(57)【要約】  半導体装置（１０１）は、プリント基板（１）と、その上の電子部品（２）と、その下の拡散放熱部（３）とを備えている。プリント基板（１）は絶縁層（１１）を含み、電子部品（２）と重なる第１の領域とその外側の第２の領域との双方に、プリント基板（１）を貫通する放熱用ビア（１５）が形成されている。プリント基板（１）に含まれる複数の導体層は、複数の放熱用ビア（１５）と交差接続する。拡散放熱部（３）は熱拡散板（３１）と放熱部材（３２）と冷却体（３３）とを含む。冷却体（３３）の一方の主表面上に放熱部材（３２）が密着し、放熱部材（３２）の冷却体（３３）と反対側の一方の主表面上に熱拡散板（３１）が密着する。複数の放熱用ビア（１５）を塞ぐように、熱拡散板（３１）の放熱部材（３２）と反対側の一方の主表面がプリント基板（１）の他方の主表面上の導体層（１３）に接合する。
2017094670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント基板と、
前記プリント基板の一方の主表面上に接合された電子部品と、
前記プリント基板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面上に接合された拡散放熱部とを備え、
前記プリント基板は、絶縁層を含み、前記絶縁層では、前記プリント基板の前記一方の主表面側からの透過視点において前記電子部品と重なる第１の領域、および前記プリント基板の前記一方の主表面側からの透過視点において前記第１の領域の外側に配置される第２の領域の双方に、前記一方の主表面から前記他方の主表面まで前記プリント基板を貫通するように複数の放熱用ビアが形成され、
前記プリント基板は複数の導体層をさらに含み、複数の前記導体層は前記第１の領域から前記第２の領域まで前記一方および他方の主表面に沿うように設けられかつ複数の前記放熱用ビアのそれぞれと交差接続し、
前記プリント基板の前記他方の主表面上に前記複数の導体層のうちの１つが配置され、
前記拡散放熱部は、熱拡散板と、放熱部材と、冷却体とを含み、
前記冷却体の一方の主表面上に前記放熱部材が密着し、
前記放熱部材の、前記冷却体と反対側の一方の主表面上に前記熱拡散板が密着し、
前記複数の放熱用ビアを塞ぐように、前記熱拡散板の前記放熱部材と反対側の一方の主表面が前記プリント基板の前記他方の主表面上の前記導体層に接合する、半導体装置。
【請求項２】
前記放熱部材は、前記熱拡散板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面を覆っている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電子部品にはリード端子が接続されており、
前記リード端子は電極に接合されており、
前記電極は前記熱拡散板と接続しない前記放熱用ビアに接続されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記熱拡散板の前記一方の主表面に塞がれた前記複数の放熱用ビア内にはんだが前記放熱用ビアの容積の１／３以上の体積分充填するように存在する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記プリント基板は前記絶縁層を複数含み、
前記複数の絶縁層のそれぞれは無機フィラー粒子を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記プリント基板の複数の前記導体層のそれぞれは、前記一方および他方の主表面に沿う方向に関して互いに隣り合う１対の前記放熱用ビアの間の領域において、前記一方の主表面側から前記他方の主表面側まで複数の前記導体層のそれぞれを貫通する小孔部を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記プリント基板は、前記複数の導体層のうち最も前記一方の主表面側の前記導体層上と、前記複数の導体層のうち最も前記他方の主表面側の前記導体層上とに第１の突起を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記熱拡散板は、前記プリント基板側に向けて延びる複数の第２の突起を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記複数の第２の突起のそれぞれは、前記第１および第２の領域に配置される複数の前記放熱用ビアのそれぞれの孔部の内部に収容されている、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記熱拡散板の曲げ剛性は前記プリント基板の曲げ剛性よりも高い、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に、プリント基板上の電子部品から発生した熱を放熱部材を介して放熱させる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車載または車両用の大容量産業機器に用いられる半導体装置は、多機能化、高出力化、および薄型化の傾向にある。これに伴い、半導体装置に実装される電子部品の単位体積当たりの発熱量は大きく上昇しており、高放熱を可能とする半導体装置が強く望まれている。【０００３】
電子部品から発生する熱を放熱する半導体装置は、たとえば特開平６−７７６７９号公報（特許文献１）および特開平１１−３４５９２１号公報（特許文献２）に開示されている。これらの特許文献においては、プリント回路基板の上方に電子部品が、下方にヒートシンクが接合された構成となっている。プリント回路基板にはプリント回路基板を一方の主表面から他方の主表面まで貫通するように形成された熱伝導チャネルが形成されている。この熱伝導チャネルにより、電子部品から発生する熱が、熱伝導チャネルを経由してヒートシンクに伝わり、ヒートシンクから外部に放熱可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−７７６７９号公報
【特許文献２】特開平１１−３４５９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開平６−７７６７９号公報の装置においてはプリント回路基板のうち電子部品の真下から離れたところのみに熱伝導チャネルが設けられており、特開平１１−３４５９２１号公報においてはプリント基板のうち電子部品の真下のみに熱伝導用の孔部が設けられている。このためいずれもプリント回路基板のうち伝熱可能な領域の面積が小さく、電子部品から伝導できる熱量が少ないため、電子部品からその下方のヒートシンクまでの領域の放熱性が十分でない。【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品を中心として放射状に熱を拡散でき、電子部品から発生する熱に対する放熱性をいっそう向上させることが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、プリント基板と、その上の電子部品と、その下の拡散放熱部とを備えている。プリント基板は絶縁層を含み、電子部品と重なる第１の領域とその外側の第２の領域との双方に、プリント基板を貫通する放熱用ビアが形成されている。プリント基板に含まれる複数の導体層は、複数の放熱用ビアのそれぞれと交差接続する。プリント基板の他方の主表面上に複数の導体層のうちの１つが配置される。拡散放熱部は熱拡散板と放熱部材と冷却体とを含む。冷却体の一方の主表面上に放熱部材が密着し、放熱部材の冷却体と反対側の一方の主表面上に熱拡散板が密着する。複数の放熱用ビアを塞ぐように、熱拡散板の放熱部材と反対側の一方の主表面がプリント基板の他方の主表面上の導体層に接合する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電子部品を中心として放射状に熱を拡散でき、電子部品から発生する熱に対する放熱性をいっそう向上させることが可能な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の第１例の半導体装置の概略斜視図である。
【図２】図１中のＩＩＡ−ＩＩＡ線に沿う部分の概略断面図（Ａ）と、実施の形態１の第１例における図２（Ａ）中の点線で囲んだ領域Ｓの拡大概略断面図（Ｂ）とである。
【図３】図１中の矢印に示す方向ＩＩＩから図１に示す領域の全体を見た態様を示す概略平面図である。
【図４】実施の形態１におけるプリント基板の放熱用ビアを中空にして、電子部品と熱拡散板とをはんだ接合する方法の第１工程（Ａ）、第２工程（Ｂ）、第３工程（Ｃ）および第４工程（Ｄ）を示す概略断面図である。
【図５】実施の形態１において、電子部品と熱拡散板とを接合するはんだ接合層の厚さを一定にするためにプリント基板の導体層上に形成した突起を示す、概略平面図（Ａ）と概略断面図（Ｂ）とである。
【図６】実施の形態１における図５の突起を含む、電子部品および熱拡散板の接合部の概略断面図である。
【図７】実施の形態１の第１例の熱拡散板の概略斜視図である。
【図８】図１中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分の、熱拡散板の突起を含む概略断面図である。
【図９】実施の形態１の第２例の半導体装置の概略斜視図である。
【図１０】図９中のＸ−Ｘ線に沿う部分の概略断面図である。
【図１１】実施の形態１の第１例の半導体装置における熱の伝熱経路を示す概略断面図（Ａ）と、実施の形態１の第１例の半導体装置における熱の伝熱経路を示す概略平面図（Ｂ）とである。
【図１２】実施の形態１と比較例との半導体装置における熱抵抗値を比較したグラフである。
【図１３】図１２のグラフの導出に用いた、実施の形態１の半導体装置のモデルの概略斜視図である。
【図１４】図１２のグラフの導出に用いた、実施の形態１の半導体装置のモデルを図１３中の矢印に示す方向ＸＩＶから見た概略平面図である。
【図１５】電子部品の縁部から、熱拡散板に接合される最外部の放熱用ビアまでの間隔と、当該半導体装置の熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図１６】実施の形態２の半導体装置の概略斜視図である。
【図１７】実施の形態２の半導体装置を透視したときの平面態様を示す概略図である。
【図１８】図１７中のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う部分の概略断面図である。
【図１９】実施の形態３の第１例の半導体装置の概略断面図である。
【図２０】実施の形態３におけるプリント基板の放熱用ビアをはんだで充填するように、電子部品と熱拡散板とをはんだ接合する方法の第１工程（Ａ）、第２工程（Ｂ）、第３工程（Ｃ）、第４工程（Ｄ）および第５工程（Ｅ）を示す概略断面図である。
【図２１】実施の形態３の第２例の半導体装置の概略断面図である。
【図２２】実施の形態３の第３例の半導体装置の特徴部分を示す概略平面図（Ａ）と、図２２（Ａ）中のＸＸＩＩＢ−ＸＸＩＩＢ線に沿う部分の概略断面図（Ｂ）とである。
【図２３】実施の形態３の第４例の半導体装置の概略断面図である。
【図２４】実施の形態４における図２（Ａ）中の点線で囲んだ領域Ｓの拡大概略断面図（Ａ）と、図２４（Ａ）中の点線で囲んだ領域ＸＸＩＶＢの拡大概略断面図（Ｂ）とである。
【図２５】実施の形態５の熱拡散板の概略斜視図である。
【図２６】実施の形態５における図２（Ａ）中の点線で囲んだ領域Ｓの拡大概略断面図である。
【図２７】実施の形態６における図２（Ａ）中の点線で囲んだ領域Ｓの拡大概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、一実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は本実施の形態の第１例の半導体装置全体または一部の外観態様を示している。すなわち図１が半導体装置の一部である場合には、図１は半導体装置全体の一部のみを切り取った態様を示している。図１を参照して、本実施の形態の第１例の半導体装置１０１は、ハイブリッドカーまたは電気自動車などに搭載される電力変換装置に用いられる装置である。半導体装置１０１は、プリント基板１と、電子部品２と、拡散放熱部３とを主に有している。電子部品２で発生した熱はプリント基板１を経由して拡散放熱部３に伝わり、拡散放熱部３に含まれる後述の冷却体３３により冷却される。
【００１１】
半導体装置１０１には、電子部品２などを配線で接続するためのプリント基板１が構成されている。プリント基板１には、図１中に矩形状で示される一方の主表面からこれに対向する他方の主表面までこれを貫通する放熱用ビア１５が複数、互いに間隔をあけて形成されている。ただしプリント基板１の一方の主表面上の一部の点線で囲まれた領域１Ａは、その上に接合される電子部品２のリード端子２１が接続されるための図示されない配線の配置される領域である。この配線は、電子部品２と他部品とを電気的に接続するためのものである。このためこの領域１Ａには放熱用ビア１５が設けられていないが、特にこれに限定されるものではない。なおリード端子２１は、プリント基板１の領域１Ａの一部の領域に設けられた電極２２に接合されている。
【００１２】
電子部品２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを含む半導体チップが樹脂で封止されたパッケージである。このような半導体チップを含むために、電子部品２の発熱量は非常に大きい。
【００１３】
拡散放熱部３は、熱拡散板３１と、放熱部材３２と、冷却体３３とを含んでおり、これらは上記の順に図の上方、すなわち電子部品２に近い側から図の下方に向けて積層されている。なお放熱部材３２と冷却体３３とは、プリント基板１の一方の主表面側（図１の上側）からの透過視点において（言い換えればプリント基板１の平面視において）電子部品２と重なる領域を含んで電子部品２の真下とその周囲とに配置された放熱用ビア１５と重なる領域のほぼ全体に配置されているが、熱拡散板３１は領域１Ａと重なる領域には配置されておらずそれ以外の領域に配置されている。このためプリント基板１の他方の主表面（図１の上側の主表面である一方の主表面と反対側の主表面である、図１における下側の主表面）の一部の領域は熱拡散板３１の上側の主表面に接合されているが、プリント基板１の他方の主表面の他の一部の領域は放熱部材３２の上側の主表面に接合されている。しかし特にこれに限定されるものではない。
【００１４】
図２（Ａ）は電子部品２を含むプリント基板１と拡散放熱部３との積層構造を概略的に拡大したものであり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の電子部品２を含むプリント基板１と拡散放熱部３との一部の領域Ｓをさらに拡大したものである。また図３は図１に示す領域の全体の、プリント基板１の一方の主表面側からの透過視点（図１の上方からの平面視）における平面態様を示している。
【００１５】
図２（Ａ），（Ｂ）を参照して、プリント基板１は絶縁層１１を含んでいる。本実施の形態においては絶縁層１１は矩形の平板形状を有している。絶縁層１１はたとえばガラス繊維とエポキシ樹脂とにより構成されていることが好ましいが、これに限定することなく、たとえばアラミド樹脂とエポキシ樹脂とにより構成されていてもよい。
【００１６】
絶縁層１１の一方の主表面（上側の主表面）には上側導体層１２が形成されており、絶縁層１１の他方の主表面（下側の主表面）には下側導体層１３が形成されている。また絶縁層１１の内部には、内部導体層１４が形成されている。内部導体層１４は、上側導体層１２および下側導体層１３のそれぞれと上下方向に関して互いに間隔をあけるように配置されている。内部導体層１４は、上側導体層１２および下側導体層１３のそれぞれとほぼ平行となるように対向している。すなわち内部導体層１４は、絶縁層１１の一方および他方の主表面のそれぞれとほぼ平行となるように対向している。内部導体層１４は、図２においては２層形成されている。ただし内部導体層１４の形成される層数はこれに限定されない。
【００１７】
以上のようにプリント基板１（絶縁層１１）には複数の導体層として、一方の主表面上の１層の上側導体層１２と、他方の主表面上の１層の下側導体層１３と、これらの間に配置される２層の内部導体層１４との合計４層の導体層が配置されている。これらの導体層１２，１３，１４はいずれも、プリント基板１の一方および他方の主表面に沿うように（ほぼ平行となるように）拡がっている。導体層１２，１３，１４は銅などの熱伝導性の良い材料により構成され、厚さはそれぞれ１００μｍ程度である。逆に言えば、プリント基板１は導体層１２，１３，１４により区画される複数の絶縁層１１を含んでいる。
【００１８】
なお電子部品２は、接合材７ａによりプリント基板１の一方の主表面上の上側導体層１２に接合されている。接合材７ａとしてはたとえばはんだが用いられることが好ましいが、導電性接着剤またはナノ銀などのはんだ以外の熱伝導性と電気伝導性との良好な材料が用いられてもよい。
【００１９】
プリント基板１には、絶縁層１１の一方の主表面から他方の主表面までこれを貫通するように、複数の放熱用ビア１５が形成されている。複数の放熱用ビア１５は、プリント基板１の一方および他方の主表面に沿う方向に関して互いに間隔をあけて形成されている。ここでプリント基板１を、第１の領域と第２の領域とに分けて考える。第１の領域とは、プリント基板１の一方の主表面側からの透過視点において電子部品２と重なる領域であり、第２の領域とはその周囲の領域、すなわちプリント基板１の一方の主表面側からの透過視点において第１の領域の外側に配置された領域である。このとき、複数の放熱用ビア１５は、第１の領域に形成された第１放熱用ビア１５ａと、第２の領域に形成された第２放熱用ビア１５ｂとに分類される。すなわち放熱用ビア１５は、上記の第１の領域と第２の領域との双方に形成されている。
【００２０】
第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂは、絶縁層１１内の一部に設けられた孔部であるが、その孔部の内壁面上に銅などの導体膜が形成されている。ここでは放熱用ビア１５（第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂ）は、場合に応じて孔部およびその内部の導体膜の双方を含むものと考えてもよいし、孔部または導体膜のいずれかのみを示すものと考えても特に支障はない。つまり図２においては第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂは、導体膜の部分を除き孔部（中空）である。しかし図２の第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂは熱伝導性の良い材料、たとえば銀フィラーを混入させた導電性接着剤またははんだにより当該孔部内が充填されたものであってもよい。後者の場合、孔部内に充填された導電性接着剤などの部材を放熱用ビア１５の構成要素に含めることができる。このように導電性接着剤などを充填させることにより形成された放熱用ビア１５は、中空よりも熱伝導性の高い導電性部材からなる領域をより大きくすることができ、いっそう放熱性の向上に寄与することができる。なお放熱用ビア１５をはんだで充填した半導体装置は後述の実施の形態３に示している。
【００２１】
なお上記の孔部は、平面視においてたとえば直径が０．６ｍｍの円柱形状であり、その内壁面上の導体膜の厚さはたとえば０．０５ｍｍである。ただし当該孔部は円柱形状に限らず、たとえば四角柱であってもよく、その上方からの透過視点における形状が多角形状であってもよい。
【００２２】
第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂは、上記のプリント基板１の一方および他方の主表面にたとえば直交するように交差している。また導体層１２，１３，１４はいずれもプリント基板１の上記第１の領域から第２の領域まで平面状に拡がるように配置され、プリント基板１の一方および他方の主表面に沿うように、すなわちほぼ平行に、設けられている。このため第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂは、いずれも導体層１２，１３，１４のそれぞれと交差接続する。逆に言えば複数の導体層１２，１３，１４は複数の放熱用ビア１５のそれぞれと交差接続している。より具体的には、放熱用ビア１５の孔部の内壁面上に形成された導体膜と、導体層１２，１３，１４とが、互いに交差接続されている。
【００２３】
上記の導体層１２，１３，１４は、プリント基板１と重なる領域（正確にはプリント基板１のうち放熱用ビア１５と重なる領域以外の領域）の全体に平面状に広がるように配置されてもよい。また導体層１２，１３，１４は、第１および第２の領域のうち特に放熱用ビア１５が設けられる領域と重なる領域（正確には隣り合う１対の放熱用ビア１５に挟まれた領域）に少なくとも配置され、放熱用ビア１５と交差接続されていることが好ましい。つまり複数の導体層１２，１３，１４は、たとえば図１の領域１Ａなどの、放熱用ビア１５が形成されない領域と重なる領域にまで広がっておらず、放熱用ビア１５が設けられる領域（正確には隣り合う１対の放熱用ビア１５に挟まれた領域）と重なる領域のみに配置された構成であってもよい。
【００２４】
なお図１と図２（Ａ）とは放熱用ビア１５の数が一致していないが、これら各図の放熱用ビア１５は互いに対応しているものとする。以降の各図においても同様である。
【００２５】
次に、拡散放熱部３を構成する熱拡散板３１は、プリント基板１に形成された下側導体層１３と接合されることにより、プリント基板１の他方の主表面上に接合されている。図１の熱拡散板３１の一方の主表面（放熱部材３２と反対側の、図２の上側の主表面）は複数の第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂを設けている領域の孔部をその下方から塞ぐように、接合材７ｂにより、下側導体層１３に接合されている。ただし領域１Ａについては放熱用ビアが形成されないため、熱拡散板３１は配置されていないが、これに限られない。接合材７ｂとしてははんだが用いられる。接合材７ａおよび接合材７ｂとしてはんだを用いた場合、これらと電子部品２、上側導体層１２、下側導体層１３、熱拡散板３１のそれぞれとの接合界面で金属間化合物が形成され、当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。このため接合材７ａ，７ｂとしてははんだが用いられることが好ましいが、他には、導電性接着剤またはナノ銀などのはんだ以外の熱伝導性の良好な材料が用いられてもよい。
【００２６】
熱拡散板３１は、後述のように電子部品２からの熱を電子部品２の外側（第２の領域側）に拡散させる役割を有している。これに加え、熱拡散板３１は、プリント基板１よりも曲げ剛性が高い、つまりヤング率と断面二次モーメントとの積が大きいことが好ましい。つまり熱拡散板３１は、プリント基板１の他方の主表面上に接合されることにより、プリント基板１側からの熱を下方へ伝熱および主表面方向へ拡散させる役割とともに、プリント基板１に接合することでプリント基板１と熱拡散板３１とからなる構造体の剛性を高める効果がある。またその結果、固定および振動などの外力に対してプリント基板１を変形しにくくする効果がある。
【００２７】
熱拡散板３１は、たとえば厚さが０．５ｍｍの銅により形成されることが好ましい。このようにすれば、熱伝導性（放熱性）との双方を高めることができる。しかし熱拡散板３１は、表面に銅などの金属膜が形成された酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどの熱伝導性の良いセラミック材料からなってもよいし、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金などにニッケルおよび金のめっきを施した金属材料により形成されてもよい。また熱拡散板３１の厚さは０．５ｍｍに限定されない。
【００２８】
次に放熱部材３２は、電気絶縁性を有し、熱伝導性の良い材料により構成されることが好ましい。具体的には、放熱部材３２は、シリコーン樹脂に酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどの粒子を混入させたシートにより形成されることが好ましい。酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムは、熱伝導性が良く電気絶縁性を有するためである。ただし放熱部材３２は、上記の代わりにグリスまたは接着剤であってもよい。
【００２９】
冷却体３３は、熱伝導性の良い金属材料からなる矩形の平板形状の部材である。冷却体３３はたとえば筐体であってもよいし、あるいはヒートパイプまたは放熱フィンなどであってもよい。具体的には、冷却体３３は、たとえばアルミニウムにより構成されることが好ましいが、他に銅、アルミニウム合金、またはマグネシウム合金により構成されてもよい。冷却体３３は放熱部材３２の真下に配置される。このため冷却体３３は、放熱部材３２を介して、プリント基板１および熱拡散板３１と熱的に接続されている。これを言い換えると、冷却体３３の一方の主表面上（上側の主表面上）に放熱部材３２が密着しており、放熱部材３２の冷却体３３と反対側の一方の主表面上（上側の主表面上）に熱拡散板３１が密着している。
【００３０】
基本的にプリント基板１の図中の下側の領域においては、図中の下側の部材が上側の部材を下側から密着する（覆う）と考える。またここで密着とは、その表面の少なくとも一部と接合されていることを意味する。しかし図１および図２に示すように、放熱部材３２は、熱拡散板３１の他方の主表面（一方の主表面と反対側であり図中の下側の主表面）を覆っていることがより好ましい。このようにすると、熱拡散板３１から放熱部材３２に良好に熱を伝えることができる。ここで覆っているとは、他方の主表面の全面と接合されていることを意味する。
【００３１】
以上のような構成部材を有する本実施の形態の第１例の半導体装置１０１において、放熱用ビア１５は中空である。ここで図４を用いて、接合材７ａ，７ｂとしてはんだを用いた場合の図２（Ａ）に示す構成の製造方法を説明する。
【００３２】
図４（Ａ）を参照して、第１の領域における上側導体層１２上であり、第１放熱用ビア１５ａの孔部からプリント基板１の主表面に沿う方向に１００μｍ以上離れた領域にはんだペースト５ａが印刷される。このためはんだペースト５ａのパターンは平面視においてドット状に複数形成されることが好ましい。
【００３３】
図４（Ｂ）を参照して、上記はんだペースト５ａの上に電子部品２が搭載され、その状態で一般公知の加熱リフロー処理がなされる。これによりはんだペースト５ａは溶融して上側導体層１２の表面に沿うように流動し、層状の接合材７ａとして形成される。接合材７ａは電子部品２と上側導体層１２とを接合する。図４（Ａ）のようにはんだペースト５ａを第１放熱用ビア１５ａの孔部から離れた領域に印刷することにより、第１放熱用ビア１５ａの孔部内へのはんだの進入を抑制することができる。
【００３４】
図４（Ｃ）を参照して、第１および第２の領域の双方における下側導体層１３上であり、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの孔部からプリント基板１の主表面に沿う方向に１００μｍ以上離れた領域にはんだペースト５ａが印刷される。
【００３５】
図４（Ｄ）を参照して、上記はんだペースト５ａの上に熱拡散板３１が搭載され、その状態で一般公知の加熱リフロー処理がなされる。これによりはんだペースト５ａは溶融して下側導体層１３の表面に沿うように流動し、層状の接合材７ｂとして形成される。接合材７ｂは電子部品２と下側導体層１３とを接合する。ここでも図４（Ｃ）のようにはんだペースト５ａを第１放熱用ビア１５ａなどの孔部から離れた領域に印刷することにより、第１放熱用ビア１５ａなどの孔部内へのはんだの進入を抑制することができる。
【００３６】
図５（Ａ），（Ｂ）は、図４とは異なる方法による図２（Ａ）に示す構成の製造方法を示している。図５（Ａ），（Ｂ）を参照して、上側導体層１２上および下側導体層１３上の、平面視において第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂに隣接する領域に、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの周りを囲むように、たとえば円形状の凸部８が形成される。凸部８はたとえばソルダーレジストにより形成されている。その結果、図５の工程を用いて製造される図２（Ａ）の構成の例を示す図６を参照して、プリント基板１は、上側導体層１２上と下側導体層１３上とに、第１の突起としての凸部８が形成される。
【００３７】
図６を参照して、そして上側導体層１２上における互いに隣り合う１対の凸部８の間に挟まれた領域にはんだぺースト５ａ（図４参照）が供給され、その上に電子部品２が搭載される。同様に下側導体層１３上に置ける互いに隣り合う１対の凸部８の間に挟まれた領域にはんだぺースト５ａ（図４参照）が供給され、その上に熱拡散板３１が載置される。その状態で一般公知の加熱リフロー処理がなされることにより、上記はんだペースト５ａが、電子部品２と上側導体層１２とを接合する接合材７ａ、および下側導体層１３と熱拡散板３１とを接合する接合材７ｂとして形成される。
【００３８】
図５および図６のように凸部８を用いれば、はんだペースト５ａが第１放熱用ビア１５ａなどの孔部内に進入する不具合を凸部８が抑制する効果を奏する。
【００３９】
図７は実施の形態１の熱拡散板３１の全体態様を示したものである。図８は図７の熱拡散板３１を含む半導体装置１０１の断面形状を図２（Ａ）よりも広範囲に（図１の奥行き方向の全体にわたり）示したものである。図７を参照して、本実施の形態の半導体装置１０１は、熱拡散板３１が、その上方（プリント基板１側）に向けて延びる複数の突起３１Ａ（第２の突起）を有している。この突起３１Ａは、矩形状の４つの角部のそれぞれに形成されているが、突起３１Ａの設置箇所および個数はこれに限られない。なお図７において上方からの透過視点における形状が図１と異なるのは、図１の領域１Ａを除く領域のみに重なるように熱拡散板３１が構成されるためである。突起３１Ａは、基本的にこれを除く熱拡散板３１本体の部分と同一の材料により形成されることが好ましい。
【００４０】
これにより、図８を参照して、特にプリント基板１の端部に接するように、突起３１Ａが配置され、プリント基板１の主表面に沿う方向に関して突起３１Ａに隣接するように、接合材７ｂが供給されこれにより熱拡散板３１がプリント基板１（の下側導体層１３）に接合される。
【００４１】
図９は本実施の形態の第２例の半導体装置全体または一部の外観態様を示したものである。図１０は図９における半導体装置の電子部品２を含むプリント基板１と拡散放熱部３との積層構造を概略的に拡大したものである。図９および図１０を参照して、本実施の形態の第２例の半導体装置１０２は、基本的に半導体装置１０１と同様の構成を有するため詳細な説明を省略するが、熱拡散板３１がプリント基板１の第１放熱用ビア１５ａ形成領域の全体および第２放熱用ビア１５ｂの形成領域の一部のみを下方から覆うように配置されている。この点において半導体装置１０２は、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの形成領域のすべてを覆うように熱拡散板３１が配置される半導体装置１０１と異なっている。このように熱拡散板３１は、少なくとも第１放熱用ビア１５ａを設けている領域を覆っていればよい。したがってここでは「放熱用ビア１５を設けている領域」とは、放熱用ビア１５を設けている領域の一部または全部（少なくとも一部）を意味するものとする。
【００４２】
また上記の図９および図１０とは逆に、熱拡散板３１が第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの形成される領域の真下のみならず、たとえば領域１Ａの真下の領域も含め、プリント基板１と重なる領域の全体に配置される大きさを有していてもよい。
【００４３】
本実施の形態においては、図１の半導体装置１０１および図９の半導体装置１０２ともに、少なくとも放熱部材３２および冷却体３３が、上方からの透過視点においてプリント基板１と重なる領域の全体に重なるように拡がっている。すなわち拡散放熱部３の少なくとも一部は、上方からの透過視点においてプリント基板１と重なる領域の全体に重なるように拡がっている。ただし上記のように、熱拡散板３１もプリント基板１と重なる領域の全体に配置されることにより、拡散放熱部３を構成するすべての部材が、上方からの透過視点においてプリント基板１と重なる領域の全体に重なるように拡がってもよい。
【００４４】
次に、以上の構成を有する本実施の形態の半導体装置の作用効果、および追加のより好ましい構成について説明する。
【００４５】
図１１（Ａ）は、半導体装置１０１の特に図２（Ｂ）の拡大断面図に示す領域Ｓと同一の領域における熱の伝導経路を示している。また図１１（Ｂ）は半導体装置１０１全体の上方からの透過視点における熱の伝導経路を示している。
【００４６】
図１１（Ａ），（Ｂ）を参照して、半導体装置１０１の駆動により電子部品２から発生した熱は、図１１中に矢印Ｈで示すように、電子部品２の下方のプリント基板１に形成された第１放熱用ビア１５ａを通って下方（拡散放熱部３側）に伝導する。これとともに、当該熱Ｈは上側導体層１２、下側導体層１３または内部導体層１４を通ることにより、図１１（Ｂ）における電子部品２を中心としてその周囲（外側）の第２の領域に向けて放射状に熱を拡散する。また第２の領域に到達した熱Ｈの一部は、それ以降は第２放熱用ビア１５ｂを通って下方（拡散放熱部３側）に伝導する。このように電子部品２の熱が下方（拡散放熱部３側）と外側（第２の領域側）との双方向に伝導できるのは、プリント基板１の主表面に交差する方向に延びる放熱用ビア１５ａ，１５ｂと主表面に沿うように拡がる導体層１２，１３，１４とが互いに交差接続しているためである。
【００４７】
プリント基板１内を下方に移動した熱Ｈは電子部品２の真下、およびその外側の双方の領域において、下側導体層１３に到達し、そこから接合材７ｂにより接合された拡散放熱部３に到達する。次に熱Ｈは、熱拡散板３１を下方に伝わり、さらにその下側の放熱部材３２を通って冷却体３３に伝導される。冷却体３３に伝導された熱Ｈは図示されないがたとえば図１１（Ａ）のさらに下側に設けられた水冷または空冷の冷却機構に放熱される。また熱拡散板３１においても導体層１２，１３，１４と同様に熱Ｈを電子部品２から離れるように（第２の領域に向けて）放射状に拡散させることができる。
【００４８】
以上のように本実施の形態の半導体装置１０１は、電子部品２から発生する熱を、上側導体層１２などの導体層と、熱拡散板３１とにより、第１の領域から第２の領域まで放射状に拡散させることで、放熱部材３２を介して冷却体３３に効率的に放熱することができる。また本実施の形態の半導体装置１０１は、第１の領域と第２の領域との双方に放熱用ビア１５が形成されている。このため電子部品２から発生する熱をその真下の第１の領域の第１放熱用ビア１５ａを通って下方に移動させるのみならず、電子部品２から外側に向けて拡散させた熱を第２の領域の第２放熱用ビア１５ｂを通って下方に移動させることができる。また第１の領域から第２の領域への熱の移動は、導体層１２，１３，１４により熱Ｈがプリント基板１において放射状に拡散することにより可能となる。このため第２の領域に伝わった熱を第２放熱用ビア１５ｂから下方へ放熱させることができる。
【００４９】
またプリント基板１の最下部である他方の主表面（下側導体層１３）には熱拡散板３１が接合されている。これにより、他方の主表面（下側導体層１３）まで伝わった熱Ｈが高効率にその出口としての熱拡散板３１に伝わるため、当該熱Ｈをそこから高効率に半導体装置１０１の外部に放熱させることができる。この効果は、熱拡散板３１と、熱拡散板３１に接合される放熱部材３２、冷却体３３（水冷または空冷される）とを含む拡散放熱部３の存在により、いっそう高められる。
【００５０】
熱拡散板３１は導体層１２，１３，１４と同様に、電子部品２の真下の第１の領域の熱Ｈを第２の領域側に向けて放射状に拡散させることができる。
【００５１】
以上により、第１の領域と第２の領域との双方から外部へ放熱されるため、放熱可能な領域の面積が大きくなり、放熱性を高める効果がより大きくなる。また本実施の形態においては拡散放熱部３（少なくとも放熱部材３２および冷却体３３）は上方から見てプリント基板１と重なる領域の全体に重なるように拡がっている。このため放熱用の冷却体３３とプリント基板１との接触面積を十分に大きくすることができ、放熱性をさらに向上させることができる。
【００５２】
ここで、第２放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１の存在により、放熱の効率がどの程度向上するかについて、図１２を用いて説明する。具体的には、半導体装置１０１のように第１放熱用ビア１５ａに加えて第２放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を有する構成と、その比較例として第２放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を有さない（第１放熱用ビア１５ａのみを有する）構成との熱伝導による放熱抵抗について、熱抵抗値を用いて考察した結果を示す。
【００５３】
ここで「熱抵抗」とは温度の伝えにくさを表す指標であり、単位発熱量当たりの温度上昇値を意味する。本実施の形態の半導体装置１０１において、電子部品２から冷却体３３までの上下方向の領域の熱抵抗（Ｒth）は、以下の式（１）により表される。なお式（１）において、各部材の伝熱面積をＳi（ｍ2）、各部材の厚さをｌi（ｍ）、各部材の熱伝導率をλi（Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、通過熱量をＱ（Ｗ）、高温側および低温側の温度をそれぞれＴｈi（Ｋ）、Ｔｌi（Ｋ）とする。
【００５４】
【数１】
2017094670.tif 000003
【００５５】
ここで熱抵抗の計算に用いたモデルを示す。プリント基板１の上方からの透過視点における寸法は５０×５０ｍｍ、厚さは１．３ｍｍである。電子部品２の上方からの透過視点における寸法は７×７ｍｍであり、プリント基板１の中央部に接合されている。すなわち電子部品２を上方から見たときの各縁部と、それにほぼ平行に対向するプリント基板１を上方から見たときの各縁部との間隔はいずれもほぼ等しい。上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４はいずれも厚さが１０５μｍの４層構造である（図２参照）。プリント基板１においては、電子部品２の真下に４９か所の第１放熱用ビア１５ａが、その周囲に２１７か所の第２放熱用ビア１５ｂが、いずれも等間隔に配置されている。第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂは円柱形状であり、その孔部を上方から見た直径は０．６ｍｍ、孔部の内壁面上の導体膜の厚さは０．０５ｍｍである。
【００５６】
また上記モデルにおける拡散放熱部３の熱拡散板３１は、上方からの透過視点における寸法が５０×３５ｍｍ、厚さは０．５ｍｍであり、第１放熱用ビア１５ａと第２放熱用ビア１５ｂとの双方を下方から覆っている。また放熱部材３２は、上方からの透過視点における寸法が５０×３５ｍｍ、厚さは０．５ｍｍである。
【００５７】
上記モデルにおける上側導体層１２、下側導体層１３、内部導体層１４、放熱用ビア１５の内壁面上の導体膜、および熱拡散板３１は銅で構成され、熱伝導率は３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また放熱部材３２の熱伝導率は２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００５８】
本実施の形態の半導体装置１０１のモデルおよび比較例のモデルは、第２放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１の有無においてのみ異なっており、上記の寸法を含む他の構成はすべて同一となっている。
【００５９】
以上のモデルを用いて、半導体装置１０１と比較例とについて、式（１）に基づく熱解析ソフトウェアを用いて熱抵抗値をシミュレーションした。図１２にその結果を示す。図１２を参照して、本実施の形態の半導体装置１０１のように第２放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を設けることにより、これらを設けない比較例に比べて、熱抵抗を約２５％低減することができる。熱抵抗が小さいことは放熱性が高いことを意味するため、この結果から、本実施の形態の半導体装置１０１のように第２放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を設けることにより、これらを設けない比較例に比べて、放熱性を向上できることがわかる。
【００６０】
次に、図１３〜図１５を用いて、熱拡散板３１に接合される放熱用ビア１５の配置されるべき領域について検討した結果を説明する。図１３および図１４を参照して、これらは基本的に上記モデルと同様のモデルを示しており、電子部品２を上方から見たときの各縁部と、それにほぼ平行に対向するプリント基板１の各縁部側に形成される第２放熱用ビア１５ｂの最外部との間隔をＬ１，Ｌ２，Ｌ３で示している。上記のように本モデルにおいては電子部品２を上方から見たときの各縁部と、それに対向するプリント基板１の各縁部との距離はほぼ等しいため、距離Ｌ１〜Ｌ３はいずれもほぼ等しい。なお半導体装置１０１においては基本的に領域１Ａ（図１参照）には第２放熱用ビア１５ｂが形成されず、図１３および図１４のＬ４の側には第２放熱用ビア１５ｂが存在しないが、参考用にこの方向においても他方向と同様に寸法Ｌ４を示している。
【００６１】
図１５のグラフの横軸は、電子部品２から特に第２放熱用ビア１５ｂが形成されるＬ１〜Ｌ３の３方向の側における第２放熱用ビア１５ｂの最外部との距離を示し、グラフの縦軸は、それぞれのモデルの半導体装置１０１の熱抵抗値を示している。図１５を参照して、Ｌ１〜Ｌ３の寸法が大きくなるにつれて（つまり第２放熱用ビア１５ｂの形成される領域が広くなるにつれて）熱抵抗が小さくなり放熱効率が向上する。しかしＬ１〜Ｌ３の値が２０ｍｍになれば熱抵抗値の低下が飽和し、それ以上Ｌ１〜Ｌ３を大きくし、Ｌ１〜Ｌ３が２０ｍｍ以上の領域の放熱用ビア１５と熱拡散板３１とを接合させても、熱抵抗値は変化しないことがわかる。
【００６２】
このことから、熱拡散板３１は、プリント基板１の第１の領域の第１放熱用ビア１５ａ、および第２の領域のうち第１の領域の最外部からの距離が２０ｍｍ以内の領域に形成された複数の第２放熱用ビア１５ｂを覆い、これらの放熱用ビア１５ａ，１５ｂに接合されていることが好ましいといえる。
【００６３】
その他、本実施の形態の熱拡散板３１は図７および図８に示すように突起３１Ａを有する。これにより、図８に示す接合材７ｂの厚さを均一にすることができ、下側導体層１３から熱拡散板３１への伝熱を熱拡散板３１内にて均一に第２の領域側へ拡散させることができる。このことからも放熱の効率をいっそう高めることができる。
【００６４】
さらに、本実施の形態においてはプリント基板１の第１の領域のみならずその周囲の第２の領域にも第２放熱用ビア１５ｂが形成されている。このため第２放熱用ビア１５ｂが形成されない場合に比べてプリント基板１の機械的な剛性が低下する。しかしプリント基板１の他方の主表面上の下側導体層１３に熱拡散板３１を接合することにより、プリント基板１と熱拡散板３１とからなる構造体の曲げ剛性がプリント基板１単体の曲げ剛性よりも高くなる。このためプリント基板１の変形を抑制することができる。
【００６５】
実施の形態２．
図１６は本実施の形態の半導体装置全体または一部の外観態様を示している。図１７は図１６に示す半導体装置２０１を図１６中の矢印が示す上方から見た透過視図である。図１８は本実施の形態の半導体装置の特徴の理解をより容易にするための断面図である。図１６を参照して、本実施の形態の半導体装置２０１は、基本的に図１に示す半導体装置１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の参照符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体装置２０１は、電子部品２のリード端子２１と接続される電極２２が、第３放熱用ビア１５ｃに接続されているが、その第３放熱用ビア１５ｃは少なくとも電子部品２の直下の熱拡散板３１とは電気的に接続されていない。すなわちリード端子２１と接続される電極２２が、半導体装置１０１において領域１Ａに属するため放熱用ビア１５ａ，１５ｂが形成されない領域に形成される第３放熱用ビア１５ｃと隣接するように配置されている。これにより、電極２２は第３放熱用ビア１５ｃの孔部内の導体膜と電気的に接続されている。
【００６６】
図１７に示すように本実施の形態においては、半導体装置１０１の領域１Ａに属する領域にも熱拡散板３１の一部である熱拡散板３１ｃが配置されている。これは領域１Ａにも第３放熱用ビア１５ｃが形成されるためである。
【００６７】
図１８に示すように、半導体装置２０１においては、電極２２は、接合材７ａにより電子部品２と接合された上側導体層１２とは電気的に接続されていない。第３放熱用ビア１５ｃと接続された下側導体層１３と、放熱用ビア１５ａ，１５ｂと接続された下側導体層１３とは、ソルダーレジスト４により電気的に絶縁されている。また主表面に沿う方向に関して上側導体層１２が部分的に分断されているために、第３放熱用ビア１５ｃと接続された上側導体層１２と、放熱用ビア１５ａ，１５ｂと接続された下側導体層１３とは、絶縁層１１により電気的に絶縁されている。つまり第３放熱用ビア１５ｃおよび電極２２は、放熱用ビア１５ａ，１５ｂと接続された下側導体層１３の真下の熱拡散板３１の部分とは電気的に接続されていない。放熱用ビア１５ａ，１５ｂと接続された下側導体層１３の真下の熱拡散板３１の部分とは電子部品２の真下（電子部品２と平面視において重なる部分）の熱拡散板３１を含む。さらに図１７の熱拡散板３１ｃはそれ以外の、特に電子部品２の真下の熱拡散板３１の部分とは分離されている。放熱部材３２は電気的絶縁を有する。したがって電極２２および第３放熱用ビア１５ｃは、熱拡散板３１（のうち特に電子部品２の真下に配置される部分）と電気的に接続されない。
【００６８】
電極２２と、熱拡散板３１（のうち特に電子部品２の真下に配置される部分）とが電気的に接続されると両者間で短絡が起こり不都合となる。このため領域１Ａに放熱用ビア１５ｃが形成される場合には、それが少なくとも電子部品２の真下の熱拡散板３１と接続しない構成とされる。なお電極２２が領域１Ａの熱拡散板３１ｃと電気的に接続されることについては特に問題はない。
【００６９】
熱拡散板３１ｃははんだによる接合材７ｃ（接合材７ｂと同一層）により互いに接合される。以上により本実施の形態においては、電子部品２からの熱は、放熱用ビア１５ａ，１５ｂのみならず、放熱用ビア１５ｃおよび電極２２に接続されたリード端子２１からも下方へ放熱可能となるため、実施の形態１よりもさらに放熱性能を高めることができる。
【００７０】
実施の形態３．
図１９は本実施の形態の第１例の半導体装置の図２（Ａ）が示す部分、すなわち図１中のＩＩＡ−ＩＩＡ線に沿う部分に対応する部分の概略断面図である。図１９を参照して、本実施の形態の第１例の半導体装置３０１は、基本的に図１に示す半導体装置１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素には同一の参照符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体装置３０１においては、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂが、接合材７ａおよび接合材７ｂを構成するはんだで充填されている。この点において本実施の形態は、第１放熱用ビア１５ａなどの孔部内には内壁面上の導体膜以外の導電性材料が配置されない半導体装置１０１と異なっている。
【００７１】
このような構成とすることにより、電子部品２の発する熱の、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの内部における熱拡散板３１側への伝熱量を増加することができる。これは上記のように、中空よりもはんだなどの導電性部材の方が熱伝導性が高いため、第１放熱用ビア１５ａなどの内部がはんだで充填されることにより、第１放熱用ビア１５ａの延在方向に交差する断面のうち、より高い熱伝導が可能な領域の面積が増加するためである。
【００７２】
ここで図２０を用いて、図１９に示す構成の製造方法を説明する。図２０（Ａ）を参照して、プリント基板１の第１の領域における上側導体層１２上に、はんだの酸化膜を除去するフラックスを介して、はんだ板５ｂが配置される。ここでは特に、プリント基板１の当該第１の領域における図示されない電極の上に、上記のようにはんだ板５ｂが配置される。はんだ板５ｂは第１の領域とほぼ等しい平面積を有し、その載置によりはんだ板５ｂは第１放熱用ビア１５ａを真上から覆う態様となる。なおはんだ板５ｂの周りを囲むように、上側導体層１２上には図５および図６と同様の凸部８が形成されることが好ましい。またプリント基板１の第１の領域、および第２の領域の一部における下側導体層１３上（図の下側）に、ポリイミドなどの耐熱テープ６ａが貼り付けられる。
【００７３】
図２０（Ｂ）を参照して、はんだ板５ｂ上に電子部品２が搭載され、その状態で一般公知の加熱リフロー処理がなされる。これにより図２０（Ｃ）を参照して、はんだ板５ｂは溶融して上側導体層１２の表面に沿うように流動し、第１放熱用ビア１５ａ内を充填する。これははんだ板５ｂが第１放熱用ビア１５ａの孔部を覆うように配置されているためである。ここで上側導体層１２上には凸部８が配置されるため、その凸部８よりも外側の領域である第２の領域まではんだ板５ｂの溶融したものが進入することが抑制される。また第１の領域における下側導体層１３上には耐熱テープ６ａが貼られているため、はんだ板５ｂの溶融したものは耐熱テープ６ａの下側まで漏出することはなく、第１放熱用ビア１５ａの内部に充填される。またはんだ板５ｂの配置された領域は、実施の形態１と同様にはんだの接合材７ａとなる。
【００７４】
図２０（Ｄ）を参照して、第１放熱用ビア１５ａの内部のはんだが固化された後に耐熱テープ６ａが除去され、その後下側導体層１３上にはんだペースト５ａが印刷される。ただし図４（Ｃ）の工程に比べてはんだペースト５ａの印刷される領域は広く、部分的に第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂと重なるようにはんだペースト５ａが印刷されてもよい。またそのようにしない場合においても、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの孔部からプリント基板１の主表面に沿う方向の距離が１００μｍ以下の領域にもはんだペースト５ａが印刷されてもよい。そして当該はんだペースト５ａの上に熱拡散板３１が搭載される。
【００７５】
図２０（Ｅ）を参照して、上記の状態で一般公知の加熱リフロー処理がなされる。これによりはんだペースト５ａは溶融して下側導体層１３の表面に沿うように流動する。はんだペースト５ａは第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの孔部と重なる領域またはそれに隣接する領域を含むように印刷されているため、溶融したはんだペースト５ａは第２放熱用ビア１５ｂの孔部内を濡れ上がる。これにより第２放熱用ビア１５ｂははんだで充填される。
【００７６】
図２１の半導体装置３０２は大筋で図２０の半導体装置３０１と同様であるが、放熱用ビア１５内でのはんだの充填態様において半導体装置３０１と異なっている。具体的には、図２１を参照して、半導体装置３０２においては、接合材７ａを構成するはんだが放熱用ビア１５の孔部内の一部のみを充填している。具体的には第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの孔部内のうち、上側導体層１２および下側導体層１３に比較的近い領域のみにはんだが充填されており、各放熱用ビア１５の延在方向に関する中央部にははんだが充填されていない。この点において半導体装置３０２は、放熱用ビア１５の孔部内の全体が内壁面の導体膜およびはんだで充填される半導体装置３０１と異なっている。
【００７７】
上記の加熱リフロー処理においてプリント基板１を加熱した際に、放熱用ビア１５の内壁面上の導体膜９よりも先にはんだペースト５ａまたははんだ板５ｂが溶融すれば、その溶融したはんだは放熱用ビア１５の内壁面に沿って流動しにくくなる。その結果当該溶融はんだが塊状はんだ７ｄとなって放熱用ビア１５内を塞ぎ、図２１に示すようにその一部の領域を充填しない態様となる。供給するはんだ量が少なければ、より放熱用ビア１５内に配置されるはんだの割合が少なくなる。
【００７８】
しかし図２１の態様においても、少なくとも上側導体層１２および下側導体層１３に隣接する塊状はんだ７ｄの部分においては、放熱用ビア１５の延在方向に交差する断面が塊状はんだ７ｄに充填されるためその断面積のうち熱伝導性の高いはんだが占める割合が大きくなる。このため、たとえば半導体装置１０１のように放熱用ビア１５内がまったくはんだで充填されない場合に比べてその放熱性を幾分向上させることができる。このような放熱性を向上させる効果は、その上側導体層１２側から延びる塊状はんだ７ｄ、および下側導体層１２側から延びる塊状はんだ７ｄが、放熱用ビア１５の延在方向の長さの１／３以上の高さｈを有すれば、十分に得られる。このことは上側導体層１２側または下側導体層１３側のいずれか一方からのみ塊状はんだ７ｄが延びる場合においても同様である。すなわち少なくとも熱拡散板３１の一方（上側）の主表面に塞がれた複数の放熱用ビア１５内にはんだが当該放熱用ビア１５の容積の１／３以上の体積分充填するように存在することが好ましい。
【００７９】
次に、図２２を用いて本実施の形態の第３例の半導体装置について説明する。図２２（Ａ）は、本実施の形態の第３例の半導体装置３０３の、特にプリント基板１の第１の領域における第１放熱用ビア１５ａの平面態様を示すものである。また図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）のＸＸＩＩＢ−ＸＸＩＩＢ線に沿う部分の概略断面図である。図２２（Ａ），（Ｂ）を参照して、半導体装置３０３においては、上側導体層１２における複数（特に１対）の隣り合う第１放熱用ビア１５ａの間に挟まれた領域において、当該第１放熱用ビア１５ａの孔部同士を繋ぐように溝１５ｄが形成されている。この点において半導体装置３０３は、このような溝１５ｄが形成されない半導体装置３０１と異なっているが、他の点は半導体装置３０１と基本的に同様の構成でありその説明を繰り返さない。
【００８０】
なお上記の溝１５ｄは、プリント基板１の上側導体層１２をパターニングする際に、通常の写真製版技術およびエッチングにより形成することができる。
【００８１】
上記のような溝１５ｄを設けることにより、半導体装置３０３においては、その製造時にはんだを溶融するための加熱により第１放熱用ビア１５ａ内の膨張した空気は溝１５ｄを経由して外部に放出することができる。このため第１放熱用ビア１５ａ内の圧力の上昇を抑えることにより、はんだの充填を容易に実現することができる。
【００８２】
次に、図２３を用いて本実施の形態の第４例の半導体装置について説明する。図２３を参照して、本実施の形態の第４例の半導体装置３０４は、基本的に図６に示す実施の形態１の凸部８を有する構成と同様である。しかし半導体装置３０４においては、はんだが第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの孔部の内壁面上に形成された導体膜９にそてって流れた結果、図６に比べて導体膜９が厚く形成されている。これにより、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの延在方向に交差する断面のうち、中空よりも熱伝導性の高い導体膜９の部分の断面積がより大きくなる。したがって半導体装置３０４は、実施の形態１に比べて、電子部品２の発する熱の、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの内部における熱拡散板３１側への伝熱量を増加することができる。
【００８３】
なお上記のような放熱用ビア１５での伝熱量の増加の作用効果は、放熱用ビア１５の孔部内の容積に対し、当該孔部内のはんだの体積（導体膜９として形成されるはんだの量）が１／３以上となるようにすれば、十分に得られる。
【００８４】
実施の形態４．
図２４（Ａ）は実施の形態４の半導体装置における、実施の形態１の図２（Ｂ）および図１１（Ａ）の領域Ｓと同一の領域の構成を示した拡大断面図である。また図２４（Ｂ）は図２４（Ａ）のプリント基板１に含まれる絶縁層１１の構成を示している。図２４（Ａ），（Ｂ）を参照して、本実施の形態の半導体装置４０１は、基本的に半導体装置１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。ただし本実施の形態の半導体装置４０１は、プリント基板１の絶縁層１１が、フィラー１６を有している点において、半導体装置１０１と異なっている。なお図２４（Ｂ）に示すように、絶縁層１１は、ガラス繊維１７と、エポキシ樹脂１８とを含んでいる。
【００８５】
フィラー１６は無機フィラー粒子であり、酸化アルミニウム粒子が用いられることが好ましいが、これに限らず、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素などのセラミック粒子であってもよい。またフィラー１６は数種類の粒子が混ぜられた構成であってもよく、たとえば酸化アルミニウムに水酸化アルミニウムを混合した構成であってもよい。このようにすれば、絶縁層１１の熱伝導性および耐熱性を向上させることができる。絶縁層１１が無機フィラー粒子としてのフィラー１６を含むことにより、フィラー１６を経由して熱を伝導させることができる。このため絶縁層１１の熱伝導を大きくすることができ、プリント基板１の熱抵抗を小さくすることができる。
【００８６】
酸化アルミニウムのフィラー１６を７０重量％含有した絶縁層１１からなるプリント基板１を有する半導体装置４０１に対して、式（１）および実施の形態１と同様のモデルを用いて熱抵抗値をシミュレーションした。なおこのモデルにおいては、上記のフィラー１６の有無を除きすべて実施の形態１の半導体装置１０１のモデルと同一の寸法および構成となっている。その結果、図１２の半導体装置１０１の例に比べて熱抵抗値をさらに約５％低減させることができることが分かった。
【００８７】
また本実施の形態において、放熱の効果を大きくするためには、絶縁層１１に含有するフィラー１６の充填密度を大きくすることが重要である。具体的には、フィラー１６の充填密度を８０重量％まで大きくすることがより好ましい。このためフィラー１６の形状は図２４（Ｂ）に示されるような球形に近い形状に限らず、四面体または六方晶のような多角形を基にした立体形状であってもよい。
【００８８】
さらに本実施の形態においては、絶縁層１１内に充填されるフィラー１６のサイズは一定でなくてもよい。つまり、たとえ絶縁層１１内に単一種類のフィラー１６の粒子のみが含まれている場合であっても、数種類のサイズの粒子の混合によりフィラー１６が構成されていてもよい。この場合には、サイズの大きい複数のフィラー１６の粒子の間に挟まれた領域にサイズの小さいフィラー１６の粒子が入り込むため、フィラー１６をより高密度で充填することができる。このため絶縁層１１の放熱性をさらに向上させることができる。
【００８９】
実施の形態５．
図２５は実施の形態５の熱拡散板３１の全体態様を示したものである。図２６は実施の形態３の半導体装置における、実施の形態１の図２（Ｂ）および図１１（Ａ）の領域Ｓと同一の領域の構成を示した拡大断面図である。本実施の形態の半導体装置５０１は、基本的に半導体装置１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。ただし図２５を参照して、本実施の形態の熱拡散板３１は、実施の形態１の図７に示す熱拡散板３１に比べて突起３１Ａの数が多く、上方からの透過視点において第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂと重なる領域のほぼ全域に、第２の突起としての突起３１Ａが形成されている。
【００９０】
このため図２６を参照して、本実施の形態の熱拡散板３１に形成される複数の突起３１Ａのそれぞれは、複数の放熱用ビア１５（第１の領域に配置される第１放熱用ビア１５ａおよび第２の領域に配置される第２放熱用ビア１５ｂ）のそれぞれを構成する孔部の内部に挿入され収容されている。放熱用ビア１５内に挿入された複数の突起３１Ａのそれぞれは、はんだまたは導電性接着剤などの接合材７ｂにより、放熱用ビア１５（を含むプリント基板１）に接着されている。
【００９１】
以上のように複数の第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂのそれぞれの孔部内に突起３１Ａが挿入されることにより、第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂの孔部内を熱伝導性の良い材料からなる突起３１Ａで充填させることができる。このため第１放熱用ビア１５ａおよび第２放熱用ビア１５ｂを伝導する熱量が増大し、熱抵抗を小さくすることができる。
【００９２】
なおすべての放熱用ビア１５に突起３１Ａが挿入されてもよいが、一部の放熱用ビア１５のみに突起３１Ａが挿入されてもよい。一部の放熱用ビア１５のみに突起３１Ａが挿入される場合、突起３１Ａが挿入される放熱用ビア１５の上方から見た孔部のサイズを、たとえば突起３１Ａが挿入されない放熱用ビア１５の同サイズよりも大きくすることが好ましい。このように、一部の放熱用ビア１５の孔部を上方から見たサイズを、他の一部の放熱用ビア１５の孔部の同サイズと異なるようにしてもよい。このようにすれば、プリント基板１の他方の主表面側に熱拡散板３１を設置する際に、突起３１Ａを放熱用ビア１５の孔部内に挿入しやすくなり、組み立て工程の作業性を向上させることができる。
【００９３】
また本実施の形態においては、突起３１Ａの立体形状は、放熱用ビア１５の立体形状に応じて、円柱形状、円錐形状、四角すい形状などの任意の形状とすることができる。このように突起３１Ａの立体形状を適宜変更させることによっても、突起３１Ａを放熱用ビア１５の孔部内に挿入しやすくなり、組み立て工程の作業性を向上させることができる。
【００９４】
実施の形態６．
図２７は実施の形態６の半導体装置における、実施の形態１の図２（Ｂ）および図１１（Ａ）の領域Ｓと同一の領域の構成を示した拡大断面図である。本実施の形態の半導体装置６０１は、基本的に半導体装置１０１と同様の構成を有するため、同一の構成要素については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。ただし図２７を参照して、本実施の形態の半導体装置６０１は、複数の導体層１２，１３，１４のそれぞれは、プリント基板１の一方および他方の主表面に沿う図の左右方向に関して互いに隣り合う１対の放熱用ビア１５の間の領域において、一方の主表面側（上側）から他方の主表面側（下側）まで複数の導体層１２，１３，１４のそれぞれを貫通する小孔部１９を有している。
【００９５】
小孔部１９は、たとえば隣り合う１対の放熱用ビア１５に挟まれた導体層１２，１３，１４の小部分の中央部に形成されることが好ましいが、これに限られない。小孔部１９はこれを上方から見たときにたとえば円形であり、その直径がたとえば約１００μｍであることが好ましいが、これに限られない。図２７においては、上側導体層１２の小孔部１９と、下側導体層１３の小孔部１９と、内部導体層１４の小孔部１９とが互いに平面的に重なるように（それぞれの中心位置がおおむね一致するように）形成されているが、これに限定されるものではなく、それぞれの中心位置同士の間にずれが存在してもよい。なお小孔部１９は通常の写真製版技術およびエッチングにより形成することができる。
【００９６】
このような小孔部１９を導体層１２，１３，１４に設けることにより、電子部品２または熱拡散板３１をはんだで接合するときの加熱により絶縁層１１内に含有する水分から発生する水蒸気を小孔部１９を通してプリント基板１の外部に逃がすことができる。このため、絶縁層１１の水分が気化する際の絶縁層１１内の圧力亢進に起因する導体層１２，１３，１４の絶縁層１１からの剥離を抑制することができる。したがって、電子部品２または熱拡散板３１をはんだで接合する前にプリント基板１を脱水処理する必要がなくなり、工程削減により低コストで半導体装置６０１を製造することができる。
【００９７】
なお小孔部１９を設けることにより、上方から見たときの導体層１２，１３，１４の面積が縮小するが、その縮小する比率はわずかである。この導体層１２，１３，１４の面積縮小に伴うこれらの主表面に沿う方向に関する熱抵抗の増加は２％程度である。このため、熱伝導によりプリント基板１から拡散放熱部３に伝わる熱量は実施の形態１の半導体装置１０１と同等である。したがって小孔部１９を設けることにより、放熱の効率に影響を与えることなく導体層１２，１３，１４の絶縁層１１に対する剥離を抑制することができる。
【００９８】
以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲内で適宜組み合わせるように適用してもよい。
【００９９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１００】
１  プリント基板、２  電子部品、３  拡散放熱部、５ａ  はんだペースト、５ｂ  はんだ板、６ａ  耐熱テープ、７ａ，７ｂ，７ｃ  接合材、７ｄ  塊状はんだ、８  凸部、１１  絶縁層、１２  上側導体層、１３  下側導体層、１４  内部導体層、１５  放熱用ビア、１５ａ  第１放熱用ビア、１５ｂ  第２放熱用ビア、１５ｃ  第３放熱用ビア、１５ｄ  溝、１６  フィラー、１７  ガラス繊維、１８  エポキシ樹脂、１９  小孔部、２１  リード端子、２２  電極、３１  熱拡散板、３１Ａ  突起、３２  放熱部材、３３  冷却体、１０１，１０２，２０１，３０１，３０２，３０３，３０４  半導体装置、Ｈ  熱。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年5月10日(2018.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント基板と、
前記プリント基板の一方の主表面上に接合された電子部品と、
前記プリント基板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面上に接合された拡散放熱部とを備え、
前記プリント基板は、絶縁層を含み、前記絶縁層では、前記プリント基板の前記一方の主表面側からの透過視点において前記電子部品と重なる第１の領域、および前記プリント基板の前記一方の主表面側からの透過視点において前記第１の領域の外側に配置される第２の領域の双方に、前記一方の主表面から前記他方の主表面まで前記プリント基板を貫通するように複数の放熱用ビアが形成され、
前記プリント基板は複数の導体層をさらに含み、複数の前記導体層は前記第１の領域から前記第２の領域まで前記一方および他方の主表面に沿うように設けられかつ複数の前記放熱用ビアのそれぞれと交差接続し、
前記プリント基板の前記他方の主表面上に前記複数の導体層のうちの１つが配置され、
前記拡散放熱部は、熱拡散板と、放熱部材と、冷却体とを含み、
前記冷却体の一方の主表面上に前記放熱部材が密着し、
前記放熱部材の、前記冷却体と反対側の一方の主表面上に前記熱拡散板が密着し、
前記第１の領域に形成された複数の前記放熱用ビアおよび前記第２の領域に形成された複数の前記放熱用ビアを塞ぐように、前記熱拡散板の前記放熱部材と反対側の一方の主表面が前記プリント基板の前記他方の主表面上の前記導体層に接合する、半導体装置。
【請求項２】
前記放熱部材は、前記熱拡散板の前記一方の主表面と反対側の他方の主表面を覆っている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電子部品にはリード端子が接続されており、
前記リード端子は電極に接合されており、
前記電極は前記熱拡散板と接続しない前記放熱用ビアに接続されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記熱拡散板の前記一方の主表面に塞がれた前記複数の放熱用ビア内にはんだが前記放熱用ビアの容積の１／３以上の体積分充填するように存在する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記プリント基板は前記絶縁層を複数含み、
前記複数の絶縁層のそれぞれは無機フィラー粒子を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記プリント基板の複数の前記導体層のそれぞれは、前記一方および他方の主表面に沿う方向に関して互いに隣り合う１対の前記放熱用ビアの間の領域において、前記一方の主表面側から前記他方の主表面側まで複数の前記導体層のそれぞれを貫通する小孔部を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記プリント基板は、前記複数の導体層のうち最も前記一方の主表面側の前記導体層上と、前記複数の導体層のうち最も前記他方の主表面側の前記導体層上とに第１の突起を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記熱拡散板は、前記プリント基板側に向けて延びる複数の第２の突起を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記複数の第２の突起のそれぞれは、前記第１および第２の領域に配置される複数の前記放熱用ビアのそれぞれの孔部の内部に収容されている、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記熱拡散板の曲げ剛性は前記プリント基板の曲げ剛性よりも高い、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の半導体装置は、プリント基板と、その上の電子部品と、その下の拡散放熱部とを備えている。プリント基板は絶縁層を含み、電子部品と重なる第１の領域とその外側の第２の領域との双方に、プリント基板を貫通する放熱用ビアが形成されている。プリント基板に含まれる複数の導体層は、複数の放熱用ビアのそれぞれと交差接続する。プリント基板の他方の主表面上に複数の導体層のうちの１つが配置される。拡散放熱部は熱拡散板と放熱部材と冷却体とを含む。冷却体の一方の主表面上に放熱部材が密着し、放熱部材の冷却体と反対側の一方の主表面上に熱拡散板が密着する。第１の領域に形成された複数の放熱用ビアおよび第２の領域に形成された複数の放熱用ビアを塞ぐように、熱拡散板の放熱部材と反対側の一方の主表面がプリント基板の他方の主表面上の導体層に接合する。
【国際調査報告】
2017094670.tif 000031
2017094670.tif 000032
2017094670.tif 000033
2017094670.tif 000034