニッケルめっき処理によって全面をニッケルめっき被膜で被覆している。ニッケルめっき被膜は、２〜５μｍ程度が望ましい。

このように突出片13を形成した放熱板10と半導体素子20とを接合する場合には、図４に示すように、半導体素子20を支持基板40の所定位置にあらかじめ装着し、次いで、放熱板10の半導体素子20への接合を行っている。図４中、21は半導体素子20に設けた外部接続端子と支持基板40上の端子とを接続しながら装着するための半田ボールである。なお、図示していないが、半田ボール21を介して半導体素子20を支持基板40に装着した後に、半導体素子20と支持基板40との間には、半田ボール21を封止するための封止用樹脂を充填してもよい。

半導体素子20に放熱板10を接合する場合には、半導体素子20における放熱板10との接合面に接合用樹脂16を所定量塗布し、また、支持基板40における放熱板10のシール用フレーム12と対向する領域に封止樹脂17を塗布し、放熱板10の接合面11を半導体素子20対向させながら放熱板10を半導体素子20上に載置している。

半導体素子20上に放熱板10を載置した後、放熱板10を上方から下方に向けて１０〜１５０Ｎ程度の加重を加えて、放熱板10に設けた突出片13を半導体素子20に確実に当接させている。

とのとき、突出片13が可撓性を有していることによって、半導体素子20と当接した突出片13は更なる荷重によって変形し、荷重を吸収することによって半導体素子20に過大な荷重が作用することを抑止して、半導体素子20に破損が生じることを防止できる。

しかも、突出片13は変形することによって半導体素子20との接触面積が増大し、半導体素子20から放熱板10への熱の移動量を増大させて放熱性を向上させることができる。

特に、半導体素子20は、中央部分が放熱板10側に膨出しているため、接合面11の中央部分に設けた突出片13の変形量を大きくすることができるので、接合面11の中央部分では突出片13の半導体素子20との接触面積を増大させることができ、半導体素子20の中心部分の放熱性をより向上させることができる。

このように放熱板10に荷重を加えた状態で接合用樹脂16及び封止樹脂17を硬化させて、放熱板10の半導体素子20への接合を完了している。

前述した本実施形態では、放熱板10の接合面11に設けた複数個の突出片13は、何れも同一方向から切削刃30による切り起こしを行って形成しているが、切削刃30による切り起こしの方向を調整することによって、図５に示すように、第１傾斜面14'を第２傾斜面15'よりも接合面11の中心寄りに配置することもできる。

このように、第１傾斜面14'を第２傾斜面15'よりも接合面11の中心寄りに配置することにより、半導体素子20で生じた熱で膨脹する放熱板10が突出片13の形成のための切れ込みによって不均一に膨脹することを抑制できる。したがって、膨脹した放熱板に応力集中が生じることを抑制できるので、放熱板に破損あるいは劣化が生じることを抑制できる。

図６は、放熱板における突出片の有無での熱伝導状態の二次元数値解析結果を示したグラフである。すなわち、19.2mm幅の半導体素子を放熱板に装着し、半導体素子を５０℃とした場合における半導体素子と等幅部分の放熱板表面の温度分布を示したものである。

ここで、半導体素子の19.2mm幅内には１０個の突出片を等間隔で配置している。突出片は、放熱板の当接面から６０μｍの突出の高さを有するようにしており、特に、半導体素子は中央部分が放熱板側に膨出しているので、当接面の中央部分では、突出片の突出の高さは３０μｍとしている。このとき、当接面の中央部分の突出片は、半導体素子と０．５ｍｍ幅で当接するものとし、当接面の外側縁に近づくにつれて当接幅を小さくし、最外側の突出片は、半導体素子と点接触状態となっているものとしている。

半導体素子と放熱板との間には、0.0028w/mm²・Kの熱伝導率を有する接合用樹脂が介設されているものとし、放熱板は、板厚を２ｍｍとし、0.391w/mm²・Kの熱伝導率を有しているものとした。なお、自然対流の熱伝導率は0.0226w/mm²・Kとした。

二次元数値解析の結果、図６に示すように、放熱板に突出片を設けずに接合用樹脂のみを用いて半導体素子に放熱板を装着した場合に対して、放熱板に突出片を設けた場合には、放熱板の温度を約３℃上昇させることができ、半導体装置の熱をより大量に放熱板に移動させて放熱効率を向上させることができることがわかる。

本発明の実施形態に係る放熱板の概略模式図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。 突出片の形成方法説明図である。 本発明の実施形態に係る放熱板を装着した半導体装置の断面概略模式図である。 他の実施形態の放熱板の断面概略模式図である。 放熱板における突出片の有無での熱伝導状態の二次元数値解析結果を示したグラフである。

符号の説明

10 放熱板
11 接合面
12 シール用フレーム
13 突出片
14 第1傾斜面
15 第２傾斜面
16 接合用樹脂
17 封止樹脂
20 半導体素子
30 切削刃
40 支持基板

Claims (3)

1. 接合用の樹脂を介して半導体素子に接合し、この半導体素子が発する熱を放散させる金属製の放熱板において、
   前記樹脂を介して前記半導体素子が接合される接合面には、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有する金属性の突出片を設け、
   前記半導体素子を接合させる際には、前記突出片の先端を前記半導体素子に当接させるとともに前記突出片を撓ませながら接合させ、
   前記突出片は、前記先端によって形成される稜線で交わる第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、この第1の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも前記接合面を基準とした傾斜角度を大きくするとともに、前記第１の傾斜面を前記第２の傾斜面よりも前記接合面の中心寄りに配置したことを特徴とする放熱板。
2. 前記突出片は長手状に形成して、前記稜線を前記接合面と略平行としたことを特徴とする請求項１記載の放熱板。
3. 半導体素子と、この半導体素子と接合用の樹脂を介して接合した放熱板を備えた半導体装置において、
   前記放熱板には、前記樹脂を介して前記半導体素子が接合される接合面に、先端を先鋭状としたことにより可撓性を有する金属性の突出片を設け、
   前記突出片の先端を前記半導体素子に当接させるとともに前記突出片を撓ませながら前記放熱板と前記半導体素子とを接合し、
   前記突出片は、前記先端によって形成される稜線で交わる第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、この第1の傾斜面は、前記第２の傾斜面よりも前記接合面を基準とした傾斜角度を大きくするとともに、前記第１の傾斜面を前記第２の傾斜面よりも前記接合面の中心寄りに配置したことを特徴とする半導体装置。

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