放熱用部品、半導体パッケージ及びその製造方法
【課題】熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本放熱用部品１は、凹部１０ｘ、及び外面と前記凹部１０ｘの底面とを繋ぐ第１の貫通孔１０ｙを有する放熱板１０と、前記凹部１０ｘの底面に林立するように形成された線状の熱伝導性物質と、前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部１０ｘが形成されている凹部１０ｘ形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部１０ｘの底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有する金属層２２と、を備え、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層２２の前記半導体素子接触領域の外側には、前記反対面と前記凹部１０ｘの底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成されている。
【解決手段】本放熱用部品１は、凹部１０ｘ、及び外面と前記凹部１０ｘの底面とを繋ぐ第１の貫通孔１０ｙを有する放熱板１０と、前記凹部１０ｘの底面に林立するように形成された線状の熱伝導性物質と、前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部１０ｘが形成されている凹部１０ｘ形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部１０ｘの底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有する金属層２２と、を備え、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層２２の前記半導体素子接触領域の外側には、前記反対面と前記凹部１０ｘの底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が発する熱を外部に放出する放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等に使用される半導体素子は動作時に高温となるため、半導体素子の温度を強制的に下げなければ、半導体素子の性能を発揮できず、半導体素子が壊れる虞がある。そこで、半導体素子上に、放熱板（ヒートシンク）や、放熱フィン（又はヒートパイプ）を装着することにより、半導体素子が発する熱を外部に有効に放出する経路を確保している。半導体素子と、放熱板等の間には、熱伝導部材（ＴＩＭ；Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）を挟み、それぞれの凹凸面に追従して接触熱抵抗を減らし、スムーズな熱伝導が行なわれるよう試みられている。
【０００３】
熱伝導部材の材料には、熱伝導性の良いインジウムが使用されることが多いが、インジウムは希少金属であるため高価であり、将来的に供給の面で不安がある。又、熱伝導部材を放熱板等に密着させるためのリフロー等の熱処理が必要であるため、製造工程が複雑化するという問題もあった。
【０００４】
そのため、熱伝導部材として、シリコングリース、又は高熱伝導性物質としての金属フィラー、グラファイト等を含有した有機系の樹脂バインダー等が使用される場合もある。又、カーボンナノチューブを熱伝導方向に配列させて、樹脂で成形してシート状にした熱伝導部材も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０５２７３号公報
【特許文献２】特開２００２−１５８３１６号公報
【特許文献３】特開２０１１−０８６７００号公報
【特許文献４】特開２００９−２６０２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した金属フィラーや、グラファイト等の高熱伝導性物質を、樹脂をバインダーとして成形した熱伝導部材は、樹脂の熱伝導性が高くないため放熱性能的に問題があった。すなわち、放熱板と高熱伝導性物質との接触面は、ミクロ的には表面が粗くなっている。そのため、放熱板と高熱伝導性物質との間に空間が生じ、放熱板と高熱伝導性物質との間に物理的な接触がない部分が存在する。その結果、放熱板と高熱伝導性物質との間の接触熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなるため、放熱性が良くないという問題があった。
【０００７】
又、熱伝導方向に配列させたカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ端面と放熱板との接触熱抵抗が大きく、期待される性能が得られないという問題があった。すなわち、カーボンナノチューブは長さのばらつきが大きいため、短いものは放熱板の表面に到達できない。その結果、放熱板と接触するカーボンナノチューブが減少するため、放熱板とカーボンナノチューブとの間の接触熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなるため、放熱性が良くないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本放熱用部品は、凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板と、前記凹部の底面に林立するように形成された線状の熱伝導性物質と、前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有する金属層と、を備え、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側には、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成されていることを要件とする。
【００１０】
本半導体パッケージの製造方法は、凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板の、前記凹部の底面に林立するように線状の熱伝導性物質を形成する熱伝導性物質形成工程と、前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有し、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側に、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成された金属層を形成する金属層形成工程と、を含む工程により放熱用部品を作製する放熱用部品作製工程と、配線基板の一方の面に実装された半導体素子の前記配線基板と対向する面の反対側の面が前記半導体素子接触領域と接触するように、前記配線基板に前記放熱用部品を装着する放熱用部品装着工程と、前記第１の貫通孔を介して、前記凹部内の隣接する線状の熱伝導性物質の形成する空隙部に樹脂を注入し、更に、前記空隙部に注入された前記樹脂の一部を前記第２の貫通孔を介して前記半導体素子側に流出させ、前記空隙部に前記樹脂を充填するとともに前記半導体素子の側面の少なくとも一部に前記樹脂を形成する樹脂形成工程と、を有することを要件とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る放熱用部品を例示する断面図である。
【図２】本実施の形態に係る放熱用部品を例示する底面図である。
【図３】本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する断面図である。
【図４】本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する底面図である。
【図５】図３のＡ部を拡大した断面図である。
【図６】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その１）である。
【図７】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その２）である。
【図８】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その３）である。
【図９】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その４）である。
【図１０】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その５）である。
【図１１】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その６）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１４】
［放熱用部品の構造］
まず、放熱用部品の構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る放熱用部品を例示する断面図である。図２は、本実施の形態に係る放熱用部品を例示する底面図である。図１及び図２を参照するに、放熱用部品１は、大略すると、放熱板１０と、熱伝導部２０（ＴＩＭ）とを有する。
【００１５】
放熱板１０は、例えば、無酸素銅にニッケルめっきを施したものやアルミニウム等の熱伝導率の高い材料からなり、半導体素子が発する熱を外部に伝熱放散させる役割を担うヒートシンク等として機能する。放熱板１０の寸法は、例えば、縦４０ｍｍ（Ｙ方向）×横４０ｍｍ（Ｘ方向）×厚さ（最厚部の厚さ）３０ｍｍ（Ｚ方向）程度とすることができる。
【００１６】
放熱板１０の面１０ａの略中央部には凹部１０ｘが形成されている（以降、面１０ａを凹部形成面１０ａと称する場合がある）。凹部１０ｘの寸法は、例えば、縦３０ｍｍ（Ｙ方向）×横３０ｍｍ（Ｘ方向）×深さ０．１ｍｍ（Ｚ方向）程度とすることができる。
【００１７】
放熱板１０には、放熱板１０の面１０ｃと凹部１０ｘの底面１０ｂとを繋ぐ貫通孔１０ｙが形成されている。貫通孔１０ｙの平面形状は、例えば、円形であり、その直径は、例えば２ｍｍ程度とすることができる。貫通孔１０ｙは、凹部１０ｘ内に樹脂を注入するために設けられている（詳しくは後述）。従って、このような目的が達成できれば、貫通孔１０ｙの位置や形状、個数等は適宜決定することができる。
【００１８】
例えば、貫通孔１０ｙの平面形状は、楕円形や矩形等の任意の形状として構わない。又、必要に応じ、貫通孔１０ｙを複数個設けても構わない。又、貫通孔１０ｙは、放熱板１０の外面と凹部１０ｘの底面１０ｂとを繋ぐように形成されていればよく、必ずしも直線状の孔でなくても構わない。
【００１９】
ここで、放熱板１０の外面とは、放熱用部品１を配線基板等に実装された半導体素子に装着して半導体パッケージを形成した際に、半導体パッケージの外部に露出する放熱板１０の面を指す。図１の例では、放熱板１０の外面は、面１０ｃと、面１０ｃと略垂直な外側面である。例えば、貫通孔１０ｙとして、放熱板１０の外側面から凹部１０ｘの底面１０ｂに達するように、屈曲した孔を形成しても構わない。なお、貫通孔１０ｙは、本発明に係る第１の貫通孔の代表的な一例である。
【００２０】
放熱板１０の凹部形成面１０ａの周縁部には額縁状の突起部１０ｚが形成されている。突起部１０ｚの幅は、例えば、数ｍｍ程度とすることができる。突起部１０ｚの面１０ｄは、放熱用部品１を配線基板等に装着する際に、接着剤等を介して配線基板等と接合される面である。
【００２１】
熱伝導部２０は、カーボンナノチューブ２１と、金属層２２とを有する。カーボンナノチューブ２１は、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに林立するように多数形成されている。凹部１０ｘの底面１０ｂは、略平坦な面であるが、ミクロ的には表面が粗くなっている。図１等では、凹部１０ｘの底面１０ｂの表面がミクロ的に粗くなっている様子を強調して示している。なお、カーボンナノチューブ２１は、本発明に係る線状の熱伝導性物質の代表的な一例である。線状の熱伝導性物質としては、カーボンナノチューブ以外に、フラーレンやグラファイト等を用いてもよい。
【００２２】
金属層２２は、カーボンナノチューブ２１の先端部を覆うとともに、凹部形成面１０ａの少なくとも一部に延在している。凹部形成面１０ａにおいて、金属層２２が形成されている部分の幅Ｗ１は、例えば１ｍｍ程度とすることができるが、凹部形成面１０ａ全面に金属層２２を形成しても構わない。
【００２３】
金属層２２の面２２ａ（凹部１０ｘの底面１０ｂに対向する面の反対面）には、半導体素子と接触する半導体素子接触領域２２ｚが設けられている。但し、半導体素子接触領域２２ｚは、金属層２２の面２２ａに予め形成された線ではなく、半導体素子との接触が予定されている領域である。
【００２４】
平面視において、金属層２２の半導体素子接触領域２２ｚの外側には、面２２ａと凹部１０ｘの底面１０ｂに対向する面（面２２ａの反対面）とを繋ぐ複数のスリット状の貫通孔２２ｘが形成されている。又、複数の貫通孔２２ｘに囲まれた領域には、貫通孔２２ｙが形成されている。ここで、平面視とは、金属層２２の面２２ａの垂直方向（Ｚ方向）から視ることをいう。
【００２５】
なお、貫通孔２２ｘは最低限１カ所形成すればよいが、後述のように、半導体素子の各側面に均等に樹脂を形成するためには、半導体素子接触領域２２ｚの外側を囲むように複数個形成することが好ましい。
【００２６】
貫通孔２２ｘは、例えば、平面視において、半導体素子接触領域２２ｚよりも１ｍｍ程度外側に設けることができる。貫通孔２２ｘの幅は、例えば、１〜２ｍｍ程度とすることができる。貫通孔２２ｘの長さは、半導体素子接触領域２２ｚを構成する各辺と同程度とすることができる。
【００２７】
貫通孔２２ｘは、貫通孔１０ｙから凹部１０ｘに注入された樹脂を半導体素子接触領域２２ｚ側に流出させるために設けられている。従って、このような目的が達成できれば、貫通孔２２ｘの位置や形状、個数等は適宜決定することができる。例えば、スリット状の貫通孔に代えて、多数の円形や楕円形、矩形等の貫通孔を半導体素子接触領域２２ｚの周囲に配置しても構わない。なお、貫通孔２２ｘは、本発明に係る第２の貫通孔の代表的な一例である。
【００２８】
なお、貫通孔１０ｙの一方の端部は、凹部１０ｘの底面１０ｂに開口していればよいが、平面視において、複数の貫通孔２２ｘに囲まれた領域内に開口していることが好ましい。貫通孔１０ｙから注入された樹脂を、凹部１０ｘ内の隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に充填し、更に、半導体素子接触領域２２ｚと接する半導体素子の各側面に均等に流出させるためである。
【００２９】
貫通孔１０ｙに対応する領域にはカーボンナノチューブ２１が形成されないため、カーボンナノチューブ２１の先端を覆う金属層２２も形成されない。そのため、金属層２２には、貫通孔１０ｙに対応する位置に貫通孔２２ｙが形成される。つまり、貫通孔１０ｙと貫通孔２２ｙとは、平面視において、おおよそ重複する位置にある。
【００３０】
［半導体パッケージの構造］
次に、半導体パッケージの構造について説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する断面図である。図４は、本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する底面図である。但し、図４において、図３に示す配線基板３０、外部接続端子３５、及び接着剤６０は、省略されている。
【００３１】
図３及び図４を参照するに、半導体パッケージ２は、大略すると、放熱用部品１と、配線基板３０と、半導体素子４０と、樹脂５０とを有する。配線基板３０の一方の面の中央部近傍には半導体素子４０が実装され、他方の面には外部接続端子３５が形成されている。なお、半導体素子４０の寸法は、例えば、縦１０ｍｍ（Ｙ方向）×横２０ｍｍ（Ｘ方向）×厚さ０．３〜０．８ｍｍ（Ｚ方向）程度とすることができる。
【００３２】
配線基板３０の一方の面の外縁部近傍には、接着剤６０を介して、放熱用部品１が装着されている。より詳しくは、放熱用部品１の突起部１０ｚの面１０ｄが、接着剤６０を介して、配線基板３０の一方の面の外縁部近傍と接合されている。
【００３３】
熱伝導部２０の半導体素子接触領域２２ｚ（図２参照）は、半導体素子４０の面４０ａ（配線基板３０と対向する面の反対側の面）と接触している。又、凹部１０ｘ内の隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部には樹脂５０が充填され、更に、半導体素子４０の各側面（面４０ａと略垂直な面）の少なくとも一部に樹脂５０が形成されている。
【００３４】
半導体素子４０が動作すると、例えば１００〜１１０℃程度の熱を発する。半導体素子４０から発する熱は、半導体素子４０上に配置した放熱用部品１の熱伝導部２０を介して放熱用部品１の放熱板１０に伝熱される。このように、熱伝導部２０は、半導体素子４０と放熱板１０とを直接接触させずに熱的に接続する手段として機能する。
【００３５】
半導体素子４０が発熱すると配線基板１０が反る場合があるが、半導体パッケージ２では、配線基板１０が反っても半導体素子４０と金属層２２との密着性が低下する懸念は少ない。なぜなら、半導体パッケージ２では、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を形成し、半導体素子４０と金属層２２とを固定している。そのため、半導体素子４０が発熱して配線基板１０が反っても、半導体素子４０の面４０ａと金属層２２の面２２ａとの密着性を維持できるからである。
【００３６】
図５は、図３のＡ部を拡大した断面図である。図５を参照しながら、放熱用部品１及び半導体パッケージ２について更に詳しく説明する。カーボンナノチューブ２１は、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに、熱伝導方向（底面１０ｂに略直角な方向）に林立するように形成されている。
【００３７】
カーボンナノチューブ２１は、直径が０．７〜７０ｎｍ程度の略円筒形状（線状）をした炭素の結晶である。カーボンナノチューブ２１は熱伝導性が高く、その熱伝導率は、例えば３０００Ｗ／ｍ・ｋ程度である。すなわち、カーボンナノチューブ２１は線状の熱伝導性物質である。
【００３８】
放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂからカーボンナノチューブ２１の先端部までの高さＬ１は、例えば１００μｍ程度とすることができる。カーボンナノチューブ２１の先端部の位置は、所定のばらつきを有する。最短のカーボンナノチューブ２１と最長のカーボンナノチューブ２１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２は、約１０μｍ程度である。
【００３９】
樹脂５０は、カーボンナノチューブ２１の強度を補強すること、及び半導体素子４０と金属層２２とを固定することを目的として設けられている。樹脂５０としては、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等を用いることができる。なお、ホットメルト樹脂とは、常温では固体状であるが、所定の軟化点を超えるまで加熱すると溶融し、流動状態又は液状となる性質を有する樹脂である。ホットメルト樹脂の軟化点は調整可能であり、市場において種々の軟化点を有するホットメルト樹脂を容易に入手可能である。
【００４０】
但し、樹脂５０は、軟化点が半導体素子４０の発熱温度範囲の最高温度以上のものを選択する必要がある。例えば半導体素子４０の発熱温度範囲が１００〜１１０℃であれば、半導体素子４０の発熱温度範囲の最高温度は１１０℃であるから、樹脂５０として軟化点が１１０℃以上の樹脂を選択する必要がある。半導体素子４０が発熱したときに、樹脂５０が軟化して流動状態又は液状になるとカーボンナノチューブ２１の強度を補強するという目的、及び半導体素子４０と金属層２２とを固定するという目的を達成できないからである。
【００４１】
金属層２２は、多数のカーボンナノチューブ２１を横方向（凹部１０ｘの底面１０ｂと略平行な方向）に連結させ一体化することを目的として設けられている。すなわち、金属層２２は、樹脂５０上及び凹部形成面１０ａの少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブ２１の先端を覆うように形成されており、多数のカーボンナノチューブ２１と凹部形成面１０ａとを横方向に連結させ一体化している。多数のカーボンナノチューブ２１と放熱板１０の凹部形成面１０ａとを横方向に連結させ一体化することにより、横方向への熱伝導性を向上することができる。
【００４２】
金属層２２の面２２ａは、半導体素子４０の面４０ａと接触している。このように、金属層２２と半導体素子４０とが面同士で接触することにより、金属層２２と半導体素子４０との間の熱抵抗を下げることができる。又、金属層２２は、放熱板１０の凹部形成面１０ａの少なくとも一部にも形成されているため、半導体素子４０の発生する熱を直接放熱板１０に伝導することができる。
【００４３】
金属層２２の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましく、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。金属層２２の厚さは、例えば２０μｍ程度とすることができる。カーボンナノチューブ２１の長さのばらつきを吸収するためには、金属層２２の厚さは、最短のカーボンナノチューブ２１と最長のカーボンナノチューブ２１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２よりも厚くすることが好ましい。
【００４４】
［半導体パッケージの製造方法］
次に、図６〜図１１を参照しながら、半導体パッケージの製造方法について説明する。図６〜図１１は、本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図である。
【００４５】
まず、図６及び図７に示すように、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに多数のカーボンナノチューブ２１を形成する。なお、図７は、図６のＡ部を拡大した断面図である。
【００４６】
具体的には、例えば、無酸素銅にＮｉめっきが施された放熱板１０を準備する。放熱板１０には、例えばプレス加工等により、凹部１０ｘ、貫通孔１０ｙ、及び突起部１０ｚが形成されている。放熱板１０の材料は無酸素銅には限定されないが、放熱板１０の材料として無酸素銅を主成分とする材料を用いることにより、カーボンナノチューブ２１を良好に成長させることができる。
【００４７】
次に、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）等によりカーボンナノチューブ２１を、熱伝導方向（底面１０ｂに直角な方向）に林立するように形成する。
【００４８】
より具体的には、始めに、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂにスパッタリング法等によって、金属触媒層（図示せず）を形成する。金属触媒層としては、例えばＦｅ、Ｃｏ及びＮｉ等を用いることができる。金属触媒層の厚さは、例えば数ｎｍ程度とすることができる。
【００４９】
次に、金属触媒層が形成された放熱板１０を所定の圧力及び温度に調整された加熱炉に入れて、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）により金属触媒上にカーボンナノチューブ２１を形成する。加熱炉の圧力及び温度は、例えば１００ｐａ及び６００℃とすることができる。又、プロセスガスとしては、例えばアセチレンガス等を用いることができ、キャリアガスとしては、例えばアルゴンガスや水素ガス等を用いることができる。
【００５０】
カーボンナノチューブ２１は、金属触媒上に、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに直角な方向に形成されるが、底面１０ｂからカーボンナノチューブ２１の先端部までの高さＬ１は、カーボンナノチューブ２１の成長時間によって制御することができる。なお、貫通孔１０ｙに対応する部分には、カーボンナノチューブ２１は形成されない。
【００５１】
次に、図８及び図９に示すように、放熱板１０に、各カーボンナノチューブ２１の先端を覆うとともに、凹部形成面１０ａの少なくとも一部に延在し、複数のスリット状の貫通孔２２ｘを有する金属層２２を形成する。金属層２２の面２２ａの一部は半導体素子４０と接触する半導体素子接触領域２２ｚとなり、面２２ａの垂直方向から視て、半導体素子接触領域２２ｚの外側に、面２２ａと凹部１０ｘの底面１０ｂに対向する面とを繋ぐ貫通孔２２ｘを形成する。なお、図９は、図８のＡ部を拡大した断面図である。
【００５２】
金属層２２は、例えば、貫通孔２２ｘを形成する領域をマスクした後、スパッタリング法やめっき法により形成することができる。金属層２２の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましく、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。金属層２２の厚さは、例えば２０μｍ程度とすることができる。
【００５３】
但し、カーボンナノチューブ２１の長さのばらつきを吸収するためには、金属層２２の厚さは、最短のカーボンナノチューブ２１と最長のカーボンナノチューブ２１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２よりも厚くすることが好ましい。この工程により、多数のカーボンナノチューブ２１と放熱板１０の凹部形成面１０ａとを横方向に連結させ一体化する。
【００５４】
なお、貫通孔１０ｙに対応する領域にはカーボンナノチューブ２１が形成されていないため、カーボンナノチューブ２１の先端を覆う金属層２２も形成されない。そのため、金属層２２には、貫通孔１０ｙに対応する位置に貫通孔２２ｙが形成される。この工程により、放熱用部品１が完成する。
【００５５】
次に、図１０に示すように、一方の面に半導体素子４０が実装され、他方の面に外部接続端子３５が形成された配線基板１０を周知の方法で作製する。そして、放熱用部品１の突起部１０ｚの面１０ｄに接着剤６０を塗布し、金属層２２の面２２ａの半導体素子接触領域２２ｚと配線基板１０上に実装された半導体素子４０の面４０ａとを接触させて押圧する。そして、接着剤６０を硬化させ、配線基板３０に放熱用部品１を装着する。
【００５６】
次に、図１１に示すように、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部、及び半導体素子４０の各側面に、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等をリフローし、樹脂５０を形成する。
【００５７】
具体的には、放熱板１０の貫通孔１０ｙを介して、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に軟化点以上の温度に加熱されて軟化した樹脂５０を注入する。そして、空隙部に注入された軟化した樹脂５０の一部を貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を到達させる。そして、樹脂５０を軟化点以下の温度に冷やして硬化させる。
【００５８】
これにより、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に樹脂５０を充填するとともに半導体素子４０の各側面の少なくとも一部に樹脂５０を形成することができる。以上の工程により、半導体パッケージ２が完成する。
【００５９】
なお、金属層２２の半導体素子接触領域２２ｚの外側を囲むように貫通孔２２ｘを複数個形成することが好ましい。貫通孔１０ｙを介して隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に注入された樹脂５０を、複数個の貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面に均等に樹脂５０を形成するためである。
【００６０】
以上のように、本実施の形態では、放熱板１０の凹部１０ｘに、線状の熱伝導性物質であるカーボンナノチューブ２１を熱伝導方向に林立するように形成する。そして、放熱板１０の凹部形成面１０ａの少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブ２１の先端を覆うように、複数の貫通孔２２ｘを有する金属層２２を形成する。
【００６１】
そして、放熱用部品１の突起部１０ｚの面１０ｄに接着剤６０を塗布し、一方の面に半導体素子４０が実装され、他方の面に外部接続端子３５が形成された配線基板１０に放熱用部品１を装着する。その際、半導体素子４０の面４０ａに金属層２２の面２２ａを接触させて押圧した後、接着剤６０を硬化させる。更に、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部、及び半導体素子４０の各側面に、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等をリフローし、樹脂５０を形成する。
【００６２】
その結果、カーボンナノチューブ２１の一方の側は放熱板１０に直接形成されるため、カーボンナノチューブ２１と放熱板１０とは密着する。又、カーボンナノチューブ２１の他方の側は金属層２２により放熱板１０の凹部形成面１０ａと横方向に一体化され、金属層２２は半導体素子４０と面同士で接するためカーボンナノチューブ２１と金属層２２と半導体素子４０とは密着する。すなわち、放熱板１０と半導体素子４０とは、カーボンナノチューブ２１と金属層２２を含む熱伝導部２０を介して密着するため、放熱板１０と半導体素子４０との接触熱抵抗を低減することが可能となり、熱伝導性を向上することができる。
【００６３】
又、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部を充填する樹脂５０を、金属層２２に形成した貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を形成する。これにより、半導体素子４０と金属層２２とは樹脂５０により固定され、半導体素子４０が発熱して配線基板１０が反っても、半導体素子４０の面４０ａと金属層２２の面２２ａとの密着性が維持される。そのため、配線基板１０の反りにより放熱性が低下することを防止できる。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は、上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能なものである。
【００６５】
例えば、上記実施の形態では、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部を充填する樹脂５０を、金属層２２に形成した貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面の少なくとも一部に樹脂５０を形成した。しかし、配線基板１０の一方の面に実装されている他の電子部品（例えば、コンデンサや抵抗等）を樹脂５０で封止しても問題ない場合には、放熱板１０の凹部形成面１０ａ側と配線基板１０の一方の面とで形成する空間を充填するように樹脂５０を形成してもよい。
【００６６】
又、放熱板１０は、凹部形成面１０ａの周縁部に額縁状の突起部１０ｚが形成されていない部材としてもよい。この場合には、放熱用部品１は、放熱板１０とは別体の額縁状のスペーサや、柱状のスペーサ等を介して、配線基板３０の一方の面に装着すればよい。
【００６７】
又、半導体素子４０が発熱して配線基板１０が反った場合に、半導体素子４０の面４０ａと金属層２２の面２２ａとの密着性を維持するためには、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を形成することが好ましい。しかしながら、半導体素子４０の全側面に樹脂５０を形成せずに、例えば、半導体素子４０の１対の対向する側面のみに樹脂５０を形成した場合等にも一定の効果を奏する。
【符号の説明】
【００６８】
１ 放熱用部品
２ 半導体パッケージ
１０ 放熱板
１０ａ 凹部形成面
１０ｂ 底面
１０ｃ、１０ｄ、２２ａ、４０ａ 面
１０ｘ 凹部
１０ｙ、２２ｘ、２２ｙ 貫通孔
１０ｚ 突起部
２０ 熱伝導部
２１ カーボンナノチューブ
２２ 金属層
２２ｚ 半導体素子接触領域
３０ 配線基板
３５ 外部接続端子
４０ 半導体素子
５０ 樹脂
６０ 接着剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が発する熱を外部に放出する放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等に使用される半導体素子は動作時に高温となるため、半導体素子の温度を強制的に下げなければ、半導体素子の性能を発揮できず、半導体素子が壊れる虞がある。そこで、半導体素子上に、放熱板（ヒートシンク）や、放熱フィン（又はヒートパイプ）を装着することにより、半導体素子が発する熱を外部に有効に放出する経路を確保している。半導体素子と、放熱板等の間には、熱伝導部材（ＴＩＭ；Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）を挟み、それぞれの凹凸面に追従して接触熱抵抗を減らし、スムーズな熱伝導が行なわれるよう試みられている。
【０００３】
熱伝導部材の材料には、熱伝導性の良いインジウムが使用されることが多いが、インジウムは希少金属であるため高価であり、将来的に供給の面で不安がある。又、熱伝導部材を放熱板等に密着させるためのリフロー等の熱処理が必要であるため、製造工程が複雑化するという問題もあった。
【０００４】
そのため、熱伝導部材として、シリコングリース、又は高熱伝導性物質としての金属フィラー、グラファイト等を含有した有機系の樹脂バインダー等が使用される場合もある。又、カーボンナノチューブを熱伝導方向に配列させて、樹脂で成形してシート状にした熱伝導部材も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０５２７３号公報
【特許文献２】特開２００２−１５８３１６号公報
【特許文献３】特開２０１１−０８６７００号公報
【特許文献４】特開２００９−２６０２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した金属フィラーや、グラファイト等の高熱伝導性物質を、樹脂をバインダーとして成形した熱伝導部材は、樹脂の熱伝導性が高くないため放熱性能的に問題があった。すなわち、放熱板と高熱伝導性物質との接触面は、ミクロ的には表面が粗くなっている。そのため、放熱板と高熱伝導性物質との間に空間が生じ、放熱板と高熱伝導性物質との間に物理的な接触がない部分が存在する。その結果、放熱板と高熱伝導性物質との間の接触熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなるため、放熱性が良くないという問題があった。
【０００７】
又、熱伝導方向に配列させたカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ端面と放熱板との接触熱抵抗が大きく、期待される性能が得られないという問題があった。すなわち、カーボンナノチューブは長さのばらつきが大きいため、短いものは放熱板の表面に到達できない。その結果、放熱板と接触するカーボンナノチューブが減少するため、放熱板とカーボンナノチューブとの間の接触熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなるため、放熱性が良くないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本放熱用部品は、凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板と、前記凹部の底面に林立するように形成された線状の熱伝導性物質と、前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有する金属層と、を備え、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側には、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成されていることを要件とする。
【００１０】
本半導体パッケージの製造方法は、凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板の、前記凹部の底面に林立するように線状の熱伝導性物質を形成する熱伝導性物質形成工程と、前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有し、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側に、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成された金属層を形成する金属層形成工程と、を含む工程により放熱用部品を作製する放熱用部品作製工程と、配線基板の一方の面に実装された半導体素子の前記配線基板と対向する面の反対側の面が前記半導体素子接触領域と接触するように、前記配線基板に前記放熱用部品を装着する放熱用部品装着工程と、前記第１の貫通孔を介して、前記凹部内の隣接する線状の熱伝導性物質の形成する空隙部に樹脂を注入し、更に、前記空隙部に注入された前記樹脂の一部を前記第２の貫通孔を介して前記半導体素子側に流出させ、前記空隙部に前記樹脂を充填するとともに前記半導体素子の側面の少なくとも一部に前記樹脂を形成する樹脂形成工程と、を有することを要件とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱伝導性が高く放熱性の良い放熱用部品、並びに、前記放熱用部品を有する半導体パッケージ及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る放熱用部品を例示する断面図である。
【図２】本実施の形態に係る放熱用部品を例示する底面図である。
【図３】本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する断面図である。
【図４】本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する底面図である。
【図５】図３のＡ部を拡大した断面図である。
【図６】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その１）である。
【図７】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その２）である。
【図８】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その３）である。
【図９】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その４）である。
【図１０】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その５）である。
【図１１】本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図（その６）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１４】
［放熱用部品の構造］
まず、放熱用部品の構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る放熱用部品を例示する断面図である。図２は、本実施の形態に係る放熱用部品を例示する底面図である。図１及び図２を参照するに、放熱用部品１は、大略すると、放熱板１０と、熱伝導部２０（ＴＩＭ）とを有する。
【００１５】
放熱板１０は、例えば、無酸素銅にニッケルめっきを施したものやアルミニウム等の熱伝導率の高い材料からなり、半導体素子が発する熱を外部に伝熱放散させる役割を担うヒートシンク等として機能する。放熱板１０の寸法は、例えば、縦４０ｍｍ（Ｙ方向）×横４０ｍｍ（Ｘ方向）×厚さ（最厚部の厚さ）３０ｍｍ（Ｚ方向）程度とすることができる。
【００１６】
放熱板１０の面１０ａの略中央部には凹部１０ｘが形成されている（以降、面１０ａを凹部形成面１０ａと称する場合がある）。凹部１０ｘの寸法は、例えば、縦３０ｍｍ（Ｙ方向）×横３０ｍｍ（Ｘ方向）×深さ０．１ｍｍ（Ｚ方向）程度とすることができる。
【００１７】
放熱板１０には、放熱板１０の面１０ｃと凹部１０ｘの底面１０ｂとを繋ぐ貫通孔１０ｙが形成されている。貫通孔１０ｙの平面形状は、例えば、円形であり、その直径は、例えば２ｍｍ程度とすることができる。貫通孔１０ｙは、凹部１０ｘ内に樹脂を注入するために設けられている（詳しくは後述）。従って、このような目的が達成できれば、貫通孔１０ｙの位置や形状、個数等は適宜決定することができる。
【００１８】
例えば、貫通孔１０ｙの平面形状は、楕円形や矩形等の任意の形状として構わない。又、必要に応じ、貫通孔１０ｙを複数個設けても構わない。又、貫通孔１０ｙは、放熱板１０の外面と凹部１０ｘの底面１０ｂとを繋ぐように形成されていればよく、必ずしも直線状の孔でなくても構わない。
【００１９】
ここで、放熱板１０の外面とは、放熱用部品１を配線基板等に実装された半導体素子に装着して半導体パッケージを形成した際に、半導体パッケージの外部に露出する放熱板１０の面を指す。図１の例では、放熱板１０の外面は、面１０ｃと、面１０ｃと略垂直な外側面である。例えば、貫通孔１０ｙとして、放熱板１０の外側面から凹部１０ｘの底面１０ｂに達するように、屈曲した孔を形成しても構わない。なお、貫通孔１０ｙは、本発明に係る第１の貫通孔の代表的な一例である。
【００２０】
放熱板１０の凹部形成面１０ａの周縁部には額縁状の突起部１０ｚが形成されている。突起部１０ｚの幅は、例えば、数ｍｍ程度とすることができる。突起部１０ｚの面１０ｄは、放熱用部品１を配線基板等に装着する際に、接着剤等を介して配線基板等と接合される面である。
【００２１】
熱伝導部２０は、カーボンナノチューブ２１と、金属層２２とを有する。カーボンナノチューブ２１は、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに林立するように多数形成されている。凹部１０ｘの底面１０ｂは、略平坦な面であるが、ミクロ的には表面が粗くなっている。図１等では、凹部１０ｘの底面１０ｂの表面がミクロ的に粗くなっている様子を強調して示している。なお、カーボンナノチューブ２１は、本発明に係る線状の熱伝導性物質の代表的な一例である。線状の熱伝導性物質としては、カーボンナノチューブ以外に、フラーレンやグラファイト等を用いてもよい。
【００２２】
金属層２２は、カーボンナノチューブ２１の先端部を覆うとともに、凹部形成面１０ａの少なくとも一部に延在している。凹部形成面１０ａにおいて、金属層２２が形成されている部分の幅Ｗ１は、例えば１ｍｍ程度とすることができるが、凹部形成面１０ａ全面に金属層２２を形成しても構わない。
【００２３】
金属層２２の面２２ａ（凹部１０ｘの底面１０ｂに対向する面の反対面）には、半導体素子と接触する半導体素子接触領域２２ｚが設けられている。但し、半導体素子接触領域２２ｚは、金属層２２の面２２ａに予め形成された線ではなく、半導体素子との接触が予定されている領域である。
【００２４】
平面視において、金属層２２の半導体素子接触領域２２ｚの外側には、面２２ａと凹部１０ｘの底面１０ｂに対向する面（面２２ａの反対面）とを繋ぐ複数のスリット状の貫通孔２２ｘが形成されている。又、複数の貫通孔２２ｘに囲まれた領域には、貫通孔２２ｙが形成されている。ここで、平面視とは、金属層２２の面２２ａの垂直方向（Ｚ方向）から視ることをいう。
【００２５】
なお、貫通孔２２ｘは最低限１カ所形成すればよいが、後述のように、半導体素子の各側面に均等に樹脂を形成するためには、半導体素子接触領域２２ｚの外側を囲むように複数個形成することが好ましい。
【００２６】
貫通孔２２ｘは、例えば、平面視において、半導体素子接触領域２２ｚよりも１ｍｍ程度外側に設けることができる。貫通孔２２ｘの幅は、例えば、１〜２ｍｍ程度とすることができる。貫通孔２２ｘの長さは、半導体素子接触領域２２ｚを構成する各辺と同程度とすることができる。
【００２７】
貫通孔２２ｘは、貫通孔１０ｙから凹部１０ｘに注入された樹脂を半導体素子接触領域２２ｚ側に流出させるために設けられている。従って、このような目的が達成できれば、貫通孔２２ｘの位置や形状、個数等は適宜決定することができる。例えば、スリット状の貫通孔に代えて、多数の円形や楕円形、矩形等の貫通孔を半導体素子接触領域２２ｚの周囲に配置しても構わない。なお、貫通孔２２ｘは、本発明に係る第２の貫通孔の代表的な一例である。
【００２８】
なお、貫通孔１０ｙの一方の端部は、凹部１０ｘの底面１０ｂに開口していればよいが、平面視において、複数の貫通孔２２ｘに囲まれた領域内に開口していることが好ましい。貫通孔１０ｙから注入された樹脂を、凹部１０ｘ内の隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に充填し、更に、半導体素子接触領域２２ｚと接する半導体素子の各側面に均等に流出させるためである。
【００２９】
貫通孔１０ｙに対応する領域にはカーボンナノチューブ２１が形成されないため、カーボンナノチューブ２１の先端を覆う金属層２２も形成されない。そのため、金属層２２には、貫通孔１０ｙに対応する位置に貫通孔２２ｙが形成される。つまり、貫通孔１０ｙと貫通孔２２ｙとは、平面視において、おおよそ重複する位置にある。
【００３０】
［半導体パッケージの構造］
次に、半導体パッケージの構造について説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する断面図である。図４は、本実施の形態に係る半導体パッケージを例示する底面図である。但し、図４において、図３に示す配線基板３０、外部接続端子３５、及び接着剤６０は、省略されている。
【００３１】
図３及び図４を参照するに、半導体パッケージ２は、大略すると、放熱用部品１と、配線基板３０と、半導体素子４０と、樹脂５０とを有する。配線基板３０の一方の面の中央部近傍には半導体素子４０が実装され、他方の面には外部接続端子３５が形成されている。なお、半導体素子４０の寸法は、例えば、縦１０ｍｍ（Ｙ方向）×横２０ｍｍ（Ｘ方向）×厚さ０．３〜０．８ｍｍ（Ｚ方向）程度とすることができる。
【００３２】
配線基板３０の一方の面の外縁部近傍には、接着剤６０を介して、放熱用部品１が装着されている。より詳しくは、放熱用部品１の突起部１０ｚの面１０ｄが、接着剤６０を介して、配線基板３０の一方の面の外縁部近傍と接合されている。
【００３３】
熱伝導部２０の半導体素子接触領域２２ｚ（図２参照）は、半導体素子４０の面４０ａ（配線基板３０と対向する面の反対側の面）と接触している。又、凹部１０ｘ内の隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部には樹脂５０が充填され、更に、半導体素子４０の各側面（面４０ａと略垂直な面）の少なくとも一部に樹脂５０が形成されている。
【００３４】
半導体素子４０が動作すると、例えば１００〜１１０℃程度の熱を発する。半導体素子４０から発する熱は、半導体素子４０上に配置した放熱用部品１の熱伝導部２０を介して放熱用部品１の放熱板１０に伝熱される。このように、熱伝導部２０は、半導体素子４０と放熱板１０とを直接接触させずに熱的に接続する手段として機能する。
【００３５】
半導体素子４０が発熱すると配線基板１０が反る場合があるが、半導体パッケージ２では、配線基板１０が反っても半導体素子４０と金属層２２との密着性が低下する懸念は少ない。なぜなら、半導体パッケージ２では、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を形成し、半導体素子４０と金属層２２とを固定している。そのため、半導体素子４０が発熱して配線基板１０が反っても、半導体素子４０の面４０ａと金属層２２の面２２ａとの密着性を維持できるからである。
【００３６】
図５は、図３のＡ部を拡大した断面図である。図５を参照しながら、放熱用部品１及び半導体パッケージ２について更に詳しく説明する。カーボンナノチューブ２１は、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに、熱伝導方向（底面１０ｂに略直角な方向）に林立するように形成されている。
【００３７】
カーボンナノチューブ２１は、直径が０．７〜７０ｎｍ程度の略円筒形状（線状）をした炭素の結晶である。カーボンナノチューブ２１は熱伝導性が高く、その熱伝導率は、例えば３０００Ｗ／ｍ・ｋ程度である。すなわち、カーボンナノチューブ２１は線状の熱伝導性物質である。
【００３８】
放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂからカーボンナノチューブ２１の先端部までの高さＬ１は、例えば１００μｍ程度とすることができる。カーボンナノチューブ２１の先端部の位置は、所定のばらつきを有する。最短のカーボンナノチューブ２１と最長のカーボンナノチューブ２１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２は、約１０μｍ程度である。
【００３９】
樹脂５０は、カーボンナノチューブ２１の強度を補強すること、及び半導体素子４０と金属層２２とを固定することを目的として設けられている。樹脂５０としては、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等を用いることができる。なお、ホットメルト樹脂とは、常温では固体状であるが、所定の軟化点を超えるまで加熱すると溶融し、流動状態又は液状となる性質を有する樹脂である。ホットメルト樹脂の軟化点は調整可能であり、市場において種々の軟化点を有するホットメルト樹脂を容易に入手可能である。
【００４０】
但し、樹脂５０は、軟化点が半導体素子４０の発熱温度範囲の最高温度以上のものを選択する必要がある。例えば半導体素子４０の発熱温度範囲が１００〜１１０℃であれば、半導体素子４０の発熱温度範囲の最高温度は１１０℃であるから、樹脂５０として軟化点が１１０℃以上の樹脂を選択する必要がある。半導体素子４０が発熱したときに、樹脂５０が軟化して流動状態又は液状になるとカーボンナノチューブ２１の強度を補強するという目的、及び半導体素子４０と金属層２２とを固定するという目的を達成できないからである。
【００４１】
金属層２２は、多数のカーボンナノチューブ２１を横方向（凹部１０ｘの底面１０ｂと略平行な方向）に連結させ一体化することを目的として設けられている。すなわち、金属層２２は、樹脂５０上及び凹部形成面１０ａの少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブ２１の先端を覆うように形成されており、多数のカーボンナノチューブ２１と凹部形成面１０ａとを横方向に連結させ一体化している。多数のカーボンナノチューブ２１と放熱板１０の凹部形成面１０ａとを横方向に連結させ一体化することにより、横方向への熱伝導性を向上することができる。
【００４２】
金属層２２の面２２ａは、半導体素子４０の面４０ａと接触している。このように、金属層２２と半導体素子４０とが面同士で接触することにより、金属層２２と半導体素子４０との間の熱抵抗を下げることができる。又、金属層２２は、放熱板１０の凹部形成面１０ａの少なくとも一部にも形成されているため、半導体素子４０の発生する熱を直接放熱板１０に伝導することができる。
【００４３】
金属層２２の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましく、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。金属層２２の厚さは、例えば２０μｍ程度とすることができる。カーボンナノチューブ２１の長さのばらつきを吸収するためには、金属層２２の厚さは、最短のカーボンナノチューブ２１と最長のカーボンナノチューブ２１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２よりも厚くすることが好ましい。
【００４４】
［半導体パッケージの製造方法］
次に、図６〜図１１を参照しながら、半導体パッケージの製造方法について説明する。図６〜図１１は、本実施の形態に係る半導体パッケージの製造工程を例示する図である。
【００４５】
まず、図６及び図７に示すように、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに多数のカーボンナノチューブ２１を形成する。なお、図７は、図６のＡ部を拡大した断面図である。
【００４６】
具体的には、例えば、無酸素銅にＮｉめっきが施された放熱板１０を準備する。放熱板１０には、例えばプレス加工等により、凹部１０ｘ、貫通孔１０ｙ、及び突起部１０ｚが形成されている。放熱板１０の材料は無酸素銅には限定されないが、放熱板１０の材料として無酸素銅を主成分とする材料を用いることにより、カーボンナノチューブ２１を良好に成長させることができる。
【００４７】
次に、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）等によりカーボンナノチューブ２１を、熱伝導方向（底面１０ｂに直角な方向）に林立するように形成する。
【００４８】
より具体的には、始めに、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂにスパッタリング法等によって、金属触媒層（図示せず）を形成する。金属触媒層としては、例えばＦｅ、Ｃｏ及びＮｉ等を用いることができる。金属触媒層の厚さは、例えば数ｎｍ程度とすることができる。
【００４９】
次に、金属触媒層が形成された放熱板１０を所定の圧力及び温度に調整された加熱炉に入れて、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）により金属触媒上にカーボンナノチューブ２１を形成する。加熱炉の圧力及び温度は、例えば１００ｐａ及び６００℃とすることができる。又、プロセスガスとしては、例えばアセチレンガス等を用いることができ、キャリアガスとしては、例えばアルゴンガスや水素ガス等を用いることができる。
【００５０】
カーボンナノチューブ２１は、金属触媒上に、放熱板１０の凹部１０ｘの底面１０ｂに直角な方向に形成されるが、底面１０ｂからカーボンナノチューブ２１の先端部までの高さＬ１は、カーボンナノチューブ２１の成長時間によって制御することができる。なお、貫通孔１０ｙに対応する部分には、カーボンナノチューブ２１は形成されない。
【００５１】
次に、図８及び図９に示すように、放熱板１０に、各カーボンナノチューブ２１の先端を覆うとともに、凹部形成面１０ａの少なくとも一部に延在し、複数のスリット状の貫通孔２２ｘを有する金属層２２を形成する。金属層２２の面２２ａの一部は半導体素子４０と接触する半導体素子接触領域２２ｚとなり、面２２ａの垂直方向から視て、半導体素子接触領域２２ｚの外側に、面２２ａと凹部１０ｘの底面１０ｂに対向する面とを繋ぐ貫通孔２２ｘを形成する。なお、図９は、図８のＡ部を拡大した断面図である。
【００５２】
金属層２２は、例えば、貫通孔２２ｘを形成する領域をマスクした後、スパッタリング法やめっき法により形成することができる。金属層２２の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましく、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等を用いることができる。金属層２２の厚さは、例えば２０μｍ程度とすることができる。
【００５３】
但し、カーボンナノチューブ２１の長さのばらつきを吸収するためには、金属層２２の厚さは、最短のカーボンナノチューブ２１と最長のカーボンナノチューブ２１のそれぞれの先端部の位置の相対的な差異Ｌ２よりも厚くすることが好ましい。この工程により、多数のカーボンナノチューブ２１と放熱板１０の凹部形成面１０ａとを横方向に連結させ一体化する。
【００５４】
なお、貫通孔１０ｙに対応する領域にはカーボンナノチューブ２１が形成されていないため、カーボンナノチューブ２１の先端を覆う金属層２２も形成されない。そのため、金属層２２には、貫通孔１０ｙに対応する位置に貫通孔２２ｙが形成される。この工程により、放熱用部品１が完成する。
【００５５】
次に、図１０に示すように、一方の面に半導体素子４０が実装され、他方の面に外部接続端子３５が形成された配線基板１０を周知の方法で作製する。そして、放熱用部品１の突起部１０ｚの面１０ｄに接着剤６０を塗布し、金属層２２の面２２ａの半導体素子接触領域２２ｚと配線基板１０上に実装された半導体素子４０の面４０ａとを接触させて押圧する。そして、接着剤６０を硬化させ、配線基板３０に放熱用部品１を装着する。
【００５６】
次に、図１１に示すように、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部、及び半導体素子４０の各側面に、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等をリフローし、樹脂５０を形成する。
【００５７】
具体的には、放熱板１０の貫通孔１０ｙを介して、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に軟化点以上の温度に加熱されて軟化した樹脂５０を注入する。そして、空隙部に注入された軟化した樹脂５０の一部を貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を到達させる。そして、樹脂５０を軟化点以下の温度に冷やして硬化させる。
【００５８】
これにより、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に樹脂５０を充填するとともに半導体素子４０の各側面の少なくとも一部に樹脂５０を形成することができる。以上の工程により、半導体パッケージ２が完成する。
【００５９】
なお、金属層２２の半導体素子接触領域２２ｚの外側を囲むように貫通孔２２ｘを複数個形成することが好ましい。貫通孔１０ｙを介して隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部に注入された樹脂５０を、複数個の貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面に均等に樹脂５０を形成するためである。
【００６０】
以上のように、本実施の形態では、放熱板１０の凹部１０ｘに、線状の熱伝導性物質であるカーボンナノチューブ２１を熱伝導方向に林立するように形成する。そして、放熱板１０の凹部形成面１０ａの少なくとも一部に多数のカーボンナノチューブ２１の先端を覆うように、複数の貫通孔２２ｘを有する金属層２２を形成する。
【００６１】
そして、放熱用部品１の突起部１０ｚの面１０ｄに接着剤６０を塗布し、一方の面に半導体素子４０が実装され、他方の面に外部接続端子３５が形成された配線基板１０に放熱用部品１を装着する。その際、半導体素子４０の面４０ａに金属層２２の面２２ａを接触させて押圧した後、接着剤６０を硬化させる。更に、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部、及び半導体素子４０の各側面に、例えばホットメルト樹脂や熱硬化性樹脂等をリフローし、樹脂５０を形成する。
【００６２】
その結果、カーボンナノチューブ２１の一方の側は放熱板１０に直接形成されるため、カーボンナノチューブ２１と放熱板１０とは密着する。又、カーボンナノチューブ２１の他方の側は金属層２２により放熱板１０の凹部形成面１０ａと横方向に一体化され、金属層２２は半導体素子４０と面同士で接するためカーボンナノチューブ２１と金属層２２と半導体素子４０とは密着する。すなわち、放熱板１０と半導体素子４０とは、カーボンナノチューブ２１と金属層２２を含む熱伝導部２０を介して密着するため、放熱板１０と半導体素子４０との接触熱抵抗を低減することが可能となり、熱伝導性を向上することができる。
【００６３】
又、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部を充填する樹脂５０を、金属層２２に形成した貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を形成する。これにより、半導体素子４０と金属層２２とは樹脂５０により固定され、半導体素子４０が発熱して配線基板１０が反っても、半導体素子４０の面４０ａと金属層２２の面２２ａとの密着性が維持される。そのため、配線基板１０の反りにより放熱性が低下することを防止できる。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は、上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能なものである。
【００６５】
例えば、上記実施の形態では、隣接するカーボンナノチューブ２１の形成する空隙部を充填する樹脂５０を、金属層２２に形成した貫通孔２２ｘを介して半導体素子４０側に流出させ、半導体素子４０の各側面の少なくとも一部に樹脂５０を形成した。しかし、配線基板１０の一方の面に実装されている他の電子部品（例えば、コンデンサや抵抗等）を樹脂５０で封止しても問題ない場合には、放熱板１０の凹部形成面１０ａ側と配線基板１０の一方の面とで形成する空間を充填するように樹脂５０を形成してもよい。
【００６６】
又、放熱板１０は、凹部形成面１０ａの周縁部に額縁状の突起部１０ｚが形成されていない部材としてもよい。この場合には、放熱用部品１は、放熱板１０とは別体の額縁状のスペーサや、柱状のスペーサ等を介して、配線基板３０の一方の面に装着すればよい。
【００６７】
又、半導体素子４０が発熱して配線基板１０が反った場合に、半導体素子４０の面４０ａと金属層２２の面２２ａとの密着性を維持するためには、半導体素子４０の各側面に樹脂５０を形成することが好ましい。しかしながら、半導体素子４０の全側面に樹脂５０を形成せずに、例えば、半導体素子４０の１対の対向する側面のみに樹脂５０を形成した場合等にも一定の効果を奏する。
【符号の説明】
【００６８】
１ 放熱用部品
２ 半導体パッケージ
１０ 放熱板
１０ａ 凹部形成面
１０ｂ 底面
１０ｃ、１０ｄ、２２ａ、４０ａ 面
１０ｘ 凹部
１０ｙ、２２ｘ、２２ｙ 貫通孔
１０ｚ 突起部
２０ 熱伝導部
２１ カーボンナノチューブ
２２ 金属層
２２ｚ 半導体素子接触領域
３０ 配線基板
３５ 外部接続端子
４０ 半導体素子
５０ 樹脂
６０ 接着剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板と、
前記凹部の底面に林立するように形成された線状の熱伝導性物質と、
前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有する金属層と、を備え、
前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側には、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成されている放熱用部品。
【請求項２】
前記第２の貫通孔は、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側を囲むように複数個形成されており、
前記反対面の垂直方向から視て、前記第１の貫通孔の前記凹部の底面側の端部は、前記複数の第２の貫通孔に囲まれた領域内に開口している請求項１記載の放熱用部品。
【請求項３】
前記第１の貫通孔は、前記凹部内に樹脂を注入可能な孔であり、
前記第２の貫通孔は、前記凹部内に注入された樹脂を前記半導体素子側に流出可能な孔である請求項１又は２記載の放熱用部品。
【請求項４】
一方の面に半導体素子を実装した配線基板と、
前記配線基板に搭載された請求項１乃至３の何れか一項記載の放熱用部品と、を有し、
前記半導体素子接触領域は、前記半導体素子の前記配線基板と対向する面の反対側の面と接触しており、
前記凹部内の隣接する線状の熱伝導性物質の形成する空隙部には樹脂が充填され、更に、前記半導体素子の側面の少なくとも一部に前記樹脂が形成されている半導体パッケージ。
【請求項５】
凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板の、前記凹部の底面に林立するように線状の熱伝導性物質を形成する熱伝導性物質形成工程と、
前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有し、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側に、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成された金属層を形成する金属層形成工程と、を含む工程により放熱用部品を作製する放熱用部品作製工程と、
配線基板の一方の面に実装された半導体素子の前記配線基板と対向する面の反対側の面が前記半導体素子接触領域と接触するように、前記配線基板に前記放熱用部品を装着する放熱用部品装着工程と、
前記第１の貫通孔を介して、前記凹部内の隣接する線状の熱伝導性物質の形成する空隙部に樹脂を注入し、更に、前記空隙部に注入された前記樹脂の一部を前記第２の貫通孔を介して前記半導体素子側に流出させ、前記空隙部に前記樹脂を充填するとともに前記半導体素子の側面の少なくとも一部に前記樹脂を形成する樹脂形成工程と、を有する半導体パッケージの製造方法。
【請求項６】
前記金属層形成工程では、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側を囲むように前記第２の貫通孔を複数個形成し、
前記樹脂形成工程では、第１の貫通孔を介して前記空隙部に注入された前記樹脂を、複数個の前記第２の貫通孔を介して前記半導体素子側に流出させる請求項５記載の半導体パッケージの製造方法。
【請求項１】
凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板と、
前記凹部の底面に林立するように形成された線状の熱伝導性物質と、
前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有する金属層と、を備え、
前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側には、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成されている放熱用部品。
【請求項２】
前記第２の貫通孔は、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側を囲むように複数個形成されており、
前記反対面の垂直方向から視て、前記第１の貫通孔の前記凹部の底面側の端部は、前記複数の第２の貫通孔に囲まれた領域内に開口している請求項１記載の放熱用部品。
【請求項３】
前記第１の貫通孔は、前記凹部内に樹脂を注入可能な孔であり、
前記第２の貫通孔は、前記凹部内に注入された樹脂を前記半導体素子側に流出可能な孔である請求項１又は２記載の放熱用部品。
【請求項４】
一方の面に半導体素子を実装した配線基板と、
前記配線基板に搭載された請求項１乃至３の何れか一項記載の放熱用部品と、を有し、
前記半導体素子接触領域は、前記半導体素子の前記配線基板と対向する面の反対側の面と接触しており、
前記凹部内の隣接する線状の熱伝導性物質の形成する空隙部には樹脂が充填され、更に、前記半導体素子の側面の少なくとも一部に前記樹脂が形成されている半導体パッケージ。
【請求項５】
凹部、及び外面と前記凹部の底面とを繋ぐ第１の貫通孔を有する放熱板の、前記凹部の底面に林立するように線状の熱伝導性物質を形成する熱伝導性物質形成工程と、
前記線状の熱伝導性物質の先端部を覆うとともに、前記凹部が形成されている凹部形成面の少なくとも一部に延在し、前記凹部の底面に対向する面の反対面に前記半導体素子と接触する半導体素子接触領域を有し、前記反対面の垂直方向から視て、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側に、前記反対面と前記凹部の底面に対向する面とを繋ぐ第２の貫通孔が形成された金属層を形成する金属層形成工程と、を含む工程により放熱用部品を作製する放熱用部品作製工程と、
配線基板の一方の面に実装された半導体素子の前記配線基板と対向する面の反対側の面が前記半導体素子接触領域と接触するように、前記配線基板に前記放熱用部品を装着する放熱用部品装着工程と、
前記第１の貫通孔を介して、前記凹部内の隣接する線状の熱伝導性物質の形成する空隙部に樹脂を注入し、更に、前記空隙部に注入された前記樹脂の一部を前記第２の貫通孔を介して前記半導体素子側に流出させ、前記空隙部に前記樹脂を充填するとともに前記半導体素子の側面の少なくとも一部に前記樹脂を形成する樹脂形成工程と、を有する半導体パッケージの製造方法。
【請求項６】
前記金属層形成工程では、前記金属層の前記半導体素子接触領域の外側を囲むように前記第２の貫通孔を複数個形成し、
前記樹脂形成工程では、第１の貫通孔を介して前記空隙部に注入された前記樹脂を、複数個の前記第２の貫通孔を介して前記半導体素子側に流出させる請求項５記載の半導体パッケージの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１０５７９２（Ｐ２０１３−１０５７９２Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６９１０（Ｐ２０１１−２４６９１０）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００１９０６８８）新光電気工業株式会社 (1,516)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００１９０６８８）新光電気工業株式会社 (1,516)
【Ｆターム（参考）】
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