JP7839840B2 - Laminate - Google Patents
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Description
本発明は、積層体および積層体の製造方法に関する。 This invention relates to laminates and methods for manufacturing laminates.
従来、絶縁層の片面に銅等の回路が積層され、この回路上に半導体チップ等が半田付けされる積層体が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この積層体には、半導体チップ等から発せられる熱を放熱するため、回路の半導体チップが実装される側と反対側にヒートシンクや放熱板が設けられる。 Conventionally, a laminate is known in which a circuit made of copper or the like is laminated on one side of an insulating layer, and semiconductor chips are soldered onto this circuit (see, for example, Patent Document 1). In this laminate, a heat sink or heat dissipation plate is provided on the side of the circuit opposite to where the semiconductor chip is mounted, in order to dissipate the heat emitted from the semiconductor chip.
図１２は、従来の積層体の構成の一例を説明する図である。積層体１００は、ヒートシンク１１１と、絶縁層１１２と、回路１１３と、チップ１１４とを備える。積層体１００は、ヒートシンク１１１、絶縁層１１２、回路１１３、チップ１１４の順に積層され、チップ１１４において生じた熱が、回路１１３、絶縁層１１２を経由して、ヒートシンク１１１に伝わる。ヒートシンク１１１は、伝わった熱を、絶縁層１１２側と反対側の端部から外部に放出する。 Figure 12 illustrates an example of a conventional laminated structure. The laminated structure 100 comprises a heat sink 111, an insulating layer 112, a circuit 113, and a chip 114. The laminated structure 100 is constructed by stacking the heat sink 111, insulating layer 112, circuit 113, and chip 114 in that order. Heat generated in the chip 114 is transferred to the heat sink 111 via the circuit 113 and insulating layer 112. The heat sink 111 releases the transferred heat to the outside from the end opposite the insulating layer 112.
ところで、積層体には、動作を安定化させたり、積層体の破損を防止したりするために、チップ１１４において生じた熱の放熱性を向上させることが望まれている。放熱性を向上させる手段としては、回路１１３を厚くすることが挙げられる。しかしながら、回路１１３の厚さを厚くすると、熱応力によって積層体の耐久性が低下するという問題があった。 Incidentally, in order to stabilize the operation of the laminate and prevent damage to the laminate, it is desirable to improve the heat dissipation of heat generated at the chip 114. One way to improve heat dissipation is to increase the thickness of the circuit 113. However, increasing the thickness of the circuit 113 presents the problem of reduced durability of the laminate due to thermal stress.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、耐久性の低下を抑制しつつ、チップにおいて生じた熱の放熱性を向上することができる積層体および積層体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and aims to provide a laminate and a method for manufacturing a laminate that can improve the heat dissipation of heat generated in the chip while suppressing a decrease in durability.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る積層体は、ベース部と、前記ベース部に積層される絶縁層と、前記絶縁層の前記ベース部側と反対側に積層され、中空の板状をなし、熱抵抗が前記絶縁層よりも小さい熱伝導部材と、前記熱伝導部材の前記絶縁層側と反対側に積層される電子部品と、を備え、前記熱伝導部材は、前記電子部品への通電が可能である、ことを特徴とする。 To solve the above-mentioned problems and achieve the objective, the laminate according to the present invention comprises a base portion, an insulating layer laminated on the base portion, a heat conductive member laminated on the side of the insulating layer opposite to the base portion, having a hollow, plate-like shape and a thermal resistance lower than that of the insulating layer, and an electronic component laminated on the side of the heat conductive member opposite to the insulating layer, wherein the heat conductive member is capable of conducting electricity to the electronic component.
また、本発明に係る積層体は、上記発明において、前記熱伝導部材には、液体を保持する密閉された空間が形成される、ことを特徴とする。 Furthermore, the laminate according to the present invention is characterized in that, in the above invention, a sealed space for holding liquid is formed in the heat conductive member.
また、本発明に係る積層体は、上記発明において、前記熱伝導部材は、ベイパーチャンバーである、ことを特徴とする。 Furthermore, the laminate according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heat conductive member is a vapor chamber.
また、本発明に係る積層体は、上記発明において、前記ベース部は、ヒートシンクである、ことを特徴とする。 Furthermore, the laminate according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the base portion is a heat sink.
また、本発明に係る積層体の製造方法は、ベース部に絶縁層を積層する第１積層ステップと、前記絶縁層の前記ベース部側と反対側に、中空の板状をなし、熱抵抗が前記絶縁層よりも小さく、電子部品への通電が可能な熱伝導部材を積層する第２積層ステップと、前記熱伝導部材の前記絶縁層側と反対側に前記電子部品を実装する実装ステップと、を含むことを特徴とする。 Furthermore, the manufacturing method of the laminate according to the present invention is characterized by comprising: a first lamination step of laminating an insulating layer onto a base portion; a second lamination step of laminating a heat conductive member, which is hollow, plate-shaped, has a lower thermal resistance than the insulating layer, and is capable of conducting electricity to electronic components, on the side of the insulating layer opposite to the base portion; and a mounting step of mounting the electronic components on the side of the heat conductive member opposite to the insulating layer.
また、本発明に係る積層体の製造方法は、上記発明において、前記第２積層ステップは、前記熱伝導部材の底部を構成する板状の第１の部材を前記絶縁層に積層し、前記熱伝導部材の前記第１の部材以外の部分を構成する第２の部材を前記第１の部材に接合する、ことを特徴とする。 Furthermore, the manufacturing method of the laminate according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the second lamination step involves laminating a plate-shaped first member constituting the bottom portion of the heat conductive member onto the insulating layer, and joining a second member constituting the portion of the heat conductive member other than the first member to the first member.
本発明によれば、耐久性の低下を抑制しつつ、チップにおいて生じた熱の放熱性を向上することができるという効果を奏する。 According to this invention, it is possible to improve the heat dissipation of heat generated in the chip while suppressing a decrease in durability.
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。 The following describes embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "embodiments") with reference to the attached drawings. Note that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the thickness of each part, etc., may differ from reality. Furthermore, there may be differences in the dimensional relationships and ratios between parts within the drawings.
（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る積層体の構成を示す図である。図１に示す積層体１は、ヒートシンク１１と、絶縁層１２と、ベイパーチャンバー１３と、チップ１４とを備える。積層体１は、ヒートシンク１１、絶縁層１２、ベイパーチャンバー１３、チップ１４の順に積層されてなる。チップ１４は、例えば半導体チップ等の電子部品であり、使用時に熱源となる。
(Embodiment)
Figure 1 shows the configuration of a laminate according to one embodiment of the present invention. The laminate 1 shown in Figure 1 comprises a heat sink 11, an insulating layer 12, a vapor chamber 13, and a chip 14. The laminate 1 is formed by stacking the heat sink 11, the insulating layer 12, the vapor chamber 13, and the chip 14 in that order. The chip 14 is an electronic component such as a semiconductor chip and serves as a heat source during use.
ヒートシンク１１は、一端側から伝わった熱を、他端側から外部に放出する。ヒートシンク１１は、板状をなして絶縁層１２が積層される第１部分１１ａと、第１部分１１ａから絶縁層１２側と反対側に向けて櫛状をなして延びる第２部分１１ｂとを有する。ヒートシンク１１は、ベース部に相当する。 The heat sink 11 releases heat transferred from one end to the outside from the other end. The heat sink 11 has a first portion 11a, which is plate-shaped and has an insulating layer 12 laminated on it, and a second portion 11b, which extends in a comb-like pattern from the first portion 11a toward the opposite side of the insulating layer 12. The heat sink 11 corresponds to the base portion.
絶縁層１２は、絶縁性を有する材料、すなわち絶縁材料を用いて形成され、ヒートシンク１１の一端側の表面を覆う。なお、絶縁層１２に求められる絶縁性が確保できれば、ヒートシンク１１の一端側の表面の一部のみを覆う構成としてもよい。 The insulating layer 12 is formed using an insulating material , i.e., an insulating material , and covers the surface of one end of the heat sink 11. However, if the required insulating properties can be ensured for the insulating layer 12, it may be configured to cover only a portion of the surface of one end of the heat sink 11.
ベイパーチャンバー１３は、中空の板状をなし、内部に作動液が収容される。作動液は、例えば水や、低沸点の液体である。ベイパーチャンバー１３の内壁には、ウィック構造が形成される。また、ベイパーチャンバー１３の内部には、柱状をなすカラム１３１が設けられる。ベイパーチャンバー１３では、熱によって内部の液体が気化し、内部を移動する。内部の気体は、熱源から離れて冷やされると、液体に戻る。液体は、毛細管を介して熱源側に戻る。ベイパーチャンバー１３では、上述したような液体の気化、液化を繰り返すことによって、熱源が発した熱を他の部材に伝える。なお、ベイパーチャンバー１３の厚さや、カラム１３１の数を調整することによって、当該ベイパーチャンバー１３の熱特性および強度を調整できる。 The vapor chamber 13 is a hollow, plate-like structure containing a working fluid. The working fluid is, for example, water or a low-boiling-point liquid. A wick structure is formed on the inner wall of the vapor chamber 13. Furthermore, a columnar column 131 is provided inside the vapor chamber 13. In the vapor chamber 13, heat causes the internal liquid to vaporize and move within the chamber. When the internal gas cools away from the heat source, it returns to a liquid state. The liquid returns to the heat source side via capillaries. In the vapor chamber 13, the heat generated by the heat source is transferred to other components by repeatedly vaporizing and liquefying the liquid as described above. The thermal properties and strength of the vapor chamber 13 can be adjusted by adjusting the thickness of the vapor chamber 13 and the number of columns 131.
また、ベイパーチャンバー１３は、例えば導電性の材料を用いて形成される。このため、ベイパーチャンバー１３は、チップ１４を実装する回路として機能する。ベイパーチャンバー１３は、チップ１４を実装する回路パターンに応じた形状に、絶縁層１２上に形成され、チップ１４と外部機器との間に流れる電流の通電が可能である。ベイパーチャンバー１３は、チップ１４と外部機器との間における電気信号を伝送する。なお、電気信号の伝送には、給電用の信号の伝送を含む。ベイパーチャンバー１３は、熱伝導部材に相当する。 Furthermore, the vapor chamber 13 is formed using, for example, a conductive material. Therefore, the vapor chamber 13 functions as a circuit for mounting the chip 14. The vapor chamber 13 is formed on the insulating layer 12 in a shape corresponding to the circuit pattern for mounting the chip 14, and allows current to flow between the chip 14 and external equipment. The vapor chamber 13 transmits electrical signals between the chip 14 and external equipment. This transmission of electrical signals includes the transmission of power supply signals. The vapor chamber 13 corresponds to a heat conductive member.
ヒートシンク１１およびベイパーチャンバー１３は、純銅、耐熱銅、アルミニウム等を用いて形成される。特に、ベイパーチャンバー１３は、高い熱伝導性、かつ高い導電性を有する材料が用いられることが好ましい。 The heat sink 11 and vapor chamber 13 are formed using pure copper, heat-resistant copper, aluminum, or the like. In particular, it is preferable that the vapor chamber 13 be made of a material with high thermal conductivity and high electrical conductivity.
積層体１のチップ１４を駆動すると、その駆動によって熱が発生する。発生した熱は、ベイパーチャンバー１３に伝わり、その熱によってベイパーチャンバー１３内の液体が気化する。気体は低温側（ここでは絶縁層１２側）に移動し、熱を絶縁層１２に伝えた後、再び液体に戻り、毛細管現象により熱源側に移動する。絶縁層１２に伝わった熱は、ヒートシンク１１の第１部分１１ａに伝わり、第２部分１１ｂから外部に放出される。 When the chip 14 of the laminate 1 is driven, heat is generated by the drive. This heat is transferred to the vapor chamber 13, causing the liquid inside the vapor chamber 13 to vaporize. The gas moves to the lower temperature side (in this case, the insulating layer 12 side), transfers heat to the insulating layer 12, then returns to a liquid state and moves back towards the heat source side via capillary action. The heat transferred to the insulating layer 12 is then transferred to the first portion 11a of the heat sink 11 and released to the outside from the second portion 11b.
続いて、積層体１の製造方法について、図２～図４を参照して説明する。図２～図４は、本発明の一実施の形態に係る積層体の製造方法を示す図である。 Next, the manufacturing method of the laminate 1 will be described with reference to Figures 2 to 4. Figures 2 to 4 are diagrams showing a manufacturing method of a laminate according to one embodiment of the present invention.
まず、ヒートシンク１１に絶縁層１２を形成する（図２参照）。絶縁層１２は、絶縁層１２を構成する材料をヒートシンク１１に転写することによって形成される。転写は、プレス機によるプレスが挙げられる。なお、オートクレーブによる一体成型によって絶縁層１２を形成してもよい。 First, an insulating layer 12 is formed on the heat sink 11 (see Figure 2). The insulating layer 12 is formed by transferring the material constituting the insulating layer 12 onto the heat sink 11. Transfer can be done by pressing with a press machine. Alternatively, the insulating layer 12 may be formed by integral molding using an autoclave.
その後、絶縁層１２に、ベイパーチャンバー１３を転写する（図３参照）。ベイパーチャンバー１３の形成は、絶縁層１２と同様に、転写の他、オートクレーブを用いて行ってもよい。 Subsequently, the vapor chamber 13 is transferred to the insulating layer 12 (see Figure 3). The vapor chamber 13 may be formed using an autoclave, in addition to transfer, similar to the insulating layer 12.
ベイパーチャンバー１３を絶縁層１２上に形成後、ベイパーチャンバー１３上にチップ１４を実装する（図４参照）。なお、オートクレーブを用いてベイパーチャンバー１３を形成する場合、ベイパーチャンバー１３とチップ１４とを同時に形成することができる。 After forming the vapor chamber 13 on the insulating layer 12, the chip 14 is mounted on the vapor chamber 13 (see Figure 4). Note that when forming the vapor chamber 13 using an autoclave, the vapor chamber 13 and the chip 14 can be formed simultaneously.
チップ１４を実装後、ベイパーチャンバー１３内に作動液を注入する。以上説明した工程を経て、図１に示す積層体１が作製される。なお、作動液は、ベイパーチャンバー１３にチップ１４を実装する前に、ベイパーチャンバー１３内に作動液を注入してもよい。 After mounting the chip 14, the working fluid is injected into the vapor chamber 13. Following the steps described above, the laminate 1 shown in Figure 1 is fabricated. Note that the working fluid may also be injected into the vapor chamber 13 before mounting the chip 14.
続いて、本実施の形態１に係る積層体１と、従来の積層体（積層体１００）の熱特性について、図５～図８を参照して説明する。図５は、従来の積層体における回路の厚さと熱抵抗との関係の一例を示す図である。ここでは、従来の積層体の構成として、図１２に示す積層体１００を例にして説明する。 Next, the thermal characteristics of the laminate 1 according to this embodiment 1 and a conventional laminate (laminated laminate 100) will be described with reference to Figures 5 to 8. Figure 5 shows an example of the relationship between circuit thickness and thermal resistance in a conventional laminate. Here, the laminate 100 shown in Figure 12 will be used as an example of the configuration of a conventional laminate.
積層体１００において、ヒートシンク１１１（熱伝導率３９０Ｗ／（ｍＫ））の厚さを５．０ｍｍ、絶縁層１１２（熱伝導率８Ｗ／（ｍＫ））の厚さを０．１２ｍｍ、回路１１３とチップ１１４とを接合するはんだ（熱伝導率４９Ｗ／（ｍＫ））の厚さを０．２ｍｍ、チップ１４（熱伝導率８５Ｗ／（ｍＫ））の厚さを０．１ｍｍとし、回路１１３の厚さを変えて熱抵抗をシミュレーションした。なお、厚さは、積層方向の長さを示す。また、各部材を積層方向からみたサイズは、ヒートシンク１１１が３０ｍｍ×３０ｍｍ、絶縁層１１２が２０ｍｍ×２０ｍｍ、回路１１３が２０ｍｍ×２０ｍｍ、はんだが１０ｍｍ×１０ｍｍ、チップ１１４が１０ｍｍ×１０ｍｍに設定した。回路１１３は、銅により形成されるものとする（熱伝導率３９０Ｗ／（ｍＫ））。
なお、熱抵抗Ｒは、チップ１４、１１４の温度をＴmax、ヒートシンク１１の第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの境界の温度をＴmin、熱流量をＱとし、下式（１）により求めた。ここでは、Ｑ＝４０Ｗとする。
Ｒ＝（Ｔmax－Ｔmin）／Ｑ ・・・（１）
In the laminate 100, the thickness of the heat sink 111 (thermal conductivity 390 W/(mK)) was set to 5.0 mm, the thickness of the insulating layer 112 (thermal conductivity 8 W/(mK)) to 0.12 mm, the thickness of the solder (thermal conductivity 49 W/(mK)) joining the circuit 113 and the chip 114 to 0.2 mm, and the thickness of the chip 14 (thermal conductivity 85 W/(mK)) to 0.1 mm. The thermal resistance was simulated by changing the thickness of the circuit 113. Note that the thickness indicates the length in the lamination direction. The size of each component viewed from the lamination direction was set to 30 mm x 30 mm for the heat sink 111, 20 mm x 20 mm for the insulating layer 112, 20 mm x 20 mm for the circuit 113, 10 mm x 10 mm for the solder, and 10 mm x 10 mm for the chip 114. The circuit 113 is assumed to be made of copper (thermal conductivity 390 W/(mK)).
The thermal resistance R was calculated using the following formula (1), where Tmax is the temperature of chips 14 and 114, Tmin is the temperature at the boundary between the first part 11a and the second part 11b of the heat sink 11, and Q is the heat flow rate. Here, Q = 40W.
R=(Tmax-Tmin)/Q...(1)
回路１１３の厚さと、熱抵抗との関係から、厚さが３ｍｍ程度において、熱抵抗が最小（熱抵抗Ｒ≒０．１８８Ｋ／Ｗ）となることが分かる。このため、積層体１００の回路１１３の厚さを３．０ｍｍ、積層体１におけるベイパーチャンバー１３（熱伝導率５０００Ｗ／（ｍＫ））の厚さを３ｍｍとして、従来の積層体（積層体１００）と、本実施の形態に係る積層体１との熱特性を比較する。上式（１）より、積層体１の熱抵抗は、０．１０４Ｋ／Ｗとなった。 From the relationship between the thickness of circuit 113 and its thermal resistance, it can be seen that the thermal resistance is minimized (thermal resistance R ≈ 0.188 K/W) at a thickness of approximately 3 mm. Therefore, the thermal characteristics of a conventional laminate (laminated body 100) and the laminate 1 according to this embodiment are compared, with the thickness of the circuit 113 in laminate 100 set to 3.0 mm and the thickness of the vapor chamber 13 (thermal conductivity 5000 W/(mK)) in laminate 1 set to 3 mm. From equation (1) above, the thermal resistance of laminate 1 is found to be 0.104 K/W.
図６は、本発明の一実施の形態に係る積層体の温度分布の一例を示す図である。図７は、従来の積層体の温度分布の一例を示す図である。図６および図７は、積層方向からみた際の、各積層体の温度分布をみても分かるように、各部材の厚さを揃えた場合において、本願発明に係る積層体１の方が、従来の積層体と比して温度が低い。 Figure 6 shows an example of the temperature distribution of a laminate according to one embodiment of the present invention. Figure 7 shows an example of the temperature distribution of a conventional laminate. As can be seen from the temperature distribution of each laminate as viewed from the lamination direction in Figures 6 and 7, when the thickness of each component is the same, the laminate 1 according to the present invention has a lower temperature compared to the conventional laminate.
上式（１）および温度分布より、本願発明に係る積層体１の方が、従来の積層体と比して、積層体（チップ）に与えられた熱が、ヒートシンク側へ効率的に伝達されるといえる。さらに、積層体１の絶縁層１２の熱伝導率を２．５Ｗ／（ｍＫ）とした場合、上式（１）より、熱抵抗は０．１８４Ｋ／Ｗとなり、絶縁層１２の熱伝導率を積層体１００の絶縁層１１２よりも低くしても、低い熱抵抗が得られる。なお、積層体１００において、絶縁層１１２の熱伝導率を１００Ｗ／（ｍＫ）とした場合、上式（１）より、熱抵抗は０．１４５Ｋ／Ｗとなる。また、絶縁層１１２中のフィラーを増加して熱伝導性を向上させることができるが、絶縁性や接着強度が低下するおそれがある。
積層体１は、厚さを厚くしたり、絶縁層１２中のフィラーを増加させたりすることなく、従来構造では達成困難なレベルまで、熱抵抗を低減することができる。
From equation (1) above and the temperature distribution, it can be said that the laminate 1 according to the present invention efficiently transfers heat applied to the laminate (chip) to the heat sink side compared to a conventional laminate. Furthermore, if the thermal conductivity of the insulating layer 12 of the laminate 1 is 2.5 W/(mK), then from equation (1) above, the thermal resistance becomes 0.184 K/W, and a low thermal resistance can be obtained even if the thermal conductivity of the insulating layer 12 is lower than that of the insulating layer 112 of the laminate 100. Note that if the thermal conductivity of the insulating layer 112 in the laminate 100 is 100 W/(mK), then from equation (1) above, the thermal resistance becomes 0.145 K/W. In addition, the thermal conductivity can be improved by increasing the filler in the insulating layer 112, but this may reduce the insulation and adhesive strength.
The laminate 1 can reduce thermal resistance to a level that is difficult to achieve with conventional structures, without increasing its thickness or increasing the amount of filler in the insulating layer 12.
図８は、回路に用いる材料ごとの応力について説明する図である。図８は、ヒートシンク１１、１１１の材料を銅、アルミニウムに変えたときの応力（ＭＰａ）を示す。応力は、ヤング率や線膨張係数をパラメータとして入力して熱応力解析によって求められる。なお、ヤング率は、ヒートシンクを１１７０００ＭＰａ（銅）、７０３１０ＭＰａ（アルミニウム）、ベイパーチャンバー１３を８１９００ＭＰａ、回路１１３を１１７０００ＭＰａ、はんだを４００００ＭＰａ、チップを１９００００ＭＰａとした。また、線膨張係数は、ヒートシンクを１．６５×１０-5／Ｋ（銅）、２．３８×１０-5／Ｋ（アルミニウム）、ベイパーチャンバー１３を１．６５×１０-5／Ｋ、回路１１３を１．６５×１０-5／Ｋ、はんだを２．３０×１０-5／Ｋ、チップを３．９０×１０-6／Ｋとした。絶縁層のヤング率および線膨張係数は、温度依存性を考慮して実測データを用いた。 Figure 8 illustrates the stress for each material used in the circuit. Figure 8 shows the stress (MPa) when the materials of heat sinks 11 and 111 are changed to copper and aluminum. The stress is determined by thermal stress analysis using Young's modulus and coefficient of thermal expansion as parameters. The Young's modulus was set to 117,000 MPa for the heat sink (copper) and 70,310 MPa for the aluminum; 81,900 MPa for the vapor chamber 13; 117,000 MPa for the circuit 113; 40,000 MPa for the solder; and 190,000 MPa for the chip. Furthermore, the coefficients of linear expansion were set as follows: heat sink 1.65 × 10⁻⁵ /K (copper), 2.38 × 10⁻⁵ /K (aluminum); vapor chamber 13 1.65 × 10⁻⁵ /K; circuit 113 1.65 × 10⁻⁵ /K; solder 2.30 × 10⁻⁵ /K; and chip 3.90 × 10⁻⁶ /K. The Young's modulus and coefficient of linear expansion of the insulating layer were measured data, taking temperature dependence into consideration.
図８に示すように、応力は、銅製およびアルミニウム製のいずれも、本発明の積層体の方が小さくなった。特に、軽量化および低価格化するために好まれるアルミニウムのような線膨張係数の大きい材質の場合、その応力低減効果は大きい。具体的な応力の値（ＭＰａ）は以下の通りとなる。
従来構造 本発明構造
銅製のヒートシンク 冷却時 ９．４０ ９．３９
加熱時 ３３．８９ ３３．７９
アルミニウム製ヒートシンク 冷却時 １７３．０５ １４９．９２
加熱時 １９６．４１ １８４．６４
このことから、本願発明のヒートシンク１１は、従来の積層体と比して、熱応力を低減することができるといえる。
As shown in Figure 8, the stress was lower in the laminate of the present invention for both copper and aluminum materials. In particular, the stress reduction effect is significant for materials with a high coefficient of thermal expansion, such as aluminum, which is preferred for its lightweight and low-cost properties. The specific stress values (MPa) are as follows.
Conventional structure Inventive structure Copper heat sink Cooling time 9.40 9.39
When heating 33.89 33.79
Aluminum heatsink (cooled): 173.05°C, 149.92°C
When heating 196.41 184.64
From this, it can be said that the heat sink 11 of the present invention can reduce thermal stress compared to conventional laminates.
以上説明した本発明の実施の形態では、積層体１における回路部にベイパーチャンバー１３を採用し、該ベイパーチャンバー１３が、チップへの通電と、チップ１４において生じた熱の、絶縁層１２への伝達とを行うようした。積層体１は、ベイパーチャンバー１３が中空構造のため、加熱・冷却時の膨張・収縮を緩和して、熱応力を低減できる。また、積層体１は、従来の積層体より放熱効果が大きく、温度変化（上昇）を抑えることができる。本実施の形態によれば、上記の構成とすることによって、耐久性の低下を抑制しつつ、チップにおいて生じた熱の放熱性を向上することができる。 In the embodiments of the present invention described above, a vapor chamber 13 is employed in the circuit portion of the laminate 1. The vapor chamber 13 is responsible for supplying current to the chip and transferring heat generated in the chip 14 to the insulating layer 12. Because the vapor chamber 13 has a hollow structure, the laminate 1 can mitigate expansion and contraction during heating and cooling, thereby reducing thermal stress. Furthermore, the laminate 1 has a greater heat dissipation effect than conventional laminates, suppressing temperature changes (rises). According to this embodiment, by adopting the above configuration, it is possible to improve heat dissipation from the chip while suppressing a decrease in durability.
（変形例１）
次に、上述した実施の形態の変形例１について説明する。変形例１に係る積層体は、上述した実施の形態に係る積層体１と同じ構成である。変形例１は、積層体１の製造方法が、実施の形態と異なる。以下、変形例１に係る積層体１の製造方法について、図９を参照して説明する。図９および図１０は、変形例１に係る積層体の製造方法を示す図である。
(Variation 1)
Next, a modified example 1 of the above-described embodiment will be explained. The laminate according to modified example 1 has the same configuration as the laminate 1 according to the above-described embodiment. The manufacturing method of the laminate 1 in modified example 1 differs from that of the embodiment. The manufacturing method of the laminate 1 according to modified example 1 will be explained below with reference to Figure 9. Figures 9 and 10 are diagrams showing the manufacturing method of the laminate according to modified example 1.
まず、ヒートシンク１１に絶縁層１２を形成する（図２参照）。その後、ベイパーチャンバー１３の一部を構成する金属板１３ａを絶縁層１２上に転写する（図９参照）。この金属板１３ａの絶縁層１２側と反対側の表面には、ウィック構造が形成される。金属板１３ａは、ベイパーチャンバー１３の底部を構成し、第１の部材に相当する。 First, an insulating layer 12 is formed on the heat sink 11 (see Figure 2). Then, a metal plate 13a, which constitutes part of the vapor chamber 13, is transferred onto the insulating layer 12 (see Figure 9). A wick structure is formed on the surface of this metal plate 13a opposite to the insulating layer 12. The metal plate 13a constitutes the bottom of the vapor chamber 13 and corresponds to the first component.
その後、ベイパーチャンバー１３の他部を構成する部材１３ｂを、金属板１３ａに接合し、ベイパーチャンバー１３を作成する（図１０参照）。部材１３ｂは、皿状をなし、内部にはウィック構造やカラムが形成され、第２の部材に相当する。 Subsequently, the component 13b, which constitutes the other part of the vapor chamber 13, is joined to the metal plate 13a to create the vapor chamber 13 (see Figure 10). Component 13b is dish-shaped, with a wick structure and columns formed inside, and corresponds to the second component.
その後は、実施の形態と同様にして、ベイパーチャンバー１３を絶縁層１２上に形成後、ベイパーチャンバー１３上にチップ１４を実装する（図４参照）。チップ１４を実装後、ベイパーチャンバー１３内に作動液を注入する。以上説明した工程を経て、図１に示す積層体１が作製される。なお、チップ１４を実装した部材１３ｂを金属板１３ａに接合するようにしてもよい。 Subsequently, in the same manner as in the embodiment, the vapor chamber 13 is formed on the insulating layer 12, and then the chip 14 is mounted on the vapor chamber 13 (see Figure 4). After mounting the chip 14, the working fluid is injected into the vapor chamber 13. Through the steps described above, the laminate 1 shown in Figure 1 is manufactured. Alternatively, the member 13b with the mounted chip 14 may be joined to the metal plate 13a.
変形例１に係る製造工程によって作製された積層体１においても、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。 The laminate 1 produced by the manufacturing process according to Modification 1 can also obtain the same effects as those of the embodiment described above.
また、変形例１に係る製造工程では、金属板１３ａを絶縁層１２上に形成した後、部材１３ｂを接合してベイパーチャンバー１３を形成するため、ベイパーチャンバー１３を絶縁層１２上に形成する際の荷重等によってベイパーチャンバー１３の内部空間の形状が変形することを、一層確実に抑制できる。 Furthermore, in the manufacturing process according to Modification 1, since the metal plate 13a is formed on the insulating layer 12 and then the member 13b is joined to form the vapor chamber 13, deformation of the internal space of the vapor chamber 13 due to loads during the formation of the vapor chamber 13 on the insulating layer 12 can be suppressed even more reliably.
（変形例２）
次に、上述した実施の形態の変形例２について、図１１を参照して説明する。図１１は、変形例２に係る積層体の構成を示す図である。変形例２に係る積層体１Ａは、上述した積層体１のヒートシンク１１に代えてベース部１５を備える。ベース部１５は、例えば、金属を用いて形成される。ベース部１５は、積層体１Ａにおける放熱性の観点から、熱伝導性が高い材料を用いて形成されることが好ましい。熱伝導性が高い材料としては、例えば、純銅、耐熱銅、アルミニウム等の金属が挙げられる。積層体１Ａの製造方法は、積層体１の製造方法と同様である。積層体１の製造方法において、ヒートシンク１１をベース部１５に読みかえればよい。ベース部１５は、積層体１Ａの強度を補強する。さらに、ベース部１５は、熱伝導性が高い材料によって形成されていれば、絶縁層１２から伝わる熱を外部に効率的に放出することができる。
(Variation 2)
Next, a modified example 2 of the above-described embodiment will be explained with reference to Figure 11. Figure 11 is a diagram showing the configuration of the laminate according to modified example 2. The laminate 1A according to modified example 2 is equipped with a base portion 15 instead of the heat sink 11 of the laminate 1 described above. The base portion 15 is formed using, for example, metal. From the viewpoint of heat dissipation in the laminate 1A, it is preferable that the base portion 15 be formed using a material with high thermal conductivity. Examples of materials with high thermal conductivity include metals such as pure copper, heat-resistant copper, and aluminum. The manufacturing method of the laminate 1A is the same as the manufacturing method of the laminate 1. In the manufacturing method of the laminate 1, the heat sink 11 can be replaced with the base portion 15. The base portion 15 reinforces the strength of the laminate 1A. Furthermore, if the base portion 15 is formed of a material with high thermal conductivity, the heat transmitted from the insulating layer 12 can be efficiently released to the outside.
変形例２に係る積層体１Ａは、従来の積層体１００のヒートシンク１１１を板状のベース部に代えた構成と比して、耐久性の低下を抑制しつつ、放熱性を向上することができる。 The laminated body 1A according to the modified example 2 can improve heat dissipation while suppressing a decrease in durability, compared to the conventional laminated body 100 in which the heat sink 111 is replaced with a plate-shaped base.
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。例えば、上述した実施の形態では、回路としてベイパーチャンバー１３を用いる例について説明したが、内部に液体を保持する密閉された空間が形成され、熱交換を促すものであれば適用可能であり、例えばベイパーチャンバー１３に代えてヒートパイプや、ヒートパイプを埋設した金属板を用いてもよい。また、高い放熱特性が求められる箇所に、回路としてベイパーチャンバー１３を採用し、その他の箇所は、従来の銅製の回路にすることができる。 While embodiments for carrying out the present invention have been described so far, the present invention is not limited to the embodiments described above. For example, although the above-described embodiment described an example in which a vapor chamber 13 is used as the circuit, any sealed space that holds liquid inside and promotes heat exchange is applicable. For example, a heat pipe or a metal plate with a heat pipe embedded in it may be used instead of the vapor chamber 13. Furthermore, the vapor chamber 13 can be used as the circuit in areas where high heat dissipation characteristics are required, while conventional copper circuits can be used in other areas.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。 Thus, the present invention may include various embodiments not described herein, and various design modifications can be made without departing from the technical idea specified by the claims.
以上説明したように、本発明に係る積層体および積層体の製造方法は、耐久性の低下を抑制しつつ、チップにおいて生じた熱の放熱性を向上するのに好適である。 As described above, the laminate and method for manufacturing the laminate according to the present invention are suitable for improving heat dissipation in the chip while suppressing a decrease in durability.
１、１Ａ 積層体
１１ ヒートシンク
１２ 絶縁層
１３ ベイパーチャンバー
１４ チップ
１５ ベース部
1. 1A Laminate 11 Heat sink 12 Insulating layer 13 Vapor chamber 14 Chip 15 Base
Claims (6)
前記絶縁材料に接触するベイパーチャンバーと、
前記ベイパーチャンバーに直接積層される電子部品と、
を備え、
前記ベイパーチャンバーは、内壁にウィック構造が形成され、内部に液体が収容された中空構造をなし、
前記ベイパーチャンバーを構成する部材自体が、前記電子部品に給電するための実装回路として機能し、
前記電子部品で生じた熱を、前記ベイパーチャンバーを介して前記絶縁材料へ伝達可能に構成されている、
ことを特徴とする積層体。 Insulating material,
A vapor chamber in contact with the insulating material,
Electronic components directly stacked in the aforementioned vapor chamber,
Equipped with,
The vapor chamber has a hollow structure with a wick structure formed on its inner wall and liquid contained inside.
The components constituting the vapor chamber itself function as a mounting circuit for supplying power to the electronic components.
The heat generated by the electronic component is configured to be transferred to the insulating material via the vapor chamber .
A laminate characterized by the following features.
ことを特徴とする請求項１に記載の積層体。 The circuit is laminated on the insulating material.
The laminate according to feature 1.
ことを特徴とする請求項１に記載の積層体。 The vapor chamber is conductive.
The laminate according to feature 1.
ことを特徴とする請求項１に記載の積層体。 The vapor chamber functions as a mounting circuit for the electronic components.
The laminate according to feature 1.
前記ベース部に積層され、中空の板状をなす熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に直接積層される電子部品と、
を備え、
前記熱伝導部材は、液体を保持する密閉された空間が形成されたベイパーチャンバーであり、
前記熱伝導部材が、前記電子部品に給電するための実装回路として機能する、
ことを特徴とする積層体。 The base part,
A heat-conducting member, which is laminated on the base portion and has a hollow plate-like shape,
An electronic component directly laminated on the aforementioned heat conductive member,
Equipped with,
The heat conducting member is a vapor chamber in which a sealed space for holding liquid is formed.
The heat conductive member functions as an implementation circuit for supplying power to the electronic component.
A laminate characterized by the following features.
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