JP3159040U - カーボンナノチューブ放熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な熱伝導性を有するＣｕとＭｏから成る多層の放熱基板を提供する。【解決手段】Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造を有する放熱基板又は５層以上の積層からなる放熱基板において、Ｃｕ層からＭｏ層に達するスルーホールが複数形成され、さらにＣｕ層から下層のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成され、スルーホール内にカーボンナノチューブが形成される。【選択図】図１Ａ

Description

本考案は搭載される電子部品から発生する熱を良好に放散させる放熱板に関する。

半導体素子を含む電子部品を収納するパッケージは、電子部品を直接に搭載する基板とこれにセラミックなどの枠体を取り付けた基体として構成されるのが一般的である。その基板には熱伝導性に優れた放熱部材が必要であり、またそれに搭載される電子部品との熱膨張係数、及びセラミックなどの枠体と熱膨張係数が適合していることが必要になる。

例えば、特許文献１には銅（Ｃｕ）／モリブデン（Ｍｏ）／銅（Ｃｕ）の３層から成る基板のモリブデンの体積比を変えることにより熱伝導率と熱膨張係数を制御できることが開示されている。また特許文献２には、ＣｕとＭｏを交互に５層以上積層した基板において各層の厚さを変えることにより熱伝導性を損なわずに熱膨張係数を制御できることを開示している。これらはいずれもＭｏの熱膨張係数（ＣＴＥ＝５．１×１０^−６／Ｋ）がＳｉ（ＣＴＥ＝４．２×１０^−６／Ｋ）やアルミナセラミック（ＣＴＥ＝６．５×１０^−６／Ｋ）に近いことを利用しているのであるが、Ｍｏの熱伝導率（１４２Ｗ／ｍＫ）はＣｕ（３９８Ｗ／ｍＫ）に比べて低く、ＣｕとＭｏの積層による放熱基板を製作しようとすると熱伝導性を犠牲にするか、アルミナセラミックなどとの熱膨張係数の適合性を犠牲にするかの選択になる。ちなみにＣｕの熱膨張係数は１７．８×１０^−６／ＫでアルミナセラミックやＳｉには全く適合していない。特にパッケージを製作する場合にはセラミック枠と放熱基板との高温（約８００℃）のロウ付け工程があり、耐熱性も確保しなければならないなどの制約もある。

特許文献２には半導体やアルミナセラミックに近い熱膨張係数を持つ３層構造と多層構造の放熱材の例があげられてる。３層構造についてはＣｕ（４００μｍ）／Ｍｏ（１２００μｍ）／Ｃｕ（４００μｍ）、多層構造についてはＣｕ（４００μｍ）／Ｍｏ（５０μｍ）／Ｃｕ（４００μｍ）／Ｍｏ（５０μｍ）／Ｃｕ（４００μｍ）である。これら両者の熱伝導性については特に言及されていないが、Ｍｏの熱伝導率が低いことから３層構造の熱伝導性は多層構造に比べて低いことは明らかである。しかし製作面では３層構造が簡便であることも明らかである。

特開平６−２６８１１５ 特開２００７−１１５７３１

上述のように、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ及びＣｕとＭｏの多層構造による放熱基板は、ＣｕとＭｏの体積比を変えることにより熱膨張係数を電子部品やセラミックの熱膨張係数に近づけることが可能であり、電子部品収納用のパッケージとしてこれまで多く使用されてきている。しかし電力用半導体（スイッチング素子や高周波電力素子など）のような発熱素子に対しての熱伝導性は不十分であり改良する必要がある。

本考案は上記の点に鑑みてなされたもので、極めて高い熱伝導率を有するカーボンナノチューブをＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造及びＣｕとＭｏの５層以上の積層からなる基板に好適に埋め込むことにより基板が有する熱伝導性を改良するものである。なおカーボンナノチューブは一般にＣｕの１０倍の熱伝導率（約４０００Ｗ／ｍＫ）を持っていると言われており、極めて熱伝導性が良い。

本考案では、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造を有する放熱基板において、前記放熱基板上層のＣｕ層からＭｏ層に達するスルーホールが複数形成され、さらに前記放熱基板上層のＣｕ層から下層のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成され、前記スルーホール内にカーボンナノチューブが形成されたことを特徴とする。

また最上層と最下層をＣｕ層とし、Ｃｕ層とＭｏ層が交互に５層以上積層された放熱基板において、放熱基板最上層の第１のＣｕ層から下層側の第２のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成され、前記スルーホール内にカーボンナノチューブが形成されたことを特徴とする。

前述の放熱基板において、放熱基板最上層の第１のＣｕ層から下層側の第３のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成されたことを特徴とする。

以上の放熱板構造を採用することにより、カーボンナノチューブの極めて高い熱伝導性を利用することができ、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ構造及び多層構造の放熱基板が有する熱膨張係数を変えずに熱伝導性が改良できる。

本考案の実施形態における放熱基材の例を示す断面図 本考案の実施形態における放熱基材の例を示す外観図 本考案の実施形態における放熱基材の別の実施例を示す断面図 本考案の実施形態における放熱基材の別の実施例を示す断面図 本考案の実施形態における放熱基材の別の実施例を示す断面図 本考案の実施形態における放熱基材の別の実施例を示す外観図 本考案の放熱基材を使用したパッケージの概略断面図

以下、本考案の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１Ａは本考案の一つの実施形態を示しており、図１Ｂに示すａ−ａ’の断面図である。第１のＣｕ層１、Ｍｏ層２、第２のＣｕ層３から成る３層構造の放熱基板において、第１のＣｕ層１からＭｏ層２に至るスルーホールが複数形成され、そのスルーホール内部にカーボンナノチューブ４が形成される。同様に第１のＣｕ層１から第２のＣｕ層３に至るスルーホールを複数形成し、そのスルーホール内部にカーボンナノチューブ５を形成する。特許文献１によると放熱基材の熱膨張係数を約８×１０^−６（／Ｋ）とするには、Ｃｕ（４００μｍ）／Ｍｏ（１２００μｍ）／Ｃｕ（４００μｍ）の構造となる。Ｃｕ層に比べて熱伝導率の低いＭｏ層が厚い構造となり、放熱基板の熱抵抗は良いとは言えない。なお上記の熱膨張係数はアルミナセラミック（６．５×１０^−６（／Ｋ））に近いものである。ちなみにＭｏの熱伝導率は１４２Ｗ／ｍＫ、Ｃｕは３９８Ｗ／ｍＫであり、Ｍｏの熱伝導性はＣｕに比べて低い。

図１Ｂは外観図であるが、カーボンナノチューブが埋め込まれた浅いスルーホール４と深いスルーホール５は特定の領域に複数形成するのが良いが、特定の領域とは電子部品、特に発熱のある半導体素子が実装される領域である。カーボンナノチューブが埋め込まれたスルーホール４、５は図１Ａに示すように交互に配置されるのが好ましいが、配置の方法について特に限定しなくとも本考案の目的は達成できる。

カーボンナノチューブは熱伝導率が極めて高く、一般に約４０００Ｗ／ｍＫであると言われるが、熱はカーボンナノチューブの細い線に沿って伝わり線の外には熱が伝わらない。図１Ａの放熱基板のカーボンナノチューブ４、５において、熱は基板の縦方向には極めて高い熱伝導率で伝わるが、基板の横方向には熱が伝わり難いことを意味している。一方で放熱基板の上部に発熱源がある場合、放熱性を良くするためには放熱基板全体に熱が伝わることが必要であり、放熱基板は厚い方が熱が広がり易いことになる。カーボンナノチューブ４はＭｏ（１２００μｍ）／Ｃｕ（４００μｍ）の厚い基板層に熱を伝えそして横方向に熱を伝え易くすることを目的とし、カーボンナノチューブ５は熱伝導率の良いＣｕ層３に熱を伝えることを目的としている。但しＣｕ層３は薄いため横方向に熱が十分に伝わることは期待できないため、放熱基板表面に想定される熱を直接縦方向に放熱させる役割を持つ。なお本考案で言うところのカーボンナノチューブは束状になっているものを言う。

図２ＡはＣｕ６／Ｍｏ７／Ｃｕ８／Ｍｏ９／Ｃｕ１０の５層構造からなる放熱基板の例を示している。カーボンナノチューブを埋め込んだスルーホール１１は基板最上層より第１のＣｕ層６から第２のＣｕ層８に至るように形成している。なお特許文献１によると各金属層の厚さの一例として、Ｃｕ６（４００μｍ）／Ｍｏ７（５０μｍ）／Ｃｕ８（４００μｍ）／Ｍｏ９（５０μｍ）／Ｃｕ１０（４００μｍ）がアルミナセラミックの熱膨張係数に近いものである。熱伝導性の良いＣｕ層８に熱を伝えると共にＣｕ８／Ｍｏ９／Ｃｕ１０までを含めた金属積層が比較的厚いために横方向に熱が伝わり易くなるため、カーボンナノチューブを形成しない場合に比べて放熱性は改良できる。

図２Ｂは図２Ａのカーボンナノチューブ１１の他に第３のＣｕ層１０に達するスルーホール１２を形成している例であり、図２Ａと同様の効果が期待されるが、製作がやや煩雑になる欠点がある。図２Ｂに示すように、カーボンナノチューブを埋め込んだ浅いスルーホールと深いスルーホールは交互に配置するのが好ましいが、特に限定するものではない。

ちなみに特許文献２によるとＣｕとＭｏの多数積層は、最上層と最下層がＣｕとなるようにＣｕとＭｏが交互に積層された構造を採るのが良く、本考案でも５層以上の積層基板は同じ構造に従っている。

図３Ａ、Ｂは、カーボンナノチューブが埋め込まれた複数のスルーホール領域に電解めっきなどで金属皮膜１３を形成した例である。本考案の放熱基板をパッケージに適用した場合、上記のスルーホール領域には半導体素子が半田などで実装されるため実装し易くなる利点がある。金属皮膜としてはＣｕ、Ｎｉ、Ａｕあるいはこれらの積層構造が使用できる。

以下本考案の放熱板の製作について図１Ａ、Ｂを例に簡単に記述する。先ずスルーホール４はフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより放熱基材上面にスルーホールパターンを介してエッチングで形成する。Ｃｕのエッチングは塩化第二鉄を主成分とする溶液エッチング液（ＦｅＣｌ３、Ｆｅ（ＮＯ３）３、水）を使用することができる。この後、スパッタリング法などによりＴｉＮ膜を形成し、Ｃｏ粒子の分散及びＣｏ膜を形成した後にフォトレジストを溶解してスルーホール以外のＴｉＮ膜、Ｃｏ粒子及びＣｏ膜を除去する。同様にしてフォトリソグラフィーとエッチングを使用してスルーホール５を形成し、スルーホール内部にのみＴｉＮ膜、Ｃｏ粒子の分散及びＣｏ膜を形成する。その後アセチレン及びアルゴンガスの混合ガスを用いた熱ＣＶＤ法によりスルーホール内にカーボンナノチューブを成長させる。成長したカーボンナノチューブは基板表面から伸び出しているので、フォトレジストなどの樹脂で基板表面を覆いＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃａｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で表面を研削して平坦化する。フォトレジストの代わりに電解めっきにより金属膜を形成して、ＣＭＰにより平坦化することもできる。この場合には図３Ａ、Ｂの放熱板構造が実現できる。なおＭｏのエッチング液は燐酸系（Ｈ３ＰＯ４、ＨＮＯ３）を使用することができる。

図４には本考案によるＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕの放熱板を使用してパッケージを製作した例を示す。Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕはその厚さの比によりセラミック枠１６の熱膨張係数に近くすることができるので高温でロウ付けすることが可能である。また発熱素子である半導体素子１４はカーボンナノチューブが埋め込まれたスルーホール領域の金属皮膜上に半田などて実装される。スルーホールの数は特に限定しないが、限られた領域に高い密度で形成するのは放熱板の強度を落とすことになるため配慮すべきである。

本考案はＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造の放熱板にカーボンナノチューブを埋め込み、熱伝導性を改良するものである。またＣｕとＭｏを５層以上積層した構造の放熱板の熱伝導性を改良するものである。高電力のスイッチング素子、高周波用の電力素子、高輝度ＬＥＤなどの発熱素子のパッケージに使用すると、従来構造ＣｕとＭｏの積層基板によるパッケージに比べて半導体素子の高信頼化、高性能化を図ることができる。

１、６ 第１のＣｕ層
３、８ 第２のＣｕ層
１０ 第３のＣｕ層
２、７、９ Ｍｏ層
４、１１ カーボンナノチューブが埋め込まれた浅いスルーホール
５、１２ カーボンナノチューブが埋め込まれた深いスルーホール
１３ 金属皮膜
１４ 半導体素子
１５ 配線
１６ セラミック枠
１７ リード

Claims (3)

1. Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造を有する放熱基板において、前記放熱基板上層のＣｕ層からＭｏ層に達するスルーホールが複数形成され、さらに前記放熱基板上層のＣｕ層から下層のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成され、前記スルーホール内にカーボンナノチューブが形成されたことを特徴とする放熱基板。
2. 最上層と最下層をＣｕ層とし、Ｃｕ層とＭｏ層が交互に５層以上積層された放熱基板において、放熱基板最上層の第１のＣｕ層から下層側に設けられた第２のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成され、前記スルーホール内にカーボンナノチューブが形成されたことを特徴とする放熱基板。
3. 請求項２に記載の放熱基板において、放熱基板最上層の第１のＣｕ層から下層側に設けられた第３のＣｕ層に達するスルーホールが複数形成されたことを特徴とする放熱基板。

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