JP2022003656A - 半導体パッケージ - Google Patents
半導体パッケージ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022003656A JP2022003656A JP2018176640A JP2018176640A JP2022003656A JP 2022003656 A JP2022003656 A JP 2022003656A JP 2018176640 A JP2018176640 A JP 2018176640A JP 2018176640 A JP2018176640 A JP 2018176640A JP 2022003656 A JP2022003656 A JP 2022003656A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat
- semiconductor package
- graphite
- anisotropic graphite
- cooling member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 82
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 96
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 93
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 93
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 51
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 37
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 31
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 31
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 6
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000009719 polyimide resin Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
【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
Description
本発明は、半導体パッケージに関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
<(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。
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。
<(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。
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。
<(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。
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。
<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。
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。
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。
<(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。
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。
<(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。
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。
<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。
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。
<(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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
<(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。
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。
以下に本発明の実施例を説明する。
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。
(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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (6)
- (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。
- (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。
- 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。
- (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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018176640A JP2022003656A (ja) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | 半導体パッケージ |
PCT/JP2019/035755 WO2020059605A1 (ja) | 2018-09-20 | 2019-09-11 | 半導体パッケージ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018176640A JP2022003656A (ja) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | 半導体パッケージ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022003656A true JP2022003656A (ja) | 2022-01-11 |
Family
ID=69887021
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018176640A Pending JP2022003656A (ja) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | 半導体パッケージ |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022003656A (ja) |
WO (1) | WO2020059605A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024085050A1 (ja) * | 2022-10-17 | 2024-04-25 | 京セラ株式会社 | 放熱基板及び放熱装置 |
WO2024085051A1 (ja) * | 2022-10-17 | 2024-04-25 | 京セラ株式会社 | 放熱基板及び放熱装置 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023006510A (ja) | 2021-06-30 | 2023-01-18 | 日亜化学工業株式会社 | 発光モジュール、車両用灯具、及び、放熱部材 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004200586A (ja) * | 2002-12-20 | 2004-07-15 | Sony Corp | 冷却装置および冷却装置を有する電子機器 |
JP2006196593A (ja) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体装置およびヒートシンク |
US8085531B2 (en) * | 2009-07-14 | 2011-12-27 | Specialty Minerals (Michigan) Inc. | Anisotropic thermal conduction element and manufacturing method |
JP2011159662A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Toyota Central R&D Labs Inc | 半導体装置 |
JP5397340B2 (ja) * | 2010-07-22 | 2014-01-22 | 株式会社デンソー | 半導体冷却装置 |
JP6265949B2 (ja) * | 2015-07-31 | 2018-01-24 | 古河電気工業株式会社 | ヒートシンク |
-
2018
- 2018-09-20 JP JP2018176640A patent/JP2022003656A/ja active Pending
-
2019
- 2019-09-11 WO PCT/JP2019/035755 patent/WO2020059605A1/ja active Application Filing
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024085050A1 (ja) * | 2022-10-17 | 2024-04-25 | 京セラ株式会社 | 放熱基板及び放熱装置 |
WO2024085051A1 (ja) * | 2022-10-17 | 2024-04-25 | 京セラ株式会社 | 放熱基板及び放熱装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2020059605A1 (ja) | 2020-03-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2021100006A (ja) | 半導体パッケージ | |
US7791188B2 (en) | Heat spreader having single layer of diamond particles and associated methods | |
US20080128067A1 (en) | Heat transfer composite, associated device and method | |
JP2014515876A (ja) | 高熱伝導率/低熱膨張率を有する複合材 | |
KR20050084845A (ko) | 탄소질 열 확산기 및 관련 방법 | |
JP2011091106A (ja) | 熱伝導部材及びその製造方法、放熱用部品、半導体パッケージ | |
JP2022003656A (ja) | 半導体パッケージ | |
CN106460191A (zh) | 散热器及其制造方法 | |
US20060263584A1 (en) | Composite material, electrical circuit or electric module | |
JP2003124410A (ja) | 多層ヒートシンクおよびその製造方法 | |
US20110005810A1 (en) | Insulating substrate and method for producing the same | |
JP7142864B2 (ja) | 異方性グラファイト複合体の製造方法 | |
JP7213482B2 (ja) | グラファイト複合体および半導体パッケージ | |
JP2022178275A (ja) | 放熱板および半導体パッケージ | |
JP2016207799A (ja) | 冷却基板 | |
JP6498040B2 (ja) | アルミニウムと炭素粒子との複合体及び絶縁基板 | |
JP2005005528A (ja) | 半導体素子搭載用モジュール | |
WO2022138711A1 (ja) | 複合材料、半導体パッケージ及び複合材料の製造方法 | |
US11578246B2 (en) | Anisotropic graphite and anisotropic graphite composite | |
WO2019106874A1 (ja) | 絶縁基板及び放熱装置 | |
JP5979478B2 (ja) | 3層構造積層ダイヤモンド系基板、パワー半導体モジュール用放熱実装基板およびそれらの製造方法 | |
JP2015185688A (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
JP2018131371A (ja) | パワーモジュール用基板の製造方法 | |
EP3471138B1 (en) | Heat sink plate | |
JP2022177993A (ja) | 放熱板および半導体パッケージ |