JP6373766B2 - 半導体素子の放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は半導体素子の放熱構造に関する。

一般に、半導体素子は、プリント基板上に実装され、他の能動及び受動素子と共に電子機器の回路を形成している。半導体素子は、自身の動作によって発熱を起こし、素子自体の温度ひいては電子機器全体の温度を増加させる。半導体素子の寿命は自身の温度に強い相関性を持ち、素子温度が高いほど短寿命となる。半導体素子の発熱による寿命低下を防ぐために、発熱量の多い半導体素子には、放熱器が取り付けられることが一般的である。

図６は、従来の半導体素子に適用される放熱器の概略図である。放熱器２は、熱伝導性接着剤５を介して半導体素子８と当接し、素子の熱を吸収して空気中に拡散させる。放熱器が多くの熱量を空気に拡散させる為には、空気との接触面積が多い方と拡散性が良く、放熱器はその表面に微細な溝を設けた物や、放熱ピンと呼ばれる柱を設けた物が主流であり、体積が嵩張る形状となっていることが多い。

一方で、近年の映像表示装置においては液晶表示パネルが主流であるが、その一種として反射型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）がある。反射型ＬＣＯＳパネルの主な用途としては、液晶プロジェクタや業務用映写機等の映像投射機器や、デジタルカメラ及びカムコーダーのビューファインダー部、光学実験用の空間光変調器が挙げられる。ＬＣＯＳパネルの最たる特徴としては、画素電極基板がシリコン基板である事であり、映像信号を一時的に格納しておく記憶装置であるバッファや、駆動シーケンスを制御する信号処理回路をも同基板内に作りこめる。それにより、ガラス基板上にＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を形成した透過型液晶表示パネルと比較して、高速且つ高度な液晶の駆動を行うことができる。

図７は、従来の反射型ＬＣＯＳパネルの概略図である。表面に画素電極が形成されたシリコン基板１ａと、それに対向する向きで表面に透明電極を設けたガラス基板１ｂとをスペーサーを介して貼り合せてセル形状とし、所定の空隙に液晶を注入して反射型ＬＣＯＳパネル１とする。液晶表示パネルは対向基板間に電圧を印加して液晶を駆動する都合上、上下基板それぞれに配線が必要であるから、反射型ＬＣＯＳパネル１はプリント基板３上に粘着材５によって固定され、ワイヤ１６と導電性部材７によってプリント基板３と接続される。プリント基板３の裏面にはその他の能動及び受動素子１１が実装される。

反射型ＬＣＯＳパネルのシリコン基板は上述の半導体素子と同様に自身の発熱が多い。その上、反射型ＬＣＯＳパネルが液晶プロジェクタに用いられる場合には、反射型ＬＣＯＳパネルは高出力の光源に晒されて高温環境下で動作することとなる。自身の発熱と光源からの熱量が加わって常に過度な熱ストレス下に置かれる為、パネルの放熱は寿命を大きく左右する要素となる。また、パネル内部に注入されている液晶には相転移温度があり、ある一定の温度に達すると光学異方性が失われ、映像の表示が行えなくなる。よって、安定した映像表示を行う為にもパネルの放熱機構が重要とされる。

特開２００５−２３５８４０号公報 特開２００８−８３４２５号公報

図７に示すような反射型ＬＣＯＳパネルの構造では、シリコン基板１ａから生じた熱は熱伝導性接着剤５を介してプリント基板３に伝搬するが、プリント基板３の熱伝導性の悪さから十分な放熱が行えない。一般的な半導体素子であれば、半導体素子の表面に放熱器を当接させることで放熱することができるが、反射型ＬＣＯＳパネルはその構造上、外光を入射して液晶層で変調し、反射電極で反射させる必要がある為、放熱機構をガラス基板側に設けることができない。これにより、反射型ＬＣＯＳパネルに用いられる放熱器は主に光入射面の裏側となるシリコン基板に当接させて使用される。

上述した一般的な放熱構造を採用できない反射型ＬＣＯＳパネルのような素子の放熱構造として、プリント基板上の素子との接触面に銅箔パターンを設ける方法や、接触面にスルーホールを配置し、スルーホール内の導電面と素子の表面を接触させ、プリント基板裏面の金属プレートに熱を伝導させる方法（特許文献１参照）が提案されているが、放熱能力は不十分である。他方で、図８のように反射型ＬＣＯＳパネル１の実装されたプリント基板のシリコン基板と接する部分に開口を設け、熱伝導性部材５を介して放熱せる方法（特許文献２参照）が提案されているが、プリント基板３の裏面の大部分は放熱器２によって占有され、その他の受動及び能動素子１１を実装することが不可能となり、基板面積を拡張しなければならないという問題がある。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体素子及び反射型ＬＣＯＳパネルの放熱に寄与する構造を提供することを目的とする。

プリント基板に実装される半導体素子の放熱構造であって、前記プリント基板と前記半導体素子との間に放熱器が設けられ、前記放熱器は、前記半導体素子と対向する面と異なる面に複数の放熱ピンを備え、前記プリント基板に設けられた開口内を貫通し、突出した複数の前記放熱ピンにより、前記半導体素子の冷却を行い、複数の前記放熱ピンの間に配置された前記プリント基板に電子部品が実装されている、半導体素子の放熱構造とする。

半導体素子は、反射型ＬＣＯＳパネルである半導体素子の放熱構造とする。

本発明により、プリント基板上の実装スペースを確保し、放熱機構による体積の増加を抑制し、かつ、十分な放熱能力を備えた放熱構造を提供することができる。

本発明の第一の実施形態における半導体素子の放熱構造の概略図で、（Ａ）上面図、（Ｂ）Ａ-Ａ断面図 本発明の第一の実施形態における反射型ＬＣＯＳパネルの放熱構造の概略図で、（Ａ）上面図、（Ｂ）Ａ-Ａ断面図 本発明の第二の実施例における半導体素子の放熱構造の概略図 本発明の第二の実施例における反射型ＬＣＯＳ素子の放熱構造の概略図 本発明の第二の実施例における半導体素子の放熱構造の変形例 従来の半導体素子の放熱構造の概略図 従来の反射型ＬＣＯＳパネルの概略図 従来の反射型ＬＣＯＳパネルの放熱構造の概略図

以下、本発明による半導体素子の放熱構造を説明する。但し、図６、図７及び図８に示した従来例と同様の構成については説明を省略する。

図１は、本発明の第一の実施形態における半導体素子の放熱構造の概略図であり、（Ａ）は上面図で、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図である。放熱器２は、受熱部１２と複数の放熱ピン１３とを備え、プリント基板３に設けられた複数の開口１５に、放熱ピン１３が挿入され、放熱器２の受熱部１２とプリント基板３は、粘着材４で物理的に接着される。開口１５に挿入された放熱ピン１３は、プリント基板３を貫通し、プリント基板３の裏面に突出する。放熱ピンの形状は円柱、多角柱等が適用できるが、空気との接触面積を稼ぐ為には多角柱が好適である。図１（Ｂ）に示すように、プリント基板３にリード６を介して電気的に接続された半導体素子８は、放熱器２の受熱部１２の上方に熱伝導性接着剤５を用いて固定される。プリント基板３の裏面の開口１５を除く領域には、能動及び受動素子１１が実装される。

半導体素子８から生じた熱は熱伝導性接着剤５を介して受熱部１２に伝導し、放熱ピン１３へと伝搬する。放熱ピン１３はプリント基板３の裏面で空気中に露出している為、伝搬された熱は空気中へと拡散され、半導体素子８の放熱が完了する。ここで、半導体素子８の放熱経路は同素子と熱伝導性接着剤５と放熱器２で完結している。よって粘着材４には熱伝導性を付与する必要はなく、物理的な強固性のみを考慮した材料を使用可能である。

図２は、第一の実施形態における反射型ＬＣＯＳパネルの放熱構造の概略図である。放熱器２とプリント基板３の構成は同一であり、受熱部１２の上方に熱伝導性接着剤５を介して反射型ＬＣＯＳパネル１が実装され、先に述べた半導体素子の放熱構造と同様の放熱経路を持つ。反射型ＬＣＯＳパネル１はワイヤ６と導電性部材７によってプリント基板３に設けられたパッド１４と接続される。ここで導電性部材７は銀ペースト等の硬化性導電性樹脂で形成すると簡便である。

第一の実施形態により、放熱器に対向するプリント基板裏面に素子実装領域を確保し、反射型ＬＣＯＳパネルを含む半導体素子に十分な放熱性能を与えることができる。また、放熱器を含めた体積を抑えることができる。

図３は、本発明の第二の実施形態における半導体素子の放熱構造の概略図である。放熱器２の受熱部１２の上方に熱伝導性接着剤５を介して、半導体素子８を実装する構成は、第一の実施形態と同様であるが、プリント基板３の開口１５の内壁を銅箔等の金属でコーティングし、放熱ピン１３をハンダ９によって固定する。この構成により、粘着材４を使用する場合に比べて、より強固にプリント基板３と結合出来る他、開口１５をプリント基板上の回路パターンと接続する事でノイズ対策としても効果的である。また、ハンダ実装するので、受動及び能動素子１１の実装時に、放熱器２の実装も同時に行うことが可能となり、実装工程を共通化できる。

第一の実施形態と同様に、第二の実施形態においても、反射型ＬＣＯＳ素子の放熱構造として、適している。図４は、第二の実施形態における反射型ＬＣＯＳ素子の放熱構造の概略図である。放熱器２の受熱部１２の上方に、熱伝導性接着剤５を介して、反射型ＬＣＯＳ素子を実装し、プリント基板３の開口１５の内壁を銅箔等の金属でコーティングし、放熱ピン１３をハンダ９によって固定している。

図５は、第二の実施形態における半導体素子の放熱構造の変形例である。半導体素子８と放熱器２の受熱部１２に半導体素子８を、熱伝導性接着剤５で接着し、さらに、螺子１０等を用いて機械的に締結することで、半導体素子８から受熱部１２への熱伝導性を向上させている。

１ 反射型ＬＣＯＳパネル
１ａ シリコン基板
１ｂ ガラス基板
２ 放熱器
３ プリント基板
４ 粘着材
５ 熱伝導性接着剤
６ リード
７ 導電性樹脂
８ 半導体素子
９ ハンダ
１０ 螺子
１１ 受動及び能動素子
１２ 受熱部
１３ 放熱ピン
１４ パッド
１５ 開口
１６ ワイヤ

Claims (2)

1. プリント基板に実装される半導体素子の放熱構造であって、
   前記プリント基板と前記半導体素子との間に放熱器が設けられ、
   前記放熱器は、前記半導体素子と対向する面と異なる面に複数の放熱ピンを備え、
   前記プリント基板に設けられた開口内を貫通し、突出した複数の前記放熱ピンにより、前記半導体素子の冷却を行い、
   複数の前記放熱ピンの間に配置された前記プリント基板に電子部品が実装されている、
   ことを特徴とする半導体素子の放熱構造。
2. 前記半導体素子は、反射型ＬＣＯＳパネルであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の放熱構造。
   

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