JP2005243824A

JP2005243824A - 冷却装置付き配線基板及びその製造方法、並びにそれを用いた部品実装済み冷却装置付き配線基板

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Publication number: JP2005243824A
Application number: JP2004050138A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Urashima; 和浩浦島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】本発明の課題は、半導体部品との線膨張係数差を効果的に縮小でき、効率の高い冷却機能を安価に実現可能な冷却装置付き配線基板及びその製造方法、並びにそれを用いた部品実装済み冷却装置付き配線基板を提供することにある。
【解決手段】上記課題を解決するため、本発明の冷却装置付き配線基板では、
実装側主表面に半導体部品を実装するための実装部を有する配線基板と、
実装部に実装される半導体部品の該実装部とは反対側の主面を被冷却面として、該被冷却面上に配置される冷却部本体を有し、且つ、該冷却部本体の内部に冷却流体の流路が形成されてなる冷却装置と、を備え、
配線基板の実装側主表面に冷却装置の冷却部本体が固定部を介して連結されてなるとともに、
配線基板の少なくとも実装側主表面を含む部分、冷却部本体及び固定部がセラミック材料にて構成されてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置付き配線基板及びその製造方法、並びにそれを用いた部品実装済み冷却装置付き配線基板に関する。

コンピュータに代表される電子機器は、文字、音声、及び画像等のマルチメディア情報を処理するため、大規模集積回路にて構成された半導体部品を装備している。この種の半導体部品は、処理速度の高速化や多機能化に伴って消費電力が増加の一途をたどり、これに比例して発熱量が増大する傾向にある。半導体部品の安定した動作を保証する上では、半導体パッケージの放熱性を高めるための冷却装置が必要不可欠となる。特にＣＰＵなどの場合、クロック周波数の増大に伴い発熱量の増加はますます著しくなり、静的な熱拡散層を介した自然放熱では冷却が追いつかなくなってきている。そこで、特許文献１〜９に開示されているごとく、熱拡散層を水冷式の冷却装置（水冷ジャケット）にて構成し、該装置の流路内に冷却用液体を循環させ、熱放散効率を高めることが行なわれている。

特開２００２−２３２１７４号公報特開２００２−３３５０９１号公報特開２００３−１２４６６５号公報特開２００２−２３２１７４号公報特開平１１−２３３６９８号公報特開２００２−６４１７０号公報特開平１０−２２７５８５号公報再表００／１６３９７号公報特開２００３−２４３５９０号公報

特許文献１〜８に開示された冷却装置は、半導体部品側からの熱伝達効率を高めるため、装置（ジャケット）本体が銅やアルミニウムなどの金属にて構成されている。しかし、この構成には次のような欠点がある。半導体部品を構成するシリコン等の半導体と比較して、冷却装置本体を構成する金属は線膨張係数が大きく、発熱・冷却を繰り返したときに、半導体部品の被冷却面と装置面との間で熱的な剪断応力が生じやすい。一般に、装置と部品との接触面は高熱伝導性のグリース層などを介して熱接続されているが、上記のような剪断応力が過剰に付加されると、装置と部品とが接触面で滑り変位してグリース層などによる熱接続が剥離により失われ、放熱効果が著しく損なわれる問題を生ずる。

本発明の課題は、半導体部品との線膨張係数差を効果的に縮小でき、効率の高い冷却機能を安価に実現可能な冷却装置付き配線基板及びその製造方法、並びにそれを用いた部品実装済み冷却装置付き配線基板を提供することにある。

課題を解決するための手段・発明の効果

上記課題を解決するため、本発明の冷却装置付き配線基板では、
実装側主表面に半導体部品を実装するための実装部を有する配線基板と、
実装部に実装される半導体部品の該実装部とは反対側の主面を被冷却面として、該被冷却面上に配置される冷却部本体を有し、且つ、該冷却部本体の内部に冷却流体の流路が形成されてなる冷却装置と、を備え、
配線基板の実装側主表面に冷却装置の冷却部本体が固定部を介して連結されてなるとともに、
配線基板の少なくとも実装側主表面を含む部分、冷却部本体及び固定部がセラミック材料にて構成されてなることを特徴とする。

また、本発明の部品実装済み冷却装置付き配線基板は、上記冷却装置付き配線基板と、実装部に実装された半導体部品と、を有することを特徴とする。

上記本発明の冷却装置付き配線基板によると、冷却装置の冷却部本体をセラミック材料にて構成している。セラミックは金属材料と比較して線膨張係数が小さく、冷却対象物である半導体部品との線膨張係数の差を、特許文献１〜８に開示された従来の冷却装置よりも縮小することができる。その結果、該線膨張係数の差に基づく半導体部品と冷却部本体との間での熱的な剪断応力が生じにくくなり、装置と部品との接触面での密着状態が、該剪断応力による滑り変位によって剥離したりする不具合を効果的に抑制でき、ひいては放熱効果を長期にわたって良好に確保することができる。

また、本発明では、配線基板の少なくとも実装側主表面を含む部分がセラミック材料にて構成されており、さらには、セラミック材料にて構成された固定部を介して冷却部本体と実装側主表面とが連結されている。このように、半導体部品との線膨張係数の差がより小さいセラミック材料を用いることで、上記のような線膨張係数の差による接触面の不具合を生じさせることなく、半導体部品を、固定された実装側主表面と冷却部本体との間に挟持することが可能となり、これによって密着状態が良好に保たれ、ひいては良好な放熱効果が確保されることになる。

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、本発明の部品実装済み冷却装置付き配線基板の一例を示す断面模式図であり、図２はその要部の拡大図である。半導体部品１は部品側端子パッド１０１を有し、配線基板２の実装部２Ｍに形成された端子接続パッドアレイ１５５に、これら部品側端子パッド１０１が半田接続部１０２を介してフリップチップ接続されることにより面実装されている。本実施形態において半導体部品１は、ＣＰＵ等のシリコン集積回路部品である。また、層や基板の主表面は、図１のごとく、半導体部品１の部品側端子パッド１０１を下側にした状態を正置状態として、該正置状態における図面上側に表れる面を第一主表面、下側に表れる面を第二主表面として統一的に記載する。

配線基板２は、セラミック材料よりなる誘電体層と、配線部を有する金属導体層とが交互に積層された構造を有するセラミック配線基板とされている。その積層体の第一主表面（実装側主表面）は実装部２Ｍを有し、その実装部２Ｍには端子接続パッドアレイ１５５が形成されている。配線基板２の第二主表面には、該基板２自身をマザーボード等の接続先基板６１に実装するためのパッドアレイ１５６（例えばＢＧＡパッドあるいはＰＧＡパッドからなる）が形成されている。配線基板２についての詳細は後述する。

図２に示すように、半導体部品１は第一主表面が被冷却面ＣＰとされ、冷却装置４により該被冷却面ＣＰが冷却されるようになっている。冷却装置４は、該被冷却面ＣＰ上に配置される冷却部本体４Ｍと、該冷却部本体４Ｍの第一主表面に接して配置される放熱部５とを有しており、冷却部本体４Ｍは配線基板２の第一主表面に固定部３を介して連結されている。冷却部本体４Ｍ及び固定部３はセラミック材料製である。また、放熱部５は全体が銅ないしアルミニウムなどの金属にて構成され、第一主表面から突出する形で複数のフィン６が一体化されている。なお、冷却部本体４Ｍは、冷却流体の流路１０を有している。冷却装置４についての詳細は後述する。

固定部３は、実装部２Ｍを取り囲むように形成することができる。具体的には、半導体部品１を取り囲むリング状に形成されており、接着ないしろう付けにより配線基板２側に固着することができる。また、ねじ止め等によっても固着させることができる。さらには、実装部２Ｍ（すなわち実装部２Ｍに実装された半導体部品１）を、固定部３及び冷却部本体４Ｍにより密閉するように構成することができる。以上のように固定部３を構成することで、機械的な衝撃が加わったときでも半導体部品１及びその接続部分を保護することができる。他方、冷却部本体４Ｍは、第二主表面側が半導体部品１の被冷却面ＣＰに圧接された状態で、接着ないしろう付けにより固定部３に固着される。また、ねじ止め等によっても固着させることができる。

セラミックは金属材料と比較して線膨張係数が小さく、シリコン集積回路からなる半導体部品１との線膨張係数の差を縮小することができる。これにより、半導体部品１が発熱／冷却されたときに、冷却部本体Ｍ４との間で熱的な膨張ないし収縮の相対変位が生じにくくなり、冷却部本体４Ｍと半導体部品１との接触面での密着状態を良好に保つことができ、ひいては放熱効果を長期にわたって良好に確保することができる。また、半導体部品１を、固定部３により固定された配線基板２の第一主表面と冷却部本体４Ｍとの間に挟持しても、線膨張係数の差が小さいために厚さ方向（主表面に対して垂直な方向）の膨張が問題とならず、これによって密着状態がより良好に保たれ、ひいてはより良好な放熱効果が確保されることになる。

なお、図２に示すように、半導体部品１の被冷却面ＣＰと、冷却装置４の冷却部本体４Ｍ（の第二主表面）との間には熱伝導性介在層２０を介在させることができる。熱伝導性介在層２０は、グリース層（例えば熱伝導性の良好なシリコーングリースを主体とし、熱伝導性を改善するために、必要に応じて適量のセラミックフィラーを配合したもの）とすることができる。なお、グリース層に代えて、熱硬化性の合成樹脂（シリコン系）接着剤や金属ろう材ないしガラス等の無機接着剤からなる接着層により、半導体部品１と冷却部本体４Ｍとを接着・固定してもよい。本発明では、半導体部品１を取り囲む配線基板２、固定部３及び冷却部本体４Ｍがセラミックで構成されているため、半導体部品１との線膨張係数の差が小さく、半導体部品１と冷却部本体４Ｍとの接触面での密着状態を良好に保つことができるため、熱伝導性介在層２０の厚さを従来よりも低減させることができる。具体的には、熱伝導性介在層２０の厚さは１ｍｍ以下とされる。さらには、図３に示すように、半導体部品１の被冷却面ＣＰと、冷却装置４の冷却部本体４Ｍとが直接接触させて、熱伝導性介在層２０を省略することもできる。

以上の本発明の部品実装済み冷却装置付き配線基板は、以下のようにして製造することができる。まず、図４の工程１に示すように、配線基板２の第一主表面（実装側主表面）に固定部３を形成する。この際、固定部３は、実装部２Ｍを取り囲むように形成され、配線基板２とともにキャビティを形成する。なお、固定部３は、接着ないしろう付け等により配線基板２に固着することができる。次に、工程２に示すように、半導体部品１を実装部２Ｍに実装する。すなわち、半導体部品１は、実装部２Ｍ（キャビティ内）において、端子接続パッドアレイ１５５と部品側端子パッド１０１とが半田接続部１０２を介して接続（フリップチップ接続）される。そしてその後、工程３に示すように、固定部３に冷却装置４の冷却部本体４Ｍを固定する。この際、半導体部品１の被冷却面ＣＰに冷却部本体４Ｍを接触させる。また、必要に応じて、半導体部品１の被冷却面ＣＰと冷却部本体４Ｍとの間にグリース層等の熱伝導性介在層２０を介在させることもできる。なお、冷却部本体４Ｍは、接着ないしろう付け等により固定部３に固定することができる。

半導体部品１がシリコン部品ないしＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である場合、室温（２０℃）から２００℃までの平均値にて、Ｓｉの線膨張係数が３ｐｐｍ／℃前後、ＧａＡｓと格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物の線膨張係数が５〜６ｐｐｍ／℃程度であることを考慮すれば、上記セラミック材料としては、室温から２００℃までの平均の線膨張係数（以下、特に断らない限り、「線膨張係数」と称する場合は該平均値のことをいう）が１０ｐｐｍ／℃以下であることが、半導体部品１と冷却部本体Ｍ４との間の線膨張係数差を十分に縮小する観点において望ましい。上記線膨張係数が１０ｐｐｍ／℃を超える材料を用いると、熱的な収縮・膨張による相対変位のため、半導体部品１と冷却部本体Ｍ４との密着に剥がれ等の不具合を生じやすくなる。

該条件を満たすセラミック材料としてはアルミナ系セラミックを例示できる。アルミナの線膨張係数は約８ｐｐｍ／℃であり、シリコン（室温から２００℃までの平均の線膨張係数：３ｐｐｍ／℃）等と比較するとやや大きいが、熱伝導率が良好でありしかも安価であるため、本発明に好適に採用できる。この場合、アルミナからなる主相の含有比率が７０質量％以上９９質量％以下であり、残部が焼結助剤成分に由来したガラス相となっている組成のものを使用することが望ましい。主相の含有比率が９９質量％を超えるとセラミックの緻密化が困難となり、７０質量％未満になると、ガラス相比率の増大により熱伝導率が低下し、アルミナ特有の高熱伝導率の利益が得られなくなる。

一方、半導体部品１との線膨張係数差をより縮小する観点においては、上記セラミック材料として、室温から２００℃までの平均の線膨張係数が１ｐｐｍ／℃以上７ｐｐｍ／℃以下のものを選定することがより望ましい。具体的には、窒化珪素系焼成セラミック（約３ｐｐｍ／℃）又は窒化アルミニウム系焼成セラミック（約４ｐｐｍ／℃）を、本発明に好適に採用することができる。この場合、窒化珪素ないし窒化アルミニウムからなる主相の含有比率が８０質量％以上９９質量％以下であり、残部が焼結助剤成分に由来したガラス相となっている組成のものを使用することが望ましい。主相の含有比率が９９質量％を超えるとセラミックの緻密化が困難となり、８０質量％未満になると、焼結助剤に由来した粒界相（ガラス相）比率が増加し、所期の線膨張係数が得られなくなる場合がある。窒化珪素ないし窒化アルミニウムは、いずれも線膨張係数がシリコンに近く、シリコン系の半導体部品１との線膨張係数差の縮小に有効である。

一方、セラミック材料としてガラス材料、具体的には、骨格成分が二酸化珪素（シリカ）であるシリカ系ガラスを使用することもできる。この場合、線膨張係数などの物性調整を行なうため、ＳｉＯ_２以外の種々のガラス添加成分を配合することができる。ガラス融点の低下には、煤溶材成分として、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯあるいはＬｉ_２Ｏなどのアルカリ金属酸化物や、Ｂ_２Ｏ_３（硼酸）を配合することが有効である。また、ＢａＯやＳｒＯなどのアルカリ土類金属酸化物を添加すると、ガラス材料の強度向上に有効である。そして、ガラスの線膨張係数の増大抑制には、ＳｉＯ_２成分の含有率を高めること（例えば７０質量％以上（１００質量％含む）、あるいはＺｎＯをガラス添加成分として配合することがそれぞれ有効である。一方、Ｔｉ、ＺｒないしＨｆの酸化物は、ガラスの強度や耐水性改善に効果がある。

シリカ系ガラス材料（酸化物系ガラス材料）は、Ｓｉ成分の含有率がＳｉＯ_２換算にて６８質量％以上９９質量％以下であり、Ｓｉ以外のカチオン成分が、室温から２００℃までの温度範囲においてＳｉＯ_２よりも線膨張係数の大きい酸化物（以下、線膨張係数調整用酸化物という）を形成する酸化物形成カチオンにて構成されることにより、室温から２００℃までの平均の線膨張係数が１０ｐｐｍ以下（望ましくは、１ｐｐｍ／℃以上７ｐｐｍ／℃以下）に調整されたものを採用することにより、（線膨張係数がＳｉＯ_２より大きい）酸化物成分の種類と含有量とに応じて、ガラス材料の線膨張係数を１ｐｐｍ／℃以上の任意の値に自由に調整できる。その結果、該ガラス材料にて構成される冷却部本体４Ｍと半導体部品１との線膨張係数の差を可及的に縮小することができ、両者の線膨張係数差に基づく熱的な剪断応力により両者の密着状態が悪化すること、ひいては熱抵抗の増大といった不具合を大幅に軽減することができ、冷却の信頼性を高めることができる。半導体部品１がシリコン半導体部品の場合、シリカ系ガラス材料の線膨張係数は１ｐｐｍ以上６ｐｐｍ以下、特に、２ｐｐｍ／℃以上５ｐｐｍ／℃以下に調整することが望ましい。他方、半導体部品１がＧａＡｓと格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる化合物半導体部品（例えばＧａＡｓ系の次世代型高速ＣＰＵやＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit））である場合、該半導体の線膨張係数が５〜６ｐｐｍ／℃程度なので、シリカ系ガラス材料の線膨張係数が４ｐｐｍ／℃以上７ｐｐｍ／℃以下に調整されていることが望ましい。

ＳｉＯ２よりも線膨張係数の大きい酸化物は、アルカリ金属酸化物（Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ：２０〜５０ｐｐｍ／℃）、アルカリ土類金属酸化物（ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ：８〜１５ｐｐｍ／℃）、ＺｎＯ（６ｐｐｍ／℃）、Ａｌ_２Ｏ_３（７ｐｐｍ／℃）など、種々例示でき、誘電特性や融点、さらにはガラス流動性などを考慮して適宜選定すればよい。なお、ＳｉＯ_２の含有率は、線膨張係数を上記範囲内のものとするために、６８質量％以上９９質量％以下（好ましくは８０質量％以上８５質量％以下）に調整し、残部を上記の線膨張係数調整用酸化物にて構成することができる。以下は、本発明に採用可能なガラス組成の具体例である：
ＳｉＯ_２：８０．９質量％、Ｂ_２Ｏ_３：１２．７質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：２．３質量％、Ｎａ_２Ｏ：４．０質量％、Ｋ_２Ｏ：０．０４質量％、Ｆｅ_２Ｏ_３：０．０３質量％
軟化点：８２１℃、線膨張係数（２０℃から２００℃までの平均値）：３．２５ｐｐｍ／℃。

冷却装置について、図２に示すように、冷却部本体４Ｍには、網目形態の流路１０への冷却流体の入口２２と出口２３とを設けることができる。この場合、図５に示すように、冷却部本体４と、その外部に設けられた凝縮器５２と循環管路５３でつなぎ、該管路５３上に設けられたポンプ５１により冷却流体を両者の間で循環させるようにする。冷却流体としては、常温常圧で液体となる流体、例えば水やアルコールが用いられ、冷却部本体４Ｍ内の流路内で半導体部品１からの発熱を吸収して気化し、管路５３を経て凝縮器５２に戻される。凝縮器５２の表面には多数のフィン５２ｆが形成され、必要に応じて図示しないファンにより強制冷却され、ここに導かれた冷却流体を冷却して再び液体に戻す。該液体はポンプ５１により再び冷却部本体４に送られ、循環する。図２の実施形態では、入口２２と出口２３とは上面側の遮蔽層１４に形成されているが、形成位置はこれに限らず、該壁部１１や底面側の遮蔽層１３に形成してもよい。この場合、入口２２と出口２３とは、入口２２から出口に至る冷却流体の経路が複数パターン生ずるように開口形成され、異物などによる詰まりを生じたときの迂回流路形成効果が高められている。また、実施形態では冷却流体の気化による吸熱効果を利用してより大きな放熱効果を得ているが、冷却流体が気化しない状態で冷却流体を循環させて使用させても構わない。

なお、図６に示すように、冷却部本体４Ｍに網目形態の流路１０を密閉空間として形成し、常温常圧にて液体となる冷却流体を該流路１０内に減圧封入することもできる。この場合、常温において流路１０内の空間の一部のみが液体状態の冷却流体１５１により満たされるようにしておく。半導体部品１の一部で発熱が生ずると、その発熱領域で液体状態の冷却流体１５１が蒸発し、冷却部本体４Ｍ内にてそれよりも低温領域（冷却領域）との間で蒸気圧差を生ずる。この蒸気圧差が駆動力となって上記低温の流路空間に該蒸気が移動し、そこで凝結して液体に戻る。このように、冷却流体１５１は、冷却部本体４Ｍ内で自己循環しながら半導体部品の冷却を行なうので、図５のように外部に凝結器５２を設ける場合と比較して、流体の冷却効率の点では一歩譲るが、ポンプ５１、凝結器５２及び循環管路５３を省略できるので、装置全体の小型化に大きく寄与する。この場合、図２のごとき入口２２及び出口２３は形成されない。

図２においては、冷却部本体４Ｍの外周縁に沿って配置される外壁部１１と、該外壁部１１の内側空間を二次元網目流路１０Ｎに仕切る仕切り壁部１２とを有する流路形成層１５が形成され、その流路形成層１５がの第一主表面側と第二主表面側とに、流路１０を該第一主表面側及び第二主表面側にてそれぞれ塞ぐ遮蔽層１３，１４が積層されている。この構造の具体的な製法について、以下に説明する。工程の概略は、図７に示すごとく、外壁部１１と仕切り壁部１２とに対応する形状にパターニングされた流路形成層１５用のセラミック粉末層１１５と、遮蔽層１３，１４用のセラミック粉末層１１３，１１４とを積層して積層体１０４を作り、該積層体１０４を焼成することにより冷却部本体４Ｍを得る、というものである。

セラミックグリーンシートは、冷却部本体４Ｍを構成するセラミック材料の原料セラミック粉末に、溶剤（アセトン、メチルエチルケトン、ジアセトン、メチルイソブチルケトン、ベンゼン、ブロムクロロメタン、エタノール、ブタノール、プロパノール、トルエン、キシレンなど）、結合剤（アクリル系樹脂（例えば、ポリアクリル酸エステル、ポリメチルメタクリレート）、セルロースアセテートブチレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなど）、可塑剤（ブチルベンジルフタレート、ジブチルフタレート、ジメチルフタレート、フタル酸エステル、ポリエチレングリコール誘導体、トリクレゾールホスフェートなど）、解膠剤（脂肪酸（グリセリントリオレートなど）、界面活性剤（ベンゼンスルホン酸など）、湿潤剤（アルキルアリルポリエーテルアルコール、ポチエチレングリコールエチルエーテル、ニチルフェニルグリコール、ポリオキシエチレンエステルなど）などの添加剤を配合して混練し、周知のドクターブレード法等によりシート状に成形したものである。

特に、遮蔽層１３，１４用のセラミック粉末層を該セラミックグリーンシートにて構成すると、該層は流路等のパターニングが不要であることから、可撓性が大きい未焼成の積層体において、強度の要部を担ういわば基材としてこれを有効に活用することができる。一方、図７では、流路形成層１５用のセラミック粉末層もセラミックグリーンシート１１５にて構成している。外壁部１１と仕切り壁部１２とのパターニングは、該セラミックグリーンシート１１５への金型打抜加工等により行なうことができる。

セラミック配線基板２は、図８に示すように、緻密化したセラミック材料からなる複数のセラミック誘電体層５０と、配線部３０、面導体５６又はパッド１５４からなる層状導体要素（以下、配線部の符号で代表させて層状導体要素３０と記載することがある）をそれぞれ有する複数の金属導体層５１とが交互に積層された積層体を有する。その積層体の第一主表面ＭＰ１には、集積回路部品として構成された電子部品としての半導体部品１を接続するための端子接続パッドアレイ１５５が形成されている。

また、セラミック配線基板２は、セラミック誘電体層５０にて隔てられた２つの金属導体層５１にそれぞれ含まれる層状導体要素３０同士が、セラミック誘電体層５０を厚さ方向に貫通して形成されたビアホール３５ｈ内部を充填するビア導体３５により互いに導通接続された構造を有する。ビア導体３５は、金属導体層５１に形成されたビア受け用のパッド１５４、ないしグランド層ないし電源層として機能する面導体５６に結合される。また、セラミック配線基板２の第二主表面には、該基板２自身をマザーボード等の接続先基板に実装するためのパッドアレイ１５６（例えばＢＧＡパッドあるいはＰＧＡパッドからなる）が形成されている。

図９に示すように、金属導体層５１を介して互いに隣接する２つのセラミック誘電体層５０は、該金属導体層の層状導体要素３０が非形成となる領域にて、平坦な貼り合わせ面１０にて結合されている。そして、それらセラミック誘電体層５０の貼り合わせ位置において層状導体要素３０が、該層状導体要素３０の一方の主表面ＭＰＬが貼り合わせ面１０と層厚方向に一致した位置関係にて形成されてなる。既に説明したごとく、この構造により、図８において、端子接続用パッドアレイ１５５が形成される基板主表面の平坦性、ひいてはパッドアレイ１５５のコプラナリティーが大幅に向上し、半導体部品１との間で接続不良等の不具合発生を低減することができる。

図９に戻り、層状導体要素３０の一方の主表面ＭＰＬを、セラミック誘電体層５０の貼り合わせ面１０と層厚方向に一致させる構造を得るには、図１１に示すごとく、セラミック誘電体層５０となる要素板材５０'を用意し、その要素板材５０'の一方の主表面側に、導体要素３０を収容する導体収容凹部３０ｈを予め確保しておく必要がある。導体収容凹部は、図１２に示すように、配線部を収容するための配線収容溝３０ｈ以外に、パッドを収容するためのパッド収容凹部１５４ｈ、さらには、図示はしていないが、面導体を収容するための面導体収容凹部として形成される。以下の説明では、配線収容溝３０ｈの符号にて代表させ、導体収容凹部３０ｈと記載することもある。また、要素板材５０'には、ビア導体を収容するためのビアホール３５ｈが、導体収容凹部３０ｈ（１５４ｈ）に連通するように、板材厚さ方向に貫通形成される。

上記セラミック配線基板２の製造工程の概略は、下記の通りである。
まず、図１３に示すように、緻密化したセラミック材料からなる単位板材５０'の板厚方向にビアホール３５ｈを形成し、また、該単位板材５０'の少なくとも一方の主表面側に、配線部３０、面導体５６又はパッド１５４からなる層状導体要素３０を収容する導体収容凹部３０ｈを形成する。さらに、ビアホール３５ｈにビア導体３５となる金属材料を充填し、導体収容凹部３０ｈに層状導体要素３０をなす金属材料を充填することにより金属充填済み単位板材５５を作製する（後述の通り、導体収容凹部３０ｈと、この内側に充填される金属材料部分との形成順序は逆転することもある）。そして、図１４又は図１５に示すように、該金属充填済み単位板材５５を板厚方向に積層して貼り合わせることにより、単位板材５０'によりセラミック誘電体層５０が形成され、層状導体要素３０により金属導体層が形成されたセラミック配線基板２を得る。図１４と図１５の工程の違いは、金属充填済み単位板材５５を熱圧着により直接貼り合わせるか、接着層５１を介して貼りあわせるか、という点にある。なお、配線基板２上に固定部３を、また固定部３上に冷却装置４の冷却部本体４Ｍを固着する際にも、同様に、熱圧着による直接貼り合わせ又は接着層を介した貼りあわせを用いることができる。

上記の方法の採用により、図９に示すごとく、層状導体要素３０の一方の主表面を、セラミック誘電体層５０の貼り合わせ面と層厚方向に一致させた構造が得られることは容易に理解できる。また、既に緻密化したセラミック材料の状態で、ビア導体３５を配置するためのビアホール３５ｈと、層状導体要素３０を充填するための凹部３０ｈとを形成し、そこに金属材料を充填する工程が採用されるため、従来のようにグリーンシート積層後における緻密化のための焼成が実施されない。つまり、積層の対象となる金属充填済み単位板材５５は、積層段階では既に収縮が終わっており、以降の工程（例えば充填した金属材料の緻密化や、単位板材の貼り合わせのための熱処理など）での大幅な寸法縮小が生じない。従って、後述の種々の方法により、単位板材５０'に導体収容凹部３０ｈやビアホール３５ｈを一旦高精度に形成してしまいさえすれば、焼成収縮の影響を受けることなく、その精度を最終的な配線基板２に引き継ぐことができる。

例えば、上記の単位板材５０'に形成された配線収容溝３０ｈに配線部３０が配置されるが、剛性の高い緻密化したセラミック板（単位板材）５０'の状態で凹部３０ｈ内に配線部３０が収容され、これを積層して貼り合わせるので、ペースト印刷パターンのように、積層時につぶれが生ずる心配はほとんどない。その結果、図１０に示すように、配線幅Ｌと配線間隔Ｓ（複数平行に隣接する配線収容溝３９ｈ間に位置する線間領域３２の幅）とは、配線収容溝３０の加工精度が許す範囲内でいくらでも縮小することができる。その結果、上記配線幅Ｌ及び配線間領域の幅Ｓはいずれも、０．１μｍ以上７０μｍ以下を実現することができる。この数値は、グリーンシート上へのパターン印刷・焼成による従来の製法では到底実現不可能であり、セラミック配線基板２のさらなる小型化あるいは高集積化に大きく貢献する。

本発明の部品実装済み冷却装置付き配線基板の一例を示す断面模式図。図１の要部断面図。図１の別例を示す要部断面図。図２の部品実装済み冷却装置付き配線基板の製造工程の詳細を示す説明図。凝縮器との間で冷却流体を循環させる冷却装置の構成例を示す模式図。冷却流体を封入し、冷却部本体内で自己循環させる冷却装置の構成例を、その製法とともに示す図。図２の冷却装置の冷却部本体の製造工程の概略を示す斜視図。本発明の適用対象となるセラミック配線基板の一例を示す断面模式図。その一部断面を拡大して示す図。配線幅と配線間領域幅の概念説明図。単位板材にビアホール及び導体収容凹部を形成する概念説明図。導体収容凹部の種々の形成パターンを例示する平面図。ビアホール及び導体収容凹部にビア導体と層状導体要素を充填形成する概念説明図。金属充填済み単位板材を熱圧着により貼り合わせる例を示す工程説明図。金属充填済み単位板材を接着層を介して貼り合わせる第二例を示す工程説明図。

符号の説明

１半導体部品
２セラミック配線基板
４冷却装置
４Ｍ冷却部本体
ＣＰ被冷却側主表面
１０流路
２２入口
２３出口
３０配線部（層状導体要素）
３０（Ｐ）金属メッキ層
３０ｈ導体収容凹部
３５ビア導体
３５（Ｐ）金属メッキ層
３５ｈビアホール
５０セラミック誘電体層
５０’ 単位板材
５０ａセラミック板材
５０ｂ’ 凹部形成用誘電体層
５１金属導体層
５６面導体（層状導体要素）
１５４パッド（層状導体要素）
１５５端子接続パッドアレイ

Claims

実装側主表面に半導体部品を実装するための実装部を有する配線基板と、
前記実装部に実装される半導体部品の該実装部とは反対側の主面を被冷却面として、該被冷却面上に配置される冷却部本体を有し、且つ、該冷却部本体の内部に冷却流体の流路が形成されてなる冷却装置と、を備え、
前記配線基板の前記実装側主表面に前記冷却装置の前記冷却部本体が固定部を介して連結されてなるとともに、
前記配線基板の少なくとも前記実装側主表面を含む部分、前記冷却部本体及び前記固定部がセラミック材料にて構成されてなることを特徴とする冷却装置付き配線基板。
請求項１に記載の冷却装置付き配線基板と、前記実装部に実装された半導体部品と、を有することを特徴とする部品実装済み冷却装置付き配線基板。
請求項２に記載の部品実装済み冷却装置付き配線基板の製造方法であって、前記配線基板の前記実装側主表面に前記固定部を形成し、前記半導体部品を前記実装部に実装した後に、当該固定部に前記冷却装置の前記冷却部本体を固定することを特徴とする部品実装済み冷却装置付き配線基板の製造方法。