(57)【要約】【課題】半導体素子を高信頼性、かつ、低コストで実装させる半導体素子の放熱機構を提供する。【解決手段】表面と裏面を有し、表面に複数のバンプ電極を設ける半導体素子と、表面と対向し、複数のバンプ電極それぞれと物理的に接触するパッドを有する実装基板と、半導体素子の裏面に接触して半導体素子を放熱させるヒートパイプ３０と、を備える。ヒートパイプは、その内部を溶媒が循環する溶媒伝導部３１と、溶媒伝導部の端部分に設けられ、略平板状に形成された圧潰部３３と、を有する。圧潰部が、銀ペースト接着剤を介して半導体素子の裏面に接触している。【選択図】図１
2019220604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と裏面を有し、前記表面に複数のバンプ電極を設けた半導体素子と、
前記表面と対向し、複数の前記ンプ電極それぞれと物理的に接触するパッドを有する実装基板と、
前記半導体素子の前記裏面に接触して該半導体素子を放熱させるヒートパイプと、を備え、
該ヒートパイプは、その内部を溶媒が循環する溶媒伝導部と、該溶媒伝導部の端部分に設けられ、略平板状に形成された圧潰部と、を有し、
該圧潰部が、銀ペースト接着剤を介して前記半導体素子の前記裏面に接触している、半導体素子の放熱機構。
【請求項２】
前記圧潰部が、前記半導体素子の前記表面と前記裏面を結ぶ方向で貫通する貫通穴を有する、請求項１に記載の半導体素子の放熱機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の放熱機構に関し、詳しくは、半導体素子を冷却するためにヒートパイプを用いた半導体素子の放熱機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高機能化・高性能化に伴い、半導体素子の発熱量は増加しやすくなる。また、実装基板のコンパクト化を達成するために半導体素子を小型にした場合にも、発熱量は増加する。半導体素子の発熱量の増加は半導体素子の性能に影響を与えることが多い。このため、例えば、特許文献１、２には、ヒートパイプを利用して半導体素子を冷却する構造が開示されている。また、特許文献３には、ヒートパイプの構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０２−２６０５５６号公報
【特許文献２】特開平０１−１５２６９１号公報
【特許文献３】特開２０００−１７１１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）のような小型の集積回路では、半導体素子（ベアチップともいう）は、その表面に多数のバンプ電極を形成し、各バンプ電極を実装基板上のパッドに接触させて実装する（フェイスダウン実装）。
一般に、フェイスアップ実装では、半導体素子の裏面全体が実装基板に直接接触しているので、半導体素子で生じた熱は、半導体素子の裏面から実装基板に放熱される。
【０００５】
しかし、ＷＬＣＳＰでは、半導体素子の裏面は実装基板に対し物理的に接触していないため、放熱放射によるものが支配的となる。また、半導体素子の表面と実装基板の表面との間には、バンプ電極の高さに相当するギャップが必然的に形成されていることから、半導体素子の表面と実装基板の表面との間で効率的な熱的接触を得ることは難しい。なお、このギャップにアンダーフィル材（樹脂溶剤）を充填する手法も知られているが、樹脂部材は一般的に熱伝導率の劣るものであり、また、樹脂部材がギャップ内にのみ充填され、半導体素子の設置範囲からはみ出ないような対策が別途必要になる。
【０００６】
近年、ＧａＡｓを主材料とする化合物半導体デバイスに加えて、ＧａＮを主材料とする化合物半導体デバイスが実用化され始めている。後者のデバイスでは、基板材としてＳｉＣ、サファイア等の使用が一般的である。これら基板材の熱伝導率は、ＧａＡｓ、あるいはＳｉに比較して非常に良好であり、この基板材の良熱伝導性を有効に利用するためにも、半導体素子の裏面に対する放熱機構が望まれる。
【０００７】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、半導体素子を高信頼性、かつ、低コストで実装させる半導体素子の放熱機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る半導体素子の放熱機構は、表面と裏面を有し、前記表面に複数のバンプ電極を設けた半導体素子と、前記表面と対向し、複数の前記ンプ電極それぞれと物理的に接触するパッドを有する実装基板と、前記半導体素子の前記裏面に接触して該半導体素子を放熱させるヒートパイプと、を備え、該ヒートパイプは、その内部を溶媒が循環する溶媒伝導部と、該溶媒伝導部の端部分に設けられ、略平板状に形成された圧潰部と、を有し、該圧潰部が、銀ペースト接着剤を介して前記半導体素子の前記裏面に接触している。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、半導体素子を高信頼性、かつ、低コストで実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体素子の放熱機構のヒートパイプを説明するための図である。
【図２】ヒートパイプの拡大図である。
【図３】半導体素子の放熱機構による半導体素子の冷却を説明するための図である。
【図４】半導体素子の放熱機構による半導体素子の冷却を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る半導体素子の放熱機構の具体例について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体素子の放熱機構のヒートパイプを説明するための図であり、図２は、ヒートパイプの拡大図である。
図１に示すように、ヒートパイプ３０は、細長い棒状で形成され、その内部に溶媒を循環させて、吸熱箇所と放熱箇所との間の熱の授受を行うデバイスである。
【００１２】
詳しくは、図１（Ａ）に示すように、ヒートパイプ３０は、中央位置に溶媒伝導部３１を有し、溶媒伝導部３１の一端には吸熱部３１ａが設けられ、他端には放熱部３１ｂが設けられている。溶媒伝導部３１は内壁に毛細管構造（ウイックともいう）を有し、溶媒伝導部３１の内部には溶媒（例えば水、アルコール等）が密封されている。
吸熱部３１ａでは、外部から熱を奪って溶媒が蒸発する。蒸気が放熱部３１ｂに向けて移動すると、放熱部３１ｂでは、凝縮線熱を放出して溶媒が液化する。これにより、吸熱部３１ａと放熱部３１ｂとの間の熱の授受を行うことができる。なお、溶媒はウイックの毛細管力によって還流する。
【００１３】
吸熱部３１ａから放熱部３１ｂまでの長さは４０（ｍｍ）以上で形成されており、吸熱部３１ａや放熱部３１ｂの幅は３（ｍｍ）程度で、厚みが０．４（ｍｍ）程度である。
また、吸熱部３１ａの端部には、圧潰部３３が溶接部３２を介して設けられ、放熱部３１ｂの端部にも、圧潰部３３が溶接部３２を介して設けられている。
各圧潰部３３は、後述するベアチップ１０の裏面１２や放熱デバイス２０との接触面積を増やすために、上下方向（ベアチップ１０の表面１１と裏面１２を結ぶ方向）で潰れた略平板状に形成されている。吸熱部３１ａ側の圧潰部３３は、ベアチップ１０の熱を吸熱部３１ａに伝え、放熱部３１ｂ側の圧潰部３３は、放熱部３１ｂの熱を放熱デバイス２０に伝える。なお、圧潰部３３は正面視で五角形状に形成されているが、四角形状でもよい。
【００１４】
各圧潰部３３のうち、吸熱部３１ａに連結した圧潰部３３には、複数（例えば５個）の貫通穴３４が設けられている。具体的には、図１（Ｂ）や図２に示すように、圧潰部３３は、ベアチップ１０の裏面１２に対向する下面３３ｂと、この下面３３ｂの反対側に位置する上面３３ａとを有し、貫通穴３４が上面３３ａと下面３３ｂとを貫通して設けられている。
【００１５】
貫通穴３４は、例えば直径０．５ｍｍ程度で形成されて上面３３ａや下面３３ｂで開口しており、圧潰部３３の中央位置と、この中央位置を挟んでヒートパイプ３０の長手方向に１個ずつ形成され、また、この中央位置を挟んでヒートパイプ３０の短手方向にも１個ずつ形成されている。
【００１６】
図３、４は、半導体素子の放熱機構による半導体素子の冷却を説明するための図である。
図３（Ａ）に示すように、ベアチップ１０はプリント基板２に実装される。プリント基板２の下側には、例えば銅板等のヒートシンク１が設置されている。なお、ベアチップ１０が本発明の半導体素子に、プリント基板２が本発明の実装基板にそれぞれ相当する。
【００１７】
ベアチップ１０は数ｍｍ2程度の表面１１や裏面１２を有し、表面１１に複数のバンプ電極４０が形成されている。そして、裏面１２を上方に、表面１１を下方に向けた姿勢で、バンプ電極４０それぞれをプリント基板２のパッド（図示省略）と物理的に接触させる（半田リフロー実装工程）。放熱デバイス２０は、エアファンや金属筐体（ヒートシンク）等であり、プリント基板２上の適宜位置に実装される。
【００１８】
次に、図３（Ｂ）に示すように、ベアチップ１０の表面１１とプリント基板２との間に、アンダーフィル４１を流入させる（アンダーフィル注入工程）。これにより、後述する余ったナノ銀ペーストがベアチップ１０の表面１１とプリント基板２との間に流入するのも防止できる。
【００１９】
続いて、図３（Ｃ）に示すように、ベアチップ１０の裏面１２に、ナノ銀ペースト４２を塗布する（ナノ銀ペースト塗布工程）。ナノ銀ペーストは、熱伝導性が優れており、１８０℃程度の低温で硬化・接合可能であり、かつ、硬化後は銀とほぼ同じ熱伝導率を有している。なお、ナノ銀ペーストが本発明の銀ペースト接着剤に相当する。
【００２０】
吸熱部３１ａ側の圧潰部３３とベアチップ１０の裏面１２とを気密に接合させるために、ナノ銀ペースト４２を多量に使用すると、ベアチップ１０の裏面１２からベアチップ１０の側面やプリント基板２上に濡れ広がり、プリント基板２の導体パターン等をショートさせることがある。このため、ナノ銀ペースト４２は塗布量を予め評価してベアチップ１０の裏面１２に塗布する。また、図３（Ｃ）に示すように、放熱デバイス２０にもナノ銀ペースト４２を塗布する。
【００２１】
次いで、図４（Ａ）に示すように、ベアチップ１０から放熱デバイス２０まで届く適当な長さのヒートパイプ３０を準備し、吸熱部３１ａ側の圧潰部３３をベアチップ１０の裏面１２に、放熱部３１ｂ側の圧潰部３３を放熱デバイス２０にそれぞれ位置合わせする（ヒートパイプセット工程）。
圧潰部３３の下面３３ｂがナノ銀ペースト４２を用いてベアチップ１０の裏面１２に接触しているので、小型サイズの表面１１にバンプ電極４０を形成した場合にも、ヒートパイプ３０をベアチップ１０に確実に接合・固定することができる。このように、ベアチップ１０の裏面１２からの放熱パスを、ヒートパイプ３０やナノ銀ペースト４２を用いて確保したことにより、ベアチップ１０を高信頼性、かつ、低コストで実装することができる。
【００２２】
上記のようにナノ銀ペースト４２の塗布量を管理しても、多量に塗布される場合があるが、吸熱部３１ａ側の圧潰部３３には、余ったナノ銀ペースト４２を逃がすことができる例えば５個の貫通穴３４が形成されている。つまり、ナノ銀ペースト４２が圧潰部３３に押されてベアチップ１０の裏面１２上で余ったとしても、図４（Ｂ）に示すように、毛細現象によって圧潰部３３の内部を、下面３３ｂから上面３３ａに向けて這い上がる。這い上がたナノ銀ペースト４２は、その状態で硬化できるので、ベアチップ１０の側面やプリント基板２上に濡れ広がるのを確実に防止できる。
【００２３】
このヒートパイプセット工程に続き、オモリ治具４３を吸熱部３１ａ側の圧潰部３３と、放熱部３１ｂ側の圧潰部３３とにそれぞれ載せる。そして、所定の効果条件（例えば５０ｇ重程度の加圧しながら、１８０℃で２時間程度の加熱）でナノ銀ペースト４２を硬化させ、ヒートパイプ３０とベアチップ１０や放熱デバイス２０とを接合する（ヒートパイプ接合工程）。
【００２４】
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、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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】
【００２５】
１…ヒートシンク、２…プリント基板、１０…ベアチップ、１１…表面、１２…裏面、２０…放熱デバイス、３０…ヒートパイプ、３１…溶媒伝導部、３１ａ…吸熱部、３１ｂ…放熱部、３２…溶接部、３３…圧潰部、３３ａ…上面、３３ｂ…下面、３４…貫通穴、４０…バンプ電極、４１…アンダーフィル、４２…ナノ銀ペースト、４３…オモリ治具。
【図１】
2019220604.tif 000003
【図２】
2019220604.tif 000004
【図３】
2019220604.tif 000005
【図４】
2019220604.tif 000006