JP5124347B2 - 半導体実装基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤなどの発光装置、ＣＰＵなどの半導体装置等が基板実装された半導体実装基板及びその製造方法に関する。

近年、ＣＰＵ，ＭＰＵなどの半導体装置の高速化に伴う発熱対策や、地球温暖化対策として白熱電球に替わって普及が進んでいるＬＥＤを光源とする発光装置において発熱対策が課題となっている。

従来の半導体デバイスの冷却方法としては、半導体実装基板の裏面側にヒートシンク（放熱板）を貼るか、半導体装置とヒートシンクをモールドして一体成形したり、半導体装置にヒートシンクを外部より取り付けたり、更にはヒートシンクと冷却ファンを併用したり、ヒートシンクに替えてポンプで冷媒を循環させる水冷式の冷却装置が用いられている。或いは、パワーモジュールが搭載されるセラミック基板を水冷式ヒートシンクにねじ止めして接合したパワーモジュール用基板も提案されている（特許文献１）。
特開２００１−３５９８２号公報

しかしながら、ヒートシンクを直接半導体パッケージや基板などに貼り付ける場合、放熱特性を十分に確保できず接着剤が劣化して剥離が促進し易いうえに、配線パターンとの電気的絶縁性を考慮した構成としなければならない。
また、樹脂基板全面にヒートシンクを張り合わせるとすると、製品重量が増大するうえに、封止樹脂と金属との線膨張係数の差から基板が反り易く、後工程の加工がし難くなる。

特に高輝度ＬＥＤを用いた発光装置においては、発熱により半導体装置の劣化が促進され、照度が低下し製品寿命が短くなり易い。また、ＬＥＤは照射光に紫外線を含むためリフレクタの反射率低下及び透明樹脂の白濁による劣化等が寿命の短縮の要因となり、かかる紫外線による劣化サイクルが発熱により促進される。更には、劣化した部品の部品交換による製造コストも嵩む。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、基板実装された半導体装置から発生した熱をヒートシンクによって効率よく放熱可能な半導体実装基板及び既存の設備を用いて安価で生産性が良くしかも基板とヒートシンクを強固に組み付けられる半導体実装基板の製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
即ち、半導体装置が実装される部位に当該半導体装置の実装面積より小さい貫通孔が形成された実装基板と、前記実装基板の半導体装置実装面とは反対面側に前記貫通孔に突部を嵌め込まれて前記半導体装置と直接若しくは間接に当接可能に組み付けられ、外周縁部にはだれ部若しくは面取り部が形成され前記半導体装置の実装面積より大きい平板部を有するヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクは平板部を基板反対面側に露出し周囲を封止樹脂に封止され前記だれ部若しくは面取り部の表面側に封止樹脂を充填して前記基板と一体に抜け止め保持されていることを特徴とする。
また、前記ヒートシンクは単数若しくは複数設けられ、平板部の総面積は周囲の封止樹脂の面積と等しくなるように形成されていることを特徴とする。
また、前記ヒートシンクは、平板部に取り付けられた放熱フィン若しくは平板部に接続するヒートパイプを介して放熱フィンと接続されていることを特徴とする。

また、半導体実装基板の製造方法としては、金属枠体の一方の面に中心孔を塞いで耐熱性シートを貼り付ける工程と、前記金属枠体の中心孔を塞いで凹部が形成された耐熱シート上に、半導体装置が実装される実装位置に貫通孔が形成され該貫通孔に突部を嵌め込ませてヒートシンクが組み付けられた実装基板を実装面を下向きして載置する工程と、前記金属枠体及び封止樹脂をモールド金型へ搬入し若しくは前記ヒートシンクの周囲の実装基板上に封止樹脂を供給してから前記金属枠体をモールド金型へ搬入する工程と、前記モールド金型により実装基板及び金属枠体をクランプし、前記ヒートシンクの周囲の隙間に封止樹脂を加熱加圧しながら充填して硬化させる工程と、を含むことを特徴とする。
また、前記モールド金型の一方のクランプ面にはダム部が突設されており、当該モールド金型が金属枠体及び実装基板をクランプすると耐熱性シートで覆われたダム部が基板側面に当接することを特徴とする。

本発明に係る半導体実装基板を用いれば、平板状のヒートシンクは、実装基板の半導体装置実装面とは反対面側に貫通孔に突部を嵌め込まれて半導体装置と直接若しくは間接に当接して組み付けられるので、半導体装置で発生した熱を基板裏面側に導いて効率よく放散させることができる。特に、高輝度ＬＥＤを用いた発光装置においては、発熱により劣化しやすい半導体装置の製品寿命を長くすることができる。
また、ヒートシンクは平板部を露出し外周を封止樹脂に封止されて基板と一体に保持されているので、基板全面に貼り合わせる場合に比べて反りの影響は受け難く、実装基板と銅製ヒートシンクの線膨張係数はあまり変わらないため実装基板から離脱することなく一体に保持することができる。
また、ヒートシンクの外周縁部にはだれ部若しくは面取り部が形成されており、該だれ部若しくは面取り部の表面側に封止樹脂を充填することによりアンカー効果が生じてヒートシンクを基板に対して強固に保持することができる。
また、ヒートシンクは単数若しくは複数設けられ、平板部の総面積は周囲の封止樹脂の面積と等しくなるように形成されていると、半導体装置で発生した熱が基板に拡散されずにヒートシンクに集熱されて効率よく放熱することができる。
また、前記ヒートシンクは、平板部に取り付けられた放熱フィン若しくはヒートパイプを介して放熱フィンと接続されていると、熱放散性を更に高めることができる。また、ヒートパイプにより発熱を外部に逃がすことで、実装基板自体の厚さを増大することなく自由なレイアウトで熱放散性を向上させることができる。

また、ヒートシンクが組み付けられた実装基板をクランプしヒートシンクの周囲の隙間に溶融した封止樹脂を圧送りして加熱加圧しながら硬化させるトランスファー成形若しくはヒートシンクの周囲の隙間に封止樹脂を供給してからモールド金型をクランプし、ヒートシンクの周囲の隙間に封止樹脂を加熱加圧しながら充填して硬化させる圧縮成形のいずれかを用いてヒートシンクを基板に一体に組付け保持することができるので、既存の設備を用いてヒートシンクが組み付けられた実装基板を安価で大量生産することができる。
また、金属枠体の中心孔に耐熱性シートが貼り付けられて凹部が形成された当該耐熱性シート上に、ヒートシンクが組み付けられた実装基板を載置しモールド金型により実装基板及び金属枠体をクランプするので、ヒートシンクの周囲に充填される封止樹脂を金属枠体にてせき止めて封止するので樹脂圧を均等に行き渡らせることができる。
また、モールド金型の一方のクランプ面にはダム部が突設されており、当該モールド金型が金属枠体及び実装基板をクランプすると耐熱性シートで覆われたダム部が基板側面に当接するので、基板面より封止樹脂が外部に漏れ出ることはなく、樹脂使用料を抑えて歩留まりが向上する。

以下、本発明に係る半導体実装基板及びその製造方法の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。
先ず、半導体実装基板の構造について、一例として発光素子を搭載した発光基板を用いて説明する。図１において、実装基板１は公知のガラスエポキシ樹脂基板であり、半導体装置２の実装面１ａに配線パターンが形成され、基板端子に半導体装置（例えばＬＥＤパッケージ）２が基板実装されている。ＬＥＤパッケージは半導体チップ２７の一例である発光ダイオードの上部がレンズキャップ２８で覆われた発光素子であり、高輝度ＬＥＤにおいては、大電流が流れ、大量の発熱を伴う。半導体装置２としては、ＬＥＤパッケージのほかに、ＣＰＵやＭＰＵのような集積回路を持ち、大量の発熱を伴う高出力の半導体素子も含まれる。

図１において、実装基板１には半導体装置２が実装される部位に貫通孔３が形成されている。実装基板１の半導体装置２の実装面１ａとは反対面側に貫通孔３に突部４を嵌め込まれて半導体装置２と直接若しくは間接に当接して発生した熱を外部へ放散させる平板状のヒートシンク５が組み付けられている。

図１右半図は、半導体装置２の半導体チップ２７をヒートシンク５の突部４に直接実装させ、実装基板１の回路配線と電気的に接続した後、パッケージ外形の樹脂封止を行なった一例を示す。同図では、突部４に直接半導体チップ２７を実装したが、エラストマー等を間挿しても良い。
図１左半図は、半導体装置２とヒートシンク５の間にシリコン伝熱シート６（絶縁シート）を介して間接的に当接させた後、パッケージ外形の樹脂封止を行なった一例を示す。同図では、シリコン伝熱シート６を突部４と半導体装置２との間に間挿させたが、直接当接させても良い。ヒートシンク５は平板部５ａを露出し外周を封止樹脂（例えばエポキシ樹脂）７に封止されて実装基板１と一体に保持されている。

ヒートシンク５は、平板部５ａに当接して設けられた放熱フィン８、更には放熱フィン８を強制冷却する冷却ファン９が設けられていてもよい。放熱フィン８及び取付ブロック２６は、ねじ止め、ばね等による当接等、既存の取付方法で取り付けることが可能である。ヒートシンク５を冷やすことで放熱効率を上げるためである。また、ヒートシンク５の平板部５ａにヒートパイプ１０の一端である取付ブロック２６を接続して他端を放熱フィン８に接続するようにしてもよい。

図２（ａ）はヒートシンク５が組み付けられた実装基板１の斜視図及び図２（ｂ）はその分解図を示す。図２（ｃ）はヒートシンク５の外周縁部５ｂの断面図を示す。
図２（ｃ）において、ヒートシンク５の外周縁部５ｂにはだれ部５ｃ若しくは面取り部５ｄが形成されているのが望ましい。だれ部５ｃ若しくは面取り部５ｄの表面側に封止樹脂７を充填して抜け止め保持できるからである。

また、ヒートシンク５は単数若しくは複数設けられ、平板部５ａの総面積は周囲の封止樹脂７の面積と等しくなるように形成されていると半導体装置２で発生した熱が実装基板１全面に拡散されずにヒートシンク５に集熱されて効率よく放熱することができる。ちなみに実験を行なった基板構成要素、実装基板１、ヒートシンク５、封止樹脂７の線膨張係数を例示すると、ガラスエポキシ基板；１４〜１５ｐｐｍ／℃、ヒートシンク（純銅；Ｃ１０２０）；１７ｐｐｍ／℃、エポキシ樹脂；８〜１６ｐｐｍ／℃であった。尚、ヒートシンク５の材質は純銅、銅合金、アルミニウムなどの熱伝導性のよい金属材のほかに、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）にカーボンを混入したエンジニアリングプラスチックなどの耐熱性の高い樹脂材も用いられる。

また、基板１に設けられる貫通孔３及びヒートシンク５に設けられる突部４の数は、単数又は複数のいずれであってもよい。本実施例では、熱伝導効率と基板スペースを考慮して半導体装置２に対して複数箇所で当接するように設けられている。

次に、半導体実装基板の製造方法の一例について、図３乃至図７を参照して説明する。図３乃至図６は、圧縮成形による半導体実装基板の製造方法について、図７はトランスファー成形による半導体実装基板の製造方法について説明する。
先ず、図３（ａ）において、モールド金型１２の構成は、例えば特開２００１−１７６９０２号公報の図１で示す半導体ウエハの樹脂封止用のプレス装置及びモールド金型を用いることができる。例えば、上型１５は上型ベース（図示せず）にスプリングで吊下げられている。上記公報では、上型１５がスプリングにて吊り下げられているが、当該スプリングは無くても良い。上型１５及び下型１６にはヒータ（図示せず）が設けられている。モールド金型１２の上型クランプ面１５ａは耐熱性シート（例えばリリースフィルム、ＵＶ硬化性フィルム等）１３で覆われている。

金属枠体１４の下面には中心孔１４ａを塞いで耐熱性シート１３が貼り付けられる。金属枠体１４の中心孔１４ａは、実装基板１を収容できる外形をした貫通孔である。この金属枠体１４の中心孔１４ａを耐熱性シート１３で塞いで凹部１４ｂが形成された当該耐熱シート１３上に、ヒートシンク５が組み付けられた実装基板１が実装面１ａを下向きして載置される。ヒートシンク５は、実装基板１の実装面１ａと反対面（放熱面）１ｂより貫通孔３に突部４を嵌め込まれて組み付けられている（図４（ａ）（ｂ）参照）。

次に、実装基板１が載置された金属枠体１４及び封止樹脂７が型開きしたモールド金型１２の下型クランプ面１６ａへ搬入される。例えば、実装基板１に組み付けられたヒートシンク５の周囲の基板面に封止樹脂（液状樹脂、顆粒状樹脂等）７を供給し、モールド金型１２を型閉じして実装基板１及び金属枠体１４をクランプする。このとき、ヒートシンク５の周囲の隙間に溶融した封止樹脂７を加熱加圧しながら充填して硬化させる（キュア）。封止樹脂７は、金属枠体１４の凹部１４ｂより外側に漏れることがないため、十分な樹脂圧を加えて封止できる。更に、金属枠体１４上に公知のエアーベントが設けられていてもよい。

尚、図４（ａ）（ｂ）において、上型クランプ面１５ａを覆うのと同様な長尺状の耐熱シート１３に実装基板１を載置してからヒートシンク５を塔載するようにしても良い。
また、金属枠体１４をモールド金型１２へ搬入する前に実装基板１に組み付けられたヒートシンク５の周囲の基板面に封止樹脂（液状樹脂、顆粒状樹脂等）７を供給してから当該金属枠体１４をモールド金型１２へ搬入するようにしても良い。また、ヒートシンク５の上面にも耐熱シート１３又はリリースフィルムを間挿して樹脂封止するようにしても良い。

或いは、図３（ｂ）において、上型クランプ面１５ａにはダム部１７が突設されており、モールド金型１２をクランプするとダム部１７が基板側面を耐熱性シート１３で覆うようになっていてもよい。ダム部１７は基板外周面と金属枠体１４の内壁面との間で中心孔１４ａ内に進入して下型クランプ面１６ａに当接し、実装基板１の外側面を囲むように当接している。モールド金型１２をクランプすると、溶融した封止樹脂７がヒートシンク５の周囲の隙間（中心孔１４ａ内）に充填され、ダム部１７にせき止められて樹脂圧が印加されたまま加熱硬化させる（キュア）。

樹脂封止後の金属枠体１４に囲まれた成形品を図５示す。図５（ａ）は金属枠体１４に囲まれた成形品の平面図、図５（ｂ）はその側断面図、図５（ｃ）は実装基板部分の側面断面図を示す。モールド金型１２を型開きして金属枠体１４を取り出せば、実装基板１を含む成形品１８が取り出せる。また、金属枠体１４に囲まれた成形品１８は、押圧することで容易に分離することができる。また、耐熱性シート１３は、封止樹脂７との接触面が少ないため、成形品１８より容易に剥離することができる。

また、図６において、複数設けられたヒートシンク５どうしは、熱伝導しやすい接続部材１１により接続されて樹脂封止されていてもよい。この場合には、実装基板１に設けられたヒートシンク５を全て使用して熱放散性を高めることができる。

次に、トランスファー成形を用いた半導体実装基板の製造方法について図７を参照して説明する。図７（ａ）はモールド金型の平面図、図７（ｂ）はその断面図及び図７（ｃ）は成形品の側断面図である。
図７（ｂ）において、モールド金型１９のうち、上型２０には金型カル２１及び金型ランナゲート２２が形成されている。下型２３には、ポット２４及びプランジャ２５が設けられている。ヒートシンク５が組み付けられた実装基板１が実装面を下向きして載置された金属枠体１４がモールド金型１９へ搬入される。実装基板１は、金属枠体１４の中心孔１４ａを塞いで耐熱性シート１３が貼り付けられて凹部１４ｂが形成された当該耐熱シート１３上に載置されている。耐熱シート１３は、上型２０のクランプ面を覆うように間挿してもよい。

また、モールド金型１９のポット２４には、樹脂タブレット（顆粒状樹脂、液状樹脂でもよい）が装填される。
次に、モールド金型１９を型閉じして金属枠体１４を及びワーク（ヒートシンク５及び実装基板１）をクランプする。そして、プランジャ２５を上動させて加熱溶融した封止樹脂７が金型カル２１及び金型ランナゲート２２を介してヒートシンク５の周囲の隙間に充填される。封止樹脂７は金属枠体１４にせき止められて樹脂圧が印加されたまま加熱硬化する（キュア；図７（ａ）参照）。

尚、上型２０のクランプ面には、図３（ｂ）と同様なダム部１７が突設されていてもよい。ダム部１７は耐熱性シート１３で覆われているのが望ましい。モールド金型１９をクランプすると、ダム部１７は基板外周面と金属枠体１４の内壁面との間で中心孔１４ａ内に進入して下型クランプ面１６ａに当接し、実装基板１の外側面を囲むように当接する。これによって、樹脂使用料を減らすことができる。

最後に図７（ｃ）において、モールド金型１９を型開きして金属枠体１４を取り出せば、成形品１８が取り出せる。また、金属枠体１４に囲まれた成形品１８は、押圧することで容易に分離することができる。また、耐熱性シート１３は、封止樹脂７との接触面が少ないため、成形品１８より容易に剥離することができる。

耐熱性シート１３は、封止樹脂に接触する部位を覆うものであり、本実施例ではモールド金型クランプ面に吸引されて張設される。耐熱シート１３の一例としてリリースフィルムを用いる場合は、モールド金型の加熱温度に耐えられる耐熱性を有するもので、上型面より容易に剥離するものであって、柔軟性、伸展性を有するフィルム材、例えば、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＥＴ、ＦＥＰ、フッ素含浸ガラスクロス、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリジン等が好適に用いられる。また、ＵＶ硬化性シートを用いる場合は、ＵＶ光を照射して耐熱性シート１３を剥離させる。

尚、上述したように圧縮成形若しくはトランスファー成形等により実装基板１へヒートシンク５を組み付けた後、図１に示す発光基板を製造する工程について説明する。
図１右半図の発光基板を製造する場合には、半導体チップ（発光ダイオード）２７を基板実装面１ａへ露出する突部４へダイボンディングし、当該半導体チップ２７と基板端子部とを例えばワイヤーボンディングにより電気的に接続する。そして、半導体チップ２７を公知の成形方法により樹脂封止し、レンズキャップ２８を取り付けると、発光基板が組み立てられる。

また、図１左半図の発光基板を製造する場合には、実装基板１の実装面１ａに露出する突部４に伝熱シート６を貼り付ける。その後、伝熱シート６を介して半導体装置（発光ダイオード）２を基板実装し、レンズキャップ２８を取り付けると、発光基板が組み立てられる。

以上、本発明の好適な実施例について種々述べてきたが、成形方法は上述した圧縮成形、トランスファー成形に限られるものではなく例えば射出成形を用いてもよい。また、ＬＥＤが実装された発光装置を例示したが、ＣＰＵ等の他の高発熱半導体装置の実装基板に用いてもよい。また、発光装置は、家電製品に照明装置や、バックライト、或いは車両用の光源基板などに用いることができるなど、幅広い応用が見込まれる。

半導体実装基板を用いた発光装置の説明図である。 半導体実装基板、その分解斜視図及び基板実装されたヒートシンクの部分断面図である。 圧縮成形法によるモールド金型の断面説明図である。 半導体実装基板の製造工程を示す斜視図である。 金属枠体に囲まれた成形品の平面図及び側面断面図、成形品の側面断面図である。 他例に係る成形品の平面図である。 トランスファー成形によるモールド金型の平面図、断面図及び成形品の側面断面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 実装面
１ｂ 放熱面
２ 半導体装置
３ 貫通孔
４ 突部
５ ヒートシンク
５ａ 平板部
５ｂ 外周縁部
５ｃ だれ部
５ｄ 面取り部
６ シリコン伝熱シート
７ 封止樹脂
８ 放熱フィン
９ 冷却ファン
１０ ヒートパイプ
１１ 接続部材
１２，１９ モールド金型
１３ 耐熱性シート
１４ 金属枠体
１４ａ 中心孔
１４ｂ 凹部
１５，２０ 上型
１５ａ 上型クランプ面
１６，２３ 下型
１６ａ 下型クランプ面
１７ ダム部
１８ 成形品
２０ 金型カル
２１ 金型ランナゲート
２４ ポット
２５ プランジャ
２６ 取付ブロック
２７ 半導体チップ
２８ レンズキャップ

Claims (5)

1. 半導体装置が実装される部位に当該半導体装置の実装面積より小さい貫通孔が形成された実装基板と、
   前記実装基板の半導体装置実装面とは反対面側に前記貫通孔に突部を嵌め込まれて前記半導体装置と直接若しくは間接に当接可能に組み付けられ、外周縁部にはだれ部若しくは面取り部が形成され前記半導体装置の実装面積より大きい平板部を有するヒートシンクと、を備え、
   前記ヒートシンクは平板部を基板反対面側に露出し周囲を封止樹脂に封止され前記だれ部若しくは面取り部の表面側に封止樹脂を充填して前記基板と一体に抜け止め保持されている半導体実装基板。
2. 前記ヒートシンクは単数若しくは複数設けられ、平板部の総面積は周囲の封止樹脂の面積と等しくなるように形成されている請求項１記載の半導体実装基板。
3. 前記ヒートシンクは、平板部に取り付けられた放熱フィン若しくは平板部に接続するヒートパイプを介して放熱フィンと接続されている請求項１又は請求項２記載の半導体実装基板。
4. 金属枠体の一方の面に中心孔を塞いで耐熱性シートを貼り付ける工程と、
   前記金属枠体の中心孔を塞いで凹部が形成された耐熱シート上に、半導体装置が実装される実装位置に貫通孔が形成され該貫通孔に突部を嵌め込ませてヒートシンクが組み付けられた実装基板を実装面を下向きして載置する工程と、
   前記金属枠体及び封止樹脂をモールド金型へ搬入し若しくは前記ヒートシンクの周囲の実装基板上に封止樹脂を供給してから前記金属枠体をモールド金型へ搬入する工程と、
   前記モールド金型により実装基板及び金属枠体をクランプし、前記ヒートシンクの周囲の隙間に封止樹脂を加熱加圧しながら充填して硬化させる工程と、
   を含む半導体実装基板の製造方法。
5. 前記モールド金型の一方のクランプ面にはダム部が突設されており、当該モールド金型が金属枠体及び実装基板をクランプすると耐熱性シートで覆われたダム部が基板側面に当接する請求項４記載の半導体実装基板の製造方法。

Images