JPH05248788A

JPH05248788A - 熱伝達機器、電子機器、半導体装置及び熱伝導コンパウンド

Info

Publication number: JPH05248788A
Application number: JP3060998A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sato; 康司佐藤; Atsushi Morihara; 森原　　淳; Yoshio Naganuma; 義男永沼; Kazunori Ouchi; 和紀大内; Toyohito Uematsu; 豊翁上松; Takayuki Nakakawaji; 孝行中川路
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1993-09-24

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、流動性を有する熱伝導コンパウン
ドに含まれた充填粒子に配向性を持たせると同時に、液
状において粒子の配向性を維持させることにより高熱伝
導化を図り、物質間の熱伝達性能を向上させることにあ
る。【構成】被加熱部材である高温物質１と熱引出し手段
である低温物質２の間に磁性を示す粒子７を含む流動性
熱伝導コンパウンド３を熱移動方向に粒子を配向させる
磁性層６を設けて介在させるとともに、高温物質と低温
物質の対面する面の両方又はどちらか一方に磁性層を形
成した。【効果】本発明によれば、磁力により熱伝導媒体中の
磁性粒子が熱移動方向に配向し充填粒子どうしが連なる
伝熱経路が形成されることにより、高温物質と低温物質
間を低熱抵抗化できる効果があり、長期的安定性に優れ
た伝熱性能が得られ、これを用いて熱伝達機器、電子機
器及び半導体装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、僅かな隙間を持つ物質
間の熱を伝達しやすくするための物質間の熱伝達機器に
関する。特に、電子機器及び半導体素子から発熱する熱
エネルギーを高率良く放熱するための電子機器及び半導
体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱を移動させる物質どうしの接触部分が
構造上等の理由で溶接等による固定接合ができない場
合、一般に物質間の熱伝達率を良くするためにグリース
状の物質を介在させたりゴム状の弾性物質を介在させる
方法が行われる。例えば、半導体素子を冷却する場合の
伝熱構造は種々の構造が提案されているが、半導体素子
と伝熱構造部材間や放熱構造物質間どうしの僅かな隙間
が冷却効率を大幅に低下させる要因となる。特に面どう
しの接触の場合は、熱膨張差による材料の歪や加工平坦
性の影響を受けやすく隙間が生じやすいため、熱抵抗が
増大し熱伝達効率が悪くなる。半導体素子冷却のように
熱流束が大きくなると、僅かな隙間が冷却能力を低下さ
せて素子の信頼性に大きく影響する。この僅かな隙間の
熱抵抗を小さくするために、熱伝導性を持たせた弾性物
質を介在させることが従来から提案されている。

【０００３】例えば、特開昭５４−８７９６１号公報
は、半導体素子の表面と放熱構造部材の間に打ち出し加
工された熱伝導性の弾性シートを設けた冷却装置を開示
したもので、特開昭６１−１５３５３号公報は熱伝達構
造物質間にグリース状の物質を設けた熱的結合装置を開
示したものである。また、特公昭５７−３６３０２号公
報は、集積回路チップとモジュールキャップの隙間に熱
伝導性のグリースを付着し、集積回路チップから生じた
熱をグリースによりモジュールキャップに熱伝達するた
めの揺変性熱伝導材料を開示したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、いず
れも熱を移動させる物質間の隙間へ単に弾性シートやグ
リースを介在させたものである。その介在させる物質に
は、熱伝導性を良くするために酸化亜鉛、窒化アルミニ
ウム、窒化硼素などのある特定の熱伝導性の良い充填粒
子を選定し、通常の混合手段により均一に混合しただけ
のものである。即ち、等方性の熱伝導物質で、その熱伝
導率は混合均一性や粒子充填率の大きさのみに影響され
るものである。充填粒子固有の熱伝導率だけでなく、ど
のような分散状態にある場合に最も効率的に熱エネルギ
ーを伝達できるかを考慮すると、混合物質の熱伝導率
は、粒子の方向性や連結性も非常に重要な因子となる。

【０００５】このような粒子の配向性について、特定方
向の熱伝導性を改良したものには、例えば特開昭６２−
１９４６５３号公報があり、半導体チップと放熱フィン
の間に針状の磁性粒子を含んだ接着剤を介在して、接着
剤が硬化する前に磁場をかけて、半導体チップと放熱フ
ィンとを磁性粒子で連結し、熱伝導性を良くする半導体
装置について開示したものである。また、特開昭６３−
６２７６２号公報は、フィルム状の樹脂中に針状の磁性
粒子を厚み方向に配向するように含有し、特定方向の熱
伝導性を高めた感熱転写記録材について開示したもので
ある。しかし、これらはいずれも針状の磁性粒子を熱伝
達させる方向に外部磁場をかけて配向させた後、樹脂に
より固定化して配向性を維持するものであり、流動状態
の熱伝導媒体で使用する場合の配向性維持に関しては触
れられていない。流動性の熱伝導媒体は、磁場を加えて
いる間だけ磁性粒子の配向性を保つことができるが、磁
場を除外すると粒子の配向性は徐々に乱れて、良好な熱
伝導性を維持することができなくなる。

【０００６】また、熱伝導媒体の高い熱伝導率を得るた
めには、粒子の配向性だけでなく、セラミックス等の混
合する粒子自体の熱伝導率ができるだけ高い物質が好ま
しい。しかし、セラミックスは一般に磁性を示さない物
質が多いため、磁性材料のように容易に熱伝導媒体内に
配向性を持たせることができない。本発明の目的は、流
動性を有するゾル状熱伝導物質に含まれた充填粒子に配
向性を持たせると同時に、ゾル状において粒子の配向性
を維持させることにより流動性熱伝導物質の高熱伝導率
化を図り、物質間の熱伝達性能を向上させる熱伝達機
器、電子機器、半導体装置及びそれらに用いる熱伝導コ
ンパウンドを提供することにある。本発明で述べる流動
性組成物とは、液体成分からなる物質と固体成分からな
る物質を混合させたゾル状物質からなり、固体物質の体
積比が５０％以内の割合で存在する流動性を有するゾル
状混合媒体である。

【０００７】

【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、被加熱部材と、該被加熱部材の熱を外
部に引き出す熱引出し手段と、該熱引出し手段と該被加
熱部材との間に介在し磁性粒子を含む熱伝導コンパウン
ドを具備する熱伝達機器において、前記熱伝導コンパウ
ンドが液体状有機ポリマーに前記磁性粒子を混合した流
動性組成物よりなり、前記被加熱部材と前記熱引出し手
段の少なくとも一方の該熱伝達コンパウンドと対向する
面に磁化された磁性材料層を有し、該磁性材料層によっ
て前記磁性粒子が磁化され配向していることを特徴とす
る熱伝達機器としたものである。

【０００８】前記熱伝導コンパウンドは液体状有機ポリ
マーに前記磁性粒子のほかに、該磁性粒子よりも高熱伝
導性の反磁性粒子とを混合した流動性組成物としてもよ
いし、また、上記において、前記磁性粒子が前記反磁性
粒子の表面を覆っているか、あるいは逆に前記磁性粒子
の表面が前記反磁性粒子によって覆われていてもよい。
前記液体状有機ポリマーとしては、シリコン油、ポリフ
ェニルエーテル、フッソ油及び鉱油から選ばれた少なく
とも一種を用いることができ、また、前記磁性粒子とし
ては、酸化物磁性材料、窒化物磁性材料、鉄族合金から
選ばれた少なくとも一種を用いることができ、さらに、
前記反磁性粒子としては、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、ダイ
ヤモンド、銀、銅、アルミニウムから選ばれた少なくと
も一種を用いることができる。そして、上記において、
前記磁性粒子の粒子径は前記反磁性粒子の粒子径よりも
大きいのがよい。

【０００９】また、上記他の目的を達成するために、本
発明では、発熱性電子部品を搭載した基板と該基板から
外部に熱を引き出す放熱部材とを具備し、該基板と該放
熱部材との間に磁性粒子を含む熱伝導コンパウンドを有
する電子機器において、前記熱伝導コンパウンドが液体
状有機ポリマーに前記磁性粒子を混合した流動性組成物
により構成され、前記基板から前記放熱部材へ向けて該
磁性粒子を配向させ該配向状態を保持する磁化手段を備
えたことを特徴とする電子機器としたものである。そし
て、上記において、前記熱伝導コンパウンドとしては液
体状有機ポリマーに前記磁性粒子及び該磁性粒子よりも
高熱伝導性の反磁性粒子を混合した流動性組成物を用い
ることができる。また、前記磁化手段は、前記基板と前
記放熱部材の少なくとも一方の該熱伝導コンパウンドと
対向する面に磁化された磁性材料層を備えることによっ
て構成されているのがよい。

【００１０】さらに、もう一つの目的を達成するため
に、本発明では、半導体素子を搭載した配線基板と、該
配線基板に隣接し該半導体素子より発生した熱を該配線
基板を通して外部に引き出す放熱フインとを具備し、該
配線基板と該放熱フインとの間に磁性粒子を含む熱伝導
コンパウンドを有する半導体装置において、前記熱伝導
コンパウンドが液体状有機ポリマーに前記磁性粒子を混
合した流動性組成物よりなり、前記基板から前記放熱部
材へ向けて該磁性粒子を配向させ該配向状態を保持する
磁化手段を有することを特徴とする半導体装置としたも
のである。そして、上記においても、前記熱伝導コンパ
ウンドとしては液体状有機ポリマーに前記磁性粒子及び
該磁性粒子よりも高熱伝導性の反磁性粒子を混合した流
動性組成物を用いることができる。

【００１１】さらに、他のもう一つの目的を達成するた
めに、本発明では、液体状有機ポリマーに磁性粒子を混
合した流動性組成物よりなることを特徴とする熱伝導コ
ンパウンドとしたものであり、また、本発明では、液体
状有機ポリマーに磁性粒子及び該磁性粒子よりも高熱伝
導性の反磁性粒子を混合した流動性組成物よりなること
を特徴とする熱伝導コンパウンドとしたものである。上
記の熱伝導コンパウンドにおいて、前記磁性粒子が前記
反磁性粒子の表面を覆っているか、あるいは逆に、前記
磁性粒子の表面が前記反磁性粒子によって覆われていて
もよい。さらに、本発明では、二つの部材間に介在し一
方の部材から他方の部材へ熱を伝達する熱伝導体であっ
て、液体状有機ポリマーに磁性粒子を混合した流動性組
成物よりなり、該磁性粒子を磁化して配向し該配向状態
を保持する磁化手段を伴うことによって該磁性粒子が配
向されることを特徴とする熱伝導媒体としている。

【００１２】

【作用】熱伝導コンパウンドに用いられる液体状有機ポ
リマーの熱伝導率は、無機固体粒子に比べてかなり悪い
ため、大部分の熱は熱伝導コンパウンド中に含まれる固
体粒子を通る熱的経路により、熱の伝達が成される。液
体分と固体分を混合した流動性の熱伝導コンパウンドに
含まれている磁性粒子が、配向用磁性層の磁力により熱
伝達方向に配向が起こり、磁性粒子を通る熱的経路が形
成されるため、熱伝達方向の熱抵抗が低減する。また、
両物質の応力によるギャップ変動が起こって配向性が崩
されても、配向磁性層の磁力により再び配向が形成され
るため配向性は長期的に維持することができる。熱伝導
コンパウンドを介在するギャップが、数μｍ〜数百μｍ
程度の僅かな隙間であれば、磁性層の磁化する強さが弱
くても配向させることができるため、デバイスに組み込
んだ電子部品へはほとんど影響を及ぼさない。磁性を示
さない高熱伝導粒子を混合して配向させる場合、反磁性
高熱伝導粒子の表面に付着又は被覆された磁性物質によ
り、磁場の作用を受けるため粒子の配向が起こり、より
高熱伝導性を有する媒体が得られる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。実施例１図１、図２及び図３を用いて本発明の実施例１を説明す
る。図１は、本発明による物質間の熱を伝達させるため
に、流動性熱伝導コンパウンドを介在した基本構造とな
る断面図であり、図２は流動性熱伝導コンパウンド中で
磁性粒子に配向性を持たせた図１のＡ部の拡大断面図を
示す。図３は流動性熱伝導コンパウンドを単に物質間に
介在させた従来の配向性のない場合の拡大断面図を示
す。図１に示す被加熱部材である高温物質１と熱引出し
手段である低温物質２の熱を伝達させる物質間に、液体
状有機ポリマー成分からなる物質８と固体成分から成る
物質７を混合した流動性のある熱伝導コンパウンド３を
介在させる。高温物質１及び低温物質２には、一般に金
属やセラミック等の熱伝導性の良い物質が使用される
が、本発明に関して特に限定されるような材料は無く、
全ての物質を使用することができる。

【００１４】流動性熱伝導コンパウンドの液体状有機ポ
リマー成分からなる物質８には、シリコン油、ポリフェ
ニルエーテル、フッ素油、鉱油、その他の合成油等を用
いることができる。液体成分の粘度は４０℃で５０〜１
０００（ＣＳ）の粘度範囲のものが適当である。固体成
分からなる物質７には磁性材料を用い、マグネタイト
（Ｆｅ₃Ｏ₄）、窒化鉄（Ｆｅ₄Ｎ）、バリュウムフェ
ライト、コバルトガンママグネタイト、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｃ
ｏ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｍｎ−Ｎｉ、Ｆｅ
−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｖ、Ｎｉ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｃｕ₂Ｍ
ｎＡｌ、ＮｉＦｅＯ₄、ＭｎＯ、ＦｅＯ、ＣｏＯ、Ｎｉ
Ｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｄ−Ｆｅ、Ｓｍ−Ｃｏなどのフェラ
イト系、クロム系、ニッケル系、マンガン系、希土類系
等の合金、酸化物、化合物が用いられる。

【００１５】本発明において用いる磁性材料はこれらの
磁性粒子を用い、磁性粒子の形状は棒状、針状、角柱
状、楕円形状、板状あるいは破片状等の形状が整わなく
とも縦軸と横軸の比率が異なるもので、球形状又は縦軸
と横軸の比率が同程度以外の形状の粒子全てを含んでい
る。粒径は高温物質と低温物質の隙間の距離により、適
用する仕様に合わせて混合する粒子の大きさを決めるこ
とが望ましく、隙間の最小変位幅にたいして粒子の長軸
の長さの比（隙間幅／粒子長軸長さ）が、１．２５〜１
０⁴程度の範囲内が適当である。隙間幅に対してあまり
小さい粒子を用いると、粒子を配向させても効果が小さ
くなり、逆に大きい粒子を用いると、高温物質と低温物
質の変位幅が小さいものにしか利用できなくなる。

【００１６】固体粒子の混合体積率は、５〜４０％の範
囲で流動性熱伝導コンパウンドを造る。混合する固体粒
子は、粒径分布を持たせて混合すると充填率が高くな
り、また界面活性剤を添加して分散性を良くしてミリン
グ処理により均一に混合する。粒子充填率が５０％以上
では、流動性も悪くかなり粘度が高いものとなり、配向
性も悪くなる。高温物質１と低温物質２が対面する面に
は、厚さ数μｍの配向用の磁性層６ａ及び６ｂを設け
る。磁性層には、前記した磁性粒子と同様の材料が用い
られ、蒸着、スパッタリング、メッキなどにより磁性層
を形成し、面の垂直方向に異なる極性で対面するように
磁化されている。

【００１７】高温物質１と低温物質２の隙間に介在する
流動性熱伝導コンパウンドに含まれた針状の磁性粒子７
の初期状態は、均一混合状態であるため、従来の流動性
熱伝導コンパウンドを示す図３のように、磁性粒子は方
向性を持たない不規則な分散状態で存在する。しかし、
磁性層６による磁力線は熱伝達方向と平行に磁場が存在
するため、しだいに針状磁性粒子の長軸が磁力線に沿っ
て平行に配向する。即ち、図２のように磁性粒子の長軸
が熱伝達方向に配向し、さらに部分的に粒子どうしが連
なる状態が形成される。液体成分がポリマー系の場合、
熱伝導率は固体磁性粒子に比べ２桁〜４桁も悪いため、
高温物質１から放出される熱は磁性層６ａ、媒体中の磁
性粒子７、磁性層６ｂ、低温物質２へと熱伝達される低
熱抵抗の熱伝達経路により、熱が放出される。

【００１８】このように、高温物質と低温物質が対面す
る面に磁性層を設けることにより、流動性熱伝導コンパ
ウンドにふくまれる粒子を熱伝達方向と平行に配向させ
ることが可能となり、熱伝達経路の熱抵抗を低減するた
め、配向させた方向に高い熱伝導率が得られる。また両
物質間のストレスによるギャップ変動が起こって配向性
が崩されても、磁性層の磁力により再び配向が形成され
るため、長期的に安定な性能が得られる。また、磁性層
は隙間の幅または磁力の大きさにより、片側に設けただ
けでも流動性熱伝導コンパウンドの磁性粒子を配向させ
ることができ、同様の効果が得られる。

【００１９】実施例２高熱伝導性を持ちながら磁化率が小さい物質を配向させ
るための実施例について説明する。図４及び図５は、反
磁性高熱伝導物質の表面に磁性物質を被覆または付着し
た粒子の断面図を示す。反磁性高熱伝導物質には、炭化
珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化硼素（Ｂ
Ｎ）、ダイヤモンド、銀、銅、Ａｌ等の磁化率が小さい
もので高熱伝導性の物質を用いる。これらの粒子表面に
実施例１に用いたと同様の強磁性物質を図４又は図５の
ように被覆又は付着して、反磁性の高熱伝導粒子に強い
磁性を持たせる。強磁性物質の付着は、プラズマＣＶＤ
や蒸着等により処理して造ることができる。

【００２０】このような反磁性粒子を用いて流動性熱伝
導コンパウンドを作製し、実施例１と同様の熱伝達構造
にして介在させると、磁性物質を付着した磁化率が小さ
い高熱伝導物質は、熱伝達方向に配向が起こり熱伝達物
質間を低熱抵抗化する。配向する物質は磁性物質よりも
高い熱伝導性を持つため、単なる磁性粒子を配向させた
場合よりも熱伝導性が良くなる。このように、反磁性体
の高熱伝導性粒子の表面を強磁性物質で被覆することに
より容易に配向性を持たせることが可能となるため、流
動性熱伝導コンパウンドの熱伝導率を磁性粒子のみの場
合に比べて向上させることが可能となる。また、逆に強
磁性物質の表面に反磁性高熱伝導物質を被覆又は付着さ
せることにより同様の効果を得ることができる。

【００２１】実施例３図６に反磁性高熱伝導粒子と磁性粒子を混合させたコン
パウンドを用いた場合の拡大断面図を示す。実施例１と
同様の構造にし、コンパウンドに充填する反磁性高熱伝
導粒子１０には実施例２と同様のものを用いる。磁性粒
子７は反磁性高熱伝導粒子１０よりも小さい粒子を混合
させて、反磁性高熱伝導粒子の間に介在させる。磁性粒
子は磁力により配向し高熱伝導粒子間の熱伝導率を高め
る。本実施例では、反磁性高熱伝導性の粒子と磁性粒子
を混合することにより、反磁性高熱伝導粒子間の熱伝達
方向の熱抵抗は磁性粒子の配向により小さくできるた
め、熱伝導率の良い流動性熱伝導コンパウンドが得られ
る。また、磁性粒子と反磁性無機固体粒子からなる２種
類以上の固体粒子を混合することにより、同様に高い熱
伝導率を有する媒体が得られる。

【００２２】実施例４図７は半導体素子を冷却する装置の一実施例を示す断面
構造図である。基板１８は、ＡｌＮやＳｉＣなどの高熱
伝導性のセラミック基板で、表面の平均粗さ（Ｒａ）は
０．１μｍ以下に平坦化され、基板の最大うねりは１０
μｍ以下の精度に保たれている。これにＡｌ蒸着とフォ
トエッチングにより配線パターンを形成し、薄膜で多層
積み上げた基板とする。基板１８には、半導体素子１５
が搭載され、Ａｌ細線のワイヤーボンディング技術によ
り、基板と電気的接続がとられる。半導体素子１５は、
例えばシリコン結晶やＧａＡｓ結晶から成る多数の回路
素子が形成されている。放熱フィン１７は、経済性など
の面から一般にアルミ製の平行平型フィンが利用され
る。基板１８と接触させるフィンと反対側の面は、鏡面
研磨加工により平坦化している。この面に、実施例１に
示した方法により磁性層１２ａが数μｍの厚さに形成さ
れている。磁性層を形成した後平坦性が悪化した場合
は、再び鏡面研磨処理により平坦性が確保できる。基板
１８の放熱フィン側にも同様に磁性層１２ｂを形成して
ある。また、磁性層１２ａ，１２ｂには厚み方向に互い
に引きつけ合う方向に磁化処理してある。

【００２３】基板１８と放熱フィン１７の隙間には、実
施例１により作製した流動性熱伝導コンパウンドを厚さ
約２０μｍに介在してある。介在させる初期厚みはスペ
ーサ１３により維持してある。この時、流動性熱伝導コ
ンパウンドを均一に塗布してから、放熱フィン１７を取
り付けると、隙間に気泡が残留して性能を低下させる原
因となり易い。しかし、基板に適量ボール状に塗布し、
放熱フィンの面を基板と垂直に押し当てると気泡が残留
せずにセッティングできる。流動性熱伝導コンパウンド
１６に含まれている磁性粒子は、図２の様に磁性層によ
り配向性が維持されている。半導体素子１５が発生する
熱は基板１８、磁性層１２ｂ、流動性熱伝導コンパウン
ド１６、磁性層１２ａ、放熱フィン１７へと熱伝達され
外気に放熱される。その際、基板１８と放熱フィン１７
はそれぞれの温度に対応した材料の熱膨張が生じるた
め、材料の歪による隙間が大きくなる。基板１８と放熱
フィン１７が同じ材質であっても温度勾配ができるた
め、熱膨張率は異なり材料間に歪が生じる。

【００２４】しかし、基板１８と放熱フィン１７の間に
介在した流動性熱伝導コンパウンド１６は、両物質間の
歪によるストレスを流動的に緩和するとともに、流動性
熱伝導コンパウンド中の磁性粒子は、隙間の変位によっ
て一時的に配向性が乱されるが、磁性層１２の磁力によ
り再び配向性を形成して良好な熱伝導性を維持すること
ができる。このようにして、本実施例では半導体装置の
伝熱面積が大きい基板と、放熱フィンの熱膨張差による
応力を緩和しながら、安定した放熱性を維持することが
可能となる。

【００２５】実施例５図８は、流動性熱伝導コンパウンドの気密性を持たせる
ための基板と放熱フィン間の構造を示した一実施例で、
図９は基板と放熱フィンを結合させる図８のＢ部の拡大
断面図である。実施例４と同様にして構成し、基板及び
放熱フィンは、接触する面の外周部に溝を設けてから磁
性層が形成してあり、お互いに吸引力が働く厚み方向に
磁化してある。磁性層を形成した後の溝部の表面粗さ
（Ｒａ）は、０．２μｍ以下の粗さにしてある。この溝
の間には、弾性体であるゴム磁石１４が組み込まれてい
る。このゴム磁石の両面は、表面粗さ（Ｒａ）０．１μ
ｍ以下で厚み方向に磁化したものである。

【００２６】基板１８と放熱フィン１７はこのゴム磁石
１４を間に介した構造で、基板−ゴム磁石およびゴム磁
石−放熱フィンは磁力による吸引で密着している。ま
た、このゴム磁石はスペーサ的役割も果たしており、流
動性熱伝導コンパウンドの初期厚みを確保している。こ
の様な構造により媒体を密閉状態に保つことができるの
で、外気に触れることがない。従って、流動性熱伝導コ
ンパウンドの空気中の酸素や水分などによって劣化する
心配がなく、長期寿命を確保できる。また、基板と放熱
フィンの接続を磁力によりワンタッチ式で密着固定する
簡単な構造にすることができる。

【００２７】実施例６図１０はマルチチップモジュール半導体装置の断面構造
である。モジュール基板２４は、熱伝導性の良いセラミ
ック性の基板である。半導体素子２３を搭載する面は鏡
面研磨により粗さ０．２μｍ以下に平坦化され、基板表
面の最大変位が２０μｍ以下の精度に加工されたもの
で、この上に薄膜で信号配線を多数積層した基板であ
る。半導体素子２３はこの基板上にボール状のはんだで
接合するいわゆるコントロール・コラップス・ボンディ
ング（ＣＣＢ）技術により接合されている。このように
接合された半導体素子は、本実施例では一つの基板に４
行４列に配列接続されたマルチチップモジュールを構成
している。半導体素子はシリコンチップを窒化アルミ製
のキャップで封止したもので、このキャップ外表面には
更に磁性層が形成されている。この場合キャップ外表面
に形成した磁性層は、防磁する効果もあり素子の誤動作
低減にもつながる。

【００２８】この半導体素子を基板上に装着する組立時
の誤差を含め、基板から半導体素子上面の高さのばらつ
きを最大５０μｍ以下にしている。各半導体素子２３上
には実施例１による流動性熱伝導コンパウンド２０を球
面状に塗布して、その上から基板と垂直に押し付けてフ
レーム２５で、モジュール基板との高さを維持して、冷
却ジャケット２２と結合する。また、このフレームによ
り流動性熱伝導コンパウンド２０の塗布厚みが決定され
る。塗布厚みは、組立精度のばらつきによる寸法誤差な
どを考慮して最大１００μｍ以下になるように設定して
いる。冷却ジャケット２２は、内部に冷却水２６が流れ
る流水路が設けられてあり、半導体素子の接触面には磁
性層２１ａが形成され、磁化されている。冷却ジャケッ
トに形成する磁性層は、全面に形成しなくとも図１１に
示すような半導体素子２３に対応する位置に部分的に形
成したものでも構わない。また、ジャケット材には銅、
アルミ、ＳＵＳなどの金属材料を用いる場合は、表面を
浅く合金化して強磁性体に改質することもできる。

【００２９】本実施例では、冷却ジャケット側の片側の
磁性層だけ磁化したこのような構成でも、流動性熱伝導
コンパウンドが介在する隙間幅が小さく保たれているの
で、磁力により磁性粒子を熱伝達される方向に配向でき
る。これにより、半導体素子には応力による大きな加重
を加えず、半導体素子の冷却能力を向上させる単純な冷
却構造にできる。また、振動が起こっても磁性層の磁力
により安定保持されるため、電気的接続点にたれ落ちて
電気的絶縁を起こす心配がなくなる。

【００３０】実施例７図１２は、マルチチップ半導体装置の半導体素子部がベ
アチップの場合の一実施例を示す構造図である。ベアチ
ップ２７はシリコンチップに多数回路が形成された素子
で、多層配線基板２４の上にテープ・オートメーテッド
・ボンディング（ｔａｐｅａｕｔｏｍａｔｅｄｂｏ
ｎｄｉｎｇ：ＴＡＢ）技術により電気的結合が成されて
いる。冷却ジャケット２２のベアチップ面には磁性層２
１が設けられており、ベアチップ２７と冷却ジャケット
２２の磁性層の間に絶縁性の流動性熱伝導コンパウンド
２８が介在してある。この流動性熱伝導コンパウンド２
８は、特に電気絶縁性を高めたものを用いて構成する。
電気絶縁性を高めるには、電気絶縁性の高い液体成分
と、磁性粒子の表面を絶縁性物質でコーティングしたも
のを混合することによって、電気絶縁性の高い流動性熱
伝導媒体を得ることができる。例えば液体成分にはシリ
コン油を用い、磁性粒子は表面に絶縁性樹脂や絶縁性セ
ラミック被覆処理したものを混合して造ることができ
る。

【００３１】流動性熱伝導コンパウンドが電気伝導性で
ある場合、素子は流動性熱伝導コンパウンドから冷却ジ
ャケット、フレーム、基板を通して電気的結合を持つた
め回路素子の電圧に影響する。しかし、本実施例のよう
に絶縁性を持った流動性熱伝導コンパウンドを用いて磁
性粒子を配向させることにより、ベアチップの配線部以
外に電気的なつながりを持たないため、チップ内の回路
素子にかかる電圧に影響を及ぼすことが無く、ベアチッ
プを直接冷却することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、高温物質と低温物質が
対面する面に磁性層を設けることにより、流動性熱伝導
コンパウンドに含まれる磁性粒子を熱伝達方向と平行に
配向させることが可能となり、熱伝達経路の熱抵抗を低
減するため、配向させた方向に高い熱伝導率が得られ
る。また両物質間のストレスによるギャップ変動が起こ
って配向性が崩されても、磁性層の磁力により再び配向
が形成されるため、長期的に安定な性能が得られる。

【００３３】更に、反磁性体の高熱伝導性粒子の表面を
強磁性物質で被覆することにより、容易に配向性を持た
せることが可能となるため、流動性熱伝導コンパウンド
の熱伝導率を磁性粒子のみの場合に比べて向上させるこ
とが可能となる。また、半導体素子には応力による大き
な加重を加えず半導体素子の冷却能力を向上させる単純
な冷却構造にできる。また、振動が起こっても磁性層の
磁力により安定保持されるため、電気的接続点にたれ落
ちて電気的絶縁を起こす心配がなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】流動性熱伝導コンパウンドが介在した熱伝達物
質間の断面図である。

【図２】流動性熱伝導コンパウンド中の磁性粒子を配向
させた拡大断面図である。

【図３】配向性のない従来の熱伝導コンパウンドが介在
した場合の拡大断面構造図である。

【図４】反磁性粒子表面に磁性材料を被覆した粒子の断
面図である。

【図５】反磁性粒子表面に磁性材料を付着した粒子の断
面図である。

【図６】磁性粒子と反磁性粒子を混合した流動性伝導コ
ンパウンドを介在した場合の拡大断面図である。

【図７】本発明の一例を示す半導体装置の放熱フィンと
基板の接触部の断面構造図である。

【図８】半導体装置の放熱フィン接触部に気密性を持た
せた構造の一例を示す断面構造図である。

【図９】図８の接触部の構造Ｂ部の拡大断面図である。

【図１０】本発明の一例を示すマルチチップモジュール
半導体装置の構造図である。

【図１１】図１０の冷却ジャケット面に形成する磁性層
配置の一例を示す図である。

【図１２】本発明の一例を示すベアチップモジュール半
導体装置の構造図である。

【符号の説明】

１高温物質２低温物質３，１６，２０，２８流動性熱伝導コンパウンド６，１２，２１磁性層７固体成分からなる物質（磁性粒子）８液体成分からなる物質１０反磁性熱伝導粒子１３スペーサ１４ゴム磁石１５，２３半導体素子１７放熱フィン１８，２４基板２２冷却ジャケット２５フレーム２６冷却水２７ベアチップ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大内和紀茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者上松豊翁茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者中川路孝行茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱部材と、該被加熱部材の熱を外部
に引き出す熱引出し手段と、該熱引出し手段と該被加熱
部材との間に介在し磁性粒子を含む熱伝導コンパウンド
を具備する熱伝達機器において、前記熱伝導コンパウン
ドが液体状有機ポリマーに前記磁性粒子を混合した流動
性組成物よりなり、前記被加熱部材と前記熱引出し手段
の少なくとも一方の該熱伝導コンパウンドと対向する面
に磁化された磁性材料層を有し、該磁性材料層によって
前記磁性粒子が磁化され配向していることを特徴とする
熱伝達機器。
【請求項２】被加熱部材と、該被加熱部材の熱を外部
に引き出す熱引出し手段と、該熱引出し手段と該被加熱
部材との間に介在し磁性粒子を含む熱伝導コンパウンド
を具備する熱伝達機器において、前記熱伝導コンパウン
ドが液体状有機ポリマーに前記磁性粒子及び該磁性粒子
よりも高熱伝導性の反磁性粒子を混合した流動性組成物
よりなり、前記被加熱部材と前記熱引出し手段の少なく
とも一方の該熱伝導コンパウンドと対向する面に磁化さ
れた磁性材料層を有し、該磁性材料層によって前記磁性
粒子が磁化され配向していることを特徴とする熱伝達機
器。
【請求項３】前記磁性粒子が前記反磁性粒子の表面を
覆っていることを特徴とする請求項２に記載の熱伝達機
器。
【請求項４】前記磁性粒子の表面が前記反磁性粒子に
よって覆われていることを特徴とする請求項２に記載の
熱伝達機器。
【請求項５】前記液体状有機ポリマーが、シリコン
油、ポリフェニルエーテル、フッソ油及び鉱油から選ば
れた少なくとも一種よりなることを特徴とする請求項１
〜４のいずれか１項に記載の熱伝達機器。
【請求項６】前記磁性粒子が、酸化物磁性材料、窒化
物磁性材料、鉄族合金から選ばれた少なくとも一種より
なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記
載の熱伝達機器。
【請求項７】前記反磁性粒子が、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｂ
Ｎ、ダイヤモンド、銀、銅、アルミニウムから選ばれた
少なくとも一種よりなることを特徴とする請求項２〜４
のいずれか１項に記載の熱伝達機器。
【請求項８】前記磁性粒子の粒子径が前記反磁性粒子
の粒子径よりも大きいことを特徴とする請求項２〜７の
いずれか１項に記載の熱伝達機器。
【請求項９】発熱性電子部品を搭載した基板と該基板
から外部に熱を引き出す放熱部材とを具備し、該基板と
該放熱部材との間に磁性粒子を含む熱伝導コンパウンド
を有する電子機器において、前記熱伝導コンパウンドが
液体状有機ポリマーに前記磁性粒子を混合した流動性組
成物により構成され、前記基板から前記放熱部材へ向け
て該磁性粒子を配向させ該配向状態を保持する磁化手段
を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１０】発熱性電子部品を搭載した基板と該基
板から外部に熱を引き出す放熱部材とを具備し、該基板
と該放熱部材との間に磁性粒子を含む熱伝導コンパウン
ドを有する電子機器において、前記熱伝導コンパウンド
が液体状有機ポリマーに前記磁性粒子及び該磁性粒子よ
りも高熱伝導性の反磁性粒子を混合した流動性組成物よ
り構成され、前記基板から前記放熱部材へ向けて該磁性
粒子を配向させ該配向状態を保持する磁化手段を備えた
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】前記磁化手段が、前記基板と前記放熱
部材の少なくとも一方の該熱伝導コンパウンドと対向す
る面に磁化された磁性材料層を備えることによって構成
されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の
電子機器。
【請求項１２】半導体素子を搭載した配線基板と、該
配線基板に隣接し該半導体素子より発生した熱を該配線
基板を通して外部に引き出す放熱フインとを具備し、該
配線基板と該放熱フインとの間に磁性粒子を含む熱伝導
コンパウンドを有する半導体装置において、前記熱伝導
コンパウンドが液体状有機ポリーに前記磁性粒子を混合
した流動性組成物よりなり、前記基板から前記放熱部材
へ向けて該磁性粒子を配向させ該配向状態を保持する磁
化手段を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】半導体素子を搭載した配線基板と、該
配線基板に隣接し該半導体素子より発生した熱を該配線
基板を通して外部に引き出す放熱フインとを具備し、該
配線基板と該放熱フインとの間に磁性粒子を含む熱伝導
コンパウンドを有する半導体装置において、前記熱伝導
コンパウンドが液体状有機ポリマーに前記磁性粒子及び
該磁性粒子よりも高熱伝導性の反磁性粒子を混合した流
動性組成物よりなり、前記基板から前記放熱部材へ向け
て該磁性粒子を配向させ該配向状態を保持する磁化手段
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】液体状有機ポリマーに磁性粒子を混合
した流動性組成物よりなることを特徴とする熱伝導コン
パウンド。
【請求項１５】液体状有機ポリマーに磁性粒子及び該
磁性粒子よりも高熱伝導性の反磁性粒子を混合した流動
性組成物よりなることを特徴とする熱伝導コンパウン
ド。
【請求項１６】前記磁性粒子が前記反磁性粒子の表面
を覆っていることを特徴とする請求項１５に記載の熱伝
導コンパウンド。
【請求項１７】前記磁性粒子の表面が前記反磁性粒子
によって覆われていることを特徴とする請求項１５に記
載の熱伝導コンパウンド。
【請求項１８】二つの部材間に介在し一方の部材から
他方の部材へ熱を伝達する熱伝導媒体であって、液体状
有機ポリマーに磁性粒子を混合した流動性組成物よりな
り、該磁性粒子を磁化して配向し該配向状態を保持する
磁化手段を伴うことによって該磁性粒子が配向されるこ
とを特徴とする熱伝導媒体。