JPWO2014147730A1 - パッケージ構造体 - Google Patents

Abstract

パッケージ構造体は、半導体素子を囲む第１の部材と、第１の部材の外側を囲む断熱材と、断熱材の外側を囲む第２の部材を備え、断熱材は第１及び第２の部材よりも密度と熱伝導率が小さい材料で形成され、第１の部材の熱容量は第２の部材の熱容量よりも大きい。

Description

本発明は、パッケージ構造体に関する。

ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）タグは、無線ＩＣ（Integrated Circuit）タグとも呼ばれ、様々な用途に用いられており、例えば高温環境下で用いられることもある。例えば、ＲＦＩＤタグを部品等に設けた場合、ＲＦＩＤタグに記憶された情報を読み取るタグリーダ等によりＲＦＩＤタグの位置情報を読み取って部品等の所在を確認したり、ＲＦＩＤタグの履歴情報を読み取って部品等の使用履歴を確認したりすることができる。

例えば、エンジン周りの部品等のように、高温雰囲気に暴露される部品にＲＦＩＤタグを設ける場合、ＲＦＩＤタグ内の半導体素子が比較的熱に弱いため、半導体素子に断熱対策を施すことが望ましい。半導体素子に断熱対策を施さないと、例えば半導体メモリのデータ保持の保証寿命が短くなったり、半導体回路の動作不良が発生したりする場合がある。そこで、一般的に高温環境下で用いられるＲＦＩＤタグは、パッケージまたは断熱材で覆うことでＲＦＩＤタグ内部への熱伝達を抑制し、ＲＦＩＤタグ内部の温度上昇を遅延させることで耐熱化が図られる。

ＲＦＩＤタグの耐熱性を向上させるためには、パッケージまたは断熱材を厚くしてＲＦＩＤタグへの熱伝達を更に抑制すれば良い。しかし、パッケージまたは断熱材を厚くすると、ＲＦＩＤタグのパッケージ構造体の体積が大きくなり、その結果、パッケージ構造体の重量が増加してしまう。

特開２００８−３１０３８７号公報

ＲＦＩＤタグの耐熱性パッケージ構造体等の従来のパッケージ構造体では、パッケージ構造体の体積を維持したまま重量を増加させることなく耐熱性を向上させることは難しい。つまり、従来のパッケージ構造体では、体積を維持したまま軽量化と耐熱性を両立させることは難しい。

そこで、本発明は、体積を維持したまま軽量化と耐熱性を両立可能なパッケージ構造体を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、半導体素子を囲む第１の部材と、前記第１の部材の外側を囲む断熱材と、前記断熱材の外側を囲む第２の部材を備え、前記断熱材は前記第１及び第２の部材よりも密度と熱伝導率が小さい材料で形成され、前記第１の部材の熱容量が前記第２の部材の熱容量よりも大きいパッケージ構造体が提供される。

開示のパッケージ構造体によれば、体積を維持したまま軽量化と耐熱性を両立させることができる。

第１実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。 第２実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。 第３実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。 第４実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。 第５実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。 半導体素子の第１の例を示すブロック図である。 半導体素子の第２の例を示すブロック図である。 半導体素子の第３の例を示すブロック図である。 半導体素子の第４の例を示すブロック図である。 基準パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 図１０乃至図１３に示すパッケージ構造体の加熱時間と観測点における温度の関係を示す図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 図１１、図１５及び図１６に示すパッケージ構造体の加熱時間２１分後の観測点ｘにおける温度と内壁厚の関係を示す図である。 図１１、図１５及び図１６に示すパッケージ構造体の加熱時間２１分後の観測点ｘにおける温度と内壁熱容量／外壁熱容量の関係を示す図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体の加熱時間と観測点における温度の関係を示す図である。 図１０、図１２、図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体の加熱時間２１分後の観測点ｘにおける温度とパッケージ重量の関係を示す図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 パッケージ構造体の一例を示す断面図である。 図１３、図２０、図２３、図２４に示すパッケージ構造体の加熱時間と観測点における温度の関係を示す図である。

開示のパッケージ構造体は、半導体素子を囲む第１の部材と、第１の部材の外側を囲む断熱材と、断熱材の外側を囲む第２の部材を備える。断熱材は、第１及び第２の部材よりも密度と熱伝導率が小さい材料で形成される。また、第１の部材の熱容量は、第２の部材の熱容量よりも大きい。

以下に、開示のパッケージ構造体の各実施例を図面と共に説明する。

図１は、第１実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。図１及び後述する各断面図は、パッケージ構造体の上下面に対して垂直方向に沿った断面を示す。図１において、パッケージ構造体１−１は、半導体素子１０を囲む内壁１１、内壁１１の外側を囲む断熱材１２及び断熱材１２の外側を囲む外壁１３を有する。半導体素子１０は、内壁１１に囲まれた閉空間に収納される。また、内壁１１及び断熱材１２は、外壁１３に囲まれた閉空間に収納される。半導体素子１０は、後述するように半導体メモリ（図示せず）等を含んでも良い。内壁１１は例えば樹脂等で形成された第１の部材の一例であり、外壁１３は例えば樹脂等で形成された第２の部材の一例である。断熱材１２は、内壁１１及び外壁１３よりも密度と熱伝導率が小さい材料で形成される。内壁１１の熱容量は、外壁１３の熱容量より大きい。これにより、パッケージ構造体１−１内部への熱伝達を抑制し、温度上昇を遅延させることで耐熱化が図られる。内壁１１、断熱材１２及び外壁１３は、絶縁材料で形成することが好ましいが、内壁１１の一部を導電材料で形成しても良く、外壁１３の一部を導電材料で形成しても良い。

図２は、第２実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。図２中、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図２において、パッケージ構造体１−２の外壁１３の一部は、非金属または非磁性体１３Ａで形成されている。また、パッケージ構造体１−２は、内壁１１の外側で外壁１３の内側に設けられたアンテナ１０１を更に有する。アンテナ１０１は、半導体素子１０と電気的に接続されており、内壁１１と非金属または非磁性体１３Ａとの間に配置されている。非金属または非磁性体１３Ａは、例えばセラミックスで形成しても良い。アンテナ１０１は、例えば金属で形成しても良い。

図３は、第３実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。図３中、図２と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図３において、パッケージ構造体１−３の内壁１１の一部は、非金属または非磁性体１１Ａで形成されている。内壁１１の一部を形成する非金属または非磁性体１１Ａは、外壁１３の一部を形成する非金属または非磁性体１３Ａと断熱材１２を介して対向している。半導体素子１０は、アンテナ（図示せず）を含んでも良い。非金属または非磁性体１１Ａは、例えばセラミックスで形成しても良い。

図４は、第４実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。図４中、図２と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図４において、パッケージ構造体１−４の内壁１１の一部は、金属１１Ｂで形成されている。内壁１１の一部を形成する金属１１Ｂは、外壁１３の一部を形成する非金属または非磁性体１３Ａと断熱材１２を介して対向している。金属１１Ｂは、半導体素子１０と電気的に接続されてアンテナを形成しても良い。

図５は、第５実施例におけるパッケージ構造体の一例を示す断面図である。図５中、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図５において、パッケージ構造体１−５の外壁１３の一部は、金属１３Ｂで形成されている。金属１３Ｂは半導体素子１０と電気的に接続されてアンテナまたはデータ読取用電極を形成しても良い。

ＲＦＩＤタグが例えば高温雰囲気に暴露される場合、熱に弱い半導体素子は内壁に埋設し、高温から保護することが好ましい。一方、アンテナ自体はループコイルに代表されるように例えば金属で形成されるので、高温雰囲気に暴露しても特性劣化は少ない。従って、半導体素子を内壁に埋設し、図２に示すように内壁と外壁の間の断熱材にアンテナを埋設することも可能である。この場合、無線通信の品質を向上するため、少なくとも外壁の一部を樹脂やセラミックス等の非金属または非磁性体で形成することが好ましい。また、図３に示すように内壁の一部を形成する非金属または非磁性体が外壁の一部を形成する非金属または非磁性体と断熱材を介して対向するように配置することで、半導体素子に設けられたアンテナを用いた無線通信の品質を向上するようにしても良い。

アンテナ自体は例えば金属で形成されるため、図４または図５に示すように内壁または外壁の一部を金属で形成し、この金属部分をアンテナとして利用しても良い。少なくとも内壁の一部を金属で形成してアンテナの一部として利用する場合、図４に示すように少なくとも外壁の一部は非金属または非磁性体で形成することが好ましい。

アンテナは、電界型のダイポールアンテナ（線状ダイポールアンテナを折り曲げたメアンダライン形状を含む）または磁界型のループアンテナ（スパイラル形状、ヘリカル形状を含む）が代表的であるが、特にこれらのアンテナに限定されない。アンテナの動作周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、ダイポールアンテナの長さｄ（ｍ）は、例えばｄ＝（３×１０^８／２ｆ）×０．９６〜０．９７で表される。また、ループアンテナの場合、容量Ｃ（Ｆ）の共振用コンデンサがアンテナに直列に接続され、ループアンテナはｆ＝１／２π（Ｌ×Ｃ）^１／２の関係を満たすインダクタンスＬ（Ｈ）を有する。ループアンテナが有するインダクタンスＬの値に対し、動作周波数ｆの上記関係式を満たす容量Ｃの値を有する共振用コンデンサを用いても良い。アンテナは銅等の金属で形成可能であり、例えば銅線で形成しても良い。アンテナは、プリント配線板のように、基材上に形成された金属箔または金属膜を線状に加工して形成しても良い。

図６は、半導体素子の第１の例を示すブロック図である。図６に示すパッシブ型ＲＦＩＤタグ１０−１は、半導体素子１０の一例であり、アンテナ１０１、半導体メモリ１０２、制御回路１０３、変調回路１０４、復調回路１０５及び整流回路１０６を含む。復調回路１０５は、アンテナ１０１を介して受信した電波からデータ成分を取り出し、データを復調して制御回路に供給する。制御回路１０３は、復調されたデータを半導体メモリ１０２に格納する。半導体メモリ１０２に格納されたデータは、制御回路１０３により変調回路１０４に供給されて変調され、変調されたデータがアンテナ１０１を介して送信される。整流回路１０６は、アンテナ１０１を介して受信した電波から電流を取り出して発生させた電力を半導体素子１０−１内の各部に供給する。なお、この例ではマイクロ波方式で取り出した電流から発生させた電力を半導体素子１０−１内の各部に供給するものとするが、例えばコイル間の誘導起電力を用いて電流を取り出す電磁誘導方式等の他の方式を用いて発生させた電力を半導体素子１０−１内の各部に供給しても良い。

図７は、半導体素子の第２の例を示すブロック図である。図７中、図６と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図７に示すパッシブ型ＲＦＩＤタグ１０−２は、半導体素子１０の一例であり、一または複数のセンサ素子１０７を更に含む。センサ素子１０７の種類は特に限定されない。センサ素子１０７は、例えば温度センサ、振動センサ、加速度センサ等で形成可能である。また、センサ素子１０７は、２種類以上のセンサの組み合わせであっても良い。センサ素子１０７で検出された情報は、制御回路１０３の制御下で変調回路１０４及びアンテナ１０１を介して送信しても、一旦半導体メモリ１０２に書き込んでから読み出して送信しても良い。なお、半導体メモリ１０２は省略しても良い。

図８は、半導体素子の第３の例を示すブロック図である。図８中、図７と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図８に示すアクティブ型ＲＦＩＤタグ１０−３は、半導体素子１０の一例であり、電池１０８を更に含む。電池１０８は、電力を半導体素子１０−３内の各部に供給する。なお、ＲＦＩＤタグ１０−３は、図７に示すように半導体メモリ１０２を含んでも良い。

図９は、半導体素子の第４の例を示すブロック図である。図９中、図８と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図９に示すアクティブ型ＩＣタグ１０−４は、半導体素子１０の一例であり、アンテナ１０１の代わりに設けられたデータ読取用電極１０９を更に含む。なお、ＩＣタグ１０−４は、図７に示すように半導体メモリ１０２を含んでも良い。

図６乃至図９において、制御回路１０３の代わりにＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサを設けても良い。この場合、半導体メモリ１０２は、ＣＰＵが実行するプログラム、ＣＰＵが実行する演算の中間データ、ＣＰＵが実行する演算で用いる各種パラメータ等を格納しても良い。

ところで、パッケージ構造体の外壁は断熱材を保持するために設けられるが、外壁の厚さは以下の理由で比較的薄いことが好ましい。

パッケージ構造体の耐熱性の向上には、外壁を厚くすることが考えられるが、外壁と内部の半導体素子（または、内壁）との距離が変わらない場合にはパッケージ構造体が大きくなってしまう。パッケージ構造体の大きさ（以下、「パッケージサイズ」と言う）を一定として外壁を厚くする場合には、外壁と内部の半導体素子（または、内壁）との距離が短くなる。

本発明者らは、図１０以降と共に後述するように、高温雰囲気によって温まった（即ち、熱エネルギーを蓄えた）外壁は、パッケージ構造体の内部から見れば熱源となることを見出した。このため、パッケージサイズが一定の場合、外壁を厚くすると外壁が内部に近づき、熱源が内部に近づくことになり、内部の温度が上昇し易くなってしまう。そこで、本発明者らは、パッケージサイズが一定の場合、パッケージ構造体の内部の温度上昇を遅延させるためには、熱源を遠ざける、即ち、外壁を薄くすることが好ましいことを見出した。

また、本発明者らは、パッケージ構造体の外壁及び内壁を形成する材料よりも密度と熱伝導率が小さな断熱材料を使って外壁または内壁の一部を置き換えることで、パッケージ構造体の軽量化が図れ、且つ、内部への熱エネルギーの単位時間当たりの伝達量を抑えることで温度上昇の遅延が図れることを見出した。

更に、本発明者らは、内壁の熱容量を大きくすることにより、パッケージ構造体の耐熱性が向上することを見出した。これは、熱エネルギーの伝達路の途中に熱容量の大きな物質がある場合、熱エネルギーは当該物質の温度上昇に対して優先して消費されるため、当該物質よりも先への熱伝達は遅れ、内部の温度上昇の遅延が図れるからである。

従って、半導体素子を格納したパッケージ構造体を高温雰囲気に暴露する使用環境であっても、内部の温度上昇を遅延させることにより、パッケージ構造体の耐熱性を向上させて半導体素子の寿命を延ばしたり、或いは、半導体素子の動作不良を回避することができる。

次に、基準となるパッケージ構造体（以下、「基準パッケージ構造体」と言う）と、各種パッケージ構造体の耐熱性及び重量等についてシミュレーション結果を、図１０乃至図２５と共に説明する。図１０乃至図１３、図１５、図１６、図１９、図２０、図２３及び図２４中、図１乃至図５と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図１０乃至図１３、図１５、図１６、図１９、図２０、図２３及び図２４では、説明の便宜上、各パッケージ構造体が直径４０ｍｍで厚さが２０ｍｍの円柱構造体であり、シミュレーション上は半導体素子に相当するシリコン（以下、「シリコン素子」と言う）が半径５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの円柱構造体であるものとするが、パッケージ構造体及び半導体素子（及びシリコン素子）の形状は円柱構造体に限定されるものではなく、例えば平行六面体等の形状であっても良い。また、図１０乃至図１３、図１５、図１６、図１９、図２０、図２３及び図２４において、「ｘ」はシリコン素子内の観測点を示す。観測点ｘは、説明の便宜上、シリコン素子内の中心部にあるものとする。

図１０に示す基準パッケージ構造体２０１の外壁２１の厚さは１０ｍｍであり、内壁及び断熱材は設けられておらず、総重量は３２．７ｇである。図１１に示すパッケージ構造体１−１１では、内壁１１の厚さは１ｍｍ、断熱材１２の厚さは８ｍｍ、外壁１３の厚さは１ｍｍであり、総重量は１１．２ｇである。図１２に示すパッケージ構造体１−１２では、内壁１１の厚さは１ｍｍ、断熱材１２の厚さは６ｍｍ、外壁１３の厚さは３ｍｍであり、総重量は１９．６ｇである。図１３に示すパッケージ構造体１−１３では、内壁１１の厚さは３ｍｍ、断熱材１２の厚さは６ｍｍ、外壁１３の厚さは１ｍｍであり、総重量は１３．９ｇである。図１０乃至図１３において、内壁１１及び外壁１３は樹脂で形成されている。以下の説明では、特に記載がない場合は、樹脂の熱伝導率は０．２６Ｗ／ｍ／Ｋ、熱容量は１．７４Ｊ／ｃｍ^３／Ｋ、密度は１．３０ｇ／ｃｍ^３である。断熱材１２の熱伝導率は０．０２８Ｗ／ｍ／Ｋ、熱容量は０．１９Ｊ／ｃｍ^３／Ｋ、密度は０．２１ｇ／ｃｍ^３であるものとする。つまり、断熱材１２は樹脂よりも密度が小さく軽量であり、熱伝導率が小さい。シリコンの熱伝導率は１４８Ｗ／ｍ／Ｋ、熱容量は１．６５Ｊ／ｃｍ^３／Ｋ、密度は２．３３ｇ／ｃｍ^３であるものとする。周知の熱解析処理を行うシミュレーションでは、パッケージ構造体２０１，１−１１〜１−１３の初期温度は３０℃であり、外部の温度が２００℃で一定の環境にパッケージ構造体２０１，１−１１〜１−１３を配置して観測点ｘにおける温度を求めた。シミュレーションは、例えば汎用のコンピュータにより実行可能である。

図１４は、図１０乃至図１３に示すパッケージ構造体２０１，１−１１〜１−１３の加熱時間と観測点ｘにおける温度の関係を示す図であり、縦軸は観測点ｘにおける温度（℃）、横軸は加熱時間（分）を示す。図１４において、ｐ１０〜ｐ１３は、図１０乃至図１３に示すパッケージ構造体２０１，１−１１〜１−１３の観測点ｘにおける温度のシミュレーション結果を示す。図１４に示すように、シリコン素子１０Ｓに近い部分の壁、即ち、内壁１１を図１３に示すように厚くすることで、パッケージ構造体１−１３の軽量化と耐熱性を両立できることが確認された。図１３に示すパッケージ構造体１−１３の場合、総重量は１３．９ｇであり基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であり、耐熱性は図１４中ｐ１３で示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）に近い。これに対し、図１１及び図１２に示すパッケージ構造体１−１１，１−１２の場合、総重量は１１．２ｇ，１９．６ｇであり基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であるが、耐熱性は図１４中ｐ１１，ｐ１２で示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）より劣化することが確認された。

図１２に示すパッケージ構造体１−１２の外壁１３の厚さは、図１１に示すパッケージ構造体１−１１の３倍であり、内壁１１の厚さは同じである。この場合、図１２に示すパッケージ構造体１−１２の方が、観測点ｘの温度上昇が遅い。パッケージ構造体１−１１〜１−１３の外部から伝達される熱量は、外壁１３の温度上昇に優先的に消費される。つまり、熱量のパッケージ構造体１−１１〜１−１３内部への伝達に対し、外壁１３は熱バッファとして作用する。従って、外壁１３の厚い（即ち、外壁１３全体の熱容量が大きい）図１２に示すパッケージ構造体１−１２の方が、パッケージ構造体１−１２内部への熱量の伝達が時間的に遅延されることになり、観測点ｘの温度上昇が遅くなる。

図１２に示すパッケージ構造体１−１２の外壁１３の厚さと図１３に示すパッケージ構造体１−１３の内壁１１の厚さは同じであり、外壁１３と内壁１１の厚さの和は同じである。この場合、図１３に示すパッケージ構造体１−１３の方が、観測点ｘの温度上昇が遅い。図１２に示すパッケージ構造体１−１２では、観測点ｘからみれば、温まった外壁１３は新たな熱源であり、図１３に示すパッケージ構造体１−１３よりも熱源が観測点ｘに近づいている。このため、図１２に示すパッケージ構造体１−１２の方が、温度上昇が早くなる。

以上のことから、外壁１３と内壁１１から成る二重壁構造体とし、パッケージ構造体１−１３の中心部に近い部分の壁（内壁１１）を図１３に示すように厚くすることが、基準パッケージ構造体２０１の耐熱性に及ばないものの、温度上昇の遅延（耐熱性向上）には効果があることが確認された。

なお、図１１乃至図１３に示すパッケージ構造体１−１１〜１−１３は、樹脂を例えば軽量断熱材（即ち、比較的軽量の断熱材料）で置き換えることで、樹脂を用いる基準パッケージ構造体２０１よりも重量を更に軽減可能である。

次に、図１５に示すパッケージ構造体１−１５では、内壁１１の厚さは５ｍｍ、断熱材１２の厚さは４ｍｍ、外壁１３の厚さは１ｍｍである。図１６に示すパッケージ構造体１−１６では、内壁１１の厚さは８ｍｍ、断熱材１２の厚さは１ｍｍ、外壁１３の厚さは１ｍｍである。図１５及び図１６において、シリコン素子１０Ｓはシリコンで形成されており、内壁１１及び外壁１３は樹脂で形成されている。周知の熱解析処理を行うシミュレーションでは、パッケージ構造体２０１，１−１５，１−１６の初期温度は３０℃であり、外部の温度が２００℃で一定の環境にパッケージ構造体２０１，１−１５，１−１６を配置して観測点ｘにおける温度を求めた。

図１７は、図１１、図１５及び図１６に示すパッケージ構造体１−１１，１−１５，１−１６の加熱時間２１分後の観測点ｘにおける温度と内壁厚（内壁１１の厚さ）の関係を示す図である。図１７中、太い実線で囲まれたハッチングで示す領域内のデータは、基準パッケージ構造体２０１について同様のシミュレーションを行った場合の観測点ｘにおける温度以下の領域を示す。従って、この例では内壁厚は３ｍｍ〜８ｍｍであると温度を約１３５℃以下に抑えられることが確認された。

図１８は、図１１、図１５及び図１６に示すパッケージ構造体１−１１，１−１５，１−１６の加熱時間２１分後の観測点ｘにおける温度と内壁熱容量／外壁熱容量の関係を示す図である。内壁熱容量とは内壁１１の熱容量を表し、外壁熱容量とは外壁１３の熱容量を表す。図１８中、太い実線で囲まれたハッチングで示す領域内のデータは、基準パッケージ構造体２０１について同様のシミュレーションを行った場合の観測点ｘにおける温度以下の領域を示す。従って、この例では内壁熱容量／外壁熱容量が１より大きい、即ち、内壁熱容量が外壁熱容量より大きいと、温度を約１３５℃以下に抑えられることが確認された。

図１１、図１５及び図１６に示すパッケージ構造体１−１１，１−１５，１−１６は、基準パッケージ構造体２０１と同じパッケージサイズで、外壁１３の厚さを１ｍｍに固定し、内壁１１の厚さを変化させたものである。パッケージ構造体２０１，１−１１，１−１５，１−１６の加熱開始後一定の時間で観測点ｘの温度を比較すると、内壁１１が厚くなるにつれて到達温度が低くなる。この例では、内壁１１の厚さが４ｍｍ以上において基準パッケージ構造体２０１よりも観測点ｘの温度が低くなる。ここで、外壁１３の熱容量に対する内壁１１の熱容量の比をパラメータとして観測点ｘの温度を比較すると、内壁１１の熱容量が外壁１３の熱容量よりも大きい場合に、基準パッケージ構造体２０１よりも観測点ｘの温度が低くなる。

図１７及び図１８のシミュレーション結果から、パッケージサイズが一定の場合、耐熱性の向上の観点からは、内壁厚は外壁厚より大きいことが好ましく、内壁熱容量は外壁熱容量より大きいことが好ましいことが確認された。

なお、図１１、図１５及び図１６に示すパッケージ構造体１−１１，１−１５，１−１６は、樹脂を例えば軽量断熱材で置き換えることで、樹脂を用いる基準パッケージ構造体２０１よりも重量を更に軽減可能である。

次に、図１３に示すパッケージ構造体１−１３では、樹脂で形成された内壁１１の熱容量は５．５Ｊ／Ｋであり、樹脂で形成された外壁１３の熱容量は８．２Ｊ／Ｋである。図１９に示すパッケージ構造体１−１９では、熱容量が９．７Ｊ／Ｋの内壁１１（セラミックス）の厚さは３ｍｍ、断熱材１２の厚さは６ｍｍ、熱容量が８．２Ｊ／Ｋの外壁１３（樹脂）の厚さは１ｍｍであり、総重量は２１．９ｇである。図２０に示すパッケージ構造体１−２０では、内壁１１の樹脂で形成された内側部分１１ａの厚さは１ｍｍ、内壁１１の金属で形成された外側部分１１ｂの厚さは２ｍｍ、内壁１１全体として熱容量は１１．０Ｊ／Ｋであり、断熱材１２の厚さは６ｍｍ、熱容量が８．２Ｊ／Ｋの外壁１３（樹脂）の厚さは１ｍｍであり、総重量は３０．１ｇである。図１３、図１９及び図２０において、セラミックスの熱伝導率は３３Ｗ／ｍ／Ｋ、熱容量は３．０４Ｊ／ｃｍ^３／Ｋ、密度は３．８０ｇ／ｃｍ^３であるものとする。金属の熱伝導率は１６Ｗ／ｍ／Ｋ、熱容量は３．９８Ｊ／ｃｍ^３／Ｋ、密度は７．９３ｇ／ｃｍ^３であるものとする。周知の熱解析処理を行うシミュレーションでは、パッケージ構造体１−１３，１−１９，１−２０の初期温度は３０℃であり、外部の温度が２００℃で一定の環境にパッケージ構造体１−１３，１−１９，１−２０を配置して観測点ｘにおける温度を求めた。

図２１は、図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１３，１−１９，１−２０の加熱時間と観測点ｘにおける温度の関係を示す図であり、縦軸は観測点ｘにおける温度（℃）、横軸は加熱時間（分）を示す。図２１において、ｐ１０，ｐ１３，ｐ１９，ｐ２０は、夫々図１０、図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体２０１，１−１３，１−１９，１−２０の観測点ｘにおける温度のシミュレーション結果を示す。図２１に示すように、シリコン素子１０Ｓに近い部分の壁、即ち、内壁１１の熱容量を図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１９，１−２０のように外壁１３の熱容量より大きくすることで、パッケージ構造体１−１９，１−２０の軽量化と耐熱性を両立できることが確認された。図１３に示すパッケージ構造体１−１３の場合、総重量は１３．９ｇであり図１０に示す基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であるが、耐熱性は図２１中ｐ１３で示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）に近い。これに対し、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１９，１−２０の場合、総重量は夫々２１．９ｇ，３０．１ｇであり基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であり、耐熱性は図２１中ｐ１９，ｐ２０に示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）より向上することが確認された。

図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１３，１−１９，１−２０は、いずれも二重壁構造体であり、樹脂から成る外壁１３の厚さは１ｍｍ、内壁１１の厚さは３ｍｍである。内壁１１に関し、図１３に示すパッケージ構造体１−１３は樹脂、図１９に示すパッケージ構造体１−１９はセラミックス、図２０に示すパッケージ構造体１−２０は金属と樹脂の複合体である。この複合体は、例えば直径が２２ｍｍであり厚さが２ｍｍの樹脂ブロックの中にシリコンを埋設し、この樹脂ブロックを直径が２６ｍｍで厚さが６ｍｍの金属ブロックの中に埋設することで形成可能である。

図１９に示すパッケージ構造体１−１９は、基準パッケージ構造体２０１よりも観測点ｘの温度上昇が遅くなる。図２０に示すパッケージ構造体１−２０は、図１９に示すパッケージ構造体１−１９よりも観測点ｘの温度上昇が遅くなる。図１３に示すパッケージ構造体１−１３は内壁１１の熱容量が外壁１３よりも小さいが、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１９，１−２０は内壁１１の熱容量が外壁１３よりも大きい。図１９に示すパッケージ構造体１−１９の内壁１１の熱容量は、図２０に示すパッケージ構造体１−２０よりも大きい。

図２２は、図１０、図１２、図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体２０１，１−１０，１−１２，１−１３，１−１９，１−２０の加熱時間２１分後の観測点ｘにおける温度とパッケージ重量（パッケージ構造体２０１，１−１０，１−１２，１−１３，１−１９，１−２０の重量）の関係を示す図である。図２２中、太い実線で囲まれたハッチングで示す領域内のデータは、基準パッケージ構造体２０１について同様のシミュレーションを行った場合の観測点ｘにおける温度が約１３５℃以下に抑えられており、且つ、基準パッケージ構造体２０１よりも軽量化されており基準パッケージ構造体２０１以上の耐熱性が得られるパッケージ構造体１−１９，１−２０を示す。図２２のシミュレーション結果から、図１０に示す基準パッケージ構造体２０１のデータｐ１０及び図１２及び図１３に示すパッケージ構造体１−１２，１−１３のデータｐ１２，ｐ１３は太い実線で囲まれた領域外にある。これに対し、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１９，１−２０のデータｐ１９，ｐ２０は太い実線で囲まれた領域内にあり、パッケージ構造体１−１９，１−２０の総重量は夫々２１．９ｇ，３０．１ｇであり基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であり、耐熱性は図２２中ｐ１９，ｐ２０で示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）より向上することが確認された。

従って、基準パッケージ構造体２０１及び図１２、図１３、図１９及び図２０に示すパッケージ構造体１−１２，１−１３，１−１９，１−２０について、パッケージ構造体２０１，１−１２，１−１３，１−１９，１−２０の重量と観測点ｘの温度の相関をまとめて示す図２２から、外壁１３と内壁１１から成る二重構造体とし、パッケージ構造体の中心部に近い部分の壁（内壁１１）を厚くすることが、温度上昇の遅延（耐熱性向上）に効果があり、且つ、軽量化を両立できることが確認された。

次に、図２３に示すパッケージ構造体１−２３では、内壁１１の金属で形成された内側部分１１ｃの厚さは１ｍｍ、内壁１１の金属で形成された外側部分１１ｄの厚さは２ｍｍ、内壁１１の外側部分の上部の一部が同じ厚さ２ｍｍの樹脂で形成された樹脂部分１１ｅとなっており、内壁１１全体として熱容量は９．２Ｊ／Ｋであり、断熱材１２の厚さは６ｍｍ、熱容量が８．２Ｊ／Ｋの外壁１３（樹脂）の厚さは１ｍｍであり、総重量は２０．８ｇである。図２４に示すパッケージ構造体１−２４では、内壁１１の樹脂で形成された内側部分１１ｆの厚さは１ｍｍ、内壁１１の金属で形成された外側部分１１ｇの厚さは２ｍｍ、内壁１１の外側部分の上部の一部が同じ厚さ２ｍｍの樹脂で形成された樹脂部分１１ｈとなっており、内壁１１全体として熱容量は１０．１Ｊ／Ｋであり、断熱材１２の厚さは６ｍｍ、熱容量が８．２Ｊ／Ｋの外壁１３（樹脂）の厚さは１ｍｍであり、総重量は２１．６ｇである。図２３に示すパッケージ構造体１−２３の方が、内壁１１の外側部分の上部を形成する樹脂部分１１ｅの面積（上面の面積）及び体積が図２３に示すパッケージ構造体１−２３の樹脂部分１１ｈよりも大きい。内壁１１の金属で形成された外側部分１１ｄ，１１ｇの一部を樹脂部分１１ｅ，１１ｈで置き換えることで、半導体素子１０内にアンテナが設けられている場合でもパッケージ構造体の外部との無線通信が可能となる。図２３及び図２４において、シリコン素子１０Ｓはシリコンで形成されている。周知の熱解析処理を行うシミュレーションでは、パッケージ構造体２０１，１−２３，１−２４の初期温度は３０℃であり、外部の温度が２００℃で一定の環境にパッケージ構造体２０１，１−２３，１−２４を配置して観測点ｘにおける温度を求めた。

図２５は、図１０、図１３、図２０、図２３、図２４に示すパッケージ構造体２０１，１−１３，１−２０，１−２３，１−２４の加熱時間と観測点ｘにおける温度の関係を示す図であり、縦軸は観測点ｘにおける温度（℃）、横軸は加熱時間（分）を示す。図２５において、ｐ１０，ｐ１３，ｐ２０，ｐ２３，ｐ２４は、夫々図１０、図１３、図２０、図２３及び図２４に示すパッケージ構造体２０１，１−１３，１−２０，１−２３，１−２４の観測点ｘにおける温度のシミュレーション結果を示す。図２５に示すように、内壁１１の金属で形成された外側部分の一部を樹脂で置き換えた場合であっても、外部との無線通信を可能とし、且つ、パッケージ構造体の軽量化と耐熱性を両立できることが確認された。図２３に示すパッケージ構造体１−２３の場合、総重量は２０．８ｇであり基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であり、耐熱性は図２５中ｐ２３で示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）より向上しており、図２０に示すパッケージ構造体１−２０の耐熱性（ｐ２０）に近い。同様に、図２４に示すパッケージ構造体１−２４の場合、総重量は２１．６ｇであり基準パッケージ構造体２０１の総重量（３２．７ｇ）と比較して軽量であり、耐熱性は図２５中ｐ２４で示すように基準パッケージ構造体２０１の耐熱性（ｐ１０）より向上しており、図２０に示すパッケージ構造体１−２０の耐熱性（ｐ２０）に近いことが確認された。

図１３、図２０、図２３及び図２４に示すパッケージ構造体１−１３，１−２０，１−２３，１−２４は、いずれも二重壁構造体であり、樹脂から成る外壁１３の厚さは１ｍｍ、内壁１１の厚さは３ｍｍである。内壁１１に関し、図１３に示すパッケージ構造体１−１３は樹脂、図２０に示すパッケージ構造体１−２０は金属と樹脂の複合体、図２３に示すパッケージ構造体１−２３は図２０に示すパッケージ構造体１−２０の金属の一部（例えば、直径２２ｍｍで厚さが２ｍｍの部分）を樹脂で置き換えた複合体、図２４に示すパッケージ構造体１−２４は図２０に示すパッケージ構造体１−２０の金属の一部（例えば、直径が１４ｍｍで厚さが２ｍｍの部分）を樹脂で置き換えた複合体である。図２０に示すパッケージ構造体１−２０の複合体は、例えば直径が２２ｍｍで厚さが２ｍｍの樹脂ブロックの中にシリコンを埋設し、樹脂ブロックを直径が２６ｍｍで厚さが６ｍｍの金属ブロックの中に埋設したものである。

図２０、図２３及び図２４に示すパッケージ構造体１−２０，１−２３，１−２４は、基準パッケージ構造体２０１よりも観測点ｘの温度上昇が遅くなる。図２３、図２４及び図２０に示すパッケージ構造体１−２３，１−２４，１−２０の順で、観測点ｘでの温度上昇はより遅くなる。また、内壁１１の熱容量も、図２３、図２４及び図２０に示すパッケージ構造体１−２３，１−２４，１−２０の順でより大きくなる。

ところで、電力源として電池を搭載しないパッシブ型ＲＦＩＤタグは、図６及び図７に示すように半導体素子である半導体メモリ、制御回路、アンテナ等で形成可能である。ＲＦＩＤタグの通信は、磁界または電波（電磁界）を用いて行なわれる。一般に、磁界及び電磁界はいずれも、金属（導体）を通過する際に、相当のエネルギーを熱等の形で失う。また、磁性体を通過する際に、磁界や電磁界の強度や位相、波長等が変わる。つまり、金属や磁性体が通信障壁となるため、金属や磁性体を挟んで通信を行なうことは好ましくない。そこで、ＲＦＩＤタグの構成要素を内壁に埋設する場合、図１３及び図１９に示すパッケージ構造体１−１３，１−１９のように、または、図２３及び図２４に示すパッケージ構造体１−２３，１−２４のように、少なくとも外壁１３の一部または少なくとも内壁１１の一部は、樹脂やセラミックス等の非金属または非磁性体で形成することが好ましい。

なお、上記各実施例において、内壁１１を形成する樹脂と、外壁１３を形成する樹脂は同じ組成であっても、異なる組成であっても、内壁１１の熱容量が外壁１３の熱容量より大きいものであれば特に限定されない。また、内壁１１の一部を形成する金属１１Ｂ、外壁１３の一部を形成する金属１３Ｂ、アンテナ１０１を形成する金属及びデータ読出用電極を形成する金属は、夫々同じ組成であっても、互いに異なる組成であっても、一部が同じ組成であっても良い。

開示のパッケージ構造体によれば、重量を増加させることなく耐熱性を向上でき、パッケージ構造体の軽量化と耐熱性を両立させることができる。また、パッケージサイズを増加させることなく耐熱性を向上させることもできる。

以上、開示のパッケージ構造体を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。

１−１〜１−５，１−１１〜１−１３，１−１５，１−１６，１−１９，１−２０，１−２３，１−２４ パッケージ構造体
１０ 半導体素子
１０Ｓ シリコン素子
１１ 内壁
１１Ａ，１３Ａ 非金属または非磁性体
１１Ｂ，１３Ｂ 金属
１２ 断熱材
１３ 外壁
１０１ アンテナ
１０２ 半導体メモリ
１０７ センサ素子
１０９ データ読取用電極
２０１ 基準パッケージ構造体

Claims (14)

1. 半導体素子を囲む第１の部材と、
   前記第１の部材の外側を囲む断熱材と、
   前記断熱材の外側を囲む第２の部材を備え、
   前記断熱材は前記第１及び第２の部材よりも密度と熱伝導率が小さい材料で形成され、
   前記第１の部材の熱容量は前記第２の部材の熱容量よりも大きいことを特徴とするパッケージ構造体。
2. 前記半導体素子は半導体メモリを含むことを特徴とする請求項１記載のパッケージ構造体。
3. 前記第２の部材の一部は非金属または非磁性体で形成されていることを特徴とする請求項２記載のパッケージ構造体。
4. 前記第１の部材の外側で前記第２の部材の内側に設けられたアンテナを更に備えたことを特徴とする請求項３記載のパッケージ構造体。
5. 前記アンテナは、前記第２の部材の一部を形成する前記非金属または非磁性体と前記第１の部材の間に配置されていることを特徴とする請求項４記載のパッケージ構造体。
6. 前記半導体素子はアンテナを更に含み、
   前記第１の部材の一部は非金属または非磁性体で形成されていることを特徴とする請求項３記載のパッケージ構造体。
7. 前記第１の部材の一部を形成する非金属または非磁性体は、前記第２の部材の一部を形成する非金属または非磁性体と前記断熱材を介して対向していることを特徴とする請求項６記載のパッケージ構造体。
8. 前記半導体素子はアンテナを更に含み、
   前記第１の部材の一部は金属で形成されており前記アンテナの一部を形成することを特徴とする請求項２または３記載のパッケージ構造体。
9. 前記第１の部材の一部を形成する金属は、前記第２の部材の一部を形成する非金属または非磁性体と前記断熱材を介して対向していることを特徴とする請求項８記載のパッケージ構造体。
10. 前記半導体素子はアンテナを更に含み、
    前記第２の部材の一部は金属で形成されており前記アンテナの一部を形成することを特徴とする請求項１または２記載のパッケージ構造体。
11. 前記半導体素子及び前記アンテナはＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）タグを形成することを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１項記載のパッケージ構造体。
12. 前記半導体素子はセンサを含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載のパッケージ構造体。
13. 前記半導体素子はデータ取出用電極を含み、
    前記第２の部材の一部は金属で形成されており前記データ読出用電極を形成することを特徴とする請求項１または２記載のパッケージ構造体。
14. 前記半導体素子は一または複数のセンサを含むことを特徴とする請求項１３記載のパッケージ構造体。

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