JP2017123379A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部からの熱を効率良く放熱部に伝導させること。【解決手段】回路基板１０と、前記回路基板上に実装されるＣＰＵ１２と、前記ＣＰＵが発生した熱を前記ＣＰＵから吸熱する吸熱面２４と、吸熱した熱をペルチェ効果により放熱する放熱面２６と、を有するペルチェ素子部１４と、前記放熱面が放熱した熱をさらに放熱する放熱部３２と、前記放熱面が放熱した熱を前記放熱部に伝導させる第１の熱伝導層３０と、前記放熱面に密着するとともに、前記第１の熱伝導層を保持する第１の保持基板２８と、を備える半導体装置。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。

回路基板上にＣＰＵ（Central Processing Unit）などの発熱部が実装された半導体装置は、信頼性などの点から、優れた放熱性を有することが望ましい。そこで、発熱部がペルチェ素子を介してヒートシンクに接続された半導体装置（例えば、特許文献１）や、発熱部が放熱フィンを備えた放熱体に液体ヒートシンクを介して接続された半導体装置（例えば、特許文献２）が知られている。また、伝熱プレートが膨張黒鉛フォイルとペルチェ素子とを介してクーラー装置に接続された冷却ユニットが知られている（例えば、特許文献３）。

特開２０１０−１４０１９４号公報 特開平４−２８４６５４号公報 特開２０１５−６０８４６号公報

回路基板上に発熱部が実装されると、回路基板と発熱部との熱膨張率の差によって、発熱部に反りが発生する。発熱部上にペルチェ素子部と放熱部とが設けられた構成では、発熱部の反りの影響によって、発熱部が発生する熱が放熱部に伝導され難くなることがある。

本半導体装置は、ペルチェ素子が有する保持基板と放熱部（ヒートシンク）間の隙間を無くすことにより、発熱部からの熱を効率良く放熱部に伝導させることを目的とする。

本明細書に記載の半導体装置は、回路基板と、前記回路基板上に実装される発熱部と、前記発熱部が発生した熱を前記発熱部から吸熱する吸熱面と、吸熱した熱をペルチェ効果により放熱する放熱面と、を有するペルチェ素子部と、前記放熱面が放熱した熱をさらに放熱する放熱部と、前記放熱面が放熱した熱を前記放熱部に伝導させる第１の熱伝導層と、前記放熱面に密着するとともに、前記第１の熱伝導層を保持する第１の保持基板と、を備える。

本明細書に記載の半導体装置によれば、ペルチェ素子が有する保持基板と放熱部（ヒートシンク）間の隙間を無くすことにより、発熱部からの熱を効率良く放熱部に伝導させることができる。

図１は、比較例１に係る半導体装置を示す断面図である。 図２は、実施例１に係る半導体装置を示す断面図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図５は、比較例２に係る半導体装置を示す断面図である。 図６は、実施例２に係る半導体装置を示す断面図である。 図７（ａ）から図７（ｄ）は、実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図８（ａ）から図８（ｄ）は、実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

まず、比較例１に係る半導体装置について説明する。図１は、比較例１に係る半導体装置５００を示す断面図である。図１のように、比較例１の半導体装置５００は、回路基板５０上に、例えばリフロー半田付けによって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５２が実装されている。回路基板５０は、例えばガラスエポキシなどの有機材質の部材で形成され、ＣＰＵ５２は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成されている。ガラスエポキシの熱膨張率は４０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｓｉの熱膨張率は４．６ｐｐｍ／Ｋである。このように、回路基板５０とＣＰＵ５２とは熱膨張率の差が大きいため、回路基板５０上にＣＰＵ５２を高温でリフロー半田付けをし、その後室温に戻ると、回路基板５０及びＣＰＵ５２に反りが発生する。例えば、回路基板５０及びＣＰＵ５２は凸状に反った形状となる。

ＣＰＵ５２上に、ペルチェ素子部５４が設けられている。ペルチェ素子部５４は、交互に配置したＰ型半導体５６及びＮ型半導体５８と、Ｐ型半導体５６及びＮ型半導体５８を挟む金属電極６０、６２と、を有する。金属電極６０の下面が、熱を吸熱する吸熱面６４となり、金属電極６２の上面が、吸熱面６４で吸熱した熱をペルチェ効果によって放熱する放熱面６６となる。複数の金属電極６０の吸熱面６４は、ＣＰＵ５２に密着している。このため、ペルチェ素子部５４は、ＣＰＵ５２の反りの影響を受け、凸状に反った形状となっている。

金属電極６２の放熱面６６に密着して、セラミック基板６８が設けられている。セラミック基板６８は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されている。セラミック基板６８は、複数の金属電極６２に密着している。このため、セラミック基板６８は、ペルチェ素子部５４の反りの影響を受け、凸状に反った形状となっている。

セラミック基板６８上に、放熱部（ヒートシンク）７０が設けられている。放熱部７０の下面は平坦形状をしていて、セラミック基板６８の上面は凸状に反った形状をしているため、セラミック基板６８と放熱部７０との間に隙間７２が生じている。

このように、比較例１の半導体装置５００では、セラミック基板６８と放熱部７０との間に隙間７２が生じている。このため、ＣＰＵ５２で発生した熱は放熱部７０に伝導され難い。これにより、ＣＰＵ５２の温度が上昇し、ＣＰＵ５２に動作不良や破壊が生じて信頼性が低下することが起こり得る。また、セラミック基板６８の弾性率は比較的高いため（ＡｌＮの弾性率：３２０ＧＰａ）、セラミック基板６８は反りによる応力によって割れる恐れがある。セラミック基板６８に割れが生じると、ＣＰＵ５２で発生した熱の放熱部７０への伝導がさらに悪くなってしまう。

図２は、実施例１に係る半導体装置１００を示す断面図である。図２のように、実施例１の半導体装置１００は、回路基板１０上に、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）をリフロー半田付けすることで、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２が実装されている。回路基板１０の厚さは、例えば２ｍｍであり、ＣＰＵ１２の厚さは、例えば０．５ｍｍである。回路基板１０は、例えばガラスエポキシなどの有機材質の部材で形成され、ＣＰＵ１２は例えばＳｉで形成されている。このため、比較例１の半導体装置５００と同様、回路基板１０とＣＰＵ１２との熱膨張率の差によって、回路基板１０及びＣＰＵ１２は凸状に反った形状となる。リフロー後のＣＰＵ１２の反り量は、室温（例えば２５℃）で例えば１３０μｍ程度、８０℃の温度で例えば１１０μｍ程度である。リフロー後の回路基板１０の反り量は、室温（例えば２５℃）で例えば２４０μｍ程度、８０℃の温度で例えば２００μｍ程度である。

ＣＰＵ１２上に、ペルチェ素子部１４が設けられている。ペルチェ素子部１４は、交互に配置されたＰ型半導体１６、Ｎ型半導体１８と、Ｐ型半導体１６及びＮ型半導体１８を挟んで設けられた金属電極２０、２２と、を有する。金属電極２０、２２は、例えば銅（Ｃｕ）で形成されている。金属電極２０の下面が、熱を吸熱する吸熱面２４となり、金属電極２２の上面が、吸熱面２４で吸熱した熱をペルチェ効果によって放熱する放熱面２６となる。吸熱面２４は、ＣＰＵ１２が発生した熱を吸熱する。放熱面２６は、吸熱面２４で吸熱したＣＰＵ１２が発生した熱をペルチェ効果によって放熱する。

金属電極２０の吸熱面２４は、ＣＰＵ１２の上面に密着している。複数の金属電極２０は、１つ１つの面積が小さいため、ＣＰＵ１２の反りに対応してＣＰＵ１２の上面に密着している。例えば、複数の金属電極２０の全てが、ＣＰＵ１２の上面に密着している。複数の金属電極２０がＣＰＵ１２の上面に密着しているため、ペルチェ素子部１４は、ＣＰＵ１２の反りの影響を受け、凸状に反った形状となっている。

ペルチェ素子部１４上に、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミック基板からなる保持基板２８が設けられている。保持基板２８は、複数の金属電極２２の放熱面２６に密着している。例えば、保持基板２８は、複数の金属電極２２の全てに密着している。保持基板２８が複数の金属電極２２に密着していることで、複数の金属電極２２がばらばらにある場合に比べて、取り扱いが容易となる。また、保持基板に窒化アルミニウムのような熱伝導に優れる材料を用いることで、放熱部３２へさらに放熱することも可能になる。保持基板２８の厚さは、例えば１．５ｍｍである。保持基板２８は、複数の金属電極２２の放熱面２６に密着しているため、ペルチェ素子部１４の反りの影響を受け、凸状に反った形状となっている。

保持基板２８上に、熱伝導層３０が保持されている。熱伝導層３０の下面は、保持基板２８の上面に密着していて、保持基板２８の凸状の反りに対応した形状となっている。熱伝導層３０の上面は、平坦形状をしている。熱伝導層３０は、例えば膨張黒鉛で形成されている。熱伝導層３０の厚さは、中央付近で例えば０．２ｍｍ、端付近で例えば０．３３ｍｍである。

熱伝導層３０上に、放熱部（ヒートシンク）３２が設けられている。放熱部３２は、ペルチェ素子部１４の放熱面２６が放熱した熱をさらに放熱する役割を担う。放熱部３２の下面は、平坦形状をしている。保持基板２８と放熱部３２との間に設けられた熱伝導層３０は、下面が保持基板２８の凸状の反りに対応して反った形状をし、上面が平坦形状をしている。このため、保持基板２８と放熱部３２との間に隙間が生じることが抑制されている。

次に、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図３（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）のように、回路基板１０上に、例えばリフロー半田付けによってＣＰＵ１２を実装する。ＣＰＵ１２を実装した後では、上述したように、回路基板１０及びＣＰＵ１２に凸状の反りが発生する。回路基板１０上へのＣＰＵ１２の実装と並行して、ペルチェ素子部１４の放熱面２６に保持基板２８を接合させた部材を準備する。保持基板２８は例えばＡｌＮで形成され、ペルチェ素子部１４の金属電極２２は例えばＣｕで形成されている。このため、保持基板２８と金属電極２２とは熱膨張率の差があまり大きくなく（ＡｌＮの熱膨張率：４．６ｐｐｍ／Ｋ、Ｃｕの熱膨張率：１６．５ｐｐｍ／Ｋ）、反りの発生は抑制される。つまり、保持基板２８及びペルチェ素子部１４は、殆ど平坦な形状をしている。

図３（ｂ）のように、ペルチェ素子部１４の吸熱面２４をＣＰＵ１２に接合させる。上述したように、複数の金属電極２０それぞれの面積は小さいため、複数の金属電極２０はＣＰＵ１２の反りに対応してＣＰＵ１２に接合される。これにより、ペルチェ素子部１４及び保持基板２８は、ＣＰＵ１２の反りの影響を受け、凸状に反った形状となる。

図３（ｃ）のように、枠体４０に設けた凹部４２に溶融した金型の原料（例えばプラスチックなど）を流し込み、その後、金型の原料に保持基板２８の上面を押し当てる。これにより、保持基板２８の反り形状を反映した転写用金型４４が形成される。

図４（ａ）のように、転写用金型４４が形成された凹部４２に溶融した金型の原料を流し込んだ後、上から押し板４６を押し当てる。これにより、保持基板２８の反り形状と同じ形状をした金型４８が形成される。なお、転写用金型４４の表面や凹部４２の側面に予め離型剤を塗布しておくことで、金型４８を凹部４２から容易に取り出すことができる。

図４（ｂ）のように、トムソン型４７に設けた凹部４９に金型４８を設置した後、当て板４５を用いて膨張黒鉛シートを金型４８側にプレスする。凹部４９にはトムソン刃が設置されているため、膨張黒鉛シートは所望のサイズに切断される。これにより、保持基板２８の反りに沿った形状をした下面と平坦な上面とを有する熱伝導層３０が形成される。

図４（ｃ）のように、保持基板２８の上面に、例えば導電性接着剤を用いて熱伝導層３０の下面を接合させる。熱伝導層３０の下面は、保持基板２８の反りに沿った形状をしているため、保持基板２８と熱伝導層３０とは隙間無く接合される。その後、熱伝導層３０の上面に、例えば導電性接着剤を用いて放熱部３２の下面を接合させる。熱伝導層３０の上面と放熱部３２の下面とは共に平坦形状をしているため、熱伝導層３０と放熱部３２とは隙間無く接合される。以上の工程により、実施例１の半導体装置１００を形成することができる。

実施例１によれば、ペルチェ素子部１４の放熱面２６が放熱した熱を放熱部３２に伝導させる熱伝導層３０が、ペルチェ素子部１４の放熱面２６に密着した保持基板２８で保持されている。つまり、保持基板２８と放熱部３２との間に熱伝導層３０が設けられている。これにより、保持基板２８と放熱部３２との間に隙間が形成されることを抑制でき、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させる点から、熱伝導層３０の下面は保持基板２８に密着して保持基板２８の反りに対応して反った形状をし、熱伝導層３０の上面は放熱部３２の下面に密着して平坦形状をしていることが好ましい。

また、実施例１によれば、金属電極２０の吸熱面２４は、ＣＰＵ１２に密着している。上述したように、金属電極２０の１つ１つは面積が小さいことから、複数の金属電極２０がＣＰＵ１２の反りに対応してＣＰＵ１２に密着することができる。また、ＣＰＵ１２の動作などに伴う温度変化によってＣＰＵ１２の反り量が変化した場合でも、ＣＰＵ１２の反りの変化に追随することができる。よって、ＣＰＵ１２からの熱を効率良くペルチェ素子部１４に伝導させることができる。

また、実施例１によれば、熱伝導層３０の下面は保持基板２８の上面全面に密着している。このため、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。また、熱伝導層３０の上面全面が放熱部３２に密着しているため、この点においても、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。

また、実施例１によれば、熱伝導層３０は、膨張黒鉛で形成されている。膨張黒鉛は、弾性率が比較的低いため（膨張黒鉛の弾性率：１３．５ＧＰａ）、ＣＰＵ１２の動作などに伴う温度変化によって保持基板２８の反り量が変化した場合でも、熱伝導層３０は保持基板２８の反りの変化に追随することができる。よって、保持基板２８と放熱部３２との間に隙間が発生することを抑制できる。また、熱伝導層３０が保持基板２８の反りの変化に追随することで、保持基板２８にかかる反りによる応力を緩和させることができ、保持基板２８が割れることを抑制できる。

このように、熱伝導層３０は、低弾性率の部材で形成される場合が好ましく、温度変化に伴う保持基板２８の反り量の変化に追随できる部材で形成される場合が好ましい。例えば、熱伝導層３０は、弾性率が９．８ＧＰａ〜１６．８ＧＰａの人造黒鉛で形成される場合でもよい。熱伝導層３０は、保持基板２８（ＡｌＮ：弾性率が３２０ＧＰａ）よりも弾性率の低い部材で形成される場合が好ましい。熱伝導層３０は、保持基板２８の弾性率の１／５以下の弾性率の部材で形成される場合が好ましく、１／１０以下の弾性率の部材で形成される場合がより好ましい。

また、ＣＰＵ１２が発生した熱は熱伝導層３０を介して放熱部３２に伝導することから、熱伝導層３０は、高熱伝導率の部材で形成される場合が好ましい。膨張黒鉛及び人造黒鉛は、熱伝導率が比較的高い（膨張黒鉛の熱伝導率：１３９Ｗ／ｍ・Ｋ、人造黒鉛の熱伝導率：１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）ため、この点においても適している。熱伝導層３０は、保持基板２８（ＡｌＮ：熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率の５０％以上の熱伝導率の部材で形成される場合が好ましく、６０％以上の熱伝導率の部材で形成される場合がより好ましく、７０％以上の熱伝導率の部材で形成される場合がさらに好ましい。例えば、熱伝導層３０は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の弾性率（Ｃｕ：１２８ＧＰａ、Ａｌ：７０ＧＰａ）よりも低く且つシリコーンの熱伝導率（０．１６Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高い場合が好ましい。

また、ＣＰＵ１２の動作などに伴う温度変化を考慮して、熱伝導層３０は保持基板２８と同程度の熱膨張率の部材で形成される場合が好ましい。膨張黒鉛及び人造黒鉛は、ＡｌＮと同程度の熱膨張率を有する（膨張黒鉛の面方向の熱膨張率：４．４ｐｐｍ／Ｋ、人造黒鉛の熱膨張率：０．３ｐｐｍ／Ｋ〜１．０ｐｐｍ／Ｋ、ＡｌＮの熱膨張率：４．６ｐｐｍ／Ｋ）。このため、膨張黒鉛及び人造黒鉛は、この点においても適している。熱伝導層３０は、保持基板２８の熱膨張率の２５％以上且つ２００％以下の熱膨張率の部材で形成される場合が好ましく、５０％以上且つ１５０％以下の熱膨張率の部材で形成される場合がより好ましい。

まず、比較例２に係る半導体装置について説明する。図５は、比較例２に係る半導体装置６００を示す断面図である。図５のように、比較例２の半導体装置６００は、比較例１の半導体装置５００と同様に、回路基板５０上にＣＰＵ５２が実装されていて、回路基板５０とＣＰＵ５２とは凸状に反った形状をしている。

ＣＰＵ５２上に、セラミック基板７４、６８で挟まれたペルチェ素子部５４が設けられている。セラミック基板７４、６８は、例えばＡｌＮで形成されている。ペルチェ素子部５４の金属電極６０、６２は、例えばＣｕで形成されている。上述したように、ＡｌＮとＣｕは熱膨張率の差があまり大きくないので、金属電極６０、６２にセラミック基板７４、６８を接合させても反りはあまり発生しない。つまり、セラミック基板７４、６８及びペルチェ素子部５４は、殆ど平坦な形状をしている。セラミック基板７４は複数の金属電極６０に接合していて面積が比較的大きいため、セラミック基板７４の一部が凸状に反ったＣＰＵ５２に密着してしない。このため、セラミック基板７４とＣＰＵ５２との間に隙間７６が生じている。

セラミック基板６８上に、シリコンゴム７８が設けられている。シリコンゴム７８は、セラミック基板６８に密着していて、平坦形状をしている。シリコンゴム７８上に、放熱部７０が設けられている。放熱部７０は、シリコンゴム７８に密着している。

比較例２の半導体装置６００では、ＣＰＵ５２とセラミック基板７４との間に隙間７６が生じている。このため、ＣＰＵ５２で発生した熱は放熱部７０に伝導され難い。これにより、ＣＰＵ５２の温度が上昇し、ＣＰＵ５２に動作不良や破壊が生じて信頼性が低下することが起こり得る。

図６は、実施例２に係る半導体装置２００を示す断面図である。図６のように、実施例２の半導体装置２００は、実施例１の半導体装置１００と同様に、回路基板１０上にＣＰＵ１２が実装されていて、回路基板１０とＣＰＵ１２とは凸状に反った形状をしている。

ＣＰＵ１２上に、熱伝導層３４が設けられている。熱伝導層３４の下面は、ＣＰＵ１２の上面に密着していて、ＣＰＵ１２の凸状の反りに対応した形状となっている。熱伝導層３４の上面は、平坦形状をしている。熱伝導層３４は、例えば膨張黒鉛で形成されているが、人造黒鉛で形成されていてもよい。熱伝導層３４の厚さは、中央付近で例えば２００μｍ、端付近で例えば３３０μｍである。

熱伝導層３４上に、保持基板３６、２８で挟まれたペルチェ素子部１４が設けられている。複数の金属電極２０が保持基板３６に接合していることで、複数の金属電極２０がばらばらにある場合に比べて、取り扱いが容易となる。同様に、複数の金属電極２２が保持基板２８に接合していることで、複数の金属電極２２がばらばらにある場合に比べて、取り扱いが容易となる。保持基板３６、２８は、例えばＡｌＮセラミック基板からなる。金属電極２０、２２は、例えばＣｕで形成されている。上述したように、ＡｌＮとＣｕは熱膨張率の差があまり大きくないため、金属電極２０、２２に保持基板３６、２８を接合させても反りは殆ど発生しない。したがって、保持基板３６は、熱伝導層３４の平坦上面に、隙間を生じることなく密着している。

保持基板２８上に、熱伝導層３０ａが保持されている。熱伝導層３０ａの下面は保持基板２８に密着していて、平坦形状をしている。熱伝導層３０ａの上面も平坦形状をしている。熱伝導層３０ａは、例えば膨張黒鉛で形成されているが、人造黒鉛で形成されていてもよい。熱伝導層３０ａの厚さは、例えば２００μｍである。熱伝導層３０ａ上に、放熱部３２が設けられている。熱伝導層３０ａの上面が平坦形状であるため、放熱部３２は熱伝導層３０ａの平坦上面に、隙間を生じることなく密着している。

次に、実施例２に係る半導体装置２００の製造方法について説明する。図７（ａ）から図８（ｄ）は、実施例２に係る半導体装置２００の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）のように、回路基板１０上に、例えばリフロー半田付けによってＣＰＵ１２を実装する。ＣＰＵ１２を実装した後では、上述したように、回路基板１０及びＣＰＵ１２に凸状の反りが発生する。

図７（ｂ）のように、枠体４０に設けた凹部４２に溶融した金型の原料（例えばプラスチックなど）を流し込み、その後、金型の原料にＣＰＵ１２の上面を押し当てる。これにより、ＣＰＵ１２の反り形状を反映した転写用金型４４が形成される。

図７（ｃ）のように、転写用金型４４が形成された凹部４２に溶融した金型の原料を流し込んだ後、上から押し板４６を押し当てる。これにより、ＣＰＵ１２の反り形状と同じ形状をした金型４８が形成される。なお、転写用金型４４の表面や凹部４２の側面に予め離型剤を塗布しておくことで、金型４８を凹部４２から容易に取り出すことができる。

図７（ｄ）のように、トムソン型４７ａに設けた凹部４９ａに金型４８を配置した後、当て板４５を用いて膨張黒鉛シートを金型４８側にプレスする。凹部４９ａにはトムソン刃が設置されているため、膨張黒鉛シートは所望のサイズに切断される。これにより、ＣＰＵ１２の反りに沿った形状をした下面と平坦な上面とを有する熱伝導層３４が形成される。

図８（ａ）のように、別のトムソン型４７ｂに設けた凹部４９ｂに、当て板４５を用いて膨張黒鉛シートをプレスする。凹部４９ｂにはトムソン刃が設置されているため、膨張黒鉛シートは所望のサイズに切断される。これにより、平坦な下面と平坦な上面とを有する熱伝導層３０ａが形成される。

図８（ｂ）のように、ＣＰＵ１２の上面に、例えば導電性接着剤を用いて熱伝導層３４の下面を接合させる。熱伝導層３４の下面はＣＰＵ１２の反りに沿った形状をしているため、熱伝導層３４とＣＰＵ１２とは隙間無く接合される。

図８（ｃ）のように、ペルチェ素子部１４の吸熱面２４に保持基板３６の上面を接合させ、放熱面２６に保持基板２８の下面を接合させた部材を予め準備しておく。上述したように、保持基板３６、２８と金属電極２０、２２とは熱膨張率の差があまり大きくないため、保持基板３６、２８と金属電極２０、２２とを接合させても反りは殆ど発生しない。熱伝導層３４の上面に、例えば導電性接着剤を用いて保持基板３６の下面を接合させる。熱伝導層３４の上面と保持基板３６の下面とは共に平坦形状をしているため、熱伝導層３４と保持基板３６とは隙間無く接合される。

図８（ｄ）のように、保持基板２８の上面に、例えば導電性接着剤を用いて熱伝導層３０ａの下面を接合させる。保持基板２８の上面と熱伝導層３０ａの下面とは共に平坦形状をしているため、保持基板２８と熱伝導層３０ａとは隙間無く接合される。熱伝導層３０ａの上面に、例えば導電性接着剤を用いて放熱部３２の下面を接合させる。熱伝導層３０ａの上面と放熱部３２の下面とは共に平坦形状をしているため、熱伝導層３０ａと放熱部３２とは隙間無く接合される。以上の工程によって、実施例２の半導体装置２００を形成することができる。

実施例２によれば、ＣＰＵ１２が発生した熱をペルチェ素子部１４の吸熱面２４に伝導させる熱伝導層３４が、ペルチェ素子部１４の吸熱面２４に密着してペルチェ素子部１４を保持する保持基板３６とＣＰＵ１２との間に設けられている。これにより、ＣＰＵ１２と保持基板３６との間に隙間が形成されることが抑制でき、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させる点から、熱伝導層３４の下面はＣＰＵ１２に密着してＣＰＵ１２の反りに対応して反った形状をし、熱伝導層３４の上面は保持基板３６に密着して平坦形状をしていることが好ましい。

また、実施例２によれば、熱伝導層３０ａの下面は保持基板２８の上面全面に密着し、熱伝導層３４の上面は保持基板３６の下面全面に密着している。このため、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。また、熱伝導層３０ａの上面全面が放熱部３２に密着し、熱伝導層３４の下面がＣＰＵ１２の上面全面に密着しているため、この点においても、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。

また、実施例２によれば、熱伝導層３４は、膨張黒鉛又は人造黒鉛で形成されている。膨張黒鉛及び人造黒鉛は弾性率が比較的低いため、ＣＰＵ１２の動作などに伴う温度変化によってＣＰＵ１２の反り量が変化した場合でも、熱伝導層３４はＣＰＵ１２の反りの変化に追随することができる。よって、ＣＰＵ１２と保持基板３６との間に隙間が発生することを抑制できる。また、熱伝導層３４がＣＰＵ１２の反りの変化に追随することで、ＣＰＵ１２にかかる反りによる応力を緩和させることができ、ＣＰＵ１２が割れることを抑制できる。これに関しては、回路基板（ガラスエポキシ）に実装したＣＰＵ（Ｓｉ）上に膨張黒鉛を設けた場合と設けない場合とでＣＰＵにかかる応力を計算し、膨張黒鉛を設けることでＣＰＵにかかる応力を低減できることが確認された。また、熱伝導層３４がＣＰＵ１２の反りの変化に追随しても、保持基板２８、３６、ペルチェ素子部１４に反りは生じ難いため、保持基板２８、３６に割れは生じ難い。このように、熱伝導層３４は、低弾性率の部材で形成される場合が好ましく、温度変化に伴うＣＰＵ１２の反り量の変化に追随できる部材で形成される場合が好ましい。熱伝導層３４は、保持基板３６よりも弾性率の低い部材で形成される場合が好ましい。熱伝導層３４は、保持基板３６の弾性率の１／５以下の部材で形成される場合が好ましく、１／１０以下の部材で形成される場合がより好ましい。

また、膨張黒鉛及び人造黒鉛は熱伝導率が比較的高いため、ＣＰＵ１２が発生した熱を効率良く伝導させることができる。このように、熱伝導層３４は、高熱伝導率の部材で形成されている場合が好ましい。熱伝導層３４は、保持基板３６の熱伝導率の５０％以上の熱伝導率の部材で形成される場合が好ましく、６０％以上の熱伝導率の部材で形成される場合がより好ましく、７０％以上の熱伝導率の部材で形成される場合がさらに好ましい。例えば、熱伝導層３４は、ＣｕやＡｌよりも弾性率が低く且つシリコーンよりも熱伝導率が高い部材で形成される場合が好ましい。ここで、ＣＰＵ１２の温度が２０℃の場合に、ＣＰＵ１２と保持基板３６との間に膨張黒鉛（熱伝導率：１３９Ｗ／ｍ・Ｋ）又はシリコンゴム（熱伝導率：１．１Ｗ／ｍ・Ｋ）を設けた場合での伝熱量を試算した。伝熱量は、伝熱量＝（熱伝導する面積／物体の厚さ）×熱伝導率×温度差、によって求めることができる。ここでは、熱伝導する面積をＣＰＵ１２のサイズ（２０ｍｍ×２０ｍｍ）とし、物体（膨張黒鉛又はシリコンゴム）の厚さをＣＰＵ１２の反り量（１３０μｍ）として試算を行った。試算の結果、シリコンゴムを用いた場合の伝熱量は３．６９Ｗであったのに対し、膨張黒鉛を用いた場合は４２８Ｗであった。ＣＰＵ１２の発熱量が６６Ｗであるとすると、膨張黒鉛を用いた場合の伝熱量はＣＰＵ１２の発熱量より十分大きく、ＣＰＵ１２からの発熱を効率的に伝導できることが分かる。

また、熱伝導層３０ａについても、熱伝導層３４と同様に、弾性率が比較的低く、熱伝導率が比較的高い部材で形成されることが好ましい。したがって、熱伝導層３０ａは、膨張黒鉛又は人造黒鉛で形成される場合が好ましい。これにより、何らかの理由によって保持基板２８又は放熱部３２に反りが生じた場合でも、保持基板２８と放熱部３２との間に隙間が発生することを抑制でき、ＣＰＵ１２からの熱を効率良く放熱部３２に伝導させることができる。

なお、実施例１、２では、回路基板１０及びＣＰＵ１２が凸状に反った場合を例に示したが、凹状に反っている場合でもよい。また、発熱部としてＣＰＵ１２の場合を例に示したが、その他の発熱部の場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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内において、種々の変形・変更が可能である。

なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１）回路基板と、前記回路基板上に実装される発熱部（ＣＰＵ）と、前記発熱部が発生した熱を前記発熱部から吸熱する吸熱面と、吸熱した熱をペルチェ効果により放熱する放熱面と、を有するペルチェ素子部と、前記放熱面が放熱した熱をさらに放熱する放熱部と、前記放熱面が放熱した熱を前記放熱部に伝導させる第１の熱伝導層と、前記放熱面に密着するとともに、前記第１の熱伝導層を保持する第１の保持基板と、を備える半導体装置。
（付記２）前記発熱部が発生した熱を前記ペルチェ素子部の前記吸熱面に伝導させる第２の熱伝導層と、前記吸熱面に密着するとともに、前記ペルチェ素子部を保持する第２の保持基板と、を備える付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記第１の熱伝導層の下面は前記第１の保持基板に密着して平坦形状をし、上面は前記放熱部に密着して平坦形状をし、前記第２の熱伝導層の下面は前記発熱部に密着して前記発熱部の反りに対応して反った形状をし、上面は前記第２の保持基板に密着して平坦形状をしている付記２記載の半導体装置。
（付記４）前記第１の熱伝導層の下面は前記第１の保持基板の上面全面に密着し、前記第２の熱伝導層の上面は前記第２の保持基板の下面全面に密着している付記２または３記載の半導体装置。
（付記５）前記第１の熱伝導層の上面全面は前記放熱部に密着し、前記第２の熱伝導層の下面は前記発熱部の上面全面に密着している付記２から４のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記６）前記第１の熱伝導層は、前記第１の保持基板よりも弾性率が小さく、前記第２の熱伝導層は、前記第２の保持基板よりも弾性率が小さい付記２から５のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記７）前記第１の熱伝導層及び前記第２の熱伝導層は、膨張黒鉛又は人造黒鉛からなる付記２から６のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記８）前記ペルチェ素子部の前記吸熱面は、前記発熱部に密着している付記１記載の半導体装置。
（付記９）前記第１の熱伝導層の下面は前記第１の保持基板に密着して前記第１の保持基板の反りに対応して反った形状をし、上面は前記放熱部に密着して平坦形状をしている付記８記載の半導体装置。
（付記１０）前記第１の熱伝導層の下面は前記第１の保持基板の上面全面に密着している付記８または９記載の半導体装置。
（付記１１）前記第１の熱伝導層の上面全面は前記放熱部に密着している付記８から１０のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記１２）前記第１の熱伝導層は、前記第１の保持基板よりも弾性率が小さい付記８から１１のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記１３）前記第１の熱伝導層は、膨張黒鉛又は人造黒鉛からなる付記８から１２のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記１４）前記回路基板と前記発熱部とは熱膨張率が異なる付記１から１３のいずれか一項記載の半導体装置。

１０ 回路基板
１２ ＣＰＵ
１４ ペルチェ素子部
１６ Ｐ型半導体
１８ Ｎ型半導体
２０、２２ 金属電極
２４ 吸熱面
２６ 放熱面
２８ 保持基板
３０、３０ａ 熱伝導層
３２ 放熱部
３４ 熱伝導層
３６ 保持基板

Claims (9)

1. 回路基板と、
   前記回路基板上に実装される発熱部と、
   前記発熱部が発生した熱を前記発熱部から吸熱する吸熱面と、吸熱した熱をペルチェ効果により放熱する放熱面と、を有するペルチェ素子部と、
   前記放熱面が放熱した熱をさらに放熱する放熱部と、
   前記放熱面が放熱した熱を前記放熱部に伝導させる第１の熱伝導層と、
   前記放熱面に密着するとともに、前記第１の熱伝導層を保持する第１の保持基板と、を備える半導体装置。
2. 前記発熱部が発生した熱を前記ペルチェ素子部の前記吸熱面に伝導させる第２の熱伝導層と、
   前記吸熱面に密着するとともに、前記ペルチェ素子部を保持する第２の保持基板と、を備える請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１の熱伝導層の下面は前記第１の保持基板に密着して平坦形状をし、上面は前記放熱部に密着して平坦形状をし、
   前記第２の熱伝導層の下面は前記発熱部に密着して前記発熱部の反りに対応して反った形状をし、上面は前記第２の保持基板に密着して平坦形状をしている請求項２記載の半導体装置。
4. 前記第１の熱伝導層は、前記第１の保持基板よりも弾性率が小さく、
   前記第２の熱伝導層は、前記第２の保持基板よりも弾性率が小さい請求項２または３記載の半導体装置。
5. 前記第１の熱伝導層及び前記第２の熱伝導層は、膨張黒鉛又は人造黒鉛からなる請求項２から４のいずれか一項記載の半導体装置。
6. 前記ペルチェ素子部の前記吸熱面は、前記発熱部に密着している請求項１記載の半導体装置。
7. 前記第１の熱伝導層の下面は前記第１の保持基板に密着して前記第１の保持基板の反りに対応して反った形状をし、上面は前記放熱部に密着して平坦形状をしている請求項６記載の半導体装置。
8. 前記第１の熱伝導層は、前記第１の保持基板よりも弾性率が小さい請求項６または７記載の半導体装置。
9. 前記第１の熱伝導層は、膨張黒鉛又は人造黒鉛からなる請求項６から８のいずれか一項記載の半導体装置。
   

Images