(57)【要約】【課題】半導体素子を実装する基板表面に形成させた高熱伝導部材に半導体素子と基板の接合部分から該半導体素子の熱を伝え、更に冷却部材を基板表面に熱的に接合させて冷却を行う半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は半導体素子１と、半導体素子１が搭載された実装基板２と、実装基板２表面又は実装基板２表面及び内部に形成され、半導体素子１と実装基板２の接合部分から実装基板２表面又は内部に面方向に熱を拡散させる高熱伝導部材３とを有している。高熱伝導部材３の一部又は高熱伝導部材３と熱的に接続された部材が実装基板２表面のいずれかの位置で露出しており、露出された高熱伝導部材３の一部又は露出された高熱伝導部材３と熱的に接続された部材には冷却部材４が熱的に接続されている。高熱伝導部材上の半導体素子の高さ方向にスペースがなくても十分な冷却を行うことが可能になる。【選択図】図２
2008060172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子が搭載された実装基板と、
前記実装基板表面又は前記実装基板表面及び内部に形成され、前記半導体素子と前記実装基板の接合部分から前記実装基板表面又は内部に面方向に熱を拡散させる高熱伝導部材とを具備し、
前記高熱伝導部材の一部又は前記高熱伝導部材と熱的に接続された部材が前記実装基板表面のいずれかの位置で露出しており、前記露出された高熱伝導部材の一部又は前記露出された高熱伝導部材と熱的に接続された部材には冷却部材が熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項２】
前記実装基板内部には層状に複数形成される前記高熱伝導部材と、前記高熱伝導部材と熱的に接続され基板厚さ方向に熱を伝える熱伝導部材が埋め込まれたスルーホールとが形成されており、前記スルーホール内の前記熱伝導部材は、前記高熱伝導部材の層間を熱的に接続することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記冷却部材の一部が前記半導体素子上面と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記高熱伝導部材は、人工ダイヤモンド、銅、Ａｕ、Ａｇから選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか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、半導体装置の冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を構成する半導体素子は、温度が上昇すると暴走するため、安全に動作するために規定の温度以下に制御され、とくに、高発熱性の半導体チップにおいては、ヒートスプレッダー（熱拡散板）、ヒートシンク（放熱板）、ファン等により放熱をしている。例えば、半導体素子の上面にヒートスプレッダーを被覆し、さらに、その上に放熱板を載せて放熱特性を向上させている。また一部の製品においては水冷の冷却技術も使用されている。
いずれの冷却手法も、半導体素子の上面に受熱部分を熱的に接続させて冷却を行っている。しかしながら携帯電話等の小型電子機器では薄型化が進み、このため半導体素子の上には十分なスペースが取れず、その結果、冷却が困難になることが予想される。
【０００３】
従来技術には特許文献１が開示されている。板厚方向に延びるグラファイト繊維が平面方向に並んでなる放熱板を備えた半導体装置が開示されており、熱抵抗を低減することができる。板厚方向に延びるグラファイト繊維が平面方向に並んでなる放熱板の上に全面に亘って、銅板からなる熱拡散部材が積層されている。熱拡散部材の上面中央部には半導体チップがダイスボンドされていると共に、熱拡散部材の上面端部には外部端子がセラミック材料により保持されている。熱拡散部材と外部端子とはセラミック材料により電気的に絶縁されていると共に、半導体チップと外部端子とはボンディングワイヤ等により電気的に接続されている。
【特許文献１】特開２０００−１６４７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、半導体チップを実装する基板表面に形成させた高熱伝導部材に半導体素子と基板の接合部分から該半導体素子の熱を伝え、且つ冷却部材を半導体素子表面ではなく、基板表面に熱的に接合させることにより冷却を行う半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置の一態様は、半導体素子と、前記半導体素子が搭載された実装基板と、前記実装基板表面又は前記実装基板表面及び内部に形成され、前記半導体素子と前記実装基板の接合部分から前記実装基板表面又は内部に面方向に熱を拡散させる高熱伝導部材とを具備し、前記高熱伝導部材の一部又は前記高熱伝導部材と熱的に接続された部材が前記実装基板表面のいずれかの位置で露出しており、前記露出された高熱伝導部材の一部又は前記露出された高熱伝導部材と熱的に接続された部材には冷却部材が熱的に接続されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高熱伝導部材上の半導体素子の高さ方向にスペースがなくてもフィンやヒートパイプ等の冷却部材を使用して、十分な冷却を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、図１乃至図４を参照して実施例１を説明する。
図１は、半導体素子の熱の移動を説明する半導体素子を搭載した実装基板の断面図、図２は、この実施例に係る半導体装置の断面図、図３は、図２の半導体装置の平面図、図４は、この実施例の他の例を示す半導体装置の断面図である。図２に示すように、この半導体装置は、実装基板２と、この実装基板２に搭載された少なくとも１つのパッケージングされた半導体素子１及び半導体素子１の周辺に配置された冷却部材４とから構成されている。この実施例を説明する図１乃至図３では半導体素子を構成する半導体チップは、実装基板に１個搭載されているが、本発明においては、実装基板に搭載する半導体チップは１個のみに限るものではなく、複数個を搭載することもできる。また、パッケージ内に複数のチップが入るマルチチップパッケージを用いることもできる。
半導体素子１を構成する半導体基板は、例えば、シリコン半導体からなる。実装基板２に形成されている配線及び外部との接続端子は、本発明を説明するためには必要ないので図示せず、その説明も省略する。この実施例での冷却部材４には、例えば、銅（熱伝導率：３９８Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱伝導率：２３７Ｗ／ｍＫ）などの放熱フィンもしくはヒートパイプを用いる。実装基板は、熱伝導率が低く、例えば、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維絶縁板（熱伝導率：０．３Ｗ／ｍＫ）を用いる。
【０００９】
図２及び図３に示すように、実装基板２上には高熱伝導部材３が薄膜状に形成されている。高熱伝導部材３には、例えば、人工ダイヤモンドが用いられる。高熱伝導部材３表面の所定の位置に半導体素子１が取付けられている。高熱伝導部材３の半導体素子１が取付けられていない表面の露出部分には冷却部材４、例えば、銅などからなる放熱フィンが取付けられている。高熱伝導部材として用いられる材料には、人工ダイヤモンドに限らず、銅、アルミニウム、金、銀など、例えば、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のものを用いることができる。半導体素子１は、外部端子（図示しない）を実装基板２の配線（図示しない）や電極（図示しない）などに接続する。
次に、図１を参照して、この実施例の半導体装置の冷却方法を説明する。
半導体素子１内で発生した熱は、図の垂直な矢印に示すように、ピンなどを介して実装基板２側に移動する。実装基板２側に移動した熱は、実装基板２表面上に広く形成された高熱伝導部材３に直接あるいは間接的に伝わり、水平矢印により示すように、実装基板３表面に広がる。これにより伝熱面積が増すため、実装基板２の表面を流れる風や自然対流によっても効率的に冷却をすることが可能になる。
【００１０】
また、高熱伝導部材３には、前述したように、人工ダイヤモンド等が用いられるが、これらは薄膜状であっても横方向の熱伝導率が優れているために、厚み増やコスト高を抑えることができる。
この実施例では、実装基板表面の高熱伝導部材に放熱フィンやヒートパイプ等を熱的に接続させることにより、高い冷却性能を実現することができ、且つ半導体チップ上にフィン等を接続するよりも全体の高さを低く抑えることが可能である。またフィン等を取り付ける位置は半動体素子の周囲全面でもよく、一部でもよい。
【００１１】
図４は、この実施例の半導体装置の他の例である。この半導体装置は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプのパッケージングされた半導体素子を用いている。図４に示すように、実装基板２上には高熱伝導部材３が薄膜状に形成されている。高熱伝導部材３表面の所定の位置に半導体素子１が取付けられている。高熱伝導部材３の半導体素子１が取付けられていない表面の露出部分には冷却部材４が接着剤などで接合されている。この半導体素子１は、裏面に半田ボールなどの外部端子７を有するパッケージ基板６と、このパッケージ基板６上に形成され、半田ボールなどの端子が裏面に形成された半導体基板８とから構成されている。パッケージ基板６は、多層配線構造になっており、パッケージ基板６表面の配線に半導体基板８の端子が電気的に接続されて、半導体素子１の外部端子７と半導体基板８内部に形成された集積回路等とは電気的に接続されている。半導体素子１は、更に半導体基板８とパッケージ基板６表面に接触し、これらを被覆する銅もしくはアルミなどからなるヒートスプレッダ９が取付けられている。ヒートスプレッダを有しているので、図３の半導体装置に比較して発生する熱の拡散に優れている。
【実施例２】
【００１２】
次に、図５を参照して実施例２を説明する。
この実施例では、複数の高熱伝導部材を実装基板表面だけでなく、その内部にも設け、それらを熱伝導部材が埋め込まれたスルーホールで熱的に接続したことに特徴がある。
図５は、この実施例に係る半導体装置の断面図である。図５に示すように、この半導体装置は、実装基板２２と、この実装基板２２に搭載された少なくとも１つの半導体素子２１（この実施例では１個）及び半導体素子２１の周辺に配置された冷却部材２４とから構成されている。半導体素子２１を構成する半導体基板は、例えば、シリコン半導体からなる。実装基板２２に形成されている配線及び外部との接続端子は、本発明を説明するためには必要ないので図示せず、その説明も省略する。この実施例での冷却部材２４には、例えば、銅やアルミニウムなどの放熱フィンもしくはヒートパイプを用いる。実装基板２２は、例えば、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維絶縁板を用いる。
【００１３】
実装基板２２の表面には、高熱伝導部材２３が薄膜状に形成されている。また、実装基板２２内部にも高熱伝導部材２５が薄膜状に形成されている。そして、両高熱伝導部材２３、２５は、実装基板２２に形成されたスルーホール２６に埋め込まれている銅などの熱伝導部材２７を介して熱的に接続されている。高熱伝導部材２３、２５には、例えば、人工ダイヤモンドが用いられる。高熱伝導部材２３表面の所定の位置であって、半導体素子２１が取付けられていない露出部分に冷却部材２４、例えば、銅などからなる放熱フィンが取付けられている。高熱伝導部材として用いられる材料には、人工ダイヤモンドに限らず、銅、アルミニウム、金、銀などを用いることができる。この実施例に用いる半導体素子２１は、図４と同じのＢＧＡタイプのパッケージングされた半導体素子である。この半導体素子２１は、裏面に半田ボールなどの外部端子を有するパッケージ基板と、このパッケージ基板上に形成され、半田ボールなどの端子が裏面に形成された半導体基板とから構成されている。パッケージ基板は、多層配線構造になっており、パッケージ基板表面の配線に半導体基板の端子が電気的に接続されて、半導体素子２１の外部端子と半導体基板内部に形成された集積回路等とは電気的に接続されている。半導体素子２１は更に半導体基板とパッケージ基板表面に接触し、これらを被覆する銅もしくはアルミなどからなるヒートスプレッダ２９が取付けられている。
【００１４】
次に、この実施例の半導体装置の冷却方法を説明する。
半導体素子２１内で発生した熱は、ピンなどを介して実装基板２２側に移動する。実装基板２２側に移動した熱は、実装基板２２表面上に広く形成された高熱伝導部材２３に直接あるいは間接的に伝わり、実装基板２３表面に広がる。これにより伝熱面積が増すため、実装基板２２の表面を流れる風や自然対流によっても効率的に冷却をすることが可能になる。即ち、高熱伝導部材２３を横方向に広がる熱は、冷却部材２４に移動しここで冷却される。また、高熱伝導部材２３に伝わった熱は、スルーホール２６に埋め込まれた熱伝導部材２７を介して、実装基板２２内部の高熱伝導部材２５に伝わる。高熱伝導部材２５に伝わった熱は、冷却部材２４の下まで移動し、熱伝導部材２７及び高熱伝導部材２３を介して冷却部材２４に移動しここで冷却される。
【００１５】
また、高熱伝導部材は、薄膜状であっても横方向の熱伝導率が優れているために、厚み増やコスト高を抑えることができる。
以上、この実施例では、実装基板表面の高熱伝導部材に放熱フィンやヒートパイプ等を熱的に接続させることにより、高い冷却性能を実現することができ、且つ半導体素子上にフィン等を接続するよりも全体の高さを低く抑えることが可能である。またフィン等を取り付ける位置は半動体素子の周囲全面でもよく、一部でももよい。また、図５では半導体素子と同じ側に冷却部材を取り付けているが、実装基板の裏面側に取付けるように構成することもできる。高熱伝導部材を複数にすることにより冷却効果は更に向上する。
【実施例３】
【００１６】
次に、図６を参照して実施例３を説明する。
図６は、この実施例に係る半導体装置の断面図である。図６に示すように、この半導体装置は、実装基板３２と、この実装基板３２に搭載された少なくとも１つの半導体素子３１（この実施例では１個）及び半導体素子３１の周辺に配置された冷却部材３４とから構成されている。半導体素子３１を構成する半導体基板は、例えば、シリコン半導体からなる。実装基板３２に形成されている配線及び外部との接続端子は、本発明を説明するためには必要ないので図示せず、その説明も省略する。この実施例での冷却部材３４には、例えば、銅やアルミニウムなどの放熱フィンもしくはヒートパイプを用いる。実装基板には、例えば、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維絶縁板を用いる。
【００１７】
実装基板３２上及び内部には高熱伝導部材３３が薄膜状に形成されている。これらの高熱伝導部材は、スルーホールを介して熱的に接続されている。高熱伝導部材３３には、例えば、人工ダイヤモンドが用いられる。高熱伝導部材３３表面の所定の位置に半導体素子３１が取付けられている。この実施例に用いる半導体素子３１は、図４と同じのＢＧＡタイプのパッケージングされた半導体素子である。この半導体素子３１は、裏面に半田ボールなどの外部端子を有するパッケージ基板と、このパッケージ基板上に形成され、半田ボールなどの端子が裏面に形成された半導体基板とから構成されている。パッケージ基板は、多層配線構造になっており、パッケージ基板表面の配線に半導体基板の端子が電気的に接続されて、半導体素子３１の外部端子と半導体基板内部に形成された集積回路等とは電気的に接続されている。半導体素子３１は更に半導体基板とパッケージ基板表面に接触し、これらを被覆する銅もしくはアルミなどからなるヒートスプレッダ３９が取付けられている。
【００１８】
高熱伝導部材３３の半導体素子３１が取付けられていない表面の露出部分には冷却部材３４、例えば、銅などからなる放熱フィンが取付けられている。さらに、この実施例では、半導体素子３１に熱的に接続されているヒートスプレッダ３９上及び冷却部材３４上に熱的に接続されたアルミニウムなどの熱伝導金属板３５を接着剤などにより接合する。高熱伝導部材として用いられる材料には、人工ダイヤモンドに限らず、銅、アルミニウム、金、銀などを用いることができる。半導体素子３１は、外部端子を実装基板３２の配線（図示しない）や電極（図示しない）などに接続する。
【００１９】
次に、この実施例の半導体装置の冷却方法を説明する。
半導体素子３１内で発生した熱は、実装基板３２側に移動する。実装基板３２側に移動した熱は、実装基板３２表面上に広く形成された高熱伝導部材３３に直接あるいは間接的に伝わり、実装基板３３表面に広がる。これにより伝熱面積が増すため、実装基板３２の表面を流れる風や自然対流によっても効率的に冷却をすることが可能になる。
また、高熱伝導部材３３には、前述したように、人工ダイヤモンド等が用いられるが、これらは薄膜状であっても横方向の熱伝導率が優れているために、厚み増やコスト高を抑えることができる。
この実施例では、実装基板表面の高熱伝導部材に放熱フィンやヒートパイプ等を熱的に接続させること及び半導体素子表面のヒートスプレッダに接続した熱伝導金属板を冷却部材に接触させることにより、半導体素子の上下両面から熱を冷却部材に伝えることができ、高い冷却性能を実現することができ、且つ半導体素子上にフィン等を接続するよりも全体の高さを低く抑えることが可能である。また、フィン等を取り付ける位置は、半動体素子の周囲全面でも良く、一部でも良い。
【実施例４】
【００２０】
次に、図７を参照して実施例４を説明する。
図７は、この実施例に係る半導体装置の断面図である。図７に示すように、この半導体装置は、実装基板４２と、この実装基板４２に搭載された少なくとも１つの半導体素子４１（この実施例では１個）及び半導体素子４１の周辺に配置された冷却部材４４とから構成されている。半導体素子４１を構成する半導体基板は、例えば、シリコン半導体からなる。実装基板４２に形成されている配線及び外部との接続端子は、本発明を説明するためには必要ないので図示せず、その説明も省略する。この実施例での冷却部材４４は、冷媒流路を用いる。冷媒を流路に流して冷却効果を高める。実装基板には、例えば、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維絶縁板を用いる。
【００２１】
実装基板４２上には高熱伝導部材４３が薄膜状に形成されている。高熱伝導部材４３には、例えば、人工ダイヤモンドが用いられる。高熱伝導部材４３表面の所定の位置に半導体素子４１が取付けられている。この実施例に用いる半導体素子４１は、図４と同じのＢＧＡタイプのパッケージングされた半導体素子である。この半導体素子４１は、裏面に半田ボールなどの外部端子を有するパッケージ基板と、このパッケージ基板上に形成され、半田ボールなどの端子が裏面に形成された半導体基板とから構成されている。パッケージ基板は、多層配線構造になっており、パッケージ基板表面の配線に半導体基板の端子が電気的に接続されて、半導体素子４１の外部端子と半導体基板内部に形成された集積回路等とは電気的に接続されている。半導体素子４１は更に半導体基板とパッケージ基板表面に接触し、これらを被覆する銅もしくはアルミなどからなるヒートスプレッダ４９が取付けられている。高熱伝導部材４３の半導体素子４１が取付けられていない表面の露出部分には冷媒流路からなる冷却部材４４が取付けられている。
【００２２】
さらに、この実施例では、半導体素子４１に熱的に接続されているヒートスプレッダ４９上及び冷却部材４４上に熱的に接続されたアルミニウムなどの熱伝導金属板４５を接着剤などにより接合する。高熱伝導部材として用いられる材料には、人工ダイヤモンドに限らず、銅、アルミニウム、金、銀などを用いることができる。半導体素子４１は、外部端子を実装基板４２の配線（図示しない）や電極（図示しない）などに接続する。
【００２３】
次に、この実施例の半導体装置の冷却方法を説明する。
半導体素子４１内で発生した熱は、実装基板４２側に移動する。実装基板４２側に移動した熱は、実装基板４２表面上に広く形成された高熱伝導部材４３に直接あるいは間接的に伝わり、実装基板４３表面に広がる。これにより伝熱面積が増すため、実装基板４２の表面を流れる風や自然対流によっても効率的に冷却をすることが可能になる。
また、高熱伝導部材４３には、前述したように、人工ダイヤモンド等が用いられるが、これらは薄膜状であっても横方向の熱伝導率が優れているために、厚み増やコスト高を抑えることができる。
この実施例では、実装基板表面の高熱伝導部材に冷媒流路（水冷用受熱ジャケット）を熱的に接続させること及び半導体素子表面の熱伝導金属板を冷却部材に接触させることにより、半導体素子の上下両面から熱を冷却部材に伝えるので、高い冷却性能を実現することができ、且つ半導体素子上にフィン等を接続するよりも全体の高さを低く抑えることが可能である。
【００２４】
本発明によれば、高熱伝導部材上の半導体素子の高さ方向にスペースがなくてもフィンやヒートパイプ等の冷却部材を使用して、十分な冷却を行うことが可能になり、薄い電子機器、携帯電話、パソコン、ゲーム機等に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例である実施例１の半導体素子の熱の移動を説明する半導体素子を搭載した実装基板の断面図。
【図２】実施例１に係る半導体装置の断面図。
【図３】図２の半導体装置の平面図。
【図４】実施例１の他の例を示す半導体装置の断面図。
【図５】本発明の一実施例である実施例２に係る半導体装置の断面図。
【図６】本発明の一実施例である実施例３に係る半導体装置の断面図。
【図７】本発明の一実施例である実施例４に係る半導体装置の断面図。
【符号の説明】
【００２６】
１、２１、３１、４１・・・半導体素子
２、２２、３２、４２・・・実装基板
３、２３、２５、３３、４３・・・高熱伝導部材
４、２４、３４、４４・・・冷却部材
６・・・パッケージ基板
７・・・外部端子
８・・・半導体基板
９、２９、３９、４９・・・ヒートスプレッダ
２６・・・スルーホール
２７・・・熱伝導部材
３５、４５・・・熱伝導金属板
【図１】
2008060172.tif 000003
【図２】
2008060172.tif 000004
【図３】
2008060172.tif 000005
【図４】
2008060172.tif 000006
【図５】
2008060172.tif 000007
【図６】
2008060172.tif 000008
【図７】
2008060172.tif 000009