JP4997954B2 - 回路基板、その製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は発熱する電子部品を搭載し冷却する回路基板及びその製造方法に関し、とくに液冷されたコア基板の上下に形成された配線間を接続するビアが、コア基板を貫通して設けられた回路基板及びその製造方法に関する。

上面に半導体チップ又は半導体パッケージ等の発熱する電子部品を搭載し、下面にマザーボード上面の配線と接続する電極が設けられた回路基板（例えばチップキャリア）、或いは、上下面に電子部品を搭載する回路基板が半導体装置には広く使用されている。

これらの回路基板は、コア基板の上下面に配線層、例えば多層配線又は電極、が形成されており、上面に形成された配線層と下面に形成された配線層の間を接続するために、コア基板を貫通するビアが設けられる。

従来の回路基板には、絶縁層と配線層とを積層した多層配線構造が用いられていた。そして、回路基板の上面、下面又は両面に電子部品を搭載し、搭載された電子部品の裏面に冷却板等のヒートシンクを接触させて放熱していた。

図１７は従来の回路基板を用いた半導体装置断面図であり、多層配線構造を有する回路基板上に半導体チップを搭載した半導体装置の冷却機構の構造を表している。

図１７（ａ）を参照して、従来の回路基板を用いた半導体装置では、回路基板１０２の上面に電子部品１０３、例えば半導体チップがフリップチップボンディングされて搭載され、その回路基板１０２はマザーボード１０１上にバンプ電極を介して接続されている。

電子部品１０３の裏面（図１７の上側の面）には高熱伝導率材料からなる高熱伝導板１０４を介して冷却板１０５に接続されている。なお、電子部品１０３、高熱伝導板１０４及び冷却板１０５はそれぞれ高熱伝導率の接着剤により接着されている。

冷却板１０５の上面には冷却液１０６が流れており、冷却液１０６により冷却板１０５は冷却される。従って、電子部品１０３から発生した熱は、電子部品１０３、高熱伝導板１０４及び冷却板１０５を通過して冷却水１０６に吸収される。

図１７（ｂ）を参照して、従来の回路基板を用いた他の半導体装置は、放熱器２０５を直接に電子部品２０３の裏面に接触したもので、放熱器２０５はフィンにより空冷される他は図１７（ａ）に示した半導体装置と同様の機構により電子部品から放熱される。この半導体装置では、電子部品２０３を搭載する回路基板２０２は裏面にバンプが設けられ、バンプを介してマザーボード上に搭載される。（例えば、特許文献１、２を参照。）。

上述した従来の半導体装置の冷却効率をさらに向上するために、電子部品１０３と水冷板１０５との間に介在する高熱伝導板１０４あるいは放熱器２０５をベーパーチャンバにより構成した半導体装置が開発されている。（例えば、特許文献３、４を参照。）。

しかし、上述の半導体装置はいずれも電子部品１０３、２０３の一方の主面（裏面）からのみ、即ち回路基板１０２、２０３に対向する面の反対面からのみ放熱している。このため、半導体チップ等の電子部品の微細化及び高速化が進み電子部品１０３、２０３の発熱が大きくなると、十分な放熱が難しい。

そこで、回路基板上に搭載された電子部品の放熱効果をより向上するために、電子部品の裏面からのみならず、電子部品の回路基板に対向する面（表面）からも冷却する方法、即ち回路基板から冷却する方法が開発されている。

図１８は改良された半導体装置破断図であり、回路基板から冷却する半導体装置の回路基板の構造を表している。また、図１９は改良された他の半導体装置断面図であり、ベーパーチャンバを用いて冷却する半導体装置を表している。

図１８を参照して、改良された半導体装置では、樹脂絶縁層３０１ｂと配線層３０１ｃとを交互に積層した多層積層構造からなる回路基板３０１の内部に冷却用の管３０２を設け、回路基板上面３０１ａに搭載された電子部品（不図示）からの発熱を回路基板３０１を介して管内を流れる冷却液に放熱する。従って、電子部品からの熱は回路基板３０１からも吸収されるため、優れた冷却効果を得ることができる。

また、図１９を参照して、改良された他の半導体装置では、内部に冷却液の流路３０６を設けた金属板３０５の上下に高熱伝導率の窒化珪素板３０７を貼り付け、その窒化珪素板３０７上に金属回路３０８を設ける。電子部品３０３はこの金属回路３０８上に搭載される。電子部品３０３及び金属回路３０８の発熱により発生した熱は、窒化珪素板３０７を通り金属板３０５に伝熱し、流路３０５内の冷却液に吸収される。この流路３０５が設けられた金属板３０５は、ベーパーチャンバを構成しており、非常に高い放熱特性を有する。

図１８及び図１９を参照して説明した従来の半導体装置は、回路基板から放熱するため、これに図１７を参照して説明した電子部品の裏面から放熱する方法を組み合わせることで、電子部品の両面から放熱する高い冷却効果を有する半導体装置を実現することができる。
特開平０７−６０８７０号公報 特開平０９−１３９４５１号公報 特開２００３−１６３４７９号公報 特開２００３−１２４６６５号公報 特開平０７−２９７５０５号公報 特開２００４−２２９７３号公報

回路基板１０２、２０２上に搭載した電子部品１０３、２０３の裏面から冷却する従来の半導体装置では、電子部品１０３、２０３の裏面からのみ冷却するので、十分な冷却がなされないという問題がある。

また、上述の従来の改良された半導体装置では、積層された樹脂基板３０１ｂからなる回路基板３０１内に管３０２を埋設しなければならず、製造工程が複雑になる。とくに、管３０２は回路基板３０１を上下方向に貫通して多層の配線層３０１ｃ間を接続するビアを避けて設けなければならず、熱設計と電気配線との設計が複雑になる。また、熱伝導率の小さな絶縁樹脂中に埋設された冷却用の管に熱が伝導するまでの距離が長く、優れた冷却効果が得られない。冷却効率を向上するために管３０２を近接して配置すると、回路基板３０１を上下に貫通するビアを形成する領域が制限され、より設計が難しくなる。さらに、放熱は管３０２からなされ回路基板３０１の全面から放熱されないため、優れた放熱効果が実現されない。

これに対して、従来の改良された半導体装置では、発熱する電子部品及び金属回路板３０８がベーパーチャンバを構成する金属板３０５上に設けられるため、優れた放熱効果を有する。

しかし、ベーパーチャンバを構成する金属板３０５の内部には、冷却液の流路３０６が金属板３０５のほぼ全面にわたり形成されている。従って、金属板３０５を貫通するビアを設けることができない。このため、金属板３０５の両面に電子部品を搭載し、両面に搭載された電子部品間を互いにビアにより接続することができない。また、金属板３０５の片面に電子部品を搭載し、他面に電極又は配線を形成し、この電極又は配線と電子部品とを接続するビアを金属板３０５を貫通して形成することもできない。このため、金属板３０５の下面に上面の電子部品とビアで接続されたこれらの電極又は配線を形成し、この金属板３０５をマザーボード上に搭載するということができない。

本発明は、回路基板の両面に搭載された電子部品間をビアを介して接続する、あるいは回路基板の上面に搭載された電子部品からビアを介して回路基板下面に形成された電極又は配線と接続する回路基板に関し、液冷された又はベーパーチャンバを構成する金属板をコア基板として用いることで回路基板の全面から冷却可能な回路基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本願発明の第一の構成に係る回路基板は、内部に冷却液の流路が形成された良熱伝導金属をコア基板とし、そのコア基板の一方の主面に配線基板が貼着され、他方の主面に配線層が形成される。そして、流路を分離する隔壁に、コア基板を貫通する絶縁物で充填された貫通孔が設けられる。さらに、配線基板、貫通孔を充填する絶縁物及び配線層を貫通するスルーホールと、スルーホール内に導電体からなるビアとが形成されている。

本第一の構成では、液冷されたコア基板の上下面に配線基板又は配線層が設けられるため、配線基板の全面からコア基板へ熱伝導による熱の吸収が行なわれて冷却されるので、配線基板及び配線層の上面に電子部品が搭載されていても、電子部品の優れた冷却効果が実現される。

さらに、コア基板を貫通するビアにより、上下の配線基板及び配線層内の配線間が接続される。このビアは、流路を分ける隔壁を貫通して設けられる。冷却液の流路は通常、コア基板のほぼ全面に設けられ、その流路を分ける隔壁もコア基板のほぼ全面に分布して形成される。従って、隔壁を貫通するビアは、コア基板のほぼ全面に分布するように形成することができる。このため、ビアの形成位置の制限が少なく、配線基板及び配線層の設計が容易である。とくに、発熱する電子部品の直下にビアを設けることもできるので、回路基板の配線長を短くし、同時に冷却効果を優れたものとすることが容易である。

本第一の構成にかかる流路は、流路間に貫通孔を形成可能な隔壁を形成する断面形状を有すればよく、例えば断面矩形の他、断面円形乃至楕円あるいは断面多角形であっても差し支えない。

本願発明の第二の構成に係る回路基板は、ベーパーチャンバを構成するコア基板と、コア基板の一方の主面に配線基板が貼着され、他方の主面に配線層が形成される。そして、コア基板を貫通する貫通孔に嵌合して、ベーパーチャンバ内の冷却液を密封するように金属管が設けられる。そして、金属管の管内を充填する絶縁物を貫通してスルーホールが設けられ、スルーホールの内部に導電膜からなるビアが形成される。このビアにより、コア基板の上下面に設けられた配線基板と配線層との中のそれぞれの配線が接続される。

本第二の構成では、ベーパーチャンバを構成するコア基板を貫通して、ビアが形成される。このビアは、ベーパーチャンバの気密を保持するように設けられ、コア基板を上下に貫通する金属管の中を通り形成される。即ち、金属管の外周がコア基板の貫通孔に嵌合してベーパーチャンバの気密を保持するように設けられる。そして、ビアは、金属管の内壁から絶縁物で絶縁されて、金属管中を貫通して形成される。

この構成では、ビアを、コア基板のベーパーチャンバの空洞部（冷却液が存在する中空部）が形成されている領域に形成することができる。この空洞部は、通常、コア基板のほぼ全面に形成される。従って、ビアを、コア基板のほぼ全面の任意の位置に設けることができる。このため、回路基板の配線の設計上の制約が少なく、設計が容易である。

また、配線基板又は配線層の全面がベーパーチャンバの主面に接するため、配線基板又は配線層の全面から冷却されるので冷却効果が優れる。

なお、少なくとも回路基板はコア基板に貼着される。この構造では、コア基板にビアを形成した後、回路基板を貼着することで本第二の構成の回路基板を製造することができる。このため、高温の加工工程又は機械加工工程を伴うコア基板の製造工程と、回路基板の製造工程とを切り離すことができるので、かかる高温又は機械加工に起因する回路基板の損傷を回避することができる。

上述した第一及び第二の構成において、コア基板の材料は、熱伝導率の高い金属、例えばＡｌ又はＣｕとすることが好ましい。これにより、コア基板表面から冷却液までの熱抵抗を小さくして冷却効果を大きくすることができる。

また、第一及び第二の構成の配線基板をともに多層配線基板とすることができる。他に、配線層を、コア基板の表面に形成された絶縁層上に形成された配線を含むものとすることもできる。

上記第一の構成の回路基板は以下の工程で製造することができる。まず、隔壁に形成された貫通孔を絶縁物で充填し、コア基板の表面に配線基板を貼着し、裏面に配線層を形成する。その後、貫通孔を充填する絶縁物を貫通するスルーホールを、配線基板及び配線層を貫通して形成し、このスルーホールにビアを形成する。

この構成では、コア基板に貫通孔を作成後に配線基板を貼着するので、機械加工による配線基板の損傷を回避することができる。また、スルーホールを、配線基板、配線基板及び貫通孔を充填する絶縁物を貫通して形成できるので、一回の加工でスルーホールを形成することができる。

上記第二の構成の回路基板は以下の工程で製造することができる。まず、ベーパーチャンバを構成するコア基板に貫通孔を開設し、貫通孔に金属管を密封するように嵌合する。次いで、金属管の管内を絶縁物で充填し、その絶縁物を貫通するスルーホールと、そのスルーホールの内面を導電膜により被覆してビアを形成する。その後、コア基板の表面に配線基板を貼着し、裏面に配線層を形成する。

この構成では、ビアを形成するためにベーパーチャンバに貫通孔を設けても、金属管によりベーパーチャンバが密閉されるから、ビアをコア基板の任意の位置に形成することができる。このため回路基板の設計が容易である。また、回路基板はコア基板にビアを形成した後に貼着されるから、コア基板へのビア形成工程による回路基板の損傷を回避することができる。

本発明によれば、液冷された良熱伝導体金属からなるコア基板の両面に形成された配線基板及び配線層の中の配線間をコア基板を貫通するビアにより接続するので、配線基板及び配線層上に搭載された電子部品から発生する熱は配線基板及び配線層の全面から放熱され、放熱効果が高い回路基板を提供することができる。加えて、コア基板の両面に電子部品を搭載する回路基板、又は、一方の面に電子部品を搭載し他面にマザーボードに接続する配線（例えばバンプに接続する電極）を設けた回路基板を実現することができる。

本発明の第１実施形態は、内部に液冷用の流路が設けられた金属板をコア基板として有する回路基板に関する。

図１は本発明の第１実施形態水平断面図であり、回路基板の水平断面を表している。図２は本発明の第１実施形態垂直断面図であり、図１の回路基板のＡＡ’断面を表している。なお、図１は図２のＢＢ’断面である。図３は本発明の第１実施形態拡大断面図であり、図２のビア形成部分を拡大して表している。図４は本発明の第１実施形態積層構造を表す図であり、回路基板の積層構造を表している。

図２を参照して、本第１実施形態に係る回路基板１は、良熱伝導体の金属、例えばＣｕからなるコア基板１１を挟み、コア基板１１の上面及び下面に配線基板１２、１３が設けられている。

図１及び図２を参照して、コア基板１１には、内部に冷却液が流れる流路１１ａが形成されている。コア基板の外周に沿い、流路１１ａを密閉する枠１１ｃが置かれる。これらの流路１１ａは、流れに淀みが発生しないように、互いに隣接する流路１１ａ間に設けられた隔壁１１ｂにより分離される。

このような流路１１ａ及び隔壁１１ｂは、例えばコア基板１１を構成する金属板に溝として流路１１ａを形成し、その溝（流路１１ａ）間に凸状に残る金属板を隔壁１１ｂとして形成することができる。あるいは、枠１１ｃの内側を空洞とし、空洞を垂直に区切る金属、例えばＣｕの隔壁１１ｂを配置することで、隔壁１１ｂの配置で流路１１ａを形成することもできる。

枠１１ｃには、流路１１ａ内へ冷却液を流入し、流路１１ａから排出するための流入口１１ｆ及び流出口１１ｇが設けられる。

配線基板１２、コア基板１１及び配線基板１３を貫通して、上下に設けられた配線基板１２、１３内の配線１２ａを垂直方向に接続するビア１４が形成されている。このビア１４は、隔壁１１ｂに形成され、隔壁１１ｂ内を上下に貫通する。また、必要ならば枠１１ｃを貫通して設けることもできる。以下、ビア１４の構造を説明する。

図３を参照して、コア基板１１に形成された流路１１ａを分離する隔壁１１ｂの中に、コア基板１１を上下に貫通する貫通孔１８が形成されており、その貫通孔１８の内部に絶縁物１６が充填される。そして、配線基板１２、貫通孔１８を充填する絶縁物１６、及び、配線基板１３を貫通してスルーホール１５が開設されている。スルーホール１５の内壁面を被覆する導電体膜、例えばＣｕ導電膜１４ａが設けられ、この導電膜１４ａがビア１４となり上下の配線基板１２、１３間の配線１２ｃ、１３ｃを接続する。

配線基板１２は通常の４層の多層基板であり、上下面に配線１２ａが形成された絶縁基板を絶縁性のプリプレグ１７で接着して製造された、３層の絶縁層１２ｃと４層の配線１２ａからなる多層配線基板である。配線基板１３は、最下層（下面）の配線をバンプ接着用の電極１３ｂとした以外は、配線基板１２と同様である。これらの配線基板１２、１３は、コア基板１１の上板１１ｄ上面及び下板１１ｅ下面に、絶縁性の接着層１６ａを介して貼着される。

上述したビア１４では、導電膜１４ａと隔壁１１ｂの間は絶縁物１６により絶縁されている。一方、導電膜１４ａと配線基板１２、１３内の配線１２ｃ、１３ｃとは、通常の配線基板におけるビアと同様の構造で接続される。

図４を参照して、上述した回路基板１は、コア基板１１上に、接着層１６ａとなるプリプレグ１７、配線基板１２、配線基板１２間の絶縁層となるプリプレグ１７、及び配線基板１２をこの順序で積層して製造される。また、コア基板１１下に、接着層１６ａとなるプリプレグ１７、配線基板１３、配線基板１３間の絶縁層となるプリプレグ１７、及び配線基板１３をこの順序で積層されて製造される。以下、本第１実施形態の回路基板１の製造方法を説明する。

図５は本発明の第１実施形態工程断面図（その１）、図６は本発明の第１実施形態工程断面図（その２）であり、回路基板１のビア形成部分近傍の断面を表している。

図５（ａ）を参照して、まず、辺長１００ｍｍの正方形の平面形状を有する厚さ３ｍｍのＣｕからなるコア基板１１を準備する。コア基板１１の内部には、厚さ１．２ｍｍの隔壁１１ｂにより画定される高さ１．４ｍｍ、幅９ｍｍの流路１１ａが形成されている。コア基板１１の周辺の流路１１ａは、コア基板１１の周辺に設けられた厚さ（幅）３．９ｍｍの枠１１ｃにより画定されている。流路１１ａの上面及び下面には、それぞれＣｕからなる上板１１ｄ及び下板１１ｅが設けられている。かかるコア基板１１は、通常用いられている液冷用の冷却板と同様の工程で製造することができる。

次いで、図５（ｂ）を参照して、隔壁１１ｂを上下に貫通する直径０．８ｍｍの貫通孔１８を、例えば機械加工により形成する。貫通孔１８の形成方法は他の方法、例えばイオンエッチングを用いてもよい。同時に、枠１１ｃにも必要な貫通孔を形成する。

次いで、図５（ｃ）を参照して、コア基板１１の上面及び下面に、絶縁性接着剤からなるプリプレグを載置し、押圧して、貫通孔１８を絶縁性接着剤からなる絶縁物１６で充填する。同時に、コア基板１１の上面及び下面に、それぞれ絶縁性接着剤からなる接着層１６ａが形成される。

なお、必要ならば、先に貫通孔１８を絶縁物１６ａ、例えば絶縁性樹脂で充填し、その後、コア基板１１の上面及び下面に接着層１６ａを形成してもよい。

次いで、図６（ｄ）を参照して、予め製造されていた配線基板１２及び配線基板１３を、それぞれコア基板１１の上面及び下面に貼着する。これらの配線基板１２、１３は、上下面に配線１２ａが形成されている絶縁基板をプリプレグ１７を介して積層して製造されている。この絶縁基板及びプリプレグ１７は、４層配線構造の回路基板１２、１３の絶縁層１２ｃ、１３ｃとなる。ここでは、厚さ０．８ｍｍの層配線構造の回路基板１２、１３を用いた。

なお、接着層１６を接着力の小さなないし非接着性の絶縁層とし、その上に接着剤を塗布して配線基板１２、１３を貼着することもできる。

次いで、図６（ｅ）を参照として、配線基板１２、１３及びコア基板１１を貫通する直径０．６ｍｍのスルーホール１５を機械加工により開設する。このスルーホール１５は、貫通孔１８のほぼ中心を通るように、例えば貫通孔と同心円をなすように開設される。

次いで、スルーホール１５の内壁面に導電膜１４ａとしてＣｕめっき膜を形成することで、図３を参照して、上下の配線基板１２、１３内の配線１２ａ、１３ａ間を接続するビア１４が形成される。必要ならば、一部のビア１４について、めっき膜をスルーホール１５の開口近くの配線基板１２、１３上に延在させ、最上面の配線１２ａと最下面の配線１３（バンプ接続用の電極１３ｂをなす。）とに接続させてもよい。これにより、上面に電子部品を搭載し、下面にマザーボードと接続するためのバンプが形成された回路基板１を製造することができる。以上の工程を経て、図３を参照して説明した本第１実施形態にかかる回路基板１が製造された。

以下に、上述した第１実施形態にかかる回路基板１を用いた半導体装置について説明する。

図７は本発明の第１実施形態組立図であり、回路基板１上に電子部品を搭載する状態を表している。図８は本発明の第１実施形態冷却システム構成図であり、電子部品を搭載した回路基板１を用いた冷却システムを表している。

図７を参照して、上述した回路基板１の上面及び下面に、即ち、配線基板１２の上面及び配線基板１３の下面に、電子部品３を、例えば集積回路、電力増幅回路等の消費電力の大きな回路を含む半導体チップ又はかかる半導体チップを収容した半導体パッケージを、例えばフリップチップボンディングやはんだのリフローを用いて搭載する。

図８を参照して、回路基板１の上下面に搭載された電子部品３からの発熱は、配線基板２、１３を介してコア基板１１に熱伝導され、コア基板１１中を流れる冷却液、例えば冷却水に熱伝達される。加熱された冷却液は、流出口１１ｇからポンプ３１により吸引され、ラジエータ３２に送られる。ラジエータ３２で冷却れた冷却液は、流入口から再びコア基板１１中に戻される。

本第１実施形態の回路基板１を用いた半導体装置では、水冷による回路基板１側からの放熱が大きく、水冷されていない絶縁樹脂の積層からなる多層回路基板を用いた従来の半導体装置に比べ、回路基板１の単位面積当たりの冷却能力は４０倍程度であった。

本発明の第２実施形態は、ベーパーチャンバを構成する金属板をコア基板として有する回路基板に関する。

図９は本発明の第１実施形態水平断面図であり、回路基板の水平断面を表している。図１０は本発明の第２実施形態垂直断面図であり、図９の回路基板のＣＣ’断面を表している。なお、図９は図１０のＤＤ’断面である。図１１は本発明の第２実施形態拡大断面図であり、図１０のビア形成部分を拡大して表している。

図９及び図１０を参照して、本第２実施形態にかかる回路基板２は、短辺が１０ｃｍ、長辺が１５ｃｍ、厚さ３ｍｍのＣｕ板からなるコア基板２１の上下に、配線基板２２、２３が貼着されている。この配線基板２２、２３は、後述するように貼着面にビア１４’と接続する電極を有する他は、第１実施形態の配線基板２２、２３と同様である。

なお、配線基板２２、２３は、辺長１０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの正方形板状をなし、例えば、コア基板２１の右端に配置される。コア基板２１の配線基板２２、２３が配置されておらず表出している部分は、放熱部２１ｄをなしその上面、下面又は上下面に接触して放熱器３４が設けられる。

コア基板３は、内部が空洞２１ｃであり、この空洞２１ｃ内に封入されている冷却液、例えば水、の気化、液化の循環を通して熱を移動するベーパーチャンバを構成している。なお、この空洞２１ｃは、複数の循環路を構成するように複数部分に分割されていてもよい。

コア基板２１には、その面内にビア基板２１を貫通して設けられたビア１４’が、例えば行列状に多数形成されている。このビア１４’は、後述するようにビア１４’の空洞２１ｃ部分の任意の位置に形成することができる。このため、ビア４’形成位置の自由度が非常に高い。

図１１を参照して、ビア１４’の構造を詳細に説明する。コア基板２１は、上板２１ｄ及び下板２１ｅとの間が空洞２１ａになっており、空洞２１ａの上下にウィック２１ｈが設けられたベーパーチャンバを構成している。空洞２１ａ中には冷却液、例えば水が導入される。

コア基板２１の上板２１ｄ及び下板２１ｅにコア基板２１を貫通する貫通孔２５が設けられ、その貫通孔２５に嵌合する金属製の管２４、例えばＣｕ管が挿入されている。この管２４は、外周が貫通孔２５に密嵌、あるいはろう付けされており、これにより空洞２１ｃは密閉されている。管２４の上下端はコア基板２１の上下面に一致させた。

管２４の内部は、絶縁物２６で充填される。さらに、コア基板２１の上下面に絶縁層２６ａが設けられる。さらに、管２４の中心軸と同心状に、絶縁物２６及び上下の絶縁層２６ａを貫通するスルーホール１５’が開設されている。スルホール１５’は導電体で充填されてビア２４’を形成する。ビア２４’の上下端は、絶縁層２６上に延在して、配線基板２２、２３との接続用電極１４’ａをなしている。

コア基板２１の上下に、絶縁性の接着層２７を介して配線基板２２、２３が貼着される。配線基板２２の下面に設けられた配線２２ａ及び配線基板２３の上面に設けられた配線２３ａは、ビア１４’の上端及び下端を構成する電極１４’ａに当接して配置され、ビア１４’を介して上下の配線基板２２、２３内の配線２２ａ、２３ａ間が接続される。

以下、本第２実施形態にかかる回路基板２の製造方法を詳述する。

図１２は本発明の第２実施形態工程断面図（その１）、図１３は本発明の第２実施形態工程断面図（その２）であり、コア基板に設けられるビア１４’近傍の構造を表している。

図１２（ａ）を参照して、まず、内部が、上下が上板２１ｄ及び下板２１ｅで塞がれた空洞２１ａとなっている良熱伝導率の金属板、例えばＣｕ板からなるコア基板２１を準備する。コア基板２１は、例えば幅１０ｃｍ、長さ１５ｃｍ、厚さ３ｍｍの長方形板状をなし、上板２１ｄ及び下板２１ｅの厚さはともに０．８ｍｍ、空洞１ａの高さは１．４ｍｍである。この空洞２１ａ内の上下に、冷却液を循環させるためのウィックが配置されている。

次いで、図１２（ｂ）を参照して、上板２１ｄを貫通し、そのまま下板２１ｅを貫通する直径１．２ｍｍの貫通孔２５を開設する。次いで、図１２（ｃ）を参照して、貫通孔２５に嵌合する長さ３ｍｍ、内径０．８ｍｍのＣｕ管２４を貫通孔２５に嵌入し、管２４の上下を上板２１ｄ及び下板２１ｅにロウ付けする。これにより、管２４の外周と上板２１ｄ及び下板２１ｅ間は気密に封止される。

次いで、図１２（ｃ）を参照して、絶縁物からなる絶縁性プリプレグをコア基板２１の上下面に載置し押圧して、管２４の内部に絶縁物２６を充填すると同時に、コア基板２１の上下面に絶縁物からなる絶縁層２６ａを形成する。

次いで、図１２（ｄ）を参照して、管２４の中心軸を中心軸とする直径０．６ｍｍのスルーホール１５’を、絶縁物２６及び絶縁層２６ａを貫通して形成する。

次いで、図１３（ｅ）を参照して、めっきを用いてスルーホール１５’をＣｕめっきで埋め込み、Ｃｕめっきからなるビア１４’を形成する。このビア４’の両端は、絶縁層２５ａ上に広がり、電極１４’を形成する。必要ならば、この電極形成と同時に、絶縁層２６ａ上に他の配線を形成することもできる。この結果、管２４内壁面から厚さ０．１ｍｍの絶縁物２６により絶縁された直径０．６ｍｍのビア１４’が形成される。ついで、空洞２１ａ内に冷却液として水を導入し、ビア１４’を有するコア基板２１が製造される。

上述したコア基板２１では、ベーパーチャンバを構成する空洞２１ａに開設された貫通孔２５は、貫通孔２５に嵌入する金属管２４により密封され気密が保持されるので、金属管２４をコア基板２１の任意の位置に配設してもベーパーチャンバの機能を損なうことがない。このため、金属管２４の中に形成されるビア２４’を、コア基板２１の任意の位置に設けることができる。

次いで、再び図１１を参照して、予め準備されていた配線基板２２、２３を、それぞれコア基板２１の上下面に接着層２７を介して貼付し、本第２実施形態の回路基板２が製造される。配線基板２２、２３を貼着することで、空洞２１ａ内の冷却液の蒸発を防ぐことができる。この配線基板２２、２３は、厚さ０．８ｍｍ、辺長１０ｃｍの正方形板状であり、コア基板２１の一端、又は中央に配置される。このとき、配線基板２２、２３の外側に表出するコア基板２１の部分は、ベーパーチャンバの放熱部２１ｄを構成する。この放熱部は、コア基板の一端又は両端に設けることができる。

以下、本第２実施形態にかかる回路基板２を用いた半導体装置を説明する。

図１４は本発明の第２実施形態半導体装置断面図（その１）であり、回路基板の両面に電子部品を搭載した半導体装置を表している。

図１４を参照して、この半導体装置では、上述した第２実施形態の回路基板２の両面に電子部品３、例えば高速の集積回路が形成された半導体チップがフリップチップボンディングされている。フリップチップボンディングにより、空洞２１ａ内の冷却液を蒸発することなく電子部品３を搭載することができる。もちろん、電子部品３の搭載に、冷却液を蒸発させない温度、例えば１００℃以下の温度で搭載できる他の方法を用いることもできる。

コア基板２１の放熱部２１ｄに、空冷フィンを有する放熱器３４が密接される。さらに、発熱の大きな電子部品３の裏面（図１４の上方の面）にも、同様の放熱器３４が密接して設けられる。従って、この電子部品３は、回路基板２と裏面の放熱器３４を通して両面から冷却される。このため、優れた放熱効果が得られる。電子部品３で発熱した熱の一部は、配線基板２２、２３を熱伝導によりコア基板２１に到達し、ベーパーチャンバを構成する冷却液に吸収される。この冷却液は放熱部２１ｄで放熱器３４を介して放熱される。冷却からのこのため背面して設けられる
この半導体装置では、電子部品３が両面から冷却され、しかも一面はベーパーチャンバによる冷却なので、第１実施形態と同程度の非常に高い冷却効果を有する。加えて、コア基板２１の任意の位置でビア１４’を介して、コア基板２１の両面に設けられた配線基板２２、２３の配線間を接続することができる。

図１５は本発明の第２実施形態半導体装置断面図（その２）であり、回路基板の上面に電子部品３を搭載し、下面にマザーボードに接続する電極を設けた半導体装置を表している。

図１５を参照して、この半導体装置では、ベーパーチャンバを構成するコア基板２１のほぼ中央部の上下に配線基板２２、２３が配置され、コア基板２１の両端部に放熱部２１ｄが形成される。電子部品３である半導体チップは、上面に配置された配線基板２２の上に搭載され、その周囲及び上方がパッケージ３６により覆われている。電子部品３とパッケージ３６との間に熱伝導率の高いペーストが充填されている。

放熱部２１ｄ上にパッケージ３６と高さが等しい良熱伝導材料からなる伝熱板３７が設けられる。そして、パッケージ３６、伝熱板３７の上面に密接して放熱板３４が設けられる。一方コア基板２１の下面に配置された配線基板２３の下面に、マザーボード上の配線と接続するための電極１３ｂが形成されている。

この半導体装置では、マザーボード上に搭載することができる他、上下の配線基板２２、２３間がピア１４’で接続されるので短い配線長で高密度の配線を実現することができる。

図１６は本発明の第２実施形態変形例半導体装置断面図であり、コア基板の上面に配線基板を貼着し、下面に配線基板の代わりにバンプ接続用の電極となる配線層を形成した回路基板を用いた半導体装置を表している。図１６中の楕円内はコア基板２１の下面に形成された電極１３ｂ（配線層を構成する。）近傍を表す断面図である。

図１６を参照して、この半導体装置では、上面に４層構造の配線基板２２が貼着され、下面に電極１３ｂを含む配線層が形成された回路基板２を用いる。電極１３ｂは、ビア１４’の下端に接続し、コア基板２１の下面に形成された絶縁層２６ａ上に設けられる。電極１３ｂ上に、マザーボードの配線に接続するためのはんだボール２８が設けられる。

電子部品３は回路基板２の上面にのみ搭載される。回路基板２からの放熱は、放熱部２１ｄに密接された放熱器３４からなされる。さらに、電子部品３の背面に放熱器を設けて、電子部品３の両面から放熱することもできる。

上記の第１及び第２実施形態の回路基板１、２において、配線基板２２、２３内の配線を垂直に接続するビアの少なくとも一部のビアを、コア基板１１、２１の上下面に接続してもよい。これにより、コア基板１１、２１を接地層あるいは電源層として利用することができる。

上述した本明細書には以下の付記記載の発明が開示されている。
（付記１）内部に冷却液の流路が形成された良熱伝導金属からなるコア基板と、
前記コア基板の一方の主面に貼着された配線基板と、
前記コア基板の他方の主面に形成された配線層
と、
前記流路を分離する隔壁に形成され、前記コア基板を貫通する貫通孔と、
前記配線基板、前記貫通孔を充填する絶縁物及び前記配線層を貫通して形成されたスルーホールと、
前記スルーホール内に設けられた導電体からなるビアとを有する回路基板。
（付記２）ベーパーチャンバを構成する良熱伝導金属からなるコア基板と、
前記コア基板を貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に嵌合して、前記ベーパーチャンバ内の冷却液を密封するように設けられた金属管と、
前記金属管の管内を充填する絶縁物と、
前記絶縁物を貫通して形成されたスルーホールと、
前記スルーホール内に設けられた導電体からなるビアと
前記ビアと接続する第１配線を有し、前記コア基板の一方の主面に貼着された配線基板と、
前記ビアと接続する第２配線を有し、前記コア基板の他方の主面に形成された配線層とを有する回路基板。
（付記３）前記配線基板は多層配線基板からなり、
前記配線層は、前記コア基板の他方の主面に貼着された多層配線基板からなることを特徴とするを請求項１又は２記載の回路基板。
（付記４）前記コア基板はＡｌ若しくはＣｕ又はこれらを主材料とする合金からなること特徴とする付記１、２又は３記載の回路基板。
（付記５）前記配線基板内の異なる層の配線間を接続し、前記コア基板の表面に接続された第２のビアを備えることを特徴とする付記１、２、３又は４記載の回路基板。
（付記６）前記配線層がマザーボードに接続するための電極を含むことを特徴とする付記１又は２記載の回路基板。
（付記７）前記配線層を構成する多層配線基板が、マザーボードに接続するための電極を含むことを特徴とする付記３記載の回路基板。
（付記８）付記１〜７の何れかに記載された回路基板の上面に電子部品が搭載され、
前記電子部品の上面に放熱器が設けられたことを特徴とする半導体装置。
（付記９）付記６又は７記載の回路基板の上面に電子部品が搭載され、
マザーボード上に前記回路基板が搭載されたことを特徴とする半導体装置。
（付記１０）付記３記載の回路基板の上下両面に電子部品が搭載されたことを特徴とする半導体装置。
（付記１１）内部に冷却液の流路が形成された良熱伝導金属からなるコア基板の前記流路を分離する隔壁に、前記コア基板を貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を絶縁物で充填する工程と、
前記コア基板の主面に絶縁膜を形成する工程と、
前記コア基板の一方の主面に配線基板を貼着する工程と、
前記コア基板の他方の主面に前記絶縁膜を介して配線層を形成する工程と、
前記配線基板、前記貫通孔を充填する絶縁物及び前記配線層を貫通するスルーホールを開設する工程と、
前記スルーホール内に導電体からなるビアを形成する工程とを有する回路基板の製造方法。
（付記１２）ベーパーチャンバを構成する良熱伝導金属からなるコア基板に、前記コア基板を貫通する貫通孔を開設する工程と、
前記貫通孔に嵌合する金属管を、前記ベーパーチャンバ内の冷却液を密封するように設ける工程と、
前記金属管の管内を絶縁物により充填する工程と、
前記絶縁物を貫通して形成されたスルーホールと、
前記スルーホール内に導電体からなるビアを形成する工程と、
第１配線を有する配線基板を、前記第１配線が前記ビアと接続するように前記コア基板の一方の主面に貼着する工程と、
第２配線を有する配線層を、前記コア基板の他方の主面に形成する工程とを有する回路基板の製造方法。

本発明は、高発熱の半導体チッブ又は半導体パッケージを搭載する回路基板として適用することで、配線設計が容易で、かつ冷却効果に優れた半導体装置を実現することができる。

本発明の第１実施形態水平断面図 本発明の第１実施形態垂直断面図 本発明の第１実施形態拡大断面図 本発明の第１実施形態積層構造を表す図 本発明の第１実施形態工程断面図（その１） 本発明の第１実施形態工程断面図（その２） 本発明の第１実施形態組立図 本発明の第１実施形態冷却システム構成図 本発明の第２実施形態水平断面図 本発明の第２実施形態垂直断面図 本発明の第２実施形態拡大断面図 本発明の第２実施形態工程断面図（その１） 本発明の第２実施形態工程断面図（その２） 本発明の第２実施形態半導体装置断面図（その１） 本発明の第２実施形態半導体装置断面図（その２） 本発明の第２実施形態変形例半導体装置断面図 従来の回路基板を用いた半導体装置断面図 従来の改良された半導体装置破断図 従来の改良された他の半導体装置断面図

符号の説明

１、２ 回路基板
３ 電子部品
１１、２１ コア基板
１１ａ 流路
１１ｂ 隔壁
１１ｃ 枠
１１ｄ、２１ｄ 上板
１１ｅ、２１ｅ 下板
１１ｆ 流入口
１１ｇ 流出口
１２、２２ 配線基板
１２ｃ、１３ｃ、２２ｃ、２３ｃ 絶縁層
１３、２３ 配線基板（配線層）
１２ａ、１３ａ、２２ａ、２３ａ 配線
１３ｂ、２２ｂ、２３ｂ 電極
１４、１４’ ビア
１４ａ 導電膜（導電体）
１４’ａ 電極
１５、１５’ スルーホール
１６ 絶縁物
１６ａ 接着層
１７ プリプレグ
１８ 貫通孔
２１ａ 空洞
２１ｂ 上板
２１ｂ 下板
２１ｃ 空洞
２１ｄ 放熱部
２１ｈ ウィック
２４ 管
２５ 貫通孔
２６ 絶縁物
２６ａ 絶縁層
２７ 接着層
２８ はんだボール
３１ ポンプ ３２ ラジエータ
３３ ファン
３４ 放熱器
３６ パッケージ
３７ 伝熱板
１０１、２０１ マザーボード
１０２、２０２ 回路基板
１０３、２０３ 電子部品
１０４ 高熱伝導板
１０５ 冷却板
１０６ 冷却液
２０５ 放熱器
３０１ 回路基板
３０１ａ 上面
３０１ｂ 樹脂絶縁層
３０１ｃ 配線層
３０２ 管
３０３ 電子部品（半導体チップ）
３０５ 金属板
３０６ 流路
３０７ 窒化珪素板
３０８ 金属回路板

Claims (6)

1. 内部に冷却液の流路が形成された良熱伝導金属からなるコア基板と、
   前記コア基板の一方の主面に貼着された配線基板と、
   前記コア基板の他方の主面に形成された配線層と、
   前記流路を複数の流路に分離する隔壁と、
   前記隔壁に形成され、前記コア基板を貫通する貫通孔と、
   前記配線基板、前記貫通孔を充填する絶縁物及び前記配線層を貫通して形成されたスルーホールと、
   前記スルーホール内に設けられた導電体からなるビアとを有する回路基板。
2. 前記配線基板は多層配線基板からなり、
   前記配線層は、前記コア基板の他方の主面に貼着された多層配線基板からなることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
3. 前記コア基板はＡｌ若しくはＣｕ又はこれらを主材料とする合金からなること特徴とする請求項１又は２記載の回路基板。
4. 請求項１〜３の何れかに記載された回路基板の上面に電子部品が搭載され、
   前記電子部品の上面に放熱器が設けられたことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項２記載の回路基板の上下両面に電子部品が搭載されたことを特徴とする半導体装置。
6. 内部に冷却液の流路と、前記流路を複数の流路に分離する隔壁とを有する良熱伝導金属からなるコア基板を製造する工程と、
   前記隔壁に前記コア基板を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔を絶縁物で充填する工程と、
   前記コア基板の主面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記コア基板の一方の主面に配線基板を貼着する工程と、
   前記コア基板の他方の主面に前記絶縁膜を介して配線層を形成する工程と、
   前記配線基板、前記貫通孔を充填する絶縁物及び前記配線層を貫通するスルーホールを開設する工程と、
   前記スルーホール内に導電体からなるビアを形成する工程とを有する回路基板の製造方法。

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