JP2022003656A - Semiconductor package - Google Patents
Semiconductor package 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
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
Abstract
Description
本発明は、半導体パッケージに関する。 The present invention relates to a semiconductor package.
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。
In a semiconductor package, a temperature rise due to heat generated from a semiconductor element becomes a problem. In order to suppress the temperature rise of the semiconductor package, for example, a semiconductor package including a semiconductor element, a heat diffusion member, and a cooling member such as a heat sink is known.
The heat diffusion member is a member that transfers heat from a semiconductor element to a cooling member, and a metal or anisotropic graphite is used. Anisotropic graphite is composed of a large number of graphite layers and has a crystal orientation plane. Anisotropic graphite exhibits a high thermal conductivity in the parallel direction and a low thermal conductivity in the vertical direction with respect to the crystal orientation plane of the anisotropic graphite.
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。
For example,
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。
However,
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。 An object of the present invention is to provide a semiconductor package having excellent cooling performance, which includes a heat diffusion member that efficiently transfers heat generated from a semiconductor element to a cooling member.
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。
In the semiconductor package, the present inventors arrange the cooling member so that the crystal orientation plane of the anisotropic graphite constituting the heat diffusion member intersects the heat transfer direction or the heat transfer surface of the cooling member. We have found that we can provide a semiconductor package with excellent cooling efficiency, and have completed the present invention. The present invention includes:
[1] A semiconductor package including (A) a semiconductor element, (B) a heat diffusion member, and (C) a cooling member, wherein the (B) heat diffusion member contains anisotropic graphite and is a crystal of the anisotropic graphite. A semiconductor package in which the cooling member is arranged so that the heat transfer direction or the heat transfer surface of the cooling member intersects the oriented surface.
[2] (C) The cooling member is a heat pipe, and the heat transfer direction of the heat pipe intersects the crystal orientation plane of the anisotropic graphite, and the intersection angle is 80 degrees or more and 100 degrees or less. The semiconductor package according to [1], wherein the heat pipe is arranged so as to be.
[3] The semiconductor package according to [2], wherein the heat pipe is arranged so that the heat transfer direction of the heat pipe is orthogonal to the crystal orientation plane of the anisotropic graphite.
[4] (C) The cooling member is a heat sink, and the planes of the fins constituting the heat sink intersect with the crystal alignment plane of the anisotropic graphite, and the crossing angle is 80 degrees or more and 100 degrees or less. The semiconductor package according to [1], wherein the heat sink is arranged so as to be.
[5] The semiconductor package according to [4], wherein the heat sink is arranged so that the planes of the fins constituting the heat sink are orthogonal to the crystal orientation plane of the anisotropic graphite.
[6] The semiconductor package according to any one of [1] to [5], further comprising (D) an auxiliary cooling member.
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。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor package having excellent cooling efficiency.
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。
The present invention is a semiconductor package including (A) a semiconductor element, (B) a heat diffusion member, and (C) a cooling member, wherein the (B) heat diffusion member contains anisotropic graphite and is made of the anisotropic graphite. A semiconductor package in which the cooling member is arranged so that the heat transfer direction or the heat transfer surface of the cooling member intersects the crystal alignment plane.
FIG. 1 shows (C) a
FIG. 2 shows (C) a
FIG. 3 shows (D) a
FIG. 4 shows a plan view of the semiconductor package 4 that defines the crossing angle.
Hereinafter, each member constituting the semiconductor package of the present invention will be described.
＜（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。
<(A) Semiconductor element>
The semiconductor element (A) of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a transistor, a diode, an integrated circuit, and a memory.
＜（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。
<(B) Heat diffusion member>
The (B) heat diffusion member of the present invention preferably contains at least (b1) anisotropic graphite, and preferably has a (b3) inorganic material layer laminated on the anisotropic graphite, and further, anisotropic graphite and an inorganic material. It is more preferable to include a metal layer (b2) for joining the layers.
The inorganic material layer is preferably located between the anisotropic graphite and the semiconductor device, or between the anisotropic graphite and the cooling member.
It is particularly preferable that the inorganic material layer covers the entire surface of anisotropic graphite.
＜（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。
<(B1) Anisotropic graphite>
The anisotropic graphite of the present invention is one in which a large number of graphite layers are laminated. As for the dimensions of the anisotropic graphite, when the crystal orientation plane of the anisotropic graphite is arranged parallel to the XZ plane, the length of the side parallel to the X axis is preferably 4 mm or more and 200 mm or less. The length of the side parallel to the Y axis is preferably 4 mm or more and 200 mm or less. The length of the side parallel to the Z axis is preferably 0.6 mm or more and 5.0 mm or less.
The method for producing anisotropic graphite is not particularly limited, but it can be produced by cutting a graphite block. Examples of the method for cutting the graphite block include a diamond cutter, a wire saw, and machining. A wire saw is preferable from the viewpoint that it can be easily processed into a rectangular parallelepiped shape.
The surface of the anisotropic graphite may be polished or roughened, and known techniques such as sanding, buffing, and blasting can be appropriately used.
＜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。
<Graphite block>
The graphite block is not particularly limited, and a polymer-decomposed graphite block, a thermally decomposed graphite block, an extruded graphite block, a molded graphite block, or the like can be used, and has high thermal conductivity and is different. From the viewpoint of excellent heat transfer performance of the graphite heat transfer member, a polymer-decomposed graphite block and a heat-decomposition graphite block can be mentioned.
In the method for producing a graphite block, for example, a carbonaceous gas such as methane is introduced into a furnace and heated to about 2000 ° C. with a heater to form fine carbon nuclei. The formed carbon nuclei can be volumetrically formed on the substrate and volumeat in layers to obtain a pyrolysis graphite block.
Further, the graphite block may be produced by laminating a polymer film such as a polyimide resin in multiple layers and then heat-treating the graphite block while pressing the press. Specifically, in order to obtain a graphite block from a polymer film, first, a multilayer of polymer films, which is a starting material, is preheated to a temperature of about 1000 ° C. under reduced pressure or in an inert gas. It is carbonized and made into a carbonized block. After that, the carbonized block is graphitized by heat-treating it to a temperature of 2800 ° C. or higher while press-pressurizing it in an inert gas atmosphere, whereby a good graphite crystal structure can be formed and thermal conductivity is improved. An excellent graphite block can be obtained.
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。 Specific examples of the method for producing the graphite block include the methods described in WO2015 / 129317.
＜（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。
<(B2) Metal layer>
The metal layer of the present invention can be used for joining anisotropic graphite and an inorganic material layer, and the type of the metal layer is not particularly limited, but a metal layer including plating and a metal-based brazing material is used. Is preferable. When plating is used, the metal layer and the inorganic material layer may be integrated.
When a metal-based brazing material is used as the metal layer, the metal-based brazing material can be diffusion-bonded to anisotropic graphite, and its own thermal conductivity is relatively high, so that high thermal conductivity is maintained. be able to. The type of the metal wax material is not particularly limited, but it is preferable to contain silver, copper, and titanium from the viewpoint of maintaining high thermal conductivity.
As for the joining method in the case of a metal-based brazing material, a known material and a known technique can be used. For example, when active silver wax is used, it can be bonded by heating it in a vacuum environment of 1 × 10 -3 Pa and a temperature range of 700 to 1000 ° C. for 10 minutes to 1 hour and cooling it to room temperature. be. Further, in order to improve the bonding state, a weight may be applied during heating.
Further, when the inorganic material layer is bonded to the entire surface of anisotropic graphite by using a metal-based brazing material, it is preferable to use a hollow frame or a bottomed frame. When a hollow frame or a bottomed frame is used, the interface between the inorganic material layers is reduced as compared with the case where the inorganic material layers are bonded to each surface of the anisotropic graphite, so that heat can be diffused efficiently. ..
＜（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。
<(B3) Inorganic material layer>
Examples of the inorganic material layer of the present invention include a metal layer or a ceramic layer, and a metal layer is preferable. Heat is relatively difficult to transfer in the direction perpendicular to the crystal orientation plane of anisotropic graphite. Therefore, the thermal conductivity is relatively high, and by combining with an isotropic material, the thermal conductivity of the anisotropic graphite in the Y-axis direction can be supplemented, and a higher heat dissipation effect can be exhibited.
As the type of metal forming the metal layer, known materials such as gold, silver, copper, nickel, aluminum, molybdenum, tungsten, and alloys containing these can be appropriately used.
As the type of ceramics forming the ceramic layer, known materials such as alumina, zirconia, silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, and aluminum nitride can be appropriately used.
From the viewpoint of further enhancing the thermal conductivity, the metal layer is preferable as the inorganic material layer, and copper is preferable as the metal forming the metal layer.
The thickness of the inorganic material layer is preferably 100 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 120 μm or more and 250 μm or less. If it is 100 μm or more, (a1) the thermal conductivity in the direction in which the heat of anisotropic graphite is relatively difficult to transfer can be supplemented. Further, if it is 300 μm or less, it does not hinder the high thermal conductivity of (a1) anisotropic graphite.
Examples of the method for forming the inorganic material layer include plating, sputtering, and a method of pasting a plate. From the viewpoint of heat conduction, the method of attaching a plate is preferable.
＜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。
<Implantation of metal layer>
When the inorganic material layer and the metal layer are provided in the heat diffusion member of the present invention, it is preferable that the metal of the metal layer is partially impregnated between the layers of the graphite layer forming anisotropic graphite. If there is a minute gap between the layers of the graphite layer, this gap may hinder the heat transfer performance of the heat diffusion member. Therefore, it is preferable that the metal layer is impregnated so as to fill a minute gap between the layers of the graphite layer.
As a method of impregnating the metal layer, it is preferable to widen the layers of the graphite layer forming the anisotropic graphite before joining the anisotropic graphite, the metal layer and the inorganic material layer.
As a method for widening the layers of the graphite layer, it is preferable to use polymer-decomposed graphite, which is produced by laminating a polymer film such as a polyimide film in multiple layers and then thermally decomposing it, as the anisotropic graphite. Since polymer-decomposed graphite is produced by laminating polymer films in multiple layers, it is necessary to form gaps linearly between the layers derived from between the polymer films, as compared with pyrolytic graphite produced by the CVD method or the like. Can be done. Therefore, the metal wax material can be easily impregnated.
＜（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。
<(C) Cooling member>
The cooling member of the present invention is not particularly limited as long as it cools the heat generated from the semiconductor element, and examples thereof include a heat sink and a heat pipe.
Examples of the heat sink include a heat sink having plate-shaped fins and a sword-shaped or bellows-shaped heat sink. Of these, a heat sink having plate-shaped fins is preferable. Examples of the heat sink having plate-shaped fins include those having a plurality of fins on a metal flat plate-shaped heat receiving plate.
FIG. 1 shows, as an example, a
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。
The heat pipe is not particularly limited as long as it can transfer heat by repeatedly evaporating and condensing the liquid in the closed container, and examples thereof include a rod shape, a columnar shape, and a rectangular parallelepiped shape.
FIG. 2 shows, as an example, a
＜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。
<Orientation of cooling member>
In the semiconductor package of the present invention, the heat transfer direction or the heat transfer surface of the cooling member intersects the crystal orientation surface of the anisotropic graphite constituting the heat diffusion member. The heat transfer direction is a direction from a high temperature portion to a low temperature portion in the cooling member, and in the case of the rod-shaped heat pipe shown in FIG. 2, it indicates the length direction of the rod. For example, in the case of the heat sink shown in FIG. 1, the heat transfer surface refers to a surface parallel to the plate of the plate-shaped fin.
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。
FIG. 4 shows a plan view of a semiconductor package 4 including a
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。 The crossing angle between the heat diffusion member and the cooling member is preferably 60 degrees or more and 120 degrees or less, more preferably 80 degrees or more and 100 degrees or less, further preferably 85 degrees or more and 95 degrees or less, and being orthogonal at 90 degrees. Especially preferable.
＜（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。
<(D) Auxiliary cooling member>
The semiconductor package of the present invention preferably further has an auxiliary cooling member. Examples of the auxiliary cooling member include a water-cooled member and an air-cooled member such as a fan.
FIG. 3 shows, as an example, a
以下に本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
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。 A graphite block was produced by the method described in Production Example 1, and a heat diffusion member was produced by the method described in Production Example 2. As shown in Example 1, a semiconductor package was produced and the heat transfer performance was evaluated.
（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。
(Manufacturing Example 1) Fabrication of Graphite Block After stacking 1500 sheets of polyimide film of 100 mm × 100 mm ×
The thermal conductivity of the obtained graphite block in the direction parallel to the crystal orientation plane was 1500 W / mK, and the thermal conductivity perpendicular to the crystal orientation plane was 5 W / mK.
（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。
(Production Example 2) Preparation of heat diffusion member The graphite block (90 mm × 90 mm, thickness 15 mm) produced in Production Example 1 was cut with a wire saw to obtain anisotropic graphite. The dimensions of the anisotropic graphite are such that when the crystal orientation plane of the anisotropic graphite is arranged parallel to the X-Z plane, the length of the side parallel to the X axis is 40 mm and the length of the side parallel to the Y axis is 40 mm. The length was 40 mm, and the length of the side parallel to the Z axis was 1.1 mm.
Next, as a metal layer, 40 mm × 40 mm × 50 μm titanium-based active silver brazing, inorganic, was placed on the upper and lower surfaces of anisotropic graphite in which the crystal orientation planes of anisotropic graphite were arranged parallel to the XZ plane as described above. Anoxic copper of 40 mm × 40 mm × 200 μm in thickness is layered as a material layer, and heated at 850 ° C. for 30 minutes in a vacuum environment of 1 × 10 -3 Pa with a load of 100 kg / m 2 applied from above and below. A heat diffusion member (B1) having a side length parallel to the X-axis of 40 mm, a side length parallel to the Y-axis of 40 mm, and a side length parallel to the Z-axis of 1.5 mm was obtained.
（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。
(Example 1)
The semiconductor element, the heat diffusion member (B1) obtained in Production Example 2, and the heat sink are arranged so that the crystal orientation plane of the anisotropic graphite of the heat diffusion member and the plate-shaped fins of the heat sink are orthogonal to each other, and are joined by soldering. A semiconductor package (P1) was obtained.
When the heat transfer performance described below was evaluated, the maximum temperature of the semiconductor device was 64.9 ° C.
（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。
(Comparative Example 1)
The semiconductor element, the heat diffusion member (B1) obtained in Production Example 2, and the heat sink are arranged so that the crystal alignment plane of the anisotropic graphite of the heat diffusion member and the plate-shaped fins of the heat sink are parallel to each other, and are joined by soldering. , A semiconductor package (P2) was obtained.
When the heat transfer performance described below was evaluated, the maximum temperature of the semiconductor device was 84.9 ° C.
（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。
(Comparative Example 2)
A semiconductor element, a heat diffusion member (B2) made of copper having a size of 40 mm × 40 mm × 1.5 mm, and a heat sink were joined by soldering to obtain a semiconductor package (P3).
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。 When the heat transfer performance described below was evaluated, the maximum temperature of the semiconductor device was 69.7 ° C.
＜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。
<Evaluation of heat transfer performance>
A semiconductor package was manufactured by soldering a substrate made of glass epoxy, a semiconductor element, a heat diffusion member, an aluminum heat sink, and a fan. The air volume of the fan was 2 m 3 / min, the calorific value of the semiconductor element was 60 W, the outside air temperature was 25 ° C., and the maximum temperature of the semiconductor element was measured.
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。 Table 1 below summarizes the configurations of the semiconductor packages of Examples and Comparative Examples and the evaluation results.
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。 The semiconductor package of the present invention can be suitably used as a semiconductor package having good cooling efficiency.
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
41 Semiconductor element
42
Claims (6)
The semiconductor package according to any one of claims 1 to 5, further comprising (D) an auxiliary cooling member.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018176640A JP2022003656A (en) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | Semiconductor package |
| PCT/JP2019/035755 WO2020059605A1 (en) | 2018-09-20 | 2019-09-11 | Semiconductor package |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018176640A JP2022003656A (en) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | Semiconductor package |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022003656A true JP2022003656A (en) | 2022-01-11 |
Family
ID=69887021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018176640A Pending JP2022003656A (en) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | Semiconductor package |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2022003656A (en) |
| WO (1) | WO2020059605A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023006510A (en) | 2021-06-30 | 2023-01-18 | 日亜化学工業株式会社 | Light-emitting module, vehicle lamp, and heat dissipation member |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004200586A (en) * | 2002-12-20 | 2004-07-15 | Sony Corp | Cooling device and electronic apparatus with cooling device |
| JP2006196593A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor device and heat sink |
| US8085531B2 (en) * | 2009-07-14 | 2011-12-27 | Specialty Minerals (Michigan) Inc. | Anisotropic thermal conduction element and manufacturing method |
| JP2011159662A (en) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device |
| JP5397340B2 (en) * | 2010-07-22 | 2014-01-22 | 株式会社デンソー | Semiconductor cooling device |
| JP6265949B2 (en) * | 2015-07-31 | 2018-01-24 | 古河電気工業株式会社 | heatsink |
-
2018
- 2018-09-20 JP JP2018176640A patent/JP2022003656A/en active Pending
-
2019
- 2019-09-11 WO PCT/JP2019/035755 patent/WO2020059605A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020059605A1 (en) | 2020-03-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7791188B2 (en) | Heat spreader having single layer of diamond particles and associated methods | |
| JP5356972B2 (en) | Heat dissipating component, manufacturing method thereof, and semiconductor package | |
| JP2014515876A (en) | Composite material with high thermal conductivity / low thermal expansion coefficient | |
| JP6580385B2 (en) | Composite of aluminum and carbon particles and method for producing the same | |
| KR20050084845A (en) | Carbonaceous heat spreader and associated methods | |
| JP2021100006A (en) | Semiconductor package | |
| US20110005810A1 (en) | Insulating substrate and method for producing the same | |
| JP2003124410A (en) | Multi-layer heat sink and method for producing it | |
| JP2012158783A (en) | Aluminum-diamond composite, and method for production thereof | |
| JP2022003656A (en) | Semiconductor package | |
| JP7213482B2 (en) | Graphite composites and semiconductor packages | |
| KR20130099790A (en) | Heterostructure for heat dissipation and method of fabricating the same | |
| JP2016207799A (en) | Cooling substrate | |
| JP7142864B2 (en) | Method for producing anisotropic graphite composite | |
| WO2022138711A1 (en) | Composite material, semiconductor package, and method for manufacturing composite material | |
| JP2004160549A (en) | Ceramic-metal complex and high heat-conductive substrate for heat radiation using the same | |
| JP2019079914A (en) | Semiconductor module and method of manufacturing the same | |
| WO2019106874A1 (en) | Insulating substrate and heat dissipation device | |
| JP2005005528A (en) | Module for mounting semiconductor element | |
| US11578246B2 (en) | Anisotropic graphite and anisotropic graphite composite | |
| JP6498040B2 (en) | Composite of aluminum and carbon particles and insulating substrate | |
| JP2015185688A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same | |
| JP5979478B2 (en) | Three-layer structure laminated diamond base substrate, heat radiation mounting substrate for power semiconductor module, and manufacturing method thereof | |
| WO2024004555A1 (en) | Graphite composite and graphite composite production method | |
| EP3471138B1 (en) | Heat sink plate |