基 板
【目的】 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。
【構成】 半導体素子１が、リード３によりガラスエポキシやセラミック製の基板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、このパッド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により接続されており、さらに、半導体素子１が接続されていないパッド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構成される基板。
【構成】 半導体素子１が、リード３によりガラスエポキシやセラミック製の基板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、このパッド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により接続されており、さらに、半導体素子１が接続されていないパッド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構成される基板。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【０００３】ここでは、半導体素子１０１が、基板１０２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１０１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。
【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。
【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１０１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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板の一実施例を示す部分断面図。
【図２】サーマルビアの部分を拡大して示した部分断面図
【図３】本発明に係る基板の他の実施例を示す部分断面図。
【図４】従来の基板を示す部分断面図。
【符号の説明】
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
【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。
【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。
【０００３】ここでは、半導体素子１０１が、基板１０２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１０１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。
【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。
【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１０１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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板の一実施例を示す部分断面図。
【図２】サーマルビアの部分を拡大して示した部分断面図
【図３】本発明に係る基板の他の実施例を示す部分断面図。
【図４】従来の基板を示す部分断面図。
【符号の説明】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】 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。
【請求項２】 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請求項１記載の基板。
【請求項３】 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請求項１記載の基板。
【請求項４】 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請求項１記載の基板。
【請求項５】 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請求項１記載の基板。
【請求項１】 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。
【請求項２】 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請求項１記載の基板。
【請求項３】 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請求項１記載の基板。
【請求項４】 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請求項１記載の基板。
【請求項５】 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請求項１記載の基板。
【図１】
【図３】
【図２】
【図４】
【図３】
【図２】
【図４】
【公開番号】特開平６−７７３４７
【公開日】平成６年（１９９４）３月１８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−２２９７８５
【出願日】平成４年（１９９２）８月２８日
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成６年（１９９４）３月１８日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）８月２８日
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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