JP3193142B2 - Board - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、表面実装された半導体
素子等を冷却するための手段を有する基板に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substrate having a means for cooling a surface-mounted semiconductor device or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図４は、従来の基板の概略を示す部分断
面図である。2. Description of the Related Art FIG. 4 is a partial sectional view schematically showing a conventional substrate.
【０００３】ここでは、半導体素子１０１が、基板１０
２上にＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）法によっ
て取り付けられており、リード１０３により基板１０２
上のパッド１０４と電気的に接続されている。ベアチッ
プ等の半導体素子１０１においては、放熱フィン等の冷
却手段を素子に直接取り付けることが機械的強度や絶縁
性の問題等から困難であるため、従来は、半導体素子１
０１において発生した熱を直接雰囲気中に発散したり、
リード１０３を介して基板１０２へ伝えた後、雰囲気中
に発散したりしていた。また、半導体素子１０１と基板
１０２との間の熱的な抵抗を低減するために、両者間に
樹脂や熱伝導ペースト等を充填することもあった。Here, a semiconductor element 101 is mounted on a substrate 10
2 is mounted on the substrate 102 by a COB (Chip on Board) method.
It is electrically connected to the upper pad 104. In the semiconductor element 101 such as a bare chip, it is difficult to directly attach a cooling means such as a radiation fin to the element due to problems such as mechanical strength and insulation properties.
The heat generated in 01 is dissipated directly into the atmosphere,
After being transmitted to the substrate 102 via the leads 103, the light was scattered in the atmosphere. Further, in order to reduce the thermal resistance between the semiconductor element 101 and the substrate 102, a resin, a heat conductive paste or the like may be filled between the two.
【０００４】ところが、基板１０２を構成する絶縁性の
主構造体として、ガラスエポキシ等の熱伝導性の低い材
料が使用された場合、基板１０２内での熱の拡散に対す
る抵抗が大きくなるため、基板１０２による実効的な放
熱面積の拡大があまり期待できないという欠点があっ
た。However, when a material having low thermal conductivity such as glass epoxy is used as the insulating main structure constituting the substrate 102, the resistance to the diffusion of heat in the substrate 102 becomes large. There is a drawback that the effective heat dissipation area cannot be expected to be increased so much by the use of P.102.
【０００５】これに対して、基板１０２内部での面方向
の熱伝導特性を改善するために、基板１０２の面積とほ
ぼ同等の面積を占める金属などの良熱伝導体で構成され
る熱伝導層１０５を基板１０２の内部に設けることも試
みられているが、この熱伝導層１０５と半導体素子１０
１の間及び熱伝導層１０５と外部雰囲気との間の熱的な
抵抗が大きいという問題があった。On the other hand, in order to improve the heat conduction characteristics in the plane direction inside the substrate 102, a heat conduction layer composed of a good heat conductor such as a metal occupying almost the same area as the area of the substrate 102. It has been attempted to provide the inside of the substrate 102 with the heat conductive layer 105 and the semiconductor element 10.
1 and between the heat conductive layer 105 and the external atmosphere.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の基板においては、基板内部に設けられた熱伝導層と、
表面実装された半導体素子等及び外部雰囲気との間の熱
的な抵抗が大きいため、基板による実効的な放熱面積の
拡大があまり期待できず、表面実装された半導体素子等
の十分な冷却が困難であった。As described above, in the conventional substrate, the heat conductive layer provided inside the substrate includes:
Since the thermal resistance between the surface-mounted semiconductor element and the external atmosphere is large, the effective heat dissipation area of the substrate cannot be expected to be much increased, and it is difficult to sufficiently cool the surface-mounted semiconductor element and the like. Met.
【０００７】そこで、本発明では、上記問題を解決し、
基板内部の熱伝導層と、表面実装された半導体素子等及
び外部雰囲気との熱的な接続を良好にすることが可能
で、基板による実効的な放熱面積を拡大することによ
り、表面実装された半導体素子等の十分な冷却を実現で
きる基板を提供することを目的とする。Therefore, the present invention solves the above problem,
It is possible to improve the thermal connection between the heat conductive layer inside the substrate and the surface-mounted semiconductor elements and the external atmosphere, and to increase the effective heat dissipation area by the substrate, thereby improving the surface mounting. An object of the present invention is to provide a substrate capable of sufficiently cooling a semiconductor element or the like.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、内部に良熱伝導材で形成された熱伝導
層を有する基板において、この基板の表面に露出したパ
ッドと、このパッドと前記熱伝導層とを接続するサーマ
ルビアとを具備することを特徴とする基板を提供する。In order to achieve the above object, according to the present invention, in a substrate having a heat conductive layer formed of a good heat conductive material inside, a pad exposed on the surface of the substrate is provided. A substrate comprising a pad and a thermal via connecting the heat conductive layer is provided.
【０００９】また、この基板において、前記熱伝導層
と、前記サーマルビアとが電気伝導性のある材料で構成
され、電源あるいは電気信号の伝播に用いられることを
特徴とする基板、前記サーマルビアの前記基板の厚み方
向の両端部のうち少なくとも一方の端部が他の部分より
も太く形成されていることを特徴とする基板、前記熱伝
導層の表面あるいは内部に流体を流すための流路が設け
られていることを特徴とする基板、前記パッドが複数設
けられており、そのうちの少なくともひとつに放熱促進
手段が接続されていることを特徴とする基板をも併せて
提供する。Further, in this substrate, the thermal conductive layer and the thermal via are made of an electrically conductive material, and are used for power supply or propagation of an electrical signal. A substrate, characterized in that at least one end of both ends in the thickness direction of the substrate is formed to be thicker than other portions, a flow path for flowing a fluid on the surface or inside the heat conductive layer is provided. The present invention also provides a substrate characterized in that it is provided, and a substrate characterized in that a plurality of pads are provided, and at least one of the pads is connected to a heat dissipation promoting means.
【００１０】[0010]
【作用】上記した構成を有する本発明によれば、基板内
部に設けられた熱伝導層と、表面実装された半導体素子
等及び外部雰囲気とを基板表面に露出したパッド及びサ
ーマルビア介して接続することにより、両者間の熱的な
接続を良好にすることができる。これにより、基板によ
る実効的な放熱面積を拡大することができ、半導体素子
等で発生した熱を基板内部の熱伝導層を介して外部雰囲
気に効率よく輸送することができ、半導体素子等を十分
に冷却することが可能となる。According to the present invention having the above-described structure, the heat conductive layer provided inside the substrate is connected to the surface-mounted semiconductor element and the external atmosphere via the pads and the thermal vias exposed on the substrate surface. Thereby, the thermal connection between the two can be improved. As a result, the effective heat radiation area of the substrate can be increased, and the heat generated in the semiconductor element and the like can be efficiently transported to the outside atmosphere through the heat conductive layer inside the substrate, and the semiconductor element and the like can be sufficiently removed. It is possible to cool down.
【００１１】また、熱伝導層及びサーマルビアを電気伝
導性のある材料で構成することにより、これらを電源あ
るいは電気信号を伝播する回路の一部として用いること
も可能となる。Further, by forming the heat conductive layer and the thermal via with a material having electrical conductivity, it is possible to use them as a power source or a part of a circuit for transmitting an electric signal.
【００１２】さらに、サーマルビアの端部を太くするこ
とにより、パッドあるいは熱伝導層との接触面積を拡大
することができ、半導体素子等の面内を伝導する熱の一
部をより効率よく吸収し、熱伝導層に輸送することが可
能となる。Further, by making the end portion of the thermal via thick, the contact area with the pad or the heat conductive layer can be enlarged, and a part of the heat conducted in the plane of the semiconductor element or the like can be absorbed more efficiently. Then, it can be transported to the heat conductive layer.
【００１３】加えて、熱伝導層の表面あるいは内部に冷
却用流路を設けたり、一部のパッドに放熱促進手段を設
けることにより、半導体素子等で発生した熱をより効果
的に除去することが可能となる。[0013] In addition, by providing a cooling channel on the surface or inside of the heat conductive layer, or by providing a heat radiation promoting means on some of the pads, the heat generated in the semiconductor element or the like can be more effectively removed. Becomes possible.
【００１４】[0014]
【実施例】本発明の実施例について、図面を参照しつつ
詳細に説明する。図１は、本発明に係る基板の一実施例
を示す部分断面図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional view showing one embodiment of the substrate according to the present invention.
【００１５】ここでは、半導体素子１が、ガラスエポキ
シやセラミック製の基板２上に、ＣＯＢ法により実装さ
れている。この半導体素子１はリード３により基板２上
のパッド４と電気的に接続されるとともに、結合材５に
より基板２上のパッド６ａと熱的に接続される。なお、
接合材５としては、例えば金属粉を含有する熱伝導率の
高い接着剤や熱伝導ペーストなどが用いられる。Here, a semiconductor element 1 is mounted on a substrate 2 made of glass epoxy or ceramic by a COB method. The semiconductor element 1 is electrically connected to the pads 4 on the substrate 2 by the leads 3 and thermally connected to the pads 6 a on the substrate 2 by the bonding material 5. In addition,
As the bonding material 5, for example, an adhesive having a high thermal conductivity containing a metal powder, a heat conductive paste, or the like is used.
【００１６】上記したパッド６ａは、基板２の内部に設
けられた熱伝導層７とサーマルビア８により接続され
る。ここで、熱伝導層７及びサーマルビア８は、例えば
金、銅、アルミニウム等の純金属やＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、
ＳｉＣ等の熱伝導率の高い良熱伝導材で構成される。サ
ーマルビア８は、通常、基板２の内部の配線（図示省
略）に干渉しないように設けられる。ただし、熱伝導層
７及びサーマルビア８を電気伝導性のある材料で構成す
ることにより、これらを電源あるいは電気信号を伝播す
る回路の一部として用いても良い。The pad 6 a is connected to a heat conductive layer 7 provided inside the substrate 2 by a thermal via 8. Here, the thermal conductive layer 7 and the thermal via 8 are made of pure metal such as gold, copper, aluminum, or the like, Al 2 O 3 , AlN,
It is made of a good thermal conductive material having a high thermal conductivity such as SiC. The thermal via 8 is usually provided so as not to interfere with wiring (not shown) inside the substrate 2. However, when the heat conductive layer 7 and the thermal via 8 are made of an electrically conductive material, they may be used as a part of a power supply or a circuit for transmitting an electric signal.
【００１７】このような構成によれば、基板２がガラス
エポキシ等の熱伝導性の低い材料により構成されている
場合でも、半導体素子１において発生した熱を基板２内
部の熱伝導層７に効率よく輸送することが可能であり、
半導体素子１と熱伝導層７との間の熱的な接続を良好に
することができる。According to such a configuration, even when the substrate 2 is made of a material having low thermal conductivity such as glass epoxy, heat generated in the semiconductor element 1 is efficiently transferred to the heat conductive layer 7 inside the substrate 2. Can be transported well,
Thermal connection between the semiconductor element 1 and the heat conductive layer 7 can be improved.
【００１８】図２は、上記したサーマルビア７の部分を
拡大して示した部分断面図である。ここで、図１に示し
た部分と同一部分に関しては同一番号を付すことにより
重複説明を省略することとする。また、パッド６ａに接
続されている半導体素子１等の図示は省略する。FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing an enlarged portion of the thermal via 7 described above. Here, the same portions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. The illustration of the semiconductor element 1 and the like connected to the pad 6a is omitted.
【００１９】サーマルビア７の形状は、図２（ａ）に示
すように、柱状のものが一般的である。これに対して、
図２（ｂ）に示すように、サーマルビア８ａ，８ｂがパ
ッド６ａ及び熱伝導層７と当接する部分（サーマルビア
８ａ，８ｂの両端部）を他の部分よりも太く形成しても
良い。As shown in FIG. 2A, the shape of the thermal via 7 is generally columnar. On the contrary,
As shown in FIG. 2B, portions where the thermal vias 8a and 8b contact the pad 6a and the heat conductive layer 7 (both ends of the thermal vias 8a and 8b) may be formed thicker than other portions.
【００２０】このような構成によれば、パッド６ａ及び
熱伝導層７とサーマルビア８ａ，８ｂとの接触面積が拡
大されるため、半導体素子１の面内を伝導する熱の一部
をより効率よく吸収し、熱伝導層７に輸送することが可
能となる。According to such a configuration, the contact area between the pad 6a and the thermal conductive layer 7 and the thermal vias 8a and 8b is increased, so that a part of the heat conducted in the plane of the semiconductor element 1 can be more efficiently used. It can be well absorbed and transported to the heat conductive layer 7.
【００２１】なお、サーマルビアの形状は、図２
（ａ），（ｂ）に示した場合に限られず、同等の機能を
有するものであれば、どのような形状であっても良い。
また、図２（ｂ）に示すように、サーマルビアの両端部
を太くせずに、発熱する半導体素子１が接続されるパッ
ド６ａ側の端部のみを太くした形状にしても良い。The shape of the thermal via is shown in FIG.
The shape is not limited to the cases shown in (a) and (b), but may be any shape having an equivalent function.
Alternatively, as shown in FIG. 2B, the end portion on the pad 6a side to which the heat-generating semiconductor element 1 is connected may be thickened without increasing the both end portions of the thermal via.
【００２２】再び、図１に戻って説明を続ける。基板２
の表面には、半導体素子１等が接続されていないパッド
６ｂが複数個接続されていることがある。このような場
合、これらのパッド６ｂと熱伝導層７とをサーマルビア
８により接続することにより、熱伝導層７内の熱をパッ
ド６ｂを通じて外部雰囲気に放出する役割をさせること
ができる。また、この放熱をより効率よく行わせるため
に、パッド６ｂに図示したような放熱フィン９等の放熱
促進手段を接続しても良い。なお、この放熱フィン９の
形状は本実施例のものに限られず、放熱促進手段として
の機能を有するものであればどのようなものでも良い。Returning to FIG. 1, the description will be continued. Substrate 2
May be connected to a plurality of pads 6b to which the semiconductor element 1 and the like are not connected. In such a case, by connecting these pads 6b and the heat conductive layer 7 with the thermal vias 8, the heat in the heat conductive layer 7 can be released to the outside atmosphere through the pads 6b. Further, in order to perform the heat radiation more efficiently, a heat radiation promoting means such as a radiation fin 9 as shown in the figure may be connected to the pad 6b. The shape of the radiating fins 9 is not limited to that of the present embodiment, but may be any shape having a function as a heat radiation promoting means.
【００２３】このような構成によれば、基板２がガラス
エポキシ等の熱伝導性の低い材料により構成されている
場合でも、基板２内部の熱伝導層７内の熱を外部雰囲気
に効率よく輸送することが可能であり、熱伝導層７と外
部雰囲気との間の熱的な接続を良好にすることができ
る。According to such a configuration, even when the substrate 2 is made of a material having low thermal conductivity such as glass epoxy, the heat in the heat conductive layer 7 inside the substrate 2 is efficiently transported to the external atmosphere. It is possible to improve the thermal connection between the heat conductive layer 7 and the external atmosphere.
【００２４】以上説明したような基板２によれば、基板
２内部の熱伝導層７と半導体素子１及び外部雰囲気との
熱的な接続を良好にすることが可能となる。その結果、
熱伝導層７の有効な利用により、基板２における実効的
な放熱面積の拡大が可能となり、半導体素子１の十分な
冷却が実現できる。さらに、基板２の熱伝導特性が向上
することによる付帯的な効果として、ソルダリングにリ
フロー加熱を行う際の基板２内部の温度分布が小さくな
ることから、ソルダリング不良を減少させることが可能
となる。According to the substrate 2 described above, it is possible to improve the thermal connection between the heat conductive layer 7 inside the substrate 2 and the semiconductor element 1 and the external atmosphere. as a result,
By effective use of the heat conductive layer 7, an effective heat dissipation area on the substrate 2 can be increased, and sufficient cooling of the semiconductor element 1 can be realized. Furthermore, as an incidental effect due to the improvement in the heat conduction characteristics of the substrate 2, the temperature distribution inside the substrate 2 when performing reflow heating for soldering is reduced, so that it is possible to reduce soldering defects. Become.
【００２５】図３は、本発明に係る基板の他の実施例を
示した部分断面図である。ここで、図１に示した部分と
同一部分に関しては、同一番号を付すことにより、重複
説明を省略することとする。FIG. 3 is a partial sectional view showing another embodiment of the substrate according to the present invention. Here, the same portions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
【００２６】本実施例においては、サーマルビア８を介
して、半導体素子１が接続されたパッド６ａに接続され
ている熱伝導層７の表面と対向する同熱伝導層７の表面
に、冷却用流路１０が設けられている。この冷却用流路
１０に、空気、水、フロン、フロロカーボン等の冷媒を
流すことにより、半導体素子１で発生した熱をより効果
的に除去することが可能となる。これにより、高発熱の
半導体素子１であっても、十分な冷却を行うことができ
る。In the present embodiment, a cooling via is provided on the surface of the heat conductive layer 7 which faces the surface of the heat conductive layer 7 connected to the pad 6a to which the semiconductor element 1 is connected via the thermal via 8. A channel 10 is provided. By flowing a coolant such as air, water, chlorofluorocarbon, or fluorocarbon through the cooling passage 10, heat generated in the semiconductor element 1 can be more effectively removed. As a result, even the semiconductor element 1 having high heat generation can be sufficiently cooled.
【００２７】なお、本実施例で示した冷却用流路１０
は、熱伝導層７の内部に設けても同様の効果がえられ
る。また、冷却用流路１０の形状は、本実施例のものに
限られず、種々変形が可能である。It should be noted that the cooling passage 10 shown in this embodiment is
The same effect can be obtained even if is provided inside the heat conductive layer 7. Further, the shape of the cooling passage 10 is not limited to that of the present embodiment, and various modifications are possible.
【００２８】以上説明した本発明に係る基板において
は、上記した放熱フィン等の放熱促進手段や冷却用流路
を任意に選択して用いることができ、性能や用途に応じ
て種々の冷却手段を有する基板とすることができる。In the substrate according to the present invention described above, the heat radiation promoting means such as the above-described heat radiation fins and the cooling flow path can be arbitrarily selected and used, and various cooling means can be used according to the performance and use. Substrate.
【００２９】[0029]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板内部の熱伝導層と、表面実装された半導体素子等及
び外部雰囲気との熱的な接続を良好にすることが可能
で、基板による実効的な放熱面積を拡大することによ
り、表面実装された半導体素子等の十分な冷却を実現で
きる基板を提供することができる。As described above, according to the present invention,
It is possible to improve the thermal connection between the heat conductive layer inside the substrate and the surface-mounted semiconductor elements and the external atmosphere, and to increase the effective heat dissipation area by the substrate, thereby improving the surface mounting. A substrate capable of realizing sufficient cooling of a semiconductor element or the like can be provided.
【図１】本発明に係る基板の一実施例を示す部分断面
図。FIG. 1 is a partial sectional view showing one embodiment of a substrate according to the present invention.
【図２】サーマルビアの部分を拡大して示した部分断面
図FIG. 2 is an enlarged partial sectional view showing a thermal via portion;
【図３】本発明に係る基板の他の実施例を示す部分断面
図。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the substrate according to the present invention.
【図４】従来の基板を示す部分断面図。FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a conventional substrate.
１ 半導体素子 ２ 基板 ３ リード ４，６ａ，６ｂ パッド ５ 結合材 ７ 熱伝導層 ８ サーマルビア ９ 放熱フィン １０ 冷却用流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor element 2 Substrate 3 Lead 4, 6a, 6b pad 5 Bonding material 7 Thermal conduction layer 8 Thermal via 9 Radiation fin 10 Cooling channel
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩崎 秀夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−155973（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−99051（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−2789（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/12 H01L 23/34 H05K 1/02 H05K 7/20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Hideo Iwasaki 1 Tokoba, Komukai Toshiba-cho, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Toshiba Research Institute Co., Ltd. (56) References JP 50-1555973 (JP, A) JP Hei 4-99051 (JP, A) JP 49-2789 (JP, B1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 23/12 H01L 23/34 H05K 1/02 H05K 7 / 20
Claims (2)
を有する基板において、この基板の表面に露出したパッ
ドと、このパッドと前記熱伝導層とを接続するサーマル
ビアとを備え、前記サーマルビアの前記基板の厚み方向
の両端部のうち少なくとも一方の端部が他の部分よりも
太く形成されていることを特徴とする基板。1. A substrate having a heat conductive layer formed of a good heat conductive material therein, comprising: a pad exposed on a surface of the substrate; and a thermal via connecting the pad and the heat conductive layer. A substrate, wherein at least one end of both ends of the thermal via in a thickness direction of the substrate is formed thicker than other portions.
を有する基板において、この基板の表面に露出したパッ
ドと、このパッドと前記熱伝導層とを接続するサーマル
ビアとを備え、前記熱伝導層の表面あるいは内部に流体
を流すための流路が設けられていることを特徴とする基
板。2. A substrate having a heat conductive layer formed of a good heat conductive material therein, comprising: a pad exposed on a surface of the substrate; and a thermal via connecting the pad and the heat conductive layer. A substrate, wherein a flow path for flowing a fluid is provided on the surface or inside of the heat conductive layer.
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