JPH11251495A - 電子回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子もしくはチップキャリアの高さばら
つき及び構成部品の初期のうねりが生じていても、すべ
ての半導体素子もしくはチップキャリアを単一の放熱部
材に良好に密着させる。また、稼働時に発生する熱で構
成部材が変形した場合でも、良好に密着させる。 【解決手段】半導体素子もしくはチップキャリアと放熱
部材との間に、複数の金属細線を形成した伝熱部材と、
これに銀微粒子を含有したグリースを充填し、これを介
して半導体素子もしくはチップキャリアと放熱部材とを
密着させることにより、良好な伝熱構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子を高密度
に実装した電子回路装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子回路装置に用いられる半導体
素子の高速演算・高密度化が急速に進んでいる。この結
果、半導体素子のマルチ化が進むとともに外部接続端子
が増加し、さらに半導体実装基板への高密度実装が必要
とされてきている。

【０００３】この要求に応えるべく、電子回路装置を構
成するモジュールには、半導体素子もしくはチップキャ
リアの電極端子上に付設した電極を介して半導体実装基
板へ機械的，電気的に接合する方法が採用されている。
しかしながら、この方法では、半導体素子と実装基板と
の接触面積が小さくなるために、半導体素子と実装基板
との間の熱抵抗が増し、消費電力の大きい半導体素子の
場合、実装基板以外の放熱経路を特設する必要があっ
た。

【０００４】そこで、半導体素子の背面に放熱部材を密
着させ、新たな放熱経路を作り出す方法が考案された。
しかしながら、単一の放熱部材を密着させる方式では、
次に示す課題が見いだされた。

【０００５】先ず、半導体素子もしくはチップキャリア
の高さのばらつきである。電子回路装置では多数の半導
体素子もしくはチップキャリアが実装されるため、半導
体素子の電極端子に付設した電極（以下、突起電極と記
述）の高さのばらつきや、半導体素子の厚みのばらつき
が原因で、配線基板上に接合された半導体素子面の高さ
や傾きがばらつき、単一の平面を形成することはない。

【０００６】その結果、単一の放熱部材によって個々の
半導体素子を冷却しようとする場合、全ての半導体素子
が放熱部材に密着しない。その中で半導体素子の高さが
低い場合、すき間が生じて伝熱性が悪くなり、半導体素
子は十分な冷却がなされない。逆に半導体素子の高さが
高すぎる場合、放熱部材の押しつけによって過大な力が
加わり、前記の突起電極が変形，破壊する可能性が生じ
る。

【０００７】他の課題として、稼働時における半導体装
置の熱変形が考えられる。半導体素子は、電源が投入さ
れることにより発熱する。半導体素子のオン・オフの繰
り返しによる温度変化によって、半導体装置の構成部品
に熱変形が生じる。この際、単一の放熱部材に密着する
個々の半導体素子もしくはチップキャリアに付設した伝
熱部材の剛性が高い場合、半導体素子もしくは突起電極
に、圧縮・引張りの応力が生じ、長期間の稼働によって
は、半導体素子もしくは突起電極が破壊する可能性があ
る。

【０００８】これらの課題を解決するために以下の冷却
構造が考案された。高さのばらつく半導体素子の接触面
に、複数本の金属細線を介して放熱部材に接触させる方
法が特開平7−297327 号公報に開示されている。これ
は、複数本の金属細線のたわみがクッションとして作用
し、半導体素子の高さのばらつきをキャンセルするもの
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開平7−297327 号公
報に記載の構造は、複数の金属細線の端部を放熱部材に
接触させ、半導体素子の熱を放熱部材に伝えるものであ
るが、金属細線の接触部の面積が小さいため、より高発
熱の半導体素子の場合は、熱を十分に伝えることができ
ない。

【００１０】本発明の目的は、半導体素子の冷却面もし
くは伝熱面と、放熱部材との間に熱伝導性を有し、かつ
変形を吸収する伝熱部材を配置して、半導体素子の高さ
のばらつき及び稼働時の熱変形に対応するものであり、
半導体素子の発熱量が増加した場合でも、半導体素子の
熱を十分に放熱部材へと伝え、かつ稼働時の熱変形を吸
収できる電子回路装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、以下のいずれかの構造を用いた。

【００１２】高さの異なる複数の半導体素子もしくはチ
ップキャリアと、これらに対して共通の単一の放熱部材
との間に、銀微粒子を含有したグリースもしくはオイル
を充填した伝熱部材を付設し、その伝熱部材を介して半
導体素子もしくはチップキャリアと伝熱部材とを密着さ
せる構造とした。

【００１３】上記の伝熱部材は、複数の金属細線の一端
を束ねて固着し、これを２個用いて金属細線の自由端側
を向かい合わせて一組とした構造とした。

【００１４】半導体素子もしくはチップキャリアの放熱
面に低融点金属を被覆して形成した低融点金属層は、そ
の厚みを半導体素子もしくはチップキャリアの高さばら
つきや構成部品の初期のうねりに応じた厚さ，形状と
し、伝熱部材を所定の位置に付設する役割を果たす。

【００１５】グリースもしくはオイルを充填した伝熱部
材は、稼働時に生じる熱変形を吸収する。また充填する
グリースもしくはオイルは、形成された金属細線に密着
し、接触熱抵抗を低減させ、良好な伝熱状態とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図を用いて以
下に説明する。図１は本発明の斜視概略図であり、内部
の構造を説明するため一部構成部品をカットしている。
１は本発明の電子回路装置を構成するモジュールであ
り、チップキャリア２，放熱部材３，配線基板４等から
構成される。チップキャリア２は配線基板４上に格子状
に複数配置されている。５は配線基板４の四辺に接合さ
れているフレームである。本実施例ではチップキャリア
２は熱伝導性に優れる窒化アルミ，フレーム５は鉄−ニ
ッケル合金で製作した。

【００１７】６は配線基板４のチップキャリア２搭載面
の背面に設けられた連結ピンであり、配線基板内を通り
チップキャリア２と連結されている。連結ピン６を大基
板（図示せず）に差込むことによって、モジュール１を
電気的，機械的に連結接続する。放熱部材３は腐食防止
のためニッケル−めっきを施した銅で構成され、内部に
冷却材の流路３ａを有し、上面に冷却材の流入出口３ｂ
が設けられている。

【００１８】７は伝熱部材であり、チップキャリア２と
放熱部材３との間に付設される。放熱部材３とフレーム
５とはボルト締結され（図示せず）、モジュール１を構
成する。なお、ここでは液体冷却を例に取り図示してい
るが、空冷の場合は放熱部材３をアルミニウム等で構成
された放熱フィンとすればよく、本発明は冷却方法に制
限されるものではない。

【００１９】図２は詳細構造を示すチップキャリア２を
含んだ拡大縦断面図である。但し、煩雑さを避けるため
チップキャリア２の断面を示していない。図中８はチッ
プキャリア２と配線基板４とを接続する突起電極であ
り、チップキャリア２と配線基板４との接合面に多数配
列されている。通常、突起電極８ははんだで構成されて
おり、チップキャリア２内の半導体素子（図示せず）と
配線基板４との電気的な接続を行い、さらに配線基板４
上にチップキャリア２を機械的に固定する役割を果た
す。

【００２０】伝熱部材７には複数の金属細線７ａが形成
されている。伝熱部材７は熱伝導性のよい窒化アルミで
構成され、金属細線７ａの形成面が対向する配置関係
で、低融点金属９によって、一方がチップキャリア２
に、一方が放熱部材３に固着されている。伝熱部材７に
形成された金属細線７ａの間には、熱伝導性に優れたグ
リース（図示せず）が充填されている。

【００２１】グリースは金属に比較して熱伝導性に劣る
ため、熱伝導性を高めるには銀，銅，アルミニウム等の
金属微粒子、もしくは炭素，窒化アルミ，酸化亜鉛，二
酸化シリコン等の非金属微粒子からなる高熱伝導性微粒
子を分散させねばならない。

【００２２】しかしながら、微粒子を過多に分散する
と、剛体となり弾性が失われる。本実施例では熱伝導性
が優れた鱗片状の微細な銀微粒子をグリースに分散，含
有している。このため、良好な弾性特性を維持しつつ、
優れた熱伝導性を有する。充填したグリースは、対向配
置の伝熱部材７間同士の熱的な密着性を高め、接触熱抵
抗を低減する。

【００２３】本発明におけるチップキャリアの高さのば
らつき及び構成部品の初期のうねりに対する一実施例を
図３及び図４を用いて説明する。チップキャリアが実装
される配線基板４上のうねりや、チップキャリア単体の
寸法のばらつき、さらには組み立て誤差により、組み付
けた際にチップキャリアの高さにばらつきが生じる。本
実施例におけるチップキャリアと伝熱部材７との距離は
目標２.１２mm に対して２.０５mmから２.２１mmの範囲
でばらつく。そこで、チップキャリアの熱を伝熱部材７
を介して放熱部材３へと伝える方式であるため、チップ
キャリアと放熱部材３との間の熱抵抗をできるだけ小さ
くする必要がある。

【００２４】図３は詳細構造を示すチップキャリア２
ａ，２ｂ，２ｃを含む縦断面図である。但し、チップキ
ャリア２ａ，２ｂ，２ｃは断面を示していない。

【００２５】対向配置した伝熱部材７間に充填したグリ
ース（図示せず）は、低融点金属９に比較して熱伝導性
に劣るため、接触熱抵抗がある値以下になるような相対
距離で伝熱部材７を設置する。このときに生じるチップ
キャリアと放熱部材３との距離の違いは、伝熱部材７の
固着のために用いる低融点金属９の形成厚さを変えるこ
とによって調整している。これにより、チップキャリア
２ａ，２ｂ，２ｃの高さのばらつきが生じていても、各
チップキャリアの熱を効率よく放熱部材３へと伝えるこ
とができる。なお、本発明例ではパッケージ内の部品の
酸化防止のため窒素ガスを封入し、フレーム５の溝に設
置したＯリング１０で密閉性を保持し、長期的な信頼性
を高めている。

【００２６】図４は低融点金属９で伝熱部材７とチップ
キャリア２との固着状態、及び、低融点金属９で伝熱部
材７と放熱部材３との固着状態を示す接触部断面図の概
念図であり、説明のため面のうねりを強調して図示して
いる。伝熱部材７は一端が自由端の金属細線を複数本固
着した構造になっており、金属細線７ａの形成面を向か
い合わせて対向配置し、一組の伝熱部材とした。低融点
金属９が固着されるチップキャリア２，放熱部材３及び
伝熱部材７の表面は滑らかではあるが、微視的には平坦
ではなく、微少にうねりが生じている。これらのうねり
も、低融点金属９で埋め合わせることができ、伝熱部材
７を介して各チップキャリアの熱を効率よく放熱部材３
へと伝えることができる。

【００２７】本発明における稼働時の熱変形に対する実
施例を図５及び図６を用いて説明する。図５及び図６は
伝熱部材７及びグリース１１の構造を示す接触部縦断面
の概念図で、図５が稼働前、図６が稼働中である。図５
のように金属細線７ａの形成面を向かい合わせた伝熱部
材７の隙間にグリース１１を充填し、グリース１１には
鱗片状の銀微粒子１１ａがほぼ均一に分散されている。
チップキャリア（図示せず）からの熱は、伝熱部材７，
金属細線７ａ及び充填したグリース１１を介して、放熱
部材３（図示せず）へと伝えることができる。この状態
でチップキャリアに電源を投入することにより半導体素
子が発熱し、モジュールを構成する各部品が熱によって
変形し、図６のように伝熱部材７の金属細線７ａの形成
面の平行度が保たれなくなる。

【００２８】本実施例では、構成部品に変形が生じた場
合でも、チップキャリア(図示せず)からの熱は、伝熱部
材７に形成した金属細線７ａ及び充填した銀微粒子１１
ａ含有のグリース１１を介して、放熱部材（図示せず）
へと伝えることができる。グリース１１は良好な粘性特
性を有しており、適度の結合力があるためグリースが流
れ出ることがなく、グリース１１の必要量を長期間、保
持することができる。その結果、長期的にも高い信頼性
が得られる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、高さにばらつきのある
半導体素子を単一の放熱部材に熱的に接続して冷却する
ことができ、さらに稼働時においても、半導体チップと
放熱部材は熱的に接続しているため、信頼性の高い電子
回路装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である電子回路装置モジュー
ルの一部切断面を含む概略斜視図。

【図２】本発明の一実施例であるチップキャリアを含む
縦断面図。

【図３】本発明の一実施例であるチップキャリアを含む
モジュール全体の縦断面図。

【図４】図３に示す伝熱部材の接触状態を示す縦断面の
概念図。

【図５】伝熱部材間に充填したグリースの状態を示す接
触部縦断面の熱変形前の概念図。

【図６】図５に示す構成部品の熱変形の状態を示す接触
部縦断面の概念図。

【符号の説明】

１…モジュール、２…チップキャリア、３…放熱部材、
３ａ…流路、３ｂ…流入出口、４…配線基板、５…フレ
ーム、６…連結ピン、７…伝熱部材、７ａ…金属細線、
８…突起電極、９…低融点金属、１０…Ｏリング、１１
…グリース、１１ａ…銀微粒子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田口 啓二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 池田 由紀子 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子もしくはそのチップキャリアを
   複数個搭載した配線基板と、放熱部材を有する電子回路
   装置において、複数の金属細線を有した伝熱部材が向か
   い合って付設され、さらに熱伝導性微粒子を含有したグ
   リースもしくはオイルが該伝熱部材間に充填され、該半
   導体素子もしくはそのチップキャリアと、該放熱部材が
   接触することを特徴とする電子回路装置。