JP6154272B2 - 冷却基板、素子収納用パッケージおよび電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却基板、冷却基板を備えた素子収納用パッケージ、および素子収納用パッケージを備えた電子装置に関する。

従来から、素子を実装する実装基板と、実装基板上に配置され、貫通孔を有する枠体と、貫通孔に挿通され、枠体の内側および前記枠体の外側に位置した入出力端子とを備えた素子収納用パッケージ、ならびに素子収納用パッケージに素子を収納した実装構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記のような素子収納用パッケージまたは実装構造体では、素子を駆動させると、素子から熱が発生する。素子は枠体によって取り囲まれているため、素子から発生する熱は枠体の内側に籠りやすくなり、熱が枠体の内側に籠ると素子が高温になり、素子が誤作動する可能性があった。

そのため、高温になった素子収納用パッケージまたは実装構造体を冷やすために、素子収納用パッケージまたは実装構造体に、冷却基板を配置する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

冷却基板としては、冷媒導入領域および冷媒排出領域を有する第１基板と、冷媒導入領域から冷媒排出領域へ冷媒を通過させる流路部材と、第１基板上に位置し、流路部材を取り囲んで配置された冷却枠体とを備えている。また、この流路部材は、接合部材を介して第１基板に接合されている。

特開２００２−２０８６４９号公報 特開２００５−１６６７５２号公報

上記のような冷却基板では、冷媒が冷媒導入領域から冷媒排出領域へ通過すると、流路部材に圧力が加わる。特に、冷却枠体の角部近傍は冷媒が圧縮されやすく、冷媒の圧力が大きくなる傾向にあるため、冷却枠体の角部近傍に位置する流路部材にも強い圧力が加わり、冷却枠体の角部近傍に位置する流路部材が剥がれてしまう可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性を高めた冷却基板、素子収納用パッケージおよび電子装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る冷却基板は、冷媒導入領域および冷媒排出領域を有する第１基板と、前記第１基板上であって前記冷媒導入領域および前記冷媒排出領域の間の領域に接合され、前記冷媒導入領域から前記冷媒排出領域へ冷媒を通過させる流路部材と、前記第１基板上に位置し、前記冷媒導入領域、前記冷媒排出領域および前記流路部材を取り囲んで配置された冷却枠体と、前記冷却枠体上に前記流路部材を覆って配置された第２基板とを備え、前記冷却枠体は前記流路部材が嵌合される嵌合部を有しており、前記嵌合部の角
部に切欠きが形成されている。

本発明に係る冷却基板、素子収納用パッケージおよび電子装置によれば、耐久性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る素子収納用パッケージおよび電子装置であって、蓋体を外した状態の斜視図である。 図１の冷却基板を一方向から見た斜視図である。 図１の冷却基板の分解斜視図である。 図１の冷却基板を示す平面図である。 図４のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図１の冷却基板であって、第２基板を外した状態での平面図である。 本発明の他の実施形態に係る冷却基板の要部を示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る冷却基板の要部を示す平面図である。

＜冷却基板、素子収納用パッケージおよび電子装置の構成＞
図１に示すように、電子装置１は、実装構造体３と、実装構造体３に取り付けられた冷却基板８とを備えている。

また、実装構造体３は、素子収納用パッケージ２と、素子収納用パッケージ２内に実装された素子31とを備えている。

素子収納用パッケージ２は、蓋体４、実装基板５と、実装基板５の上面に配置され、貫通孔Ｈを有する枠体６と、貫通孔Ｈに挿通され、枠体６の内側から枠体６の外側に延在された入出力端子７とを備えている。

素子31は、例えば、半導体素子、トランジスタ、レーザーダイオード、ホトダイオードまたはサイリスタ等の能動素子、あるいは抵抗器、コンデンサ、太陽電池、圧電素子、水晶振動子またはセラミック発振子等の受動素子が挙げられる。

なお、図１に示すように、本実施形態の素子31は、台座部材32を介して実装基板５に配置されている。

素子収納用パッケージ２は、例えばテレビなどの家電機器、携帯電話またはコンピュータ機器等の電子機器あるいはパワーデバイスなどを収納したパワーモジュールに使用される。特に、素子収納用パッケージ２は、マイクロ波、ミリ波などの高周波で用いられる電子機器またはパワーモジュールへの使用に適している。

実装基板５は素子31を支持する機能を有している。実装基板５は、平面視して四角形状である。実装基板５は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を含有する合金で形成される。実装基板５は、熱伝導率を良好にすれば、実装した素子31から発生する熱を効率よく実装基板５に放散させることができる。なお、実装基板５の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。

なお、実装基板５の一辺の長さは、例えば５ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、実装基板５の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。

また、酸化腐食の防止または素子31をろう付けしやすくするために、電気めっき法または無電解めっき法を用いて、実装基板５の表面にニッケルまたは金などの金属層を形成してもよい。

なお、本実施形態では、実装基板５の形状を矩形状としているが、素子31を実装することが可能であれば、矩形状に限られず、多角形状、円形状または楕円形状等であってもよい。

枠体６は、素子31を外部から保護する機能を有している。枠体６は、実装基板５の上面に配置されている。また、枠体６は、実装基板５の外周端に沿って位置している。また、枠体６は、側部に入出力端子７を挿通させる貫通孔Ｈが形成されている。枠体６は、ろう材などを介して実装基板５に接合されている。

また、枠体６は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルトなどの金属、あるいはこれらの金属を含有する合金で形成される。枠体６は、熱伝導率を良好にすることで、素子31から発生する熱を枠体６の外部に発散できる。なお、枠体６の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。

入出力端子７は、枠体６の内側および外側を電気的に接続する機能を有する。図１に示すように、入出力端子７は枠体６の貫通孔Ｈに挿通されている。入出力端子７は、枠体６の内外に延在されるセラミック構造体71と、枠体６の外側でセラミック構造体71に接続されるリード端子72とを有している。

セラミック構造体71は、第１誘電体層と、第１誘電体層の上面に位置し、枠体の内外を電気的に接続する信号線路と、第１誘電体層上に信号線路の一部と重なるように配置された第２誘電体層と、第１誘電体層の下面および側面ならびに第２誘電体層の上面および側面に配置された接地導体とを有している。

第１誘電体層および第２誘電体層は、絶縁性材料で形成され、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化珪素等の無機材料、あるいはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはエチレン樹脂等の有機材料、あるいはアルミナまたはムライト等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料で形成される。

接地導体は、第１誘電体層の下面および側面ならびに第２誘電体層の上面および側面に配置されている。信号線路および接地導体は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、タングステン、マンガンまたはクロム等の金属材料からなる。

第１誘電体層の下面および側面ならびに第２誘電体層の上面および側面に接地導体となる金属層が形成されることで、枠体６に接合しやすくなるので、入出力端子７はろう材などの接合部材を介して貫通孔Ｈに挿入固定されている。

リード端子72は、外部の電子機器等および素子31を電気的に接続する機能を有している。リード端子72は、ろう材などの導電性の接合部材を介して信号線路に接続されることで、信号線路およびリード端子72が電気的に接続される。

蓋体４は、素子31を保護する機能を有する。また、図１に示すように、蓋体４は素子収納用パッケージ２の開口を封止している。蓋体４はシールリングなどを介して枠体６に接
合されている。蓋体４の材料としては、例えば鉄、銅、銀、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンまたはタングステンなどの金属材料、あるいはこれらの金属材料を複数組み合わせた合金などが挙げられる。

冷却基板８は、内部に冷媒を流すことで、冷却基板８の周囲の熱を吸収し、周囲の温度を低下させる機能を有する。

なお、本実施形態では、冷却基板８を実装構造体３（素子収納用パッケージ２）に取り付けて使用しているが、これには限定されない。冷却基板８は、例えばＣＰＵ、ＬＳＩ、太陽電池モジュールまたは高出力用レーザなどに取り付けて使用してもよい。また、本実施形態の冷却基板８は実装基板５上に配置されているが、蓋体４上に配置してもよい。

冷却基板８は、図３〜図６に示すように、第１基板81と、第１基板81の外縁に沿って第１基板81上に配置された冷却枠体82と、第１基板81上に冷却枠体82に囲まれて配置された流路部材83と、冷却枠体82上に流路部材83を覆って配置された第２基板84とを備えている。

第１基板81は、冷却枠体82および流路部材83を支持する機能を有している。第１基板81は、冷媒導入領域81ａおよび冷媒排出領域81ｂを有している。冷媒導入領域81ａおよび冷媒排出領域81ｂは、冷却枠体82の内側に位置している。すなわち、冷媒導入領域81ａおよび冷媒排出領域81ｂは、冷却枠体82によって取り囲まれている。

冷媒導入領域81ａは冷媒が導入される領域である。この冷媒導入領域81ａに対向して、第２基板84に設けられた導入部841が配置されている。すなわち、導入部841から流入された冷媒は、第１基板81の冷媒導入領域81ａに流れ込むことになる。

冷媒排出領域81ｂは冷媒が排出される領域である。この冷媒排出領域81ｂに対向して、第２基板84に設けられた排出部842が配置されている。すなわち、第１基板81の冷媒導入
領域81ａに流れ込んだ冷媒は、流路部材83を通過して冷媒排出領域81ｂに到達し、冷媒排出領域81ｂから第２基板84の排出部842に流出される。

なお、冷媒は、例えば、水、食塩水、アンモニア水またはフッ素系不活性液体などの液体、フロン、アンモニアまたは二酸化炭素などの気体である。

第１基板81は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を含有する合金で形成できる。

第１基板81は、熱伝導率を良好にして、素子31から発生する熱を冷媒に伝達させ、外部に効率良くに放散させることができる。なお、第１基板81の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。

冷却枠体82は、冷媒導入領域81ａ、冷媒排出領域81ｂおよび流路部材83を取り囲むように配置されている。また、冷却枠体82は第１基板81および第２基板84の間に配置されている。また、冷却枠体82の外縁は、平面視して第１基板81の外縁と重なるように形成されている。

なお、本実施形態の冷却枠体82は、第１基板81と一体的に形成されているが、これには限定されない。すなわち、冷却枠体82および第１基板81を別体として形成してもよい。別体として形成される場合には、冷却枠体82は、ろう材などを介して第１基板81に接合される。

また、冷却枠体82は嵌合部821を有している。嵌合部821は流路部材83が嵌合される部分である。また、流路部材83は接合部材を介して嵌合部821に嵌合されている。すなわち、
流路部材83および嵌合部821の内面の間には接合部材が介在している。この接合部材とし
ては、例えば、銀、銅、金、アルミ二ウムまたはマグネシウムなどからなり、ニッケル、カドミウムまたは燐などの添加物を含有させてもよい。

図６に示すように、本実施形態の嵌合部821は矩形状であるが、これには限定されず、
多角形状でもよい。

また、図３および図６に示すように、嵌合部821の角部には切欠きＣが形成されている
。本実施形態の切欠きＣは、平面視して円弧状に形成されているが、これには限定されない。また、本実施形態では、嵌合部821は４つの角部において切欠きＣが形成されている
。

図６に示すように、本実施形態では、冷却枠体82における冷媒導入領域81ａ側に位置する角部および冷媒排出領域81ｂ側に位置する角部に切欠きＣが形成されている。すなわち、冷媒導入領域81ａおよび冷媒排出領域81ｂの両側の角部に切欠きＣが形成されている。

また、冷媒導入領域81ａ側の角部は冷媒が圧縮されやすく、冷媒の圧力が大きくなりやすいので、切欠きＣは少なくとも冷媒導入領域81ａ側の角部に形成することが好ましい。

また、図３に示すように、本実施形態の切欠きＣは、冷却枠体82を貫通している。これによって、冷却枠体82の角部に冷媒が圧縮されることで加わる圧力を切欠きＣで分散しやすくなるので、嵌合部821および流路部材83の角部における接合部を起点とした流路部材83に加わる圧力を低減でき、流路部材83の剥がれを低減できる。

なお、切欠きＣは、冷却枠体82を貫通していなくてもよい。例えば、冷却枠体82の角部において、第２基板84側から第１基板81側に向かう途中まで切欠きＣを形成してもよい。また、冷却枠体82の角部において、第１基板81側から第１基板81側に向かう途中まで切欠きＣを形成してもよい。すなわち、冷却枠体82の角部において、冷却部材83の一部が残存してもよい。これにより、冷却枠体82の角部に冷媒が圧縮されることで加わる圧力を分散しつつ、流路部材83を嵌合部821に嵌合する際に、冷却枠体32の残存部分を位置合わせに
利用することで、流路部材83を嵌合部821の所望位置に容易に配置できる。

流路部材83は、冷媒の流れる方向を調整する機能を有している。また、流路部材83は、第１基板81に配置されている。流路部材83は、冷却導入領域81ａおよび冷却排出領域81ｂの間に位置している。流路部材83は、冷却導入領域81ａおよび冷却排出領域81ｂの間の領域において、第１基板81の上面に接合部材を介して接合されている。接合部材としては、例えば、銀、銅、金、アルミ二ウムまたはマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウムまたは燐等の添加物を含有させてもよい。

すなわち、流路部材83は、第１基板81に接合されているとともに、嵌合部821の内面に
接合されている。なお、接合部材の一部が切欠きＣの内面に接合していてもよい。これによって、接合部材が冷却枠体82に接合する面積が増加するので、流路部材83および冷却枠体82の接合強度が向上し、流路部材83が冷却枠体82から剥がれにくくなる。

また、嵌合部821および流路部材83を接合する接合部材の一部が、切欠きＣの内面との
間でメニスカスを形成していてもよく、これによって、流路部材83および嵌合部821の角
部における接合強度を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１基板81および第２基板84を貼り合わせた際に、流路部材83は第２基板84に接合部材を介して接合されている。この接合部材としては、例えば、銀、銅、金、アルミ二ウムまたはマグネシウムなどからなり、ニッケル、カドミウムまたは燐などの添加物を含有させてもよい。なお、流路部材83は第２基板84に接合していなくてもよい。

流路部材83は、冷媒導入領域81ａから冷媒排出領域81ｂへ冷媒を通過させる。すなわち、図５および図６に示すように、流路部材83は、冷媒導入領域81ａから冷媒排出領域81ｂへ向かう方向（Ｘ方向）に冷媒の流れを調整している。

流路部材83は、Ｘ方向に冷媒の流れを調整できる部材であればよい。すなわち、流路部材83は、冷媒導入領域81ａから流入した冷媒を冷媒導入領域81ａ側から排出する機能を有すればよい。例えば、図６に示すように、流路部材83は、Ｘ方向に貫通する流路貫通部を有する金属部材または合金部材などでもよい。また、冷媒をＸ方向に通過させるために、Ｘ方向に延在して形成された流路溝部を有する金属部材または合金部材などでもよい。また、一枚または複数枚の金属板または合金板を折り曲げ加工し、Ｘ方向に延在する凹部および凸部をＹ方向に交互に配列するように形成することで、凹部内および凸部内を冷媒の流路とする流路凹凸部を有する流路部材83でもよい。

第２基板84は、冷却枠体82上に流路部材83を覆って配置されている。第２基板84は冷却枠体82に接合されている。なお、本実施形態の第２基板84は流路部材83にも接合されている。また、第２基板84上には、導入部841および排出部842が配置されている。図５に示すように、第２基板84は、導入部841および排出部842が配置された部分に、貫通部を有している。

導入部841は、外部の冷媒を第１基板81の冷媒導入領域81ａに流入させる機能を有する
。導入部841は、冷媒導入領域81ａに重なるように配置されている。排出部842は、冷却基板８の内部の冷媒を第１基板81の冷媒排出領域81ｂから排出させる機能を有する。排出部842は、冷媒排出領域81ｂに重なるように配置されている。図４に示すように、導入部841および排出部842は、円筒状であるが、これには限定されない。

冷却基板８では、流路部材83が嵌合される嵌合部821の角部に切欠きＣが形成されてい
る。これによって、冷媒が冷媒導入領域81ａから冷媒排出領域81ｂへ通過する際に、冷媒が嵌合部821の角部付近で圧縮した場合でも、切欠きＣによって冷却枠体82の角部近傍に
加わる圧力が分散されるので、嵌合部821の角部近傍に位置する流路部材83に加わる圧力
を低減できる。したがって、冷却枠体82の角部近傍で流路部材が剥がれることを抑制できるので、冷却基板８の耐久性を向上させることができる。

また、素子収納用パッケージ２または電子装置１は、上述した冷却基板８を備えることで、素子収納用パッケージ２または電子装置１が高温になることが抑制され、枠体６または入出力端子７にクラックが発生することを低減できるとともに、素子31を正常に作動させることができる。したがって、素子収納用パッケージ２は長期にわたって封止性を維持することができるとともに、電子装置１を正常に作動させることができる。その結果、耐久性が向上した素子収納用パッケージ２および電子装置１を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

上記実施形態では、冷却枠体82における矩形状の嵌合部821の４つの角部に切欠きＣを
形成しているが、これには限定されない。例えば、図７に示すように、冷却枠体82の少なくとも１つの角部に切欠きＣを形成してもよい。これにより、冷却枠体82の角部に冷媒が圧縮されることで加わる圧力を分散しつつ、流路部材83を嵌合部821に嵌合する際に、冷
却枠体32の切欠きＣが形成されていない角部を位置合わせに利用することで、流路部材83を嵌合部821の所望位置に容易に配置できる。

また、図８に示すように、嵌合部821の対角線上に位置する２つの角部のみに、切欠き
Ｃを形成してもよい。これによって、流路部材83のＸ方向における両端部およびＹ方向における両端部に加わる圧力を効率よく分散できる。さらに、切欠きＣを少なくすることで、接合部材が冷却枠体82に接合する面積を確保しやすくなるので、流路部材83および冷却枠体82の接合強度を向上させやすくなる。加えて、流路部材83を嵌合部821に嵌合する際
に、冷却枠体32の切欠きＣが形成されていない角部を位置合わせに利用することで、流路部材83を嵌合部821の所望位置に容易に配置できる。

＜冷却基板、素子収納用パッケージおよび電子装置の製造方法＞
ここで、図１に示す冷却基板８、素子収納用パッケージ２および電子装置１の製造方法を説明する。

まず、実装基板５、枠体６、リード端子72のそれぞれを作製する。実装基板５、枠体６のそれぞれは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んだ固化させたインゴットに対して、切削加工等の金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。なお、リード端子72は、板状に形成された金属材料を所定形状に切断加工することで製作される。

次に、入出力端子７を作製する。まず、第１誘電体層および第２誘電体層にそれぞれに対応するセラミックグリーンシートを準備する。次に、セラミックグリーンシートを所定形状に加工する。そして、複数のセラミックグリーンシートの所定位置に、例えばスクリーン印刷法を用いて、モリブデンやマンガンを含有した有機溶剤を塗布した金属ペーストからなるメタライズパターンを形成する。そして、セラミックグリーンシートを積層させた状態でセラミックグリーンシートの積層体を同時に焼成した後に、電気めっき法を用いて、メタライズパターンの表面にニッケルおよび金などの金属層を形成することで、セラミック構造体71を作製する。次いで、リード端子72をろう材を介してメタライズパターンに接続することで入出力端子７を作製することができる。

次に、素子収納用パッケージ２を作製する。準備した枠体６を実装基板５の上面に載置し、枠体６の貫通孔Ｈに入出力端子７を挿入するとともに、実装基板５および枠体６の入出力端子７をろう材を介して接合することで、素子収納用パッケージ２を製作できる。

次に、冷却基板８を準備する。第１基板81、冷却枠体82および第２基板84については、それぞれの形状に合わせた型枠を準備して、それぞれの型枠に溶融した金属材料を鋳込んで固化させたインゴットに対し、従来周知の圧延加工、打ち抜き加工または切削加工などの金属加工法を用いることで、所定形状に製作することができる。次いで、銅などからなる金属材料を周知の切削加工などの金属加工法を用いて、冷媒導入領域81ａから冷媒排出領域81ｂの方向に沿った溝部を上下面で互い違いとなるように成型することで、流路部材83を作製する。

次に、第１基板81および冷却枠体82をろう材を介して接合する。さらに、冷却枠体82内に、流路部材83を配置して、接合部材を介して冷却枠体82の内面から第１基板81上にかけて接合する。そして、冷却枠体82上にろう材を介して流路部材83を覆うように第２基板84を配置する。このようにして、冷却基板８を作製することができる。

次に、素子収納用パッケージ２内に素子31を実装し、さらに、蓋体４をろう材を介して枠体６上に接続することで実装構造体３を作製する。

最後に、実装構造体３に準備した冷却基板８を取り付けることで、電子装置１を作製することができる。

１ 電子装置
２ 素子収納用パッケージ
３ 実装構造体
31 素子
32 台座部材
４ 蓋体
５ 実装基板
６ 枠体
７ 入出力端子
71 セラミック構造体
72 リード端子
８ 冷却基板
81 第１基板
81ａ 冷媒導入領域
81ｂ 冷媒排出領域
82 冷却枠体
821 嵌合部
83 流路部材
84 第２基板
841 導入部
842 排出部
Ｈ 貫通孔
Ｃ 切欠き
Ｔ 流路貫通部

Claims (5)

1. 冷媒導入領域および冷媒排出領域を有する第１基板と、
   前記第１基板上であって前記冷媒導入領域および前記冷媒排出領域の間の領域に接合され、前記冷媒導入領域から前記冷媒排出領域へ冷媒を通過させる流路部材と、
   前記第１基板上に位置し、前記冷媒導入領域、前記冷媒排出領域および前記流路部材を取り囲んで配置された冷却枠体と、
   前記冷却枠体上に前記流路部材を覆って配置された第２基板とを備え、
   前記冷却枠体は前記流路部材が嵌合される嵌合部を有しており、
   前記嵌合部の角部に切欠きが形成されている冷却基板。
2. 前記切欠きは、前記冷却枠体における前記冷媒導入領域側に位置する前記角部に形成されている請求項１に記載の冷却基板。
3. 前記切欠きは、前記嵌合部における対角線上に位置する２つの前記角部に形成されている請求項１に記載の冷却基板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷却基板と、
   素子を実装する実装基板と、
   前記実装基板上に配置され、貫通孔を有する枠体と、
   前記貫通孔に挿通され、前記枠体の内側および前記枠体の外側に位置した入出力端子とを備えた素子収納用パッケージ。
5. 請求項４に記載の素子収納用パッケージと、
   前記素子収納用パッケージ内に実装され、前記入出力端子と電気的に接続された素子とを備えた電子装置。

Images