JP2019114737A - 熱伝導セラミック基板 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱源の熱を効率よく伝導することができる熱伝導セラミック基板を提供する。【解決手段】発熱源の熱を別の場所へと伝導する熱伝導セラミック基板１００は、複数のセラミック層が積層されたセラミック基板１と、発熱源と接続される、セラミック基板１の一方主面１ａ側に配置された一方主面側電極３と、一方主面側電極３と接続され、セラミック基板１内に配置された第１層間接続導体３と、第１層間接続導体３と接続され、セラミック基板１の他方主面１ｂ側に配置された他方主面側電極４とを備える。第１層間接続導体３は、内部に空洞３０が形成されており、空洞３０に、蒸発と凝縮を繰り返す作動媒体３１が封入されている。【選択図】図２

Description

本発明は、発熱源の熱を別の場所へと伝導する熱伝導セラミック基板に関する。

電子部品などの発熱源の熱を別の場所へと伝導する基板が知られている。

そのような基板の一つとして、特許文献１には、複数の基材層（例えばセラミック層）を積層してなる積層体と、積層体の側面または下面に形成された端子電極と、積層体の内部に配置されたビアホール導体とを備えた多層配線基板が記載されている。ビアホール導体は、積層体に実装される電子部品と端子電極とに接続されている。そのような構成により、電子部品の熱は、ビアホール導体を介して端子電極へと伝わり、外部へと放出される。

国際公開第２００８／１１１４０８号

しかしながら、上述した多層配線基板では、電子部品の熱は、積層体の内部に配設されているビアホール導体を介して端子電極へと伝わるように構成されている。したがって、放熱効率を向上させるためには、電子部品の熱が積層体の内部を効率よく伝導する構成とすることが必要であり、その点において、更なる改良の余地がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、発熱源の熱を効率よく伝導することができる熱伝導セラミック基板を提供することを目的とする。

本発明の熱伝導セラミック基板は、
発熱源の熱を別の場所へと伝導する熱伝導セラミック基板であって、
複数のセラミック層が積層されたセラミック基板と、
前記発熱源と接続される、前記セラミック基板の一方主面側に配置された一方主面側電極と、
前記一方主面側電極と接続され、前記セラミック基板内に配置された第１層間接続導体と、
前記第１層間接続導体と接続され、前記セラミック基板の他方主面側に配置された他方主面側電極と、
を備え、
前記第１層間接続導体の内部には空洞が形成されており、
前記空洞に、蒸発と凝縮を繰り返す作動媒体が封入されていることを特徴とする。

前記空洞を形成する前記第１層間接続導体の内壁には、凹凸が形成されていてもよい。

また、前記作動媒体は、水であってもよい。

上記熱伝導セラミック基板は、前記セラミック基板内に配置され、内部が導体で充填された第２層間接続導体をさらに備えていてもよい。

前記一方主面側電極と前記他方主面側電極のうちの少なくとも一方は、前記複数のセラミック層のうちの一番外側のセラミック層内に配置され、前記セラミック層の１層分の厚みを有していてもよい。

本発明の熱伝導セラミック基板によれば、セラミック基板の内部に配置された第１層間接続導体の内部に空洞が形成され、空洞に、蒸発と凝縮を繰り返す作動媒体が封入されているので、第１層間接続導体をヒートパイプとして機能させることができ、発熱源の熱を効率よく伝導させることができる。

一実施の形態における熱伝導セラミック基板の上面図である。 図１に示す熱伝導セラミック基板をＩＩ−ＩＩ線で切断した場合の断面図である。 図２に示す熱伝導セラミック基板をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した場合の断面図である。 第１層間接続導体の内壁の拡大図である。 一実施の形態における熱伝導セラミック基板に、電子部品を実装した状態を示す上面図である。 図５に示す、マザー基板に実装された熱伝導セラミック基板をＶＩ−ＶＩ線で切断した場合の断面図である。 図５に示す電子部品５２、５３の代わりに、フラットパネルケーブルを配置した場合の上面図である。 図７に示す、マザー基板に実装された熱伝導セラミック基板をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で切断した場合の断面図である。 一実施の形態における熱伝導セラミック基板の製造方法を説明するための図である。 一実施の形態における熱伝導セラミック基板の別の製造方法を説明するための図である。

以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところを具体的に説明する。

図１は、一実施の形態における熱伝導セラミック基板１００の上面図、図２は、図１に示す熱伝導セラミック基板１００をＩＩ−ＩＩ線で切断した場合の断面図、図３は、図２に示す熱伝導セラミック基板１００をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した場合の断面図である。

熱伝導セラミック基板１００は、セラミック基板１と、一方主面側電極２と、第１層間接続導体３と、他方主面側電極４と、第２層間接続導体５とを備える。

セラミック基板１は、複数のセラミック層が積層された構造を有する。セラミック基板１の一方主面１ａには、発熱源である電子部品が実装される。ただし、発熱源が電子部品に限定されることはない。セラミック基板１の他方主面１ｂは、例えば、マザー基板１０と接続される。

第１層間接続導体３は、セラミック基板１内に配置されており、信号伝送路として機能するとともに、セラミック基板１の一方主面１ａ上に実装される電子部品の熱を他方主面１ｂ側へと伝達するヒートパイプとして機能する。本実施形態において、第１層間接続導体３の高さは、セラミック基板１の厚みと略同一である。

セラミック基板１内に配置する第１層間接続導体３の数は１つでもよいし、複数でもよい。ただし、セラミック基板１内に複数の第１層間接続導体３を設けることにより、発熱源である電子部品の熱をより多く、セラミック基板１の他方主面１ｂ側に伝えて、効果的に放熱させることができる。

本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１内に均一に、複数の第１層間接続導体３が設けられているが、電子部品が実装される位置にだけ第１層間接続導体３を設けるようにしてもよい。

第１層間接続導体３の内部には、空洞３０が形成されている。空洞３０には、温度に応じて、蒸発と凝縮を繰り返す作動媒体３１が封入されている。作動媒体３１は、例えば冷媒であって、本実施形態では、濡れ性や気化温度を鑑みて、水を用いる。作動媒体３１として水を用いることにより、コストを低減することができる。ただし、作動媒体３１が水に限定されることはない。

第１層間接続導体３の内壁は、ウィック、すなわち毛細管構造を有する。第１層間接続導体３の内壁がウィックを有することにより、作動媒体３１である水が毛細管力によって上方へと上昇するように構成されている。ウィックは、例えば、第１層間接続導体３の内壁に形成された凹凸である。

図４は、第１層間接続導体３の内壁の拡大図である。図４に示すように、第１層間接続導体３の内壁には、凹凸が形成されている。凹凸は、例えば、内壁に細かい疵や溝を形成することによって、形成することができる。

一方主面側電極２は、セラミック基板１の一方主面１ａ側に配置され、第１層間接続導体３と接続されている。より詳しくは、一方主面側電極２は、第１層間接続導体３の内部に形成されている空洞３０の、一方主面１ａ側端部を封止するような態様で設けられている。発熱源である電子部品は、一方主面側電極２と接続される。

なお、一方主面側電極２は、セラミック基板１の一方主面１ａ上に配設されていてもよい。

他方主面側電極４は、セラミック基板１の他方主面１ｂ側に配置され、第１層間接続導体３と接続されている。より詳しくは、他方主面側電極４は、第１層間接続導体３の内部に形成されている空洞３０の、他方主面１ｂ側端部を封止するような態様で設けられている。

なお、他方主面側電極４は、セラミック基板１の他方主面１ｂ側に配設されていてもよい。

第２層間接続導体５は、セラミック基板１の内部に配置されている。第２層間接続導体５は、内部が導体で充填されており、信号伝送路として機能する。ただし、第２層間接続導体５は、必要に応じて省略してもよい。

上述した構成を備える熱伝導セラミック基板１００では、発熱源である電子部品の熱が一方主面側電極２に伝わると、一方主面側電極２およびその近傍が加熱され、一方主面側電極２の近傍で空洞３０内の水が蒸発する。水の蒸発により発生した水蒸気は、温度の低い他方主面側電極４およびその近傍で凝縮して水となる。

他方主面側電極４およびその近傍で凝縮した水は、毛細管現象によって、第１層間接続導体３の内壁を上昇し、一方主面側電極２およびその近傍で再び蒸発する。

このように、作動媒体３１である水の蒸発と凝縮が繰り返し行われることによって、セラミック基板１の一方主面１ａ側に実装される電子部品の熱は、他方主面１ｂ側、本実施形態では、他方主面１ｂ側に配置されているマザー基板１０へと伝わって、外部に放出される。

すなわち、セラミック基板１内に配置されている第１層間接続導体３がヒートパイプとして機能するので、セラミック基板１内の伝熱効率を向上させることができる。これにより、セラミック基板１の一方主面１ａ側に位置する発熱源の熱を他方主面１ｂ側に効率良く伝えて、放熱させることができる。また、セラミック基板１内に配置されている第１層間接続導体３の空洞３０に作動媒体３１を封入する構成としているので、小型・薄型の熱伝導セラミック基板１００を実現することができる。

図５は、上述した構造を有する熱伝導セラミック基板１００Ａに、電子部品５１〜５５を実装した状態を示す上面図である。熱伝導セラミック基板１００Ａは、マザー基板１０上に実装されている。また、図６は、図５に示す、マザー基板１０に実装された熱伝導セラミック基板１００ＡをＶＩ−ＶＩ線で切断した場合の断面図である。

熱伝導セラミック基板１００Ａには、電子部品５１〜５５が実装されている。ここでは、電子部品５１〜５５のうち、電子部品５１の放熱を効果的に行うものとして説明する。

発熱源である電子部品５１は、熱伝導セラミック基板１００Ａの第１層間接続導体３の直上に配置され、一方主面側電極２と接続されている。図６に示すように、電子部品５１は、第１層間接続導体３および第２層間接続導体５を介して、マザー基板１０と接続されている。また、電子部品５２〜５５は、第２層間接続導体５を介してマザー基板１０と接続されている。

電子部品５１の熱は、第１層間接続導体３を介してマザー基板１０に伝わる。上述したように、第１層間接続導体３の空洞３０の内部には、蒸発と凝縮を繰り返す作動媒体である水が封入されているので、水が封入されていない構成と比べて、第１層間接続導体３の伝熱性を向上させることができる。これにより、電子部品５１の放熱を効果的に行うことができる。

なお、電子部品５１と同様に、電子部品５２〜５４の直下にも第１層間接続導体３を配置することにより、電子部品５２〜５４の放熱を効果的に行うことができる。

図７は、図５に示す電子部品５２、５３の代わりに、ＦＰＣ（フラットパネルケーブル）７０を配置した場合の上面図である。また、図８は、図７に示す、マザー基板１０に実装された熱伝導セラミック基板１００ＡをＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で切断した場合の断面図である。

図７および図８において、電子部品５１と熱伝導セラミック基板１００Ａとの位置関係は、図５および図６に示す位置関係と同じであるので、同様に、電子部品５１の放熱を効果的に行うことができる。

＜熱伝導セラミック基板の製造方法＞
図９は、本実施形態における熱伝導セラミック基板の製造方法を説明するための図である。ここでは、セラミック基板１内に第２層間接続導体５を配置していない熱伝導セラミック基板の製造方法について説明する。

事前に用意したセラミックグリーンシート９１に貫通孔９２を形成する（図９（ａ））。貫通孔９２は、例えば、ドリル、ルータ、または、レーザなどにより形成することができる。

なお、セラミックグリーンシート９１は、例えば、セラミック粉末にガラス粉末を混合した混合粉末と、有機バインダと、溶剤とを含有するセラミックスラリーを、ドクターブレード法などによってシート状に成形することによって作製することができる。

次に、セラミックグリーンシート９１の貫通孔９２に、導電性ペースト９３を充填する（図９（ｂ））。導電性ペースト９３には、焼成により消失する樹脂ビーズが含まれている。

続いて、導電性ペースト９３に貫通孔９４を形成する（図９（ｃ））。貫通孔９４は、例えば、ドリル、ルータ、または、レーザなどにより形成することができる。

続いて、上述した加工が施された複数のセラミックグリーンシート９１を積層する。また、貫通孔９４の一方端を塞ぐために、貫通孔９４を形成していないセラミックグリーンシート９１を１枚、積層方向の外側に配置して、未焼成積層体９５を作製する（図９（ｄ））。貫通孔９４を形成していないセラミックグリーンシート９１とは、図９（ｂ）に示す工程まで行ったセラミックグリーンシート９１である。

なお、図９では、貫通孔９４を形成した３枚のセラミックグリーンシートを積層する構成を示しているが、積層するセラミックグリーンシートの枚数が３枚に限定されることはない。

続いて、未焼成積層体９５を、例えばＡｇを主成分とする導体ペーストを用いる場合は９００℃、Ｃｕを主成分とする導体ペーストを用いる場合は１０００℃で焼成する。これにより、空洞３０を有する第１層間接続導体３が形成される（図９（ｅ））。焼成によって樹脂ビーズが消失するので、第１層間接続導体３の内壁に凹凸が形成される。

また、積層方向外側に配置した、貫通孔９４を形成していないセラミックグリーンシート９１が焼成されることにより、セラミックグリーンシート９１中の導電性ペーストが他方主面側電極４となる。

すなわち、他方主面側電極４は、積層された複数のセラミック層のうちの一番外側のセラミック層に配置され、セラミック層の１層分の厚みを有する。

続いて、作動媒体３１である水を第１層間接続導体３の空洞３０内に入れる（図９（ｆ））。

最後に、第１層間接続導体３の開放されている側の端部を封止するような態様で、一方主面側電極２を配設する（図９（ｇ））。

なお、セラミック基板１内に第２層間接続導体５を配置する場合には、導電性ペースト９３に貫通孔９４を形成する工程（図９（ｃ））で、第２層間接続導体を配置する位置の導電性ペースト９３には、貫通孔を形成しないようにすればよい。

図１０は、本実施形態における熱伝導セラミック基板の別の製造方法を説明するための図である。

事前に用意したセラミックグリーンシート９１に貫通孔９２を形成し（図１０（ａ））、形成した貫通孔９２に、導電性ペースト９３を充填する（図１０（ｂ））。導電性ペースト９３には、焼成により消失する樹脂ビーズが含まれている。

続いて、複数のセラミックグリーンシート９１を積層して、未焼成積層体１０１を作製する（図１０（ｃ））。

続いて、未焼成積層体１０１を、例えばＡｇを主成分とする導体ペーストを用いる場合は９００℃、Ｃｕを主成分とする導体ペーストを用いる場合は１０００℃で焼成する（図１０（ｄ））。これにより、セラミック基板１と、セラミック基板１内に配設された第１層間接続導体３とが形成される。ただし、第１層間接続導体３の内部には空洞は形成されていない。

続いて、第１層間接続導体３に、ドリルなどを用いて孔を形成することによって、空洞３０を形成する（図１０（ｅ））。ここでは、貫通孔ではなく、所定の深さの孔を形成することによって、空洞３０と他方主面側電極４を形成する。

なお、未焼成積層体１０１を焼成する工程と第１層間接続導体３に空洞３０を形成する工程を入れ替えてもよい。その場合、未焼成積層体１０１にドリルなどを用いて空洞３０を形成する。続いて未焼成積層体を焼成することで、セラミック基板１が形成される。

上述したように、導電性ペースト９３に樹脂ビーズが含まれる場合、樹脂ビーズは焼成によって消失する。これにより、第１層間接続導体３の内部に空洞３０が形成されたときに、第１層間接続導体３の内壁に凹凸が形成される。

なお、導電性ペースト９３に樹脂ビーズを含まず、ドリルなどを用いて空洞３０を形成するときに、第１層間接続導体３の内壁に凹凸を形成するようにしてもよい。

続いて、作動媒体３１である水を第１層間接続導体３の空洞３０内に入れる（図１０（ｆ））。

最後に、第１層間接続導体３の開放されている側の端部を封止するような態様で、一方主面側電極２を配設する（図１０（ｇ））。

なお、セラミック基板１内に第２層間接続導体５を配置する場合には、第１層間接続導体３に空洞３０を形成する工程（図１０（ｅ））で、第２層間接続導体を配置する位置の第１層間接続導体３には、空洞を形成しないようにすればよい。すなわち、空洞のない第１層間接続導体３が第２層間接続導体５となる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

第１層間接続導体３の内壁のウィックが、内壁の凹凸に限定されることはない。例えば、ウィックとして、メッシュを用いてもよい。

上述した実施形態では、セラミック基板１の上面に電子部品を実装する例を挙げて説明したが、下面に電子部品を実装することもできる。その場合、電子部品と熱伝導セラミック基板の配置関係は、図６や図８に示す配置関係を上下反対にしたようなものとなる。すなわち、熱伝導セラミック基板１００の一方主面側電極２が下側に位置し、他方主面側電極４が上側に位置することになる。

その場合でも、第１層間接続導体３がヒートパイプとして機能することに変わりはない。ただし、発熱源である電子部品の熱を上方へと移動させる構成となるため、第１層間接続導体３の内壁がウィックを有していない構成としてもよい。

すなわち、電子部品の熱が一方主面側電極２に伝わると、一方主面側電極２およびその近傍が加熱され、一方主面側電極２の近傍で空洞３０内の水が蒸発する。水の蒸発により発生した水蒸気は、温度の低い他方主面側電極４およびその近傍で凝縮して水となる。他方主面側電極４は、一方主面側電極２よりも上方に位置するため、凝縮した水は、重力によって一方主面側電極２へと移動し、一方主面側電極２およびその近傍で再び蒸発する。

上記のように、凝縮した水は、重力によって、下方に位置する一方主面側電極２へと移動するので、発熱源の熱を上方へと移動させる構成とする場合には、第１層間接続導体３の内壁は、ウィックを有していなくてもよい。

図９に示す熱伝導セラミック基板１００の製造方法において、他方主面側電極４は、積層された複数のセラミック層のうちの一番外側のセラミック層に配置され、セラミック層の１層分の厚みを有するものとして説明したが、他方主面側電極４の厚みがセラミック層の１層分の厚みに限定されることはない。

また、一方主面側電極２の厚みがセラミック層の１層分の厚みとなるように構成してもよい。

１ セラミック基板
１ａ セラミック基板の一方主面
１ｂ セラミック基板の他方主面
２ 一方主面側電極
３ 第１層間接続導体
４ 他方主面側電極
５ 第２層間接続導体
１０ マザー基板
３０ 空洞
３１ 作動媒体
５１、５２、５３、５４、５５ 電子部品
７０ ＦＰＣ
９１ セラミックグリーンシート
９２ 貫通孔
９３ 導電性ペースト
９４ 貫通孔
９５ 未焼成積層体
１００、１００Ａ 熱伝導セラミック基板
１０１ 未焼成積層体

Claims (5)

1. 発熱源の熱を別の場所へと伝導する熱伝導セラミック基板であって、
   複数のセラミック層が積層されたセラミック基板と、
   前記発熱源と接続される、前記セラミック基板の一方主面側に配置された一方主面側電極と、
   前記一方主面側電極と接続され、前記セラミック基板内に配置された第１層間接続導体と、
   前記第１層間接続導体と接続され、前記セラミック基板の他方主面側に配置された他方主面側電極と、
   を備え、
   前記第１層間接続導体の内部には空洞が形成されており、
   前記空洞に、蒸発と凝縮を繰り返す作動媒体が封入されていることを特徴とする熱伝導セラミック基板。
2. 前記空洞を形成する前記第１層間接続導体の内壁には、凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導セラミック基板。
3. 前記作動媒体は、水であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導セラミック基板。
4. 前記セラミック基板内に配置され、内部が導体で充填された第２層間接続導体をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱伝導セラミック基板。
5. 前記一方主面側電極と前記他方主面側電極のうちの少なくとも一方は、前記複数のセラミック層のうちの一番外側のセラミック層内に配置され、前記セラミック層の１層分の厚みを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝導セラミック基板。

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