JP2012199332A - 放熱部品及びそれを有する半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱性及び放熱性に優れた放熱部品、及びそれを有する半導体パッケージを提供する。
【解決手段】本放熱部品は、銅を主成分とする基材と、前記基材の表面の少なくとも一部を覆う電気アルミニウムめっき層と、前記電気アルミニウムめっき層の表面の一部が陽極酸化されたアルマイト層と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子等の上に配置され、半導体素子等の発する熱を拡散する放熱部品、及びそれを有する半導体パッケージに関する。

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、その熱を速やかに外部に放熱することは、半導体素子の性能を発揮する上で極めて重要である。

そこで、従来より、半導体素子上にヒートスプレッダやヒートパイプ等の放熱部品を装着して、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することが行われている。又、ヒートスプレッダやヒートパイプ等の放熱部品の放熱性を向上する検討が行われており、特に、ヒートスプレッダやヒートパイプ等の表面処理については様々な技術が開示されている。

例えば、アルミニウム合金製ダイキャストのヒートシンクをベースとして、放熱方向に溝を形成し、表面全体を塗装又はめっき処理により黒色化したヒートシンクが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

又、銅や銅を主成分とする合金の板の表面に、絶縁層であるフッ素樹脂を形成することで、絶縁性、耐熱、耐熱疲労性、耐溶剤性等の機能を確保し、更にフッ素樹脂膜の色を黒色系にしたヒートスプレッダが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

又、高熱伝導率を有する金属板にアルミニウムを張り合わせた材料（クラッド材）の表面をアルマイト処理して黒色化した放熱板が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−２９１８０６号公報 特開平１０−７４８７２号公報 特開平０６−３０２７３０号公報

このように、従来技術では、放熱部品の表面を黒色化することによる放熱性の向上を示唆している。しかし、放熱部品の表面を黒色化するだけでは不十分である。例えば、特許文献１ではアルミニウム合金製のヒートシンクの表面を黒色化しているが、アルミニウム合金は銅よりも熱伝導率が低いため、その表面を黒色化するのみでは十分な伝熱性が得られない。

又、特許文献２では銅や銅を主成分とする合金の板の表面をフッ素樹脂でコーティングしているが、フッ素樹脂は放射率が０．８以上と高い反面、熱伝導率が０．１〜０．２５Ｗ／ｍＫと乏しいため、効率的な熱放射を行うことができず十分な放熱性が得られない。

又、特許文献３では銅にアルミニウムを張り合わせたクラッド材を用いているが、クラッド材は高価であると共に、銅とアルミニウムとの間に存在する境界が、銅からアルミニウムへの効率の良い伝熱を妨げるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、伝熱性及び放熱性に優れた放熱部品、及びそれを有する半導体パッケージを提供することを課題とする。

本放熱部品は、銅を主成分とする基材と、前記基材の表面の少なくとも一部を覆う電気アルミニウムめっき層と、前記電気アルミニウムめっき層の表面の一部が陽極酸化されたアルマイト層と、を有することを要件とする。

本半導体パッケージは、基板上に実装された半導体素子と、前記半導体素子上に配置された本発明に係る放熱部品と、を有することを要件とする。

本発明によれば、伝熱性及び放熱性に優れた放熱部品、及びそれを有する半導体パッケージを提供できる。

第１の実施の形態に係る放熱部品を装着した半導体パッケージを例示する断面図である。 第１の実施の形態の変形例１に係る放熱部品を装着した半導体パッケージを例示する断面図である。 電気アルミニウムめっき層表面のＳＥＭ写真の例である。 電気アルミニウムめっき層及びアルマイト層断面のＳＥＭ写真の例である。 放熱性評価結果を例示する図である。

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。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る放熱部品を装着した半導体パッケージを例示する断面図である。図１を参照するに、半導体パッケージ１０において、基板２０上には半導体素子３０が実装され、半導体素子３０上には第１の実施の形態に係る放熱部品４０が装着されている。

基板２０は、例えば、ＦＲ−４基板（難燃性のガラス布基材にエポキシ樹脂を含浸させた銅張り積層板）である。基板２０の半導体素子３０側の面には、電極パッド（図示せず）が形成されている。なお、基板２０は、ビルドアップ工法により製造されたコアレスやコア有りの多層配線基板、スルービアで各配線層を接続する貫通多層配線基板、ＩＶＨ（Interstitial Via Hole）で特定の配線層を接続するＩＶＨ多層配線基板等を含む様々な配線基板であってもよい。

半導体素子３０は、例えばシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等からなる半導体基板に半導体集積回路（図示せず）が形成されたものである。半導体素子３０の基板２０側の面には、電極パッド（図示せず）が形成されている。基板２０の電極パッドと半導体素子３０の電極パッドとは、例えば、はんだバンプ（図示せず）等を介して電気的に接続されている。半導体素子３０は、例えば、ＣＰＵ等に使用され、動作時に高温となる。

なお、半導体素子３０と放熱部品４０とが接する部分にインジウム等の熱伝導部材を配置しても構わない。この場合、基板２０に搭載された半導体素子３０から発する熱は、半導体素子３０上に配置された熱伝導部材を介して放熱部品４０に伝熱される。このように、半導体素子３０と放熱部品４０とを直接接触させずに熱的に接続する手段として熱伝導部材を使用してもよい。

放熱部品４０は、基材４１と、電気アルミニウムめっき層４２と、アルマイト層４３とを有し、例えば、接着剤（図示せず）等により基板２０上に固着されている。放熱部品４０は、半導体素子３０と接しており、所謂ヒートスプレッダとして機能する。放熱部品４０の平面形状は、例えば矩形状であり、例えば、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ〜縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ程度とすることができる。放熱部品４０の厚さは、例えば、１〜３ｍｍ程度とすることができる。

基材４１は、アルミニウム（Ａｌ）よりも熱伝導率の高い材料から形成されている。基材４１の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）や銅合金等の銅（Ｃｕ）を主成分とする材料を挙げることができる。なお、銅（Ｃｕ）の熱伝導率は３９０Ｗ／ｍＫ程度であり、アルミニウム（Ａｌ）の熱伝導率は２４７Ｗ／ｍＫ程度である。

電気アルミニウムめっき層４２は、基材４１の表面全体を覆うように形成されている。電気アルミニウムめっき層４２は、電気アルミニウムめっき法により形成された層である。電気アルミニウムめっき層４２の厚さは、例えば、２０μｍ程度とすることができる。電気アルミニウムめっき層４２の厚さは、電気量により制御することができる。

電気アルミニウムめっき法は、水溶液を用いて行うことはできず、有機溶媒系めっき浴や高温溶融塩浴等を用いて行うことができる。有機溶媒系のめっき浴としては、ＡｌＣｌ_３と、ＬｉＡｌＨ_４又はＬｉＨとをエーテルに溶解したものや、テトラヒドロフランに溶解したもの、ＮａＦ・２Ａｌ（Ｃ_２Ｈ_５）_３のトルエン溶液等を用いることができる。又、高温溶融塩浴としては、アルミニウムハロゲン化物とアルキルピリジニウムハロゲン化物との混合溶融塩浴等を用いることができる。

又、例えば、特開２００８−１９５９９０号公報に開示されているように、アルミニウムハロゲン化物、Ｎ−アルキルピリジニウムハライド類、Ｎ−アルキルイミダゾリウムハライド類、Ｎ，Ｎ’−アルキルイミダゾリウムハライド類、Ｎ−アルキルピラゾリウムハライド類及びＮ，Ｎ’−アルキルピラゾリウムハライド類からなる群より選ばれる１種又は２種以上の化合物、ＮａＣｌ及びＫＣｌを混合溶融してなる電気アルミニウムめっき浴等を用いてもよい。なお、電気アルミニウムめっき法は、溶融めっき法等に比べて、めっき厚の制御性に優れている。

アルマイト層４３は、電気アルミニウムめっき層４２の表面全体を覆うように形成されている。アルマイト層４３は、陽極酸化法により形成された多孔質金属酸化層（微小径の孔が規則正しく形成された酸化アルミニウムの層）である。アルマイト層４３の微小径の孔（ポーラス）には黒色系の色素が浸透されており、アルマイト層４３の色調は黒色系とされている。アルマイト層４３の厚さは、例えば、１０μｍ程度とすることができる。アルマイト層４３の厚さは、電気量により制御することができる。なお、黒色系のアルマイトの放射率は０．９〜０．９５程度であり、銅の放射率（０．０３〜０．０６）やアルミニウムの放射率（０．０５〜０．２５)と比較すると大幅に高い値である。

陽極酸化法によりアルマイト層４３を形成するには、例えば、電気アルミニウムめっき層４２の表面を洗浄後、電解液（好適には硫酸水溶液）中に浸漬し、浸漬した電気アルミニウムめっき層４２を陽極とし、これに対向配置される白金（Ｐｄ）電極を陰極として通電（パルス電圧を印加）すればよい。これにより、電気アルミニウムめっき層４２の表面の一部が酸化され、アルマイト層４３を形成することができる。

このように、第１の実施の形態によれば、基材４１をアルミニウム（Ａｌ）よりも熱伝導率の高い金属材料（例えば、銅（Ｃｕ）や銅合金等の銅（Ｃｕ）を主成分とする材料）から形成することにより、優れた伝熱性を実現できる。又、基材４１の表面の少なくとも一部を電気アルミニウムめっき層４２で被覆し、電気アルミニウムめっき層４２の表面に銅やアルミニウムと比較して放射率が大幅に高い黒色系のアルマイト層４３を形成することにより、優れた放熱性を実現できる。

〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは異なる放熱部品の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図２は、第１の実施の形態の変形例１に係る放熱部品を装着した半導体パッケージを例示する断面図である。図２を参照するに、半導体パッケージ１０Ａは、放熱部品４０が放熱部品４０Ａに置換されている点が、半導体パッケージ１０（図１参照）と相違する。

放熱部品４０Ａは、基材４１と、電気アルミニウムめっき層４２Ａと、アルマイト層４３Ａとを有し、例えば、接着剤（図示せず）等により基板２０上に固着されている。放熱部品４０Ａは、半導体素子３０と接しており、所謂ヒートスプレッダとして機能する。放熱部品４０Ａの平面形状は、例えば矩形状であり、例えば、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ〜縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ程度とすることができる。放熱部品４０Ａの厚さは、例えば、１〜３ｍｍ程度とすることができる。

電気アルミニウムめっき層４２Ａ及びアルマイト層４３Ａは、基材４１の表面全体を覆うようには形成されず、基材４１の上面及び外側面のみを覆うように形成されている。その結果、半導体素子３０は、電気アルミニウムめっき層４２Ａ及びアルマイト層４３Ａを介することなく基材４１と接している。

このように、電気アルミニウムめっき層及びアルマイト層は、必ずしも基材４１の表面全体を完全に覆うように形成しなくてもよく、例えば、基材４１の半導体素子３０と接する部分等には形成しなくても構わない。このようにすると、半導体素子３０の発する熱が電気アルミニウムめっき層４２Ａ及びアルマイト層４３Ａを介することなく直接基材４１に伝わるため、伝熱性をより一層向上することができる。

なお、半導体素子３０と基材４１とが接する部分にインジウム等の熱伝導部材を配置しても構わない。この場合、基板２０に搭載された半導体素子３０から発する熱は、半導体素子３０上に配置された熱伝導部材を介して基材４１に伝熱される。このように、半導体素子３０と基材４１とを直接接触させずに熱的に接続する手段として熱伝導部材を使用してもよい。

このように、第１の実施の形態の変形例１によれば、半導体素子３０の発する熱を電気アルミニウムめっき層４２Ａ及びアルマイト層４３Ａを介することなく基材４１に伝えることにより、放熱部品４０Ａの伝熱性をより一層向上することができる。

〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、電気アルミニウムめっき層４２に平坦化処理を施す例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

第１の実施の形態では、基材４１の表面に電気アルミニウムめっき法により電気アルミニウムめっき層４２を形成した後、電気アルミニウムめっき層４２の表面に陽極酸化法によりアルマイト層４３を形成した。しかし、発明者らの検討によれば、アルマイト層４３を形成する前に、電気アルミニウムめっき層４２の表面に研磨やブラスト処理等により平坦化処理を施すと、更に放熱性を向上できることが確認された。

図３は、電気アルミニウムめっき層表面のＳＥＭ写真の例である。図３（ａ）は平坦化処理前（倍率：１０００倍）、図３（ｂ）は平坦化処理後（倍率：１０００倍）の電気アルミニウムめっき層４２の表面を示している。図４は、電気アルミニウムめっき層及びアルマイト層断面のＳＥＭ写真の例である。図４（ａ）は平坦化処理されていない電気アルミニウムめっき層４２上にアルマイト層４３を形成した場合の断面（倍率：１５００倍）、図４（ｂ）は平坦化処理された電気アルミニウムめっき層４２上にアルマイト層４３を形成した場合の断面（倍率：５００倍）、図４（ｃ）は平坦化処理された電気アルミニウムめっき層４２上にアルマイト層４３を形成した場合の断面（倍率：１５００倍）を示している。なお、図４（ｂ）と図４（ｃ）は倍率が異なるのみである。

図３及び図４に示すように、平坦化処理された電気アルミニウムめっき層４２上にアルマイト層４３を形成することにより、アルマイト層４３が均一に成長し、表面が平坦で均一な厚さのアルマイト層４３を形成することができる。このように形成されたアルマイト層４３では、微小径の孔（ポーラス）がより規則正しく形成されるため、微小径の孔（ポーラス）に黒色系の色素を浸透した際の色調が、平坦化処理されていない電気アルミニウムめっき層４２上にアルマイト層４３を形成した場合よりも黒くなる。その結果、放射率が更に改善されるため、放熱性が向上すると考えられる。具体的な効果（放熱性の向上）に関しては後述する（図５及び表１参照）。

なお、図４（ａ）に示す平坦化処理を施していない電気アルミニウムめっき層４２の算術平均粗さＲａは１〜２μｍ程度であり、平坦化処理を施していない電気アルミニウムめっき層４２の表面に形成されたアルマイト層４３の算術平均粗さＲａは１〜２μｍ程度であった。又、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す平坦化処理を施した電気アルミニウムめっき層４２の算術平均粗さＲａは０．５μｍ程度であり、平坦化処理を施した電気アルミニウムめっき層４２の表面に形成されたアルマイト層４３の算術平均粗さＲａは０．５μｍ程度であった。発明者らの検討によれば、アルマイト層４３の最適な算術平均粗さは１μｍ以下であると考えられる。ここで、算術平均粗さＲａの測定は、ＪＩＳ Ｂ０６３３：２００１に基づき、表面粗さ測定装置（ＳＵＲＦＣＯＭ Ｅ−ＭＤ−Ｓ７５Ａ、東京精密社製）を用いて行った（以降で示す算術平均粗さＲａの測定も同様）。

このように、第１の実施の形態の変形例２によれば、電気アルミニウムめっき層４２の表面に研磨やブラスト処理等を用いて平坦化処理を施し、その後、平坦化処理を施した電気アルミニウムめっき層４２の表面に陽極酸化法によりアルマイト層４３を形成することにより、表面が平坦で均一な厚さのアルマイト層４３を形成することができる。その結果、微小径の孔（ポーラス）に黒色系の色素を浸透した際の色調が、第１の実施の形態のように平坦化処理されていない電気アルミニウムめっき層４２上にアルマイト層４３を形成した場合よりも黒くなるため、更に、放熱性を向上することができる。

［放熱性評価］
第１の実施の形態に係る製造方法で作製した放熱部品（放熱部品１０Ａとする）、及び第１の実施の形態の変形例２に係る製造方法で作製した放熱部品（放熱部品１０Ｂとする）と、比較例に係る放熱部品Ｘ、Ｙ、及びＺについての放熱性評価を行った。

始めに、第１の実施の形態に係る製造方法で放熱部品１０Ａを作製した。具体的には、まず、銅（Ｃｕ）からなる基材４１を準備し、基材４１上に電気アルミニウムめっき法により厚さ略２０μｍの電気アルミニウムめっき層４２を形成した。次に、電気アルミニウムめっき層４２の表面全体を覆うように、陽極酸化法により厚さ略７μｍのアルマイト層４３を形成し、更に黒色系の色素を浸透してアルマイト層４３を黒色化した。アルマイト層４３の算術平均粗さＲａは１．９６μｍであった。

次に、第１の実施の形態の変形例２に係る製造方法で放熱部品１０Ｂを作製した。具体的には、まず、銅（Ｃｕ）からなる基材４１を準備し、基材４１上に電気アルミニウムめっき法により厚さ略２０μｍの電気アルミニウムめっき層４２を形成した。次に、電気アルミニウムめっき層４２の表面に平坦化処理を施した後、電気アルミニウムめっき層４２の表面全体を覆うように、陽極酸化法により厚さ略７μｍのアルマイト層４３を形成し、更に黒色系の色素を浸透してアルマイト層４３を黒色化した。アルマイト層４３の算術平均粗さＲａは０．４８μｍであった。

次に、比較例として、銅（Ｃｕ）からなる基材４１のみのサンプル（放熱部品Ｘとする）と、銅（Ｃｕ）からなる基材４１上に厚さ略２０μｍの電気アルミニウムめっき層４２のみを形成したサンプル（放熱部品Ｙとする）と、銅（Ｃｕ）からなる基材４１上に厚さ略２０μｍの黒色系めっき層（ＮｉとＳｎとの合金を用いためっき等）を形成したサンプル（放熱部品Ｚとする）とを作製した。

サンプル作製後、所定のブロックにヒータと温度計とサンプル（放熱部品１０Ａ、放熱部品１０Ｂ、放熱部品Ｘ、放熱部品Ｙ、及び放熱部品Ｚを順番に搭載）を取り付け、ヒータに一定電圧を３６００秒（６０分）間印加したときの温度計の温度を測定した。その結果を、図５及び表１に示す。図５及び表１において、６０分経過後の温度上昇が小さいサンプルほど放熱性が優れていることを示している。

図５及び表１に示すように、比較例である放熱部品Ｘ、放熱部品Ｙ、及び放熱部品Ｚでは、６０分経過時の温度は、それぞれ９５．７℃、９５．２℃、及び９３．７℃であった。又、放熱部品Ｘを基準とすると、放熱部品Ｙ及び放熱部品Ｚの６０分経過時の温度は、それぞれ−０．５℃、−２．０℃であった。

これに対して、第１の実施の形態に係る製造方法で製造した放熱部品１０Ａでは、６０分経過時の温度は８８．３℃であった。又、放熱部品Ｘを基準とすると、放熱部品１０Ａの６０分経過時の温度は、−７．４℃であった。このように、第１の実施の形態に係る製造方法で製造した放熱部品１０Ａでは、比較例である放熱部品Ｘ、放熱部品Ｙ、及び放熱部品Ｚに対して、放熱性が大幅に向上することが確認された。すなわち、銅（Ｃｕ）からなる基材４１上に電気アルミニウムめっき層４２を形成した後、電気アルミニウムめっき層４２の表面を覆うようにアルマイト層４３を形成し、更にアルマイト層４３を黒色化することにより、従来例（放熱部品Ｘ、放熱部品Ｙ、及び放熱部品Ｚ）と比較して優れた放熱性を実現できることが確認された。

又、第１の実施の形態の変形例２に係る製造方法で製造した放熱部品１０Ｂでは、６０分経過時の温度は８６．５℃であった。又、放熱部品Ｘを基準とすると、放熱部品１０Ｂの６０分経過時の温度は、−９．２℃であった。これは、放熱部品１０Ａに対しても−１．８℃であり、第１の実施の形態の変形例２に係る製造方法で製造した放熱部品１０Ｂでは、第１の実施の形態に係る製造方法で製造した放熱部品１０Ａに対して、更に放熱性が向上（略２％向上）することが確認された。すなわち、銅（Ｃｕ）からなる基材４１上に電気アルミニウムめっき層４２を形成した後、電気アルミニウムめっき層４２の表面に平坦化処理を施し、平坦化処理を施した電気アルミニウムめっき層４２の表面を覆うようにアルマイト層４３を形成し、更にアルマイト層４３を黒色化することにより、平坦化処理を施さない場合と比較して、更に放熱性を向上できることが確認された。

以上、好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第１の実施の形態の変形例１に、更に、第１の実施の形態の変形例２と同様の変形を施しても構わない。又、放熱部品は平板状であっても構わない。

１０ 半導体パッケージ
２０ 基板
３０ 半導体素子
４０、４０Ａ 放熱部品
４１ 基材
４２、４２Ａ 電気アルミニウムめっき層
４３、４３Ａ アルマイト層

Claims (5)

1. 銅を主成分とする基材と、
   前記基材の表面の少なくとも一部を覆う電気アルミニウムめっき層と、
   前記電気アルミニウムめっき層の表面の一部が陽極酸化されたアルマイト層と、を有する放熱部品。
2. 前記電気アルミニウムめっき層の表面には、平坦化処理が施されている請求項１記載の放熱部品。
3. 前記アルマイト層は黒色化されている請求項１又は２記載の放熱部品。
4. 基板上に実装された半導体素子と、
   前記半導体素子上に配置された請求項１乃至３の何れか一項記載の放熱部品と、を有する半導体パッケージ。
5. 前記放熱部品は、前記電気アルミニウムめっき層及び前記アルマイト層が形成されてなく前記放熱部品の材料が露出している露出部を有し、
   前記露出部は、直接又は熱伝導部材を介して前記半導体素子と接している請求項４記載の半導体パッケージ。