JP2008028352A - 電子機器および電子機器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グラファイトの熱拡散特性を十分に活かすことが可能な電子機器を提供する。
【解決手段】電子機器１は、ＬＥＤチップ２を搭載するサブマウント３、およびＬＥＤチップ２とサブマウント３とを接合する第１のソルダ層４ａを有する発熱構造体１０と、第１の金属層６、および第１の金属層６に積層されたグラファイト層５を有する放熱構造体２０とを備え、放熱構造体１０のグラファイト層５側に発熱構造体１０が搭載されている。電子機器１は、グラファイト層５の、第１の金属層４ａが積層された面とは反対側の面に第２の金属層７を有し、第２の金属層７とサブマウント３とが第２のソルダ層４ｂで接合されることで発熱構造体１０と放熱構造体２０とが接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体からの熱をグラファイトを用いて拡散、放熱する電子機器および電子機器の製造方法に関する。

発熱性部品から発生される熱の効率的な放熱は部品の誤作動防止や、製品の長寿命化の点で極めて重要である。このため、従来から、発熱を伴う部品を有する電気および電子機器においては各種放熱材が用いられている。特に、近年、電子機器の小型化、高性能化が進むにつれて高密度に集積されたＣＰＵ、あるいはＬＥＤなどから発生する熱を効率良く逃がすため、黒鉛を主材としたグラファイトシートが用いられている。グラファイトシートは、熱伝導異方性を有しており、面方向への熱伝導性が良好であるという特性を有する。このため、グラファイトシートはＬＥＤが作動する際に発生する局所的な熱を面方向に素早く伝導し、グラファイトシートの表面、あるいはグラファイトに接合された放熱部材の有効放熱面積を拡大することができ、高い放熱効率を得ることができる。

このような特性のグラファイトシートによる熱拡散について、図６に示すＬＥＤチップを搭載した、グラファイトシートを備えた電子機器の模式的な断面図を用いて説明する。

電子機器１００は、金属層１０１およびグラファイト層１０２からなる放熱構造体１２０上に、サブマウント１０３にＬＥＤチップ１０４を搭載して構成された発熱構造体１１０を有する。ＬＥＤチップ１０４とサブマウント１０３とはＡｕＳｎ等のハードソルダ１０６ａにより接合されている。放熱構造体１２０と発熱構造体１１０とはハードソルダ１０６ａよりも融点の低いＳｎ等からなるソフトソルダ１０６ｂにより接合されている。ＬＥＤチップ１０４は不図示の樹脂により被覆されている。

以上の構造の電子機器１００における熱伝達経路の概略を以下にとおりである。

ＬＥＤチップ１０４が作動することにより発生した熱は、ハードソルダ１０６ａを介してサブマウント１０３へと伝達される。サブマウント１０３に伝達された熱はソフトソルダ１０６ｂを介してグラファイト層１０２へと伝達される。このようにして積層方向に伝達された熱は、グラファイト層１０２にて面方向に伝導される。グラファイト層１０２にて面方向に広く拡散された熱は、金属層１０１へと伝達され、金属層１０１の表面から空気中へと効率よく拡散される。

グラファイト層１０２がなく、発熱構造体１１０を金属層１０１に直接接合した場合、サブマウント１０３から金属層１０１へと伝達された熱は、面方向に伝導されるよりも主に厚さ方向へと伝導する。このため、放熱特性を向上させるために金属層１０１の面積を広くしても十分な放熱効果を得ることができなかった。

しかしながらグラファイト層１０２をサブマウント１０３と金属層１０１との間に介在させて面方向への熱伝導特性を上げてやることで金属層１０１の有効放熱面積を拡大させることが可能となり、効率よくＬＥＤ等の発熱素子を冷却することが可能となる。

また、グラファイトシートと同様に高い熱拡散特性が期待できる炭素を主材とする高熱伝導カーボン材を用いたＬＥＤパッケージが例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されたＬＥＤパッケージも、基本的構造は図６に示したものと同様である。図７に、特許文献１に開示されているＬＥＤパッケージの主要部分の断面図を示す。ＬＥＤパッケージ２１０は枠体金属ベース２１１と、ＬＥＤチップ２１２と、このＬＥＤチップ２１２に接続されるリード部材２１３を導出する絶縁部材２１４とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベース２１１の枠内にある所定位置にＬＥＤチップ２１２を高熱伝導カーボン材２１６と直に接するようろう材または接着剤で搭載して構成されている。金属ベース２１１はすり鉢状側壁部材２１８と底板部材２１９からなり、絶縁部材２１４は開口部２１５を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップ２１２は底板部材上の開口部２１５に配置した高熱伝導カーボン材２１６に直に接して搭載され、ワイヤボンディング２１７により外部導出用導電パターンを経由してリード部材２１３と接続した構造のＬＥＤパッケージである。高熱伝導カーボン材２１６は金属含浸炭素材（ＭＩＣＣ）が使用されている。具体的にはカーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させたものである。熱伝導はカーボンの二次元結晶面の格子振動で伝わり１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を示す。
特開２００６−８６３９１号公報

上述のように、グラファイトシートは面方向に高い熱伝導性を有するため、放熱材として有効である。しかしながら、炭素を主材とするグラファイトシートはハンダの濡れ性が良好とはいえず、グラファイトシート上にソルダ層を設けてサブマウントを実装するのが困難であった。このため、ソルダ層によってグラファイトシートとサブマウントとを接合することで高い熱伝達率を得られることがわかっていても、グラファイトシートとサブマウントとのソルダ層による接合を実現することができなかった。

代替方法としてサブマウントとグラファイトシートとを例えばネジ留め等により機械的に当接させたとしても微視的には大きな熱抵抗となる空気層が介在し、グラファイトシートの熱拡散特性を減殺してしまうこととなる。

サブマウントとグラファイトシートとの間に熱伝導性グリスを塗布することで空気層をなくすことは可能であるが、熱伝導性グリスの熱伝導率はソルダと比較すると小さいため、やはりグラファイトシートの熱拡散特性を活かし切ることができない。特許文献１に開示されているＬＥＤパッケージも、高熱伝導カーボン材と発熱体であるＬＥＤチップとがどのようにして熱的に接触させているのか開示されておらず、高熱伝導カーボン材の熱特性を活かしているとは言い難い。

このように、従来のグラファイトシートを有する電子機器は、発熱素子からグラファイトシートまでの間に大きな熱抵抗が存在することにより、グラファイトシートを用いたとしても所望の冷却特性を得ることができなかった。

また、グラファイトシートを有することで高い熱伝導性を得た場合、同一基板上に複数の素子等の搭載に際して問題を生じる場合が考えられる。例えば、ＬＥＤを搭載した後にコネクタをさらに搭載しようとすると、予め搭載しておいたＬＥＤ接合用のハンダがコネクタをハンダ付けするために加えた熱が高熱伝導化されたことで伝導されて溶けてしまい、ＬＥＤの位置ずれを生じてしまう場合がある。このため、高い熱伝導性を有するグラファイトシートを備えた電子機器においてＬＥＤが位置ずれを生じることなくコネクタを搭載可能な製造方法が必要となる。

そこで、本発明は、グラファイトの熱拡散特性を十分に活かすことが可能な電子機器を提供することを目的とする。

また、本発明は、高い熱伝導性を有する基板上に発熱素子およびコネクタを搭載可能な電子機器の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の電子機器は、発熱素子、発熱素子を搭載する台座、および発熱素子と台座とを接合する金属を含有する第１の接合材を有する発熱構造体と、第１の金属層、および第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、放熱構造体のグラファイト層側に発熱構造体が搭載された電子機器において、グラファイト層の、第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を有し、第２の金属層と台座とが金属を含有する第２の接合材で接合されることで発熱構造体と放熱構造体とが接合されていることを特徴とする。

上記のとおり、本発明の電子機器は、第２の金属層をグラファイト層上に設けることで発熱構造体と放熱構造体との接合を第２の接合材によるものとすることができる。すわなち、ハンダの濡れ性の良好な部材をグラファイト層上に設けることで第２の接合材として例えばソルダ層を形成することができ、よって、発熱素子からグラファイト層までの熱の伝達経路における熱抵抗を低減させることができる。これによりグラファイト層の熱拡散特性を十分に活かすことができる。

また、本発明の電子機器における第２の金属層は、銅およびアルミニウムのいずれか一方とするのが好ましい。

また、第２の金属層の、グラファイト層に面する側と反対側の表面に防錆処理が施されていると好ましい。

また、本発明の電子機器における発熱素子はＬＥＤ、ＣＰＵ、ＩＣであってもよい。

また、本発明の第１の接合材および第２の接合材はソルダ層であってもよい。

また、本発明の第１の接合材はハンダバンプまたは金バンプであってもよい。

なお、第１の接合材の融点は第２の接合材の融点よりも高いものが好ましい。

また、本発明の電子機器における台座はＡｌＮおよびＳｉＣのいずれか一方を主材とするものであってもよい。

本発明の電子機器は、発熱素子と、第１の金属層および第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、放熱構造体のグラファイト層側に発熱素子が搭載された電子機器において、グラファイト層の、第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を有し、第２の金属層上に形成された配線層と発熱素子とがハンダバンプまたは金バンプで接合されていることを特徴とする。

本発明の電子機器は、配線取り出し部を有する発熱電子素子と、第１の金属層、および第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、放熱構造体のグラファイト層側に発熱電子素子が搭載された電子機器において、グラファイト層の、第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を有し、発熱電子素子は、配線取り出し部が設けられている第１の面と、配線取り出し部が設けられていない第２の面とを有し、第２の金属層と発熱電子素子の第２の面とが接合されていることを特徴とする。

上記のとおり本発明の電子機器の発熱電子素子は、第２の面には配線取り出し部が設けられていないため、第２の金属層に、絶縁体などを介することなく直接搭載することができる。これにより、発熱電子素子と放熱構造体との間における熱抵抗を低減させることができ、グラファイト層の熱拡散特性を十分に活かすことができる。

また、本発明の電子機器の発熱電子素子は半導体素子であり、配線取り出し部は配線用ワイヤが電気的に接続されるＰ極およびＮ極であってもよい。この場合、特に半導体素子はＬＥＤであってもよい。

また、本発明の電子機器の第２の金属層と第２の面とはソルダ層によって接合されているものであってもよい。

本発明の電子機器の製造方法は、発熱素子、発熱素子を搭載する台座、および発熱素子と台座とを接合する金属を含有する第１の接合材を有する発熱構造体と、第１の金属層、および第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、放熱構造体のグラファイト層側に発熱構造体およびコネクタが搭載された電子機器の製造方法において、グラファイト層の、第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を形成し、第２の金属層と台座とを金属を含有する第２の接合材で接合する工程と、第２の接合材によって第２の金属層に接合された台座上に発熱素子を第１の接合材で接合すると同時に、放熱構造体上にコネクタを金属を含有する第３の接合材で接合する工程とを含むことを特徴とする。

上記本発明の電子機器の製造方法によれば、発熱素子とコネクタとが同時に接合されるため、各接合材としてソルダ層が用いられた場合であっても、コネクタを搭載する際の熱が発熱素子を固定しているソルダ層を溶かして位置ずれを生じてしまうことがない。

本発明の電子機器の製造方法は、発熱素子、発熱素子を搭載する台座、および発熱素子と台座とを接合する金属を含有する第１の接合材を有する発熱構造体と、第１の金属層、および第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、放熱構造体のグラファイト層側に発熱構造体およびコネクタが搭載された電子機器の製造方法において、グラファイト層の、第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を形成し、第２の金属層と台座とを金属を含有する第２の接合材で接合する工程と、放熱構造体上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層上に配線層を形成する工程と、配線層上にコネクタを金属を含有する第３の接合材で接合する工程と、絶縁層上にコネクタが第３の接合材で接合された後に、第１の金属層側から加熱することで第１の接合材を溶融させて発熱素子を台座上に接合する工程と、第１の金属層側からの加熱により第３の接合材が溶融する前に第１の金属層側からの加熱を停止する工程とを含むことを特徴とする。

第１の金属層側から加えられた熱が発熱素子を台座上に接合するための第１の接合材を溶融させるために要する時間と、コネクタを配線層に接合している第３の接合材を溶融させるために要する時間とを比較すると、後者のほうが絶縁層が介在していることで長くかかり、両者には時間差を生じる。上記本発明の電子機器の製造方法はこの時間差を利用して第３の接合材が溶融する前に加熱を停止することでコネクタを接合する第３の接合材を溶かすことなく、発熱素子を台座上に搭載することができる。

本発明によれば、グラファイト層上に第２の金属層が形成されているため、発熱素子の台座と、放熱構造体とをソルダ層により接合することができる。その結果、発熱体からグラファイト層への熱伝達が良好となり、グラファイト層の面方向への良好な熱伝導特性を十分活かして熱拡散させることができる。

また、本発明の電子機器の製造方法によれば、高い熱伝導率を有する基板上に発熱素子とコネクタとを位置ずれを生じることなく搭載することができる。

（第１の実施形態）
図１に本実施形態の電子機器１の構成を示す模式的な断面図を示す。

電子機器１は、第１の金属層６およびグラファイト層５からなる放熱構造体２０上に、サブマウント３にＬＥＤチップ２を搭載して構成された発熱構造体１０を有する。そして、発熱構造体１０と放熱構造体２０とは、グラファイト層５上に第２の金属層７が設けられていることで第２のソルダ層４ｂにより接合されている。

放熱構造体２０は、ＬＥＤチップ２からの熱を外気に拡散させるためのものであり、熱伝導性の良好な金属からなる第１の金属層６と、面方向の熱伝導性の良好なグラファイト層５とを有する。グラファイト層５は、第１の金属層６の、ＬＥＤチップ２が搭載される側の面に積層して設けられている。

発熱構造体１０において、ＬＥＤチップ２とサブマウント３とはＡｕＳｎ等の第１のソルダ層４ａにより接合されている。この発熱構造体１０は、放熱構造体２０上に積層された絶縁層３２および配線層３１に形成された窓部４０内に配置されており、配線層３１とサブマウント３とは配線用ワイヤ３３で接続されている。放熱構造体２０と発熱構造体１０とは第１のソルダ層４ａよりも融点の低い第２のソルダ層４ｂにより接合されている。ＬＥＤチップ２は不図示の樹脂により被覆されている。

次に、発熱構造体１０の各層について説明する。

サブマウント３はＬＥＤチップ２を搭載するための台座であり、熱膨張係数の差によるストレスや歪みなどが発生しないよう、ＬＥＤチップ２の基板材料と比較的熱膨張係数が近い材料として熱伝導性の良好なＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉＣ（炭化ケイ素）等、セラミックスから成る絶縁基板が用いられる。

ＬＥＤチップ２は第１のソルダ層４ａによりサブマウント３上に接合されている。第１のソルダ層４ａとしては、Ａｕを主材としたＡｕＳｎのソルダが好適である。ＡｕＳｎ（金−すず）を主材とした場合、融点は約２８０℃となる。

第２のソルダ層４ｂには第１のソルダ層４ａよりも低融点のＳｎ（すず）ベースのソルダが好適である。

次に、放熱構造体２０の各層について説明する。

第１の金属層６は例えば、銅、アルミニウムなどが用いられる。なお、銅は熱伝導率が３９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、熱拡散率は１．０〜１．４（ｃｍ²／ｓ）である。一方、アルミニウムは熱伝導率が２３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、熱拡散率は０．９（ｃｍ²／ｓ）である。

グラファイト層５は、黒鉛を主材としたグラファイトシートであり、例えば「スーパーλＧＳ（登録商標）：株式会社タイカ製」が用いられる。スーパーλＧＳ（登録商標）の場合、面方向の熱伝導率は４００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、熱拡散率は３．０〜３．２（ｃｍ²／ｓ）である。

第２の金属層７は、発熱構造体１０と放熱構造体２０との間の熱抵抗を低減させることでグラファイト層５の熱拡散特性を十分発揮できるようにするためのものである。第２の金属層７としては銅などの熱伝導性の良好な金属の薄膜を用いると好ましい。グラファイト層５とサブマウント３とをソルダ層によって接合しようとしても両者のハンダの濡れ性が良好でないため、両者をハンダにより直接接合するのは極めて困難である。そこで、本実施形態では第２の金属層７をグラファイト層５上に設けることでハンダの濡れ性を向上させている。つまり、本実施形態の電子機器１は、第２の金属層７を有することで発熱構造体１０と放熱構造体２０とを第２のソルダ層４ｂで接合させることが可能となっている。第２の金属層７および第２のソルダ層４ｂは熱伝導率が一般的に熱伝導グリスに比べ高いため、発熱構造体１０からの熱を放熱構造体２０に効率よく伝達することができる。また、第２の金属層７としては、グラファイト層５への積層の際や発熱構造体１０の接合の際の作業性が確保可能な程度でできるだけ薄く形成された薄膜とすることが好ましい。さらには、第２の金属層７に銅など酸化しやすい素材を用いる場合、熱伝達特性を維持するために金メッキなどの防錆処理を行うとより好適である。なお、第２の金属層７にアルミニウムを用いる場合、熱伝導特性は良好であるがハンダの濡れ性が良好でないため、表面にメッキ処理を行うなどしてハンダの濡れ性を向上させておく必要がある。

次に、電子機器１の製造方法についての概略を説明する。

本実施形態の電子機器１は、発熱構造体１０と放熱構造体２０とを個別に製作しておき、最後に両者を接合することで製造する。

発熱構造体１０の製作方法は以下のとおりである。サブマウント３上にＡｕＳｎからなる第１のソルダ層４ａを形成しておく。次いで第１のソルダ層４ａを溶融させておき、この状態でＬＥＤチップ２を第１のソルダ層４ａを載置する。第１のソルダ層４ａが冷却固化することでサブマウント３上にＬＥＤチップ２が搭載され発熱構造体１０が完成する。

放熱構造体２０の製作方法は以下のとおりである。

まず、第１の金属層６上にグラファイト層５を積層する。次いでグラファイト層５の、第１の金属層６が積層されている面とは反対側の面に第２の金属層７を積層し、放熱構造体２０が完成する。

次に、第２の金属層７を有する放熱構造体２０の第２の金属層７上に窓部４０が形成された絶縁層３２および配線層３１を順次積層する。

次に、窓部４０の第２の金属層７上にＳｎを主材とする第２のソルダ層４ｂを形成する。第２の金属層７はハンダの濡れ性が良好であるため、第２のソルダ層４ｂは良好な状態で第２の金属層７上に形成される。

以上のようにして形成された第２のソルダ層４ｂ上に、発熱構造体１０を、サブマウント３が第２のソルダ層４ｂに面するようにして載置し、第２のソルダ層４ｂの融点まで加熱する。なお、第１のソルダ層４ａの融点は第２のソルダ層４ｂの融点よりも高いため、当該加熱により溶融することはない。

もっとも、第２のソルダ層４ｂは第１のソルダ層４ａの融点よりも低いものに限定されるものではなく、いずれも同じ融点のソルダを用いてもよい。仮に同じ融点のソルダを用いても第１のソルダ層４ａは当該加熱により溶融することはない。これは以下の理由によるものである。

サブマウント３上には金のパターン（不図示）が形成されている。この金のパターンは、第２のソルダ層４ｂを溶融するための熱がサブマウント３を伝わることで溶融する。金のパターンは溶融すると第１のソルダ層４ａに溶け込み、これにより第１のソルダ層４ａの金の含有量が上がることとなる。金の含有量が上がると、第１のソルダ層４ａの融点は高くなる。これにより、第１のソルダ層４ａは第２のソルダ層４ｂよりも融点が高くなるので第２のソルダ層４ｂを溶融するための加熱によっても溶融することはない。

最後にサブマウント３と配線層３１とを配線用ワイヤ３３で接続して電子機器１が完成する。

次に、本実施形態の電子機器１における、ＬＥＤチップ２で発生した熱の熱伝達経路について説明する。

ＬＥＤチップ２が作動することにより発生した熱は、まず、第１のソルダ層４ａを介してサブマウント３へと伝達される。

サブマウント３に伝達された熱は第２のソルダ層４ｂを介して第２の金属層７へと伝達され、次いでグラファイト層５へと伝達される。このようにサブマウント３からグラファイト層５への熱伝達は第２のソルダ層４ｂおよび第２の金属層７を介してなされる。本実施形態の場合、第２の金属層７をグラファイト層５上に設けたことで良好な熱伝導性を有する第２のソルダ層４ｂによる発熱構造体１０と放熱構造体２０との接合を可能にしている。このため、発熱構造体１０と放熱構造体２０との間の熱抵抗を極力小さくすることができる。その結果、ＬＥＤチップ２で発生した熱をグラファイト層５に効率よく伝達することができる。

ＬＥＤチップ２からグラファイト層５まで積層方向に伝達された熱は、グラファイト層５にて面方向に伝導される。グラファイト層５にて面方向に広く拡散された熱は、第１の金属層６へと伝達され、第１の金属層６の表面から空気中へと効率よく拡散される。なお、電子機器１を他の装置に取り付けた場合は、当該装置を放熱部材として機能させ、放熱面積を拡大させることができる。例えば、電子機器１を金属製の筐体からなる照明器具本体に、第１の金属層６側が照明器具本体に当接するように取り付けた場合、第１の金属層６から照明器具本体に熱は伝達され、照明器具本体の表面から空気中へと放熱されることとなる。なお、放熱効率を高めるため、第１の金属層６を放熱フィンやヒートパイプに取り付けた場合も同様である。

グラファイト層５をサブマウント３と第１の金属層６との間に介在させて面方向への熱伝導特性を上げてやることで第１の金属層６の有効放熱面積を拡大させることが可能となり、効率よくＬＥＤ等の発熱素子を冷却することが可能となる。しかしながら、上述した従来例等、発熱構造体１０と放熱構造体２０との間の大きな熱抵抗が介在したままでは、グラファイトの特性を十分活かすことができなかった。

これに対して本願発明は、ハンダの濡れ性が高い第２の金属層７をグラファイト層５上に形成することで、第２のソルダ層４ｂによる発熱構造体１０と放熱構造体２０との接合を実現し、発熱構造体１０と放熱構造体２０との間の熱抵抗を小さく抑えることが可能となった。また、第２の金属層７は高熱伝導率の金属薄膜とすることで熱抵抗をより小さなものとしている。

ここで、本実施形態の他の構成を図２に示す。

図１に示した構成ではＬＥＤチップ２とサブマウント３とは第１のソルダ層４ａによって接合されていた。これに対して図２に示す電子機器１ｂの構成は、ＬＥＤチップ２とサブマウント３とはバンプ４ｄによってフリップチップ接合されている。バンプ４ｄはハンダバンプであってもよいし、あるいは金バンプであってもよい。なお、図１に示す構成と図２に示す構成とは第１のソルダ層４ａに代えてバンプ４ｄを用いた以外の構成は同様であるため、各部の符号は図１で用いた符号と同じ符号で示している。本構成も、ＬＥＤチップ２からの熱はバンプ４ｄを介してサブマウント３へと伝達される。その後、熱は上述した通りの経路を通り、良好に放熱される。

また、本実施形態のさらに他の構成を図３に示す。

図１の電子機器１および図２の電子機器１ｂはいずれもＬＥＤチップ２を有するものであった。これに対して図３に示す電子機器１ｃは、ＣＰＵ２ａを有するものである。すわなち、本発明は、サブマウントを介して配線層上に搭載されるＬＥＤチップを有する電子機器の他、サブマウントを介することなく配線層上にバンプにより直接フリップチップ接合されたＣＰＵあるいはＩＣ等を有する電子機器にも適用可能である。

以上、本実施形態によれば、グラファイトの面方向への高い熱拡散特性を十分活かすことできるので、電子機器における所望の冷却特性を得ることが可能となる。
（第２の実施形態）
図４に本実施形態の電子機器５１の構成を示す模式的な断面図を示す。

本実施形態の電子機器５１のＬＥＤチップ５２は、上面にＰ極５２ａと、Ｎ極５２ｂとが設けられた構成のものを用いており、サブマウントを介さず直接第２の金属層７上に実装されている。それ以外の基本的な構成は上述した第１の実施形態と同様であるため、詳細の説明は省略する。

ＬＥＤチップ５２はＰ極５２ａとＮ極５２ｂとが設けられていない下面にはハンダがなじむようにメッキ層（例えば金メッキ）が形成されており、この面を第２の金属層７に対面させソルダ層４ｃにより接合している。Ｐ極５２ａは第１の配線ワイヤ３３ａにより第１の配線層３１ａに電気的に接続されている。また、Ｎ極５２ｂは第２の配線ワイヤ３３ｂにより第２の配線層３１ｂに電気的に接続されている。

第１の実施形態では、上面にＰ極（あるいはＮ極）、下面にＮ極（あるいはＰ極）を有するＬＥＤチップ２を実装するのに適した構成を例示した。上下面にＰ、Ｎ極が配置されたＬＥＤチップ２の場合、放熱構造体２０上の第２の金属層７との絶縁を図る必要があるため、ＬＥＤチップ２はサブマウント３上に搭載された状態で第２の金属層７に実装される。このため、ＬＥＤチップ２で発生した熱は、第１のソルダ層４ａ、サブマウント３、第２のソルダ層４ｂを介して第２の金属層７へと伝達されることとなる。

これに対して本実施形態の場合、上述したようにＬＥＤチップ５２におけるＰ極５２ａおよびＮ極５２ｂがＬＥＤチップ５２の上面に形成され、下面には形成されていないため、サブマウントによる絶縁が不要である。よって、第１の実施形態においても十分に良好な放熱特性を得ることが可能であるが、本実施形態の場合、ＬＥＤチップ５２を第２の金属層７上に直接実装し、サブマウントおよび第１のソルダ層４ａを省略することで、ＬＥＤチップ５２からグラファイト層５までの熱抵抗をより低減させることができるので、グラファイトの面方向への高い熱拡散特性をより十分に活かしつつ、さらに良好な放熱特性を得ることができる。

また、第１の実施形態の場合、ＬＥＤチップ２とサブマウント３とを第１のソルダ層４ａで接合した発熱構造体１０を製造する工程が必要であった。つまり、サブマウント３に第１のソルダ層４ａを設ける工程、第１のソルダ層４ａを溶融状態にする工程、溶融状態の第１のソルダ層４ａ上にＬＥＤチップ５２に搭載した後、第１のソルダ層４ａを冷却固化させてサブマウント３とＬＥＤチップ５２とを一体化させる工程が必要であった。

これに対して本実施形態のＬＥＤチップ５２はサブマウントおよび第１のソルダ層が不要であるため、発熱構造体を作成する必要がなく、製造工程が簡略化できるととともに装置の部品点数を削減することができる。

また、サブマウントを有する発熱構造体の場合、配線ワイヤをサブマウントから引き出す必要がある。よって、配線ワイヤの接続領域を確保するため、サブマウントの面積をＬＥＤチップの面積よりも大きく形成する必要があり、この分だけ装置が大型化してしまう。

これに対して本実施形態のＬＥＤチップ５２は、実装面積がＬＥＤチップの分だけで済み、よって装置を小型化することができる。

以上、本実施形態によれば、グラファイトの面方向への高い熱拡散特性をより十分に活かすことできるので、電子機器における所望の冷却特性を得ることが可能となる。

なお、本実施形態の構成は、ＬＥＤチップが第２の金属層７に当接する面以外の面であって、かつ放熱構造体の面に、配線取り出し部となるＰ極、Ｎ極が絶縁されている構成であればよく、例えば、上面にＰ，Ｎ極を有する場合のみならず、側面にＰ，Ｎ極が形成されていてもよい。

また、本実施形態では下面に金メッキ層が形成されたＬＥＤチップをソルダ層４ｃにより第２の金属層７に接合した例を挙げたが、金メッキのパターンが形成されていない場合は、接着剤により接合するものであってもよい。
（第３の実施形態）
本実施形態では、グラファイト層および第２の金属層を備えたことで高熱伝導性を有することとなった電子機器であって、特にコネクタを備えた電子機器の製造方法に関して説明する。なお、以下の説明では第１の実施形態に示した電子機器１を例に説明する。

電子機器１に対して他の装置を電気的に接続しようとする場合、電子機器１の配線層３１と他の装置とを電線で繋ぐことが考えられる。この場合、電線を配線層３１にハンダ付けすることとなるが、上述したように電子機器１は高い熱伝導性を有する。このため、ハンダこての熱が電子機器１に奪われてしまい、十分に合金層ができず機械的に不完全なハンダ付けとなってしまう。つまり、電線を配線層３１にハンダ付けする方法は実質的には困難となる。

そこで、図５に示すように、配線層３１上に第３のソルダ層４ｅを介してコネクタ３４を搭載し、このコネクタ３４にプラグを差し込み、他の装置と電気的に接続する方法が考えられる。しかしながら、ＬＥＤチップ２がすでに搭載された状態の電子機器１にコネクタ３４をリフローハンダ付けしようとすると、溶融させようとしている第３のソルダ層４ｅだけでなく、第１のソルダ層４ａまでも溶融してしまうこととなる。そうすると、位置決めしていたＬＥＤチップ２の位置がずれ、配線用ワイヤ３３に無理な力がかかってしまうこととなる。

そこで、グラファイト層および第２の金属層を備える本発明の電子機器にコネクタを搭載する場合は、以下の方法で搭載するのが好適である。

まず、サブマウント３上に第１のソルダ層４ａを形成する。また、配線層３１上に第３のソルダ層４ｅを形成しておく。このように、第１のソルダ層４ａおよび第３のソルダ層４ｅを予め形成しておいた後に、第１のソルダ層４ａ上にＬＥＤチップ２を載せ、第３のソルダ層４ｅ上にコネクタ３４を載せる。次いで、第１のソルダ層４ａおよび第３のソルダ層４ｅを同時に加熱する。これにより、ＬＥＤチップ２が第１のソルダ層４ａによってサブマウント３にハンダ付けされると同時にコネクタ３４が第３のソルダ層４ｅによって配線層３１にハンダ付けされる。このように、ＬＥＤチップ２とコネクタ３４とを同時にハンダ付けすることで、予め載置しておいたＬＥＤチップ２がコネクタ３４のハンダ付けにより位置ずれしてしまうのを防止することができる。

また、以下の方法を採用してもよい。

まず、コネクタ３４を第３のソルダ層４ｅを介して予め配線層３１にハンダ付けしておく。次に、第１のソルダ層４ａ上にＬＥＤチップ２を載せる。この状態で、第１の金属層６の裏面（グラファイト層５が形成されていない面）側から熱を加える。そうすると、熱は、グラファイト層５、第２の金属層７、第２のソルダ層４ｂ、サブマウント３を介して第１のソルダ層４ａに伝達され、第１のソルダ層４ａが溶融し、ＬＥＤチップ２とサブマウント３との接合がなされる。第１の金属層６を裏面側から加熱すると、当然ながら、この熱は第３のソルダ層４ｅにも伝達されることとなる。しかしながら、第１の金属層６と第３のソルダ層４ｅとの間には大きな熱抵抗となる絶縁層３２が存在するため、当該熱が第１のソルダ層４ａを溶融し始めるまでに要する時間よりも第３のソルダ層４ｅを溶融し始めるまでに要する時間のほうが長くかかり、両者には時間差を生じることとなる。つまり、この時間差を利用し、第１の金属層６の裏面を加熱して第１のソルダ層４ａが溶融し、かつ第３のソルダ層４ｅが溶融を開始前に加熱を停止することでコネクタ３４を接合する第３のソルダ層４ｅを溶かすことなくＬＥＤチップ２を搭載することができる。

また、上述した各実施形態における金属層は、薄板、およびメッキ層のいずれであってもよい。特に、メッキ層の場合、ニッケルの層を形成しておき、その上に金メッキ層が形成されたものであってもよい。

本発明の第１の実施形態の電子機器の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の電子機器の他の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の電子機器のさらに他の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態の電子機器の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施形態における電子機器の製造方法を説明するための図である。 グラファイトシートを備えた電子機器の模式的な断面図である。 従来の高熱伝導カーボン材を備えたＬＥＤパッケージの一例の主要部分の断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、５１ 電子機器
２、５２ ＬＥＤチップ
３ サブマウント
４ａ 第１のソルダ層
４ｂ 第２のソルダ層
４ｃ ソルダ層
４ｄ バンプ
４ｅ 第３のソルダ層
５ グラファイト層
６ 第１の金属層
７ 第２の金属層
１０ 発熱構造体
２０ 放熱構造体
３１ 配線層
３１ａ 第１の配線層
３１ｂ 第２の配線層
３２ 絶縁層
３３ 配線用ワイヤ
３３ａ 第１の配線ワイヤ
３３ｂ 第２の配線ワイヤ
３４ コネクタ
４０ 窓部

Claims (17)

1. 発熱素子、前記発熱素子を搭載する台座、および前記発熱素子と前記台座とを接合する金属を含有する第１の接合材を有する発熱構造体と、第１の金属層、および前記第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、前記放熱構造体の前記グラファイト層側に前記発熱構造体が搭載された電子機器において、
   前記グラファイト層の、前記第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を有し、前記第２の金属層と前記台座とが金属を含有する第２の接合材で接合されることで前記発熱構造体と前記放熱構造体とが接合されていることを特徴とする電子機器。
2. 前記第２の金属層は、銅およびアルミニウムのいずれか一方からなる、請求項１に記載の電子機器。
3. 前記第２の金属層の、前記グラファイト層に面する側と反対側の表面には防錆処理が施されている、請求項１または２に記載の電子機器。
4. 前記発熱素子はＬＥＤである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子機器。
5. 前記発熱素子はＣＰＵまたはＩＣである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子機器。
6. 前記第１の接合材および前記第２の接合材はソルダ層である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電子機器。
7. 前記第１の接合材はハンダバンプまたは金バンプである、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電子機器。
8. 前記第１の接合材の融点は前記第２の接合材の融点よりも高い、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電子機器。
9. 前記台座はＡｌＮおよびＳｉＣのいずれか一方を主材とする、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電子機器。
10. 発熱素子と、第１の金属層および前記第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、前記放熱構造体の前記グラファイト層側に前記発熱素子が搭載された電子機器において、
    前記グラファイト層の、前記第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を有し、前記第２の金属層上に形成された配線層と前記発熱素子とがハンダバンプまたは金バンプで接合されていることを特徴とする電子機器。
11. 前記発熱素子はＣＰＵまたはＩＣである、請求項１０に記載の電子機器。
12. 配線取り出し部を有する発熱電子素子と、第１の金属層、および前記第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、前記放熱構造体の前記グラファイト層側に前記発熱電子素子が搭載された電子機器において、
    前記グラファイト層の、前記第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を有し、
    前記発熱電子素子は、前記配線取り出し部が設けられている第１の面と、前記配線取り出し部が設けられていない第２の面とを有し、
    前記第２の金属層と前記発熱電子素子の前記第２の面とが接合されていることを特徴とする電子機器。
13. 前記発熱電子素子は半導体素子であり、前記配線取り出し部は配線用ワイヤが電気的に接続されるＰ極およびＮ極である、請求項１２に記載の電子機器。
14. 前記半導体素子はＬＥＤである、請求項１３に記載の電子機器。
15. 前記第２の金属層と前記第２の面とはソルダ層によって接合されている、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の電子機器。
16. 発熱素子、前記発熱素子を搭載する台座、および前記発熱素子と前記台座とを接合する金属を含有する第１の接合材を有する発熱構造体と、第１の金属層、および前記第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、前記放熱構造体の前記グラファイト層側に前記発熱構造体およびコネクタが搭載された電子機器の製造方法において、
    前記グラファイト層の、前記第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を形成し、前記第２の金属層と前記台座とを金属を含有する第２の接合材で接合する工程と、
    前記第２の接合材によって前記第２の金属層に接合された前記台座上に前記発熱素子を前記第１の接合材で接合すると同時に、前記放熱構造体上に前記コネクタを金属を含有する第３の接合材で接合する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。
17. 発熱素子、前記発熱素子を搭載する台座、および前記発熱素子と前記台座とを接合する金属を含有する第１の接合材を有する発熱構造体と、第１の金属層、および前記第１の金属層に積層されたグラファイト層を有する放熱構造体とを備え、前記放熱構造体の前記グラファイト層側に前記発熱構造体およびコネクタが搭載された電子機器の製造方法において、
    前記グラファイト層の、前記第１の金属層が積層された面とは反対側の面に第２の金属層を形成し、前記第２の金属層と前記台座とを金属を含有する第２の接合材で接合する工程と、
    前記放熱構造体上に絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層上に配線層を形成する工程と、
    前記配線層上に前記コネクタを金属を含有する第３の接合材で接合する工程と、
    前記絶縁層上に前記コネクタが前記第３の接合材で接合された後に、前記第１の金属層側から加熱することで前記第１の接合材を溶融させて前記発熱素子を前記台座上に接合する工程と、
    前記第１の金属層側からの加熱により前記第３の接合材が溶融する前に前記第１の金属層側からの加熱を停止する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。

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