JP5838065B2 - 熱伝導部材及び熱伝導部材を用いた接合構造 - Google Patents
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Description
以下、第1実施形態を図1〜図5に従って説明する。
図1(a)に示すように、半導体装置1は、BGA(Ball Grid Array)型の配線基板10と、その配線基板10上に実装された半導体素子20と、半導体素子20の上方に配置された放熱板30と、半導体素子20と放熱板30とを熱的に接続する熱伝導部材40とを有している。
はんだボール13は、基板本体11の下面に形成されている。はんだボール13の材料としては、例えば鉛(Pb)を含む合金、錫(Sn)とCuの合金、Snと銀(Ag)の合金、SnとAgとCuの合金などを用いることができる。このはんだボール13は、例えばマザーボード等と接続される外部接続端子として機能する。
金属層41は、断面視において、十字形状が幅方向(図1(a)では横方向)に連続した構造を有している。具体的には、図1(b)に示すように、金属層41は、薄膜状の金属箔50と、金属箔50の第1主面50A上に厚さ方向に平行して形成された複数の第1柱状導体51と、金属箔50の第2主面50B上に厚さ方向に平行して形成された複数の第2柱状導体52とを有している。この金属層41は、半導体素子20から発生した熱を放熱板30に伝導する役割を果たす。このような金属層41(金属箔50、第1及び第2柱状導体51,52)の材料としては、熱伝導性の高い材料を用いることができる。具体的には、金属層41の材料としては、例えば銅やアルミニウムなどの金属を用いることができる。本実施形態では、金属層41は銅からなり、金属層41の熱膨張係数が約17ppm/℃程度となる。
熱伝導部材40の樹脂層42中に、厚さ方向に延在して平面方向に並んで設けられる第1及び第2柱状導体51,52を設けるようにした。このように、熱伝導性の高い第1及び第2柱状導体51,52が、熱伝導を必要とする方向である厚さ方向(積層方向)に延在される。これにより、例えば樹脂層42中に含有される金属材料の含有量が同じである場合には、金属フィラーを含有した従来の熱伝導部材140と比べて、本実施形態の熱伝導部材40の厚さ方向における体積分率当りの熱伝導率を高くすることができる。したがって、熱伝導部材40によれば、半導体素子20から発生した熱を効率良く放熱板30に伝導することができる。なお、熱伝導部材40の平面方向における体積分率当りの熱伝導率は、従来の熱伝導部材140のそれと比べて低くなる。しかし、半導体素子20から発生した熱を放熱板30に伝導するためには、被接合部材間(半導体素子20及び放熱板30間)、つまり厚さ方向の熱伝導性が重要となり、平面方向の熱伝導性はあまり影響を及ぼさない。このため、本実施形態の熱伝導部材40のように、第1及び第2柱状導体51,52が厚さ方向に延在され、熱伝導性に異方性がある場合には、樹脂層42中の金属材料の含有量が少ない場合であっても、高い熱伝導性を得ることができる。
まず、熱伝導部材40を製造するためには、図3(a)に示すように、金属箔50を用意する。ここでは、金属箔50として銅箔を用意する。
まず、図5(a)に示すように、半導体素子20が実装された配線基板10を用意する。ここでは、図示を省略して詳細な説明を割愛するが、配線基板10は例えば以下のような方法で製造される。すなわち、接続用パッド12を有する配線基板10を形成し、その配線基板10の上面に形成された接続用パッド12に半導体素子20の接続端子21をフリップチップ接合する。次に、配線基板10と半導体素子20との間にアンダーフィル樹脂22を形成する。
(1)熱伝導部材40の樹脂層42中に、厚さ方向に延在して平面方向に並んで設けられる第1及び第2柱状導体51,52を設けるようにした。これにより、熱伝導部材40の厚さ方向における体積分率当りの熱伝導率を高くすることができる。その一方で、第1柱状導体51及び第2柱状導体52が樹脂層42の平面方向の弾性変形を制限しないため、半導体素子20の熱膨張係数と放熱板30の熱膨張係数の差を樹脂層42の弾性変形により好適に吸収させることができ、被接合部材間の熱膨張係数の差に起因する平面方向の応力を好適に緩和することができる。すなわち、熱伝導部材40の応力緩和能を高くすることができる。
(第1実施形態の変形例)
なお、上記第1実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
さと第2柱状導体52の高さとが略同じになるようにした。これに限らず、被接合部材(上記第1実施形態では、半導体素子20及び放熱板30)の熱膨張係数と金属層41の熱膨張係数との差に応じて、第1柱状導体51の高さと第2柱状導体52の高さの比を適宜調整するようにしてもよい。具体的には、第1柱状導体51の高さと第2柱状導体52の高さの比を、一方の被接合部材の熱膨張係数と金属層41の熱膨張係数の差分と、他方の被接合部材の熱膨張係数と金属層41の熱膨張係数の差分との比と同じになるように調整するようにしてもよい。この点について以下に詳述する。例えば、シリコンからなる半導体素子20の熱膨張係数が約3ppm/℃、アルミニウムからなる放熱板30の熱膨張係数が約23ppm/℃、銅からなる金属層41の熱膨張係数が約17ppm/℃である場合には、半導体素子20と金属層41との熱膨張係数の差が14ppm/℃、放熱板30と金属層41との熱膨張係数差が6ppm/℃となる。この場合に、第1柱状導体51の高さH1と第2柱状導体52の高さH2の比H1:H2が14:6に近づくように、第1及び第2柱状導体51,52の高さを調整する。このように、金属箔50の位置を、その金属箔50の熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つ被接合部材に物理的に近づくように偏らせて配置するようにしてもよい。これにより、金属箔50の変形量を、その金属箔50の設けられた平面位置における樹脂層42の弾性変形量に近づけることができる。このため、樹脂層42の弾性変形が金属箔50によって制限されることを好適に抑制することができ、熱伝導部材40の応力緩和能をより向上させることができる。
まず、図7(a)に示すように、金属箔50の第1主面50Aに開口部65Xを有する絶縁層65を形成するとともに、金属箔50の第2主面50Bに開口部66Xを有する絶縁層66を形成する。開口部65Xは、第1柱状導体53の形成領域に対応する部分の金属箔50の第1主面50Aを露出するように形成される。また、開口部66Xは、第2柱状導体54の形成領域に対応する部分の金属箔50の第2主面50Bを露出するように形成される。これら開口部65X,66Xは、例えばレーザ加工法やフォトリソグラフィ法によって形成することができる。このとき、開口部65Xと開口部66Xとは、平面視したときに互いにずれた位置に形成されるため、開口部65Xと開口部66Xとが重なるように位置合わせする必要がない、つまり高精度な位置合わせが必要ない。
以下、第2実施形態について、図10及び図11に従って説明する。この実施形態の熱伝導部材の構造が上記第1実施形態と異なっている。以下、第1実施形態との相違点を中心に説明する。なお、先の図1〜図9に示した部材と同一の部材にはそれぞれ同一の符号を付して示し、それら各要素についての詳細な説明は省略する。
まず、熱伝導部材40Cを製造するためには、図10(a)に示すように、金属箔50を用意する。ここでは、金属箔50として銅箔を用意する。
(4)金属箔50の熱膨張係数(約17ppm/℃)に近い被接合部品(ここでは、放熱板30)に金属箔50を物理的に近づけるように配置するようにした。これにより、温度変化に対して金属箔50が放熱板30と同様に変形(収縮又は膨張)するため、金属箔50によって絶縁層46や接着剤層47の弾性変形が制限されることを抑制することができる。さらに、金属箔50が放熱板30と同様に変形されるため、その金属箔50に接続された柱状導体55の変形が制限されることも抑制することができる、つまり柱状導体55の可動範囲を確保することができる。
以下、第3実施形態について、図12及び図13に従って説明する。この実施形態の熱伝導部材の構造が上記第1及び第2実施形態と異なっている。以下、第1及び第2実施形態との相違点を中心に説明する。なお、先の図1〜図11に示した部材と同一の部材にはそれぞれ同一の符号を付して示し、それら各要素についての詳細な説明は省略する。
まず、図12(a)に示す工程では、図10(a)〜図10(e)に示した工程と同様の製造工程により製造された金属層41Cを用意する。また、保護フィルム73にシート状の絶縁樹脂81Aが接着された構造体73Aを用意する。保護フィルム73としては、ポリエステル又はPETのフィルムに薄いフッ素樹脂層を積層したフィルムや、ポリエステル又はPETの表面にシリコーン離型を施したフィルムなどを用いることができる。離型剤としては、シリコーン系離型剤やフッ素系離型剤を用いることができる。なお、保護フィルム73の離型剤の施された面が絶縁樹脂81Aに接着されている。保護フィルム73の厚さは、例えば10〜50μm程度とすることができる。一方、絶縁樹脂81Aの材料としては、弾性率の低い熱硬化性樹脂、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。絶縁樹脂81Aは、B−ステージ状態(半硬化状態)のものが使用される。この絶縁樹脂81Aの厚さは、金属層41Cの柱状導体55を被覆可能な厚さ、例えば15〜110μm程度とすることができる。
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記各実施形態の放熱板30の上方に放熱フィン、ヒートパイプやベーパチャンバなどの各種冷却・放熱手段を設けるようにしてもよい。さらに、この場合に、放熱板30と冷却・放熱手段との間や、各冷却・放熱手段の間に上記熱伝導部材40,40A〜40Iを設けるようにしてもよい。
20 半導体素子(第1部材)
30 放熱板(第2部材)
40,40A〜40I 熱伝導部材
41,41A,41C 金属層
42,42C,43,49,49A,81 樹脂層
42D,42E,46 絶縁層(第1絶縁層)
47 第1接着剤層(第2絶縁層)
48 第2接着剤層(第2絶縁層)
50 金属箔
51,53 第1柱状導体
52,54 第2柱状導体
55 柱状導体
61,62,65,66,69 絶縁層
61X,62X,65X,66X,69X 開口部
Claims (6)
- 第1の熱膨張係数を有する第1部材と、前記第1の熱膨張係数とは異なる第2の熱膨張係数を有する第2部材とを接合する熱伝導部材であって、
金属箔と、
厚さ方向に延在し、前記金属箔の第1主面上に、前記厚さ方向と直交する平面方向に並んで設けられた複数の第1柱状導体と、
前記厚さ方向に延在し、前記金属箔の第2主面上に前記平面方向に並んで設けられた複数の第2柱状導体と、
少なくとも、前記金属箔の第1主面及び第2主面と前記第1柱状導体及び前記第2柱状導体の側面とを被覆する樹脂層と、を有し、
前記第1柱状導体の高さと前記第2柱状導体の高さとの比が、前記金属箔の熱膨張係数と前記第1の熱膨張係数との差分と、前記金属箔の熱膨脹係数と前記第2の熱膨張係数との差分との比と同じになるように設定され、
前記第1部材は前記金属箔からみて前記第1主面側に接合され、前記第2部材は前記金属箔からみて前記第2主面側に接合されることを特徴とする熱伝導部材。 - 前記第1柱状導体及び前記第2柱状導体は、円柱形状であり、前記金属箔と接続された基端部から先端部にかけて径が大きくなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の熱伝導部材。
- 前記樹脂層は、未硬化状態の絶縁樹脂であることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱伝導部材。
- 前記樹脂層は、
少なくとも、前記金属箔の第1主面及び第2主面と前記第1柱状導体及び前記第2柱状導体の側面とを被覆する第1絶縁層と、
前記第1絶縁層の第1主面及び第2主面を被覆する第2絶縁層とからなり、
前記第2絶縁層は、未硬化状態の絶縁樹脂からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱伝導部材。 - 第1の熱膨張係数を有する第1部材と、
前記第1の熱膨張係数と異なる第2の熱膨張係数を有する第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に介在し、前記第1部材と前記第2部材とを熱的に接続する熱伝導部材と、を有する接合構造であって、
前記熱伝導部材は、
金属箔と、前記第1部材と前記第2部材の積層方向に延在し、前記金属箔の第1主面上に、前記積層方向と直交する平面方向に並んで設けられた複数の第1柱状導体と、前記積層方向に延在し、前記金属箔の第2主面上に、前記平面方向に並んで設けられた複数の第2柱状導体とを有する金属層と、
少なくとも、前記金属箔の第1主面及び第2主面と前記第1柱状導体及び前記第2柱状導体の側面とを被覆する樹脂層と、を有し、
前記第1柱状導体の高さと前記第2柱状導体の高さとの比が、前記金属層の熱膨張係数と前記第1の熱膨張係数との差分と、前記金属層の熱膨張係数と前記第2の熱膨張係数との差分との比と同じになるように設定され、
前記第1部材と前記第2部材が前記熱伝導部材の表面に露出される前記樹脂層に当接して、前記熱伝導部材を介して前記第1部材と前記第2部材とが接合され、
前記第1部材は前記金属箔からみて前記第1主面側に接合され、前記第2部材は前記金属箔からみて前記第2主面側に接合されることを特徴とする接合構造。 - 前記第1柱状導体及び前記第2柱状導体は、円柱形状であり、前記金属箔と接続された基端部から先端部にかけて径が大きくなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項5に記載の接合構造。
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