JP5276565B2 - 放熱用部品 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージ上に配置され、半導体素子に接する放熱用部品に関する。

ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等に使用される半導体素子は、半導体パッケージ上に電気的に接続され、固定される。半導体素子は、動作時に高温となるため、半導体素子の温度を強制的に下げなければ、半導体素子の性能を発揮できず、半導体素子が壊れる可能性がある。従って、半導体素子上に、放熱板（ヒートシンク）や、放熱フィン（あるいはヒートパイプ）を装着することにより、半導体素子が発する熱を外部に有効に放出する経路を確保している。半導体素子と、放熱板等の間には、熱伝導部材（ＴＩＭ；Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）を挟み、それぞれの凹凸面に追従して接触熱抵抗を減らし、スムーズな熱伝導が行なわれるよう試みられている。

図１は、半導体パッケージに従来の放熱用部品を装着した状態を例示する断面図である。半導体パッケージにおいて、外部接続端子１１０を有する基板１００に搭載された半導体素子２００から発する熱は、半導体素子２００上に配置した熱伝導部材３００を介して放熱板４００に伝熱される。このように、熱伝導部材３００は、半導体素子２００と放熱板４００とを直接接触させずに熱的に接続する手段として使用される。

熱伝導部材３００の材料には、熱伝導性の良いインジウムが使用されることが多いが、インジウムは希少金属であるため高価であり、将来的に供給の面で不安がある。又、放熱板４００に密着させるためのリフロー等の熱処理が必要とされるため、製造工程が複雑化するという問題もあった。

そのため、熱伝導部材３００の他の例として、シリコングリース、或いは高熱伝導性物質としての金属フィラー、グラファイト等を含有した有機系の樹脂バインダー等が使用されている。又、カーボンナノチューブを熱伝導方向に配列させて、樹脂で成形してシート状にした熱伝導部材３００も知られている。

特開２００８−２０５２７３号公報 特表２００７−５３２３３５号公報

しかしながら、上記した金属フィラーや、グラファイト等の高熱伝導性物質を、樹脂をバインダーとして成形した熱伝導部材３００は、樹脂の熱伝導性が高くないため放熱性能的に問題があった。又、熱伝導方向に配列させたカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ端面と放熱用部品との接触熱抵抗が大きく、期待される性能が得られないという問題があった。これは、カーボンナノチューブのうち長さの短いものが放熱用部品表面に到達できないためである。

例えば、図２は、高熱伝導性物質を含有した熱伝導部材と従来の放熱用部品との接触面を例示する断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、放熱板４００と熱伝導部材３００との接触面は、ミクロ的には表面が粗くなっているため、空間６００が生じている。

図２（ａ）では、高熱伝導性物質３０２の最表面が樹脂の割合の高い層である低熱伝導物質層３０１に覆われた熱伝導部材３００を用いている。この場合には、放熱板４００と金属フィラーや、グラファイト等の高熱伝導性物質３０２との間に物理的な接触がなく、放熱板４００と高熱伝導性物質３０２との間の接触熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなるため、放熱性が良くないという問題があった。

又、図２（ｂ）では、高熱伝導性物質３０２であるカーボンナノチューブが樹脂バインダー等の低熱伝導物質層３０１で固定された熱伝導部材３００を用いている。この場合には、高熱伝導性物質３０２の長さのばらつきが大きいため、短いものが放熱板４００の表面に到達できず、図２（ａ）と同様に、放熱板４００と高熱伝導性物質３０２との間の接触熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなるため、放熱性が良くないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品を提供することを目的とする。

本放熱用部品は、半導体パッケージ上に配置され、半導体素子に接する放熱用部品であって、凹部を有する放熱板と、前記凹部の底面に熱伝導方向に林立するように形成されたカーボンナノチューブと、隣接する前記カーボンナノチューブが形成する空隙部を充填し、前記カーボンナノチューブの先端部を露出するように前記凹部の底面に順次積層された第１樹脂層及び第２樹脂層と、前記カーボンナノチューブの先端部を覆うように、前記放熱板の凹部が形成されている面の少なくとも一部及び前記第２樹脂層の上面に形成された金属層と、を有し、前記金属層の前記第２樹脂層の上面に接する面の反対面は、前記半導体素子と接する面であり、前記第１樹脂層の軟化点は前記半導体素子の発熱温度範囲の最高温度以上であり、前記第２樹脂層の軟化点は前記半導体素子の前記発熱温度範囲の最低温度以下であることを要件とする。

本発明によれば、熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品を提供することを可能とする。

半導体パッケージに従来の放熱用部品を装着した状態を例示する断面図である。 高熱伝導性物質を含有した熱伝導部材と従来の放熱用部品との接触面を例示する断面図である。 本実施の形態に係る放熱用部品を半導体パッケージに装着した状態を例示する断面図である。 図３に示す半導体パッケージを例示する底面図である。 図３のＡ部を拡大した断面図である。 放熱用部品の製造工程を例示するフローチャートである。 放熱用部品の製造工程を例示する図（その１）である。 放熱用部品の製造工程を例示する図（その２）である。 放熱用部品の製造工程を例示する図（その３）である。 放熱用部品の製造工程を例示する図（その４）である。 放熱用部品の製造工程を例示する図（その５）である。 放熱用部品の製造工程を例示する図（その６）である。 半導体パッケージの製造工程を例示する図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

（放熱用部品の構造）
図３は、本実施の形態に係る放熱用部品を半導体パッケージに装着した状態を例示する断面図である。図４は、図３に示す半導体パッケージを例示する底面図である。ただし、図４において、図３に示す基板１０、外部接続端子１１及び接着剤５０は、省略されている。

図３及び図４を参照するに、本実施の形態に係る放熱用部品１は、熱伝導部材であるＴＩＭ３０と、放熱板４０とを有する。放熱用部品１は、外部接続端子１１を有する基板１０に搭載された半導体素子２０の上面に配置されている。ＴＩＭ３０は、半導体素子２０と放熱板４０との間に配置されることにより、半導体素子２０と放熱板４０とを熱的に接続する。

半導体素子２０が動作すると、例えば１００〜１１０℃程度の熱を発する。半導体素子２０から発する熱は、半導体素子２０上に配置した放熱用部品１のＴＩＭ３０を介して放熱用部品１の放熱板４０に伝熱される。ＴＩＭ３０は、半導体素子２０と放熱板４０とを直接接触させずに熱的に接続する手段として機能する。

放熱板４０は、例えばヒートシンク等を示している。放熱板４０は、例えば無酸素銅にニッケルめっきを施したものやアルミニウム等の熱伝導率の高い材料からなり、半導体素子２０が発する熱を外部に伝熱放散させる役割を担う。なお、放熱板４０の大きさは、平面視で１０ｍｍ角〜４０ｍｍ角程度である。放熱板４０の最厚部分の厚さは、例えば２〜３ｍｍ程度である。放熱板４０の外縁部４１は、接着剤５０等により基板１０上に固着されている。

放熱用部品１において、ＴＩＭ３０は放熱板４０の凹部４０ｘ内及び放熱板４０の面４０ａの少なくとも一部に形成されている。ＴＩＭ３０は、放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂに形成された多数のカーボンナノチューブ３１と、隣接するカーボンナノチューブ３１の形成する空隙部を充填するように凹部４０ｘの底面４０ｂに形成された第１樹脂層３２と、隣接するカーボンナノチューブ３１の形成する空隙部を充填するように第１樹脂層３２上に形成された第２樹脂層３３と、第２樹脂層３３上及び放熱板４０の面４０ａの少なくとも一部に形成された金属層３４とを有する。

放熱板４０の面４０ａにおいて、金属層３４が形成されている部分の幅Ｗ１は、例えば１ｍｍ程度とすることができるが、面４０ａ全面に金属層３４を形成しても構わない。なお、半導体素子２０の大きさは、例えば１０ｍｍ角程度であり、半導体素子２０の厚さは、例えば０．３〜０．８ｍｍ程度である。

図５は、図３のＡ部を拡大した断面図である。図５を参照しながら、放熱用部品１について更に詳しく説明する。カーボンナノチューブ３１は、放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂに、熱伝導方向（底面４０ｂに略直角な方向）に林立するように形成されている。カーボンナノチューブ３１は、直径が０．７〜７０ｎｍ程度の略円筒形状（線状）をした炭素の結晶である。カーボンナノチューブ３１は熱伝導性が高く、その熱伝導率は、例えば３０００Ｗ／ｍ・ｋ程度である。すなわち、カーボンナノチューブ３１は線状の高熱伝導性物質である。

放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂからカーボンナノチューブ３１の先端部までの高さＬ１は、例えば１００μｍ程度とすることができる。カーボンナノチューブ３１の先端部の位置は、所定のばらつきを有する。最短のカーボンナノチューブ３１と最長のカーボンナノチューブ３１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２は、約１０μｍ程度である。

第１樹脂層３２は、カーボンナノチューブ３１の強度を補強することを目的として設けられている。第１樹脂層３２としては、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等を用いることができる。第１樹脂層３２の厚さは、例えば５０μｍ程度とすることができる。なお、ホットメルト樹脂とは、常温では固体状であるが、所定の軟化点を超えるまで加熱すると溶融し、流動状態あるいは液状となる性質を有する樹脂である。ホットメルト樹脂の軟化点は調整可能であり、市場において種々の軟化点を有するホットメルト樹脂を容易に入手可能である。

第１樹脂層３２としてホットメルト樹脂を用いる場合には、軟化点が半導体素子２０の発熱温度範囲の最高温度以上のものを選択する必要がある。例えば半導体素子２０の発熱温度範囲が１００〜１１０℃であれば、半導体素子２０の発熱温度範囲の最高温度は１１０℃であるから、第１樹脂層３２として軟化点が１１０℃以上のホットメルト樹脂を選択する必要がある。半導体素子２０が発熱したときに、第１樹脂層３２が軟化して流動状態あるいは液状になるとカーボンナノチューブ３１の強度を補強するという目的を達成できないからである。

第２樹脂層３３は、半導体素子２０の発熱により生じる反りに追従させることを目的として設けられている。第２樹脂層３３としては、例えばホットメルト樹脂等を用いることができる。第２樹脂層３３の厚さは、例えば４０μｍ程度とすることができる。第２樹脂層３３として用いるホットメルト樹脂は、軟化点が半導体素子２０の発熱温度範囲の最低温度以下のものを選択する必要がある。例えば半導体素子２０の発熱温度範囲が１００〜１１０℃であれば、半導体素子２０の発熱温度範囲の最低温度は１００℃であるから、第２樹脂層３３として軟化点が１００℃以下のホットメルト樹脂を選択する必要がある。半導体素子２０が発熱したときに、第２樹脂層３３が軟化して流動状態あるいは液状になることにより、半導体素子２０の発熱により生じる反りに追従させるためである。

金属層３４は、多数のカーボンナノチューブ３１を横方向（凹部４０ｘの底面４０ｂと略平行な方向）に連結させ一体化することを目的として設けられている。すなわち、金属層３４は、第２樹脂層３３上及び放熱板４０の面４０ａの少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブ３１の先端を覆うように形成されており、多数のカーボンナノチューブ３１と放熱板４０の面４０ａとを横方向に連結させ一体化している。多数のカーボンナノチューブ３１と放熱板４０の面４０ａとを横方向に連結させ一体化することにより、横方向への熱伝導性を向上することができる。

金属層３４の一方の面は、半導体素子２０の一方の面と接触している。このように、金属層３４と半導体素子２０とが面同士で接触することにより、金属層３４と半導体素子２０との間の熱抵抗を下げることができる。又、金属層３４は、放熱板４０の面４０ａの少なくとも一部にも形成されているため、半導体素子２０の発生する熱を直接放熱板４０に伝導することができる。

金属層３４の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましく、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。金属層３４の厚さは、例えば２０μｍ程度とすることができる。カーボンナノチューブ３１の長さのばらつきを吸収するためには、金属層３４の厚さは、最短のカーボンナノチューブ３１と最長のカーボンナノチューブ３１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２よりも厚くすることが好ましい。

（放熱用部品の製造方法）
次に、図６〜図１２を参照しながら、放熱用部品１の製造方法について説明する。図６は、放熱用部品の製造工程を例示するフローチャートである。図７〜図１２は、放熱用部品の製造工程を例示する図である。なお、図８、図１０及び図１２は、それぞれ図７、図９及び図１１のＡ部を拡大した断面図である。

始めに、図６〜図８に示すように、まず、放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂに多数のカーボンナノチューブ３１を形成する（Ｓ２０〜２２）。Ｓ２０では、例えば無酸素銅にＮｉめっきが施された放熱板４０を用意する。放熱板４０には、例えばプレス加工等により、凹部４０ｘや外縁部４１が形成されている（図３及び図４参照）。放熱板４０の材料は無酸素銅には限定されないが、放熱板４０の材料として無酸素銅を主成分とする材料を用いることにより、カーボンナノチューブ３１を良好に成長させることができる。

次に、Ｓ２２では、放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂに、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）等によりカーボンナノチューブ３１を、熱伝導方向（底面４０ｂに直角な方向）に林立するように形成する。

より具体的には、始めに、放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂにスパッタリング法等によって、金属触媒層を形成する。金属触媒層としては、例えばＦｅ、Ｃｏ及びＮｉ等を用いることができる。金属触媒層の厚さは、例えば数ｎｍ程度とすることができる。

次いで、金属触媒層が形成された放熱板４０を所定の圧力及び温度に調整された加熱炉に入れて、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）により金属触媒上にカーボンナノチューブ３１を形成する。加熱炉の圧力及び温度は、例えば１００ｐａ及び６００℃とすることができる。又、プロセスガスとしては、例えばアセチレンガス等を用いることができ、キャリアガスとしては、例えばアルゴンガスや水素ガス等を用いることができる。

カーボンナノチューブ３１は、金属触媒上に、放熱板４０の凹部４０ｘの底面４０ｂに直角な方向に形成されるが、底面４０ｂからカーボンナノチューブ３１の先端部までの高さＬ１は、カーボンナノチューブ３１の成長時間によって制御することができる。

次に、図６のＳ２４〜Ｓ２６、図９及び図１０に示すように、隣接するカーボンナノチューブ３１の形成する空隙部を充填するように凹部４０ｘの底面４０ｂに第１樹脂層３２をリフローにより形成する。第１樹脂層３２としては、例えば、熱硬化性樹脂や軟化点が半導体素子２０の発熱温度範囲の最高温度以上のホットメルト樹脂等を用いることができる。第１樹脂層３２の厚さは、例えば５０μｍ程度とすることができる。更に、隣接するカーボンナノチューブ３１の形成する空隙部を充填するように第１樹脂層３２上に第２樹脂層３３をリフローにより形成する。第２樹脂層３３としては、例えば、軟化点が半導体素子２０の発熱温度範囲の最低温度以下のホットメルト樹脂を用いることができる。第２樹脂層３３の厚さは、例えば４０μｍ程度とすることができる。

次に、図６のＳ２８、図１１及び図１２に示すように、第２樹脂層３３上及び放熱板４０の面４０ａの少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブ３１の先端を覆うように、金属層３４を形成する。金属層３４は、例えば、スパッタリング法やめっき法により形成することができる。金属層３４の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましく、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。金属層３４の厚さは、例えば２０μｍ程度とすることができる。ただし、カーボンナノチューブ３１の長さのばらつきを吸収するためには、金属層３４の厚さは、最短のカーボンナノチューブ３１と最長のカーボンナノチューブ３１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２よりも厚くすることが好ましい。この工程により、多数のカーボンナノチューブ３１と放熱板４０の面４０ａとを横方向に連結させ一体化する。以上の工程で、放熱用部品１が完成する。

次に、図１３を参照しながら、半導体パッケージの製造方法について説明する。図１３は、半導体パッケージの製造工程を例示する図である。図１３に示すように、完成した放熱用部品１（図１１及び１２参照）の外縁部４１に接着剤５０を塗布し、放熱用部品１の金属層３４の面３４ａを基板１０上に搭載された半導体素子２０の面２０ａに接触させて押圧する。そして、接着剤５０を硬化させる。これにより、基板１０上に搭載された半導体素子２０上に放熱用部品１が固定され、半導体パッケージが完成する。

以上のように、本実施の形態では、放熱板の凹部に、線状の高熱伝導性物質であるカーボンナノチューブを熱伝導方向に林立するように形成する。そして、放熱板の凹部に、隣接するカーボンナノチューブの形成する空隙部を充填するように第１樹脂層と第２樹脂層とを順次積層する。ここで、第１樹脂層は軟化点が半導体素子の発熱温度範囲の最高温度以上の樹脂とし、第２樹脂層は軟化点が半導体素子の発熱温度範囲の最低温度以下の樹脂としている。更に、第２樹脂層上及び放熱板の表面の少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブの先端を覆うように金属層を形成し、多数のカーボンナノチューブと放熱板の表面とを横方向に連結させ一体化する。

その結果、カーボンナノチューブの一方の側は放熱板に直接形成されるため、カーボンナノチューブと放熱板とは密着する。又、カーボンナノチューブの他方の側は金属層により放熱板の表面と横方向に一体化されており、金属層は半導体素子と面同士で接するためカーボンナノチューブと金属層と半導体素子とは密着する。すなわち、放熱板と半導体素子とは、カーボンナノチューブと金属層を含むＴＩＭを介して密着するため、放熱板と半導体素子との接触熱抵抗を低減することが可能となり、熱伝導性を向上することができる。

又、第２樹脂層として軟化点が半導体素子の発熱温度範囲の最低温度以下の樹脂を用いているため、半導体素子が発熱したときに第２樹脂層が軟化して流動状態あるいは液状になる。このとき、可暁性のあるカーボンナノチューブと極薄である金属層もある程度変形可能であるため、ＴＩＭは半導体素子の発熱により生じる反りに追従することが可能となる。すなわち、半導体素子が反った場合にもＴＩＭは半導体素子と密着するため、ＴＩＭと半導体素子との接触熱抵抗を低減することが可能となり、熱伝導性を向上することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は、上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能なものである。

１ 放熱用部品
１０ 基板
１１ 外部接続端子
２０ 半導体素子
２０ａ、３４ａ、４０ａ 面
３０ ＴＩＭ
３１ カーボンナノチューブ
３２ 第１樹脂層
３３ 第２樹脂層
３４ 金属層
４０ 放熱板
４０ｂ 底面
４０ｘ 凹部
５０ 接着剤

Claims (4)

1. 半導体パッケージ上に配置され、半導体素子に接する放熱用部品であって、
   凹部を有する放熱板と、
   前記凹部の底面に熱伝導方向に林立するように形成されたカーボンナノチューブと、
   隣接する前記カーボンナノチューブが形成する空隙部を充填し、前記カーボンナノチューブの先端部を露出するように前記凹部の底面に順次積層された第１樹脂層及び第２樹脂層と、
   前記カーボンナノチューブの先端部を覆うように、前記放熱板の凹部が形成されている面の少なくとも一部及び前記第２樹脂層の上面に形成された金属層と、を有し、
   前記金属層の前記第２樹脂層の上面に接する面の反対面は、前記半導体素子と接する面であり、
   前記第１樹脂層の軟化点は前記半導体素子の発熱温度範囲の最高温度以上であり、前記第２樹脂層の軟化点は前記半導体素子の前記発熱温度範囲の最低温度以下である放熱用部品。
2. 前記第２樹脂層の材料は、ホットメルト樹脂である請求項１記載の放熱用部品。
3. 前記金属層の厚さは、前記カーボンナノチューブの先端部の長さのばらつきよりも厚い請求項１又は２記載の放熱用部品。
4. 前記放熱板は、無酸素銅を主成分とする請求項１乃至３の何れか一項記載の放熱用部品。

Images