JP6282883B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の放熱技術に関する。

近年、半導体集積回路装置の集積度が増大するのに伴って、自然空冷のみでは冷却効果が不充分になる場合が発生して来ている。特に、表面実装形ＩＣはプリント配線基板に表面実装されるため、自然空冷だけでは冷却効果が不充分になる傾向がある。その対策の一例として、特許文献１には、半導体装置の上面に軸流送風機形のマイクロファンが搭載された集積回路用パッケージが提案されている。また、特許文献２には、ＤＩＰ・ＩＣ（デュアル・インライン・パッケージを備えている集積回路装置）と均等の外形形状を有するベースの上面にファンが搭載されている冷却用ファンが提案されている。この冷却用ファンはプリント配線基板における発熱密度が高い領域に、集積回路装置と共に実装されることにより、発熱密度が高い領域を局所的かつ強制的に空冷するようになっている。

実開昭６４−１８７４７号公報 実公昭６０−１２３２０号公報

しかしながら、従来の半導体装置用冷却技術においては、冷却ファンを駆動するために電力が消費されてしまうという問題点がある。
本発明の目的は、放熱のために電力を消費しない、放熱性の良好な半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では以下の手段を用いた。
まず、冷却用ヒートシンクと、発熱体を樹脂封止した樹脂封止体と、前記樹脂封止体上に設けられた冷却用ヒートシンクとからなる半導体装置において、前記冷却用ヒートシンクは積層体であって、前記樹脂封止体に固着した積層体下層と、温度変化に対応して変形する積層体上層からなることを特徴とする半導体装置。

また、前記積層体下層には、複数の前記積層体上層が設けられることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記複数の前記積層体上層の個々は、異なる変形特性を有することを特徴とする半導体装置とした。

また、前記積層体上層の下面、および前記積層体下層の上面には複数の凹領域が設けられていることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記積層体上層の下面の凹領域と積層体下層の上面の凹領域が相対する位置に設けられていることを特徴とする半導体装置とした。

また、前記積層体上層の上面には複数の凹領域が設けられていることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記積層体上層の下面の凹領域と前記積層体上層の上面の凹領域が重畳しない位置に設けられていることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記積層体上層が形状記憶合金であることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記積層体上層がバイメタルであることを特徴とする半導体装置とした。

上記手段により、発熱体である半導体チップを覆う樹脂封止体の表面の温度を感応して放熱性を変化させる、放熱性の良好な半導体装置とすることができる。

本発明の第１の実施形態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の斜視図である。 本発明の冷却用ヒートシンクの平面図である。 本発明の冷却用ヒートシンクの平面図である。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す断面図である。
本発明の半導体装置２０は、樹脂封止体１と樹脂封止体１の上面に配置された冷却用ヒートシンク１０からなり、樹脂封止体１は、ダイパッド８に搭載された発熱体でもある半導体チップ４がリード３にワイヤ７を介して電気的に接続され、ダイパッド８、半導体チップ４、ワイヤ７、およびリード３のインナー部は封止樹脂２によって覆われるという構成である。封止樹脂２にはエポキシ樹脂を主成分とする樹脂が用いられ、トランスファ成形法により成形されている。リード３のアウター部は多数本が封止樹脂体２の対向する両側に配置されている。図においては、リード３のアウター部はガルウイング形状に屈曲成形されている。

また、この樹脂封止体１はプリント配線基板５の実装面上に表面実装されている。すなわち、プリント配線基板５の実装面にはランドが複数個、リード３のアウター部に対応するように形成されている。そして、このランドにリード３のアウター部が半田ペーストと接触した状態で、リフロー処理が実施されることにより、各リード３が各ランドに電気的に接続されるとともに、樹脂封止体１がプリント配線基板５に機械的にも接続される。

樹脂封止体１の上部には冷却用ヒートシンク１０が接着剤層１４によって固着されている。接着剤層１４には、金属粒子を含有する熱伝導性の良好な接着剤が用いられることが望ましい。さらに、冷却用ヒートシンク１０の熱膨張と樹脂封止体の熱膨張の違いにより発生する応力歪を緩衝する能力を有していれば、さらに望ましい。

冷却用ヒートシンク１０は積層体であって、その下層は接着剤層１４に固着されたベース層１２であり、そして、ベース層１２の上の積層体上層は感温変形材料層１３である。ベース層１２と感温変形材料層１３は互いに接合部１１にて部分的に接着され、他の領域（非接合部１９）では接着していない。感温変形材料層１３は温度の変化に対応して非接合部１９が接合部１１の端部を支点として矢印で示す上下斜め方向１５、１６に可逆変形するもので、材料には形状記憶合金が用いられる。封止樹脂体１の表面温度を感知して、温度が高い場合は上斜め方向１５に変形し、半導体チップ４から放出された熱６の外部への放熱の促進を図ることになる。温度が低い場合は下斜め方向１６に変形することになる。本構造には上下斜め方向１５、１６の可逆変形により周辺の空気が攪拌され、一層の放熱が促進されるという効果もある。

図示していないが、半導体装置２０の上方に熱伝導性の外装体が近接して置かれ、感温変形層１３が上斜め方向１５に開いたときに外装体に接するような構成とすれば、その放熱がさらに促進されることになる。

形状記憶合金からなる感温変形材料層１３は、所定の温度（例えば、７０℃）を境にして厚さ方向に可逆変形するように変形形状が記憶されている。つまり、この放熱板は表面実装形ＩＣ１の周囲温度の温度変化に感応して、放熱板が上下に変形するように変形形状が記憶されている。なお、温度感応変形部材１３の作動温度としては、一つの温度を設定するに限らず、上限温度（例えば、８５℃）および下限温度（例えば、６０℃）を設定してもよいし、適当な余裕を持った温度範囲をもって設定してもよい。

また、感温変形材料としては、形状記憶合金を使用するに限らず、熱膨張係数が異なる材料からなる薄板を複数枚接合されてなるバイメタルを使用してもよい。そして、温度感応変形部材としては、熱伝導性が良好な材料を使用することが望ましい。

次に作用を説明する。プリント配線基板５に実装された半導体装置２０が動作すると、熱６が半導体チップ４から放出されるので、樹脂封止体１も発熱してそれ自体の温度が上昇し、放出された熱６は接着剤層１４を介して冷却用ヒートシンク１０のベース１２に熱伝導される。ベース１２に伝導された熱は冷却用ヒートシンク１０の感温変形材料層１３に熱伝導される。そして、感温変形材料層１３はきわめて大きな表面積を有するため、熱は放熱板から効果的に周囲に放出される。したがって、樹脂封止体１はこの冷却用ヒートシンク１０の放熱作用によって冷却されることになる。

このように、本実施例における半導体装置２０は付属する冷却用ヒートシンク１０によって、効果的に冷却されるため、集積度がきわめて高い場合であっても、過度の温度上昇することなく、予め期待された性能を発揮することができる。

以上説明した上記実施例によれば次の効果が得られる。
（１）感温変形材料層１３が樹脂封止体１の発熱による温度上昇および冷却用ヒートシンク１０の冷却による温度下降に感応して変形することにより、半導体装置の温度制御を効率よく行うことができる。
（２）感温変形材料層１３の変形によって効果的に放熱されるように構成されているため、冷却ファンのような複雑な構造は不要で構造を簡単化することができる。また、冷却のための電力を消費する必要もない。
（３）冷却用ヒートシンク１０が樹脂封止体１と一体的に構成されているため、薄型の要求にも対応できる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
本実施例が第１の実施形態と異なる点は、感温変形材料層１３とベース層１２との接合部１１が樹脂封止体１の上面と平行な水平方向において樹脂封止体１の上面中心になるように構成されている点にある。発熱体である半導体チップ４は樹脂封止体１に中心に搭載されることが多いが、本実施形態においては感温変形材料層１３とベース層１２との接合部１１を半導体チップ４の直上に置き、感温変形材料層１３とベース層１２とが接着していない非接合部１９が接合部１１の両端に設けられている。図の左側の非接合部１９は接合部１１の左端を支点として矢印で示す上下斜め方向１５、１６に可逆変形する。また、図の右側の非接合部１９は接合部１１の右端を支点として矢印で示す上下斜め方向１５、１６に可逆変形することになる。

図３は、本発明の第３の実施形態の斜視図である。
本実施例が第２の実施形態と異なる点は、１枚のベース層１２の上に感温変形材料層１３が複数枚設けられている点である。ここで、複数の感温変形材料層１３は同じ特性（例えば、変形温度）を有するものであっても良いし、異なる特性を有するもととしても良い。また、樹脂封止体１の中には一つの半導体チップが収納されていても良いし、複数の半導体チップが収納される構成でも構わない。樹脂封止体１の中の熱分布に応じた感温変形材料層の選択をすれば良い。

図４および５は、本発明の冷却用ヒートシンクの平面図であって、図１の上方から見た図である。図４（ａ）はベース層１２、図４（ｂ）は感温変形材料層１３であって、接合部１１と非接合部１９から構成されており、接合部１１と非接合部１９の表面は平滑である。ベース層１２の接合部１１と感温変形材料層１３の接合部１１は互いに熱圧着などの手法により固着されているが、非接合部１９は固着されておらず、熱に感応して変形することが可能である。

図５（ａ）はベース層１２、図５（ｂ）は感温変形材料層１３であって、接合部１１と非接合部１９から構成されており、接合部１１の表面は平滑であるが、非接合部１９の表面には、ベース層１２および感温変形材料層１３を貫通しない凹凸が施されている。ベース層１２の上面にはベース層上面の凹領域１７が規則的に配置され、相対する感温変形材料層１３の下面には感温変形材料層下面の凹領域１８ｘが規則的に配置されている。すなわち、ベース層上面の凹領域１７と感温変形材料層下面の凹領域１８ｘとが相対するように配置する。このことにより、冷却用ヒートシンクの表面積が増加し放熱効率を高めることになる。さらに、感温変形材料層１３の上面には感温変形材料層上面凹領域１８ｙを設けることで放熱性をさらに高めることができる。なお、感温変形材料層下面の凹領域１８ｘと感温変形材料層上面の凹領域１８ｙとが平面視的に互いに重畳しないようにすることで、感温変形材料層下面の凹領域１８ｘと感温変形材料層上面の凹領域１８ｙとを感温変形材料層１３の層厚近くの深さを有する凹領域とすることができ、感温変形材料層の表面積を大きくすることができる。

以上本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例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。

１ 樹脂封止体
２ 封止樹脂
３ リード
４ 半導体チップ
５ プリント配線基板
６ 熱
７ ワイヤ
８ ダイパッド
１０ 冷却用ヒートシンク
１１ 接合部
１２ ベース層
１３ 感温変形材料層
１４ 接着剤層
１５ 高温時変形方向
１６ 低温時変形方向
１７ ベース層上面の凹領域
１８ｘ 感温変形材料層下面の凹領域
１８ｙ 感温変形材料層上面の凹領域
１９ 非接合部
２０ 半導体装置

Claims (7)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップの周囲に配置されたリードと、
   前記半導体チップと前記リードとを接続しているワイヤと、
   前記半導体チップ、前記リードのインナー部、および前記ワイヤを樹脂封止している樹脂封止体と、
   前記樹脂封止体から露出している前記リードのアウター部と、
   前記樹脂封止体の上面に設けられた冷却用ヒートシンクと、
   を有し、
   前記冷却用ヒートシンクは積層体であって、前記樹脂封止体に固着した積層体下層と、温度変化に対応して変形する積層体上層とからなり、
   前記積層体上層の下面、および前記積層体下層の上面には複数の凹領域が設けられ、前記積層体上層の下面の凹領域と積層体下層の上面の凹領域が相対する位置に設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記積層体下層には、前記積層体上層が複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記複数設けられた前記積層体上層の各々は、異なる変形特性を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記積層体上層の上面には複数の凹領域が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置。
5. 前記積層体上層の下面の凹領域と前記積層体上層の上面の凹領域が重畳しない位置に設けられていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
6. 前記積層体上層が形状記憶合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の半導体装置。
7. 前記積層体上層がバイメタルであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の半導体装置。

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