(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却器を有し、放熱特性を改善する半導体装置の提供。【解決手段】半導体基板４と、前記半導体基板４を収納するパッケージ６と、前記パッケージ６の一方の面に配置された熱伝導層８と、前記熱伝導層８の前記パッケージ６とは反対側の面に配置された冷却器１２とを有し、前記熱伝導層８は、磁性流体で形成された磁性流体層９と前記磁性流体層９の一方の面に配置され複数の磁石および前記複数の磁石それぞれを挟むヨークを備えた磁場発生層１０とを有すること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板を収納するパッケージと、
前記パッケージの一方の面に配置された熱伝導層と、
前記熱伝導層の前記パッケージとは反対側の面に配置された冷却器とを有し、
前記熱伝導層は、磁性流体で形成された磁性流体層と、前記磁性流体層の一方の面に配置され複数の磁石と前記複数の磁石それぞれを挟むヨークとを備えた磁場発生層とを有する
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記磁性流体は、強磁性体で形成された磁性粒子を有し、
前記磁性粒子の少なくても一部は、前記ヨークと前記磁性流体層と前記パッケージとを通る磁力線に沿って配列され、
前記ヨークの熱伝導率は、前記各磁石の熱伝導率より大きいことを
特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記各磁石は、別々の前記ヨークに挟まれるとともに、前記ヨークを挟んで同じ極同士が対向するように配置されていることを
特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記各磁石は、第１方向に伸びるとともに前記１方向と直交する第２方向に一定の間隔で配置され、
前記間隔は、前記磁性流体層の厚さより広く、前記半導体基板に形成された集積回路と前記磁場発生層との距離より狭いことを
特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記ヨークは、前記複数の磁石の前記磁性流体層とは反対側に配置された連結部と、前記連結部から突出して前記複数の磁石それぞれを挟む凸部とを有し、
前記複数の磁石は、同じ極を前記パッケージ側に向けるように配置されていることを
特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部に冷却水が流れる冷却ジャケットや放熱フィン（以下、放熱フィン等と呼ぶ）により半導体素子を冷却する半導体装置では、伝熱構造部材（例えば、半導体素子を搭載した基板）と放熱フィン等との間に隙間が存在すると冷却効率が大幅に低下する。そこで、熱伝導率のよい充填粒子を混合したグリースをこのような隙間に介在させる。これにより伝熱構造部材と放熱フィン等との間の熱伝導がよくなり、半導体素子が効率的に冷却される。
【０００３】
グリースにより接続された部材間の熱伝導は、充填粒子の熱伝導率だけでなくその方向性と連結性にも左右される。液体（例えば、シリコン油）と磁性粒子とを混合した流動性熱伝導コンパウンドにより、充填粒子の方向性と連結性を改良することが提案されている。
【０００４】
具体的には例えば、半導体素子を搭載した基板と放熱フィン等との隙間に流動性熱伝導コンパウンドを介在させると共に基板または放熱フィン等に磁性層を設け、この磁性層が発生する磁場により流動性熱伝導コンパウンドに含まれる磁性粒子を配向させる。基板または放熱フィン等に設けられた磁性層は、熱伝方向と平行な磁場を発生する。このため磁性粒子は、熱伝方向に連なった状態になる。
【０００５】
磁性粒子の熱伝導率は、流動性熱伝導コンパウンドに含まれる液体（例えば、シリコン油）の熱伝導率より２〜４桁高い。このため半導体素子が発生する熱は、連なった状態の磁性粒子を伝わって放出される。すなわち、連なった状態の磁性粒子により熱伝経路が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２４８７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した流動性熱伝導コンパウンドは、磁性層に接している。この磁性層（例えば、フェライト）の熱伝導率は、半導体素子を搭載した基板(例えば、AlN板やSiC板)および放熱フィン等（例えば、Al製フィン）の熱伝導率に比べ格段に小さい。このため放熱フィン等と伝熱構造部材（例えば、半導体素子を搭載した基板）の間に流動性熱伝導コンパウンドを介在させても、半導体装置の放熱特性は十分には改善されない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の問題を解決するために、本装置の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板を収納するパッケージと、前記パッケージの一方の面に配置された熱伝導層と、前記熱伝導層の前記パッケージとは反対側の面に配置された冷却器とを有し、前記熱伝導層は、磁性流体で形成された磁性流体層と前記磁性流体層の一方の面に配置され複数の磁石および前記複数の磁石それぞれを挟むヨークを備えた磁場発生層とを有する半導体装置が提供される。 
【発明の効果】
【０００９】
開示の装置によれば、冷却器を有する半導体装置の放熱特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態１の半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、磁場発生層の平面図である。
【図３】図３は、磁性流体層の近傍を拡大した断面図である。
【図４】図４は、磁性流体層の近傍を拡大した断面図である。
【図５】図５は、磁石とヨークとを有する磁場発生層の代わりに磁石を有する半導体装置の断面図である。
【図６】図６は、実施の形態１の半導体装置における規格化磁束密度と規格化距離の関係を示す図である。
【図７】図７は、磁場発生層の変形例を説明する平面図である。
【図８】図８は、磁場発生層の別の変形例を説明する断面図である。
【図９】図９は、実施の形態２の磁場発生層の近傍を拡大した断面図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２の磁場発生層の近傍を拡大した断面図である。
【図１１】図１１は、実施の形態２の半導体装置における規格化磁束密度と規格化距離の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
（１）構造
図１は、実施の形態１の半導体装置２の断面図である。
【００１３】
図１に示すように、半導体装置２は、半導体基板（例えば、Ｓｉ基板）４と半導体基板４を収納するパッケージ６とを有している。半導体装置２はさらに、パッケージ６の一方の面に配置された熱伝導層８を有している。半導体装置２はさらに、熱伝導層８のパッケージ６とは反対側の面に配置された冷却器１２を有している。
【００１４】
熱伝導層８は、磁性流体で形成された層（以下、磁性流体層と呼ぶ）９を有する。熱伝導層８はさらに、磁性流体層９の一方の面に配置された磁場発生層１０を有する。
【００１５】
図１に示す例では、磁場発生層１０は、磁性流体層９の冷却器１２側の面に配置されている。しかし磁場発生層１０は、磁性流体層９のパッケージ６側の面に配置されてもよい。実施の形態１及び２では、図１に示すように、磁場発生層１０が磁性流体層９の冷却器１２側の面に配置された場合を中心に説明する。ただし、磁場発生層１０は、磁性流体層９のパッケージ６側の面に配置されてもよい。
【００１６】
―パッケージ−
パッケージ６は、表面に集積回路が形成された半導体基板４を収納する。
【００１７】
パッケージ６は具体的には例えば、パッケージ基板１４と、ヒートスプレッダ１６とを有する。パッケージ６の平面形状は、例えば一辺が約５０ｍｍの正方形である。
【００１８】
パッケージ基板１４は例えば、表面に配置されたパッド状の第１端部（図示せず）と、裏面に配置されたパッド状の第２端部（図示せず）と、基板内部に配置された中間部（図示せず）とを備えた複数の配線を有する。パッケージ基板１４は例えば、ビルドアップ基板である。
【００１９】
パッケージ基板１４の第１端部には、例えば半田バンプ１８により半導体基板４の集積回路が接続されている。パッケージ基板１４の第２端部は、半田バンプ２０により配線基板（例えば、プリント基板）に接続される。
【００２０】
ヒートスプレッダ１６は例えば、平板状の頂部とこの頂部の外周に沿って設けられた側部とを有する。
【００２１】
ヒートスプレッダ１６の側部は、例えば接着材（図示せず）によりパッケージ基板１４の表面に固定されている。ヒートスプレッダ１６の頂部は、例えば半田１７（例えば、In-Ag合金）により半導体基板４の裏面に接続されている。これにより、半導体基板４は、ヒートスプレッダ１６に熱的に接続される。ヒートスプレッダ１６の頂部の厚さは、例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。
【００２２】
ヒートスプレッダ１６は、熱伝導率の高い材料で形成されている。例えば、ヒートスプレッダ１６は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、またはこれらの複合材料で形成されている。ヒートスプレッダ１６の材料としては特に、熱伝導率の高い銅が好ましい。
【００２３】
パッケージ６は、半導体基板４と熱伝導層８の間に配置された磁気シールド層２２を有してもよい。
【００２４】
具体的には例えば、パッケージ６は、ヒートスプレッダ１６の頂部内に磁気シールド層２２を有してもよい。磁気シールド層２２は、鉄、ニッケル、コバルト、パーマロイ、ケイ素鋼板、鉄合金、ニッケル合金などの強磁性体（好ましくは、軟磁性体）で形成されている。磁気シールド層２２の材料としては特に、熱伝導率がよく飽和磁束密度が高い鉄が特に好ましい。
【００２５】
磁気シールド層２２の層数は、一つでもよいし複数でもよい。磁気シールド層２２の厚さは、例えば１０μｍ〜１ｍｍ程度である。
【００２６】
ヒートスプレッダ１６は例えば、銅と鉄が積層されたクラッド材（異種金属複合材）を加工（例えば、切断および／または切削）することで形成できる。クラッド材は例えば、ロール圧接（圧延）により製造される。クラッド材は、金属板を真空中で加圧しながら加熱する拡散接合でも形成できる。
【００２７】
―磁性流体層―
磁性流体層９は、磁性流体の層である。この磁性流体は、強磁性体で形成された粒子（以下、磁性粒子と呼ぶ）と磁性粒子を分散された液体（以下、ベース液と呼ぶ）とを有する流体である。磁性流体層９の厚さは、例えば１〜１００μｍ程度である。
【００２８】
磁性粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、鉄合金（例えば、Fe-Co合金、Fe-Ni合金、Fe-Cr合金、Fe-Mn合金）、またはニッケル合金（例えば、Mn-Ni合金、Ni-Cu合金）などの強磁性体（好ましくは、軟磁性体）で形成されている。
【００２９】
磁性粒子は、強磁性体でコアを覆った粒子であってもよい。コアは好ましは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、シリカ、銅、銀、またはダイヤモンドなどの熱伝導率の高い材料で形成されている。
【００３０】
磁性粒子は、球状、針状、フレーク状など様々な形状をとることができる。磁性粒子の直径は、例えば１０ｎｍ〜５０μｍ程度（好ましくは、１０〜１０００ｎｍ）である。磁性粒子の表面は、界面活性剤に覆われていてもよい。
【００３１】
ベース液は例えば、炭化水素系オイルまたはフッ素系オイルである。
【００３２】
磁性流体層９における磁性粒子の配合比（濃度）は、例えば２０ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％である。配合比が２０ｖｏｌ％以下であると、磁性粒子が連なった熱伝達経路が形成され難くなる。その結果、磁性流体層９の熱伝導率が悪くなる。
【００３３】
一方、配合比が７０ｖｏｌ％以上になると、磁性流体層９の流動性が悪くなる。その結果、集積回路の発熱によるパッケージ６と冷却器１２の変形（すなわち、熱変形）に磁性流体層９が追随できなくなる。すると、パッケージ６と冷却器１２の間にエアギャップができて、パッケージ６が冷却され難くなる。
【００３４】
―磁場発生層―
図２は、磁場発生層１０の平面図である。図１に示す磁場発生層１０は、図２のI-I線に沿った断面図である。
【００３５】
図２に示すように、磁場発生層１０は、複数の磁石２４と複数の磁石２４それぞれを挟むヨーク２６とを有する。具体的には、各磁石２４は、別々のヨーク２６に挟まれている。
【００３６】
磁石２４およびヨーク２６は第１方向に伸びるとともに、第１方向に直交する第２方向に一定の間隔で配置されている。
【００３７】
磁石２４およびヨーク２６の第１方向の長さは、例えば４０ｍｍ程度である。磁石２４およびヨーク２６の第２方向の長さ（幅）は、例えば１ｍｍ程度である。磁石２４およびヨーク２６の厚さは、例えば１ｍｍ程度である。したがって磁場発生層１０の一辺は、例えば４０ｍｍ程度である。磁場発生層１０の他辺は、例えば幅４１ｍｍ程度である。磁場発生層１０の厚さは、例えば１ｍｍ程度である。
【００３８】
各磁石２４は、ヨーク２６を挟んで同じ極同士が対向するように配置されている。具体的には例えば、図２において、右側にＮ極を有し左側にＳ極を有する磁石と、右側にＳ極を有し左側にＮ極を有する磁石とが交互に配置される。
【００３９】
磁石２４は例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、またはフェイライト磁石等である。ヨーク２６は例えば、鉄、ケイ素鋼（Ｆｅ-Ｓｉ系合金）、センダスト（Ｆｅ-Ｓｉ-Ａｌ系合金）、パーマロイ（Ｆｅ-Ｎｉ系合金）、パーメンジュール（Ｆｅ-Ｃｏ系合金）、ソフトフェライト（Ｍｎ-Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ-Ｚｎ系フェライト）、またはニッケル等の強磁性体（好ましくは、軟磁性体）で形成されている。
【００４０】
磁場発生層１０は例えば、冷却器１２のパッケージ６側の面に磁石２４とヨーク２６とを半田で接合することで形成される。或いは、銀ペーストなど熱伝導率の高い接着材により、磁石２４とヨーク２６とを冷却器１２に接着してもよい。
【００４１】
―冷却器―
冷却器１２は例えば、図１に示すように、冷却水が流れる流水路２８を有する水冷式冷却器である。冷却器１２は、放熱フィンなどの空冷式冷却器であってもよい。
【００４２】
（２）動作
図３は、磁性流体層９の近傍を拡大した断面図である。図３には、磁石２４の磁力線３０が示されている。磁石２４のＮ極の位置には、記号「Ｎ」が示されている。Ｓ極の位置には、記号「Ｓ」が示されている（図４、７〜１０についても同様）。
【００４３】
図３に示すように、磁石２４（例えば、図３の中央の磁石）のＮ極から出た磁力線３０は大部分、ヨーク２６の表面を通って磁場発生層１０から出る。磁力線３０はその後パッケージ６等を通り、磁石２４を挟んでヨーク２６（例えば、磁石２４の右側のヨーク）に対向する別のヨーク２６（例えば、磁石２４の左側のヨーク）の表面から磁場発生層１０に入る。その後、磁力線３０は磁石２４のＳ極に入る。
【００４４】
磁性流体層９が十分薄い場合、磁場発生層１０の磁性流体層９側では、ヨーク２６の表面を出た磁力線３０は大部分、磁性流体層９とパッケージ６とを通る。磁力線３０はその後、再び磁性流体層９を通り、磁石２４を挟んでヨーク２６（例えば、磁石２４の右側のヨーク）に対向する別のヨーク２６（例えば、磁石２４の左側のヨーク）の表面に入る。すなわち磁性流体層９が十分薄い場合、磁性流体層９側の磁力線３０は大部分、ヨーク２６と磁性流体層９とパッケージ６とを通る。
【００４５】
図４も、磁性流体層９の近傍を拡大した断面図である。図４には、磁性粒子３２が示されている。
【００４６】
磁性粒子３２は磁場に曝されると、図４に示すように、磁力線（図示せず）に沿って配列する。したがって、磁性流体層９が十分薄い場合、磁性粒子３２は大部分、ヨーク２６と磁性流体層９とパッケージ６とを通る磁力線３４（図３参照）に沿って配列される。
【００４７】
磁性粒子３２の熱伝導率は、ベース液３６の熱伝導率より２〜４桁高い。このため、パッケージ６内の集積回路が発生する熱は、磁性粒子３２の配列４４（連なり）とヨーク２６を通って冷却器１２に放出される。すなわち、磁性粒子３２の連なり４４とヨーク２６とにより、パッケージ６と冷却器１２とを熱的に接続する熱伝達経路（熱が伝わる経路）が形成される。
【００４８】
図５は、磁石２４とヨーク２６とを有する磁場発生層１０の代わりに磁石３８を有する半導体装置４０の断面図である。図５の半導体装置４０は、磁石３８と磁性流体層９ａとを有する熱伝導層８ａを備えている。磁性流体層９ａの組成およびサイズは、図１の半導体装置２の磁性流体層９と同じである。
【００４９】
磁石３８のパッケージ６側の面は、一方の磁極（例えば、Ｎ極）である。磁石３８の冷却器１２側の面は、他方の磁極（例えば、Ｓ極）である。
【００５０】
半導体装置４０は、磁場発生層１０の代わりに磁石３８を有することを除き、実施の形態１の半導体装置２（図１参照）と共通の構造を有する。図５には、磁石３８が発生する磁力線４２が示されている。
【００５１】
半導体装置４０にも図５に示すように、磁性流体層９ａとパッケージ６とを通る磁力線４２が発生する。したがって、図５の半導体装置４０にも、磁性粒子の連なりと磁石３８を通りパッケージ６と冷却器１２とを熱的に接続する熱伝達経路が形成される。
【００５２】
しかし磁石の材料（例えば、マグネタイト）の熱伝導率は、冷却器１２やヒートスプレッダ１６の材料（例えば、銅）の熱伝導率に比べ格段に小さい。このため磁性粒子の連なりと磁石３８とによりパッケージ６と冷却器１２とを接続する熱伝達経路が形成されても、半導体装置４０の放熱特性は十分には改善されない。
【００５３】
一方、実施の形態１の半導体装置２では図４に示すように、磁性粒子３２の連なり４４は大部分、ヨーク２６に接続される。ヨーク２６の材料（例えば、鉄）の熱伝導率は、磁石の材料（例えば、マグネタイト）の熱伝導率より一桁程度大きい。したがって、実施の形態１の半導体装置２によれば、熱抵抗の小さい熱伝導経路（すなわち、熱伝導のよい熱伝導経路）が形成され、放熱特性が格段に改善される。
【００５４】
―磁場発生層の熱抵抗―
今、磁石２４,３８（例えば、フェライト磁石）の熱伝導率を１０Ｗ／ｍ・Ｋとし、ヨーク２６（例えば、鉄で形成されたヨーク）の熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋとする。
【００５５】
図５の半導体装置４０の磁石３８の一辺の長さを４０ｍｍとし、他辺の長さを４１ｍｍとする。さらに磁石３８の厚さを、厚さ１ｍｍとする。このサイズは、実施の形態１の半導体装置２（図１参照）の磁場発生層１０のサイズと略同じである。上記熱伝導率およびサイズから計算される磁石３８の熱抵抗は、０．０６１０Ｋ／Ｗである。
【００５６】
一方、実施の形態１の半導体装置２の磁場発生層１０の熱抵抗の計算値は、０．０１３５Ｋ／Ｗである。したがって、実施の形態１の磁場発生層１０の熱抵抗は、図５の磁石３８の熱抵抗より約７７％低い。
【００５７】
図３を参照して説明したように、磁性流体層９側では、磁力線３０は大部分ヨーク２６の表面を通る。したがって磁性粒子３２の連なり４４（図４参照）は大部分、磁石２４より熱伝導率が大きいヨーク２６に接続される。したがって磁場発生層１０は、熱抵抗の計算値（約７７％減少）から予測される以上に熱をよく伝導する。
【００５８】
このため実施の形態１の磁場発生層１０（図１参照）は、図５の半導体装置４０の磁石３８より格段に熱をよく伝導する。
【００５９】
―磁性流体層の熱抵抗―
磁石２４,３８による吸引力が大きくなると、磁性粒子の連なり４４内で磁性粒子３２同士が押し合う力が強くなる。すると磁性粒子３２の変形が大きくなり、磁性粒子３２同士の接触面積が広くなる。すると、磁性粒子の連なり４４（図４参照）の熱伝導率は大きくなる。
【００６０】
磁石による吸引力は、磁場勾配に比例する。したがって磁場勾配が大きいほど、磁性粒子の連なり４４の熱伝導率は大きくなる。
【００６１】
ところで集積回路は、強い磁場に曝されると誤動作する。集積回路の誤動作が問題にならない磁束密度の最大値（以下、最大許容磁束密度と呼ぶ）は、１０ｍＴ程度である。
【００６２】
したがって、実施の形態１の磁場発生層１０が発生する磁力線は、集積回路における磁束密度が最大許容磁束密度以下になることが好ましい。同様に、図５の磁石３８が発生する磁力線も、その集積回路における磁束密度が最大許容磁束密度以下になることが好ましい。
【００６３】
図５の磁石３８のように、ヨークを伴わない磁石の磁束密度は、磁石から遠ざかるにしたがって緩やかに減少する。したがって図５の半導体装置４０では、集積回路の位置(半導体基板４の表面位置)における磁束密度と磁石３８の表面磁束密度との差ΔＢ３８は小さい。
【００６４】
今、集積回路における磁束密度を最大許容磁束密度（例えば、１０ｍＴ）とした場合、集積回路の位置（例えば、磁石３８から２ｍｍの位置）における磁束密度と磁石３８の表面磁束密度との差ΔＢ３８は高々、最大許容磁束密度の１．０２倍程度である。
【００６５】
図６は、実施の形態１の半導体装置２における規格化磁束密度と規格化距離の関係を示す図である。縦軸は、磁束密度Ｂをヨーク２６の表面磁束密度Ｂ０で規格化した規格化磁束密度（＝Ｂ／Ｂ０）である。磁束密度Ｂは、ヨーク２６の中心を通りヨーク２６に垂直な直線上の磁束密度である。横軸は、ヨーク２６からの距離Ｌ（すなわち、磁場発生層１０からの距離）を磁石２４の間隔（ピッチ）Ｌ０で規格化した規格化距離（＝Ｌ／Ｌ０）である。
【００６６】
図６に示すように、規格化磁束密度は、規格化距離が１以下の領域４６（以下、強磁場領域と呼ぶ）で急激に減少する。
【００６７】
後述するように集積回路の誤動作を抑制するためには、磁場発生層１０と集積回路の間隔は、磁石２４の間隔Ｌ０より広いことが好ましい。すなわち実施の形態１の集積回路は、規格化距離が１より大きい領域４７（以下、弱磁場領域と呼ぶ）に配置されることが好ましい。この場合の磁場発生層１０の表面磁束密度（規格化距離＝０における磁束密度）は、図６から明らかなように、集積回路における磁束密度（弱磁場領域４７における磁束密度）より格段に大きい。
【００６８】
したがって実施の形態１の半導体装置２では、半導体基板４に形成された集積回路における磁束密度が最大許容磁束密度（例えば、１０ｍＴ）の場合、集積回路における磁束密度とヨーク２６の表面磁束密度との差ΔＢ１０は、最大許容磁束密度より格段に大きくなる。例えば磁石２４の間隔Ｌ０が１ｍｍで磁場発生層１０と集積回路の距離が２ｍｍの場合、磁束密度差ΔＢ１０は最大許容磁束密度の約２６倍である。
【００６９】
このように実施の形態１の半導体装置２における磁束密度差ΔＢ１０は、図５の半導体装置４０における磁束密度差ΔＢ３８より格段に大きい。
【００７０】
磁束密度の差を距離で割ると、磁気勾配の平均値になる。実施の形態１の磁場発生層１０と集積回路の間隔をＤ１とすると、磁場発生層１０と集積回路の間の磁気勾配の平均値はΔＢ１０／Ｄ１である。実施の形態１では図６に示すように、磁場発生層１０の近傍で磁束密度が急激に減少するので、磁性粒子にはこの平均値（＝ΔＢ１０／Ｄ１）以上の磁気勾配が作用する。
【００７１】
図５の磁石３８と集積回路の間隔をＤ２とすると、磁石３８と集積回路の間の磁気勾配の平均値はΔＢ３８／Ｄ２である。図５の半導体装置４０では磁束密度は穏やかに減少するので、磁性粒子にはこの平均値（＝ΔＢ３８／Ｄ２）と同程度の磁気勾配が作用する。
【００７２】
上述したように、実施の形態１の半導体装置における磁束密度差ΔＢ１０は、図５の半導体装置４０における磁束密度差ΔＢ３８より格段に大きい。したがってＤ１とＤ２が等しい場合、実施の形態１の磁性粒子に作用する磁気勾配は、図５の半導体装置４０の磁性粒子に作用する磁気勾配より格段に大きい。
【００７３】
上述したように、磁性粒子の連なり４４（図４参照）の熱伝導率は、磁場勾配が大きいほど大きくなる。したがって、実施の形態１における磁性粒子の連なり４４の熱伝導率は、図５の半導体装置４０おける磁性粒子の連なりの熱伝導率より大きい。
【００７４】
このため、実施の形態１の磁性流体層９の熱伝導率は、図５の半導体装置４０の磁性流体層９ａより大きい。
【００７５】
今、図５の半導体装置４０の磁石３８と集積回路との距離を２ｍｍとする。集積回路における磁束密度を、１０ｍＴとする。この場合、磁石３８の表面磁束密度は、例えば１０．２ｍＴである。磁性流体層９ａにおける磁気勾配は、例えば０．１Ｔ／ｍである。ここで磁性粒子が直径２０μｍの鉄の粒子とすると、磁性粒子同士の接触面積は約７０ｎｍ２である。尚、磁気シールド層２２は設けられないものとする。接触面積の計算には、鉄の弾性係数を用いた（以下、同様）。
【００７６】
同様に、実施の形態１の半導体装置２における磁場発生層１０と集積回路の距離を２ｍｍとする。磁石２４の間隔を１ｍｍとする。集積回路における磁束密度を、１０ｍＴとする。磁気シールド層２２は、設けられないものとする。
【００７７】
この場合、磁場発生層１０の表面磁束密度は２６０ｍＴである。この時の磁性流体層９における磁気勾配は１２５Ｔ／ｍである。磁性粒子が粒径２０μｍの鉄の粒子とすると、磁性粒子同士の接触面積は約７００００ｎｍ２である。
【００７８】
ここで磁性流体層９,９ａの長辺を、４１ｍｍとする。短辺を４０ｍｍとする。厚さを０．１ｍｍとする。ベース液の熱伝導率を０．１５Ｗ／ｍ・Ｋとする。磁性粒子の熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋとする。磁性粒子の配合比（濃度）を５０ｖｏｌ％とし、全ての磁性粒子が磁性粒子の連なりを形成するとする。
【００７９】
すると、磁性粒子同士の接触面積に基づいて算出される、図５の磁性流体層９ａの熱抵抗は０．０３７４Ｋ／Ｗになる。同じく磁性粒子同士の接触面積に基づいて算出される、実施の形態１の磁性流体層９の熱抵抗は０．０３６１Ｋ／Ｗになる。
【００８０】
したがって、実施の形態１における磁性流体層９の熱抵抗は、図５の磁性流体層９ａの熱抵抗より約３．５％小さい。このように、実施の形態１の半導体装置２によれば、磁性流体層９の熱抵抗が図５の半導体装置４０の磁性流体層９ａより小さくなる。
【００８１】
磁気勾配が大きくなって磁性粒子の吸引力が大きくなると、磁性粒子が配向しやすくなる。したがって、磁性粒子の連なり４４の数も増加する。したがって、実施の形態１の磁性流体層９の熱抵抗は、実際には上記計算以上に、図５の磁性流体層９ａの熱抵抗より小さい。
【００８２】
以上のように、実施の形態１の磁場発生層１０（図１参照）は、図５の半導体装置４０の磁石３８より良く熱を伝導する。さらに実施の形態１の磁性流体層９（図１参照）は、図５の半導体装置４０の磁性流体層９ａより良く熱を伝導する。
【００８３】
したがって実施の形態１の熱伝導層８（図１参照）は、磁場発生層がヨークを有さない半導体装置４０の熱伝導層８ａ(図５参照)より良く熱を伝導する。その結果、実施の形態１の半導体装置２の放熱特性は大幅に改善される。
【００８４】
尚、実施の形態１の熱伝導層８の熱抵抗の計算値は、図５の熱伝導層８ａの熱抵抗の計算値より約５０％小さい。熱伝導層８,８ａの熱抵抗は、上述した磁場発生層１０等の熱抵抗の計算値に基づいて計算される。
【００８５】
―磁場発生層と集積回路の間隔―
図６に示すように実施の形態１の磁束密度は、強磁場領域４６内では略一定の磁気勾配で減少する。一方、弱磁場領域４７では、磁気勾配は急速に減少する。
【００８６】
上記説明から明らかなように、磁性粒子３２に働く吸引力は強いほど好ましい。吸引力は磁気勾配に比例するので、磁気勾配は大きいほど好ましい。したがって磁性粒子３２は、磁気勾配が大きい強磁場領域４６内に配置されることが好ましい。したがって、磁性粒子３２を有する磁性流体層９は、強磁場領域４６より薄いことが好ましい。さらに好ましくは、磁性流体層９の厚さは、強磁場領域４６の厚さの半分以下である。
【００８７】
強磁場領域４６と弱磁場領域４７の境界は、規格化距離（＝Ｌ／Ｌ０）が１の地点すなわち磁場発生層１０からの距離Ｌが磁石２４の間隔Ｌ０に等しい地点である。
【００８８】
したがって磁石２４の間隔Ｌ０は、磁性流体層９の厚さより広いことが好ましい。
さらに好ましくは、磁石２４の間隔Ｌ０は、磁性流体層９の厚さの２倍より広いである。
【００８９】
ところで図６から明らかなように、強磁場領域４６内の磁束密度は大きい。したがって半導体基板４の集積回路は、誤動作を起こさないように、強磁場領域４６の外に配置されることが好ましい。
【００９０】
したがって、半導体基板４の集積回路と磁場発生層１０の距離は、強磁場領域４６の厚さ（＝Ｌ０）より大きいことが好ましい。さらに好ましくは、半導体基板４の集積回路と磁場発生層１０の距離は、強磁場領域４６の厚さ（＝Ｌ０）の２倍より広いである。
【００９１】
したがって磁石２４の間隔Ｌ０は、半導体基板４の集積回路と磁場発生層１０の距離より狭いことが好ましい。さらに好ましくは、磁石２４の間隔Ｌ０は、磁場発生層１０と半導体基板４の集積回路の距離の半分より狭い。
【００９２】
尚、実施の形態１の半導体装置２では、半導体基板４に形成された集積回路における磁束密度（平均値）は１〜１０ｍＴ程度になる。ヨーク２６の表面磁束密度（平均値）は、１００ｍＴ〜１０００ｍＴ程度である。
【００９３】
（３）製造法
半導体装置２は、パッケージ６と、磁性流体と、パッケージ６側の面に磁場発生層１０が接合された冷却器１２とから形成される。
【００９４】
まず、冷却器１２に接合された磁場発生層１０に、磁性流体を吸着される。この状態で、パッケージ６のヒートスプレッダ１６上に冷却器１２が載置される。すると、パッケージ６内の磁気シールド層２２と磁場発生層１０が引き合って、パッケージ６に冷却器１２が吸い付けられる。
【００９５】
パッケージ６が磁気シールド層２２を有さない場合には、パッケージ６が実装されたプリン基板に例えばボルトとナットにより、パッケージ６を間に挟んだ状態で冷却器１２を押し付けてもよい。
【００９６】
ところでパッケージ６の表面には、微細な凹凸が存在する。同様に、磁場発生層１０の表面にも、微細な凹凸が存在する。このため、パッケージ６と磁場発生層１０の間には隙間が発生する。この隙間に、磁性流体が入り込んで磁性流体層９になる。
【００９７】
この磁性流体層９は、磁場発生層１０に吸いつけられている。したがって磁性流体が、パッケージ６と磁場発生層１０の間から流出することはない。
【００９８】
冷却器１２は引っ張り上げられると、容易にパッケージ６から外れる。したがって、半導体基板４の集積回路が故障した場合、集積回路を収納するパッケージ６だけを交換することができる。
【００９９】
集積回路が発熱すると、パッケージ６および冷却器１２が膨張する。この時、パッケージ６と磁場発生層１０との隙間が変化する。磁性流体層９は流体なので、容易にこの変化に追随することができる。
【０１００】
パッケージと冷却器の間にグリースを介在された半導体装置では、グリースの経年変化により、放熱特性が劣化することがある。しかし、実施の形態１の半導体装置２を長期間使用しても、その放熱特性は殆ど変化しない。
【０１０１】
（４）変形例
図７は、磁場発生層１０の変形例１０ａを説明する平面図である。
【０１０２】
図２に示す磁場発生層１０には、帯状の磁石２４が磁石２４の短辺方向に周期的に配置されている。しかし磁場発生層は、図２の磁場発生層１０には限られない。例えば、図７に示すように、タイル状の磁石２４ａが格子状に配置されてもよい。
【０１０３】
磁石２４ａは、図２の磁石２４と同様、ヨーク２６ａによって挟まれている。
【０１０４】
図８は、磁場発生層１０の別の変形例１０ｂを説明する断面図である。図８には、磁性流体層９も示されている。
【０１０５】
図３に示す磁場発生層１０では、各磁石２４は別々のヨーク２６に挟まれている。しかし図８に示すように、ヨーク２６ｂは、複数の磁石２４の磁性流体層９とは反対側に配置された連結部４８と、連結部４８から突出して各磁石２４を挟む凸部５０とを有してもよい。尚、図８の破線は、連結部４８と凸部５０との境界を示している。
【０１０６】
ただし、図３及び８に示すように磁石２４の同じ極同士を対向させる場合には、図３に示すように、磁石２４は別々のヨーク２６に挟まれた方が好ましい。この配置によれば磁力線がヨーク２６の表面に集中するので、ヨーク２６の表面に磁性粒子の連なり４４が接続しやすくなる。
【０１０７】
図１に示す例では、パッケージ６は、半導体基板４と熱伝導層８の間に磁気シールド層２２を有している。しかしパッケージ６は、磁気シールド層２２を有さなくてもよい。半導体基板４の集積回路と磁場発生層１０の間隔が磁石２４の間隔Ｌ０より広ければ、半導体基板４の集積回路における磁束密度はヨーク２６の表面磁束密度より十分小さくなる。
【０１０８】
磁気シールド層２２を設けなくても、半導体基板４の集積回路と磁場発生層１０の間隔が磁石２４の間隔（ピッチ）に等しければ、集積回路における磁束密度はヨーク表面の磁束密度の０．１８７倍になる。集積回路と磁場発生層１０の間隔が磁石２４の間隔（ピッチ）の２倍であれば、集積回路における磁束密度はヨーク表面の０．０３８倍になる。
【０１０９】
(実施の形態２)
実施の形態１と共通する部分については、説明を省略する。
【０１１０】
実施の形態２の半導体装置は、磁場発生層の構造を除き、実施の形態１の半導体装置２と略同じ構造を有している。図９は、実施の形態２の磁場発生層１１０の近傍を拡大した断面図である。
【０１１１】
磁場発生層１１０は、同じ極をパッケージ６側に向けるように配置された複数の磁石１２４を有している。磁場発生層１１０はさらに、ヨーク１２６を有している。ヨーク１２６は、複数の磁石１２４の磁性流体層１０９とは反対側に配置された連結部４８と、連結部４８から突出して各磁石１２４を挟む凸部５０とを有している。図９の破線は、連結部４８と凸部５０との境界を示している。
【０１１２】
複数の磁石１２４はそれぞれ、図２に示す実施の形態１の磁石２４と同様、第１方向に伸びるとともに第１方向と直交する第２方向に一定の間隔で配置されている。
【０１１３】
磁石１２４の一辺の長さは、例えば４０ｍｍ程度である。磁石１２４の他辺の長さ（幅）は、例えば１ｍｍ程度である。ヨーク１２６の一辺の長さは、例えば４０ｍｍ程度である。ヨーク１２６の他辺の長さ（幅）は、例えば４１ｍｍ程度である。ヨーク１２６の厚さは、例えば１.５ｍｍ程度である。
【０１１４】
図１０は、実施の形態２の磁場発生層１１０の近傍を拡大した断面図である。図１０には、磁力線１３４も示されている。
【０１１５】
図１０に示すように、磁石１２４の一方の極から出た磁力線１３４は大部分、ヨーク１２６の表面を通って磁場発生層１１０に入る。したがって、磁力線１３４はヨーク１２６の表面に集中する。
【０１１６】
磁性流体層１０９が十分薄い場合、磁石１２４の一方の極を出た磁力線１３４は大部分、磁性流体層１０９を通ってパッケージ６に入る。その後磁力線１３４は、パッケージ６と磁性流体層１０９を通り、ヨーク１２６の表面から磁場発生層１１０に入る。
【０１１７】
図１１は、実施の形態２の半導体装置における規格化磁束密度と規格化距離の関係を示す図である。縦軸は、磁束密度Ｂをヨーク１２６の表面磁束密度Ｂ０で規格化した規格化磁束密度（＝Ｂ／Ｂ０）である。磁束密度Ｂは、凸部５０（図９参照）の中心を通り凸部５０に垂直な直線上の磁束密度である。横軸は、凸部５０からの距離Ｌ（すなわち、磁場発生層１１０からの距離）を磁石１２４の間隔（ピッチ）Ｌ０で規格化した規格化距離（＝Ｌ／Ｌ０）である。
【０１１８】
図１１に示すように実施の形態２の磁束密度は、規格化距離が０．６以下の強磁場領域１４６内では略一定の磁気勾配で減少する。磁気勾配は、規格化距離が０．６より大きい弱磁場領域１４７で急速に減少する。強磁場領域１４６と弱磁場領域１４７の境界は、規格化距離が０．６の地点である。
【０１１９】
実施の形態１で説明したように、磁性粒子に作用する磁気勾配は大きいほど好ましい。したがって、磁性粒子を含む磁性流体層１０９は、磁気勾配が大きい強磁場領域１４６より薄いことが好ましい。さらに好ましくは、磁性流体層１０９の厚さは、強磁場領域１４６の厚さの半分より薄い。
【０１２０】
したがって、磁石１２４の間隔（ピッチ）Ｌ０は、磁性流体層１０９の厚さを０．６倍で割った値より大きいことが好ましい。さらに好ましくは、磁石２４の間隔Ｌ０は、磁性流体層９の厚さを０．３で割った値より大きい。
【０１２１】
図１１に示すように、強磁場領域１４６内の磁束密度は高い。したがって半導体基板４の集積回路は、誤動作を起こさないように、強磁場領域１４６の外に配置されることが好ましい。
【０１２２】
したがって、半導体基板４の集積回路と磁場発生層１１０の距離は、強磁場領域１４６の厚さ（磁石１２４の間隔Ｌ０の０．６倍）より広いことが好ましい。さらに好ましくは、半導体基板４の集積回路と磁場発生層１１０の距離は、強磁場領域１４６の厚さ（磁石１２４の間隔Ｌ０の０．６倍）の２倍より広い。
【０１２３】
したがって磁石２４の間隔Ｌ０は、磁場発生層１１０と半導体基板４の集積回路の距離を０．６で割った値より狭いことが好ましい。さらに好ましくは、磁石２４の間隔Ｌ０は、磁場発生層１０と半導体基板４の集積回路の距離を１．２で割った値より狭い。
【０１２４】
ところで、図６と図１１を比較すれば明らかように、実施の形態２の規格化磁束密度は、同じ規格化距離における実施の形態１の規格化磁束密度より小さい。具体的には例えば、規格化距離が１の場合、実施の形態２における規格化磁束密度は０．０５６である。一方、実施の形態１における規格化磁束密度は０．１８７である。規格化距離が２の場合、実施の形態２における規格化磁束密度は０．００３である。一方、実施の形態１における規格化磁束密度は０．０３８である。
【０１２５】
したがって、実施の形態２によれば、実施の形態１より半導体基板４の集積回路への磁場の影響が抑制される。
【０１２６】
磁石１２４は上述したように、一方向に伸びる帯状の磁石である。しかし、磁石１２４は、実施の形態１の変形例と同様、タイル状の磁石であってもよい（図７参照）。
【０１２７】
以上の実施の形態１及び２に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１２８】
尚、実施の形態１と同じ方法で熱伝導層の熱抵抗の減少を見積もると、実施の形態２による減少は例えば約３８％になる。
【０１２９】
以上の実施の形態１及び２に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１３０】
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板を収納するパッケージと、
前記パッケージの一方の面に配置された熱伝導層と、
前記熱伝導層の前記パッケージとは反対側の面に配置された冷却器とを有し、
前記熱伝導層は、磁性流体で形成された磁性流体層と、前記磁性流体層の一方の面に配置され複数の磁石と前記複数の磁石それぞれを挟むヨークとを備えた磁場発生層とを有する
半導体装置。
【０１３１】
（付記２）  
付記１に記載の半導体装置において、
前記磁性流体は、強磁性体で形成された磁性粒子を有し、
前記磁性粒子の少なくても一部は、前記ヨークと前記磁性流体層と前記パッケージとを通る磁力線に沿って配列され、
前記ヨークの熱伝導率は、前記各磁石の熱伝導率より大きいことを
特徴とする半導体装置。
【０１３２】
（付記３）
付記１又は２に記載の半導体装置において、
前記各磁石は、別々の前記ヨークに挟まれるとともに、前記ヨークを挟んで同じ極同士が対向するように配置されていることを
特徴とする半導体装置。
【０１３３】
（付記４）
付記３に記載の半導体装置において、
前記各磁石は、第１方向に伸びるとともに前記１方向と直交する第２方向に一定の間隔で配置され、
前記間隔は、前記磁性流体層の厚さより広く、前記半導体基板に形成された集積回路と前記磁場発生層との距離より狭いことを
特徴とする半導体装置。
【０１３４】
（付記５）
付記１又は２に記載の半導体装置において、
前記ヨークは、前記複数の磁石の前記磁性流体層とは反対側に配置された連結部と、前記連結部から突出して前記複数の磁石それぞれを挟む凸部とを有し、
前記複数の磁石は、同じ極を前記パッケージ側に向けるように配置されていることを
特徴とする半導体装置。
【０１３５】
（付記６）
付記５に記載の半導体装置において、
前記複数の磁石はそれぞれ、第１方向に伸びるとともに前記１方向と直交する第２方向に一定の間隔で配置され、
前記間隔は、前記磁性流体層の厚さを０．６で割った値より広く、前記半導体基板に形成された集積回路と前記磁場発生層との距離を０．６で割った値より狭いことを
特徴とする半導体装置。
【０１３６】
（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記パッケージは、前記半導体基板と前記熱伝導層の間に配置された磁気シールド層とを有することを
特徴とする半導体装置。
【符号の説明】
【０１３７】
２・・・半導体装置
４・・・半導体基板
６・・・パッケージ
８・・・熱伝導層
９・・・磁性流体層
１０・・・磁場発生層
１２・・・冷却器
２２・・・磁気シールド層
２４・・・磁石
２６・・・ヨーク
３４・・・磁力線
４８・・・連結部
５０・・・凸部
１０９・・・磁性流体層
１１０・・・磁場発生層
１２４・・・磁石
１２６・・・ヨーク
【図１】
2014183083.tif 000003
【図２】
2014183083.tif 000004
【図３】
2014183083.tif 000005
【図４】
2014183083.tif 000006
【図５】
2014183083.tif 000007
【図６】
2014183083.tif 000008
【図７】
2014183083.tif 000009
【図８】
2014183083.tif 000010
【図９】
2014183083.tif 000011
【図１０】
2014183083.tif 000012
【図１１】
2014183083.tif 000013