(57)【要約】【課題】  ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダと基板の間のはんだ体積を増加でき、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できるヒートスプレッダを提供すること。【解決手段】  半導体チップ３を基板２にはんだ接合する際、半導体チップ３の下面及び基板２の上面にそれぞれはんだ４，６によりはんだ接合させ、半導体チップ３及び基板２の間に介在させるヒートスプレッダ１において、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を異なる位置にし、下面の周縁部よりも側面の下端部を半導体チップ側となる高い位置にした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを基板にはんだ接合する際、前記半導体チップの下面及び前記基板の上面にそれぞれはんだ接合させ、前記半導体チップ及び前記基板の間に介在させるヒートスプレッダにおいて、
前記基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を異なる位置にし、下面の周縁部よりも側面の下端部を前記半導体チップ側となる高い位置にした、
ことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、
上面から側面の下端部までの厚み部分をかさ部とし、側面の下端部から下面までの厚み部分をかさ下部とし、
かさ下部の外周上方にかさ部の下面が形成されるよう直角な段差が設けられた、
ことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、
前記基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を緩やかに接続する形状にした、
ことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項４】
絶縁層及び銅パターンが上面に設けられた基板に対し、さらに銅パターンを矩形状に露呈させ、その周囲を覆うようにレジストを配置し、
リフロー処理の前工程として、
矩形状の銅パターン上に同形状のクリームはんだを載置し、さらに前記クリームはんだ上にロ字枠形状のはんだシートを載置し、
ヒートスプレッダは、前記基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を異なる位置にし、下面の周縁部よりも側面の下端部を前記半導体チップ側となる高い位置にし、
前記クリームはんだ及び前記はんだシートに上方から前記ヒートスプレッダを嵌合させるように載置した、
ことを特徴とするヒートスプレッダのはんだ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートスプレッダの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、縁部をはんだ付けによって固定するための鍔部を有し、鍔部の突出部と反対面の縁部に、縁部外周全部または、一部にさらに小さな鍔部を有して平面部へのはんだ盛り上がりを回避している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−２３０５６号公報（第２頁、全図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のヒートスプレッダにあっては、ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダと基板の間のはんだ部分に対する応力緩和の対策が不十分であった。
【０００４】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダと基板の間のはんだ体積を増加でき、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できるヒートスプレッダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、半導体チップを基板にはんだ接合する際、前記半導体チップの下面及び前記基板の上面にそれぞれはんだ接合させ、前記半導体チップ及び前記基板の間に介在させるヒートスプレッダにおいて、前記基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を異なる位置にし、下面の周縁部よりも側面の下端部を前記半導体チップ側となる高い位置にした、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
よって、本発明にあっては、ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダと基板の間のはんだ体積を増加でき、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明のヒートスプレッダを実現する実施の形態を、請求項１，２，４に係る発明に対応する実施例１と、請求項１，３に係る発明に対応する実施例２及び実施例３とに基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、構成を説明する。
図１は実施例１のヒートスプレッダの実装構造を示す図である。
実施例１のヒートスプレッダ１は、基板２に半導体チップ３を実装する際に、半導体チップ３の放熱性を高めるために、基板２と半導体チップ３の間に設けられる。
半導体チップ３は、下面全面を電極とする。また、上面に複数の電極を有するものであってもよい。そして、ヒートスプレッダ１の上面にリフロー炉工程によりはんだ４で接合される。
【０００９】
基板２は、上面に絶縁層２１、さらにその上に銅パターン２２が設けられ、その上にレジスト５が銅パターン２２の非パターン部分を覆うように設けられる。
そして、この銅パターン２２の上面にヒートスプレッダ１の下面がリフロー炉工程によりはんだ６で接合される。
【００１０】
図２は実施例１のヒートスプレッダを載置する前の基板側の構造を示す図である。
リフロー炉工程の前の状態で、ヒートスプレッダ１を載置する前には、基板２の銅パターン２２上にはんだ６として、クリームはんだ６１、はんだシート６２が配置される。
クリームはんだ６１は、銅パターン２２の上面全面に設けられる。そして、クリームはんだ６１の周縁に沿ってロ字状にはんだシート６２を設ける。
【００１１】
図３は実施例１のヒートスプレッダの形状を示す断面図である。
実施例１のヒートスプレッダ１は、縦横２４ｍｍの上面を有し、高さが１ｍｍの板状物である。素材は、伝熱性と電導性を兼ねた金属製とする。
そして、縦横２４ｍｍの上面を半導体チップ３への接合面とし、下面を基板２への接合面とする。
【００１２】
さらに、ヒートスプレッダ１は、縦横２４ｍｍで、厚さ１ｍｍの上半分をかさ部１１とし、その下半分は、周縁が０．５ｍｍ内側に矩形の下面を形成するようにし、かさ下部１２とする。このような構造にすることによって、実施例１のヒートスプレッダ１では、周縁下部に断面形状が幅５ｍｍで高さ５ｍｍの直角な段差形状の周縁部分１３を構成している。
この周縁部分１３の構造を言い換えて説明すると、ヒートスプレッダ１の内側の下端部より、周縁の下端部を高い位置にする構造ともいうことができる。
【００１３】
次に、作用を説明する。
【００１４】
［応力緩和作用］
実施例１のヒートスプレッダ１は、半導体チップ３を基板２へ実装する際に、次のように載置する。リフロー工程の前状態で、図２に示したように、クリームはんだ６１の上にロ字状に設けたはんだシート６２に、周縁部分１３を嵌合させるようにする。
すると、リフロー工程後、図１に示すように、ヒートスプレッダ１と基板２との間のはんだ６が、ヒートスプレッダ１の周縁部分１３として肉を無くした部分にまわるため、はんだ６の体積が増加する。
はんだ６はヒートスプレッダ１よりも熱変形性と熱伝導性に優れるため、半導体チップ３の使用による発熱を受熱したヒートスプレッダ１から、さらに熱を伝達されるはんだ６の応力が緩和される。このため、はんだ寿命が向上する。
【００１５】
[応力解析による確認]
（従来形状の確認）
図４は従来形状の解析形状の説明図である。図５は従来形状の解析実装構造の説明図である。図６は従来形状の解析形状の上方視斜視図である。図７は従来形状の解析形状の底面側斜視図である。
この応力解析では、実施例１との比較のため、従来形状として、２５ｍｍ角、高さ１ｍｍのヒートスプレッダをまず解析する（図４〜図７参照）。
【００１６】
図８は従来形状における応力解析状態を示す図である。
条件としては、熱源として、ヒートスプレッダ１の温度を８０℃にした場合とした。応力解析結果としては、図８に解析位置Ａとして示すはんだ６の中央部が最小応力部分となり、１．５９kgf/mm２であった。これに対して、図８に解析位置Ｂとして示すはんだ６の端部で且つ角部が最大応力部となり、４６．５kgf/mm２であった。
【００１７】
（実施例１の形状の確認）
図９は実施例１の解析形状の説明図である。図１０は実施例１の解析実装構造の説明図である。図１１は実施例１の解析形状の上方視斜視図である。図１２は実施例１の解析形状の底面側斜視図である。
上記説明した実施例１のヒートスプレッダ１の形状を解析形状とし、従来形状の解析と同様の条件により解析を行った。
【００１８】
図１３は実施例１の解析形状における応力解析状態を示す図である。
応力解析結果としては、図１３に解析位置Ａとして示すはんだ６の中央部が最小応力部分となり、１．７３kgf/mm２であった。これに対して、図１３に解析位置Ｂとして示すはんだ６の端部で且つ角部が最大応力部となり、２１．８kgf/mm２であった。
【００１９】
このように実施例１のヒートスプレッダ１では、断面が直角な段差形状の周縁部分１３を設けることにより、ヒートスプレッダ１が半導体チップ３の発熱をはんだ６に伝達した際に応力が高くなる周縁部のはんだ６の体積を増加させる。これにより応力が緩和される。受ける応力が小さくなること自体によりはんだ寿命は長くなる。また、これに加えて、この受熱は、非通電状態では受けないため、この応力は繰り返し応力としてはんだ寿命に影響する。この応力を低くできることによってもはんだ寿命は長くなる。
【００２０】
次に、効果を説明する。
実施例１のヒートスプレッダにあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００２１】
(1)半導体チップ３を基板２にはんだ接合する際、半導体チップ３の下面及び基板２の上面にそれぞれはんだ４，６によりはんだ接合させ、半導体チップ３及び基板２の間に介在させるヒートスプレッダ１において、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を異なる位置にし、下面の周縁部よりも側面の下端部を半導体チップ側となる高い位置にしたため、ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダと基板の間のはんだ体積を増加でき、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できる。
【００２２】
(2)上記(1)において、上面から側面の下端部までの厚み部分をかさ部１１とし、側面の下端部から下面までの厚み部分をかさ下部１２とし、かさ下部１２の外周上方にかさ部１１の下面が形成されるよう直角な段差が設けられたため、この直角な段差形状により凹むように肉のない部分が形成され、その分はんだ６が、食んだシート６２の分、体積を増やす。これにより、ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダと基板の間のはんだ体積を増加でき、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できる。
【００２３】
(4)絶縁層２１及び銅パターン２２が上面に設けられた基板２に対し、さらに銅パターン２２を矩形状に露呈させ、その周囲を覆うようにレジスト５を配置し、リフロー処理の前工程として、矩形状の銅パターン２２上に同形状のクリームはんだ６１を載置し、さらにクリームはんだ６１上にロ字枠形状のはんだシート６２を載置し、ヒートスプレッダ１は、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を異なる位置にし、下面の周縁部よりも側面の下端部を半導体チップ側となる高い位置にし、クリームはんだ６１及びはんだシート６２に上方からヒートスプレッダ１を嵌合させるように載置したため、ヒートスプレッダ下面側、つまりヒートスプレッダ１と基板２の間のはんだ体積を増加でき、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できる。
【実施例２】
【００２４】
実施例２のヒートスプレッダは、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を緩やかに接続する形状にした例である。
構造を説明する。
図１４は実施例２のヒートスプレッダの形状を示す断面図である。
実施例２のヒートスプレッダ１は、縦横２４ｍｍで、厚さ１ｍｍの上半分をかさ部１１とし、その下半分は、周縁が０．５ｍｍ内側に矩形の下面を形成するようにし、かさ下部１２とする。さらに、図１４に示すように、かさ部１１の側部下端、つまり上面から０．５ｍｍ下方位置から、かさ下部１２の矩形の下面の外周端位置、つまり、かさ部１１の側部下端から内側に０．５ｍｍ、下方に０．５ｍｍの位置を、半径が０．５ｍｍのＲ面取り形状にする。なお、角部においては、Ｒ面取り形状の２辺が緩やかな形状で接続される略球面形状にする。この緩やかに接続した部分を周縁部分１４とする。
この周縁部分１４の構造を言い換えて説明すると、ヒートスプレッダ１の内側の下端部より、周縁の下端部を高い位置にし、緩やかなＲ形状で接続した構造ともいうことができる。
その他構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００２５】
次に、作用を説明する。
［応力緩和作用］
実施例２のヒートスプレッダ１は、半導体チップ３を基板２へ実装する際に、次のように載置する。リフロー工程の前状態で、クリームはんだ６１の上にロ字状に設けたはんだシート６２に、周縁部分１４を嵌合させるようにする。なお、実施例２のはんだシート６２は、周縁部分１４に合わせた形状、つまりＲ形状に凹む湾曲形状にしておく。
すると、リフロー工程後、ヒートスプレッダ１と基板２との間のはんだ６が、ヒートスプレッダ１の周縁部分１４として肉を無くした部分にまわるため、はんだ６の体積が増加する。
はんだ６はヒートスプレッダ１よりも熱変形性と熱伝導性に優れるため、半導体チップ３の使用による発熱を受熱したヒートスプレッダ１から、さらに熱を伝達されるはんだ６の応力が緩和される。このため、はんだ寿命が向上する。
【００２６】
さらに、周縁部分１４が緩やかなＲ形状にしていることにより、はんだ６のこの部分も緩やかな形状となるため応力集中を抑制する。
またさらに、ヒートスプレッダ１及びはんだ６の形状は、半導体チップ３の上面形状である矩形形状にならざるを得ない。基板２への実装密度を向上させるためである。これに対して、ヒートスプレッダ１が伝達する熱による応力は、はんだ６の角部に集中する。実施例２では、この角部においても形状が緩やかになり、応力集中が抑制される。
【００２７】
[応力解析による確認]
図１５は実施例２の解析形状の説明図である。図１６は実施例２の解析実装構造の説明図である。図１７は実施例２の解析形状の上方視斜視図である。図１８は実施例２の解析形状の底面側斜視図である。
上記説明した実施例２のヒートスプレッダ１の形状を解析形状とし、上記従来形状の解析と同様の条件により解析を行った。
【００２８】
図１９は実施例２の解析形状における応力解析状態を示す図である。
応力解析結果としては、図１９に解析位置Ａとして示すはんだ６の中央部が最小応力部分となり、１．６９kgf/mm２であった。これに対して、図１９に解析位置Ｂとして示すはんだ６の端部で且つ角部が最大応力部となり、１６．９kgf/mm２であった。
【００２９】
このように実施例２のヒートスプレッダ１では、断面が緩やかに接続する周縁部分１４を設けることにより、さらに半導体チップ３の形状、ヒートスプレッダ１の形状に相似して、矩形形状にならざるを得ないはんだ６の角部分に応力が集中することを抑制し、さらに応力緩和を行う。
【００３０】
次に、効果を説明する。
実施例２のヒートスプレッダにあっては、上記(1),(4)に加えて、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３１】
(3)上記(1)において、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を緩やかに接続する周縁部分１４の形状にしたため、さらに応力がこの周縁部分１４に集中することを抑制し、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できる。
その他作用効果は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【実施例３】
【００３２】
実施例３は、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を逆Ｒ形状で緩やかに接続する形状にした例である。
構造を説明する。
図２０は実施例３のヒートスプレッダの形状を示す断面図である。
実施例３のヒートスプレッダ１は、図２０に示すように、かさ部１１の側部下端、つまり上面から０．５ｍｍ下方位置から、かさ下部１２の矩形の下面の外周端位置、つまり、かさ部１１の側部下端から内側に０．５ｍｍ、下方に０．５ｍｍの位置を、半径が０．５ｍｍの逆Ｒで凹む形状にする。なお、角部においては、逆Ｒに凹む形状の２辺が緩やかな形状で接続されるよう略球面に凹む形状にする。この緩やかに接続した部分を周縁部分１５とする。
この周縁部分１５の構造を言い換えて説明すると、ヒートスプレッダ１の内側の下端部より、周縁の下端部を高い位置にし、緩やかな逆Ｒに凹む形状で接続した構造ともいうことができる。
その他構成は実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００３３】
次に、作用を説明する。
［応力緩和作用］
実施例３のヒートスプレッダ１は、半導体チップ３を基板２へ実装する際に、次のように載置する。リフロー工程の前状態で、クリームはんだ６１の上にロ字状に設けたはんだシート６２に、周縁部分１５を嵌合させるようにする。なお、実施例２のはんだシート６２は、周縁部分１５に合わせた形状、つまりＲ形状に膨らむ湾曲形状にしておく。
すると、リフロー工程後、ヒートスプレッダ１と基板２との間のはんだ６が、ヒートスプレッダ１の周縁部分１５として肉を無くした部分にまわるため、はんだ６の体積が増加する。
はんだ６はヒートスプレッダ１よりも熱変形性と熱伝導性に優れるため、半導体チップ３の使用による発熱を受熱したヒートスプレッダ１から、さらに熱を伝達されるはんだ６の応力が緩和される。このため、はんだ寿命が向上する。
【００３４】
さらに、周縁部分１５が緩やかな逆Ｒに凹む形状にしていることにより、はんだ６のこの部分はＲ形状に膨らむ緩やかな形状となるため応力集中を抑制する。
またさらに、ヒートスプレッダ１及びはんだ６の形状は、半導体チップ３の上面形状である矩形形状にならざるを得ない。基板２への実装密度を向上させるためである。これに対して、ヒートスプレッダ１が伝達する熱による応力は、はんだ６の角部に集中する。実施例３では、この角部においても形状が緩やかになり、応力集中が抑制される。
【００３５】
[応力解析による確認]
図２１は実施例３の解析形状の説明図である。図２２は実施例３の解析実装構造の説明図である。図２３は実施例３の解析形状の上方視斜視図である。図２４は実施例３の解析形状の底面側斜視図である。
上記説明した実施例３のヒートスプレッダ１の形状を解析形状とし、上記従来形状の解析と同様の条件により解析を行った。
【００３６】
図２５は実施例３の解析形状における応力解析状態を示す図である。
応力解析結果としては、図２５に解析位置Ａとして示すはんだ６の中央部が最小応力部分となり、１．６２kgf/mm２であった。これに対して、図２５に解析位置Ｂとして示すはんだ６の端部で且つ角部が最大応力部となり、１８．７kgf/mm２であった。
【００３７】
このように実施例３のヒートスプレッダ１では、断面が逆Ｒに凹む形状で緩やかに接続する周縁部分１５を設けることにより、さらに半導体チップ３の形状、ヒートスプレッダ１の形状に相似して、矩形形状にならざるを得ないはんだ６の角部分に応力が集中することを抑制し、さらに応力緩和を行う。
【００３８】
次に、効果を説明する。
実施例２のヒートスプレッダにあっては、上記(1),(4)に加えて、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３９】
(3)´上記(1)において、基板側となる下面の周縁部と、側面の下端部を緩やかに逆Ｒに凹む形状で接続する周縁部分１５の形状にしたため、さらに応力がこの周縁部分１４に集中することを抑制し、応力を緩和でき、はんだ寿命を向上できる。
その他作用効果は実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
以上、本発明のヒートスプレッダを実施例１〜実施例３に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００４１】
例えば、ヒートスプレッダの周縁部分の形状をプレス加工や冷鍛加工により成形してもよい。コストを抑制する効果を得ることができる。
半導体チップ３は、その後にワイヤボンディングされるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施例１のヒートスプレッダの実装構造を示す図である。
【図２】実施例１のヒートスプレッダを載置する前の基板側の構造を示す図である。
【図３】実施例１のヒートスプレッダの形状を示す断面図である。
【図４】従来形状の解析形状の説明図である。
【図５】従来形状の解析実装構造の説明図である。
【図６】従来形状の解析形状の上方視斜視図である。
【図７】従来形状の解析形状の底面側斜視図である。
【図８】従来形状における応力解析状態を示す図である。
【図９】実施例１の解析形状の説明図である。
【図１０】実施例１の解析実装構造の説明図である。
【図１１】実施例１の解析形状の上方視斜視図である。
【図１２】実施例１の解析形状の底面側斜視図である。
【図１３】実施例１の解析形状における応力解析状態を示す図である。
【図１４】実施例２のヒートスプレッダの形状を示す断面図である。
【図１５】実施例２の解析形状の説明図である。
【図１６】実施例２の解析実装構造の説明図である。
【図１７】実施例２の解析形状の上方視斜視図である。
【図１８】実施例２の解析形状の底面側斜視図である。
【図１９】実施例２の解析形状における応力解析状態を示す図である。
【図２０】実施例３のヒートスプレッダの形状を示す断面図である。
【図２１】実施例３の解析形状の説明図である。
【図２２】実施例３の解析実装構造の説明図である。
【図２３】実施例３の解析形状の上方視斜視図である。
【図２４】実施例３の解析形状の底面側斜視図である。
【図２５】実施例３の解析形状における応力解析状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    ヒートスプレッダ
１１    かさ部
１２    かさ下部
１３    周縁部分
１４    周縁部分
１５    周縁部分
２    基板
２１    絶縁層
２２    銅パターン
３    半導体チップ
４    はんだ
５    レジスト
６    はんだ
６１    クリームはんだ
６２    はんだシート
Ａ    解析位置
Ｂ    解析位置
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
2009272536.tif 000015
【図１６】
2009272536.tif 000016
【図１７】
2009272536.tif 000017
【図１８】
2009272536.tif 000018
【図２０】
2009272536.tif 000019
【図２１】
2009272536.tif 000020
【図２２】
2009272536.tif 000021
【図２３】
2009272536.tif 000022
【図２４】
2009272536.tif 000023
【図８】
2009272536.tif 000024
【図１３】
2009272536.tif 000025
【図１９】
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【図２５】
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