JP7341560B2 - ベーパーチャンバー製造用金属部材 - Google Patents
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Description
薄型のべーパーチャンバーの製造に使用されるベーパーチャンバー製造用金属部材に関する。
従来、半導体の放熱方法として、半導体のバック面にダイボンド材として高熱伝導ペーストやはんだを用い、コールドプレートやベーパーチャンバー等のヒートコンダクターに導く方法が一般的である。また、半導体のアクティブ面にサーマルビアを形成し、電子回路基板を介して、はんだ付けによりヒートコンダクターに導く方法もある。また近年、スマートフォンを中心にモバイル機器はさらなる小型、薄型が求められている。また、半導体の信号大量伝送、高速化に伴う発熱問題が顕在化しており、様々な半導体の放熱対策が講じられている。
スマートフォンに代表されるモバイル機器では、実装の厚さに制限があり、半導体の放熱対策として、グラファイトシートが使用されている。さらに、スマートフォンでの半導体の放熱能力の向上のため、ベーパーチャンバーの導入も検討されている。しかしながら、スマートフォンでは、ケースの厚みが制約されることから、ベーパーチャンバーの厚さは、０．３ｍｍ以下が要求され、未だ０．３ｍｍ以下のベーパーチャンバーの使用は実現されていない（非特許文献１）。
ベーパーチャンバーは、ヒートパイプの原理を用いた平面放熱デバイスで、熱を放散させるヒートスプレターである。ベーパーチャンバーの内部は減圧された閉空間があり、熱を移動させるための作動流体が封入されている。作動流体が熱源によって加熱されると、作動流体は潜熱を吸収して蒸発する。蒸発した蒸気は閉空間内に拡散し、ヒートシンクに接している上部内壁面に到達すると冷却され、潜熱を放出して液体に戻る。ベーパーチャンバーの内壁または閉空間内には、毛細管力を発生させるウイックと呼ばれる構造体が配置されており、液体に戻った作動流体は毛細管現象によって移動する。ウイックは、作動流体を熱源方向に誘導するような形状をしており、熱源に移動した作動流体が再度吸熱を行って蒸発するといったサイクルが繰り返される。これにより、小さな熱源から発生した熱を、広い面積に拡散させることができる。
ベーパーチャンバーは、作動流体を循環させることで放熱を行っているため、ウイックの構造設計は、ベーパーチャンバーの性能を大きく左右する。ベーパーチャンバーに関する先行技術には、次のようなものがある。例えば、特許文献１には、複数の中間板を閉空間内に積層して配置することで毛細管流路を形成したベーパーチャンバーが記載されている。各中間板には、微細な穴が流路として設けられており、作動流体が、毛細管現象によって熱源まで誘導される構造となっている。
また、特許文献２には、閉空問内の上下に突起（フィン）を設けたベーパーチャンバーが記載されている。金属板を研削加工することで、金属板とー体化したウイックを形成することができるという特徴がある。
また、特許文献３には、アルミニウム製の筐体に、溶解した銅の粉未を溶射することでウイックを形成するベーパーチャンバーが記載されている。当該ベーパーチャンバーは、溶射成形によってウイックを形成するため、前述したものと比較すると、微細な構造物を形成する工程を経なくてもよいという特徴がある。
また、特許文献４には、樹脂材により形成された作動流体を循環させる空間を有する筐体及び筐体に一体成形されたウイックに金属メッキにより金属を被覆したベーパーチャンバーが開示されている。
また、特許文献５では、作動流体を循環させる空間をエッチングもしくはプレス可能で形成することが記載されている。これらのベーパーチャンバーが有するウイックは、それぞれ構造は異なるが、いずれも作動流体を熱源方向に誘導するように形成されているという点で共通している。
Apple、iPhoneにモバイル端末用ベーパーチャンバーを採用か 熱伝導性を上げ、さらに効率の良い冷却システムを導入へ May25.2017 Correiente.Top
半導体の高機能化と小型化により、半導体チップの発熱が問題となっており、発熱した半導体のより効率の良い放熱の方法が必要となっている。すなわち、現状は前述のとおり半導体の裏面（アクティブ面の反対面）から熱を逃がす方法が主に用いられている。半導体のバック面に放熱グリース、銀ペーストやはんだといった接合材を介し、ヒートコンダクターやヒートシンクに接続するものが多用されている。しかしながら、上記の方法では、素子からヒートシンクまでの距離や接合材の熱伝導性により伝熱抵抗が高くなるため、より効率の良い放熱機構が求められている。
さらに、現在、半導体の素子材料はシリコンが主体であるが、次世代の半導体素子材料では炭化シリコンが注目されている。炭化シリコンはシリコンに比べ、動作可能温度が高いため、シリコン素材の半導体よりも放熱の効率向上が求められている。また、素子の放熱方法として、効率よく放熱するため、熱源に近い半導体素子のアクティブ面からの放熱も行われている。電子回路板に形成された回路板放熱路を介して、ヒートコンダクターやヒートシンクに接続材料を用いて効率よく放熱するものである。
ここで、回路板放熱路とは、電子回路板を通して半導体の熱をベーパーチャンバーに放熱するための、電子回路板に形成されたサーマルビアや金属柱や回路配線といった熱伝導の良い放熱路のことをいう。この回路板放熱路を用いる方法は、素子からヒートシンクまでの距離や接合材の熱伝導性により伝熱抵抗が発生するため、より効率の良い放熱方法が求められている。
特に、製品の厚さに制限のあるスマートフォンに代表されるモバイル機器を考えた場合に、上述のとおり放熱効率の課題に加え、薄型化が大きな課題になる。ベーパーチャンバーを使用する放熱は、冷却効率としては優れているが、現在では、スマートフォンに要求される薄型化には至っていない。スマートフォンの内部部品の冷却にベーパーチャンバーを使用するためには、ベーパーチャンバーの薄型化が必要である。実際には、発熱部品（例えばアプリケーションプロセッサーやパワー素子）、電子回路板及びベーパーチャンバーが実装されたスマートフォンとしてのトータル厚みを薄くする必要がある。現在は、ベーパーチャンバーと電子回路板は別々に作成し、張り合わせるため、薄型化にも限界がある。
また、ベーパーチャンバーと電子回路板を別々に作製することにより、発熱部品から熱を効率よく逃がすサーマルビア等の回路板放熱路の形成は困難である。回路板放熱路は、発熱体の熱を発熱体の電極、電子回路板を通じてベーパーチャンバーに熱を導くもので、熱抵抗を小さくする必要がある。例えば、回路板放熱路がサーマルビアの場合、伝熱抵抗は、サーマルビアの金属の熱伝導率、断面積、距離に影響されるが、電子回路板とベーパーチャンバーとを接続する材料の熱伝導も放熱効率を決定する大きな要因となる。電子回路板とベーパーチャンバーの間に接着剤等の有機物が介在すると伝熱抵抗は大きくなり、高熱伝導の接着剤でも伝熱抵抗の増加は無視できない。
また、ベーパーチャンバーの閉空間とウイックの作製は上述のとおり、空間を作成した後、別の工法でウイックを形成する。ウイックの形成工程は複雑である。また、発熱部品、電子回路板及びベーパーチャンバーは一般的に個片ごとに作成されるため、実装における生産性が低い。現状、電子回路板のサーマルビアとベーパーチャンバーは接合材で接合されるため、接合材の伝熱抵抗が大きいこと、電子回路板とべーパーチャンバーを合わせた厚さが厚くなること、及びはんだ等の加熱による加工が難しいことが課題となっている。ベーパーチャンバーは熱伝導が良いため、熱の放散が良く、はんだ付けの際にはんだ等の冷却が早いため、はんだ等による接合加工は容易でない。また、ベーパーチャンバーを製造するにあたり、薄型化が可能で、寸法精度よく、効率よく製造できる加工方法が望まれている。
本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材は、金属からなる第１の部材と、当該第１の部材と作動流体が封入される密閉空間を形成する金属からなる第２の部材を備えるベーパーチャンバーを製造する際に前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び前記第２の部材を形成するものとして使用するベーパーチャンバー製造用金属部材であって、前記ベーパーチャンバー製造用金属部材は、厚さ９μｍから１００００μｍであって、前記密閉空間を形成する側から第１の金属層、部分的に開口を有する第１のエッチングストップ層、第２の金属層を順に備え、前記第１の金属層をエッチングするエッチング液が前記開口に到達した場合、前記開口からエッチングが進み、前記第２の金属層の面をエッチングにより凹部とすることができ、前記開口は前記第２の金属層の厚さの１／５～１の範囲の径であることを特徴とする。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において、前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記第２の金属層の前記開口を有する第１のエッチングストップ層の反対側に第２のエッチングストップ層を備えると好適である。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において、前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記第２のエッチングストップ層に接して第３の金属層を備えることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において、前記第１の金属層及び第２の金属層は、銅、銅モリブデン合金、アルミニウムのいずれかであると好適である。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において、前記第３の金属層は、銅、銅モリブデン合金、アルミニウムのいずれかであると好適である。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において、前記開口を有する第１のエッチングストップ層はニッケル、アルミニウム、錫のいずれかであるであることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において、前記第２のエッチングストップ層はニッケル、アルミニウム、錫のいずれかであるであると好適である。
また、本願発明に係るベーパーチャンバー製造用金属部材において前記ベーパーチャンバー製造用金属部材の厚さが５０μｍから５００μｍであると好適である。
本願発明に他の実施の形態に係るベーパーチャンバーは、金属からなる第１の部材と、当該第１の部材と作動流体が封入される密閉空間を形成する金属からなる第２の部材を備えるベーパーチャンバーであって、前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び第２の部材は、金属部材をエッチングすることにより形成された凹部を有し、形成された前記凹部により前記密閉空間が形成され、前記金属部材が、第１の金属層、開口を有するエッチングストップ層、第２の金属層を順に備え、前記第１の金属層をエッチングにより溶出させ、前記開口を有するエッチングストップ層の前記開口に接する第２の金属層がエッチングされ、前記開口を有するエッチングストップ層のエッチングにより溶出された前記第１の金属層側の面が前記凹部であり、エッチングにより形成された前記開口を有するエッチングストップ層の前記開口に接する前記第２の金属層の凹部による粗化面を有することを特徴とする。
また、本願発明の他の実施形態に係るベーパーチャンバーにおいて、前記金属部材の第２の金属層側にエッチングストップ層、第３の金属層を順に備える金属部材の前記第１の金属層を前記エッチングにより溶出させ、前記開口を有するエッチングストップ層の前記開口に接する第２の金属層が前記エッチングストップ層までエッチングにより溶出され、エッチングにより形成された前記エッチングストップ層の前記開口に接する前記第２の金属層の溶出部による粗化面を有すると好適である。また、本願発明の他の実施の形態に係るベーパーチャンバーにおいて、前記開口を有するエッチングストップ層及び前記第２の金属層の溶出部が接する前記エッチングストップ層が溶出されると好適である。また、本願発明の他の実施の形態に係るベーパーチャンバーにおいて、前記密閉空間を形成する面が、粗化処理による粗化面であると好適である。
本発明の他の実施形態に係るベーパーチャンバーの製造方法は、金属からなる第１の部材と、金属から成る第２の部材を接合することにより作動流体が封入される密閉空間を形成するベーパーチャンバーの製造方法であって、金属部材をエッチングすることにより、密閉空間を形成する凹部を有する前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び第２の部材とし、前記金属部材が、第１の金属層、開口を有するエッチングストップ層、第２の金属層を順に備え、前記第１の金属層をエッチングにより溶出させ、前記開口を有するエッチングストップ層の前記開口に接する第２の金属層をエッチングし、前記開口を有するエッチングストップ層のエッチングにより溶出された前記第１の金属層側の面が前記凹部であり、エッチングにより形成された前記エッチングストップ層に接する前記第２の金属層の凹部による粗化面を形成することを特徴とする。
また、本願発の他の実施形態に係るベーパーチャンバーの製造方法において、前記金属部材の第２の金属層側にエッチングストップ層、第３の金属層を順に備える金属部材の前記第１の金属層を前記エッチングにより溶出し、前記開口を有するエッチングストップ層の前記開口に接する第２の金属層を前記エッチングストップ層までエッチングにより溶出し、エッチングにより形成された前記エッチングストップ層の前記開口に接する前記第２の金属層の溶出部による粗化面を形成すると好適である。また、また、本願発の他の実施形態に係るベーパーチャンバーの製造方法において、前記開口を有するエッチングストップ層及び前記第２の金属層の溶出部が接する前記エッチング層を溶出すると好適である。また、本願発の他の実施形態に係るベーパーチャンバーの製造方法において、前記密閉空間を形成する面を粗化処理による粗化面とすると好適である。
本発明により、発熱する電子部品が実装された電子回路板を効率的に放熱させるベーパーチャンバーを提供することができる。また、本発明のベーパーチャンバーの製造方法は、薄型化が可能で、寸法精度よく、効率よくベーパーチャンバーを製造することができる。
本発明により得られるベーパーチャンバーは、空隙の限られた機器内での放熱が可能であるため、スマートフォンに代表されるモバイル機器をはじめ、ＬＥＤ使用機器、高周波機器、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴの様な発熱部品を有する機器の放熱に利用される。
本発明は、電子回路板に実装される半導体のような発熱を伴う電子部品に発生する熱を速やかに放熱させるベーパーチャンバー及び当該ベーパーチャンバーの製造方法に関する。
本発明のベーパーチャンバーは、ベーパーチャンバー内の作動流体の気化、液化を迅速に行うためにベーパーチャンバーの密閉空間を形成する面を粗面化することを特徴とする。このことにより、本発明に係るベーパーチャンバーは吸放熱を効率的に行うことができる。また、本発明は、電子部品の放熱を阻害するのは、電子部品とベーパーチャンバーに介在する電子回路板や接合材であり、電子部品とベーパーチャンバーに回路板放熱路を形成し、電子部品とベーパーチャンバー間を伝熱性の良好な材料により直接熱伝導させることを特徴とする。
回路板放熱路とは、電子回路板を通して電子部品の熱をベーパーチャンバーに放熱するための、電子回路板に形成されたサーマルビアや金属柱や回路配線といった熱伝導の良い熱経路のことをいう。
さらに、本発明は、電子回路板の回路板放熱路からベーパーチャンバーへの伝熱抵抗を低減しつつ、電子回路板とベーパーチャンバーを合わせた厚さを薄くするものである。また、半導体のグラウンドを回路板放熱路に接続することにより、ベーパーチャンバーの筐体（コンテナ）をグランドとして使用できるため、電子回路板の機能の安定化にも寄与することができる。
以下、本発明が適応された電子回路板と一体となった薄型ベーパーチャンバー及びその製造方法について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態１に係るベーパーチャンバー１の密閉空間３を形成する面の反対側に電子回路板２を有するベーパーチャンバー１の断面構造図であって、図（Ａ）は、ベーパーチャンバー１のエッチングにより凹部を有する金属からなる第1の部材４の密閉空間３を形成する面の反対側の全面に電子回路板２を有する状態を、図（Ｂ）はベーパーチャンバー１の第1の部材の密閉空間３を形成する面の反対側の一部に電子回路板２ａを有する状態を示す。また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）には電子部品である半導体等の発熱部品と電気的接続するための電極１１が設けてある。図１（Ａ）は、フリップチップ実装の場合の、断面構造図例で、ベーパーチャンバー１と電子回路板２は一体となっている。ベーパーチャンバー１と電子回路板２が一体となっているため、第１の部材４を構成する金属と回路板放熱路８である金属が充填されたスルーホールビアにより、ベーパーチャンバー１と電子部品が接合層を介さず直接金属により接合している。すなわち、電子回路板２の回路板放熱路８の一つであるサーマルビアと第一の部材４が金属により接合されることにより、電子回路板２の回路放熱路８とベーパーチャンバー１は一体となり、本発明の電子回路板２を有するベーパーチャンバー１となる。すなわち、回路放熱路８を形成する金属は直接電子部品１９及びベーパーチャンバー１と接触することができる。
第１の部材４は第２の部材１７と接合材１６により接合され、ベーパーチャンバー１ が形成される。
電子回路板２の回路板放熱路８の一方はベーパーチャンバー１と一体となっており、回路板放熱路８を有する電子回路板２には、電子部品と接続するための電極１１が形成されている。図１に示すように、発熱する電子部品（例えばアプリケーションプロセッサー）等の実装部品、電子回路板２及びベーパーチャンバー１が積層された実装形態のトータル厚みを薄くするために、電子回路板２とベーパーチャンバー１を一体で形成することで、ベーパーチャンバー１を備える電子回路板２を薄型化することができる。また、電子回路板２とベーパーチャンバー１の一体化により、発熱する電子部品から熱を効率よくベーパーチャンバーに逃がすサーマルビアやヒートコンダクター等の回路板放熱路８の形成を可能にするものである。
ここで、回路板放熱路８とは、前述の通り、電子回路板２を通して電子部品の熱をベーパーチャンバー１に放熱するための、電子回路板２に形成されたサーマルビアや金属柱や回路配線といった熱伝導の良い熱経路のことをいう。電子回路板２の回路板放熱路８とベーパーチャンバー１が接続材料を用いず直接接合されるため、電子回路板２とベーパーチャンバー１をあわせた厚さを薄くすることができる。
本発明の実施形態に係るベーパーチャンバー１の製造方法を図２用いて説明する。図２は、本発明の密閉空間３を形成するための凹部を形成するエッチングを行う前の金属部材１２に電子回路板２を形成する方法を示す。電子回路板２は、絶縁材１３、外層配線導体１０、層間接続のためのビアホール９、電極１１、ソルダーマスク７等一般の電子回路板と同様の構造と、回路板放熱路８からなる。
電子回路板２は一般に半導体実装に用いられている材料、工法を用いて形成される。すなわち、リジッド配線板の製造において用いられる材料、例えばＣＣＬ、プリプレグ、銅箔、絶縁フィルムや、フレキシブル配線板の製造において用いられる材料、例えばポリイミドやＬＣＰといった耐熱フィルムと銅箔を用いることができる。また、工法は、サブトラクティブ工法、セミアディティブ工法、ビルドアップ工法、コアレス工法等電子回路板の製造工法を用いることができる。
電子回路板２は、図２に示すように、金属部材１２の一方の面に順次形成することも可能であるが、途中工程まで形成された電子回路板を、接着剤を用いて金属部材１２に張り付けてもよい。途中工程の電子回路板を形成し、接着剤を用いて金属部材１２に張り付ける場合は、途中工程の電子回路板を金属部材１２に張り付けたのち、途中工程の電子回路板の断面方向に金属部材１２に到達するビアホールを形成させ、めっき等を行うことにより、ビアホールの内部に金属を充填することにより、回路板放熱路８を形成する。
金属部材１２の一方の面に電子回路板２を形成した後、電子回路板２を形成した金属部材１２をエッチングにより凹部を形成して第１の部材とすることができる。また、金属部材１２をエッチングし、凹部を形成したのち、密閉空間３を形成する凹部が形成される反対面に電子回路板２を設けても構わない。
金属部材１２に回路板放熱路８を形成する以降に、回路板放熱路８を含む電子回路板２の形成を完了させる。以下、実際に実施できる方法を具体的に例示しながら説明する。
図２（Ｃ）は金属部材１２である。金属部材１２は、エッチングにより凹部を形成して密閉空間３を有する第１の部材４となるが、厚さ２００μｍの銅板とすることが可能である。金属部材１２は、使用する温度で熱伝導性が１０Ｗ/ｍ2・Ｋ以上の金属が使用可能であり、銅、銅モリブデン合金、アルミニウムが好適であるが、めっきやエッチングといった加工性と伝導率の観点から、銅がさらに好適である。金属部材１２の厚さは、９μｍから１００００μｍが適しており、５０μｍから５００μｍが好適である。９μｍ未満であると、形成されるベーパーチャンバー１の密閉空間３の容積が小さくなり、作動流体を密閉空間３に封入する流路の確保が困難で、１００００μｍを超えるとベーパーチャンバーの形成時エッチングの効率が悪く生産性が著しく低下する。さらに加工性を考慮すると、５０μｍから５００μｍが好適である。
金属部材１２は銅板を用いることが可能であるが、銅板は例えば、福田金属箔粉工業株式会社の圧延銅箔が使用できるが、本発明ではそれに限定されない。
図２（Ｄ）は金属部材１２に絶縁材１３と金属箔１４を貼り合わせた図である。絶縁材１３として、例えば、日立化成ＧＥＡ－６７９の厚さ４０μｍを用いることでが可能である。絶縁材１３は、電気抵抗率が１０の１０乗Ωｍ以上であって、接着剤として機能すれば使用が可能であり、他の例として、ガラス布基材エポキシ樹脂含侵のプリプレグ、ガラス布基材ポリイミド樹脂含侵のプリプレグ、味の素ファインテクノＡＢＦシリーズ等の層間絶縁材料、株式会社カネカのアピカル等のポリイミドフィルムを用いることができる。絶縁材１３と金属箔１４の接着性を向上させるため、絶縁材１３と金属箔１４の間に接着剤を介してもよい。絶縁材１３の厚さは３μｍから２００μｍが好ましい。３μｍ未満では層間絶縁性が低下し回路の故障が起こる。２００μｍを超えると、電子部品である半導体からベーパーチャンバー１への伝熱抵抗が大きくなる。
金属箔１４として、三井金属鉱業株式会社の銅箔で厚さ１２μｍを用いることが可能である。金属箔１４とは膜状の金属を言う。金属箔１４は電子回路板に常用される銅箔や金属箔を用いることができ、電解銅箔、圧延銅箔、キャリア付き銅箔、樹脂付き銅箔、アルミニウム箔が例示できる。
金属部材１２に絶縁材１３を貼り合わせる場合、必要に応じて金属部材１２の表面を前処理により清浄化する。金属部材１２が銅の場合、前処理は、酸処理やマイクロエッチング剤による化学研磨、バフ、ブラシ又はスクラブといった物理研磨を用いることができ、研磨の後には水洗、乾燥を行う。これらの処理は電子回路板製造で通常行われている処理である。また、上記の表面清浄のため前処理を行うことができるが、これ以降は前処理の記載を省略する。貼り合わせは、真空成型プレス機にて、金属部材１２、絶縁材１３及び銅箔１４を重ねて、熱及び圧力を加えながら、絶縁材１３が含む樹脂が硬化する十分な条件で行われる。真空成型プレス機ではなく、加熱ロールにより熱及び圧力を加えながら、貼り合わせすることも可能である。
図２（Ｅ）は金属箔１４および絶縁材１３の断面方向に、金属部材１２に到達するビアホールを形成し、形成されるビアホールの内部に金属を充填し、回路放熱路８と電子回路板１２の形成を行った図である。ビアホールを設けるには、ビアメカニクス株式会社製レーザー穴あけ機により金属部材１２まで達するビアを開口させる。形成されるビアホールの内部に金属を充填するには、株式会社ケミトロン社製縦型めっき装置で銅めっきにより、回路板放熱路８となるビアホールに銅を充填する。形成される回路板放熱路８により、金属部材１２の銅板と回路放熱路８は銅により結合される。すなわち、電子回路板２の回路放熱路８と金属部材１２が金属により結合することにより、電子回路板２の回路放熱路８と金属部材１２により形成されるベーパーチャンバー１は一体として形成できる。金属放熱路８に充填される金属とベーパーチャンバー１は接触することとなる。
金属箔１４および絶縁材１３の断面方向に金属部材１２に到達するビアホールを形成し、形成されるビアホールの内部に金属を充填する工程は、レーザードリルによる孔開け、過マンガン酸による孔内クリーニング、孔の内面への触媒層の形成、無電解めっき、電気めっき、の順となる。これらの工程、及び工程に使用される装置及び材料は、通常の電子回路板の製造に用いられているものである。
ビアホールの形状は円形、方形、多角形、楕円形等、どのような形状でも構わない。ビアホールの断面方向の面積は０．０２ｍｍ2～４００ｍｍ2が好ましく、さらに０．０５ｍｍ2～５０ｍｍ2が好ましい。面積が０．０２ｍｍ2より小さいと放熱効果が小さく、またビアホールへのメッキの充填も困難になる。面積が４００ｍｍ2より大きいとはんだ接合の際、回路接続用のバンプとの熱容量のバランスが悪く安定したはんだ付けができない。また、ビアホールの断面積の合計が、電子部品の発熱面積の１／２０～４／５が好ましく、さらには１／１０～１／２であることが好ましい。１／２０未満では放熱速度が遅いため、電子部品の温度が上昇する。４／５を超える場合は、回路接続用のバンプのための領域を確保できなくなる。
金属箔１４はエッチングにより配線回路が形成され、図２（Ｅ）に示すように外層配線導体１０が形成される。
配線回路形成は、めっきレジスト形成、露光、現像、電気めっき、めっきレジスト剥離、シード層除去により行われる。
図２（Ｆ）に示すように、図２（Ｅ）の絶縁材１３の面に形成された外装配線導体１０にさらに絶縁材１３及び金属箔１４を重ね、２層及び３層或いはそれ以上の多層に配線層を重ねても構わない。
図２（Ｇ）は、金属部材１２に形成された電子回路板２にソルダーマスク７を形成した図である。
図３は、電子回路板２が形成された金属部材１２により、ベーパーチャンバー１を形成する実施の形態１の製造方法である。
図３（Ｈ）は、電子回路板２が形成された金属部材１２の電子回路板２が形成された反対側の面にエッチングマスク（エッチングレジストともいう）１５を形成した図である。エッチングマスク１５として、日立化成工業のフォテック膜厚４０マイクロンメートルが使用できる。ベーパーチャンバーチャンバー１の密閉空間３に作動流体を封じ込める壁となる周囲の部分と作動流体の通る通路の部分はエッチングにより形成される。まず、エッチングマスク１５を形成する金属部材１２の面に前処理を行う。前処理は、酸処理、スクラブ整面バフ研磨、ソフトエッチング、ブラシ整面の単独もしくは組み合わせが一般的であるが、金属部材１２の表面が清浄になれば、それにこだわらない。例えば、東京化工機株式会社の前処理機が使用できる。前処理を行った後、金属部材１２の面にエッチングマスク１５を形成する。
エッチングマスク１５の形成方法は、写真法と印刷法が一般的である。写真法は、ドライフィルムを金属部材１２にドライフィルムラミネーターで熱圧着感光成膜を形成する方法、ローラー等により感光膜を塗布する方法等により金属部材１２の面に感光層を形成した後、感光層に保護フィルムを貼り合わせ、露光マスクを介して露光を行い、保護フィルムを剥離したのち、現像、エッチング、ドライフィルム剥離の順で行うものである。材料と装置は、例えば、ドライフィルムは、日立化成工業のフォテックシリーズが使用でき、ドライフィルムラミネーターは株式会社日立プラントメカニクス製、露光機は株式会社オーク製作所の手動露光機、現像、エッチング、ドライフィルム剥離は株式会社ケミトロンの装置が使用できるが、これらは例示でこれらに限定されない。また、エッチング液は例えば、塩化第二鉄溶液、メック株式会社ＥＸＥシリーズ、株式会社ＪＣＵのＨＥ－５００を例示できるが、これらは例示でこれらに限定されない。また、写真法は、露光マスクを使用するため、複雑な形状も形成でき、作動流体を封じ込める壁となる周囲の部分と作動流体の通る通路の部分に複雑な凹凸形状を形成できることから、ウイックを形成し易い。
印刷法は、前処理の後、シルクスクリーン法が一般的で、エッチングインクをスクリーン印刷機とスクリーンマスクを用いて金属部材１２の面に印刷し、硬化し、エッチングマスク１５を形成するものである。現像、エッチング、剥離は写真法と同様の方法で行うことができる。
図３（Ｉ）は、金属部材１２をエッチングし密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４を形成した図である。上述のエッチング方法により、金属部材１２をエッチングすることにより、密閉空間３の一部を形成できる。さらに、ＭＥＣ社エッチボンドＣＺで当該エッチング面を粗化処理してウイックを形成する。エッチング系の粗化処理液を使いることで、第１の部材４の密閉空間３の壁となるエッチングにより形成される凹部の表面に微細な粗化面を形成でき、簡便に密閉空間３を形成する面にウイックを形成できる。前記エッチングの際は、電子回路板２は保護膜等でエッチングされない様必要に応じて、処理を行う。
粗面化表面の表面粗さは、平均粗さ０．２μｍ～５μｍ、最大粗さは２０μｍ以下であることが好ましく、さらには平均粗さ０．５μｍ～３．０μｍ、最大粗さは８μｍ以下であることが好ましい。平均粗さ０．２μｍより小さく、最大粗さは０．３μｍ小さい場合は、良好なウイックが形成できず熱伝導能力が劣りベーパーチャンバー１の機能が著しく劣る。平均粗さ５μｍより大きく、最大粗さは２０μｍより大きい場合は、ベーパーチャンバー１の底部の金属の強度が低下し液漏れ等の不良の原因になる。
密閉空間３の壁となるエッチングにより形成される凹部の表面に微細な粗化面を形成することにより、ベーパーチャンバー１内に封入される作動流体が密閉空間３を形成する壁の面積が大きくなる。結果として作動流体の吸熱及び放熱の効率を高めることができる。ベーパーチャンバー１を形成する密閉空間３となるの凹部を有する第１の部材４又は第２の部材１７にエッチングにより形成される凹部を微細な粗化面とすることにより、密閉空間３の表面積を大きくし、作動流体の吸熱及び放熱の効率を高めることができる。
図３（Ｊ）は、エッチングマスク１５を除去した図である。エッチングマスク１５の除去は水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ溶液もしくは有機溶剤により行う。
図３（Ｋ）は、エッチングにより金属部材１２に凹部を形成した第１の部材４に接合材１６を形成した図である。接合材１６の形成は、ディスペンサーによりはんだペーストを塗布することにより行うことができる。印刷法やはんだフローにより接合材１６を形成することも可能である。接合材１６としては、はんだペーストやはんだめっき等のはんだを使用することが一般的であるが、エポキシ等の耐熱性を有する接着剤でも使用が可能である。
図３（Ｌ）は、接合材１６を介して密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４と第２の部材１７を接合し、密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４の密閉空間３を形成する面の反対側に有する電子回路板２が一体化されたベーパーチャンバー１が形成された図である。密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４と第２の部材１７の接合は、接合材１６を介して行われるが、接合材１６による接着は、リフロー装置やレーザー加熱装置やボックスオーブンが使用できる。接合材１６は、熱伝導性が良好で、ベーパーチャンバー１の作動時の内圧で破壊されないものであれば、どのようなものでも使用可能であり、はんだ又は有機系接着剤が例示できる。はんだは、一般的に用いられるＳｎＡｇＣｕ系やＳｎＰｂ等が使用できるが、低温はんだや高温はんだも使用できる。はんだ付けの方法は、手付によるもの、はんだペーストを用いてメタルマスク印刷し、リフロー炉やレーザー光による加熱によるもの、フローソルダーによるものが例示できる。接合工程において、必要に応じて治具やロボットを使って第１の部材４と第２の部材１７を密着固定することも行われる。
接合材１６により、密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４と第２の部材１７が接合され、密閉空間３が形成される。上述のとおり、接合材１６は、密閉空間３を形成し、さらにベーパーチャンバーの動作時の内圧で破裂しない十分な強度が必要である。
図４は、本発明の電子回路板２を有するベーパーチャンバー１に、熱源である電子部品１９を実装した例である。電子部品１９は、ベアチップ、ＢＧＡ、ＣＳＰ、ＷＬＰ等と同一面に電極を持つ半導体素子又は半導体パッケージである。
図４（Ｍ）は、電子部品１９をフリップチップ実装した図で、半導体ベアチップの外部電極と電子回路板２の電極１１は、はんだ１８で接合されている。電子回路板２の電極１１の一部には、回路板放熱路８の一つであるサーマルビアが形成されている。電子回路板２の電極１１から回路板放熱路８を経てベーパーチャンバー１への熱経路は、接続材を介さず、金属で一体となるように接続されている。電子部品１９のグランドを回路板放熱路８の形成された電子回路板２の電極１１に接続することにより、電気的にベーパーチャンバー１と同電位になるため、ベーパーチャンバー１を形成する金属からなる密閉空間３となる凹部を有する第１の部材及び第２の部材はグランドとして使用できるため、グランドの安定に寄与することができる。
図４（Ｎ）は、電子部品であるＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）１９ａとワイヤーボンドにより電極１１と接続された半導体ベアチップ１９ｂを電子回路板２に実装した図である。半導体ベアチップ１９ｂの外部電極と電子回路板２の電極１１はアルミニウムワイヤーで接合されている。ワイヤーは、金線、銅線も使用される。ＣＳＰ１９ａと半導体ベアチップ１９ｂは、ともに回路板放熱路８と接続されている。回路板放熱路８は比較的大きな貫通孔により形成される金属柱状の回路板放熱路２３により形成され、電子部品１９ａ及び１９ｂがベーパーチャンバー１と接続されている。
本発明の実施形態２に係るベーパーチャンバー１の製造方法を図５及び図６を用いて説明する。
図５は本発明のベーパーチャンバー１を構成する電子回路板２の製造方法であり、金属部材１２ａに凹部を形成して密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４を得る製造方法を示す。図５(Ｏ)は、エッチングストップ層２１を有する金属部材１２ａを示し、金属部材１２ａは、金属層２９及び金属層３０の間にエッチングストップ層２１を有する。金属層２９及び金属層３０は銅であり、エッチングストップ層２１をニッケルとすることができる。金属部材１２ａは、金属層２９の一方の面にエッチングストップ層２１をメッキ又は蒸着により形成し、さらにエッチングストップ層２１に金属層３０をメッキ、スパッタリング又は蒸着により形成することにより得られる。
金属層２９はエッチング液によるエッチングにより凹部が形成される。エッチングによりエッチングマスク１５が形成されない金属層２９はエッチングストップ層２１まで溶出される。すなわち、エッチング液により溶出されないエッチングストップ膜２１により、溶出が止まるため、金属部材１２ａがエッチングストップ層２１の溶出面の反対側に有する金属層３０は溶出されずに残すことができる。
金属層２９を溶出させた後、露出したエッチングストップ層２１にエッチングマスクを形成し、エッチング液を選択することによりエッチングストップ層２１の表面をエッチングすることができる。
金属層２９及び金属層３０はベーパーチャンバー１が使用される温度で、熱伝導率が１０Ｗ/ｍ2・Ｋ以上の金属が使用可能である。金属層２９及び金属層３０の材料としては、銅、銅モリブデン合金、アルミニウムが好適であるが、めっきやエッチングといった加工に対する適性と熱伝導率の観点から銅がさらに好適である。金属層２９および金属層３０が銅もしくは銅モリブデン合金の場合、エッチングストップ層２１は、ニッケル、アルミニウム、錫が好適である。金属層２９および金属層３０がアルミニウムの場合、エッチングストップ層２１は、銅、ニッケル、錫が好適である。
エッチングストップ層２１の厚さは、０．１μｍ～５μｍが好ましく、さらに０．５μｍ～２μｍが好ましい。０．１μｍより薄いと、ピンホール等で十分なエッチングストップの機能をしない。また、５μｍを超えると、エッチングストップ層２１の除去が容易でない。
図５(Ｐ)は、金属層２９、エッチングストップ層２１及び金属層３０を有する金属部材１２ａにエッチングマスク１５を形成した図である。エッチングマスク１５は、エッチングする必要のない金属層３０には、全面に形成される。本発明の図３（Ｈ）と同様の方法で、エッチングマスク１５を形成することができる。
図５(Ｑ)は、エッチングマスク１５を形成した金属層２９、エッチングストップ層２１及び金属層３０を有する金属部材１２ａをエッチングした図である。金属層２９および金属層３０が銅で、エッチングストップ層２１がニッケルの場合、金属層２９のエッチング液はアルカリエッチング液を用いると所望の処理ができる。ニッケルはアルカリエッチング液に侵されないので、ニッケルからなるエッチングストップ層２１はエッチングストップ層として機能する。アルカリエッチング液は塩化鉄エッチング液や塩化銅エッチング液よりもエッチング効率が劣る。そのため、はじめに塩化鉄エッチング液や塩化銅エッチング液でエッチングを行い、途中でアルカリエッチング液に切り替えるエッチング方法も可能である。
金属層２９を溶出させ、露出したエッチングストップ層２１を粗面化するためには、エッチングストップ層２１をエッチングしなければならない。ニッケルからなるエッチングストップ層２１は硫酸によりエッチングすることができる。硫酸に浸漬することにより、ニッケル膜を溶出することができる。硫酸はニッケルを溶解するが、銅は硫酸に不溶であるため。上述の処理が可能である。さらに、ＭＥＣ社エッチボンドＣＺ等の粗化処理液で、エッチングストップ層２１の面を粗化処理してウイックを形成することができる。エッチング系の粗化処理液を使いることで、エッチングストップ層２１を有する金属部材１２の金属層２９を溶出させた後に露出するエッチングストップ層２１の面を簡便に粗化面とし、ウイックを形成できる。粗化面の形成は、粗化めっきを用いることも可能である。
図５(Ｒ)はエッチングマスクを除去し、形成された第１の部材４を示す。
本発明の実施形態３に係るベーパーチャンバー１の製造方法を図６に示す。
図６(Ｓ)は、金属層２９ａ、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａ及び金属層３０ａを有する金属部材１２ｂの断面構造図である。エッチングストップ層２１aは部分的に開口２２があり、開口２２にエッチング液が３０ａに到達した場合、開口２２からエッチングが進み、エッチング液が侵入する金属層３０ａの開口２２の面をエッチングにより凹部２４とすることができる。さらに、凹部２４と粗面化処理と組み合わせて、良好なウイックを形成することができる。
金属部材１２ｂは、金属層２９ａの一方の面にメッキ又は蒸着によりエッチングストップ層２１ａを形成し、エッチングストップ層２１ａの開口部２２以外の部分にエッチングマスクを形成したのち、エッチングを行い、開口部２２を形成したのち、金属層３０ａをメッキにより形成することにより得られる。
金属層２９ａ層が溶出して露出したエッチングストップ層２１ａの面、は図５（Ｑ）に示したのと同様に粗化面とすることができる。
図６(Ｓ)は、金属層２９ａ、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａ及び金属層３０ａを有する金属部材１２ｂの断面を示す。
図６（Ｔ）は、金属層２９ａ、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａ及び金属層３０ａを有する金属部材１２ｂに図６（Ｓ）に示すようなエッチングマスク１５を形成し、エッチングし、エッチングマスク１５を除去し、金属層２９ａの一部が溶出し、凹部が形成されることにより得られる密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４ｂの平面図である。
金属部材１２ｂをエッチングすることにより金属部材１２ｂに凹部を形成させるが、金属部材１２ｂの中央部に金属部材１２ｂの周辺に形成するエッチングマスク１５と分離させたエッチングマスク１５ａを形成することにより、得られる密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４ｂの凹部の中央部に金属層２９ａの島２０を形成することができる。金属層２９ａの島２０を形成することにより、作動流体の液化及び気化が行われる箇所を隔てる壁を設けることができ、液状の作動流体と気体状の作動流体が混合せずに、吸熱および放熱をスムーズに行うことができる。
図６（Ｕ）は、金属層２９ａ、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａ及び金属層３０ａを有する金属部材１２ｂに図６（Ｓ）に示すようなエッチングマスク１５を形成し、エッチングし、エッチングマスク１５を除去し、金属層２９ａの一部が溶出し、凹部が形成されることにより得られる密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４ｂの断面構造図である。
エッチングストップ層２１ａに形成される開口２２の金属は、エッチング液により溶出し、金属層３０ａの一部も溶出する。開口２２の形状は、凹部２４の底面の深さを一定にするため、円形が望ましい。金属層３０ａの厚さＴに対して、開口２２の開口径は、Ｔ／５～Ｔが好適で、さらにＴ/３～Ｔ/２が好ましい。
図６（Ｖ）は、開口２２に接する金属層３０ａの一部がエッチングにより溶出した状態を示す密閉空間３となる凹部を有する第1の部材４ｂの部分拡大図である。金属層３０ａに形成された凹部２４の表面を粗化処理することにより、第１の部材４ｂは、開口部２２に接する金属層３０ａに形成された凹部２４と金属層３０ａに形成された凹部２４の面に形成されたと粗化面を組み合わせた、表面積の大きなウイックを有することができる。
図７は、本発明の実施の形態に係る実施の形態４に係るベーパーチャンバーの密閉空間の形成方法を示す。
図７（Ｗ）は金属層２９、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａ、金属層３０ｂ、エッチングストップ層２１及び金属層３０を有する金属部材１２ｃの断面構造図である。金属部材１２ｃは金属部材１２及び金属部材１２ａで述べた方法を組み合わせることにより得られる。開口２２を有するエッチングストップ層２１ａに、さらにエッチングストップ層２１を追加することにより、実施の形態３よりも精密な開口部２２に接する金属層３０ｂに形成された凹部２４ａを形成することができる。エッチングストップ層２１および２１ａはニッケル、金属層２９、３０ｂ及び３０は銅により第１の部材１２ｃを構成することも可能である。
図７（Ｘ）は、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａに接する金属層３０ｂのすべてが溶出され、エッチングストップ層２１が露出している状態を示す。金属部材１２ｃをエッチングし、密閉空間３となる凹部が形成され、形成された凹部を有する第１の部材４ｃの凹部の底面の一部を図７（Ｘ）に示す。開口２２を有するエッチングストップ層２１ａの下層にさらにエッチングストップ層２１を設けることにより、開口２２を有するエッチングストップ層２１ａの開口形状や開口径に関わらず、エッチングを確実に止めることができる。
第１の部材４ｃの開口部２２に接する金属層３０ｂに形成された凹部２４ａ及び露出したエッチングストップ層２１の面は粗面化処理により粗化面とすることができる。
図７（Ｙ）は、図７（Ｘ）のエッチングストップ層２１ａ及び２１をエッチングにより溶出させ、除去した状態を示す。 図７（Ｘ）に示す第１の部材１２ｃに形成される凹部の底面を図７（Ｙ）に示す底面とすることにより、表面積をさらに大きくすることができる。
図８は、実施の形態３で説明した金属層の島２０を有する第１の部材４ｂと、金属層の島２０を有しておらず、他の部分は第１の部材４ｂと同一の第２の部材１７ａを形成し、密閉空間３となる凹部を有する第１の部材４ｂと密閉空間３となる凹部を有する第２の部材１７ａを接合材１６により接合し、形成されたベーパーチャンバー１を示す。第２の部材１７は、図３（Ｌ）に示すように板状であっても、図８に示すようにエッチングにより凹部２４が形成された第２の部材１７ａであっても構わない。さらに、密閉空間３を形成する面の反対側に電子回路板２が形成されていても構わない。
ベーパーチャンバー１に作動液を充填する方法は、はヒートパイプや他のベーパーチャンバーと同様の一般的な方法ある。必要に応じて冷却しながら充填口から作動流体を注入し、充填口を物理的につぶし、さらにはんだ付けやろう付け、溶接等で封止するものである。充填口は第１の部材もしくは第２の部材に設けてもよいし、第１の部材と第２の部材両方に形成しても構わない。
１：ベーパーチャンバー
２：電子回路板
３：密閉空間
４：第１の部材
７：ソルダーマスク
８：回路放熱路
９：層間接続のためのビアホール
１０：外層配線導体
１１：電極
１２：金属部材
１３：絶縁材
１４:金属箔
１５：エッチングマスク
１６：接合材
１７：第２の部材
１８：はんだ
１９：電子部品
２０：金属層の島
２１：エッチングストップ層
２２：開口
２３：金属柱状の回路放熱路
２９：金属層
３０：金属層
２：電子回路板
３：密閉空間
４：第１の部材
７：ソルダーマスク
８：回路放熱路
９：層間接続のためのビアホール
１０：外層配線導体
１１：電極
１２：金属部材
１３：絶縁材
１４:金属箔
１５：エッチングマスク
１６：接合材
１７：第２の部材
１８：はんだ
１９：電子部品
２０：金属層の島
２１：エッチングストップ層
２２：開口
２３：金属柱状の回路放熱路
２９：金属層
３０：金属層
Claims (8)
- 金属からなる第１の部材と、当該第１の部材と作動流体が封入される密閉空間を形成する金属からなる第２の部材を備えるベーパーチャンバーを製造する際に前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び前記第２の部材を形成するものとして使用するベーパーチャンバー製造用金属部材であって、
前記ベーパーチャンバー製造用金属部材は、厚さ９μｍから１００００μｍであって、前記密閉空間を形成する側から第１の金属層、部分的に開口を有する第１のエッチングストップ層、第２の金属層を順に備え、
前記第１の金属層をエッチングするエッチング液が前記開口に到達した場合、前記開口からエッチングが進み、前記第２の金属層の面をエッチングにより凹部とすることができ、
前記開口は前記第２の金属層の厚さの１／５～１の範囲の径であることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項１に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記第２の金属層の前記開口を有する第１のエッチングストップ層の反対側に第２のエッチングストップ層を備えることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項２に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記第１の部材若しくは前記第２の部材又は前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記第２のエッチングストップ層に接して第３の金属層を備えることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記第１の金属層及び第２の金属層は、銅、銅モリブデン合金、アルミニウムのいずれかであることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項３に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記第３の金属層は、銅、銅モリブデン合金、アルミニウムのいずれかであることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項１に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記開口を有する第１のエッチングストップ層はニッケル、アルミニウム、錫のいずれかであるであることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項２に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記第２のエッチングストップ層はニッケル、アルミニウム、錫のいずれかであるであることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のベーパーチャンバー製造用金属部材において、
前記ベーパーチャンバー製造用金属部材の厚さが５０μｍから５００μｍであることを特徴とするベーパーチャンバー製造用金属部材。
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