JP3518881B2 - 放熱基板 - Google Patents
放熱基板Info
- Publication number
- JP3518881B2 JP3518881B2 JP14169193A JP14169193A JP3518881B2 JP 3518881 B2 JP3518881 B2 JP 3518881B2 JP 14169193 A JP14169193 A JP 14169193A JP 14169193 A JP14169193 A JP 14169193A JP 3518881 B2 JP3518881 B2 JP 3518881B2
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- Japan
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- heat dissipation
- fins
- diamond
- fin
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体素子を実装す
る基板などとして用いられる、特に小型で放熱能力の高
い放熱基板を提供するものである。
る基板などとして用いられる、特に小型で放熱能力の高
い放熱基板を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】情報処理システム等の小型化、処理速度
高速化に伴い、これらの機器に内蔵される半導体素子の
単位面積当たり処理能力の向上が急速に進展している。
このことは、半導体素子の発生する単位面積当たりの熱
量の増大を招き、実装する基板を設計する上でその放熱
性を確保することの重要性が注目されている。これまで
はアルミナ基板とフィンつきの金属放熱板の組み合せが
多く用いられてきたが、アルミナは熱伝導率が０．２９
（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と低く、金属放熱板と組み合わせても
充分な放熱性が得られなくなっている。
高速化に伴い、これらの機器に内蔵される半導体素子の
単位面積当たり処理能力の向上が急速に進展している。
このことは、半導体素子の発生する単位面積当たりの熱
量の増大を招き、実装する基板を設計する上でその放熱
性を確保することの重要性が注目されている。これまで
はアルミナ基板とフィンつきの金属放熱板の組み合せが
多く用いられてきたが、アルミナは熱伝導率が０．２９
（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と低く、金属放熱板と組み合わせても
充分な放熱性が得られなくなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子の放熱材料
として、より放熱性の高い材料として、ダイヤモンド、
立方晶窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの利用が提案
されている。しかし、これらの高熱伝導性の材料は、現
状のアルミナ等に比して、熱伝導率は高いもののその製
造コストが高いなどの問題がある。特にダイヤモンドは
近年気相合成技術が開発されて、大面積の板状のものが
容易に得られるようになって半導体用放熱基板材料とし
て期待されているが、ダイヤモンドは従来の材料に比べ
て非常に高価であり、またフィンのついた形状のものが
なかったために金属のフィンつき放熱基板と併用しなけ
ればならず、その高熱伝導率の利点が充分生かせなかっ
た。
として、より放熱性の高い材料として、ダイヤモンド、
立方晶窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの利用が提案
されている。しかし、これらの高熱伝導性の材料は、現
状のアルミナ等に比して、熱伝導率は高いもののその製
造コストが高いなどの問題がある。特にダイヤモンドは
近年気相合成技術が開発されて、大面積の板状のものが
容易に得られるようになって半導体用放熱基板材料とし
て期待されているが、ダイヤモンドは従来の材料に比べ
て非常に高価であり、またフィンのついた形状のものが
なかったために金属のフィンつき放熱基板と併用しなけ
ればならず、その高熱伝導率の利点が充分生かせなかっ
た。
【０００４】
【課題を解決するための手段】以上のような問題点を鑑
み、半導体素子実装用などに用いる放熱基板の構造を詳
細に検討した結果、発明者らはアルミナなどの従来材を
基板に用いても、そのフィンの部分の材質のみをダイヤ
モンドや立方晶窒化ホウ素などの高熱伝導性のものとす
ることにより、その放熱性が十分に向上することを見い
だした。もちろん基板にもダイヤモンドなどの高熱伝導
性材料を使用することにより更に高い効果を得ることが
できる。また、その高熱伝導性の材質を用いたフィンを
基材の表面に接合するのではなく、基材の半導体素子が
実装されている側に近付くように基板中にフィンを埋め
込むことによって、さらにその放熱特性が良好となるこ
とがわかった。
み、半導体素子実装用などに用いる放熱基板の構造を詳
細に検討した結果、発明者らはアルミナなどの従来材を
基板に用いても、そのフィンの部分の材質のみをダイヤ
モンドや立方晶窒化ホウ素などの高熱伝導性のものとす
ることにより、その放熱性が十分に向上することを見い
だした。もちろん基板にもダイヤモンドなどの高熱伝導
性材料を使用することにより更に高い効果を得ることが
できる。また、その高熱伝導性の材質を用いたフィンを
基材の表面に接合するのではなく、基材の半導体素子が
実装されている側に近付くように基板中にフィンを埋め
込むことによって、さらにその放熱特性が良好となるこ
とがわかった。
【０００５】
【作用】以下に、本発明の具体的な内容を記す。即ち、
材質がアルミナなどの比較的熱伝導率が低く、汎用性の
ある実装用基板表面に、気相合成法により合成した多結
晶ダイヤモンドを、ロウづけなどによって接合してフィ
ンとしてとりつける。これだけでも十分に放熱性の向上
が認められるが、より好ましくは基板の素子を実装する
部分に加工を施し少なくとも板状の基材の厚さの半分以
上の深さにまで埋めこまれていることが必要である。さ
らに望ましくは貫通穴をあけ、ダイヤモンドフィンを埋
め込み、素子が発生する熱を高熱伝導性を有するダイヤ
モンドを通して逃がす構造をとることによって、コスト
の高い高熱伝導性の材料を使用する量を少なくしてかつ
放熱効率を増加させることが可能となる。
材質がアルミナなどの比較的熱伝導率が低く、汎用性の
ある実装用基板表面に、気相合成法により合成した多結
晶ダイヤモンドを、ロウづけなどによって接合してフィ
ンとしてとりつける。これだけでも十分に放熱性の向上
が認められるが、より好ましくは基板の素子を実装する
部分に加工を施し少なくとも板状の基材の厚さの半分以
上の深さにまで埋めこまれていることが必要である。さ
らに望ましくは貫通穴をあけ、ダイヤモンドフィンを埋
め込み、素子が発生する熱を高熱伝導性を有するダイヤ
モンドを通して逃がす構造をとることによって、コスト
の高い高熱伝導性の材料を使用する量を少なくしてかつ
放熱効率を増加させることが可能となる。
【０００６】材質は、ここにあげたアルミナとダイヤモ
ンドの組み合わせである必要はなく、要するにフィンの
部分に高熱伝導性材料を用いればよい。フィンの材質と
しては熱伝導率が５（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）である必要があ
り、熱伝導率が８〜２０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）の気相合成多
結晶ダイヤモンドがコストと性能の比から最も好ましい
が、高圧合成単結晶ダイヤモンド（１５〜３０Ｗ／ｃｍ
・Ｋ）や高圧焼結多結晶立方晶窒化珪素（５〜８Ｗ／ｃ
ｍ・Ｋ）を用いることもできる。フィンを取り付ける基
材の材質としては、比較的低熱伝導率で安価な材料を選
ぶことができる。半導体基板などとして最も実績があ
り、安価なアルミナなどが好ましい。しかし、熱伝導率
が０．０５（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）以下の材料を用いると、フ
ィンとフィンから離れた部分との温度差が大きくなるの
で好ましくない。フィンの形状は、熱伝導を効率的に行
うため厚さが最低５０μｍは必要である。しかし、厚さ
が２ｍｍ以上になるとコストが高くなりすぎるので好ま
しくない。基板上に突出したフィンの高さは最低でも
０．５ｍｍ必要であり２〜１５ｍｍの範囲が熱放散を効
率的に行える範囲である。
ンドの組み合わせである必要はなく、要するにフィンの
部分に高熱伝導性材料を用いればよい。フィンの材質と
しては熱伝導率が５（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）である必要があ
り、熱伝導率が８〜２０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）の気相合成多
結晶ダイヤモンドがコストと性能の比から最も好ましい
が、高圧合成単結晶ダイヤモンド（１５〜３０Ｗ／ｃｍ
・Ｋ）や高圧焼結多結晶立方晶窒化珪素（５〜８Ｗ／ｃ
ｍ・Ｋ）を用いることもできる。フィンを取り付ける基
材の材質としては、比較的低熱伝導率で安価な材料を選
ぶことができる。半導体基板などとして最も実績があ
り、安価なアルミナなどが好ましい。しかし、熱伝導率
が０．０５（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）以下の材料を用いると、フ
ィンとフィンから離れた部分との温度差が大きくなるの
で好ましくない。フィンの形状は、熱伝導を効率的に行
うため厚さが最低５０μｍは必要である。しかし、厚さ
が２ｍｍ以上になるとコストが高くなりすぎるので好ま
しくない。基板上に突出したフィンの高さは最低でも
０．５ｍｍ必要であり２〜１５ｍｍの範囲が熱放散を効
率的に行える範囲である。
【０００７】また、フィンをとりつけるための基板の形
状であるが、必ずしも貫通加工をする必要はないが、フ
ィンが基材の厚さの半分より素子に近いところまで達し
ている方が望ましい。ダイヤモンドフィンは、ダイヤモ
ンドの自立膜を通常の気相合成法で作製し、レーザーな
どを用いて所望の形状に加工することによって得ること
ができるし、さらには高圧合成単結晶ダイヤモンドなど
でも所望の大きさを得ることができるならば使用するこ
とができる。ダイヤモンドの気相合成の手法は何であっ
てもよい。
状であるが、必ずしも貫通加工をする必要はないが、フ
ィンが基材の厚さの半分より素子に近いところまで達し
ている方が望ましい。ダイヤモンドフィンは、ダイヤモ
ンドの自立膜を通常の気相合成法で作製し、レーザーな
どを用いて所望の形状に加工することによって得ること
ができるし、さらには高圧合成単結晶ダイヤモンドなど
でも所望の大きさを得ることができるならば使用するこ
とができる。ダイヤモンドの気相合成の手法は何であっ
てもよい。
【０００８】
【実施例】多結晶Ｓｉ基板（２４×２４×５ｍｍ）上
に、熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンドを１ｍ
ｍ厚合成した。合成条件はメタン２％−Ｈ2中、全圧１
００Ｔｏｒｒで基板温度は８００℃であった。この条件
で合成したダイヤモンド（熱伝導率１４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）
を、基材のＳｉを混酸で溶解して、５０×２５×１ｍｍ
のダイヤモンド自立膜を得た。この自立膜の成長面側を
研磨して鏡面仕上げした後、エキシマレーザーを用いて
６×２４×１ｍｍの大きさの膜８枚に切断し、全面にチ
タン、白金、金の順でメタライズを施した。
に、熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンドを１ｍ
ｍ厚合成した。合成条件はメタン２％−Ｈ2中、全圧１
００Ｔｏｒｒで基板温度は８００℃であった。この条件
で合成したダイヤモンド（熱伝導率１４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）
を、基材のＳｉを混酸で溶解して、５０×２５×１ｍｍ
のダイヤモンド自立膜を得た。この自立膜の成長面側を
研磨して鏡面仕上げした後、エキシマレーザーを用いて
６×２４×１ｍｍの大きさの膜８枚に切断し、全面にチ
タン、白金、金の順でメタライズを施した。
【０００９】一方、通常のアルミナセラミックスＰＧＡ
パッケージのヒ−トシンク（厚さ２ｍｍ）部に、図１に
示すように長さ２４ｍｍ、幅１ｍｍの穴をレーザー加工
であけ、前記と同様にメタライズした後、金−スズはん
だ接合で上述のダイヤモンド膜をここにはめ込んだ。同
様にして高圧合成多結晶立方晶窒化ホウ素（熱伝導率
６．５Ｗ／ｃｍ・Ｋ）をはめ込んだパッケージを作成し
た。こうして作製したパッケージの熱抵抗を自然空冷状
態で測定したところ、ダイヤモンドフィンを用いたもの
が２０℃／Ｗ、立方晶窒化ホウ素を用いたものが２６℃
／Ｗとなり、高熱伝導性フィンをとりつける前の３５℃
／Ｗに比べ、大幅に低減していることが確かめられ、半
導体素子の安定性向上に有効であった。
パッケージのヒ−トシンク（厚さ２ｍｍ）部に、図１に
示すように長さ２４ｍｍ、幅１ｍｍの穴をレーザー加工
であけ、前記と同様にメタライズした後、金−スズはん
だ接合で上述のダイヤモンド膜をここにはめ込んだ。同
様にして高圧合成多結晶立方晶窒化ホウ素（熱伝導率
６．５Ｗ／ｃｍ・Ｋ）をはめ込んだパッケージを作成し
た。こうして作製したパッケージの熱抵抗を自然空冷状
態で測定したところ、ダイヤモンドフィンを用いたもの
が２０℃／Ｗ、立方晶窒化ホウ素を用いたものが２６℃
／Ｗとなり、高熱伝導性フィンをとりつける前の３５℃
／Ｗに比べ、大幅に低減していることが確かめられ、半
導体素子の安定性向上に有効であった。
【００１０】
【発明の効果】このように、本発明において考案された
放熱基板を用いると、従来構造の基板に比べて、比較的
低コストでより大きな放熱性を持った基板を得ることが
できる。従って、これまでアルミナ等を用いた基板では
実装することが不可能であった高出力、高速素子を、低
コストで実装することが可能となる。
放熱基板を用いると、従来構造の基板に比べて、比較的
低コストでより大きな放熱性を持った基板を得ることが
できる。従って、これまでアルミナ等を用いた基板では
実装することが不可能であった高出力、高速素子を、低
コストで実装することが可能となる。
【図１】本発明における放熱基板を上から見た図であ
る。
る。
【図２】本発明のセラミックＰＧＡパッケージのヒ−ト
シンク部の断面図。
シンク部の断面図。
【図３】図２で示したヒ−トシンクにフィンをとりつけ
るべき穴をあけたものの断面図。
るべき穴をあけたものの断面図。
【図４】本発明における放熱基板の断面図。
１：通常のＰＧＡパッケージのヒ−トシンク部
２：放熱性をあげるためのフィン
３：フィンをとりつけるために加工した溝
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 藤森 直治
兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住
友電気工業株式会社伊丹製作所内
(56)参考文献 特開 平４−362096（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−86842（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−35526（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−196552（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 23/36
Claims (3)
- 【請求項１】 板状の基材と、放熱性を高めるためのフ
ィンを有し、フィンが基材に接合されており、かつその
フィンの材質が熱伝導率が５（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）以上の材
料からなり、かつ該フィンの前記板状の基材と接合され
る部分が、前記板状の基材の厚さの半分以上の深さにま
で埋め込まれていることを特徴とする放熱基板。 - 【請求項２】 放熱性を高めるためのフィンが気相合成
ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１に記載
の放熱基板。 - 【請求項３】 放熱性を高めるためのフィンが多結晶立
方晶窒化ホウ素からなることを特徴とする請求項１に記
載の放熱基板。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14169193A JP3518881B2 (ja) | 1993-06-14 | 1993-06-14 | 放熱基板 |
| US08/257,288 US5642779A (en) | 1909-06-30 | 1994-06-09 | Heat sink and a process for the production of the same |
| DE69430024T DE69430024T2 (de) | 1993-06-14 | 1994-06-14 | Verfahren zur Herstellung von mit Rippen versehener Diamant-Wärmesenke |
| EP94304277A EP0630045B1 (en) | 1993-06-14 | 1994-06-14 | Process for the production of a finned diamond heatsink |
| EP00113231A EP1035578B1 (en) | 1993-06-14 | 1994-06-14 | Process for the production of a finned diamond heatsink |
| DE69430150T DE69430150T2 (de) | 1993-06-14 | 1994-06-14 | Verfahren zur Herstellung einer mit Rippen versehenen Diamant-Wärmesenke |
| US08/819,440 US5791045A (en) | 1993-06-14 | 1997-03-17 | Process for the production of a diamond heat sink |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14169193A JP3518881B2 (ja) | 1993-06-14 | 1993-06-14 | 放熱基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06349972A JPH06349972A (ja) | 1994-12-22 |
| JP3518881B2 true JP3518881B2 (ja) | 2004-04-12 |
Family
ID=15297979
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14169193A Expired - Fee Related JP3518881B2 (ja) | 1909-06-30 | 1993-06-14 | 放熱基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3518881B2 (ja) |
-
1993
- 1993-06-14 JP JP14169193A patent/JP3518881B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06349972A (ja) | 1994-12-22 |
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Legal Events
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