JP3818310B2 - 多層基板 - Google Patents

Description

この発明は多層基板に関するものである。

従来、多層基板においては、例えば図１４に示すように、多層よりなるセラミック基板３１上にＣｕやＡｇよりなる厚膜導体３２が印刷焼成にて形成され、その上に半田３３を介してＭｏやＣｕよりなるヒートシンク３４が配置され、さらにその上に半田３５を介してパワー素子３６が実装されている。尚、図中、３７はワイヤであり、３８はチップターミナルである。

ところが、上記の如くセラミック基板３１上にヒートシンク３４を配置する構造では、過渡的な熱抵抗を下げ、且つヒートシンク３４のコストダウン及び実装容積の縮小を実現することは困難であった。そこで、従来、半導体素子直下の多層基板にスルーホールを形成し、そこに金属ペーストを充填してヒートシンクとして用いた多層基板が提案されている（例えば、特開平３−２８６５９０号公報）。

しかしながら、上記従来技術（上記公報）では、ヒートシンクが半導体素子に対して垂直方向にしか形成されておらず、放熱性においては垂直方向のみにその効果が得られるだけであり、ヒートシンクとしての効果が十分に発揮されていない。即ち、半導体素子による発熱は、半導体素子直下の基板に対して広角に（ほぼ４５°下方に）発散するように考えることができる。従って、上記公報のように半導体素子の下方のみにヒートシンクを形成したとしても４５°方向に広がる熱までも十分に放熱することができない。

そこで、この発明は上記課題に着目してなされたものであって、その目的は、半導体素子等、パワー素子による発熱を効率的に放熱することができる多層基板を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、複数の絶縁層からなり基板表層にパワー素子が搭載されると共に、パワー素子下部領域の絶縁層に熱伝達用導体からなるヒートシンクを設けた多層基板において、前記ヒートシンクとパワー素子とが対向配置されているとともに、前記ヒートシンクにおける対向面の面積を、前記パワー素子における対向面の面積よりも大きくしたものであって、前記ヒートシンクは、前記パワー素子下方の絶縁層に設けられた第１のヒートシンク部と、その第１のヒートシンク部よりも下方の絶縁層であって第１のヒートシンク部と接触するように設けられ、前記基板表層に平行となる方向に延びる第２のヒートシンク部とを有し、前記第２のヒートシンク部の面積を前記第１のヒートシンク部の面積よりも大きくするとともに、前記第１のヒートシンク部及び第２のヒートシンク部の中心を同一にして両ヒートシンク部を配置している。

請求項１に記載の発明によれば、半導体素子等、パワー素子により発生した熱は、第１のヒートシンク部並びに第２のヒートシンク部により吸収、発散される。このとき、第２のヒートシンク部は、第１のヒートシンク部よりも下方であって且つ基板表層に平行となる少なくとも一方向に延設されているため、パワー素子による熱は基板表層に垂直な方向だけでなく他の方向にも放熱され、放熱性が向上する。つまり、熱が例えばパワー素子の下方４５°に伝達されるとした場合にも、その際に最も効果的なヒートシンクを多層基板内に設けることが可能となる。また、請求項１に記載の発明によれば、第２のヒートシンク部の面積を第１のヒートシンク部の面積よりも大きくするとともに、第１のヒートシンク部及び第２のヒートシンク部の中心を同一にして両ヒートシンク部を配置しているため、パワー素子による発熱が拡散しながら伝達されることから、より効率の良い放熱が可能となるとともに、ヒートシンクがピラミッド状に積層されることになるため、広角な範囲での放熱が可能となる。

請求項２に記載の発明では、複数の絶縁層からなり基板表層にパワー素子が搭載されると共に、パワー素子下部領域の絶縁層に熱伝達用導体からなるヒートシンクを設けた多層基板において、前記ヒートシンクとパワー素子とが対向配置されているとともに、前記ヒートシンクにおける対向面の面積を、前記パワー素子における対向面の面積よりも大きくしたものであって、前記ヒートシンクは、前記パワー素子下方の絶縁層に設けられた第１のヒートシンク部と、その第１のヒートシンク部よりも下方の絶縁層に設けられ、前記基板表層に平行となる方向に延びる第２のヒートシンク部とを有し、前記基板表面または前記基板内部には、前記パワー素子を制御するための制御回路が前記パワー素子とは離間して設けられており、前記第１のヒートシンク部及び第２のヒートシンク部は、一部が上下に重なった状態で、かつ前記制御回路から離れる方向にずらして配置している。

請求項２に記載の発明によれば、熱伝導に方向性を持たすことができるとともに、制御回路を有する場合には、その制御回路に与える熱影響が解消できる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の多層基板において、前記パワー素子下部領域の絶縁層には充填金属収納用貫通部が形成され、該充填金属収納用貫通部内に前記熱伝達用導体からなるヒートシンクが充填されている。

請求項３に記載の発明によれば、絶縁層の厚さを調整することにより、所望のヒートシンク厚さを容易に形成することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３の何れか１つに記載の多層基板において、前記第２のヒートシンク部の一端は前記基板表層の反対側の基板裏面に露出するとともに、前記第２のヒートシンク部には多数のホールが形成されている。

請求項４に記載の発明によれば、第２のヒートシンク部に形成されたホールにより第２のヒートシンクの放熱面積が増し、放熱性が向上する。

請求項５に記載の発明では、請求項１乃至３の何れか１つに記載の多層基板において、前記基板表層の反対側の基板裏面には放熱板が接合される。

請求項５に記載の発明によれば、より効率の良い放熱が可能となる。

以下、この発明を具体化した実施例を図面に従って説明する。図１に全体構成図を示す。多層基板２は、アルミナよりなる３つの絶縁層１ａ，１ｂ，１ｃを重ねて形成されている。多層基板２の最上層の絶縁層１ａにおける所定領域には充填金属収納用貫通部（以下、単に貫通部という）３ａが形成され、この貫通部３ａ内に熱伝導性のよい熱伝達用導体としての充填金属４ａが充填されている。また、絶縁層１ａの下層にあたる絶縁層１ｂの所定領域には充填金属収納用貫通部（以下、単に貫通部という）３ｂが形成され、この貫通部３ｂ内には前記充填金属４ａと同じ金属からなる熱伝達用導体としての充填金属４ｂが充填されている。尚、本実施例では、上記充填金属４ａ，４ｂによりヒートシンクＳ１，Ｓ２が構成されており、充填金属４ａの部分が第１のヒートシンク部に、充填金属４ｂの部分が第２のヒートシンク部に相当する。

ヒートシンクＳ１，Ｓ２は、多層基板２の表層（基板表層）に対して平行となる図の横方向に延設されており、このうちヒートシンクＳ２の横方向の長さはヒートシンクＳ１の横方向の長さよりも大きい。即ち、ヒートシンクＳ２の上面（下面）での面積はヒートシンクＳ１の上面（下面）での面積よりも大きい。このとき、ヒートシンクＳ１，Ｓ２の中心はほぼ同一であるため、その断面形状はピラミッド状をなしている。また、ヒートシンクＳ１，Ｓ２（充填金属４ａ，４ｂ）は、絶縁層１ｂにおける内層配線５と電気的に接続されている。

充填金属４ａ，４ｂには、高融点材料であるＭｏ（モリブデン）粒子とアルミナ粒子の混合物が用いられている。ここで、Ｍｏ（モリブデン）は、その熱伝導度が０．３２８ｃａｌ・ｃｍ^-1ｄｅｇ^-1ｓ^-1（２０℃）、融点が２６２２±１０℃である。他の充填金属４ａ，４ｂとしては、高融点材料であるＷ（タングステン）粒子とアルミナ粒子の混合物、或いは、Ｍｏ（モリブデン）粒子とＷ（タングステン）粒子とアルミナ粒子との混合物が使用される。Ｗ（タングステン）は、その熱伝導度が０．３８２ｃａｌ・ｃｍ^-1ｄｅｇ^-1ｓ^-1（２０℃）、融点が３３８２℃である。

ヒートシンクＳ１（充填金属４ａ）の上にはパワー素子６（シリコンチップ）が半田（或いはＡｇペースト）によりダイマウントされている。また、パワー素子６はワイヤ７にて多層基板２の最上層の絶縁層１ａ上の導体部と電気的に接続されている。

次に、多層基板２の製造方法を図２〜図６を用いて説明する。図２に示すように、平板状のアルミナグリーンシート８（図１の絶縁層１ａに相当する）を用意する。このアルミナグリーンシート８の厚みは０．２５４ｍｍである。そして、アルミナグリーンシート８の所定領域に正方形状の貫通部３ａをパンチングにより形成する。尚、貫通部３ａはスルーホールの形成と同一工程で作ってもよい。

その後、図３に示すように、貫通部３ｂを形成したアルミナグリーンシート９（図１の絶縁層１ｂに相当する）と、貫通部の無いアルミナグリーンシート１０（図１の絶縁層１ｃに相当する）とを２枚重ねにし、エマルジョンマスク或いはメタルマスクを用いてＭｏ粒子とアルミナ粒子を混合したペースト１１を印刷により貫通部３ｂに充填する。さらにその上に、前記アルミナグリーンシート８を重ね合わせる。その結果、図４のものが得られる。

さらに、図５に示すように、エマルジョンマスク或いはメタルマスクを用いてＭｏ粒子とアルミナ粒子を混合したペースト１１を印刷により貫通部３ａに充填する。

その後、積層されたアルミナグリーンシート８〜１０を加圧し、千数百℃以上で焼成することにより、多層セラミック基板を得る。さらに、焼成された多層基板の表面の導体部分（ペースト１１を焼成した充填金属４、メタライズ）に接合性を向上させるためにメッキを施す。そして、多層基板の表面または裏面に厚膜導体、厚膜抵抗体、ガラス等の印刷・焼成を繰り返す。

そして、図６に示すように、ペースト１１を焼成した充填金属４に、パワー素子６を半田（或いはＡｇペースト）によりダイマウントし、ワイヤ７によるワイヤーボンドを施す。その結果、図１に示す多層基板２が形成される。

この図１の構成においては、パワー素子６に発生する熱がヒートシンクＳ１，Ｓ２（充填金属４ａ，４ｂ）で吸収できる。このとき、充填金属４ａ，４ｂの成分であるＭｏ（モリブデン）自体も極めて低抵抗であるため、充填金属４ａ，４ｂを配線として考えた場合には基板全体の発熱を軽減できる。

また、図１の構成では、下側のヒートシンクＳ２の横方向の幅を上側のヒートシンクＳ１の横方向の幅よりも大きくし、両ヒートシンクＳ１，Ｓ２をピラミッド状に多層配置した。かかる場合、パワー素子６で発生した熱は、同素子６の下方へ向けて広角（約４５°の角度）で伝達されるが、この熱がヒートシンクＳ１，Ｓ２でいち早く吸収される。その結果、パワー素子６での発熱をより効果的に放熱させることが可能となる。

さらに、充填金属４ａ，４ｂにて構成されるヒートシンクＳ１，Ｓ２を絶縁層１ａ，１ｂの厚さに応じて厚くすることができるので、表層導体（図１８の厚膜導体３２）を使用した場合に比べ電気抵抗を数１０分の１にできる。さらには、熱抵抗も例えば、Ｍｏ単体の８０〜９０％程度になるが充填金属４ａ，４ｂの厚みや面積を大きくして充填金属４ａ，４ｂの体積を増加することにより、図１８のヒートシンク３４を使用したものよりも熱抵抗を小さくすることができる。

また、充填金属４ａ，４ｂにはＭｏ粒子に対しアルミナ粒子を混合してあるので、充填金属４ａ，４ｂの熱膨張率をアルミナ基板の熱膨張率に近づけることができる。よって、アルミナ基板と充填金属４ａ，４ｂの熱応力を低く抑えることができる。

さらに本実施例では、表層（絶縁層１ａ）内に熱伝導性のよい充填金属４ａ（熱伝達用導体）を充填し、その充填金属４ａ上にパワー素子６を配置した。また、絶縁層１ｂには、充填金属４ａに接触させて充填金属４ｂ（熱伝達用導体）を充填した。よって、パワー素子６で発生した熱は、表層（絶縁層１ａ）内の充填金属４ａ及びその下層（絶縁層１ｂ）の充填金属４ｂを通して伝達され放熱される。この際、従来のヒートシンクが基板内に配置されていると考えるならば、充填金属４ａ，４ｂの体積を大きくすることにより過渡熱抵抗を下げることができ、このように過渡熱抵抗を下げることができるのでヒートシンクを薄くして定常熱抵抗を下げることが可能となる。換言すれば、従来のように表層の上方に突出したヒートシンクは不要、若しくはヒートシンクを小さくすることが可能となり、コストダウンが図れると共に実装容積を縮小させることができる。さらに、放熱のために高価なＡｌＮ等の基板材料を使用する必要もなくなり安価に熱伝導性の優れた基板を作成することが可能となる。

また、充填金属４ａ，４ｂには、高融点材料（多層基板２の焼成温度よりも融点の高い材料）であるＭｏ（融点；２６２２±１０℃）の粒子を使用したので、グリーンシートに充填金属のペーストを充填した後、グリーンシートを千数百℃以上で焼成しても充填金属であるＭｏが融けることがない。

また、図１では、多層基板２内において横方向に延びるヒートシンクＳ２を埋設したため、基板表面の高密度化が可能になる。尚、この発明は上記実施例に限定されるものでなく、その変形例を以下に記述する。例えば図７において、多層基板２の表層（絶縁層１ａ）にはヒートシンクが配置されておらず、２層目以降の絶縁層１ｂ，１ｃにヒートシンクＳ１，Ｓ２が２段に配置されている。この場合、ヒートシンクＳ１，Ｓ２はパワー素子６に接触していないが、接触している場合（例えば、図１の場合）に近い効果が期待できる。

また、図８は前述の図１を変形した具体例を示す。図８において、多層基板２の絶縁層１ａ，１ｂには図１と同様のヒートシンクＳ１，Ｓ２が形成されている。また、絶縁層１ｃには、絶縁層１ｂのヒートシンクＳ２よりも横方向に幅の長いヒートシンクＳ３が形成されている。この場合、絶縁層１ｂ，１ｃのヒートシンクＳ２，Ｓ３が第２のヒートシンク部に相当する。この構成でも、ヒートシンクＳ１〜Ｓ３がピラミッド状に多層配置される構造となるため、約４５°方向で広がる熱（パワー素子６による発熱）を効率的に吸収し、放熱性を高めることができる。尚、最下層のヒートシンクＳ３は、特にヒートシンク全域に充填金属を充填させなくてもよく、ヒートシンクＳ３に複数の貫通穴を形成してもよい。

また、図８の多層基板２において、表層の反対側の基板裏面には、接着剤２１によりアルミニウム製の放熱板２２が接合されている。この場合、接着剤２１に高熱伝導性のものを使用することにより、熱抵抗を大幅に低減させることができる。

図９は他の実施例の構成を示す。図９において、多層基板２は４層の絶縁層１ａ〜１ｄを有し、パワー素子６直下の絶縁層１ａ及び絶縁層１ｂ（絶縁層１ａだけでも可）には、比較的幅の狭いヒートシンクＳ４（第１のヒートシンク部）が設けられている。また、絶縁層１ｃを隔てた最下層の絶縁層１ｄには、比較的幅の広いヒートシンクＳ５（第２のヒートシンク部）が設けられている。この場合、パワー素子６による発熱は絶縁層１ｃ（充填金属の無い層）を経由して最下層（絶縁層１ｄ）のヒートシンクＳ５に伝達される。つまり、熱は基板裏面から放熱されることになる。尚、パワー素子６直下のヒートシンクＳ４に電流が流れない構成であれば、そのヒートシンクＳ４と最下層のヒートシンクＳ５とを直接、接続することができ、それにより大きな放熱効果が得られる。

図１０は図９の変形例を示す。図１０の多層基板２において、絶縁層１ｄの下方には絶縁層１ｅが設けられ、この絶縁層１ｅには、ヒートシンクＳ５と同じ幅のヒートシンクＳ６が設けられている。このヒートシンクＳ６には多数のホール２３が形成されている。この場合、ホール２３によりヒートシンクＳ６の放熱面積が増し、放熱性が向上する。

ここで、図１１には、図１０における絶縁層１ｅの形成過程を示す。つまり、図１１（ａ）において、アルミナグリーンシート２４に矩形状の貫通部２５を成形し、そこに充填金属２６を充填する。そして、充填金属２６を乾燥させた後に、図１１（ｂ）に示すように、例えば円形状（四角形状，長穴形状等、形状は任意でよい）のホール２７をパンチング等により成形する。

さらに、図１２は他の変形例の構成を示す。図１２において、多層基板２の表層には、ＩＣ回路（チップ）５０及びコンデンサ５１が設けられると共に、その下方領域には内部抵抗５２及び抵抗５３等が設けられており（以下、制御回路５５という）、この制御回路５５によりパワー素子６が駆動されるようになっている。ヒートシンクＳ７〜Ｓ９は、上記制御回路５５から離れる方向（図の左下方）に階段状に設けられている。この場合、上記制御回路５５は、概してパワー素子６による発熱の影響を受け易いが、ヒートシンクＳ７〜Ｓ９により発熱による制御回路５５の温度上昇が抑えられる。即ち、パワー素子６による発熱の横方向の広がりを吸収し且つ放熱すると共に、熱伝導に方向性を持たせることができ、その結果、制御回路５５への熱影響が回避できる。

ここで、上記図１〜図１１に示す実施例は特に請求項に記載した発明に相当し、図１２に示す実施例は特に請求項２に記載した発明に相当する。尚、図１２の実施例においては、制御回路５５から離れる方向に伝熱方向を設定したが、この構成に限られるものではなく、伝熱方向を任意に設定できることをその要点とする。

一方で、本発明の多層基板は、熱発生量の大きいＰＧＡ（ピングリッドアレイ）や、チップキャリア、スライドブレージング、フラットパッケージ等のパッケージ構造にも適用することができる。即ち、図１３はＰＧＡに適用した具体例を示す。図１３において、ＰＧＡ８０は、セラミック板８１、セラミックパッケージ８２及びピン端子８３を有する。セラミックパッケージ８２には、発生熱量の大きなＩＣ素子８４等が内蔵されており、セラミック板８１はＩＣ素子８４やワイヤボンディング部８５等を保護している。

セラミックパッケージ８２には、熱抵抗の小さい充填金属からなるヒートシンクＳ１３〜Ｓ１５が多層に設けられており、それらはピラミッド状に積層されている。この場合、ＩＣ素子８４にて発生した比較的多量の熱は、ヒートシンクＳ１３〜Ｓ１５を伝わってパッケージ外（大気中）に放出される。

また、本実施例によれば、以下に示す効果も得られる。即ち、本実施例ではパワー素子がシリコン基板に形成され、ヒートシンクがモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）からなる。この場合、シリコンの熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃、モリブデンの熱膨張係数が４ｐｐｍ／℃、タングステンの熱膨張係数が４．５ｐｐｍ／℃であるため、熱膨張係数に関して各金属の相性が良い。そのため、応力緩和層を必要としない。

さらに、本実施例では、アルミナ層（絶縁層）と上記高融点材料（Ｍｏ，Ｗ）を用いており、この場合、やはり基板との熱膨張係数の整合性が良い。即ち、アルミナ基板の熱膨張係数は７．５ｐｐｍ／℃であり、充填金属としてのモリブデンやタングステンの熱膨張係数はおよそ３．７〜５．３ｐｐｍ／℃、４．５〜５．０ｐｐｍ／℃程度と非常に近寄っている。そのため、焼成後に充填材料が抜け落ちてしまうという問題も解消できる。

尚、本発明のパワー素子としては、パワートランジスタ、パワーダイオード、又は高速マイクロコンピュータに使用される発熱量の大きい素子や、スーパーコンピュータやワークステーションに使用される発熱量の大きい素子が、それに相当する。

基板材質としてはガラスとセラミックの複合材料であるガラスセラミックまたはガラス材を用いてもよい。この場合の導体材は、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｃｕ等を用いる。製法はアルミナの場合と同一である。

以上詳述したように請求項１〜６に記載の発明によれば、半導体素子等、パワー素子による発熱を効率的に放熱することができるという優れた効果を発揮する。この場合、放熱性を向上させると共に、放熱の方向性を持たせることができる。

実施例の多層基板の断面図。 多層基板の製造工程図。 多層基板の製造工程図。 多層基板の製造工程図。 多層基板の製造工程図。 多層基板の製造工程図。 他の別例の多層基板の断面図。 他の別例の多層基板の断面図。 他の別例の多層基板の断面図。 他の別例の多層基板の断面図。 図１０の多層基板の製造工程の一部を示す図。 他の別例の多層基板の断面図。 他の別例の多層基板の断面図。 従来の多層基板の断面図。

符号の説明

１ａ〜１ｅ…絶縁層、２…多層基板、４ａ，４ｂ…熱伝達用導体としての充填金属、
６…パワー素子、Ｓ１〜Ｓ１５…ヒートシンク（第１，第２のヒートシンク部）、
５５…制御回路。

Claims (8)

1. 複数の絶縁層からなり基板表層にパワー素子が搭載されると共に、パワー素子下部領域の絶縁層に熱伝達用導体からなるヒートシンクを設けた多層基板において、
   前記ヒートシンクとパワー素子とが対向配置されているとともに、前記ヒートシンクにおける対向面の面積を、前記パワー素子における対向面の面積よりも大きくしたものであって、
   前記ヒートシンクは、前記パワー素子下方の絶縁層に設けられた第１のヒートシンク部と、その第１のヒートシンク部よりも下方の絶縁層であって第１のヒートシンク部と接触するように設けられ、前記基板表層に平行となる方向に延びる第２のヒートシンク部とを有し、
   前記第２のヒートシンク部の面積を前記第１のヒートシンク部の面積よりも大きくするとともに、前記第１のヒートシンク部及び第２のヒートシンク部の中心を同一にして両ヒートシンク部を配置したことを特徴とする多層基板。
2. 複数の絶縁層からなり基板表層にパワー素子が搭載されると共に、パワー素子下部領域の絶縁層に熱伝達用導体からなるヒートシンクを設けた多層基板において、
   前記ヒートシンクとパワー素子とが対向配置されているとともに、前記ヒートシンクにおける対向面の面積を、前記パワー素子における対向面の面積よりも大きくしたものであって、
   前記ヒートシンクは、前記パワー素子下方の絶縁層に設けられた第１のヒートシンク部と、その第１のヒートシンク部よりも下方の絶縁層に設けられ、前記基板表層に平行となる方向に延びる第２のヒートシンク部とを有し、
   前記基板表面または前記基板内部には、前記パワー素子を制御するための制御回路が前記パワー素子とは離間して設けられており、
   前記第１のヒートシンク部及び第２のヒートシンク部は、一部が上下に重なった状態で、かつ前記制御回路から離れる方向にずらして配置される多層基板。
3. 請求項１または２に記載の多層基板において、前記パワー素子下部領域の絶縁層には充填金属収納用貫通部が形成され、該充填金属収納用貫通部内に前記熱伝達用導体からなるヒートシンクが充填されている多層基板。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の多層基板において、前記第２のヒートシンク部の一端は前記基板表層の反対側の基板裏面に露出するとともに、前記第２のヒートシンク部には多数のホールが形成されている多層基板。
5. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の多層基板において、前記基板表層の反対側の基板裏面には放熱板が接合される多層基板。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の多層基板において、前記第１のヒートシンク部が設けられた絶縁層と前記第２のヒートシンク部が設けられた絶縁層との間には、熱伝達用導体からなるヒートシンクが設けられていない絶縁層が介在し、前記第１のヒートシンク部と前記第２のヒートシンク部とは電気的に絶縁されている多層基板。
7. 請求項６に記載の多層基板において、前記第１のヒートシンク部の一端は前記基板表層に露出するととともに、前記第２のヒートシンク部の一端は前記基板表層の反対側の基板裏面に露出している多層基板。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の多層基板において、前記第１のヒートシンク部と前記パワー素子とは接触している多層基板。

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