JP2011044570A - 放熱板、半導体装置、および放熱板の製造方法 - Google Patents

放熱板、半導体装置、および放熱板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体装置に用いられる放熱板が製造工程において互いに吸着するのを防ぐための構造を簡易かつ安価に形成する。
【解決手段】放熱板109は、板状部材により構成され、板状部材の一部を他の領域よりも窪ませて形成した凹部109aと、凹部109aの形成とともに板状部材が変形することにより一面に形成され、当該一面の他の領域よりも突出して形成された凸部109bとの組合せ構造が形成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、放熱板、半導体装置、および放熱板の製造方法に関し、とくに、凹部と凸部との組合せ構造を有する放熱板、半導体装置、および放熱板の製造方法に関する。
近年、高性能半導体装置は、動作速度の向上に伴い、発熱量が増大している。そのため、効率良く放熱を行うために、半導体装置の一面に放熱板が設けられることがある。図12は、従来の一般的な半導体装置50の構成を示す図である。
半導体装置50は、配線基板1と、配線基板1上に搭載された半導体チップ2と、半導体チップ2上に配置された放熱板9とを含む。ここでは、半導体チップ2がバンプ3を介して配線基板1にフリップチップ接続された例を示す。半導体チップ2は、バンプ3を介して配線基板1の端子と電気的に接続されるとともに、樹脂(アンダーフィル)6を介して配線基板1に接着されている。また、配線基板1上の半導体チップ2の外周には、補強板5が設けられている。補強板5は、接着剤4を介して配線基板1に接着されている。放熱板9は、樹脂7および接着剤8を介してそれぞれ半導体チップ2および補強板5に接着されている。樹脂7は、導電ペースト等、熱伝導率の高い材料により構成することができる。また、配線基板1の半導体チップ2の搭載面と反対側の面には、外部端子10が設けられている。
ところで、図12に示したような半導体装置50の組立工程において、放熱板9を各半導体装置50の半導体チップ2上に配置する工程では、以下のような問題があった。図13を参照して説明する。放熱板9の貼付けを自動機で行う場合、装置内の決められた場所に貼付け前の放熱板9を収容し、そこから搬送し貼付けを行うことになる。収容する放熱板9は数が多いほうが補充する回数が少なくてすむので、効率的である。そのため、収容する数を増やすため、放熱板9を縦方向に積層しておくことが多い。そして、図13(a)に示すように、積層された放熱板9から1枚の放熱板9を吸着ヘッド11で吸着して搬送する。しかし、このとき、図13(b)に示すように、放熱板9同士が真空吸着し、複数枚重なった状態で搬送される場合がある。
特許文献1(実開平6−38257号公報)には、放熱板の一面の四隅に突起状めっき膜が形成された構成が記載されている。これにより、放熱板の複数枚重ね吸着を防止できるとされている。特許文献1に記載された構成では、めっきで放熱板の一面に凸部を設けている。ここで、放熱板は、たとえば、銅、鉄−ニッケル合金等とされており、めっき膜は、放熱板自体にスポット的にめっきを施すことにより形成できるとされている。
実開平6−38257号公報
しかし、特許文献1に記載の構成では、以下のような問題があった。放熱板の複数枚重ね吸着を防止できる程度の膜厚の突起物をめっきで形成しようとすると、マスクを設けて、突起物を形成する箇所に部分的にめっきを施す必要がある。そのため、手間がかかり、製造コストが上昇してしまう。また、たとえば、放熱板自体にもめっきを施す場合でも、別途めっきを行わなければならず、めっきの回数が増え、製造コストが上昇してしまう。
本発明によれば、
板状部材により構成された放熱板であって、
前記板状部材には、前記板状部材の一部を他の領域よりも窪ませて形成した凹部と、前記凹部の形成とともに前記板状部材が変形することにより一面に形成され、当該一面の他の領域よりも突出して形成された凸部との組合せ構造が形成された放熱板が提供される。
本発明によれば、
基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子上に配置された上記の放熱板と、
を含む半導体装置が提供される。
本発明によれば、
板状部材により構成された放熱板の製造方法であって、
前記板状部材に、当該板状部材の一部を他の領域よりも窪ませて凹部を形成し、当該凹部の形成に伴う前記板状部材の変形により、一面に当該一面の他の領域よりも突出した凸部を形成して前記凹部と前記凸部との組合せ構造を形成する工程を含む放熱板の製造方法が提供される。
この構成によれば、前記放熱板の一部に機械的外力を加え、変形させることで凸部を形成している。そのため、簡易かつ安価に一面に凸部が形成された放熱板を形成することができる。このような構成により、放熱板を積み重ねても、放熱板の貼付け工程で吸着ヘッドで放熱板を搬送する際に、放熱板同士の真空吸着を防止することができる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、半導体装置に用いられる放熱板が製造工程において互いに吸着するのを防ぐための構造を簡易かつ安価に形成することができる。
本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の構成の一例を示す図である。 図2に示した放熱板の構成を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の製造手順を示す平面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の製造手順を示す断面図である。 複数の放熱板を積層させた状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の構成の他の例を示す図である。 図8に示した放熱板の構成を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態における放熱板の製造手順を示す断面図である。 複数の放熱板を積層させた状態を示す断面図である。 従来の半導体装置の構成を示す断面図である。 従来の放熱板の問題点を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図1は、本実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
半導体装置100は、配線基板101と、配線基板101上に搭載された半導体チップ102(半導体素子)と、半導体チップ102上に配置された放熱板109とを含む。本実施の形態において、半導体チップ102は、バンプ103を介して配線基板101にフリップチップ接続された例を示す。バンプ103は、半導体チップ102の電極端子(不図示)上に形成されている。フリップチップ接続では、半導体チップ102の電極端子と配線基板101の電極端子とを向かい合わせ、これらの電極端子をバンプ103を介して電気的に接続する。このような構成では、半導体チップ102の電極端子と配線基板101の電極端子とを最短距離で接続できるため、動作速度が向上する。また、半導体チップ102裏面側がむき出しになるため、裏面側に、発熱量に対応した放熱板109を取り付けやすいという利点がある。ここで、バンプ103は、たとえば、錫鉛合金、錫銀合金、錫銀銅合金、金錫合金、金等により構成することができる。
また、半導体チップ102と配線基板101との間には、バンプ103を保護するとともに、半導体チップ102と配線基板101との接着性を高めるために、樹脂(アンダーフィル)106が形成されている。樹脂106は、熱硬化性樹脂とすることができる。配線基板101の半導体チップ102搭載面の反対側には、外部端子110が設けられている。外部端子110は、たとえば、錫鉛合金、錫銀合金、錫銀銅合金等により構成することができる。
また、配線基板101上の半導体チップ102の外周には、補強板105が設けられている。補強板105は、接着剤104を介して配線基板101に接着されている。放熱板109は、樹脂107および接着剤108を介してそれぞれ半導体チップ102および補強板105に接着されている。樹脂107は、導電ペースト等、熱伝導率の高い材料により構成することができる。
本実施の形態において、放熱板109は、板状部材114により構成される。板状部材114には、板状部材114の一部を他の領域よりも窪ませて形成した凹部109aと、凹部109aの形成とともに板状部材114が変形することにより形成され、他の領域よりも突出して形成された凸部109bとの組合せ構造116が形成されている。
図2は、本実施の形態における放熱板109の構成の一例を示す図である。図2(a)は、放熱板109の平面図、図2(b)は、放熱板109の側面図である。図3は、図2(a)のA−A’断面図である。
ここで、凹部109aと凸部109bとの組合せ構造116は、板状部材114の角部に形成されている。凹部109aと凸部109bとの組合せ構造116は、板状部材114の四隅のうちの3箇所以上に、それぞれ形成することができる。本実施の形態においては、凹部109aと凸部109bとの組合せ構造116が、板状部材114の四隅全部にそれぞれ形成されている。
次に、本実施の形態における放熱板109の製造手順を説明する。図4は、本実施の形態における放熱板109の製造手順を示す平面図である。図5は、本実施の形態における放熱板109の製造手順を示す断面図である。
本実施の形態において、加工前は、板状部材114は、平面視が矩形の板状に形成されている。板状部材114は、たとえば銅(たとえば無酸素銅)等の金属板材の表面にめっき膜が形成された金属材料により構成することができる。ここで、めっき膜は、たとえば電解半光沢ニッケルめっきとすることができる。一例として、組合せ構造116形成前において、板状部材114は、金属板材の板厚が0.5mm、めっき膜の膜厚が1〜3μm、平面の外形サイズが32.1mmの正方形とすることができる。このような板状部材114は、金属板材の表面にめっき処理をした後に、外形を打抜き加工することにより形成されるが、この手順は従来と同様とすることができる。
本実施の形態において、この後、このような構成の板状部材114の一面側を端部から中心部に向かって押し込むことにより、一面側に凹部109aおよび凸部109bを形成して組合せ構造116を得ることができる。具体的には、板状部材114の一面側(図5の上面)の角部の側面から成型器具200を押し込む(図4(a)、図5(a))。これにより、板状部材114に機械的外力を加え、板状部材114の一面側の側面を部分的に凹ませて凹部109aを形成し、その凹んだ部分の材料が追い出されることで凸部109bを形成する(図4(b)、図5(b))。ここでは、一の角部の側面から成型器具200を押し込む例を示しているが、4箇所の角部の側面からそれぞれ同様の処理を行うことができる。以上のように、本実施の形態において、組合せ構造116の凸部109bは、凹部109aを形成することに伴う板状部材114の変形により形成される。そのため、各組合せ構造116の凹部109aと凸部109bとは、体積が同じとなる。
図1に戻り、本実施の形態において、放熱板109の組合せ構造116が形成された一面側が半導体チップ102と向かい合うようにして、放熱板109を半導体チップ102上に配置することができる。これにより、放熱板109の一面側と反対側の面を平坦に保つことができる。これにより、たとえば、放熱板109の上記反対側の面にたとえば放熱フィン、液体冷却、ペルチェ素子等を用いた冷却ユニット等の放熱用の部品を接合する際の冷却効率を高めることができる。
また、放熱板109の一面側と半導体チップ102との距離を近くすることにより、放熱効果を高めることができる。このような観点からは、組合せ構造116の凸部109bの他の領域の高さhからの高さ差(h−h)は、たとえば25μm以下とすることができる(図3参照)。また、高さ差(h−h)をこのような範囲とすることにより、凸部109bが接着剤108の厚みに影響を与えないようにすることができ、半導体装置100を効率よく組み立てることもできる。一方、放熱板109同士の真空吸着を防止するためには、高さ差(h−h)をたとえば10μm以上程度とすることができる。
図6に、図1から図5を参照して説明した放熱板109を複数重ねて配置した断面図を示す。
ここで、放熱板109の一面に凸部109bが設けられているので、複数の放熱板109を重ねたときに、放熱板109間に隙間が生じる。そのため、放熱板109同士が真空吸着して貼りつくのを防ぐことができる。これにより、放熱板109の貼付け工程で吸着ヘッドで放熱板109を搬送する際に、放熱板109を一枚ずつ搬送することができる。放熱板109に凸部109bを設けておくことにより、吸着ヘッドでの放熱板109の搬送作業を速い速度で行っても、放熱板109同士の真空吸着を防ぐことができるので、作業効率も向上する。本実施の形態における放熱板109およびその製造手順によれば、簡易に凸部109bを形成することができ、特別な作業が必要ないため、価格への影響が少なく放熱板109を安価に製造することができる。
また、放熱板109の上記反対側の面が平坦となっているので、図7に示すように、この面に捺印を施した捺印領域113を設けた場合でも、視認性を良好とすることができる。ここで、図7の捺印領域113内の「*」は捺印文字を表している。本実施の形態における放熱板109の構成によれば、捺印領域113に制限を設けることなく、捺印の品質を良好にすることができる。
図8は、本実施の形態における放熱板109の他の例を示す図である。図8(a)は、放熱板109の平面図、図8(b)は、放熱板109の側面図である。図9は、図8(a)のB−B’断面図である。
ここで、組合せ構造116は、板状部材114の他面を窪ませて当該他面に凹部109aを形成するとともに、当該他面と反対側の一面に凸部109bを形成したものであって、凹部109aと凸部109bとは互いに断面形状が異なる。なお、ここでも、凹部109aと凸部109bとの組合せ構造116は、板状部材114の四隅全部にそれぞれ形成されている。
次に、本実施の形態における放熱板109の製造手順を説明する。図10は、本実施の形態における放熱板109の製造手順を示す断面図である。
本例では、成型器具200は、ポンチ202と受け器具204とにより構成される。本例でも加工前の板状部材114の構成は、図4および図5を参照して説明したのと同様とすることができる。ただし、本例では、組合せ構造116を形成する加工を、外形を打抜き加工する工程と同時に行うことができる。
このような構成の板状部材114の一面(図中下面)側に受け器具204を配置し、板状部材114の他面(図中上面)側からポンチ202で板状部材114を押し込む。ここで、受け器具204には、ポンチ202の径よりも径の大きい開口部204aが形成されている。これにより、板状部材114に機械的外力を加え、板状部材114の他面を部分的に凹ませて凹部109aを形成し、その凹んだ部分の材料が追い出されることで一面側に凸部109bを形成する。
このとき、開口部204aの開口径がポンチ202の径より大きく形成されているので、凹部109aの変形に対し、凸部109bが広く形成される。これにより、各組合せ構造116において、凹部109aと凸部109bとの断面形状が互いに異なるようにすることができる。ここでも、組合せ構造116の凸部109bは、凹部109aを形成することに伴う板状部材114の変形により形成される。そのため、各組合せ構造116の凹部109aと凸部109bとは、体積が同じとなる。
ここで、ポンチ202の径は、たとえば直径0.3mmとすることができる。このとき、受け器具204の開口部204aの径は、たとえば直径1mmとすることができる。本例でも、組合せ構造116の凸部109bの他の領域の高さhからの高さ差(h−h)は、たとえば25μm以下とすることができる(図9参照)。高さ差(h−h)は、たとえば10μm以上25μm以下とすることができる。
図11に、図8から図10を参照して説明した放熱板109を複数重ねて配置した断面図を示す。
ここで、放熱板109の一面に凸部109bが設けられている。また、放熱板109の凹部109aと凸部109bとは、互いに断面形状が異なる。上側の放熱板109の凸部109bは、下側の放熱板109の凹部109aよりも径が大きい。このため、凸部109bが凹部109aからはみ出すようになっており、複数の放熱板109を重ねたときに、放熱板109間に隙間が生じる。そのため、放熱板109同士が真空吸着して貼りつくのを防ぐことができる。これにより、放熱板109の貼付け工程で吸着ヘッドで放熱板109を搬送する際に、放熱板109を一枚ずつ搬送することができる。放熱板109に凸部109bを設けておくことにより、吸着ヘッドでの放熱板109の搬送作業を速い速度で行っても、放熱板109同士の真空吸着を防ぐことができるので、作業効率も向上する。
本実施の形態における放熱板109およびその製造手順によれば、簡易に凸部109bを形成することができ、特別な作業が必要ないため、価格への影響が少なく放熱板109を安価に製造することができる。さらに、凸部109bの形成を、板状部材114の外形を打抜き加工する工程と同時に行うことができるので、少ない工程数で放熱板109に凸部109bを形成することができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
100 半導体装置
101 配線基板
102 半導体チップ
103 バンプ
104 接着剤
105 補強板
106 樹脂
107 樹脂
108 接着剤
109 放熱板
109a 凹部
109b 凸部
110 外部端子
113 捺印領域
114 板状部材
116 組合せ構造
200 成型器具
202 ポンチ
204 受け器具
204a 開口部

Claims (12)

  1. 板状部材により構成された放熱板であって、
    前記板状部材には、前記板状部材の一部を他の領域よりも窪ませて形成した凹部と、前記凹部の形成とともに前記板状部材が変形することにより一面に形成され、当該一面の他の領域よりも突出して形成された凸部との組合せ構造が形成された放熱板。
  2. 請求項1に記載の放熱板において、
    前記凹部と前記凸部との前記組合せ構造は、前記板状部材の角部に形成された放熱板。
  3. 請求項1または2に記載の放熱板において、
    前記凹部と前記凸部との前記組合せ構造が、前記板状部材の四隅のうちの3箇所以上に、それぞれ形成された放熱板。
  4. 請求項1から3いずれかに記載の放熱板において、
    前記組合せ構造は、前記板状部材の前記一面側を端部から中心部に向かって押し込むことにより、前記一面側に前記凹部と前記凸部を形成したものである放熱板。
  5. 請求項1から3いずれかに記載の放熱板において、
    前記組合せ構造は、前記板状部材の前記一面と反対側の他面を窪ませて当該他面に前記凹部を形成するとともに、前記一面に前記凸部を形成したものであって、前記凹部と前記凸部とは互いに断面形状が異なる放熱板。
  6. 請求項1から5いずれかに記載の放熱板において、
    前記凸部と前記凹部とが体積が同じである放熱板。
  7. 請求項1から6いずれかに記載の放熱板において、
    前記板状部材は、金属材料により構成された放熱板。
  8. 基板と、
    前記基板上に搭載された半導体素子と、
    前記半導体素子上に配置された請求項1から7いずれかに記載の放熱板と、
    を含む半導体装置。
  9. 請求項8に記載の半導体装置において、
    前記放熱板は、前記凸部が形成された前記一面が、前記半導体素子と対向して配置された半導体装置。
  10. 板状部材により構成された放熱板の製造方法であって、
    前記板状部材に、当該板状部材の一部を他の領域よりも窪ませて凹部を形成し、当該凹部の形成に伴う前記板状部材の変形により、一面に当該一面の他の領域よりも突出した凸部を形成して前記凹部と前記凸部との組合せ構造を形成する工程を含む放熱板の製造方法。
  11. 請求項10に記載の放熱板の製造方法において、
    前記組合せ構造を形成する工程において、前記板状部材の前記一面側を端部から中心部に向かって押し込むことにより、前記一面側に前記凹部と前記凸部を形成する放熱板の製造方法。
  12. 請求項10に記載の放熱板の製造方法において、
    前記組合せ構造を形成する工程において、前記板状部材の前記一面と反対側の他面を窪ませて当該他面に前記凹部を形成するとともに、前記一面に前記凹部と断面形状が異なる前記凸部を形成する放熱板の製造方法。
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