TWI744435B - 半導體裝置以及電磁波吸收導熱片材 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有優異的散熱性及電磁波抑制效果的半導體裝置。為了解決所述課題，本發明的半導體裝置1的特徵在於具備：形成於基板50上的半導體元件30；導電屏蔽罩20，具有開口部21，以覆蓋所述半導體元件30的至少一部分的方式設置，並連接於接地60；冷卻構件40，設置於該導電屏蔽罩20的上部；以及電磁波吸收導熱片材10，至少通過所述導電屏蔽罩20的開口部21而形成於所述半導體元件30與所述冷卻構件40之間。

Description

半導體裝置以及電磁波吸收導熱片材
本發明是有關於一種具有優異的散熱性及電磁波抑制效果的半導體裝置。
近年來，電子設備呈現出小型化的傾向，另一方面，由於應用(application)的多樣性而無法使耗電量隨之變化，因此，設備內的散熱對策愈加受到重視。
作為所述電子設備中的散熱對策，廣泛利用由銅或鋁等之類的導熱率高的金屬材料製作的散熱板、或者熱管(heat pipe)、熱匯(heat sink)等。為了實現散熱效果或者設備內的溫度緩和，而將該些導熱性優異的散熱零件以靠近作為電子設備內的發熱部的半導體封裝等電子零件的方式配置。另外，該些導熱性優異的散熱零件自作為發熱部的電子零件起跨及低溫的場所而配置。
但是，電子設備內的發熱部為電流密度高的半導體元件等電子零件，認為電流密度高即為可能成為無用輻射的成分的電場強度或磁場強度大。因此，若將由金屬製作的散熱零件配置於電子零件的附近，則存在如下問題：於進行熱吸收的同時，亦會拾取於電子零件內流動的電信號的諧波成分。具體而言為如下情況：由於散熱零件是由金屬材料製作而成，因此其自身會作為諧 波成分的天線發揮功能，或者作為諧波雜訊成分的傳遞路徑起作用。
因此，期望開發一種實現散熱性與電磁波抑制效果兼顧的技術。
例如，專利文獻1中揭示有一種技術，其具備：具有翅片(fin)用孔的、覆蓋安裝於印刷基板上的電子零件的屏蔽殼(shield case)；及散熱翅片，並使散熱翅片的一部分自所述翅片用孔露出至屏蔽殼的外側。
然而，於專利文獻1的技術中認為，雖然可確保某種程度的散熱性，但藉由於屏蔽殼上設置有翅片用孔，而無法充分獲得電磁波抑制效果，從而無法實現散熱性與電磁波抑制效果的兼顧。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2011-155056號公報
本發明是鑒於所述狀況而成者，目的在於提供一種具有優異的散熱性及電磁波抑制效果的半導體裝置。
本發明者等人為了解決所述課題而反覆進行研究，注意到，藉由將連接於接地的導電屏蔽罩以覆蓋半導體元件的方式設置，可實現優異的電磁波吸收性能。但是，僅設置屏蔽罩無法獲 得充分的散熱性，因此進一步反覆努力研究，結果發現，於導電屏蔽罩上設置開口部，並且以至少通過所述開口部的方式形成電磁波吸收導熱片材(sheet)，從而將半導體元件與冷卻構件相連，藉此，不降低電磁波吸收性能亦可提升散熱性。其結果是，本發明的半導體裝置能以先前沒有的高水準兼顧散熱性及電磁波抑制效果。
本發明是基於所述見解而成者，其主旨如下。
(1)一種半導體裝置，其特徵在於具備：形成於基板上的半導體元件；導電屏蔽罩(shield can)，具有開口部，以覆蓋所述半導體元件的至少一部分的方式設置，並連接於接地；冷卻構件，設置於所述導電屏蔽罩的上部；以及電磁波吸收導熱片材，至少通過所述導電屏蔽罩的開口部而形成於所述半導體元件與所述冷卻構件之間。
藉由所述構成，可實現優異的散熱性及電磁波抑制效果。
(2)如所述(1)所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面及/或下表面的一部分。
(3)如所述(2)所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面的一部分。
(4)如所述(2)所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面及下表面的一部分。
(5)如所述(2)所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材的被覆面積相對於所述導電屏蔽罩的開口部的面積為110%以上。
(6)如所述(1)至(5)中任一項所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材包括多片片材。
(7)如所述(1)至(6)中任一項所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材包含纖維狀的導熱性填充劑。
(8)如所述(7)所述的半導體裝置，其特徵在於，所述纖維狀的導熱性填充劑為碳纖維。
(9)如所述(7)或(8)所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材進而包含磁性金屬粉。
(10)如所述(1)至(9)中任一項所述的半導體裝置，其特徵在於，所述電磁波吸收導熱片材的片材中心部的導熱率相較於片材外周部的導熱率大。
根據本發明，能夠提供一種具有優異的散熱性及電磁波抑制效果的半導體裝置。
1:半導體裝置
10:電磁波吸收導熱片材
20:導電屏蔽罩(屏蔽罩)
20a:導電屏蔽罩的上表面
20b:導電屏蔽罩的下表面
21:開口部
30:半導體元件
31:微帶線
40:冷卻構件(熱匯)
50:基板
51:連接盤
60:接地
100:現有的半導體裝置
S:電磁波吸收導熱片材的被覆面積
T:電磁波吸收導熱片材的厚度
圖1是對於本發明的半導體裝置的一實施形態，示意性地表示剖面的狀態的圖。
圖2是對於本發明的半導體裝置的另一實施形態，示意性地 表示剖面的狀態的圖。
圖3是對於本發明的半導體裝置的又一實施形態，示意性地表示剖面的狀態的圖。
圖4是對於本發明的半導體裝置的一實施形態，示意性地表示組裝狀態的立體圖。
圖5的(a)、(b)是示意性地表示實施例中的頻率特性的分析所使用的半導體裝置的模型的圖，圖5的(a)表示自半導體裝置的模型的表面側觀察的狀態，圖5的(b)表示自半導體裝置的模型的背面側觀察的狀態。
圖6是表示由實施例1獲得的、改變了條件的各電磁波吸收導熱片材的與頻率相應的電場強度的圖表。
圖7是表示由實施例2獲得的、改變了條件的各電磁波吸收導熱片材的與頻率相應的電場強度的圖表。
圖8是表示由實施例3獲得的、改變了條件的各電磁波吸收導熱片材的與頻率相應的電場強度的圖表。
圖9是對於現有技術的半導體裝置，示意性地表示剖面的狀態的圖。
圖10是示意性地表示導電屏蔽罩及電磁波吸收導熱片材的上表面的狀態的圖。
以下，使用圖式來具體說明本發明的實施形態的一例。
此處，圖1~圖3是對於本發明的半導體裝置的三個實施形 態，示意性地表示剖面的狀態的圖。再者，關於各圖式，為了便於說明，各構件的形狀或比例(scale)是以與實際者不同的狀態表示。關於各構件的形狀或比例尺，除本說明中所規定以外，能夠根據半導體裝置適宜變更。
如圖1~圖3所示般，本發明的半導體裝置1具備：半導體元件30、導電屏蔽罩20、冷卻構件40與電磁波吸收導熱片材10。
而且，於本發明的半導體裝置1中，特徵在於，所述導電屏蔽罩20具有開口部21，且所述電磁波吸收導熱片材10通過該開口部21而形成於所述半導體元件30與所述冷卻構件40之間。
所述半導體元件30成為熱及電磁波的產生源，但藉由以覆蓋該半導體元件30的方式設置導電屏蔽罩20，可實現電磁波遮蔽，因此可獲得優異的電磁波抑制效果。進而，於所述導電屏蔽罩20上設置開口部21，至少通過所述開口部21將具有電磁波吸收性能且導熱性高的片材構件(電磁波吸收導熱片材10)設置於半導體元件30與冷卻構件40之間，藉此，於設置有開口部21的情況下亦具有電磁波抑制效果，朝冷卻構件40的導熱得到大幅改善，結果亦可實現優異的散熱性。
再者，圖9表示基於現有技術的具備電磁波吸收導熱片材的半導體裝置的一例。於現有的半導體裝置100中，於半導體元件30與冷卻構件40之間設置有電磁波吸收導熱片材10，因此可獲得優異的導熱性、電磁波吸收效果。然而，由於並不具備如 本發明的半導體裝置1的屏蔽罩20般的電磁波遮蔽材，因此，存在電磁波抑制效果未達到充分的水準的情況。
繼而，對構成本發明的半導體裝置的各構件進行說明。
(半導體元件)
如圖1~圖3所示般，本發明的半導體裝置1具備形成於基板50上的半導體元件30。
此處，關於所述半導體元件，只要為半導體的電子零件，則並無特別限定。例如可列舉：積體電路(integrated circuit，IC)或大型積體電路(large scale integrated circuit，LSI)等積體電路、中央處理單元(central processing unit，CPU)、微處理單元(micro processing unit，MPU)、圖形運算元件、影像感測器(image sensor)等。
關於形成有所述半導體元件30的基板50，亦無特別限定，可根據半導體裝置的種類而使用合適的基板50。於所述基板50上設置有接地(ground，GND)60。接地60形成於基板50的內層、或者背面(圖1~圖3中為基板的背面)。
為了便於說明，圖1~圖3中表示為，導電屏蔽罩20貫穿所述基板50而直接連接於所述接地60。但是，於一般的實用時，如圖4所示，於所述基板50的表面上，以包圍所述半導體元件30的周圍的方式整周或部分地設置連接盤(land)51，並藉由焊料等將所述導電屏蔽罩20連接於所述部分。所述連接盤51藉由形成於所述基板50上的通孔(through hole)(未圖示)而電性 連接於所述接地60，藉此，所述導電屏蔽罩20與接地60電性接合。
(屏蔽罩)
如圖1~圖3所示般，本發明的半導體裝置1具備導電屏蔽罩20，所述導電屏蔽罩20具有開口部21，以覆蓋所述半導體元件30的至少一部分的方式設置，並連接於所述接地60。
藉由連接於所述接地60的導電屏蔽罩20，可實現電磁波的屏蔽，從而可提升本發明的半導體裝置1的電磁波抑制效果。
此處，作為構成所述屏蔽罩20的材料，只要為電磁波的屏蔽效果高者，則無特別限定。例如，可使用鋁、銅、不鏽鋼等導電率高的金屬、或者導電性高的磁性體等。作為該導電性高的磁性體材料，可列舉：高導磁合金(permalloy)、鋁矽鐵粉(sendust)、Fe系或Co系的非晶材料、微結晶材料等。於使用所述般的磁性體材料作為構成所述屏蔽罩20的材料的情況下，除電屏蔽效果以外，亦可期待磁屏蔽效果及磁吸收效果。
設置於所述屏蔽罩上的開口部21為設置於所述屏蔽罩上的貫通孔。再者，所述開口部21於內部填充有後述的電磁波吸收導熱片材10，並將半導體元件30與冷卻構件40之間相連，因此，如圖1~圖3所示般，所述開口部21形成於將所述半導體元件30與所述冷卻構件40連結的方向(圖1~圖3中為各構件的積層方向)。
關於所述開口部21的大小，並無特別限定，可根據半導體元 件30的大小等適宜變更。關於所述開口部21，開口面積小者可減少電磁波的釋放，從而能夠縮小發射電磁場。但是，就釋放源於半導體元件30的熱的觀點而言，較佳為增大所述開口部21並使用大的電磁波吸收導熱片材10。因此，開口部21的大小根據本發明的半導體裝置1所要求的導熱性或電磁雜訊抑制效果適宜變更。
(冷卻構件)
如圖1~圖3所示般，本發明的半導體裝置1於所述導電屏蔽罩20的上部具備冷卻構件40。
此處，所述冷卻構件40為用於吸收自所述熱源(半導體元件30)產生的熱並散放至外部的構件。藉由經由後述的電磁波吸收導熱片材10而與所述半導體元件30連接，可將半導體元件30產生的熱擴散至外部，從而確保半導體裝置的散熱性。
關於所述冷卻構件40的種類，並無特別限定，可根據本發明的半導體裝置1的種類適宜選擇。例如可列舉：散熱器、冷卻器、熱匯、熱擴散器(heat spreader)、晶片焊盤(die pad)、冷卻風扇、熱管、金屬蓋(cover)、框體等。該些散熱構件中，就可獲得更優異的散熱性的方面而言，較佳為使用散熱器、冷卻器或熱匯。
再者，如圖1~圖3所示般，所述冷卻構件40雖設置於所述導電屏蔽罩20的上部，但較佳為不與所述導電屏蔽罩接觸，而是空開一定距離設置。原因在於，有時將後述的電磁波吸收導熱片材10填充於所述導電屏蔽罩20的上表面20a與所述冷卻構件40之間。
(電磁波吸收導熱片材)
如圖1~圖3所示般，本發明的半導體裝置1具備電磁波吸收導熱片材10，所述電磁波吸收導熱片材10至少通過所述導電屏蔽罩20的開口部21而形成於所述半導體元件30與所述冷卻構件40之間。
藉由將具有電磁波吸收性能且導熱性高的電磁波吸收導熱片材10設置於半導體元件30與冷卻構件40之間，不降低電磁波抑制效果亦能夠提升散熱性。
關於所述電磁波吸收導熱片材10的尺寸，並無特別限定，但如圖1~圖3所示般被填充於所述屏蔽罩20的開口部21內，因此必須具有至少與開口部的面積同等以上的被覆面積。此處，圖10是表示自上方對電磁波吸收導熱片材及導電屏蔽罩觀察的狀態的圖，但如圖10所示，所謂所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積，為藉由所述電磁波吸收導熱片材10所覆蓋的所述屏蔽罩20(亦包含開口部21)的面積(圖10的斜線部的面積S)，於將所述導電屏蔽罩的上表面20a及下表面20b均覆蓋的情況下，並非指合計面積，而是指於每個面上的被覆面積。
此處，如圖2或圖3所示般，所述電磁波吸收導熱片材10較佳為覆蓋所述導電屏蔽罩20的上表面20a及/或下表面20b的一部分(換言之，所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積較所述導電屏蔽罩20的開口部21的面積大)。原因在於可獲得更優異的散熱性及電磁波抑制效果。
再者，如圖1~圖3所示般，所謂所述導電屏蔽罩20的上表面20a，表示所述導電屏蔽罩20的冷卻構件40側的面，所謂所述導電屏蔽罩20的下表面20b，表示所述導電屏蔽罩20的半導體元件30側的面。
另外，就可獲得更加優異的散熱性及電磁波抑制效果的方面而言，如圖3所示般，所述電磁波吸收導熱片材10較佳為覆蓋所述導電屏蔽罩20的上表面20a的一部分(即，所述導電屏蔽罩20的冷卻構件40側的所述電磁波吸收導熱片材的被覆面積較所述導電屏蔽罩20的開口部21的面積大)。
而且，就可獲得特別優異的電磁波抑制效果的方面而言，如圖2所示般，所述電磁波吸收導熱片材10較佳為覆蓋所述導電屏蔽罩20的上表面20a及下表面20b的一部分(即，所述導電屏蔽罩20的冷卻構件40側及半導體元件30側的所述電磁波吸收導熱片材的被覆面積均較所述導電屏蔽罩20的開口部21的面積大)。
進而，關於所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積，就可獲得更優異的散熱性及電磁波抑制效果的方面而言，較佳為相對於所述導電屏蔽罩20的開口部21的面積為110%以上，更佳為120%以上，進而佳為140%以上。再者，關於所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積的上限值，並無特別限定，但實質上，屏蔽罩20整體的面積成為上限值。
再者，所述電磁波吸收導熱片材10可包括一層片材，亦可包括多片片材。
例如，如圖1所示般，於所述電磁波吸收導熱片材10不覆蓋所述屏蔽罩20的上表面20a或下表面20b的情況(即，所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積與所述開口部21的面積相同的情況)下，可藉由一層片材構成所述電磁波吸收導熱片材10。但是，就容易調整片材的厚度等的觀點而言，亦可包括多個片材。
另外，如圖2及圖3所示般，於所述電磁波吸收導熱片材10覆蓋所述屏蔽罩20的上表面20a或下表面20b的一部分的情況(即，所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積較所述屏蔽罩20的開口部21的面積大的情況)下，可藉由一層片材構成所述電磁波吸收導熱片材10，亦可藉由多個片材構成所述電磁波吸收導熱片材10。於由一層片材構成所述電磁波吸收導熱片材10的情況下，藉由將電磁波吸收導熱片材10與構件(圖2及圖3中為半導體元件30及冷卻構件40)壓接，而片材的一部分被擠出，從而可覆蓋所述屏蔽罩20的上表面20a或下表面20b的一部分。於由多片片材構成所述電磁波吸收導熱片材10的情況下，藉由將大小不同的片材組合，可獲得所需形狀的電磁波吸收導熱片材10。
但是，如圖2及圖3所示般，於所述電磁波吸收導熱片材10覆蓋所述屏蔽罩20的上表面20a或下表面20b的一部分的情況(即，所述電磁波吸收導熱片材10的被覆面積較所述屏蔽罩20的開口部21的面積大的情況)下，較佳為由多個片材構成所述電磁波吸收導熱片材10。由於沒有壓接等步驟，因此可於使後述的纖維狀的導熱性填充材配向的狀態下形成所述電磁波吸收導熱 片材10，結果可獲得更優異的散熱性及電磁波抑制效果。
另外，關於所述電磁波吸收導熱片材10的厚度T，並無特別限定，可根據半導體元件30與冷卻構件40的距離、或者所述屏蔽罩20的尺寸等適宜變更。但是，就能以更高的水準實現散熱性及電磁波抑制效果的方面而言，所述電磁波吸收導熱片材10的厚度T較佳為50μm~4mm，更佳為100μm~4mm，尤佳為200μm~3mm。若所述電磁波吸收導熱片材10的厚度T超過4mm，則所述半導體元件30與所述冷卻構件40的距離變長，因而有導熱特性降低之虞，另一方面，於所述電磁波吸收導熱片材10的厚度T未滿50μm的情況下，有電磁波抑制效果變小之虞。
此處，如圖1~圖3所示般，所述電磁波吸收導熱片材10的厚度T是指所述電磁波吸收導熱片材10的厚度最大的部分的厚度T，與由一層片材形成還是由多個片材形成無關。
另外，所述電磁波吸收導熱片材10較佳為於表面具有黏性。原因在於可提升電磁波吸收導熱片材10與其他構件的接著性。進而，於所述電磁波吸收導熱片材10包括多個片材的情況下，亦可提升片材彼此的接著性。
再者，關於對所述電磁波吸收導熱片材10的表面賦予黏性的方法，並無特別限定。例如，既可謀求後述的構成電磁波吸收導熱片材10的黏合劑樹脂的最佳化以使所述電磁波吸收導熱片材10具有黏性，亦可於該電磁波吸收導熱片材10的表面另行設置具有黏性的接著層。
進而，所述電磁波吸收導熱片材10的片材中心部的導熱率相較於片材外周部的導熱率大，藉此可提高與半導體元件30接觸的部分的導熱性。另一方面，對於與所述半導體元件30接觸的面積小的片材外周部，可使電磁波吸收性能優先於導熱性。其結果是，本發明的半導體裝置1可實現更優異的散熱性及電磁波抑制效果。
此處，所謂所述電磁波吸收導熱片材10的片材中心部，為電磁波吸收導熱片材10與所述半導體元件30接觸的部分，其中，特別是指與發熱量多的部分(一般被稱為熱點(hot spot)的部分)相當的部分。另外，所謂片材外周部，是指所述中心部以外的部分。
再者，作為變更所述電磁波吸收導熱片材10的導熱率的方法，並無特別限定，但如後述般，藉由於片材中心部與片材外周部改變纖維狀的導熱性填充材的材料、調配量及配向方向等，能夠變更導熱率。
另外，關於構成所述電磁波吸收導熱片材10的材料，只要為具有優異的電磁波吸收性能及導熱性者，則無特別限定。
例如，就能以高水準實現電磁波吸收性能及導熱性的方面而言，作為所述電磁波吸收導熱片材，可使用包含黏合劑樹脂與導熱性填充劑的電磁波吸收導熱片材。
以下，記載構成電磁波吸收導熱片材10的材料。
．黏合劑樹脂
所謂構成所述電磁波吸收導熱片材的黏合劑樹脂，是成為導熱片材的基材的樹脂成分。關於其種類並無特別限定，可適宜選擇公知的黏合劑樹脂。例如，作為黏合劑樹脂之一，可列舉熱硬化性樹脂。
作為所述熱硬化性樹脂，例如可列舉：交聯性橡膠、環氧樹脂、聚醯亞胺樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂、苯并環丁烯樹脂、酚樹脂、不飽和聚酯、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、矽酮、聚胺基甲酸酯、聚醯亞胺矽酮、熱硬化型聚苯醚(polyphenylene ether)、熱硬化型改質聚苯醚等。該些可單獨使用一種，亦可併用兩種以上。
再者，作為所述交聯性橡膠，例如可列舉：天然橡膠、丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、腈橡膠、氫化腈橡膠、氯丁二烯橡膠、乙烯丙烯橡膠、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、丁基橡膠、鹵化丁基橡膠、氟橡膠、胺基甲酸酯橡膠、丙烯酸橡膠、聚異丁烯橡膠、矽酮橡膠(silicone rubber)等。該些可單獨使用一種，亦可併用兩種以上。
另外，所述熱硬化性樹脂中，就成形加工性及耐候性優異，以及相對於電子零件的密接性及追隨性的方面而言，較佳為使用矽酮。作為矽酮並無特別限定，可根據目的適宜選擇矽酮的種類。
就獲得所述成形加工性、耐候性、密接性等的觀點而言，作為所述矽酮，較佳為包括液狀矽酮凝膠的主劑與硬化劑的矽酮。 作為此種矽酮，例如可列舉：加成反應型液狀矽酮、將過氧化物用於硫化的熱硫化型可混煉類型的矽酮等。
作為所述加成反應型液狀矽酮，較佳為使用將具有乙烯基的聚有機矽氧烷作為主劑且將具有Si-H基的聚有機矽氧烷作為硬化劑的、二液性的加成反應型矽酮等。
再者，於所述液狀矽酮凝膠的主劑與硬化劑的組合中，作為所述主劑與所述硬化劑的調配比例，較佳為以質量比計，主劑：硬化劑=35：65~65：35。
另外，所述電磁波吸收導熱片材中的所述黏合劑樹脂的含量並無特別限定，可根據目的適宜選擇。例如，就確保片材的成形加工性、或片材的密接性等的觀點而言，較佳為所述電磁波吸收導熱片材的20體積%~50體積%左右，更佳為30體積%~40體積%。
．導熱性填充劑
所述電磁波吸收導熱片材於所述黏合劑樹脂內包含導熱性填充劑。該導熱性填充劑為用於提升片材的導熱性的成分。
此處，關於導熱性填充劑的種類，並無特別限定，但就可實現更高的導熱性的方面而言，較佳為使用纖維狀的導熱性填充劑。
再者，所謂所述纖維狀的導熱性填充劑的「纖維狀」，是指縱橫比高(大約6以上)的形狀。因此，本發明中，於纖維狀的導熱性填充劑中不僅包含纖維狀或棒狀等的導熱性填充劑，亦包含縱橫比高的粒狀的填充材、或薄片(flake)狀的導熱性填充劑等。
此處，關於所述纖維狀的導熱性填充劑的種類，只要為纖維狀且導熱性高的材料，則無特別限定，例如可列舉：銀、銅、鋁等金屬、氧化鋁、氮化鋁、碳化矽、石墨(graphite)等陶瓷、碳纖維等。
該些纖維狀的導熱性填充劑中，就可獲得更高的導熱性的方面而言，更佳為使用碳纖維。
再者，關於所述導熱性填充劑，可單獨使用一種，亦可混合使用兩種以上。另外，於使用兩種以上的導熱性填充劑的情況下，可均為纖維狀的導熱性填充劑，亦可將纖維狀的導熱性填充劑與其他形狀的導熱性填充劑混合使用。
關於所述碳纖維的種類，並無特別限制，可根據目的適宜選擇。例如可使用：瀝青(pitch)系、聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)系、將聚苯并噁唑(polybenzoxazole，PBO)纖維石墨化而成者、藉由電弧放電法、雷射蒸發法、化學氣相沈積(chemical vapor deposition，CVD)法、觸媒化學氣相沈積(catalyst chemical vapor deposition，CCVD)法等合成者。該些中，就可獲得高的導熱性的方面而言，更佳為將PBO纖維石墨化而成的碳纖維、瀝青系碳纖維。
另外，關於所述碳纖維，可視需要對其一部分或全部進行表面處理而使用。作為所述表面處理，例如可列舉：氧化處理；氮化處理；硝化；磺化；或者使金屬、金屬化合物、有機化合物等附著或結合於藉由該些處理而被導入至表面的官能基或碳纖維 的表面的處理等。作為所述官能基，例如可列舉：羥基、羧基、羰基、硝基、胺基等。
進而，關於所述纖維狀的導熱性填充劑的平均纖維長度(平均長軸長度)，亦無特別限制，可適宜選擇，但就確實地獲得高的導熱性的方面而言，較佳為50μm~300μm的範圍，更佳為75μm~275μm的範圍，尤佳為90μm~250μm的範圍。
進而另外，關於所述纖維狀的導熱性填充劑的平均纖維直徑(平均短軸長度)，亦無特別限制，可適宜選擇，但就確實地獲得高的導熱性的方面而言，較佳為4μm~20μm的範圍，更佳為5μm~14μm的範圍。
關於所述纖維狀的導熱性填充劑的縱橫比(平均長軸長度/平均短軸長度)，就確實地獲得高的導熱性的方面而言，使用6以上者，較佳為7~30。於所述縱橫比小的情況下，亦可觀察到導熱率等的改善效果，但由於配向性降低等而無法獲得大的特性改善效果，因此，將縱橫比設為6以上。另一方面，若超過30，則於電磁波吸收導熱片材中的分散性降低，因此有無法獲得充分的導熱率之虞。
此處，所述纖維狀的導熱性填充劑的平均長軸長度、及平均短軸長度例如可藉由顯微鏡、掃描型電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)等測定，並根據多個樣本(sample)算出平均。
另外，作為所述電磁波吸收導熱片材中的所述纖維狀的導熱性填充劑的含量，並無特別限制，可根據目的適宜選擇，但 較佳為4體積%~40體積%，更佳為5體積%~30體積%，尤佳為6體積%~20體積%。若所述含量未滿4體積%，則有難以獲得充分低的熱阻之虞，若超過40體積%，則有對所述導熱片材的成型性及所述纖維狀的導熱性填充劑的配向性造成影響之虞。
進而，於所述電磁波吸收導熱片材中，較佳為所述導熱性填充劑於一個方向或多個方向上配向。原因在於，藉由使所述導熱性填充劑配向，可實現更高的導熱性或電磁波吸收性。
例如，於欲提高所述電磁波吸收導熱片材的導熱性，從而提升本發明的半導體裝置的散熱性的情況下，可使所述導熱性填充劑相對於片材表面而大致垂直狀地配向。另一方面，於欲提高所述電磁波吸收導熱片材的電磁波屏蔽性能，從而提升本發明的半導體裝置的電磁波抑制效果的情況下，可使所述導熱性填充劑相對於片材表面而大致平行狀地配向。
此處，相對於所述片材表面而大致垂直狀或大致平行的方向是指，相對於所述片材表面方向幾乎垂直的方向或幾乎平行的方向。但是，所述導熱性填充劑的配向方向於製造時存在些許偏差，因此，本發明中允許自相對於所述片材表面的方向而垂直的方向或平行的方向起±20°左右的偏離。
再者，關於調整所述導熱性填充劑的配向角度的方法，並無特別限定。例如，製作作為所述電磁波吸收導熱片材的基礎的片材用成形體，並於使纖維狀的導熱性填充劑配向的狀態下調整切取角度，藉此可實現配向角度的調整。
．無機物填料
另外，所述電磁波吸收導熱片材除所述黏合劑樹脂及導熱性纖維以外，亦可進而包含無機物填料。原因在於可進一步提高電磁波吸收導熱片材的導熱性，且提升片材的強度。
作為所述無機物填料，關於形狀、材質、平均粒徑等並無特別限定，可根據目的適宜選擇。作為所述形狀，例如可列舉：球狀、橢圓球狀、塊狀、粒狀、扁平狀、針狀等。該些中，就填充性的方面而言，較佳為球狀、橢圓球狀，尤佳為球狀。
作為所述無機物填料的材料，例如可列舉：氮化鋁(氮化鋁：AlN)、二氧化矽(silica)、氧化鋁(alumina)、氮化硼、二氧化鈦(titania)、玻璃、氧化鋅、碳化矽、矽(silicon)、氧化矽、金屬粒子等。該些可單獨使用一種，亦可併用兩種以上。該些中，較佳為氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氧化鋅、二氧化矽，就導熱率的方面而言，尤佳為氧化鋁、氮化鋁。
另外，所述無機物填料亦可使用實施表面處理而成者。作為所述表面處理，若藉由偶合劑對所述無機物填料進行處理，則所述無機物填料的分散性提升，且電磁波吸收導熱片材的柔軟性提升。
關於所述無機物填料的平均粒徑，可根據無機物的種類等適宜選擇。
於所述無機物填料為氧化鋁的情況下，其平均粒徑較佳為1μm~10μm，更佳為1μm~5μm，尤佳為4μm~5μm。若所述平 均粒徑未滿1μm，則有黏度增大而變得難以混合之虞。另一方面，若所述平均粒徑超過10μm，則有所述導熱片材的熱阻增大之虞。
進而，於所述無機物填料為氮化鋁的情況下，其平均粒徑較佳為0.3μm~6.0μm，更佳為0.3μm~2.0μm，尤佳為0.5μm~1.5μm。若所述平均粒徑未滿0.3μm，則有黏度增大而變得難以混合之虞，若超過6.0μm，則有所述導熱片材的熱阻增大之虞。
再者，關於所述無機物填料的平均粒徑，例如可藉由粒度分佈計、掃描型電子顯微鏡(SEM)進行測定。
．磁性金屬粉
進而，所述電磁波吸收導熱片材較佳為除所述黏合劑樹脂、纖維狀的導熱性纖維及無機物填料以外，進而包含磁性金屬粉。藉由包含該磁性金屬粉，可提升電磁波吸收導熱片材的電磁波吸收性。
關於所述磁性金屬粉的種類，除具有電磁波吸收性以外並無特別限定，可適宜選擇公知的磁性金屬粉。例如可使用非晶金屬粉、或結晶質的金屬粉末。作為非晶金屬粉，例如可列舉：Fe-Si-B-Cr系、Fe-Si-B系、Co-Si-B系、Co-Zr系、Co-Nb系、Co-Ta系的非晶金屬粉等，作為結晶質的金屬粉，例如可列舉：純鐵、Fe系、Co系、Ni系、Fe-Ni系、Fe-Co系、Fe-Al系、Fe-Si系、Fe-Si-Al系、Fe-Ni-Si-Al系的結晶質的金屬粉等。進而，作為所述結晶質的金屬粉，亦可使用將N(氮)、C(碳)、O(氧)、B(硼)等微量添加於結晶質的金屬粉中以使所述結晶質的金屬粉微細化 的微結晶質金屬粉。
再者，關於所述磁性金屬粉，亦可使用將兩種以上的不同材料者或不同平均粒徑者混合而成的磁性金屬粉。
另外，關於所述磁性金屬粉，較佳為調整球狀、扁平狀等形狀。例如，於提高填充性的情況下，較佳為使用粒徑為數μm~數十μm的球狀的磁性金屬粉。此種磁性金屬粉末例如可藉由霧化(atomization)法、或者將金屬羰基熱分解的方法而製造。所謂霧化法，為如下方法：具有容易製作球狀粉末的優點，使熔融金屬自噴嘴流出，並對所流出的熔融金屬噴附空氣、水、惰性氣體等的射流，使所述熔融金屬凝固成液滴而製作粉末。於藉由霧化法製造非晶磁性金屬粉末時，為了不使熔融金屬結晶化，較佳為將冷卻速度設為1×106(K/s)左右。
於藉由所述霧化法製造非晶合金粉的情況下，可使非晶合金粉的表面成為光滑的狀態。若將如此般表面凹凸少、比表面積小的非晶合金粉用作磁性金屬粉，則可相對於黏合劑樹脂而提高填充性。進而，可藉由進行偶合處理而進一步提升填充性。
再者，所述電磁波吸收導熱片材除所述黏合劑樹脂、纖維狀的導熱性填充劑、無機物填料及磁性金屬粉以外，亦能夠根據目的適宜包含其他成分。
作為其他成分，例如可列舉：觸變性賦予劑、分散劑、硬化促進劑、阻滯劑、微黏著賦予劑、塑化劑、阻燃劑、抗氧化劑、穩定劑、著色劑等。
[實施例]
繼而，基於實施例來具體地說明本發明。但是，本發明絲毫不限定於下述實施例。
(實施例1)
實施例1中，使用三維電磁場模擬器安賽斯(ANSYS)HFSS(安賽斯(ANSYS)公司製造)製作如圖5的(a)及(b)所示般的半導體裝置的分析模型，並進行電磁波抑制效果的評價。
此處，半導體裝置的模型所使用的電磁波吸收導熱片材10是使用如下導熱片材，其為使用二液性的加成反應型液狀矽酮作為樹脂黏合劑，使用平均粒徑5μm的Fe-Si-B-Cr非晶磁性粒子作為磁性金屬粉，使用平均纖維長度200μm的瀝青系碳纖維(「導熱性纖維」日本石墨纖維(Graphite Fiber)股份有限公司製造)作為纖維狀導熱性填充劑，以成為二液性的加成反應型液狀矽酮：非晶磁性粒子：瀝青系碳纖維=35vol%：53vol%：12vol%的體積比的方式使其分散，從而製備矽酮組成物(片材用組成物)所得者。所獲得的電磁波吸收導熱片材的垂直方向的平均導熱率(將界面的熱阻與內部的熱阻合計算出)藉由依據美國材料試驗協會(American Society for Testing Materials，ASTM)D5470的測定而顯示為9.2W/m.K，關於該片材的磁特性及介電特性，使用藉由S參數法所測定的值。再者，將電磁波吸收導熱片材10的厚度T設為0.7mm。
另外，半導體裝置的模型所使用的熱匯40將鋁板用作材料， 且大小設為60mm×120mm，厚度設為0.3mm。
進而，屏蔽罩20為壁厚0.2mm的不鏽鋼，外徑尺寸設為20mm×20mm×1.2mm，且於中央設置有開口部21。將開口部21的大小設為□10mm(10mm×10mm)。
圖5的(a)及(b)表示半導體裝置的分析模型，且分別表示自上表面部側(表面側)、下表面部側(背面側)觀察的狀態。再者，於圖5的(a)及(b)中進行透過描繪以便得知構成半導體裝置的各構件的位置關係。再者，所述分析模型的剖面結構與圖1~圖3是同樣的，如圖5的(a)及(b)所示般，將半導體元件30設為藉由樹脂模具(mold)將微帶線(microstripline，MSL)31覆蓋而成者，並將該MSL 31設為於介電基板50(基板尺寸：60mm×120mm×0.65mm)表面側配設有銅信號線(信號線尺寸：1mm×14mm×0.02mm)、於背面側配設有接地60者。半導體元件30的信號源藉由所述MSL 31而簡化並將兩端設定為信號的輸入輸出端。再者，將所述半導體元件30的本體(藉由樹脂而成型的部分)設為相對介電常數4、介電損耗正切0.01的介電質。再者，將半導體元件30的本體的大小設為16mm×16mm×0.7mm。
而且，關於電磁波抑制效果的評價，算出距半導體裝置3m的位置的最大電場強度，並表述為與頻率相應的電場強度(dBμV/m)。將所獲得的電場強度算出結果示於圖6。
圖6中，以成為如圖1所示般的構成的半導體裝置的方式，將使用具有與開口部21相同的10mm×10mm的被覆面積的電磁 波吸收導熱片材10者表示為□10mm。另外，將雖為如圖1所示般的構成的半導體裝置，且具有10mm×10mm的被覆面積，但代替電磁雜訊抑制導熱片材而使用電磁波吸收效果低的導熱片材(相對介電常數6、介電損耗正切0.01)者表示為□10mm(導熱片材)。
進而，以成為如圖2所示般的構成的半導體裝置的方式，將使用具有較開口部21大的12mm×12mm的被覆面積的電磁波吸收導熱片材10者表示為□12mm，將使用具有14mm×14mm的被覆面積的電磁波吸收導熱片材10者表示為□14mm。
根據圖6的結果，於本發明的範圍所包含的□10mm、□12mm及□14mm的分析模型中，相較於□10mm(導熱片材)的分析模型而言，確認到良好的電磁波抑制效果(電場強度降低)。特別是對於如圖2所示般的、電磁波吸收導熱片材10覆蓋導電屏蔽罩20的上表面20a及下表面20b的一部分的構成(□12mm及□14mm的分析模型)，可確認到更加優異的電磁波抑制效果。
(實施例2)
實施例2中，於與實施例1同樣的條件下，使用所述三維電磁場模擬器製作如圖5的(a)及(b)所示般的半導體裝置的分析模型，並進行電磁波抑制效果的評價。
而且，關於電磁波抑制效果的評價，與實施例1同樣地算出與頻率相應的電場強度(dBμV/m)。將算出結果示於圖7。
圖7中，以成為如圖2所示般的構成的半導體裝置的方式，將使用具有較開口部21大的14mm×14mm的被覆面積的電磁波吸收導熱片材10者表示為□14mm的分析模型。
另外，以成為如圖3所示般的構成的半導體裝置的方式，將使用組合兩片片材(具有14mm×14mm的被覆面積的片材(覆蓋導電屏蔽罩20的上表面20a的片材)+一片具有10mm×10mm的被覆面積的片材(填充於開口部內的片材))而構成的電磁波吸收導熱片材10者表示為□10mm+□14mm的分析模型。
根據圖7的結果，關於□10mm+□14mm及□14mm的分析模型，均確認到優異的電磁波抑制效果。因此可知，於由一片片材構成電磁波吸收導熱片材10的情況下，以及於由多片片材構成電磁波吸收導熱片材10的情況下，均獲得同樣優異的電磁波抑制效果。
(實施例3)
實施例3中，於與實施例1同樣的條件下，使用所述三維電磁場模擬器製作如圖5的(a)及(b)所示般的半導體裝置的分析模型，並進行電磁波抑制效果的評價。但是，關於導電屏蔽罩20的開口部21的大小，準備了□10mm：10mm×10mm及□14mm：14mm×14mm此兩種。
而且，關於電磁波抑制效果的評價，算出與頻率相應的電場強度(dBμV/m)。將算出結果示於圖8。
圖8中，以成為圖1所示般的構成的半導體裝置的方式，將 使用具有與開口部21相同的10mm×10mm的被覆面積的電磁波吸收導熱片材10者表示為□10mm的分析模型，將使用具有與開口部21相同的14mm×14mm的被覆面積的電磁波吸收導熱片材10者表示為□14mm的分析模型。
另外，以成為圖3所示般的構成的半導體裝置的方式，將使用組合兩片片材(具有14mm×14mm的被覆面積的片材(覆蓋導電屏蔽罩20的上表面20a的片材)+一片具有10mm×10mm的被覆面積的片材(填充於□10mm的開口部內的片材))而構成的電磁波吸收導熱片材10者表示為□10mm+□14mm的分析模型，將使用組合兩片片材(具有18mm×18mm的被覆面積的片材(覆蓋導電屏蔽罩20的上表面20a的片材)+一片具有14mm×14mm的被覆面積的片材(填充於□14mm的開口部內的片材))而構成的電磁波吸收導熱片材10者表示為□14mm+□18mm的分析模型。
根據圖8的結果，於導電屏蔽罩20的開口部21的大小為□10mm的情況與□14mm的情況下，關於電磁波抑制效果，未觀察到大的差別。另一方面，由於圖3所示的半導體裝置的分析模型、即□10mm+□14mm及□14mm+□18mm的分析模型較□10mm及□14mm的分析模型顯示出更優異的電磁波抑制效果，因此認為，重要的是以至少覆蓋導電屏蔽罩20的上表面20a的一部分的方式設置電磁波吸收導熱片材10。
[產業上之可利用性]
根據本發明，能夠提供一種具有優異的散熱性及電磁波 抑制效果的半導體裝置。
1:半導體裝置
10:電磁波吸收導熱片材
20:導電屏蔽罩
20a:導電屏蔽罩的上表面
20b:導電屏蔽罩的下表面
21:開口部
30:半導體元件
40:冷卻構件
50‧‧‧基板
60‧‧‧接地
T‧‧‧電磁波吸收導熱片材的厚度

Claims (16)

  1. 一種半導體裝置，其特徵在於具備：形成於基板上的半導體元件；導電屏蔽罩，具有開口部，以覆蓋所述半導體元件的至少一部分的方式設置，並連接於接地；冷卻構件，設置於所述導電屏蔽罩的上部；以及電磁波吸收導熱片材，至少通過所述導電屏蔽罩的開口部而形成於所述半導體元件與所述冷卻構件之間，其中所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面及/或下表面的一部分，所述電磁波吸收導熱片材的被覆面積大於所述導電屏蔽罩的開口部的面積。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面的一部分。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面及下表面的一部分。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的半導體裝置，其中所述電磁波吸收導熱片材包括多片片材。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的半導體裝置，其中所述電磁波吸收導熱片材包含纖維狀的導熱性填充劑。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的半導體裝置，其中所 述纖維狀的導熱性填充劑為碳纖維。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的半導體裝置，其中所述電磁波吸收導熱片材進而包含磁性金屬粉。
  8. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的半導體裝置，其中所述電磁波吸收導熱片材的片材中心部的導熱率相較於片材外周部的導熱率大。
  9. 一種電磁波吸收導熱片材，位於半導體裝置中，所述半導體裝置具備：形成於基板上的半導體元件；導電屏蔽罩，具有開口部，以覆蓋所述半導體元件的至少一部分的方式設置，並連接於接地；冷卻構件，設置於所述導電屏蔽罩的上部，其中所述電磁波吸收導熱片材至少通過所述導電屏蔽罩的開口部而形成於所述半導體元件與所述冷卻構件之間，所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面及/或下表面的一部分，所述電磁波吸收導熱片材的被覆面積大於所述導電屏蔽罩的開口部的面積。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電磁波吸收導熱片材，其中所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面的一部分。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電磁波吸收導熱片材，其中所述電磁波吸收導熱片材覆蓋所述導電屏蔽罩的上表面及下表面的一部分。
  12. 如申請專利範圍第9項至第11項中任一項所述的電 磁波吸收導熱片材，其中所述電磁波吸收導熱片材包括多片片材。
  13. 如申請專利範圍第9項至第11項中任一項所述的電磁波吸收導熱片材，其中所述電磁波吸收導熱片材包含纖維狀的導熱性填充劑。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電磁波吸收導熱片材，其中所述纖維狀的導熱性填充劑為碳纖維。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的電磁波吸收導熱片材，其中所述電磁波吸收導熱片材進而包含磁性金屬粉。
  16. 如申請專利範圍第9項至第11項中任一項所述的電磁波吸收導熱片材，其中所述電磁波吸收導熱片材的片材中心部的導熱率相較於片材外周部的導熱率大。
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