JP2001244394A - 半導体パッケージの放熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パーソナルコンピュータのＣＰＵの放熱構造
において、ＣＰＵとヒートシンクとの間の熱伝達効率を
向上させることを目的とする。 【解決手段】 熱伝導性グリス１０と中抜き形状の熱伝
導シート６を併用することにより、ＣＰＵパッケージの
表面と、ＣＰＵパッケージ基板３の表面との両方からヒ
ートシンク７に熱伝導をおこない高性能、高発熱のＣＰ
Ｕパッケージに対応することができる放熱機構を提供す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータのＣＰＵの放熱構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】モバイル用パソコンに使用するＣＰＵ
は、小型、軽量、薄型、放熱性の機能を追求した結果、
ベアチップに近い状態でパケージ化されている。図４に
モバイル用ＣＰＵパッケージの断面図を示す。図４にお
いて、５１は半導体チップ、５２はチップ基板、５３は
半導体チップ５１に設けたバンプ電極、５４は半田ボー
ル、５５は封止樹脂である。半導体チップ５１はシリコ
ンよりなり、裏面にはバンプ電極５３が設けられてい
る。バンプ電極５３は、チップ基板５２を貫通する図に
は示していない導体回路によって、半田ボール５４と接
続している。半導体チップ５１とチップ基板５２との隙
間は封止樹脂５５が充填され、バンプ電極５３を外気の
湿度、温度より保護している。半導体チップ５１の表面
はシリコンチップ面が露出していて、半導体チップ５１
内部で発生した熱の放熱をよくしている。

【０００３】図５に従来行われている半導体チップ５１
の放熱構造を説明する。図５において、５６は配線基
板、５７はヒートシンク、５８は熱伝導性グリスであ
る。半田ボール５３は配線基板５６に設けた図には示し
ていない配線ランドと接続され演算回路を形成してい
る。ヒートシンク５７は、半導体チップ５１が発生する
熱を授受し、自身は例えば周囲を空冷するファン５９等
の冷却手段によって、授受した熱を空気中に放熱してい
る。半導体チップ５１とヒートシンク５７との間の熱授
受は、熱伝導性グリス５８を介して行われる。熱伝導性
グリス５８は１００μｍ以下の厚さに塗布されて、半導
体チップ５１とヒートシンク５７との間の接触を確実に
し、熱抵抗を小さくしている。この方法は、熱伝導性グ
リス５８の膜厚を薄くできるので放熱効果に優れている
が、半導体チップ５１がヒートシンク５７との間に狭持
されているため挟持圧力が小さな場合には振動によるが
たつきが発生し、反対に挟持圧力が大きな場合には半田
ボール５３と配線ランド間の接点を破損する危惧があっ
た。

【０００４】また、半導体チップ５１とヒートシンク５
７との間の他の熱伝導方法として図６（ａ）に示すよう
なゴム弾性を有する熱伝導性シート６０を使用して、弾
性シート６０を圧力で変形させて密着性、熱伝導性を確
保していた（図６（ｂ））。この方法はゴム弾性体を介
在させているので、半導体チップ５１には掛かる応力を
均一化できるが、弾性シート６０の厚みが厚くなるの
で、熱伝導効率が悪い欠点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体チップの高性能
化に伴う発熱量の増大、高密度化による半田ボールの小
型化に伴い放熱性が良好で、かつ半導体チップを信頼性
よく保持することのできる放熱構造が強く望まれてい
る。放熱性を改善するためヒートシンク用の効率のよい
ファンシステムが開発されているが、改良されたファン
システムを使用しても、半導体チップからヒートシンク
への熱伝導効率を上げなければ、十分な放熱効果を得る
ことができなくなってきている。図５の構造では熱伝導
面積が半導体チップの上面積に限定され、また図６の構
造では熱伝導面積は拡大するが、熱伝導シートはある程
度の厚さが必要になるため、熱抵抗が大きくなりヒート
シンクへ十分に伝熱させることができないという課題が
あった。

【０００６】本発明は、以上のような従来例の課題を解
決するためになされたもので、高性能、高発熱の半導体
チップに対応できる効率の良い放熱構造を提供すること
を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、弾性を有する熱伝導シートを半導体チップ
の周囲に配し、半導体チップの上表面、半導体チップの
側面、および半導体基板表面の三方向の熱をヒートシン
クへ効率良く熱伝導できるように構成し、かつ半導体チ
ップにかかる圧力を熱伝導シートにも分担させ、半導体
チップの上表面に無理な圧力がかからないように構成し
たものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、半導体チップを実装する配線基板と、前記半導体チ
ップの周囲を取巻く弾性を有する熱伝導体と、半導体チ
ップの上表面に塗布した熱伝導性グリスと、前記熱伝導
性グリスと対向するヒートシンクと、前記ヒートシンク
と前記配線基板との間に設けたばね手段とよりなること
を特徴とするものであり、半導体チップの上表面、半導
体チップの側面、および半導体基板表面の三方向の熱を
ヒートシンクへ効率良く熱伝導できるので、放熱性に優
れている。

【０００９】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の発明において、熱伝導体の厚みが、半導体チ
ップの背の高さよりも厚いことを特徴とするものであ
り、ヒートシンクへの熱伝導を確実にし、かつ半導体チ
ップにかかる圧力を熱伝導体に分担させることができる
ため、放熱性がよく、信頼性が高い。

【００１０】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
２に記載の発明において、配線基板の筐体底面に設けた
ボスを基準として、配線基板とヒートシンクの間にばね
手段を設けたことを特徴とするものであり、ばね圧力が
安定するので最適の圧力を設定することができ、放熱効
率がよい。

【００１１】以下、本発明の実施の形態について、図
１、２を用いて説明する。

【００１２】（実施の形態１）図１は、本発明の放熱構
成を示す斜視図、図２は断面図、図３はばね手段の要部
拡大断面図である。

【００１３】図１、図２において、１は半導体パッケー
ジ、２は半導体チップ、３はチップ基板、４は配線基
板、５は封止樹脂、６は熱伝導シート、７はヒートシン
ク、８はファン、９は半田ボール、１０は熱伝導性グリ
ス、１１は配線基板４を内蔵するモバイルパソコンの筐
体底面である。

【００１４】半導体パッケージ１、配線基板４の構造
は、従来例で説明したのと同じものであり、半導体パッ
ケージ１は、従来法によって配線基板４に実装されてい
るので、再度の説明は省略する。

【００１５】ヒートシンク７はファン８を内蔵し、ファ
ン８は、例えば図２においては筐体底面１１近辺の温も
った空気を吸引し、筐体外部に排出している（矢印は空
気の流れを示す）。

【００１６】半導体パッケージ１はヒートシンク７と配
線基板４との間に設けたばね手段によって圧力が加えら
れ、半導体パッケージ１とヒートシンク７との間の熱伝
導性を高めている。図３によって実施の形態１における
ばね手段の構造の一例を説明する。

【００１７】図３において、２０は筐体底面１１に設け
たボス、２１はボス２０に設けたねじ穴、２２はヒート
シンク７に設けた貫通孔、２３はねじ、２４はコイルば
ね、２５はばね止めボス、２６は配線基板４に設けた馬
鹿穴である。ねじ穴２１と、穴２６と、穴２２とを位置
合わせし、配線基板４と、ヒートシンク７とを重ね合せ
る。コイルばね２４を装填したねじ２３を穴２２に入
れ、ねじ止めによって配線基板４とヒートシンク７とを
ボス２０の上に固定する。図２に示しているように半導
体パッケージ１は配線基板４とヒートシンク７との間に
挟まれているので、半導体パッケージ１はばね２４の力
によって押圧されている。

【００１８】半導体パッケージ１を配線基板４に実装す
ると、半田バンプ９の熔融ばらつきによって半導体チッ
プ２の表面高さは、実装高さばらつき（０．５ｍｍ程
度）を持つようになる。ねじ２３を完全にねじ込むこと
によって、配線基板４を筐体底面１１に固定している
が、実装ばらつきが最大の半導体パッケージ１の場合に
も、ばね止めボス２５と配線基板４との間には隙間がで
きる寸法に設計している。この構成により、半導体パッ
ケージ１は所定の範囲の押圧力で、ヒートシンク７と配
線基板４との間に狭持される。

【００１９】半導体チップ２の寸法は、高さ０．８５ｍ
ｍ、幅１１．５ｍｍ、奥行き９．２ｍｍの立方体であ
が、周囲を封止樹脂５によって覆われてチップ基板３と
接着されているので、半導体チップ２は完全な立方体形
状ではない。

【００２０】熱伝導シート６は開口部を有し、開口部の
中に半導体チップ２を収納するよう構成し、開口部の外
周はチップ基板３と同じ面積を持つ。熱伝導シート６は
シリコン系の樹脂であり、熱伝導シートとして熱伝導
率、硬さ、厚み等異なるものが市販されている。熱伝導
性グリス１０も放熱用ととして市販されているものであ
り、熱伝導率、粘度等異なるものを入手することができ
る。

【００２１】上記説明した構成の半導体パッケージ１の
組立て方法と、放熱作用について説明する。

【００２２】配線基板４の上に実装した半導体パッケー
ジ１の周囲に熱伝導シート６を装着する。次に、半導体
チップ２の頭部に熱伝導性グリス１０を薄く塗布し、ね
じ穴２１と、穴２６と、穴２２とを位置合わせし、配線
基板４と、ヒートシンク７とを重ね合せる。コイルばね
２４を装填したねじ２３を穴２２に入れ、ねじ止めによ
って配線基板４とヒートシンク７とをボス２０の上に固
定すると、図２の放熱構造が得られる。半導体パッケー
ジ１に加わる荷重は、ばね２４によって０．８ｋｇ〜
１．４ｋｇの範囲に収められている。

【００２３】実施の形態１における半導体パッケージの
放熱構造は、下記の特徴を有する。 （１）半導体パッケージ１からヒートシンク７への熱伝
導路は、半導体チップ２の頭部から熱伝導性グリス１０
を経由するもの、半導体チップ２の側面から熱伝導シー
ト６を経由するもの、チップ基板３から熱伝導シート６
を経由するもの３通りの経路があること。 （２）半導体パッケージ１に加わる荷重は、ばね２４に
よって均一化されており、かつ荷重をパッケージ基板３
全面積で受けるので、半導体チップ２に機械的損傷を及
ぼすことが少ないこと。

【００２４】次に、上記半導体パッケージ放熱構造に通
電して、半導体チップ２の内部温度を測定した結果を表
１に掲げる。

【００２５】

【表１】 表１は、市販されているモバイルパソコンより半導体パ
ッケージ（ＣＰＵ）を取り外し、代わりにサーマルパッ
ケージを取り付けたときの温度上昇の実測データであ
る。サーマルパッケージの構造は、寸法、熱特性がＣＰ
Ｕに似せて作られており、内部に抵抗を内蔵している。
直流を通電することによって、ＣＰＵパッケージを使用
したときと同様な温度測定結果が得られる。

【００２６】表１において使用した熱伝導性グリスは、
Ｇ７６５（信越化学工業、熱伝導率２．８Ｗ／ｍＫ）で
ある。熱伝導シートは２種類を用いた。表１で熱伝導シ
ート１と表記したものは、商品名サーコンＧＲ−ｉ（富
士高分子工業、熱伝導率５．６Ｗ／ｍＫ）、熱伝導シー
ト２と表記したものは、商品名ＦＳＢ−Ａ（電気化学工
業、熱伝導率８．０Ｗ／ｍＫ）である。ヒートシンクと
サーマルパッケージとの間の隙間に存在する熱伝導性グ
リスの厚みは、１００μｍ以下である。ＣＰＵ表面温度
は、サーマルパッケージに内蔵した表面近傍のセンサー
温度である。

【００２７】測定はモバイルパソコンの使用状態とし、
室温、事務机上に液晶パネルを開いた状態に置き、所定
のファン回転数とした。発熱量１０．２Ｗより実験を開
始し、飽和温度を測定した。温度上昇が飽和した時点で
順次発熱量を増加させ、各発熱量に対する飽和温度を測
定した。

【００２８】表１において、左より２番目欄、グリス塗
布のみとは、熱伝導シートを使用しない場合であり従来
技術での測定結果である。左より３番目欄〜５番目欄は
実施の形態１の放熱構造であり、３番目欄は、ｔ＝０．
７ｍｍの熱伝導シート１を、４番目欄は、ｔ＝０．９ｍ
ｍの熱伝導シート１を、５番目欄は、ｔ＝０．９ｍｍの
熱伝導シート２を使用した場合である。表１の３〜５番
目欄の数値は、従来技術による飽和温度と実施の形態１
による飽和温度との差である。

【００２９】表１より、以下のことが明らかである。 （１）従来の放熱構造に比較して、０．５〜１．２℃飽
和温度をさげることができる。 （２）熱伝導率の高い熱導電シートを使用すると放熱効
果が大きい。 （３）熱導電シートの厚みによって放熱効果が異なり、
半導体チップの背の高さよりやや厚めのものがよい。な
お、実施の形態１の半導体チップ２の背の高さは０．８
５ｍｍであるが、厚みが０．７ｍｍの熱導電シートの場
合でも封止樹脂５によって底上げされて、半導体チップ
２の周辺部では熱導電シートの方が背が高いものと思わ
れる。 （４）発熱量が大きくなるに従い従来飽和温度と、本発
明の飽和温度との温度差が小さくなっているが、ヒート
シンクの冷却能力が限界に達したための現象であり、ヒ
ートシンク冷却能力を、ファンの回転数を増加するなど
して大きくすれば、従来と本発明との放熱効果の差はさ
らに顕著となるものと思われる。

【００３０】表１では従来例と比較した場合、最大１．
２℃の放熱効果が得られた。１．２℃の放熱効果は、従
来例の放熱構造でファンの回転数を２００ｒｐｍ程度早
くするのと同レベルの効果である。即ち、本発明の放熱
構造は、ファン回転数を遅くでき、これによりファンの
騒音を小さくでき（約１．５ｄＢと見積もられる）、か
つファンの駆動電圧を下げることができる（約０．２５
Ｖ見積もられる）ので、消費電力削減となり、バッテリ
ー駆動時間を延長することができる。

【００３１】なお、実施の形態１の熱導電シートは厚み
が均一のものを使用したが、封止樹脂の厚み分、熱導電
シートの下部に面取り処理をすれば、押圧力を均一にす
ることができ、さらに好結果が得られる。

【００３２】また、半導体パッケージに加える荷重は、
熱導電シートに荷重を加えたとき、熱導電シートの上面
が略半導体チップの表面高さにするのが適正荷重であ
る。

【００３３】なお、実施の形態では半導体パッケージと
して、モバイル用のＣＰＵについて説明したが、金属パ
ッケージ、樹脂モールドパッケージ等についても、本発
明が効果があることは言うまでもない。

【００３４】また、ばね手段としてコイルばねを説明し
たが、コイルばねのかわりに、他のばねや弾性体を使用
しても同様な結果が得られる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、半導体パッケージとヒ
ートシンクの間の熱伝達効率を向上させることができ、
高性能、高発熱の半導体パッケージ対応した放熱構造を
とることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１における半導体パッケージの放熱
構造を示す斜視図

【図２】実施の形態１における半導体パッケージの放熱
構造の断面図

【図３】実施の形態１における放熱構造のばね手段の要
部を示す拡大断面図

【図４】半導体パッケージの構造の一例を示す断面図

【図５】従来の半導体パッケージにおける放熱構造の一
例を示す断面図

【図６】従来の半導体パッケージにおける放熱構造の他
の一例を示す断面図（ａ）熱伝導シートの断面図 （ｂ）放熱構造の断面図

【符号の説明】

１ 半導体パッケージ ２、５１ 半導体チップ ４、５６ 配線基板 ６、６０ 熱伝導性シート ７、５７ ヒートシンク １０、５８ 熱伝導性グリス

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｄ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体チップを実装する配線基板と、前記
   半導体チップの周囲を取巻く弾性を有する熱伝導体と、
   半導体チップの上表面に塗布した熱伝導性グリスと、前
   記熱伝導性グリスと対向するヒートシンクと、前記ヒー
   トシンクと前記配線基板との間に設けたばね手段とより
   なることを特徴とする半導体パッケージの放熱構造。
2. 【請求項２】熱伝導体の厚みが、半導体チップの背の高
   さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体
   パッケージの放熱構造。
3. 【請求項３】配線基板の筐体底面に設けたボスを基準と
   して、配線基板とヒートシンクの間にばね手段を設けた
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージの
   放熱構造。