(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子を有する半導体装置を配線基板上に電極接続用導電材料を介して電気的に接続、搭載する工程と、
前記半導体装置が搭載された配線基板を上部筐体と下部筐体とに分割された筐体内に収納する工程とを有してなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置が搭載された配線基板を筐体内に収納する工程においては、前記半導体装置と筐体との隙間に熱伝導性弾性体を介挿し、上部筐体と下部筐体とを嵌合圧着することにより、前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着すると共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程を含み、前記熱伝導性弾性体は、常温において前記電極接続用導電材料より柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さいシート状熱伝導性弾性体からなり、
前記配線基板を筐体内に収納する工程の後工程として、前記配線基板が収納された筐体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持する工程を付加したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
発熱素子を有する半導体装置を配線基板上に電極接続用導電材料を介して電気的に接続、搭載する工程と、
前記半導体装置が搭載された配線基板を上部筐体と下部筐体とに分割された筐体内に収納する工程とを有してなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置が搭載された配線基板を筐体内に収納する工程においては、前記半導体装置と筐体との隙間に熱伝導性弾性体を介挿し、上部筐体と下部筐体とを嵌合圧着することにより、前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着すると共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程と、前記圧縮荷重を加えた状態で熱伝導性弾性体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持する工程とを含み、前記熱伝導性弾性体は、常温において前記電極接続用導電材料より柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さいシート状熱伝導性弾性体からなり、前記半導体装置の熱を前記熱伝導性弾性体を介して前記筐体に伝導するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
発熱素子を有する半導体装置を配線基板上に電極接続用導電材料を介して電気的に接続、搭載する工程と、
前記半導体装置が搭載された配線基板を上部筐体と下部筐体とに分割された筐体内に収納する工程とを有してなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置が搭載された配線基板を筐体内に収納する工程においては、
（１）前記配線基板上の半導体装置に電気的に接続される電極端子と光ファイバーに接続される光学端子とを有している光素子を、前記筐体内壁に予め配設する工程と、
（２）前記半導体装置と筐体との隙間に熱伝導性弾性体を介挿し、上部筐体と下部筐体とを嵌合圧着することにより、前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着すると共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程とを含み、前記熱伝導性弾性体は、常温において前記電極接続用導電材料より柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さいシート状熱伝導性弾性体からなり、
前記配線基板を筐体内に収納する工程の後工程として、前記配線基板が収納された筐体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持する工程を付加したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
発熱素子を有する半導体装置を配線基板上に電極接続用導電材料を介して電気的に接続、搭載する工程と、
前記半導体装置が搭載された配線基板を上部筐体と下部筐体とに分割された筐体内に収納する工程とを有してなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置が搭載された配線基板を筐体内に収納する工程においては、
（１）前記配線基板上の半導体装置に電気的に接続される電極端子と光ファイバーに接続される光学端子とを有している光素子を、予め前記筐体内壁に配設する工程と、
（２）前記半導体装置と筐体との隙間に熱伝導性弾性体を介挿し、上部筐体と下部筐体とを嵌合圧着することにより、前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着すると共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程と、
（３）前記圧縮荷重を加えた状態で熱伝導性弾性体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持する工程とを含み、前記熱伝導性弾性体は、常温において前記電極接続用導電材料より柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さいシート状熱伝導性弾性体からなり、前記半導体装置の熱を前記熱伝導性弾性体を介して前記筐体に伝導するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱伝導性弾性体は、熱伝導率が、1.0〜7.0 Ｗ／m・Ｋであって、室温での弾性率が、0.5〜5.0ＭＰaであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱伝導性弾性体は、変形抵抗を単位圧縮率あたりに必要な荷重で表わしたとき、３０℃での変形抵抗に対して、１００℃での変形抵抗が１／３〜１／２であるゴム質材からなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着する共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程においては、前記熱伝導性弾性体が前記半導体装置に接触する第一の部位の厚さをｔ1、その周囲の前記半導体装置に接触しない第二の部位の厚さをｔ2としたとき、厚さｔ1がｔ2の４０〜７０％となるように圧縮装着することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、配線基板上に搭載された半導体装置を、筐体内に放熱性良好に、かつ外部応力に対する歪を低減することを考慮して収納された半導体装置、特に高速光通信用素子を含む半導体装置に好適な半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器内部に実装された発熱素子を有する電子部品からの熱を外部に放熱する手段としては、電子部品上面に放熱フィンを取り付け、筐体内部の空気中に放熱フィンを介して放熱させる方法が一般的である。
【０００３】
しかしながら、例えば、モバイル機器や携帯電話機器に代表される急速な電子機器の小型化・薄型化に対して、放熱フィンのような空間体積が必要な放熱形態をとることが難しい場合が増えてきており、電子機器の筐体そのものを放熱媒体として用いる放熱方式が重要になってきている。
【０００４】
この場合、配線基板に実装された発熱素子を含む電子部品からの熱を高熱伝導性の部材を介して基板側から筐体へ放熱させる放熱方式と、電子部品から直接筐体へ放熱させる方式とが提案されている。
【０００５】
例えば、特開平１１−１６３５６４号公報で開示されている発明においては、電子部品が実装された配線基板（以下、実装基板と略称）を高熱伝導性の弾性体を介して筐体に固定することで、電子部品から実装基板、実装基板から電子機器筐体への放熱を実現する方法を提案している。
【０００６】
また、特開平０８−１３９２３６号公報で開示されている発明においては、発熱素子の上面に取り付けた放熱板と筐体との間に、高熱伝導性の部材（ここではグリース）を充填固着して、直接電子部品から筐体への放熱を実現する方法を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
放熱効率を考えた場合，実装基板を介して放熱経路を取ろうとすると、一般的に使用されている電子機器のマザーボード（配線基板）は熱伝導率の低いＦＲ−４等の有機系の材料であることがほとんどであるため、放熱効率は悪化する。
【０００８】
したがって、発熱している半導体装置等の電子部品から実装基板を収納する筐体へ直接放熱させる方が放熱経路としても最短であり放熱効率の最も高い放熱方式である。
【０００９】
しかしながら、例えば、特開平０８−２３３６号公報で開示されているようにグリースのような充填部材で実装基板上の電子部品と筐体との隙間を固着することは、塗布量や塗布面の均一性を管理することや、電子部品に不具合が生じた場合のリペアー工程が非常に面倒であり、さらにはグリースを硬化させるための新たな高温加熱工程も必要となる。
【００１０】
これに対して、シリコーン系のゴムシートを電子部品と筐体との隙間に挟みこむことによって、グリースを充填固着した場合と同様な最短の放熱経路で放熱を実現できる方法がある。
【００１１】
この場合には、ゴムシートを電子部品の上に載せるだけでよいため、工程管理も簡単で低コストなプロセスで対応可能となり、その後のリペアーも容易であるという特長がある。
【００１２】
ただし、この放熱方式では、電子部品と筐体との隙間管理が非常に重要となり、実際の隙間が想定していた隙間よりも大きいとシートは隙間を充填しきれず放熱効率は極端に悪化し、逆に想定していた隙間より小さいと、電子部品を筐体に収納する際に発生するシートの圧縮率が当初の設計値より高くなり、電子部品や筐体に高い荷重が加わってしまうという問題がある。
【００１３】
さらに、シリコーンゴムタイプの熱伝導部材では、この部材中に充填するフィラーの充填量に応じて熱伝導率が変化するため、高熱伝導な仕様ほど充填量が増加し硬度が高いということになり、同じ圧縮率に対してより高い荷重が加わってしまうことになる。
【００１４】
特に筐体内に収納される電子部品が光学系を利用した高速光通信モジュール等では、伝送ロスを小さくするため部品の搭載位置決め精度が設計上非常に重要であり、シート材の圧縮装着によって筐体や電子部品を搭載したモジュール基板に変形を加えることは好ましくない。
【００１５】
さらに、発熱量の大きい電子部品を搭載したモジュールでは、筐体材料として熱伝導率の高いアルミ材を適用することが望ましく、将来的な低コスト化に対応するためには加工コストの高いメタル筐体をプラスチック筐体に変更することも重要であり、強度の点ではいずれの場合も筐体がより低剛性な方向に向かうため、シートの圧縮率を上げて高い荷重を加えることは適切でない。
【００１６】
一方、設計的には電子部品と筐体との隙間がシートの初期厚さより広くなってしまい、わずかでも隙間を残すことは絶対回避する必要がある。そのため、筐体の厚さ方向の寸法誤差や電子部品の実装高さのバラツキも考慮した上で、かなり高めの圧縮率で設計せざるを得ない。したがって、通常の組立て工程では電子部品や筐体に高い荷重が加わることが想定されるため、理想機能としては、シートの圧縮率が高くてもより低負荷でゴムシートを装着できる放熱方式を確立する必要がある。
【００１７】
本発明の目的は、このような観点に鑑み、発熱素子を含む電子部品と筐体との間に隙間を発生させずに熱伝導部材を低負荷で確実に埋め込み、放熱性良好にして筐体ひずみが低減された信頼性の高い半導体装置を及びその製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成できる半導体装置の特徴とするところは、
配線基板と、前記配線基板上に電極接続用導電材料を介して電気的に接続、搭載された半導体装置と、前記配線基板と前記半導体装置とを収納する筐体と、
前記半導体装置と筐体との隙間に配置され、前記半導体装置の熱を筐体に伝導する熱伝導体とを備えた半導体装置であって、
前記筐体は、互いに開口部を有する上部筐体と下部筐体とに分割され、かつ、一方の開口部が他方の開口部に勘合する構造を有すると共に、前記筐体の周縁部には、前記配線基板上に搭載された半導体装置と熱伝導体とを筐体内に収納保持する嵌合圧着手段を有し、前記熱伝導体は、常温において前記電極接続用導電材料より柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さい熱伝導性弾性体からなり、前記半導体装置と筐体との隙間に前記温度域で加熱され圧縮装着されていることにある。
【００１９】
そして、好ましくは前記筐体内壁には、前記配線基板上の半導体装置に電気的に接続された電極端子と、光ファイバに接続された光学端子とを有する光素子を保持していることである。これによって、高速光通信用素子を含む半導体装置が実現できる。光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の電気信号を光信号に変換する発光素子及び、光信号を電気信号に変換する受光素子を含む。
配線基板としては、一般的にセラミックス製の配線基板が用いられるが、用途によっては耐熱樹脂製の多層配線基板でもよい。この配線基板上には、搭載部品として半導体素子のベアチップや半導体パッケージ等が実装される。搭載部品と配線基板との電気的な接続は、電極接続用導電材料として一般にハンダが用いられるが、ハンダ以外の導電性接着剤を用いることもできる。
【００２０】
筐体は、半導体装置を収納し、外界から保護するため或る程度の強度を必要とするが、収納された半導体装置からの熱を外部に効率よく放出するため熱伝導率の高い材料で構成される。また、筐体を成型加工する上から加工性良好な材料が望ましく、例えばアルミニウム、アルミ合金、銅亜鉛合金（真ちゅう）等の金属材料が用いられる。その他、用途によっては、熱伝導性を高めるために金属やセラミックスの粉末をフィラーとして充填したプラスチックスも使用できる。
筐体の構造について説明すると、上部筐体と下部筐体とに２分割された所定の深さを有する筐体は、いずれか一方の筐体が他方の筐体に嵌合し、周縁部に設けられた、例えばネジ構造、バネやピンを用いた締め付け構造等の嵌合圧着手段により、両者を着脱自在に圧着固定する。
【００２１】
そして、これらの筐体に半導体装置が搭載された配線基板を収納するに際しては、一方の筐体に半導体装置が搭載された配線基板を挿入した後、他方の筐体を嵌合し、周縁部に設けられた圧着手段により圧着固定する。
【００２２】
筐体の寸法関係について詳述すると、この圧着固定した時に、半導体装置の背面とその背後の筐体内壁面との間に装着される熱伝導体の圧縮前の厚さよりも狭い隙間が形成されるように設計されている。したがって、筐体を圧縮固定することにより、この隙間に介挿された熱伝導体は圧縮装着される。この熱伝導体が圧縮装着される程度は、わずかでも圧縮されていればそれなりの効果が認められるが、好ましくは圧縮以前の熱伝導体の厚さの４０〜７０％の範囲内に圧縮されるように筐体を圧縮固定することが望ましい。
【００２３】
本発明で用いる熱伝導体についての実験事実に基づく詳細な説明は、「発明の実施の形態」の項で行うとして、ここでは熱伝導体の材質、形状、寸法等について概要を説明する。
【００２４】
先ず、熱伝導体の材質については、その機能の一つが半導体装置から発生する熱を筐体に効率よく伝導することにあることから、例えば１．０〜１０．０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有していることが望ましい。
【００２５】
また、熱伝導体は、筐体内に収納される半導体装置と筐体内壁間の隙間に圧縮装着されるので、上記の通り特定の弾性を有していなければならない。それ故に、本発明で使用する熱伝導体は、熱伝導性と弾性とを有していることから熱伝導性弾性体と定義することができる。
【００２６】
本発明で使用する熱伝導体は、圧縮装着時の圧縮率が高くても低負荷な状態で隙間に圧縮装着されていることが重要であり、上記の通り、配線基板に半導体装置が電気的に接続される、例えばハンダのごとき電極接続用導電材料よりも常温において柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さい熱伝導性弾性体からなる。好ましい常温（室温と同義）での弾性率は、０．５〜５．０ＭＰａの範囲である。
【００２７】
また、熱伝導体の変形抵抗を単位圧縮率あたりに必要な荷重であらわしたとき、３０℃での変形抵抗に対して、１００℃での変形抵抗が１／３〜１／２であることが望ましい。
【００２８】
熱伝導体の好ましい形状はシート状に成形されたものであり、寸法についてはシートの厚さが筐体内に収納される半導体装置と筐体内壁間の隙間より厚く、好ましくは４０〜７０％圧縮された状態で隙間に装着されることを考慮した厚みが選ばれる。
【００２９】
熱伝導体の加熱は、常温より高い温度、好ましくは、５０〜１００℃であり、加熱のタイミングは、筐体を嵌合圧着する際に加熱保持しながら圧着固定するか、もしくは圧着固定した後で、上記所定の温度に加熱保持してもよい。
【００３０】
また、熱伝導体の装着方法としては、位置ずれが生じないように発熱素子を含む半導体装置の背面、もしくは半導体装置に対向する筐体内壁面に予め熱伝導性の良い接着剤で仮固定しておくことが望ましい。
【００３１】
熱伝導体となる好ましいシート材としては、一般に熱抵抗が低く、柔軟性と粘着性に優れ、かつ硬度調整が可能な、例えば、シリコーン系のゴムシートの如き高熱伝導性のゴム質シートが挙げられる。
【００３２】
ここで要求されるゴムシートの好ましい特性としては、はんだやＡｕバンプ等の電極接続用導電材料を補強する封止材（アンダーフィル樹脂と称される）や、例えばモジュール基板の如き実装基板よりは剛性は低いが、熱伝導率は高いことであり、そのような特性を備えた材料が熱伝導体を構成するゴムシートとして用いられる。
【００３３】
次に示す本発明の半導体装置の構成例は、実用上好ましい半導体モジュールを筐体に収納するものであり、そのため配線基板をモジュール基板とし、それに搭載する半導体装置を半導体パッケージとするものである。すなわち、この発明の特徴は、
モジュール基板と、前記モジュール基板上に第１のハンダを介して電気的に接続、搭載された半導体パッケージと、  前記モジュール基板と前記半導体パッケージとを収納する筐体と、  前記半導体パッケージと筐体との隙間に配置され、前記半導体パッケージの熱を筐体に伝導する熱伝導体とを備えた半導体装置であって、
前記筐体は、互いに開口部を有する上部筐体と下部筐体とに分割され、かつ、一方の開口部が他方の開口部に勘合する構造を有すると共に、前記筐体の周縁部には、前記モジュール基板上に搭載された半導体パッケージと熱伝導体とを筐体内に収納保持する嵌合圧着手段を有し、前記半導体パッケージには、パッケージ基板に半導体素子が第２のハンダを介して電気的に接続、搭載され、
前記熱伝導体は、常温において前記第１、第２いずれのハンダより柔らかく、かつ、常温より高くハンダ・リフロー温度よりも低い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さい弾性体からなり、前記半導体パッケージと筐体との隙間に前記温度域で加熱され圧縮装着されていることにある。
【００３４】
また、上記本発明の目的を達成できる半導体装置の製造方法の特徴とするところは、発熱素子を有する半導体装置を配線基板上に電極接続用導電材料を介して電気的に接続、搭載する工程と、前記半導体装置が搭載された配線基板を上部筐体と下部筐体とに分割された筐体内に収納する工程とを有してなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置が搭載された配線基板を筐体内に収納する工程においては、前記半導体装置と筐体との隙間に熱伝導性弾性体を介挿し、上部筐体と下部筐体とを嵌合圧着することにより、前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着すると共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程を含み、前記熱伝導性弾性体は、常温において前記電極接続用導電材料より柔らかく、かつ、常温より高い温度域で加熱したときの圧縮荷重が常温での圧縮荷重より小さいシート状熱伝導性弾性体からなり、
前記配線基板を筐体内に収納する工程の後工程として、前記配線基板が収納された筐体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持する工程を付加したことにある。
【００３５】
また、上記のように、この筐体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持する工程を付加する代わりに、前記熱伝導性弾性体を前記半導体装置と筐体間の隙間に圧縮装着すると共に、前記配線基板を上部筐体及び下部筐体で挟持固定する工程の中で、筐体を５０〜１００℃の温度環境下で加熱保持するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の基本的な構成要件となる熱伝導体に要求される特性、及びそれを用いた本発明半導体装置及びその製造方法の基本原理について、実験事実に基づき図面を用いて具体的に説明する。
【００３７】
図５は、熱伝導体となる高熱伝導性のシリコーン系ゴムシートの機械的特性を測定した実験方法を示す。リジットな円筒冶具51a、51bの間に一定厚さのゴムシート8を挟んで、圧縮速度0.01mm/sと言う一定の変位速度で圧縮した。
【００３８】
図６は、図５で示した実験から、ゴムシート8の圧縮率（初期の厚さに対する潰し量の割合:横軸に単位％で表示）と圧縮荷重（縦軸に単位kgfで表示）の関係を室温（25℃）で計測した結果である。図中のＡ材とＢ材はそれぞれ熱伝導率が異なる材料（ゴムシート8）であり、熱伝導率が高いＡ材（５．６Ｗ/ｍ・Ｋ）では同じ圧縮率に対する圧縮荷重が、熱伝導率が低いＢ材（２．５Ｗ/ｍ・Ｋ）より大きくなっており、圧縮率が増加するほどその差が顕著（右上がりの特性）になっているのがわかる。
【００３９】
図７は、図６の２種類のＡ、Ｂ材料について，室温において圧縮率３５％まで圧縮した状態で変位保持したときの圧縮荷重の変化を測定した結果である。同図の横軸は保持時間を秒単位(s)で示した。圧縮後に変位保持すると初期に急速な応力緩和を生じ、ある時間経過したところで圧縮荷重はほぼ一定になることがわかる。
【００４０】
図８は、図７中の熱伝導率の高いＡ材の場合について同様な試験を８０℃の炉中環境下で行った結果である。８０℃の環境下においては、シート材そのものの軟化によって同じ圧縮率に対する初期の圧縮荷重も小さくなり，変位保持後の応力緩和が室温においては２０〜３０％程度で飽和してしまうのに対して、８０℃では僅かな保持時間でほぼゼロ付近まで圧縮荷重が緩和してしまうことがわかる。
【００４１】
以上の検討結果から、発熱素子を有する電子部品（少なくとも半導体装置を含む）から、上記高熱伝導性のゴムシート8を介して筐体（ここでは図面省略）への放熱を実現する場合、通常の室温環境下での筐体組立てではなく、他の半導体部品への影響も小さい低温な加熱環境下で筐体組立てを行えば、ゴムシート8の圧縮率を高く設計せざるを得ない場合においても筐体および電子部品への負荷を格段に低くすることが可能であることがわかる。
【００４２】
図９、１０は実際の製品モジュール筐体（本発明では半導体装置と定義）を用いて、シート材8を用いた放熱実装構造により筐体組立てを行った際に発生する筐体への負荷を実験的に検討した結果である。同図（a）は外観平面図、同図（b）は断面図である。
【００４３】
評価に用いた筐体は、アルミニウム製の上部筐体５及び下部筐体6の２体からなり、下部筐体6に上部筐体５が嵌合する構造になっている。モジュール基板3の四隅に設けられた据付穴3aをネジ9が貫通して上部筐体５及び下部筐体6の四隅をネジ9で締め付けることにより、半導体モジュール100（正確にはモジュール基板3に搭載された半導体パッケージ2）の背面に介挿された熱伝導性ゴムシート8が圧縮された状態で装着される。なお、モジュール基板3には、発熱素子（半導体チップ等の素子）1を内装し、Cuキャップ7で封止られた半導体パッケージ2が、ハンダバンプ4を介して搭載、接続されている。
【００４４】
図９に示すように、発熱素子1を有する半導体パッケージ2の搭載領域100aの中央部に相当する上部筐体5の表面に、ひずみゲージ14を貼付し、筐体組立て時のゲージ出力変化から間接的に筐体への負荷を測定した。
【００４５】
図１０は、半導体パッケージ2の上面と筐体間（正確には上部筐体5の内壁に設けられた半導体パッケージ2の搭載領域100aに相当する浅い凹部溝6a）にゴムシート材8を介して圧縮装着した際の筐体表面のひずみ出力変化を測定した結果である。なお、同図の左縦軸は筐体の保持温度（℃）、右縦軸は筐体ひずみ（単位:με）であり、横軸は保持時間（単位:分）をそれぞれ示している。
【００４６】
室温環境においてネジ締結による筐体組立てを行うことで、半導体パッケージ2上面と筐体間の隙間に介挿されたゴムシート8が圧縮変形して、筐体表面に引張りひずみが発生している。図示のように、保持時間の初期にひずみはピークに達している。その後、筐体温度の上昇とともに徐々に応力緩和が進行し、筐体表面の温度が５０℃を越えた付近で応力緩和が急速に生じているのがわかる。
【００４７】
この測定結果から、図８に示したような加熱環境下における応力緩和の増加は５０℃を越えた付近から顕著になることが予想される。しかし、図８の結果と異なり応力緩和の進行が途中から止まってしまったのは、図９に示したように筐体側のゴムシート搭載領域6aが溝形状で形成されたものを流用したため、ゴムシート8が筐体組立て後に筐体の溝の中に埋め込まれるような形となり、ある程度以上潰れ変形が進行してしまうと、シート材8自身の変形の逃げ場が失われ、静水圧に近い境界条件となってしまったためと考えられる。したがってシート材と接触する筐体側の形状はシート材周辺の変形が拘束されないような構造にすることが重要である。図１０には、溝無しの予測値をプロットしたが、ほぼこれに近い実測値が得られた。
【００４８】
【実施例】
以下、図面にしたがって本発明の実施例を具体的に説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の第１の実施例となる半導体装置の概要を示す断面図である。図３及び図４は、それぞれ高熱伝導性のゴムシート８の加熱処理タイミングが異なる製造工程を示した断面図である。
【００４９】
本実施例では、高速通信用モジュール構造を例にして説明する。半導体素子として高速通信用の素子１を搭載したＢＧＡ（Ball Grid Array）構造の半導体パッケージ２は、モジュール基板３に、はんだバンプ４（本発明では第２のはんだと称する）を介して実装され、筐体内に収納される半導体モジュール100を構成している。なお、図中の発熱素子１は１チップの場合を示しているが、複数のマルチチップパッケージ（ＭＣＭ）構造においても同様である。
【００５０】
半導体モジュール100を収納する筐体は、上部筐体５と下部筐体６との２体から構成され、下部筐体６に上部筐体５が嵌合する構造になっている。これらの筐体は放熱効果を高めるため、ここではアルミニウム製を採用している。ただし、筐体材料については他のメタル材でもプラスチック材でもよい。ただし、プラスチック材の場合は、例えばフィラーを充填し熱伝導性を高めることが望ましい。
【００５１】
複数の半導体パッケージ2を搭載したモジュール基板３は、その四隅に設けられた据付穴3aを通してネジ締結９により上下部筐体５、６内部に固定される。
【００５２】
発熱素子１を搭載した半導体パッケージ２のCuキャップ７上面と上部筐体５との間には、ネジ締結後に高熱伝導性のゴムシート８の挿入分を考慮した隙間が予め形成されている。
【００５３】
高熱伝導性のゴムシート８（工業用シリコーンゴムシート）は、高熱伝導特性を実現するために、この例では、銀系のフィラーを高充填することにより変形能力の高さと高熱伝導性を両立した構成となっている。熱伝導率はフィラーの種類によって異なってくるが、２〜６W /m・K程度の熱伝導率を有した材料であり、硬度は熱伝導率が高い程高くなる。
【００５４】
上部筐体５の内壁面（突出部５a）と半導体パッケージ２上面との隙間量t1（圧縮されたゴムシート8の厚さに相当）は、筐体５、６の厚さ方向の寸法バラツキを考慮した上で初期のゴムシート８の厚さt2より小さくなるように設計されており、通常３０％以上の圧縮率を見積もった設計が必要である。この例では、好ましい圧縮率t1は、t2の４０〜７０％となるように設計されている。
【００５５】
なお、モジュール基板３に搭載される半導体パッケージ2は、この例では特に放熱特性を考慮した実施例であるため、発熱素子１の上面にCuキャップ７を取り付けた構造であるが、他の材質からなるキャップ材であっても、樹脂で素子がモールドされた構造でも、直接素子がむき出しとなっているベアチップ構造であっても構わない。
【００５６】
Cuキャップ７上面にはゴムシート８が装着され、筐体５、６をネジ9で締結する際に、図３で示すように、室温より高い温度、好ましくは５０℃以上１００℃以下の温度に設定された環境下で加熱しながら、筐体5、6をネジ9で締結によりゴムシート８の圧縮装着を行った。
【００５７】
また、図４で示すように室温環境下でゴムシート８の圧縮装着を行った直後に、それを加熱炉に移し５０℃以上１００℃以下の温度に加熱保持した。
【００５８】
この加熱保持工程においては、上記加熱温度環境下で少なくとも１０分以上、通常は１５〜２０分間加熱保持すればよく、いずれの場合も筐体に収納された信頼性の高い半導体装置を得ることができた。
【００５９】
なお、筐体内に収納する電子部品が、通信系のモジュールでは、接着材を用いて光学部品の精密位置決め固定を行っている場合が多いため、１００℃以上の加熱環境下では、光学機構の耐熱温度を越えてしまうことから、先に示した図１０の測定結果から得られた知見と併せ、好ましい加熱処理温度である５０℃以上１００℃以下の加熱環境下で実施することが、モジュール製品全体としての信頼性に影響を与えることなく、高い圧縮率を前提としたゴムシートによる放熱構造において、より低負荷な実装構造を実現することができる。
＜実施例２＞
図２は、本発明の第２の実施例を示す断面図である。発熱素子１を有する電子部品から筐体への放熱パスを考えた場合、素子上面に取り付けたCuキャップ４の素子搭載領域以外の領域からゴムシート８を介して筐体側に熱伝導される効果は非常に小さく、素子搭載領域でのＣｕキャップ４を介した放熱パスがほとんどを占めている。
【００６０】
そのため、この実施例においてはゴムシート材８の搭載領域をＣｕキャップ４全面ではなく、その内部の発熱素子１の領域に限定したサイズでシート材８を搭載する。これにより放熱特性への影響を最小限に抑えながら、同じ圧縮率に対する筐体５、６および電子部品やモジュール基板３への負荷は大幅に軽減される。
【００６１】
さらに第１の実施例と同様に５０℃以上１００℃以下の環境下に加熱保持しながら筐体５、６のネジ9締結による組立てを行った。また、第１の実施例と同様に、予め室温環境下で筐体組立てを行った直後に５０℃以上１００℃以下の環境下で加熱保持する方法も実施した。
【００６２】
前者の加熱保持しながら筐体のネジ締結を行う場合には、筐体組立て時の初期の発生負荷を、後者の場合よりも低く抑えることができるので、より短時間での応力緩和が達成され、製造プロセスの短ＴＡＴ（Turn Around Time）化が図れる。
＜実施例３＞
図１１は、光通信用光学部品を搭載した高速通信用モジュール構造を含む実施例である。同図(a)は、本発明に係る半導体装置の外観を示した平面図であり、同図(b)はその断面図である。
【００６３】
装置の基本構成は第１の実施例と同様であるが、光通信用モジュールでは電気／光変換を行うためのレーザダイオードを内蔵したレーザダイオードモジュール（光素子）11が上部筐体５もしくは下部筐体６の裏面に固定して設置されている。この実施例では、光素子11を下部筐体６の裏面に設けた場合を示している。
【００６４】
この種の半導体装置においては、発熱量が大きいため一般に高放熱な筐体のフィン側裏面に直付けされる場合が多い。レーザダイオードモジュール11は電気信号を光信号に変換・出力するための発光素子を含むが、一般には光信号を電気信号に変換する受光素子をも含んでいる。
【００６５】
発光素子の場合には、出力された光信号を光ファイバ12に高効率に集光するため高精度な位置決めが実施されているが、受光素子の場合も機能が逆なだけで高精度な位置決めが要求されるのは発光素子と同じである。
【００６６】
発光素子の場合には、電気信号を光信号に変換することで、また受光素子の場合には、光信号を電気信号に変換することで、いずれの場合にも低ノイズ・高速な信号伝送を可能にする。
【００６７】
この際、発熱素子1を有する半導体パッケージ２のゴムシート8を介した筐体５、６への放熱構造を実施するために筐体へ高い負荷を与えて筐体自身を変形させてしまうと、レーザダイオードモジュール11と光ファイバ12の相対位置がずれてしまい、レーザダイオードから発光された光信号の光ファイバ12への集光効率が著しく悪化し製品性能を劣化させる。
【００６８】
したがって、第１の実施例で示した方法により筐体に対して低負荷にゴムシート8を装着し、半導体パッケージ２の高放熱構造を達成することが、光通信用の高速伝送モジュールでは必須な要件である。
【００６９】
本発明によれば、ゴムシート8が、４０〜７０％に圧縮装着されても加熱保持されることで筐体に対しては低負荷となり、放熱効果を発揮しつつ筐体変形を抑えることができるため、上記のようにレーザダイオードから発光された光信号の光ファイバ12への集光効率の低下を防止でき信頼性の高い装置が実現できる。
【００７０】
なお、図１２には、図１１で熱伝導性ゴムシート8が圧縮装着されたとき筐体が受ける負荷（荷重）の向きを模式的に示したものである。
【００７１】
図１３は、図１１の筐体内に収納した半導体パッケージ２とレーザダイオードモジュール11とから構成される光トランシーバＬＳＩの回路構成例をブロック図で示したものである。
【００７２】
このブロック図の機能の概要を説明すると、同図中の上段部が左端から入力した電気信号をＭＵＸ回路（多重化回路）通して右端のＬＤモジュール（送信部）に入力し、この入力した電気信号をＬＤモジュールで光信号に変換して右端から不図示の光ファイバを通して外部に光信号として出力するものである。
【００７３】
それに対して同図中の下段部が右端から不図示の光ファイバを通して入力した光信号をＰＤモジュール（受信部）で電気信号に変換すると共に増幅器を通して左端のＤＥＭＵＸ回路（分離回路）に入力して外部に電気出力するものである。
【００７４】
即ち、この光トランシーバＬＳＩブロックの左側のＭＵＸ回路（多重化回路）及びＤＥＭＵＸ回路（分離回路）が図１１の半導体パッケージ２に該当し、右側のＬＤモジュール及びＰＤモジュールが光素子11（レーザダイオードモジュール）に該当する。
【００７５】
なお、この装置では、例えば、６２２Ｍｂ／ｓのデータをＭＵＸ回路（多重化回路）に入力した時、ＬＤモジュール（送信部）から光出力として10Ｇｂ／ｓのデータが出力された。
【００７６】
図１４（a）は、図１１に示した半導体装置（光トランシーバモジュール）の放熱構造について説明する断面模式図である。図１４（b）及び図１４（c）は、それぞれ半導体パッケージ２の部分拡大図であり、図１４（b）では発熱素子1（トランシーバＬＳＩ）と金属キャップ7との隙間には熱伝導性樹脂（熱硬化性樹脂）を充填し、半導体パッケージ基板21と発熱素子1とのＢＧＡはんだバンプ4周囲の隙間には、熱伝導性良好なアンダーフィル樹脂を充填している。
【００７７】
図１４（c）の場合にはＢＧＡはんだバンプ4の代わりに金バンプを、アンダーフィル樹脂の代わりに異方導電樹脂（非導電樹脂）を充填して、いずれも半導体パッケージ２のキャップ7から上部筐体５側に放熱するだけでなく、モジュール基板3側からも下部筐体側にも放熱するように配慮している。
＜実施例４＞
図１５は、光通信用光学部品を搭載した高速通信用モジュール構造を含む他の実施例の断面図であるである。この例は、実施例３の図１１に示した構造と基本的には同じであるが、放熱フィン10が下部筐体６側に設けられている点が異なる。すなわち、放熱フィン10をレーザダイオード11が設置される側の下部筐体６に設けることにより、発熱量の多いレーザダイオード11の放熱効果を高めている。＜実施例５＞
図１６は、図１５に示した実施例４よりも放熱効果をさらに高めた光通信用光学部品を搭載した高速通信用モジュール構造を含む他の実施例の断面図であるである。この例では、レーザダイオード11の熱を更に上部筐体5側にも放熱するように、半導体パッケージ2と同様に熱伝導性ゴムシート8をレーザダイオード11と上部筐体5との隙間にも圧縮装着した。これにより、発熱量の多いレーザダイオード11が上部、下部の両筐体5、6から放熱され、放熱効果を一層高めている。
＜実施例６＞
図１７（a）は、光通信用光学部品を搭載した高速通信用モジュール構造を含む他の実施例の断面図であるである。基本的には、図１１に示した実施例４と同一構造であるが、半導体パッケージ2の代わりに発熱素子1としてベアチップを用いてモジュール基板3に、はんだバンプ４を介して直接接続し、かつ、はんだバンプ4の周囲にアンダーフィル樹脂を充填した点が異なる。これによりベアチップ1からの熱を上部、下部の両筐体5、6から効果的に放熱できるようにしたものである。図１７（b）は、図１７（a）に示した装置のフリップチップの放熱経路を模式的に示した部分拡大図である。
【００７８】
図１７（c）は、比較例として示した従来のワイヤーボンディングの場合の放熱経路である。
＜実施例７＞
図１８は、光通信用光学部品を搭載した高速通信用モジュール構造を含む他の実施例の断面図であるである。基本的には、図１７（a）に示した実施例６と同一構造であるが、本実施例では発熱素子1を、高さの異なる複数のベアチップをモジュール基板2に混載したマルチチップで構成した点が異なる。この種の高さに高低差がある複数の発熱素子1をモジュール基板2に搭載する場合には、本発明の低負荷放熱方式が極めて有効である。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明により高効率放熱かつ低コストで信頼性の高い放熱実装構造を有する半導体装置を実現すると言う所期の目的を達成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体装置の断面図。
【図２】本発明の第２の実施例を示す半導体装置の断面図。
【図３】本発明の製造方法の一例を示す断面工程図。
【図４】本発明の製造方法の他の一例を示す断面工程図。
【図５】本発明の原理を説明するゴムシートの機械的特性を計測するための実験方法を示す断面図。
【図６】ゴムシートの圧縮率と圧縮荷重の関係を示す特性図。
【図７】室温におけるゴムシートの応力緩和特性図。
【図８】本発明の原理を説明する８５℃におけるゴムシートの応力緩和特性図。
【図９】本発明の原理を説明するゴムシート装着時の筐体負荷測定方法を示す断面図と平面図。
【図１０】本発明の原理を説明するゴムシート装着時の筐体負荷測定結果を示した特性図。
【図１１】本発明の第３の実施例を示す半導体装置の平面図及び断面図。
【図１２】本発明の第３の実施例の中でゴムシートが圧縮装着された時、筐体が受ける負荷の向きを模式的に示した半導体装置の断面図。
【図１３】本発明の第３の実施例の中で筐体内に収納した半導体パッケージとレーザダイオードモジュールとから構成される光トランシーバＬＳＩの回路構成ブロック図。
【図１４】本発明の第３の実施例として示した半導体装置の放熱構造を説明する断面図。
【図１５】本発明の第４の実施例を示す半導体装置の断面図。
【図１６】本発明の第５の実施例を示す半導体装置の断面図。
【図１７】本発明の第６の実施例を示す半導体装置の断面図。
【図１８】本発明の第７の実施例を示す半導体装置の断面図。
【符号の説明】
１…発熱素子、
２…半導体パッケージ、
３…モジュール基板、
３a…モジュール基板の据付穴、
４…：はんだバンプ
５…上部筐体、
５a…上部筐体の突出部、
６…下部筐体、
６a…下部筐体の突出部、
７…金属キャップ（Cuキャップ）、
８…熱伝導性ゴムシート、
９…ネジ（締結部）、
１０…放熱フィン、
１１…レーザダイオードモジュール、
１２…光ファイバ、
１４…ひずみゲージ、
２１…半導体パッケージ基板、
100…半導体モジュール、
【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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