(57)【要約】【課題】回路基板の材質や半導体チップの厚さばらつきにかかわらず高い放熱効果を確保することができ、かつ、半導体チップの接続信頼性を低下させる外力を抑えることができる半導体装置の放熱構造を提供する。【解決手段】回路基板21に半導体チップ1が搭載された半導体装置の放熱構造であって、半導体チップ1の裏面と当該半導体チップ1の裏面側に配置される放熱板10とに固定された伝熱体12を備え、伝熱体12は、可撓性シート材料よりなり、平面視して、第１の面接触部13ｂと、同面接触部13ｂと交わる方向に少なくとも一部が延びた中間部13ｃと、同中間部13ｃと交わる方向に延びた第２の面接触部13aとを有し、中間部13cが立ち上がる姿勢で成形されていて、第１の面接触部13bが半導体チップ1の裏面に面接触し、第２の面接触部13aが放熱板10の対象面に面接触する構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板とこの回路基板に搭載された半導体チップとを有する半導体装置の放熱構造であって、前記半導体チップの裏面と当該半導体チップの裏面側に配置される放熱板とに固定された伝熱体を備えており、前記伝熱体は、可撓性シート材料よりなり、平面視して、第１の面接触部と、前記第１の面接触部に連続して同面接触部と交わる方向に少なくとも一部が延びた中間部と、前記中間部に連続して同中間部と交わる方向に延びた第２の面接触部とを有し、前記中間部が立ち上がる姿勢に成形されていて、前記第１の面接触部が前記半導体チップの裏面に面接触し、前記第２の面接触部が前記放熱板の対象面に面接触していることを特徴とする半導体装置の放熱構造。
【請求項２】
回路基板はテープキャリアであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の放熱構造。
【請求項３】
平面視して、伝熱体の第１の面接触部と第２の面接触部とが重ならないことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の放熱構造。
【請求項４】
半導体チップの裏面と放熱板の対象面とがなす角度と、伝熱体の第１の面接触部と第２の面接触部とがなす角度とが同等であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の放熱構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板とこの回路基板に搭載された半導体チップとを有する半導体装置の放熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップは、実使用状態において発熱して温度が上昇し、ある基準以上に温度が上昇すると動作不良を起こし、破損する場合がある。ＴＣＰ（Tape Carrier Package）を構成する場合には、この温度上昇を防止するために、発熱量が小さい半導体チップに対しては導体リードを通じて放熱する方法が採用されており、発熱量が大きな半導体チップに対しては、導体リードからの放熱だけでは不十分であるため金属放熱板が装着されている。
【０００３】
図７はＴＣＰの放熱構造を示す。テープキャリア基板は、絶縁性のフィルム基材５１上に複数の導体リード５２が形成され、必要に応じてこのようにソルダーレジスト５３で保護されているもので、半導体チップ５５はそのパッド５６，バンプ５４によって導体リード５２に接続されており、半導体チップ５５の表面および導体リード５２は絶縁樹脂５７で封止されている。
【０００４】
半導体チップ５５の裏面側には、ある一定の間隔を有して放熱板５８がほぼ平行に配設され、その間隙に充填されたサーマルグリス５９によって半導体チップ５５は放熱板５８に熱的に結合されている。放熱板５８としては、アルミニウム、ステンレス、銅等の金属が用いられ、サーマルグリス５９としては、シリコングリス等が用いられている。図示を省略するが、放熱板５８は、フラットパネルディスプレイ等の電子機器のシャーシにねじ止めされ、半導体チップ５５で発生した熱は放熱板５８を介して電子機器のシャーシへ伝達されて放熱される。
【０００５】
ここで半導体チップ５５と放熱板５８との間隙にサーマルグリス５９が充填されるのは、半導体チップ５５と放熱板５８とが直接固定された場合には、電子機器のシャーシから放熱板５８を介して半導体チップ５５に過度の外力が加わり、半導体チップ５５の接続信頼性が低下することがあるからである。
【０００６】
しかし、サーマルグリス５９の熱伝導性は比較的高いものの、半導体チップ５５を直接に放熱板５８に接触させて放熱する場合に比べて放熱効果は低くなる。また、半導体チップ５５の厚さのばらつきやＴＣの反りによって、放熱板５８と半導体チップ５５の間隔距離がばらつき、サーマルグリス５９の半導体チップ５５・放熱板５８への接触面積にばらつきを生じ、放熱効果が低下することがある。サーマルグリス５９自体の充填量のばらつきによっても同様に、半導体チップ５５・放熱板５８への接触面積にばらつきを生じ、放熱効果が低下することがある。さらに、放熱効果を確保するためには、半導体チップ５５のサイズに応じてサーマルグリス５９の充填量を制御する必要があるなど、製造工程も煩雑になる。
【０００７】
これらの問題に対処する様々な手段が開発されている。たとえば、サーマルグリスに代えて熱伝導性の高い金属製板バネ（熱伝導性弾性体）を用いる放熱構造が提案されている。図８に示すように、プリント基板６１上にフリップチップボンディングされた半導体チップ６３と放熱板６４との間に板バネ６５が配設され、この板バネ６５の放熱板６４への熱結合および半導体チップ６３の裏面への面接触によって高い放熱効果が実現されるものである。半導体チップ６３の厚さのばらつきやプリント基板６１の反りによって放熱板６４と半導体チップ６３との間隔距離にばらつきが生じても、板バネ６５が弾性変形してばらつきを吸収し、半導体チップ６３の裏面に面接触するため、放熱効果は低下しない（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−６８３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図８に示した半導体装置の放熱構造には以下の問題点がある。
（１）板バネ６５をその弾性力を利用して半導体チップ６３の裏面に面接触させているため、プリント基板６１などの回路基板が変形し半導体チップ６３の姿勢が変異すると、板バネ６５は所定の面接触部の全体では半導体チップ６３裏面に接触せず、放熱特性が低下する。プリント基板６１が可撓性の材料で構成されているテープキャリアなどではこの現象は顕著である。
【０００９】
（２）板バネ６５を金型等で成形加工する際の加工ばらつきがあると、板バネ６５は面接触部の全体では半導体チップ６３の裏面に接触せず、放熱特性が低下する。
（３）板バネ６５はその弾性力で半導体チップ６３の裏面を押圧するため、フリップチップボンディング部に外力が加わり、接続信頼性が低下する。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、回路基板の材質や半導体チップの厚さばらつきにかかわらず高い放熱効果を確保することができ、かつ、半導体チップの接続信頼性を低下させる外力を抑えることができる半導体装置の放熱構造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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の放熱構造は、回路基板とこの回路基板に搭載された半導体チップとを有する半導体装置の放熱構造であって、前記半導体チップの裏面と当該半導体チップの裏面側に配置される放熱板とに接触する伝熱体を備えており、前記伝熱体は、可撓性シート材料よりなり、平面視して、第１の面接触部と、前記第１の面接触部に連続して同面接触部と交わる方向に少なくとも一部が延びた中間部と、前記中間部に連続して同中間部と交わる方向に延びた第２の面接触部とを有し、前記中間部が立ち上がる姿勢に成形されていて、前記第１の面接触部が前記半導体チップの裏面に面接触し、前記第２の面接触部が前記放熱板の対象面に面接触することを特徴とする。ここで放熱板は、半導体装置の一部を構成していてもよいし、半導体装置外の部材であってもよく、また、平板に限らず、筐体などの一部であっても構わない。
【００１２】
上記の放熱構造によれば、回路基板の材質にかかわらず、また半導体チップの厚さばらつきがあっても、さらには伝熱体自体に加工ばらつきがあっても、伝熱体の第１の面接触部が半導体チップの裏面に直接に面接触し、第２の面接触部が放熱板の対象面に直接に面接触するので、高い放熱効果を確保することができる。また、伝熱体は、電子機器を構成する各部品の熱膨張係数の違いで生じる熱歪により半導体チップに加わる外力を逃がし、接続信頼性を低下させない。
【００１３】
回路基板がテープキャリアであることを特徴とする。平面視して、伝熱体の第１の面接触部と第２の面接触部とが重ならないことを特徴とする。半導体チップの裏面と放熱板の対象面とがなす角度と、伝熱体の第１の面接触部と第２の面接触部とがなす角度とが同等であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる放熱構造によれば、回路基板の材質にかかわらず、また半導体チップの厚さばらつきがあっても、さらには伝熱体自体に加工ばらつきがあっても、伝熱体が直接に半導体チップおよび放熱板の対象面に面接触するので、高い放熱効果を確保することができ、また半導体チップに外力を加えて接続信頼性を低下させることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の半導体装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の放熱構造の一部の構成を示す断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ’断面を示す断面図である。
【００１６】
図１において、半導体装置は、回路基板２１と、回路基板２１に搭載された半導体チップ１と、回路基板２１と半導体チップ１との接続部分を封止した絶縁樹脂７とを有している。半導体チップ１の裏面側には放熱板１０と伝熱体１２とが配置されている。放熱板１０は、半導体装置の一部を構成していてもよいし、半導体装置外の部材であってもよく、平板に限らず、筐体などの一部であっても構わない。
【００１７】
回路基板２１は、いわゆるテープキャリヤであって、フィルム基材５上に複数本の導体リード４が配線され、フィルム基材５上の導体リード４を覆うようにソルダーレジスト６が形成されている。フィルム基材５は、半導体チップ１が配置される位置にデバイスホール２２が貫通形成されている。フィルム基材５には、可撓性を有する絶縁材料であるポリイミドが用いられるが、条件に応じて、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）などの絶縁材料を用いてもよい。
【００１８】
導体リード４は通常、銅にて厚み３〜２０μｍの範囲に形成され、表面にＡｕめっきやＳｎめっき等の金属めっきが厚み０．１〜１μｍの範囲で施されている。導体リード４の先端部は、デバイスホール２２に突き出るいわゆるフライングリードとなっている。
【００１９】
半導体チップ１は、表面に電極パッド３が形成されており、フィルム基材５のデバイスホール２２に配置されて、各導体リード４の先端部にバンプ２を介していわゆるフリップチップボンド方式で接続されている。バンプ２は電極パッド３上あるいは導体リード４上に予め形成されるものである。ここでは半導体チップ１を１個のみ図示しているが、複数個搭載されていてもよい。
【００２０】
絶縁樹脂７は、フィルム基材５のデバイスホール２２に配置されて、半導体チップ１の導体リード４接続側の表面からソルダーレジスト６に覆われていない導体リード４の先端部分（合わせて接続領域と称す）まで封止し、保護している。
【００２１】
放熱板１０は、半導体チップ１と平行な向きであり、半導体チップ１の裏面との間に所定の間隙を形成している。
伝熱体１２は、良好な熱伝導性および可撓性を有するシート材料よりなり、平面視して、面接触部１３ｂと、この面接触部１３ｂに連続して同面接触部１３ｂと交わる方向に少なくとも一部が延びた中間部１３ｃと、この中間部１３ｃに連続して同中間部１３ｃと交わる方向に延びた面接触部１３ａとを有し、中間部１３ｃが立ち上がる姿勢に成形されている。そして面接触部１３ａ，１３ｂにおいて放熱板１０，半導体チップ１の裏面に面接触し、接着剤１１ａ，１１ｂにより固定されている。
【００２２】
詳細には、伝熱体１２は、図２に示されるように、一端部の面接触部１３ｂを取り巻くようにシート厚み方向（面接触部１３ｂを基準として）およびそれと交わる方向に屈曲するいわゆる螺線状に形成されていて、面接触部１３ａと面接触部１３ｂとは、平面視で隣り合って平行に並び（つまり中心軸が一致していない）、シート厚み方向に視ても平行に並んでいる。
【００２３】
以上のような放熱構造を有することにより、半導体チップ１で発生した熱を伝熱体１２により放熱板１０に伝えて放熱することができる。特に、伝熱体１２が上述の形状および可撓性を有するため、回路基板２１の材質にかかわらず、また半導体チップ１の厚さばらつきがあっても、さらには伝熱体１２自体に加工ばらつきがあっても、伝熱体１２の面接触部１３ｂ全体が半導体チップ１の裏面に直接に面接触し、面接触部１３ａ全体が放熱板１０の対象面に直接に面接触し、高い放熱効果を確保することができる。面接触部１３ａ，１３ｂを接着剤１１ａ，１１ｂにより固定しているので面接触は確実である。かかる伝熱体１２を用いることは、回路基板２１が上述のようなテープキャリアである場合に特に好都合である。
【００２４】
この伝熱体１２には、電子機器を構成する各部品の熱膨張係数の違いで生じる熱歪により半導体チップ１に加わる外力を逃がし、接続信頼性を低下させない、という効果もある。たとえば、図３に示すフラットパネルディスプレイは、表示パネル１５（例えばガラス製）、電気信号を供給するプリント基板１６（例えばガラスエポキシ製）、シャーシ１７等によって構成されており、放熱板１０（例えばアルミ等の金属製）はシャーシ１７に熱結合されている。半導体チップ１は、プリント基板１６と表示パネル１５とに電気的に接続されるとともに固定されている。半導体チップ１は、上述のように伝熱体１２（図１、図２参照）を介して放熱板１０に固定されているので、放熱板１０を通じてシャーシ１７へと熱が逃がされることとなる。しかるに、放熱板１０、表示パネル１５、プリント基板１６、シャーシ１７は各々熱膨張係数が異なるため、半導体チップ１の発熱による温度上昇によって各部品に熱歪が生じる。しかし伝熱体１２は、上述の形状および可撓性を有するため、特にその立ち上がり部が熱歪を吸収して、半導体チップ１に加わる外力を逃がすことができ、接続信頼性の確保が実現できる。
【００２５】
なお伝熱体１２は、良好な熱伝導性および可撓性を具備するべく、銅、アルミ、ニッケル、鉄、ステンレス等の金属を材料として形成される。必要に応じて、ニッケルめっき、金めっき、錫めっき等の金属めっきや、ソルダーレジスト等の樹脂で保護される。求める放熱特性にもよるが、伝熱体１２の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍで、金型等で所望形状に加工される。弾性は特に必要ではない。図４に示すように、複数の伝熱体１２を互いの切り欠き部を埋め合うように配置して形成すれば、材料の無駄を省き、低コスト化を図ることができる。
【００２６】
伝熱体１２は、上述のものに限らず、平面視していわゆる螺線状、あるいはほぼ螺線状であればよい。たとえば図５に示すように、一筆書きで描ける平面形状を有していて、双方の面接触部１３ａ，１３ｂの中心軸が一致していない螺線状であれば、上述の特性を具備することが可能である。
【００２７】
これらの伝熱体１２はいずれも、平面視した時に面接触部１３ａ，１３ｂが重ならない形状であるため、半導体チップ１と放熱板１０との間に伝熱体１２を入れて組立てる作業は容易であり、電子機器の構造設計の自由度を増し、電子機器の小型化にも寄与することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の放熱構造の構成を示す断面図である。半導体チップ１の放熱先は半導体チップ１の裏面と垂直な方向の放熱板１０’であり、伝熱体１２の面接触部１３ａは放熱板１０’に沿う方向に屈折されて固定されている。そのほかは実施の形態１と同様である。
【００２９】
この実施の形態２の放熱構造でも、実施の形態１と同様に、回路基板２１の材質や伝熱体１２の加工ばらつきに制約を受けずに放熱特性を確保できるとともに、半導体チップ１に加わる外力を逃がして接続信頼性の確保が実現できる。
【００３０】
図示を省略するが、半導体チップ１の放熱先の放熱板が半導体チップ１の裏面に対して斜め方向の場合は、伝熱体１２の面接触部１３ａを放熱板に沿う方向に屈折させて固定することで同様の効果が得られる。
【００３１】
このように伝熱体１２の面接触部１３ａの角度を変えることで、先に図３を用いて説明したフラットパネルディスプレイにおいても、半導体チップ１の熱を放熱板１０を介さずに伝熱体１２から直接にシャーシ１７へ逃がすことが可能となる。シャーシ１７自体を放熱板として利用できるのである。これにより、放熱板１０を削除すること、したがって部品点数を削減することができる。シャーシ１７のどの面に伝熱体１２を接触させるかも選択することができる。
【００３２】
つまり、伝熱体１２を面接触部１３ａの屈折方向のみ種々に変更して形成すれば、いずれの方向を向いた放熱板にも固定できるのであり、半導体チップ１の裏面と放熱板とのなす角度に制約はなく、電子機器の構造設計が自由にできる。部品点数を削減するなど、電子機器の小型化に主眼を置いた構造設計等も可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る半導体装置の放熱構造は、放熱効率および接続信頼性を向上させることができるものであり、発熱量が大きな半導体チップが搭載される半導体装置に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の放熱構造の構成を示す断面図
【図２】図１におけるＡ―Ａ’断面を示す断面図
【図３】図１の放熱構造を採用した電子機器の構成を示す図
【図４】図１の放熱構造に用いる伝熱体の形成を説明する平面図
【図５】図１の放熱構造に用い得る他の伝熱体の構成を示す平面図
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の放熱構造の構成を示す断面図
【図７】従来の半導体装置の放熱構造の構成を示す断面図
【図８】従来の半導体装置の放熱構造の別の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００３５】
１    半導体チップ
２    バンプ
３    パッド
４    導体リード
５    フィルム基材
６    ソルダーレジスト
７    絶縁樹脂
１０、１０’    放熱板
１１ａ、１１ｂ  接着剤
１２    伝熱体
１３ａ、１３ｂ  面接触部
１３ｃ  中間部
１５    表示パネル
１６    プリント基板
２１    回路基板
２２    デバイスホール
【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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