JPH10270614A - ヒートシンク及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フラックス入りのはんだを用いたヒートシン
クと基板との接着では、はんだ中にボイドが形成されて
実質的な接着面積が確保できない。 【解決手段】 略矩形平板状のヒートシンク４は、基板
と対向する第１の面１１と半導体チップと対向する第２
の面１２とを有している。第１の面１１は、中心点１３
と、４本の稜線１４と、８枚の傾斜面１５とで構成され
ている。稜線１４は、第２の面１２と平行でかつ中心点
１３で交わる状態で設けられている。また、傾斜面１５
は、稜線１４を頂上にして第２の面１２に対して傾いた
状態で設けられ、溝１８の内壁を構成している。これに
よって、第１の面１１を下方にした状態のヒートシンク
４を基板上にはんだ付けする際には、はんだ内に発生し
た気泡を傾斜面１５で構成される溝１８内に沿って浮上
させ、ヒートシンク４の周縁から気泡が放出されるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップと実
装基板との間に配置されるヒートシンク及びこのヒート
シンクを有する半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パワートランジスタ等の大電流素子が形
成された半導体チップを基板上に実装する際には、半導
体チップと基板との間にヒートシンクが配置される。こ
のヒートシンクは、素子動作によって半導体チップに生
じる熱を、効率良く基板に逃がすためのものである。そ
して、このヒートシンクは、半導体チップよりも一回り
大きな面積を有する矩形形状の平板からなり、基板と対
向して設けられる第１の平面と半導体チップと対向して
設けられる第２の平面とを有している。そして、上記半
導体装置は、基板上にはんだ付けされたヒートシンクの
略中央部上に上記半導体チップがはんだ付けされた状態
になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ヒートシ
ンク及びこれを用いた半導体装置においては、以下のよ
うな課題があった。すなわち、上記半導体装置では、は
んだのヌレ性を向上させるため、基板−ヒートシンク間
の接着にフラックス入りのはんだ材を用いている。この
ため、ヒートシンクを基板上に接着するためのはんだ付
けの際には、フラックス中の揮発成分がガス化してはん
だ中に気泡が発生する。しかし、ヒートシンクの基板側
に向かう面は平面形状であるため、このはんだ中に発生
した気泡はヒートシンク下部にそのまま止まる。したが
って、上記気泡は、はんだが固化した後もヒートシンク
の下面にそのまま残され、はんだ中にボイドが形成され
ることになる。これによって、基板−ヒートシンク間の
実質的な接着面積が狭くなる。

【０００４】下記式（１）には、上記半導体装置におけ
る半導体チップ搭載部分の基板温度（Ｔｃ）の算出式を
示す。 Ｔｃ＝Ｔｊ−（ＷPTR ×Ｒθ(J-H) ＋ＷPTR ×Ｒθ(J-C) ×Ｋ^-1）…（１） Ｔｊ ：半導体チップ上素子のジャンクション温度 ＷPTR ：半導体チップ上素子の電力 Ｒθ(J-H) ：半導体チップ−ヒートシンク間熱抵抗 Ｒθ(J-C) ：ヒートシンク−基板間熱抵抗 Ｋ ：ヒートシンク−基板間におけるはんだ接着
面積率

【０００５】上記式（１）に示すように、ヒートシンク
−基板間におけるはんだ接着面積率（Ｋ）が狭くなる
と、上記基板温度が低くなる、すなわち半導体チップで
生じた熱が基板に逃げにくくなることが分かる。

【０００６】例えば、ヒートシンク−基板面のはんだ接
着面積率Ｋが異なる場合の基板取付部温度Ｔｃの差を、
次のような設定値を仮定して上記式（１）を用いて算出
すると以下のようになる。 設定値 Ｔｊ ＝１５０℃ ＷPTR ＝１０Ｗ Ｒθ(J-H) ＝２℃／Ｗ Ｒθ(H-C) ＝４℃／Ｗ Ｋ ＝１００％，８０％ Ｋ＝１００％：Ｔｃ＝１５０−（１０×２＋１０×４÷
１．０）＝９０℃ Ｋ＝ ８０％：Ｔｃ＝１５０−（１０×２＋１０×４÷
０．８）＝８０℃

【０００７】以上のように、２０％の上記接着面積率の
差が１０℃の基板温度の差となって現れ、ヒートシンク
から基板への放熱効果が低下することが分かる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためのヒートシンク及び半導体装置である。すな
わち、本発明のヒートシンクは、半導体チップと基板と
の間に配置される平板状のヒートシンクであり、基板と
対向して配置される第１の面と半導体チップと対向して
配置される第２の面とを有している。そして、上記第１
の面は、中心点と、少なくとも２本の稜線と、複数の傾
斜面とで構成されている。上記稜線は、上記第２の面と
平行でかつ上記中心点で交わる状態で設けられている。
また、上記傾斜面は、上記中心点または稜線を頂上にし
て上記第２の面に対して傾いた状態で設けられている。

【０００９】上記構成のヒートシンクでは、第１の面に
おいて凸状の中心点で交わる少なくとも２本の稜線が第
２の面と平行であることから、これらの稜線と中心点と
で構成される平面を底面にして基板上にヒートシンクが
載置される。また、中心点または稜線を頂上にして各傾
斜面が設けられていることから、上記載置状態において
は、ヒートシンクの第１の面を構成する全ての傾斜面
が、中心点から周縁に向かって上昇する状態で設けられ
ることになる。しがたって、上記第１の面を下方にして
この第１の面を基板上にはんだ付けする際には、はんだ
内で発生して浮上した気泡は全て上記傾斜面に沿って当
該ヒートシンクの周縁方向に流される。

【００１０】そして、本発明の半導体装置は、基板と半
導体チップとの間に上記構成のヒートシンクをはんだ付
けしてなるものであり、このヒートシンクは上記稜線と
上記中心点とで構成される平面を底面にして上記基板上
に載置されている。

【００１１】この半導体装置では、基板とヒートシンク
とがはんだ付けされており、上記稜線と上記中心点とで
構成される平面を底面にして上記基板上に載置されてい
ることから、上記載置状態ではんだ付を行う際には、上
述のようにはんだ中で発生して浮上した気泡がヒートシ
ンクの周縁方向に流される。したがって、上記はんだ内
に生じた気泡は、ヒートシンクの中心点付近から除去さ
れ、中心点付近におけるヒートシンク−基板間の実質的
な接着面積が確保される。また、この半導体装置は、ヒ
ートシンクを介して半導体チップと基板との平行状態が
確保されたものになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は本発明のヒートシンクの構成
図であり、図２はこのヒートシンクを用いた本発明の半
導体装置の断面図である。また、図２におけるヒートシ
ンクの断面部分は、図１のＡ−Ａ’断面に対応してい
る。先ず、図１を用いてヒートシンクの実施の形態を説
明する。

【００１３】ヒートシンク１は、ここでは図示を省略し
た半導体チップと基板との間に配置されるものである。
このヒートシンク１は、上記基板と対向して設けられる
第１の面１１と上記半導体チップと対向して設けられる
第２の面１２とを有し、上記半導体チップよりも一回り
大きな略矩形の平板形状を有し、銅のような熱伝導性の
高い材料で形成されている。

【００１４】上記ヒートシンク１の第１の面１１は、投
影形状が略矩形であり、略矩形の第１の面１１における
中心部に設けられた中心点１３と、中心点１３から放射
状に設けられた４本の稜線１４と、８枚の傾斜面１５と
で構成されている。

【００１５】上記稜線１４は、中心点１３から第１の面
１１における矩形形状の４つの頂点に掛けて配置されて
いる。そして、これらの稜線１４は、第２の面１２に対
して平行に保たれていると共に、隣接して設けられた２
つの傾斜面１５の端辺によって構成されている。

【００１６】また、傾斜面１５は、中心点１３と稜線１
４とを頂上にして、第２の面１２に対して傾く状態で設
けられており、中心点１３から第１の面１１の周縁１６
における４辺の各中央の点（中央点）１７に掛けて放射
状に設けられる４本の溝１８の内壁を構成している。し
たがって、これらの溝１８は、中心点１３から中央点１
７に向かって徐々に深くかつ幅広くなるように成形され
ることになる。そして、中心点１３から中央点１７に掛
けてが、溝１８の底部１９になる。

【００１７】次に、上記構成のヒートシンク１を用いた
本発明の半導体装置を、図２に基づいて説明する。半導
体装置２は、基板２１と、この基板２１上にはんだ２２
を介して接着されたヒートシンク１と、このヒートシン
ク１上にはんだ２３を介して接着された半導体チップ２
４とで構成されている。ここで、例えば上記基板２１は
回路基板であり、上記半導体チップ２４にはパワートラ
ンジスタが設けられていることとする。そして、上記ヒ
ートシンク１は、上記第１の面１１を基板２１と対向さ
せる状態で基板２１上に設けられている。また、半導体
チップ２４は、ヒートシンク１の第２の面１２上におけ
る中央付近にはんだ付けされている。

【００１８】図３（１），（２）は、上記半導体装置２
を形成する場合の一例を説明する図である。以下に、こ
れらの図を用いて上記半導体装置の詳細な構成を製造工
程順に説明する。先ず、図３（１）に示すように、ヒー
トシンク１の第２の面１２上の中央付近に半導体チップ
２４をはんだ付けする。このはんだ付けには、例えば、
フラックスが含有されていないはんだ２３を用い、還元
雰囲気中または窒素ガス雰囲気中でのはんだ付けを行
う。

【００１９】次に、図３（２）に示すように、半導体チ
ップ２４が接着されたヒートシンク１を、その第１の面
１１を基板２１に対向させた状態で当該基板２１上には
んだ付けする。このはんだ付けには、基板２１とヒート
シンク１とに対するヌレ性を向上させるためにフラック
ス入りのはんだ２２を用いることとす。また、この際、
基板２１上の所定位置に所定膜厚で印刷されたはんだ２
２上に、第１の面１１を下方に向けてヒートシンク１を
載置する。この状態では、印刷されたはんだ２２上にヒ
ートシンク１の稜線１４のみが接触する。そして、これ
らの稜線１４は第２の面１２と平行であることから、基
板２１と半導体チップ１４とが平行に保たれた状態にな
る。次いで、加熱によって基板２１上のはんだ２２を溶
融させた後、冷却によってこのはんだ２２を固化させる
と共に基板２１とヒートシンク１とを接着させる。以上
によって、図２に示した半導体装置２を完成させる。

【００２０】上記半導体装置２では、第１の面１１の中
心点１３から周縁１６に向かって傾斜面（１５）が上昇
する状態で設けられることになる。このため、図３
（２）に示したように、ヒートシンク１を基板２１上に
はんだ付けする際には、加熱によってフラックス中の揮
発成分がガス化してはんだ２２中に発生した気泡ａは、
はんだ２２内で浮上し、傾斜面１５に沿ってヒートシン
ク１の周縁１６方向に流される。

【００２１】ここで、ヒートシンク１の第１の面１１に
は、中心点１３から周縁１６に向かって徐々に深くかつ
開口幅が広くなるように成形された溝１８が上記傾斜面
１５によって構成されている（図１参照）。このことか
ら、はんだ２２内に発生して浮上する全ての気泡ａは、
先ず傾斜面１５に沿って溝１８の底部１９に流されるよ
うに浮上し、その後この底部１９に沿って当該ヒートシ
ンク１の周縁１６方向にスムーズに浮上する状態で流さ
れる。この際、溝１８の底部１９に気泡ａが集められる
ため、この底部１９において気泡ａが合体して浮上し易
くなり、ヒートシンク１の周縁１６において最も高い位
置にある中央点１７方向に向かって、気泡ａが流れ易く
（すなわち浮上し易く）なるという効果も得られる。さ
らに、溝１８を、第１の面１１の中心点１３から周縁１
６における４辺の中央点１７に掛けて設けたことから、
溝１８の底部１９の長さが最も短くなり、また底部１９
の傾斜も最も大きくなる。このため、この底部１９に流
れ込んだ気泡ａは、溝１８の底部１９に沿って浮上し易
くなると共に、ヒートシンク１の下部から放出され易く
なっている。

【００２２】このような構成のヒートシンク１におい
て、より周縁１６方向に向かって気泡ａを浮上させ易く
（流れ易く）するには、中心点１３から中央点１７に掛
けての溝１８の底部１９の傾斜を設計可能な範囲で大き
く設定すれば良い。

【００２３】以上のように、ヒートシンク１の中央部下
方におけるはんだ２２内からは気泡ａが除去され、実質
的な接着面積を保った状態でヒートシンク１と基板２１
とがはんだ付けされた半導体装置２を得ることができ
る。したがって、この半導体装置２は、装置動作に伴っ
て半導体チップ２４に生じる熱をヒートシンク１から基
板２１に効率良く逃がすことができる。

【００２４】図４には、本発明のヒートシンクの他の実
施形態を示す図である。この図に示すヒートシンク４
と、上記上記図１を用いて説明した構成のヒートシンク
（１）との異なるところは稜線１４、傾斜面１５及び溝
１８の本数にあり、その他の構成は上記ヒートシンク
（１）と同様である。

【００２５】すなわち、このヒートシンク４の第１の面
１１には、８本の稜線１４が中心点１３から放射状に設
けられている。そして、各稜線１４の間には、８本の溝
１８が設けられている。各溝１８は、ヒートシンク４の
第１の面１１の中心点１３から第１の面１１の周縁１６
の各辺を３等分する２つの等分点４１にかけて放射状に
配置される。

【００２６】このような構成のヒートシンク４及びこの
ヒートシンク４を用いた半導体装置であっても、上記実
施の形態と同様の効果を得ることができる。しかも溝１
８の本数が多い分だけ、第２の面１２に対する傾斜面１
５の斜度が大きくなり、溝１８の底部１９に気泡が集ま
りやすくなる。

【００２７】図５には、本発明のヒートシンクのさらに
他の実施形態を示す図である。この図に示すヒートシン
ク５の第１の面１１には、２本の稜線１４が中心点１３
で交わるように配置されている。この第１の面１１は、
上記２本の稜線１４と共に、１本の溝１８を構成する２
枚の傾斜面１５と、溝１８の内壁を構成しない３枚の傾
斜面５１とで構成されている。

【００２８】上記構成のヒートシンク４であっても、中
心点１３と２本の稜線１４とで構成される平面を底面に
して当該ヒートシンク４を配置することで、ヒートシン
ク４の下方で発生した気泡はヒートシンク４の第１の面
１１を構成する傾斜面１５，５１に沿って周縁１６方向
に流される。したがって、ヒートシンク−基板間のはん
だ内にボイドのない半導体装置が得られる。

【００２９】尚、上記実施の形態で説明したヒートシン
クの形状は、あくまでも代表的な例であり、稜線及び傾
斜面の数によって異なる第１の面１１を構成することが
できる。そして、それぞれの構成の第１の面を有するヒ
ートシンクでも、同様の効果を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上本発明のヒートシンクによれば、第
１の面の中心点で交わり第２の面と平行な稜線と、中心
点または稜線を頂上にした傾斜面とで上記第１の面を構
成したことで、稜線で構成される平面を底面にして配置
した場合にヒートシンクの下方で生じた気泡を上記傾斜
面に沿って当該ヒートシンクの周縁方向に流し出すこと
ができる。このため、第１の面をはんだ付けする際に、
はんだ内に発生した気泡がボイドとしてヒートシンク下
部に残ることが防止され、ヒートシンク下面のはんだ付
けの実質的な接着面積が確保される。したがって、基板
上にはんだ付けされたヒートシンクを介して半導体チッ
プを固定してなる半導体装置において、半導体チップか
らの発熱をヒートシンクを介して効率良く基板に逃がす
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートシンクの一例を示す図である。

【図２】本発明のヒートシンクを用いた半導体装置の断
面図である。

【図３】半導体装置の製造工程を説明する図である。

【図４】ヒートシンクの実施の形態の他の例を説明する
図である。

【図５】ヒートシンクの実施の形態のさらに他の例を説
明する図である。

【符号の説明】

１，４，５ ヒートシンク ２ 半導体装置 １１ 第１の面 １２ 第２の面 １３ 中心点 １４ 稜線 １５ 傾斜面 １７ 中央点 １８ 溝 ２１ 基板 ２４ 半導体チップ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップと基板との間に配置され、
   前記基板と対向して設けられる第１の面と前記半導体チ
   ップと対向して設けられる第２の面とを有する平板状の
   ヒートシンクであって、 前記第１の面が、当該第１の面に設けられた中心点と、
   前記第２の面と平行でかつ前記中心点で交わる状態で設
   けられた少なくとも２本の稜線と、前記中心点または前
   記稜線を頂上にして前記第２の面に対して傾いた状態で
   設けられた複数の傾斜面とで構成されたこと、 を特徴とするヒートシンク。
2. 【請求項２】 請求項１記載のヒートシンクにおいて、 前記傾斜面は、前記中心点から周縁に向かって徐々に深
   くかつ開口幅が広くなる溝を構成するものであること、 を特徴とするヒートシンク。
3. 【請求項３】 請求項２記載のヒートシンクにおいて、 前記第１の面は、略矩形の投影形状を有し、 前記中心点は、前記略矩形の中心に位置し、 前記溝は、前記中心点から前記略矩形の４辺における略
   中央に位置する中央点に向かって深くなる状態で設けら
   れたこと、 を特徴とするヒートシンク。
4. 【請求項４】 基板と、当該基板上に半田付けされたヒ
   ートシンクと、当該ヒートシンク上に設けられた半導体
   チップとからなる半導体装置において、 前記ヒートシンクは、 前記基板と対向して設けられる第１の面と、前記半導体
   チップと対向して設けられる第２の面とを有し、 前記第１の面が、当該第１の面に設けられた中心点と、
   前記第２の面と平行でかつ前記中心点で交わる状態で設
   けられた少なくとも２本の稜線と、前記中心点または前
   記稜線を頂上にして前記第２の面に対して傾いた状態で
   設けられた複数の傾斜面とで構成され、 前記基板上に前記稜線と前記中心点とで構成される平面
   を底面にして載置されたこと、 を特徴とする半導体装置。