JP7047721B2

JP7047721B2 - 半導体部品の放熱構造

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Publication number: JP7047721B2
Application number: JP2018214734A
Authority: JP
Inventors: 岳史石川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2038-11-15
Also published as: JP2020087971A

Description

本発明は、配線基板上に実装された半導体部品のパッケージからの放熱を行う半導体部品の放熱構造に関する。

例えばＳｏＣ（System on a Chip）等の半導体部品にあっては、高性能化に伴い、消費電力の増加ひいては発熱量の増加が見込まれ、高い放熱性を有する放熱構造を設けることが望まれる。この種の半導体部品の放熱構造として、従来では、一般に、パッケージ上に、ヒートシンクを接合し、ヒートシンクに対しファンにより冷却風を供給して冷却することが行われている（例えば特許文献１参照）。このとき、パッケージの熱をヒートシンクに伝達するために、それらの間には、熱伝導シートや、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）と称されるゲル状の放熱材料が介在される。

特開２０１７－１３５３７１号公報

ところで、上記のような放熱構造にあって、放熱性能をより高めるための方策として、ファンの高性能化、ヒートシンクの放熱性向上、ＴＩＭの高熱伝導化等が考えらえる。しかし、ファンの高性能化を図ろうとすると、ファンの大型化、消費電力増加、騒音増加等を招いてしまう。また、ヒートシンクの表面積やフィン数は設計要件で最適化されており、限界がある。高い熱伝導性を有するＴＩＭは、高価であり、ヒートシンクとの界面熱抵抗が大きくなる場合がある。

ＳｏＣのパッケージからヒートシンクまでの熱抵抗を下げ、ＳｏＣからの熱をヒートシンクにいかに伝えるかが課題となるが、この熱抵抗は、材料の熱伝導率と厚み（ギャップ）に比例し、面積に反比例する。従って、熱抵抗を下げるには、ＴＩＭ部分のギャップを小さくするか、ＴＩＭの面積を広げることが有効となる。ＴＩＭ部分のギャップを小さくするために、ヒートシンクをＳｏＣに押付ける方法があるが、それでは、ＳｏＣのはんだバンプに応力がかかり、クラックや破断が発生する懸念がある。また、パッケージの大きさは決まっているため、ＴＩＭの面積を広げることには限界がある。

そこで、ＳｏＣのパッケージよりも大きな面積の金属製のヒートスプレッダを、パッケージ上にＴＩＭで熱的に接合し、そのヒートスプレッダとヒートシンクとをＴＩＭで熱的に接合することにより、放熱面積を広げることが考えられる。しかし、温度サイクルによるパッケージの反り、例えば中央部が凹む反り変形の影響により、パッケージの中央部とヒートスプレッダとの間のギャップが大きくなり、この部分のＴＩＭの厚みが大きくなって放熱性が悪化することが予測される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ヒートスプレッダを設けたものにあって、半導体部品のパッケージとヒートスプレッダとの間を低熱抵抗で接合して優れた放熱性を得ることができる半導体部品の放熱構造を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体部品の放熱構造は、配線基板（９）上に実装された半導体部品（１）のパッケージ（６、２５）の外面側にヒートスプレッダ（１０）を配置し、前記ヒートスプレッダ（１０）に放熱材料（１３）を介してヒートシンク（１１、２１）を熱的に接合して構成されると共に、前記ヒートスプレッダ（１０）の前記パッケージ（６、２５）に対応した部分には、切込み（１４）が形成されていることにより、該パッケージ（６、２５）に切離する方向への弾性変形が可能な片部（１５、３１、３６、４１、４６、５１、５６、６１、６６、７１）が設けられ、前記ヒートシンク（１１、２１）には、前記ヒートスプレッダ（１０）の片部（１５、３１、３６、４１、４６、５１、５６、６１、６６、７１）を、前記パッケージ（６、２５）の外面に接触させる方向に押圧する突起部（１６）が設けられている。

上記構成においては、半導体部品の熱が、パッケージから広い面積のヒートスプレッダに伝達され、更に放熱材料をヒートシンクに伝達され、ヒートシンクから放熱する。このとき、ヒートスプレッダとパッケージとの間において、ヒートスプレッダの片部が、ヒートシンクの突起部により押圧されて、パッケージの外面に接触する方向に変形している。そのため、パッケージに、中央部が凹むような反り変形が生じたとしても、パッケージとヒートスプレッダとの間の距離をゼロ或いは短くすることができ、その分、それらの間の熱抵抗を小さくすることができる。

そのため、パッケージからヒートスプレッダへの熱の伝達性を良好とすることができる。この結果、ヒートスプレッダを設けたものにあって、半導体部品のパッケージとヒートスプレッダとの間を低熱抵抗で接合して優れた放熱性を得ることができる優れた効果を奏する。尚、ヒートスプレッダに、弾性変形可能な片部を設けるために、切込みを形成するだけで済むので、簡単な構成で安価に済ませることができる。

第１の実施形態を示すもので、半導体部品の放熱構造を示す縦断正面図ヒートスプレッダの平面図第２の実施形態を示すもので、半導体部品の放熱構造を示す縦断正面図第３の実施形態を示すもので、半導体部品の放熱構造を示す縦断正面図ヒートスプレッダの平面図第４の実施形態を示すもので、半導体部品の放熱構造を示す縦断正面図第５の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第６の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第７の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第８の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第９の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第１０の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第１１の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第１２の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）第１３の実施形態を示すもので、１つの片部の平面図（ａ）及び縦断正面図（ｂ）

以下、ＳｏＣ（System on a Chip）と称される半導体部品に適用したいくつかの実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下に述べる各実施形態においては、複数の実施形態間で共通する部分については、同一符号を付し、説明を繰返すことを省略することとする。また、半導体部品の放熱構造の断面図（図１、図３等）においては、便宜上、半導体部品の内部構成やマザーボード等に対するハッチングを省略している。

（１）第１の実施形態
第１の実施形態について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態に係る半導体部品１の放熱構造を概略的に示している。この半導体部品１は、例えばＳｏＣと称されるもので、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型の部品とされている。

半導体部品１は、次のように構成されている。即ち、多層配線基板からなるインタポーザ基板２の上面側に、半導体素子３が多数個のバンプ４により電気的接続（実装）されている。バンプ４の周囲にはアンダーフィル剤５が充填されている。インタポーザ基板２の上面側には、底面が開口した薄型矩形箱状（蓋状）をなすパッケージ６が設けられ、半導体素子３を覆っている。パッケージ６は、例えば銅等の金属製とされている。半導体素子３の上面とパッケージ６の天井面との間には、素子上ＴＩＭ７が設けられている。前記インタポーザ基板２の下面には、多数個のはんだボール８が整列状態に設けられている。

さて、上記構成の半導体部品１は、多層配線基板からなるマザーボード９上に実装される。このとき、図示はしないが、マザーボード９上には、半導体部品１と共にシステムを構成する他の部品、例えばＰＭ（パワーマネージメント）ＩＣやＤＲＡＭ等を併せて実装することもできる。そして、本実施形態では、前記半導体部品１からの放熱、ひいては半導体素子３の冷却を行うための放熱構造が、以下のように設けられる。

即ち、半導体部品１のパッケージ６の外面（上面）側には、マザーボード９の全体又は一部を覆うようにヒートスプレッダ１０が配置され、そのヒートスプレッダ１０の上面に、ヒートシンク１１が熱的接合状態で設けられる。このとき、パッケージ６の上面とヒートスプレッダ１０の天井面との隙間には、第１の放熱材料１２が充填され、ヒートスプレッダ１０の上面とヒートシンク１１との間の隙間には、第２の放熱材料１３が充填されている。これにより、パッケージ６の熱が、ヒートスプレッダ１０更にはヒートシンク１１に伝達される。

前記ヒートシンク１１は、例えばアルミ、銅等の金属のダイキャスト製品からなり、前記ヒートスプレッダ１０と同等の大きさの矩形板状部の上面に、多数本のフィン１１ａを一体に有して構成されている。このとき、フィン１１ａ部分には、図示しない冷却用のファンからの冷却風が供給されるようになっている。また、前記第１、第２の放熱材料１２、１３は、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）と称されるものであり、例えば放熱用シリコーン等の熱伝導性の高いゲル状（ペースト状）のものが採用される。

前記ヒートスプレッダ１０は、例えば銅等の板状の金属からなり、全体として、四角形の上壁部とその４辺から立ち下がる脚部とを有した、下面が開口した薄型の矩形箱状（蓋状）をなしている。このヒートスプレッダ１０は、例えば、脚部の下端部において、前記マザーボード９の上面に接着される。そして、図２にも示すように、ヒートスプレッダ１０の上壁部には、前記半導体部品１のパッケージ６に対応した部分に位置して、スリット状の切込み１４が形成されていて、これにより、パッケージ６に切離する方向（図で上下方向）への弾性変形が可能な片部１５が設けられる。

具体的には、図２に示すように、前記切込み１４は、パッケージ６の内側の領域において、四角形の２本の対角線が交差（直交）するようにＸ字状に形成されている。切込み１４の端部は、切込みがそれ以上伸展しないように円形に切抜かれている。これにより、ヒートスプレッダ１０の上壁部は、四角形の枠状部分の内側に、４個の片部１５が、三角形（直角二等辺三角形）をなして突き合せられた形態に形成される。さらに、図１にも示すように、前記ヒートシンク１１の矩形板状部の下面には、ヒートスプレッダ１０の各片部１５を、パッケージ６の外面に接触させる方向に押圧する４個の突起部１６が一体に設けられている。

この場合、図２に示すように、各突起部１６は、各片部１５の先端寄りつまりヒートスプレッダ１０の中央寄り部分を下方に押すように位置している。これにて、図１に示すように、ヒートスプレッダ１０の各片部１５が突起部１６によって湾曲するように変形され、その先端部、つまり三角形の頂点の近傍部分が、パッケージ６の上面に弾性的に接触した形態とされている。尚、ヒートスプレッダ１０の下面側及び上面側に設けられた第１の放熱材料１２及び第２の放熱材料１３は、切込み１４を通して混ざり合う（連続する）形態とされる。

次に、上記構成の半導体部品１の放熱構造における、作用・効果について述べる。上記構成においては、半導体部品１（半導体素子３）からの発熱は、パッケージ６の上面から、第１の放熱材料１２を介してヒートスプレッダ１０に伝達され、更に第２の放熱材料１３を介してヒートシンク１１に伝達される。そして、各片部１５がパッケージ６に接触している部分では、パッケージ６から直接的にヒートスプレッダ１０に伝達され、第２の放熱材料１３を介して、或いは、突起部１６を通して直接的にヒートシンク１１に伝達される。そして、ヒートシンク１１（フィン１１ａ）に対する冷却風の供給によって熱交換がなされ、半導体部品１の冷却が図られる。

このとき、半導体部品１のパッケージ６とヒートシンク１１との間に、面積の大きいヒートスプレッダ１０を介在させるようにしたので、放熱面積を広げて熱抵抗を小さくすることができる。そして、ヒートスプレッダ１０に４つの片部１５を設けて、パッケージ６に接触する方向に変形させるようにした。このため、パッケージ６に、中央部が凹むような反り変形が生じたとしても、パッケージ６とヒートスプレッダ１０の片部１５との間の距離をゼロ（接触）或いはごく短くすることができ、その分、それらの間の熱抵抗を小さくすることができる。

従って、パッケージ６からヒートスプレッダ１０への熱の伝達性を良好とすることができる。この結果、本実施形態によれば、ヒートスプレッダ１０を設けたものにあって、半導体部品１のパッケージ６とヒートスプレッダ１０との間を低熱抵抗で接合して優れた放熱性を得ることができるという優れた効果を奏する。しかも、ヒートスプレッダ１０に、弾性変形可能な片部１５を設けるために、切込み１４を形成するだけで済むので、簡単な構成で安価に済ませることができる。

（２）第２～第４の実施形態
図３は、第２の実施形態に係る半導体部品１の放熱構造を示すものである。この第２の実施形態が、上記第１の実施形態と異なる点は、ヒートシンク２１の形状にある。即ち、ヒートシンク２１は、矩形板状部の上面に複数の熱交換用のフィン２１ａを有すると共に、矩形板状部の下面に、ヒートスプレッダ１０の各片部１５を押圧するための４個の突起部１６が一体に設けられている。本実施形態では、更に矩形板状部の下面に、半導体部品１のパッケージ６の中央部に対応して、ヒートスプレッダ１０側に膨らむ膨出部２２が一体に設けられている。この場合、膨出部２２は円形又は矩形状をなし、前記突起部１６と同等の突出寸法で設けられている。

この構成によれば、上記第１の実施形態と同様に、ヒートスプレッダ１０を設けたものにあって、ヒートスプレッダ１０に片部１５を設け、ヒートシンク２１の突起部１６によりパッケージ６に接触するように押圧する構成としたので、半導体部品１のパッケージ６とヒートスプレッダ１０との間を低熱抵抗で接合して優れた放熱性を得ることができる。そして、膨出部２２を設けたことにより、ヒートシンク２１とヒートスプレッダ１０との間の隙間が、パッケージ６の中央部に対応した部位において狭くなり、この部分における放熱距離を短くして第２の放熱材料１３の厚みを薄くすることができるので、熱抵抗をより小さくして放熱性により一層優れたものとすることができる。

図４及び図５は、第３の実施形態を示すものである。この第３の実施形態が上記第１の実施形態と異なる点は、半導体部品１のパッケージ２５の形状にある。この第３の実施形態においては、半導体部品１のパッケージ２５の上面外周側部分、即ち上面の四辺部部分には、ヒートスプレッダ１０に接触する方向、つまり上方に凸となる凸部２６が一体に設けられている。

この構成によれば、上記第１の実施形態と同様に、ヒートスプレッダ１０を設けたものにあって、ヒートスプレッダ１０に片部１５を設け、ヒートシンク１１の突起部１６によりパッケージ２５に接触するように押圧する構成としたので、半導体部品１のパッケージ２５とヒートスプレッダ１０との間を低熱抵抗で接合して優れた放熱性を得ることができる。そして、凸部２６を設けたことにより、パッケージ２５の外周側部分と、ヒートスプレッダ１０との間における隙間を小さくすることができ、その部分の熱抵抗をより小さくすることができる。

図６は、第４の実施形態に係る半導体部品１の放熱構造を示すものである。この第４の実施形態では、上記第３の実施形態と同様に、半導体部品１は、凸部２６を有したパッケージ２５を備えている。そして、上記第２の実施形態と同様に、膨出部２２を一体に有したヒートシンク２１を備えている。

従って、この第４の実施形態によれば、上記第１の実施形態等と同様に、ヒートスプレッダ１０を設けたものにあって、半導体部品１のパッケージ２５とヒートスプレッダ１０との間を低熱抵抗で接合して優れた放熱性を得ることができる。これに加えて、膨出部２２を設けたことにより、第２の放熱材料１３の厚みを薄くすることができるので、熱抵抗をより小さくして放熱性により一層優れたものとすることができる。更に、凸部２６を設けたことにより、パッケージ２５とヒートスプレッダ１０との間の熱抵抗をより小さくすることができる。

（３）第５～第１３の実施形態、その他の実施形態
次に、図７～図１５は、夫々、第５～第１３の実施形態を順に示すものであり、ヒートスプレッダ１０に設けられる三角形の片部の構成が上記第１の実施形態等の片部１５と異なっている。図７～図１５は、４つの片部のうちの右側の一つを代表させて、上面（ａ）及び断面（ｂ）を示している。これら第５～第１３の実施形態は、熱接触抵抗をより軽減させること等を目的として、片部の形状等に工夫を施したものであり、以下、これら第５～第１３の実施形態について順に述べる。

図７は、第５の実施形態における片部３１を示している。この片部３１は、先端側つまり突起部１６により押圧されてパッケージ６の上面に接触する部分に、下方に凸となる多数個の微小な突起３２を一体に形成して構成されている。これによれば、突起３２によってパッケージ６の上面に片部３１を確実に接触させることができると共に、複数個の突起３２が接触することにより接触面積を大きくすることが可能となり、熱抵抗を小さくして放熱性を高めることができる。

図８は、第６の実施形態における片部３６を示している。この実施形態では、片部３６の先端側部分が、先端（三角形の頂点）に向けて、交互に細かく上下に折目が付けられた如き形態、つまり三角形の斜辺を側方（前後方向）から見て、ギザギザとなるような波形形状の波形部３７とされている。これによれば、波形部３７のギザギザの稜部をパッケージ６の上面に確実に接触させることができると共に、接触面積を大きくすることが可能となり、熱抵抗を小さくして放熱性を高めることができる。

図９は、第７の実施形態における片部４１を示している。この実施形態では、片部４１の先端側部分の下面に、例えば樹脂製の放熱シート（熱伝導シート）４２が貼り付けられている。この放熱シート４２は、例えばアクリル系樹脂を主体とし金属フィラーを含有させてシート状に形成されたものである。これによれば、放熱シート４２の下面をパッケージ６の上面に弾性的に確実に接触させることができると共に、大きな接触面積を得ることができ、熱抵抗を小さくして放熱性を高めることができる。

図１０は、第８の実施形態における片部４６を示している。この実施形態では、片部４６の下面（ヒートスプレッダ１０の下面全体）に、面方向の熱伝達性の良いグラファイト（カーボン）製のシート４７が貼り付けられている。これによれば、グラファイトシート４７が介在されることにより、パッケージ６からの熱をヒートスプレッダ１０の面方向に広げるように伝達することができ、熱伝導性がより良好となって放熱性を高めることができる。

図１１は、第９の実施形態に係る片部５１を示している。この実施形態では、片部５１
の下面に、やはりグラファイトシート５２が貼り付けられていると共に、片部５１の先端側部分は、ヒートスプレッダ１０が切断除去されている。つまり、片部５１の先端側部分は、三角形状のグラファイトシート５２のみが存在するものとなっている。これによっても、パッケージ６からヒートスプレッダ１０への熱伝導性をより良好とすることができ、放熱性を高めることができる。

図１２は、第１０の実施形態に係る片部５６を示している。この実施形態では、片部５６の先端側部分は、先端側にいくほど次第に厚みが薄くなる薄肉部５７とされている。これによれば、薄肉部５７における変形性が良好となり、パッケージ６の上面に対する接触性が良くなる。これによれば、片部５６の薄肉部５７の下面をパッケージ６の上面に確実に且つ広い面積で接触させることができ、放熱性を高めることができる。

図１３は、第１１の実施形態に係る片部６１を示している。この実施形態では、ヒートスプレッダ１０の上壁部外周側の枠状部分と、片部６１とのなす境界線部分に、片部６１の下方への曲げ性を良好とするための、凹溝部６２を例えばエッチングにより設けるようにしている。これによれば、凹溝部６２によって、片部６１の下方への変形性を良好としてパッケージ６の上面に対する接触性を高めることができ、ひいては、熱抵抗を小さくして放熱性を高めることができる。

図１４は、第１２の実施形態に係る片部６６を示している。この実施形態では、ヒートスプレッダ１０の上壁部外周側の枠状部分と、片部６６とのなす境界線部分に、片部６６の下方への曲げ性を良好とするための、曲げ溝部６７を曲げ加工により形成するようにしている。これによっても、曲げ溝部６７によって、片部６６の下方への変形性を良好としてパッケージ６の上面に対する接触性を高めることができ、ひいては、熱抵抗を小さくして放熱性を高めることができる。

図１５は、第１３の実施形態に係る片部７１を示している。この実施形態では、片部７１のうち、ヒートシンク１１の突起部１６によって下方に押圧される部分に、上方に凸となる膨らみ部７２を設けるようにしている。これによれば、片部７１のうち、突起部１６により押される部分に膨らみ部７２を設けて上方に突出させたことによって、パッケージ６の上面に対して片部７１を押付ける効果を高めることができ、ひいては、熱抵抗を小さくして放熱性を高めることができる。

尚、上記した各実施形態では、ヒートスプレッダにＸ字状の切込み１４を形成して三角形の４個の片部を設けるようにしたが、切込みや片部の形状として、それに限定されるものではない。例えば、Ｖ字型やＵ字型（Ｃ字型）の切込みを形成してその内側を弾性変形可能な片部としたり、Ｈ字型の切込みを形成して２つの四角形の片部を形成したり、円を放射方向に延びる直線状の切込みで分割して複数個の片部を形成するなど、様々な変形が可能である。

上記した各実施形態では、ＳｏＣと称される半導体部品に適用するようにしたが、放熱（冷却）が必要な半導体部品全般に適用することができる。また、上記各実施形態では、半導体部品１のパッケージ６を金属製のものとしたが、半導体部品のパッケージの材質としても、セラミックやプラスチックなどであっても良い。半導体素子をモールド成型により樹脂封止するものであっても良い。その他、ヒートスプレッダやヒートシンクの形状などについても、様々な変更が可能であることは勿論である。上記した複数の実施形態の構成を組合せて実施することも可能である。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は半導体部品、３は半導体素子、６、２５はパッケージ、９はマザーボード（配線基板）、１０はヒートスプレッダ、１１、２１はヒートシンク、１２は第１の放熱材料、１３は第２の放熱材料（放熱材料）、１４は切込み、１５、３１、３６、４１、４６、５１、５６、６１、６６、７１は片部、１６は突起部、２２は膨出部、２６は凸部を示す。

Claims

配線基板（９）上に実装された半導体部品（１）のパッケージ（６、２５）の外面側にヒートスプレッダ（１０）を配置し、前記ヒートスプレッダ（１０）に放熱材料（１３）を介してヒートシンク（１１、２１）を熱的に接合して構成されると共に、
前記ヒートスプレッダ（１０）の前記パッケージ（６、２５）に対応した部分には、切込み（１４）が形成されていることにより、該パッケージ（６、２５）に切離する方向への弾性変形が可能な片部（１５、３１、３６、４１、４６、５１、５６、６１、６６、７１）が設けられ、
前記ヒートシンク（１１、２１）には、前記ヒートスプレッダ（１０）の片部（１５、３１、３６、４１、４６、５１、５６、６１、６６、７１）を、前記パッケージ（６、２５）の外面に接触させる方向に押圧する突起部（１６）が設けられている半導体部品の放熱構造。
前記ヒートシンクには、前記半導体部品のパッケージの中央部に対応して、前記ヒートスプレッダ側に膨らむ膨出部が設けられている請求項１に記載の半導体部品の放熱構造。
前記半導体部品のパッケージの外周側には、前記ヒートスプレッダに接触する方向に凸となる凸部が設けられている請求項１又は２に記載の半導体部品の放熱構造。