(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子から発生する熱を効率的に冷却部材に伝達する熱拡散部材を備えた冷却性能の優れた半導体パッケージを提供する。【解決手段】半導体パッケージ１において、熱拡散部材を構成する異方性グラファイト１１の結晶配向面１４を、冷却部材の熱移動方向あるいは熱移動面が交差するように、冷却部材１３を配置する。【選択図】図１
2022003656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）半導体素子、（Ｂ）熱拡散部材、（Ｃ）冷却部材を備える半導体パッケージであり、（Ｂ）熱拡散部材が、異方性グラファイトを含み、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記冷却部材の熱移動方向あるいは熱移動面が交差するように、前記冷却部材を配置した半導体パッケージ。
【請求項２】
（Ｃ）冷却部材がヒートパイプであり、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートパイプの熱移動方向が交差しており、その交差角度が８０度以上１００度以下となるように、前記ヒートパイプを配置した請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートパイプの熱移動方向が直交するように、前記ヒートパイプを配置した請求項２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
（Ｃ）冷却部材がヒートシンクであり、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートシンクを構成するフィンの面が交差しており、その交差角度が８０度以上１００度以下となるように、前記ヒートシンクを配置した請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートシンクを構成するフィンの面が直交するように、前記ヒートシンクを配置した請求項４に記載の半導体パッケージ。
【請求項６】
さらに、（Ｄ）補助冷却部材を備える請求項１〜請求項５のいずれかに記載の半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージにおいて、半導体素子から発生する熱による温度上昇が問題となる。半導体パッケージの温度上昇を抑制するために、例えば、半導体素子と熱拡散部材とヒートシンクなどの冷却部材を備える半導体パッケージが知られている。
熱拡散部材は半導体素子から冷却部材に熱を伝える部材であり、金属や異方性グラファイトが用いられる。異方性グラファイトは、多数のグラファイト層からなり、結晶配向面を有する。異方性グラファイトの結晶配向面に対して、異方性グラファイトは平行な方向に高い熱伝導率を示し、垂直な方向に低い熱伝導率を示す。
【０００３】
例えば、特許文献１には、グラフェンシートが積層された構造体と、支持部材を備えている異方性熱伝導素子、および、その異方性熱伝導素子を熱源およびヒートシンクと組み合わせた構造体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１には、熱拡散部材と冷却部材を配置する向きによる冷却効率については、記載されていなかった。
【０００６】
本発明は、半導体素子から発生する熱を効率的に冷却部材に伝達する熱拡散部材を備えた冷却性能の優れた半導体パッケージ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】
【０００７】
本発明者らは、半導体パッケージにおいて、熱拡散部材を構成する異方性グラファイトの結晶配向面を、冷却部材の熱移動方向あるいは熱移動面が交差するように、冷却部材を配置することで、冷却効率の優れた半導体パッケージを提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、以下を含む。
［１］（Ａ）半導体素子、（Ｂ）熱拡散部材、（Ｃ）冷却部材を備える半導体パッケージであり、（Ｂ）熱拡散部材が、異方性グラファイトを含み、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記冷却部材の熱移動方向あるいは熱移動面が交差するように、前記冷却部材を配置した半導体パッケージ。
［２］（Ｃ）冷却部材がヒートパイプであり、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートパイプの熱移動方向が交差しており、その交差角度が８０度以上１００度以下となるように、前記ヒートパイプを配置した［１］に記載の半導体パッケージ。
［３］前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートパイプの熱移動方向が直交するように、前記ヒートパイプを配置した［２］に記載の半導体パッケージ。
［４］（Ｃ）冷却部材がヒートシンクであり、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートシンクを構成するフィンの面が交差しており、その交差角度が８０度以上１００度以下となるように、前記ヒートシンクを配置した［１］に記載の半導体パッケージ。
［５］前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記ヒートシンクを構成するフィンの面が直交するように、前記ヒートシンクを配置した［４］に記載の半導体パッケージ。
［６］さらに、（Ｄ）補助冷却部材を備える［１］〜［５］のいずれかに記載の半導体パッケージ。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、冷却効率の優れた半導体パッケージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の半導体パッケージ１の斜視図
【図２】本発明の半導体パッケージ２の斜視図
【図３】本発明の半導体パッケージ３の斜視図
【図４】本発明の半導体パッケージ４の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、（Ａ）半導体素子、（Ｂ）熱拡散部材、（Ｃ）冷却部材を備える半導体パッケージであり、（Ｂ）熱拡散部材が、異方性グラファイトを含み、前記異方性グラファイトの結晶配向面に対して、前記冷却部材の熱移動方向あるいは熱移動面が交差するように、前記冷却部材を配置した半導体パッケージ。
図１に、（Ｃ）冷却部材がヒートシンクである半導体パッケージ１を示す。
図２に、（Ｃ）冷却部材がヒートパイプである半導体パッケージ２を示す。
図３に、（Ｄ）補助冷却部材を備えるる半導体パッケージ３を示す。
図４に、交差角度を定義する半導体パッケージ４の平面図を示す。
以下に、本発明の半導体パッケージを構成する各部材について説明する。
【００１１】
＜（Ａ）半導体素子＞
本発明の（Ａ）半導体素子は、特に限定されないが、トランジスタ、ダイオード、集積回路、メモリなどが挙げられる。
【００１２】
＜（Ｂ）熱拡散部材＞
本発明の（Ｂ）熱拡散部材は、少なくとも（ｂ１）異方性グラファイトを含み、異方性グラファイトに（ｂ３）無機材質層が積層していることが好ましく、さらに異方性グラファイトと無機材質層を接合する（ｂ２）金属層を含むものがより好ましい。
無機材質層は、異方性グラファイトと半導体素子の間、あるいは異方性グラファイトと冷却部材の間にあることが好ましい。
無機材質層は、異方性グラファイトの全面を被覆していることが特に好ましい。
【００１３】
＜（ｂ１）異方性グラファイト＞
本発明の異方性グラファイトは、グラファイト層が多数積層されたものである。異方性グラファイトの寸法としては、異方性グラファイトの結晶配向面をＸ−Ｚ平面に平行に配置した場合において、Ｘ軸に平行な辺の長さが４ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましい。Ｙ軸に平行な辺の長さが４ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましい。Ｚ軸に平行な辺の長さが０．６ｍｍ以上５．０ｍｍ以下が好ましい。
異方性グラファイトの製造方法としては、特に限定されないが、グラファイトブロックを、切断することで製造可能である。グラファイトブロックを切断する方法としては、ダイヤモンドカッター、ワイヤーソー、マシニングなどが挙げられる。直方体形状に容易に加工できる観点で、ワイヤーソーが好ましい。
異方性グラファイトは、表面を研磨もしくは粗面化してもよく、やすり研磨、バフ研磨、ブラスト処理など公知の技術を適宜用いることも可能である。
【００１４】
＜グラファイトブロック＞
前記グラファイトブロックとしては、特に制限はされず、高分子分解グラファイトブロック、熱分解グラファイトブロック、押出成形グラファイトブロック、モールド成形グラファイトブロックなどを用いることが可能であり、高熱伝導率を有し、異方性グラファイト伝熱部材の熱伝達性能が優れる観点から、高分子分解グラファイトブロック、熱分解グラファイトブロックが挙げられる。
前記グラファイトブロックの製造方法は、例えば、メタンなどの炭素質ガスを炉内に導入し、ヒーターで２０００℃程度まで加熱し、微細な炭素核を形成する。形成された炭素核は、基板上に体積して層状に体積し、熱分解グラファイトブロックを得ることができる。
また、前記グラファイトブロックは、ポリイミド樹脂などの高分子フィルムを多層に積層した後、プレス加圧しながら熱処理することによって作製してもよい。具体的には、高分子フィルムからグラファイトブロックを得るには、まず、出発物質である高分子フィルム多層に積層したものを、減圧下もしくは不活性ガス中で、１０００℃程度の温度まで予備加熱処理して炭素化し、炭素化ブロックとする。その後、この炭素化ブロックを不活性ガス雰囲気下、プレス加圧しながら、２８００℃以上の温度まで熱処理することによりグラファイト化させることで、良好なグラファイト結晶構造を形成することができ、熱伝導性に優れたグラファイトブロックを得ることができる。
【００１５】
グラファイトブロックの具体的な製造方法としては、たとえばＷＯ２０１５／１２９３１７公報記載の方法等があげられる。
【００１６】
＜（ｂ２）金属層＞
本発明の金属層は、異方性グラファイトと無機材質層を接合するために用いることができ、金属層の種類としては、特に限定はされないが、めっき、金属系ろう材を含む金属層を用いることが好ましい。めっきを用いた場合には、金属層と無機材質層が一体となる場合もある。
金属層として金属系ろう材を用いる場合、金属系ろう材は、異方性グラファイトと拡散接合が可能であり、また、それ自体の熱伝導率が比較的高いので、高い熱伝導性を維持することができる。金属系ろう材の種類については、特に制限されないが、高い熱伝導性を維持する観点から、銀、銅、チタンを含むことが好ましい。
金属系ろう材である場合の接合方法については、公知の材料並びに公知の技術を用いることが出来る。例えば、活性銀ろうを用いた場合、１×１０−３Ｐａの真空環境、及び７００〜１０００℃の温度範囲で１０分から１時間加熱し、これを常温まで冷却することにより接合することが可能である。また、接合状態を良好にするために、加熱時に加重をかけても良い。
また、金属系ろう材を用いて、無機材質層を異方性グラファイトの全面に接合する場合、中空枠を用いること、あるいは、有底枠を用いることが好ましい。中空枠あるいは有底枠を用いた場合、異方性グラファイトの各面にそれぞれ無機材質層を接合した場合に比べ、無機材質層同士の界面が減るため、効率的に熱を拡散することができる。
【００１７】
＜（ｂ３）無機材質層＞
本発明の無機材質層としては、金属層もしくはセラミックス層が挙げられ、金属層が好ましい。異方性グラファイトの結晶配向面に垂直な方向へは、熱が相対的に伝わりにくい。そのため、熱伝導率が比較的高く、等方性の材料と複合することで、異方性グラファイトのＹ軸方向の熱伝導性を補うことができ、より高い放熱効果を発現することができる。
金属層を形成する金属の種類としては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン、及びこれらを含む合金など公知の材料を適宜用いることができる。
セラミックス層を形成するセラミックスの種類としては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミなど公知の材料を適宜用いることができる。
熱伝導性をより高める観点からは、無機材質層としては、金属層が好ましく、金属層を形成する金属としては、銅が好ましい。
無機材質層の厚さは、１００μｍ以上３００μｍ以下が好ましく、１２０μｍ以上２５０μｍ以下がより好ましい。１００μｍ以上であれば、（ａ１）異方性グラファイトの熱が相対的に伝わりにくい方向の熱伝導性を補うことができる。また、３００μｍ以下であれば、（ａ１）異方性グラファイトの高い熱伝導率を阻害することがない。
無機材質層の形成方法としては、めっき、スパッタあるいは板を貼り付ける方法が挙げられる。熱伝導の観点で、板を貼り付ける方法が好ましい。
【００１８】
＜金属層のへの含浸＞
本発明の熱拡散部材において、無機材質層および金属層を設ける場合は、異方性グラファイトを形成するグラファイト層の層間に、金属層の金属が一部含浸していることが好ましい。グラファイト層の層間には微小な隙間があると、この隙間が熱拡散部材の熱伝達性能を阻害する場合がある。そのため、グラファイト層の層間の微小な隙間を埋めるように、金属層が含浸することが好ましい。
金属層を含浸させる方法としては、異方性グラファイトと金属層と無機材質層を接合前に、異方性グラファイトを形成するグラファイト層の層間を広げておくことが好ましい。
グラファイト層の層間を広げる方法としては、異方性グラファイトとして、ポリイミドフィルムなどの高分子フィルムを多層に積層した後、熱分解して作製される、高分子分解グラファイトを用いることが好ましい。高分子分解グラファイトは、高分子フィルムを多層に積層して作製されるため、ＣＶＤ法などによって作製される熱分解グラファイトなどに比べ、高分子フィルム間由来の層間で直線状に隙間を形成することができる。そのため、金属系ろう材を容易に含浸することができる。
【００１９】
＜（Ｃ）冷却部材＞
本発明の冷却部材は、半導体素子から発生した熱を冷却するものであれば特に制限されないが、ヒートシンク、ヒートパイプなどが挙げられる。
ヒートシンクとしては、板状フィンを有するヒートシンク、剣山状あるいは蛇腹状のヒートシンクが挙げられる。なかでも、板状フィンを有するヒートシンクが好ましい。板状フィンを有するヒートシンクは、金属性平板状の受熱プレートに複数のフィンを有するものが挙げられる。
図１に、一例として、ヒートシンクを備える半導体パッケージ１を示す。半導体素子１２、熱拡散部材１１、ヒートシンク１３を、熱拡散部材を構成する異方性グラファイトの結晶配向面に対し、ヒートシンクにおいて熱ｄ移動面である板状のフィンの面が直交するように配置している。
【００２０】
ヒートパイプとしては、密閉容器内の液体の蒸発、凝縮の相変化が繰り返されることにより、熱移動できるものであれば特に制限されず、棒状、円柱状、直方体状などが挙げられる。
図２に、一例として、ヒートパイプを備える半導体パッケージ２を示す。半導体素子２２、熱拡散部材２１、ヒートパイプ２３を、熱拡散部材を構成する異方性グラファイトの結晶配向面に対し、ヒートパイプの熱移動方向２４が直交するように配置している。
【００２１】
＜冷却部材の向き＞
本発明の半導体パッケージにおいて、熱拡散部材を構成する異方性グラファイトの結晶配向面に対し、冷却部材の熱移動方向あるいは熱移動面が交差している。  前記熱移動方向とは、冷却部材において高温部から低温部を指す方向であり、図２に示す棒状のヒートパイプの場合、棒の長さ方向を指す。熱移動面とは、例えば、図１に示すヒートシンクの場合、板状フィンの板に平行な面を指す。
【００２２】
図４に、熱拡散部材と冷却部材の交差角度を定義するために、半導体素子４１と熱拡散部材４２とヒートパイプ４３を備える半導体パッケージ４の平面図を示した。図４において、異方性グラファイトの結晶配向面に平行な方向４４とヒートパイプの熱移動方向４５がなす角度４６を、熱拡散部材と冷却部材の交差角度とした。ヒートシンクの場合、平面図において、板状フィンに平行な方向と異方性グラファイトの結晶配向面に平行な方向がなす角度とすればよい。
【００２３】
前記熱拡散部材と冷却部材の交差角度は、６０度以上１２０度以下が好ましく、８０度以上１００度以下がより好ましく、８５度以上９５度以下がさらに好ましく、９０度で直交していることが特に好ましい。
【００２４】
＜（Ｄ）補助冷却部材＞
本発明の半導体パッケージは、さらに、補助冷却部材を有することが好ましい。補助冷却部材としては、水冷式部材とファンなどの空冷式部材があげられる。
図３に、一例として、ヒートシンク３３と補助冷却部材３４などを備える半導体パッケージ３を示す。補助冷却部材３４は、図３のように、ヒートシンク３３の熱移動面である板状フィンに対し、垂直に配置することが好ましい。このように配置することで、冷却部材の各フィンの熱をより効率的に補助冷却部材に伝えることができる。
【実施例】
【００２５】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００２６】
製造例１に記載した方法でグラファイトブロックを作製し、製造例２に記載した方法で熱拡散部材を作製した。実施例１に示すように、半導体パッケージを作製し、熱伝達性能を評価した。
【００２７】
（製造例１）グラファイトブロックの作製
１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを、１５００枚積層した後、４０ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプレス加圧しながら、アルゴン雰囲気下、２９００℃まで熱処理することによりグラファイトブロック（９０ｍｍ×９０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を作製した。
得られたグラファイトブロックの結晶配向面に平行な方向の熱伝導率は１５００Ｗ／ｍＫ、結晶配向面に垂直な熱伝導率は５Ｗ／ｍＫであった。
【００２８】
（製造例２）熱拡散部材の作製
製造例１で作製したグラファイトブロック（９０ｍｍ×９０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を、ワイヤーソーで切断して異方性グラファイトを得た。異方性グラファイトの寸法は、異方性グラファイトの結晶配向面を、Ｘ−Ｚ平面に平行に配置したときに、Ｘ軸に平行な辺の長さが４０ｍｍ、Ｙ軸に平行な辺の長さが４０ｍｍ、Ｚ軸に平行な辺の長さが１．１ｍｍであった。
次に、上記のように異方性グラファイトの結晶配向面をＸ−Ｚ平面に平行に配置した異方性グラファイトの上下面に、金属層として４０ｍｍ×４０ｍｍ×５０μｍのチタン系活性銀ろう、無機材質層として４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ２００μｍの無酸素銅を重ねて、上下から１００ｋｇ／ｍ２の加重を加えた状態で、１×１０−３Ｐａの真空環境下、８５０℃で３０分加熱し、Ｘ軸に平行な辺の長さが４０ｍｍ、Ｙ軸に平行な辺の長さが４０ｍｍ、Ｚ軸に平行な辺の長さが１．５ｍｍである熱拡散部材（Ｂ１）を得た。
【００２９】
（実施例１）
半導体素子、製造例２で得た熱拡散部材（Ｂ１）、ヒートシンクを、熱拡散部材の異方性グラファイトの結晶配向面とヒートシンクの板状フィンが直交するように配置し、はんだにより接合し、半導体パッケージ（Ｐ１）を得た。
下記に記載した熱伝達性能の評価をしたところ、半導体素子の最高温度は６４．９℃であった。
【００３０】
（比較例１）
半導体素子、製造例２で得た熱拡散部材（Ｂ１）、ヒートシンクを、熱拡散部材の異方性グラファイトの結晶配向面とヒートシンクの板状フィンが平行になるように配置し、はんだにより接合し、半導体パッケージ（Ｐ２）を得た。
下記に記載した熱伝達性能の評価をしたところ、半導体素子の最高温度は８４．９℃であった。
【００３１】
（比較例２）    
半導体素子、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１．５ｍｍの銅からなる熱拡散部材（Ｂ２）、ヒートシンクをはんだにより接合し、半導体パッケージ（Ｐ３）を得た。
【００３２】
下記に記載した熱伝達性能の評価をしたところ、半導体素子の最高温度は６９．７℃であった。
【００３３】
＜熱伝達性能の評価＞
ガラスエポキシからなる基板、半導体素子、熱拡散部材、アルミ製ヒートシンク、ファンをはんだにより接合する半導体パッケージを作製した。ファンの風量は、２ｍ３／ｍｉｎ、半導体素子の発熱量は６０Ｗ、外気温度は２５℃とし、半導体素子の最高温度を測定した。
【００３４】
以下の表１に、実施例および比較例の半導体パッケージの構成と、評価結果をまとめた。
【００３５】
【表１】
2022003656.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の半導体パッケージは、冷却効率のよい半導体パッケージとして好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  半導体パッケージ
１１  熱拡散部材
１２  半導体素子
１３  ヒートシンク
１４  異方性グラファイトの結晶配向面を示す線
２  半導体パッケージ
２１  熱拡散部材
２２  半導体素子
２３  ヒートパイプ
２４  ヒートパイプの熱移動方向
２５  異方性グラファイトの結晶配向面を示す線
３  半導体パッケージ
３１  熱拡散部材
３２  半導体素子
３３  ヒートシンク
３４  補助冷却部材
３５  基板
３６  基板
４  半導体パッケージの平面図（上から見た図）
４１  半導体素子  
４２  熱拡散部材
４３  ヒートパイプ
４４  異方性グラファイトの結晶配向面に平行な方向
４５  ヒートパイプの熱移動方向
４６  交差角度
【図１】
2022003656.tif 000004
【図２】
2022003656.tif 000005
【図３】
2022003656.tif 000006
【図４】
2022003656.tif 000007