(57)【要約】  【課題】  実装基板１１上に実装されかつその上にヒートシンク１４を取付けたＣＰＵ１３の放熱性能を改善する。  【解決手段】  実装基板１１上に実装されるとともに、その上にヒートシンク１４を取付けて半導体素子１３が発生する熱を放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、上記半導体素子１３の上面とヒートシンク１４の下面との間、あるいは上記半導体素子１３と接していないヒートシンク１４の外表面の所定の部位に、ほぼ十字状のカーボングラファイトシート１８を介装し、あるいは接合し、外側部側に側方に突出するように形成されている短冊状の４つの突出片１９を上記ヒートシンク１４に対してその側方に位置するように斜めに折曲げる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に実装された半導体素子上にヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、
前記半導体素子と前記ヒートシングとの間または前記ヒートシンクの外表面にカーボングラファイトシートを介装または接合することを特徴とする半導体素子の放熱装置。
【請求項２】
前記カーボングラファイトシートが前記ヒートシンクの一辺または二辺以上の側方に突出する突出片を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項３】
前記カーボングラファイトシートが接着シートを介して前記半導体素子の表面に接合されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項４】
前記カーボングラファイトシートの前記半導体素子と接合される部位または前記カーボングラファイトシートの前記ヒートシンクと接合される部位に熱伝導性グリースが塗布されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項５】
前記カーボングラファイトシートの所定の位置に開口が形成され、該開口によって前記半導体素子を逃げて前記カーボングラファイトシートが前記ヒートシンクの前記半導体素子との接合面の周縁部に接合されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項６】
前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片にさらにカーボングラファイトシートの接合片または折曲げ片が接合されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項７】
複数枚のカーボングラファイトシートを具備し、これらのカーボングラファイトシートの半導体素子またはヒートシンクと接する部位間および側方に突出する突出片間に前記カーボングラファイトシートよりも厚いカーボングラファイト製のパッドを介装したことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項８】
前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片に切込みが形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項９】
前記カーボングラファイトシートの前記突出片の先端部が筐体の内表面に接合されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の放熱装置。
【請求項１０】
前記半導体素子が中央演算処理装置（ＣＰＵ）であることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れかに記載の半導体素子の放熱装置。
【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装置に係り、とくに基板に実装された半導体素子上にヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パソコンや各種の電子機器の演算手段として中央演算処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）が広く用いられている。このようなＣＰＵは通常半導体のベアチップを樹脂あるいはセラミックによって封止してパッケージ化したものであって、その外表面の所定の位置に電極あるいはリードが取付けられ、このＣＰＵをマザーボード上に実装してマザーボードの接続用ランドに上記の電極あるいはリードを半田付けして接続するようにしている。
【０００３】
一方でＣＰＵの高性能化と演算速度の高速化とが進み、これに伴って動作時に内部でジュール熱を発生する。このような熱はパッケージを通して外表面に伝わる。そこでＣＰＵの内部を冷却するために、上記ＣＰＵの外表面に接するように純アルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導性に富む材料から成るヒートシンクを取付け、このヒートシンクを介して大気中に熱を放出している。
【０００４】
しかるに従来の単なるヒートシンクによる放熱のみでは、ＣＰＵの放熱を十分に行なうことができず、ＣＰＵが異常に高い温度、例えば１００℃以上の温度に昇温し、これによってＣＰＵの寿命を制限したり、処理動作に不具合を生じたりする可能性がある。従って半導体素子、とくにＣＰＵにおいては、より効果的な放熱装置を設けることを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の課題は、ＣＰＵ等の半導体素子の放熱をより効果的に行ない得るようにした放熱装置を提供することである。
【０００６】
本願発明の別の課題は、低コストでしかも放熱性能を大幅に改善することが可能な半導体素子の放熱装置を提供することである。
【０００７】
本願発明のさらに別の課題は、ＣＰＵを構成する半導体素子の温度上昇をより確実に防止できるようにした半導体素子の放熱装置を提供することである。
【０００８】
本願発明の上記の課題および他の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の主要な発明は、基板に実装された半導体素子上にヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、
前記半導体素子と前記ヒートシングとの間または前記ヒートシンクの外表面にカーボングラファイトシートを介装または接合することを特徴とする半導体素子の放熱装置に関するものである。
【００１０】
ここで前記カーボングラファイトシートが前記ヒートシンクの一辺または二辺以上の側方に突出する突出片を備えてよい。また前記カーボングラファイトシートが接着シートを介して前記半導体素子の表面に接合されてよい。また前記カーボングラファイトシートの前記半導体素子と接合される部位または前記カーボングラファイトシートの前記ヒートシンクと接合される部位に熱伝導性グリースが塗布されてよい。また前記カーボングラファイトシートの所定の位置に開口が形成され、該開口によって前記半導体素子を逃げて前記カーボングラファイトシートが前記ヒートシンクの前記半導体素子との接合面の周縁部に接合されてよい。また前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片にさらにカーボングラファイトシートの接合片または折曲げ片が接合されてよい。また複数枚のカーボングラファイトシートを具備し、これらのカーボングラファイトシートの半導体素子またはヒートシンクと接する部位間および側方に突出する突出片間に前記カーボングラファイトシートよりも厚いカーボングラファイト製のパッドを介装してよい。また前記カーボングラファイトシートの側方に突出する突出片に切込みが形成されてよい。また前記カーボングラファイトシートの前記突出片の先端部が筐体の内表面に接合されてよい。また前記半導体素子が中央演算処理装置（ＣＰＵ）であってよい。
【発明の効果】
【００１１】
本願の主要な発明は、基板に実装された半導体素子上にヒートシンクを取付けて放熱するようにした半導体素子の放熱装置において、半導体素子とヒートシングとの間またはヒートシンクの外表面にカーボングラファイトシートを介装または接合するようにしたものである。
【００１２】
従ってこのような半導体素子の放熱装置によれば、半導体素子とヒートシンクとの間またはヒートシンクの外表面に介装または接合されたカーボングラファイトシートがより確実にヒートシンクに対して半導体素子の内部で発生した熱を伝達することになり、またはこのカーボングラファイトシートそれ自身が放熱を行なうために、ヒートシンクのみによる放熱に比べて放熱性能が改善される。従って半導体素子の過度の温度上昇が確実に抑えられ、半導体素子が熱によって劣化してその寿命が短くなることが回避される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１〜図３は第１の実施の形態を示している。ここではマザーボードから成る実装基板１１上の所定の位置にソケット１２がマウントされるとともに、このソケット１２に半導体素子、例えばＣＰＵ１３が接続され、このＣＰＵ１３の電極が上記ソケット１２を介してマザーボード１１の接続用ランドに接続され、これによってマザーボード１１上の回路との間での電気的な接続が確立される。そしてＣＰＵ１３の上面にはヒートシンク１４が取付けられる。ヒートシンク１４はアルミニウム合金から成り、互いに平行な多数の溝を形成し、これらの溝間にフィン１５が形成されるようにしたものであって、フィン１５によって広い表面積を得、このような表面積の広い部分を大気と接触させることによって大気中に熱を逃がすものである。
【００１４】
このようなＣＰＵ１３の実装構造において、とくにここではカーボングラファイトシート１８が用いられる。グラファイトシート１８は天然の黒鉛を圧延し、樹脂を用いてその表面を絶縁封止してシート状に構成したものである。なおこのようなカーボングラファイトシート１８の表面には、必要であれば多数の筋を形成してもよい。また形成される筋の方向は、熱の伝達方向とほぼ一致するように形成することもできる。
【００１５】
このようなカーボングラファイトシート１８は図３に示すように、その外側側の四方にそれぞれ突出片１９を備えている。突出片１９は後述するように放熱部位になる。そしてこのようなカーボングラファイトシート１８をＣＰＵ１３とヒートシンク１４との間に挟着して取付ける。しかもこのカーボングラファイトシート１８の四方に突出する突出片１９を図２に示すように、ヒートシンク１４の側方に位置するように必要に応じて斜めに折曲げる。そして上記ヒートシンク１４を固定手段によって実装基板１１に固定すると、カーボングラファイトシート１８は半導体素子１３とヒートシンク１４との間に挟着された状態でその両側の表面が半導体素子１３の上面とヒートシンク１４の下面とにそれぞれ圧着される。なお半導体素子１３とカーボングラファイトシート１８との間および／またはカーボングラファイトシート１８とヒートシンク１４の底面との間に熱伝導性グリースを塗布しておくことが好ましい。
【００１６】
このような半導体素子１３の放熱装置によれば、この半導体素子を構成するＣＰＵ１３が演算動作を行なう際に、内部で発生するジュール熱をこの半導体素子１３のパッケージを通してカーボングラファイトシート１８とヒートシンク１４とに伝達することになる。すなわちここで発生した熱はカーボングラファイトシート１８からヒートシンク１４に伝達されるために、そのフィン１５と接触する大気中に放熱される。さらに一部の熱はカーボングラファイトシート１８それ自身の放熱機能によって放熱される。すなわちカーボングラファイトシート１８はアルミニウム合金から成るヒートシンク１４よりも放熱性に優れており、その四辺に突出する突出片１９が放熱動作を行なう。従ってヒートシンク１４による放熱動作と、カーボングラファイトシート１８による放熱動作とが重畳される。よって単位時間当りの放熱量が増加し、半導体素子１３の温度上昇が防止され、従来よりも放熱効果が改善される。
【００１７】
次に別の実施の形態を図４〜図７によって説明する。この実施の形態はヒートシンク１４の上部に強制冷却用の冷却ファン２３を配するとともに、接着シート２６によって半導体素子１３とカーボングラファイトシート１８とを互いに接合する構造を採用している。
【００１８】
ここで接着シート２６は図５に示すように、接着剤層の中に導電性粒子２７を多数分散させたものである。導電性粒子２７は図６に示すように樹脂ボール２８の表面にニッケル層２９を形成し、さらにその上に金層３０を形成している。なおこのような接着シートは異方性導電膜と称されており、例えばソニーケミカル株式会社等によって供給されている。ここでは同社製の例えば品番がＣＰ７６３２Ｋが用いられている。
【００１９】
半導体素子１３にカーボングラファイトシート１８を接合する際に、両者の間に介在される接着シート２６をその厚さ方向に圧縮すると、導電性粒子２７が図７に示すように互いに接触し、これによって厚さ方向に熱の伝達が確実に生ずるようになる。従ってこのような接着シート２６によって、カーボングラファイトシート１８が半導体素子１３の表面に確実に接合されるとともに、この半導体素子１３で発生した熱を上記接着シート２６を介してカーボングラファイトシート１８に確実に伝達することが可能になる。またここでは上述の如くヒートシンク１４上に冷却ファン２３が取付けられている。従ってこの冷却ファン２３によってヒートシンク１４のフィン１５の間の溝の部分に大気を強制的に送ることによって、ヒートシンク１４の放熱性能をさらに高めることが可能になり、より高い放熱性が確保される。
【００２０】
次にさらに別の実施の形態を図８によって説明する。この実施の形態は半導体素子１３とヒートシンク１４との間に介装されるカーボングラファイトシート１８のとくに半導体素子１３の上面に当る部分に矩形の開口３４を形成したものである。この矩形の開口３４は上記半導体素子１３のパッケージの大きさよりも一回り大きな寸法とし、これによって開口３４が半導体素子１３を逃げるようにする。そしてこのようなカーボングラファイトシート１８を図９に示すようにヒートシンク１４の底面であってその周縁部に接合する。このときに開口３４に上記半導体素子１３が位置するようにし、これによって半導体素子１３はヒートシンク１４の底面に直接接触するようになる。
【００２１】
従ってこのような構成によれば、半導体素子１３で発生した熱は直接ヒートシンク１４の底面に伝達されるとともに、このヒートシンク１４の底面に伝達された熱がヒートシンク１４のフィン１５によって放熱されるばかりでなく、ヒートシンク１４の底面に接合されたカーボングラファイトシート１８に伝達され、その突出片１９によって放熱されることになる。従ってこのような構成によれば、さらに放熱性が改善された半導体素子の放熱装置が得られる。
【００２２】
図１０は上記放熱装置にさらに変形を加えた構成を示しており、ヒートシンク１４の底面に接合されたカーボングラファイトシート１８の側方に突出する突出片１９の表面に同じくカーボングラファイトシートの接合片４６を接合しており、突出片１９の先端側の部分が３層構造になっている。従ってこれにより、突出片１９の部分における放熱性がさらに改善される。
【００２３】
図１１はさらに別の変形例を示している。この変形例は、ヒートシンク１４の底面に接合されるとともに、開口３４によって半導体素子１３を逃げているカーボングラファイトシート１８の側方に突出する突出片１９に断面がＬ字状に屈曲した折曲げ片４７を接合したものである。このような折曲げ片４７を接合することによって、側方に突出した突出片１９の放熱性がさらに改善される。
【００２４】
次に図１２および図１３によってさらに別の変形例を説明する。この変形例は図１２に示すように２枚のカーボングラファイトシート１８を備えている。これらのカーボングラファイトシート１８はその厚さが、例えば２０μｍの非常に薄いカーボングラファイトシートから構成されており、しかもその４辺には側方に突出するように一体に突出片１９が形成されている。そしてこれらのカーボングラファイトシート１８間には５枚の矩形のパッド４８が配されている。すなわちこれらのカーボングラファイトシート１８の半導体素子１３あるいはヒートシンク１４の底部に接する部位と側方へ突出した突出片１９間にそれぞれ厚さが、例えば２．０ｍｍのカーボングラファイトシート４８が介装されている。これらのパッド４８は粘着層を介して上下のカーボングラファイトシート１８の対応する部位に接合されている。
【００２５】
図１３はこのようなカーボングラファイトシート１８とパッド４８との組合わせから成る放熱装置によってＣＰＵ１３の放熱を行なう状態を示しており、フィン１５を備えるヒートシンク１４の底面に２枚のカーボングラファイトシート１８の中央部であってパッド４８を接合した部位を配するとともに、側方に突出する４つの突出片１９間にそれぞれパッド４８を接合した構造になっている。従ってこのような構成によれば、ＣＰＵ等の半導体素子１３からの熱がカーボングラファイトシート１８によってヒートシンク１４に伝達されるとともに、このカーボングラファイトシート１８の側方へ突出する突出片１９の部位においても、パッド４８を挟着して厚くなっている部分で熱を効果的に放熱させることが可能になる。しかもこのカーボングラファイトシート１８のヒートシンク１４の側縁よりも外側の屈曲される部位がパッド４８を含んでいないために、容易に屈曲させることが可能になる。
【００２６】
図１４は上記カーボングラファイトシート１８の変形例を示している。この変形例に係るカーボングラファイトシート１８の側方に突出する４つの突出片１９の先端部には切込みによって分割された複数の三角形の突片５１が形成され、このような突片５１によって先端効果を生じ、この先端効果によって突出片１９の先端部からの放熱性がさらに改善されることになる。なおこのカーボングラファイトシート１８の取付け構造は上記図９の取付け構造と同一であってよい。
【００２７】
図１５はさらに別の実施の形態を示している。この実施の形態は、カーボングラファイトシート１８の外側部に形成される突出片１９をより長くするとともに、この突出片１９の先端側の部分を折曲げて折返し片４０とし、この折返し片４０の外表面を接着シート４１を介して筐体４２の内表面に接合している。従ってこのような構成によれば、上記カーボングラファイトシート１８の突出片１９に流れる熱が、さらに筐体４２に伝達されることになり、この筐体４２が放熱手段を構成することになる。従ってカーボングラファイトシート１８による放熱性能を筐体４２の放熱を利用してより高めることが可能になる。
【００２８】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は何れも半導体素子１３としてＣＰＵを用いた例を示しているが、本願発明は必ずしもＣＰＵに限られることなく、その他各種の半導体素子の放熱装置に広く利用可能である。またそのパッケージの形態や実装基板１１に対する実装形態についても、上記実施の形態に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本願発明は、ＣＰＵ等の半導体素子が発生する熱の放熱に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施の形態の放熱装置の分解斜視図である。
【図２】同放熱装置の縦断面図である。
【図３】カーボングラファイトシートの展開平面図である。
【図４】第２の実施の形態の放熱装置の縦断面図である。
【図５】接着シートの拡大断面図である。
【図６】接着シートに含まれる導電性粒子の拡大縦断面図である。
【図７】接着シートによる接合構造を示す拡大断面図である。
【図８】別の実施の形態のカーボングラファイトシートの展開平面図である。
【図９】このカーボングラファイトシートを用いた放熱装置の縦断面図である。
【図１０】変形例に係る放熱装置の縦断面図である。
【図１１】さらに別の変形例に係る放熱装置の縦断面図である。
【図１２】さらに別の変形例に係る放熱装置のカーボングラファイトシートの分解斜視図である。
【図１３】同放熱装置の縦断面図である。
【図１４】変形例のカーボングラファイトシートの展開平面図である。
【図１５】さらに別の実施の形態の放熱装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１  実装基板（マザーボード）
１２  ソケット
１３  半導体素子（ＣＰＵ）
１４  ヒートシンク
１５  フィン
１８  カーボングラファイトシート
１９  突出片
２３  冷却ファン
２６  接着シート
２７  導電性粒子
２８  樹脂ボール
２９  ニッケル層
３０  金層
３４  開口
３５  小孔
３６  小孔
４０  折返し片
４１  接着シート
４２  筐体
４６  接合片
４７  折曲げ片
４８  パッド（カーボングラファイトシート）
５１  三角形の突出片
【図１】
2005311079.tif 000003
【図２】
2005311079.tif 000004
【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】
2005311079.tif 000013
【図１２】
2005311079.tif 000014
【図１３】
2005311079.tif 000015
【図１４】
2005311079.tif 000016
【図１５】
2005311079.tif 000017