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公開番号2025042810
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-28
出願番号2023149955
出願日2023-09-15
発明の名称半導体装置及び半導体装置製造方法
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人クロスボーダー特許事務所
主分類H01L 23/36 20060101AFI20250321BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】半導体パッケージから冷却部までの放熱効率を十分に発揮する半導体装置であって、部品配置の制約が少なく、かつ組立性にも優れた半導体装置を提供したい。
【解決手段】半導体装置1は、底面に複数のバンプ40を備える半導体パッケージ10と、半導体パッケージ10が搭載されている回路基板20と、半導体パッケージ10に生じる熱を輸送する熱輸送材料と、熱輸送材料と接続している冷却部とを備える。複数のバンプ40には、回路基板20と電気的に接続している配線接続用バンプ42と、熱輸送材料と接続している放熱用バンプ41との各々が含まれる。熱輸送材料は、回路基板20から独立している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
底面に複数のバンプを備える半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが搭載されている回路基板と、
前記半導体パッケージに生じる熱を輸送する熱輸送材料と、
前記熱輸送材料と接続している冷却部と
を備える半導体装置であって、
前記複数のバンプには、前記回路基板と電気的に接続している配線接続用バンプと、前記熱輸送材料と接続している放熱用バンプとの各々が含まれ、
前記熱輸送材料は、前記回路基板から独立している半導体装置。
続きを表示（約 890 文字）【請求項２】
前記冷却部は、前記回路基板に設けられた熱輸送用の配線パターンであり、
前記熱輸送材料は、前記放熱用バンプと、冷却部とを繋ぐように設けられている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記熱輸送材料は、複数のグラフェンの結晶面を積層したグラファイトブロックであり、
前記グラファイトブロックを構成する各結晶面は、前記半導体パッケージの底面と直交する請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記回路基板には、前記半導体パッケージが搭載されている搭載面と、前記搭載面に対向する面である非搭載面とを貫通する貫通穴が設けられており、
前記グラファイトブロックは、前記貫通穴を貫通するように配置されている半導体接続部と、前記非搭載面に沿うように設けられた放熱部とを備え、
前記放熱部は、前記冷却部に接続している請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記冷却部は、前記半導体装置の筐体の一部である冷却面であり、
前記冷却面は、前記回路基板に直交する面であり、
前記グラファイトブロックを構成する各結晶面は、前記冷却面に直交する面である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記非搭載面は、前記回路基板の実装面である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体接続部には、前記非搭載面側から前記搭載面側にかけて前記半導体パッケージに近づくほど幅が狭くなるテーパー形状が設けられており、
前記半導体接続部と、前記貫通穴との間にはクリアランスが存在する請求項４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記放熱部は、固定材によって前記非搭載面に固定されている請求項４に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記グラファイトブロックの表面には金属めっきが施されている請求項３に記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載の半導体装置を製造する半導体装置製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置及び半導体装置製造方法に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
近年の移動体通信端末機器などの電子装置における小型化及び低コスト化などの要求に伴い、実装部品の高密度実装と、高集積化などが図られている。特に、底面電極を備えた半導体パッケージを回路基板に実装するフリップチップ構造では、基板のフットプリントを節約することができ、かつ効率良く実装面積を減らすことができるだけでなく、表面実装ラインにおいて一括して半導体パッケージを実装可能であるために組立工数削減の面でも有効である。
また、電子装置の高性能化の要求も著しく高まっている。近年では、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたトランジスタが多く用いられ、さらなる高出力化が進んでいる。このような半導体装置において、放熱性が高くかつ組立性に優れた部品で構成されることが望ましい。
放熱性の向上において、材料自体の熱伝導率の改善と、放熱経路の短縮化（熱抵抗の低減）とが主なアプローチとなる。前者に関して、具体例として、ヒートスプレッダにグラファイト材を用いること、又は筐体にＣｕ／Ｍｏ材を用いることなどの手段が一般的に用いられる。また、後者に関して、温度規定面である筐体までの物理的距離を短くすること、又はＴＩＭ材（サーマルインターフェースマテリアル）を用いて部品同士の接触熱抵抗を下げるアプローチが適用される。特に、両面実装基板を用いた半導体装置において、回路基板を経由して筐体まで放熱する必要があることから、熱伝導率が低いガラスエポキシ材を主な放熱経路とすると、著しく放熱性が低下する。
【０００３】
放熱性に優れた半導体装置の例として、特許文献１では、半導体パッケージの底面中央部に設けるバンプのピッチを狭くして、回路基板にリフロー実装する際に意図的にバンプ間をブリッジさせることにより放熱経路の断面積を大きくする構造が紹介されている。ここで、半導体パッケージにバンプを形成した時点において既にブリッジした状態になっていると、バンプ先端のコプラナリティが悪くなり、半導体パッケージを回路基板に搭載する際に全てのバンプが回路基板に接触することができずに実装不良となる懸念がある。しかしながら、特許文献１が開示する構成において、コプラナリティを悪化させることなく、バンプと回路基板との接続信頼性を担保することができるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００４－２３５６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す半導体装置において、放熱経路として基板を経由する構造であるため、熱抵抗の低減には限界がある。回路基板の熱抵抗を低減する方策としては、図５に示す半導体装置１Ｂのような接続構造が考えられる。半導体装置１Ｂにおいて、基板内に放熱用ＶＩＡ２１を配置して熱伝導を改善する構造が用いられる。しかしながら、回路構成に影響のない範囲で配置することができる放熱用ＶＩＡ２１の数には限りがある。また、回路基板から筐体への放熱に関しても接触部の熱抵抗を極力減らすためにＴＩＭ材９０を用いる構造が一般的である。しかしながら、ＴＩＭ材の熱伝導率はせいぜい数Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるため、ＴＩＭ材自体の熱抵抗の低減にも限界があった。さらに、このような構造において、半導体パッケージを実装する面の直下に温度規定面を設けて、当該温度規定面から積極的に排熱する冷却構造とすることが一般的である。しかしながら、ヒートシンク及び冷却部品などを配置する制約が高密度化及び小型化を阻害する要因となっていた。
【０００６】
本開示は、半導体パッケージから冷却部までの放熱効率を十分に発揮する半導体装置であって、部品配置の制約が少なく、かつ組立性にも優れた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に係る半導体装置は、
底面に複数のバンプを備える半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが搭載されている回路基板と、
前記半導体パッケージに生じる熱を輸送する熱輸送材料と、
前記熱輸送材料と接続している冷却部と
を備える半導体装置であって、
前記複数のバンプには、前記回路基板と電気的に接続している配線接続用バンプと、前記熱輸送材料と接続している放熱用バンプとの各々が含まれ、
前記熱輸送材料は、前記回路基板から独立している。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る半導体装置において、半導体パッケージの底面に存在する放熱用バンプが熱輸送材料と接続している。ここで、熱輸送材料は回路基板から独立している。冷却部は熱輸送材料と接続している。従って、本開示によれば、半導体パッケージから冷却部までの放熱効率を十分に発揮する半導体装置であって、部品配置の制約が少なく、かつ組立性にも優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施の形態１に係る半導体装置１の断面模式図。
実施の形態１に係る半導体装置１の製造フローを示す図であり、（ａ）は回路基板２０を示す断面模式図、（ｂ）は回路基板２０とグラファイトブロック７０とを示す断面模式図、（ｃ）は上面側の部品を実装する様子を示す断面模式図、（ｄ）は下面側の部品を実装する様子を示す断面模式図、（ｅ）は筐体３０に回路基板２０を組付ける様子を示す断面模式図。
実施の形態２に係る半導体装置１Ａの断面模式図。
実施の形態３に係る半導体装置１の断面模式図。
従来技術に係る半導体装置１Ｂの断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態の説明及び図面において、同じ要素及び対応する要素には同じ符号を付している。同じ符号が付された要素の説明は、適宜に省略又は簡略化する。
（【００１１】以降は省略されています）

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