JPH0418705B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、集積回路装置に係り、特に大型電子
計算機に使用するのに好適な集積回路装置に関す
る。

〔発明の背景〕

大型電子計算機等に使用される集積回路チツプ
の高密度実装化をはかるために、多層配線基板上
に多数の集積回路チツプを搭載することが行われ
ている。

この種の集積回路装置は、特開昭60−32348号
公報に記載されているように、一般に多層配線基
板の一方の表面にLSIチツプ等の集積回路チツプ
を搭載し、基板の表面すなわち集積回路チツプを
搭載する面に対して反対側の面に入出力端子ピン
を設け、これらの入出力端子ピンと集積回路チツ
プとを電気的に接続して構成されている。

集積回路チツプの数を増加し実装密度を高める
にしたがつて、基板の大きさは大となり、基板自
身の反りやうねりが生じやすくなる。実公昭58−
32312号公報には、基板のうねり或は反りが基板
の寸法にほゞ比例して増大するために、冷却用放
熱フインを半田、接着剤等を用いて取り付けるこ
とが非常に難しくなることが記載されている。更
に基板の大型化に際して従来どおり基板内の電源
層パターンを通して給電することは、電源層パタ
ーンでの電圧降下が非常に大きくなつて困難であ
ることが記載されている。そして、基板（セラミ
ツクス基板）と放熱フインとの間に、良好な熱伝
導性および機械的弾性を有する絶縁シートと給電
用導体板とを交互に重ね合せて挿入し、全体をボ
ルトにより加圧固定する構造を提案している。こ
の構造では、絶縁シートと給電用導体板との間の
接触熱抵抗が問題となるが、この点については全
く触れていない。良好な熱伝導性及び機械的弾性
を有する絶縁シートについても、具体的な材料を
全く開示していない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、熱放散性がすぐれ集積回路チ
ツプの高密度実装を実現しうる実用的な集積回路
装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、集積回路チツプを搭載した配線基板
および電源基板を有し、電源基板が給電用導体層
と電気絶縁層とを交互に重ね合せて一体化した構
造を有し、且つ給電用導体層と電気絶縁層の少な
くとも一方が放熱手段を有する集積回路装置にあ
る。

本発明者らは、集積回路装置の高密度実装化を
実現し、しかも装置が大型化するのを防止するた
めには、基板を、集積回路チツプを搭載した配線
基板を電源基板との分割構造とすることが有効で
あることを見出した。

集積回路チツプを搭載する配線基板と電源基板
との分割構造とすることにより、電源基板から集
積回路チツプまでの給電経路を短かくすることが
でき、電源電圧の降下を低く押さえることができ
るようになる。また信号配線の長さを短かくする
こともでき、集積回路の高速化をはかることもで
きるようになる。

しかし、基板をこのように分割構造とした場合
には、電源基板自身が発熱し、発熱が著しい場合
には集積回路チツプを破壊してしまうことがわか
つた。電源基板の発熱量は、給電電力を増加する
にしたがつて増加し、500℃を超えることもあり
うる。集積回路チツプを破壊させないためには、
電源基板の温度を100℃以下、好ましくは80℃以
下に抑えるべきである。

集積回路装置において、集積回路チツプから発
生する熱の除去手段に関しては、既にいろいろと
提案されており、たとえば前記特開昭60−32348
号公報にもいくつかの手段が記載されている。け
れども電源基板から発生する熱の具体的な除去手
段に関しては、全く或はほとんど提案されていな
い。

本発明者らは、給電用導体層と電気絶縁層との
積層構造を有する電源基板に放熱フインを取り付
けた程度では、電源基板から発生する熱を実際上
除去できないことを究明した。一例として、150
mm角の大きさの給電用導体層７層と電気絶縁層８
層を交互に積層して一体化した電源基板を用い、
放熱フインを取り付けて500Aの電流を供給して
行なつた実験では、電源基板の発熱温度は500℃
を超え、10ｍ／secの風速で送風冷却しても電源
基板の温度はそれほど低下しなかつた。

本発明者らは、電源基板を構成する給電用導体
層と電気絶縁層の一方又は両方に放熱手段を設け
ることにより、電源基板の発熱温度を著しく低下
させることに成功した。

放熱手段は、給電用導体層或は電気絶縁層の各
層のすべてに設けることが最も望ましいが、必ず
しもすべての層に設けなくてもよい。給電用導体
層と電気絶縁層との多層積層構造よりなる電源基
板の発熱温度を実測した例では、配線基板に近い
側が最も高温となり、そこから遠ざかるにつれて
発熱温度が低下していた。このことから、電源基
板の下方の層すなわち配線基板に対して反対側に
位置する層には、必ずしも放熱手段を設けなくて
もよい。

電源基板の放熱手段を設ける層の割合は、給電
用導体層或は電気絶縁層について、いずれも1/2
以上の層、より好ましくは2/3以上の層とするこ
とが好ましい。すなわち電気絶縁層を10層有する
場合には、配線基板側から数えて５層以上、好ま
しくは７層以上、更に好ましくは10層全部に放熱
手段を設けることが好ましい。一層おきに放熱手
段を設けることも可能である。

電源基板の各層ごとに、放熱効果に変化をつけ
てもよい。具体的には配線基板に最も近い層の放
熱効果を最大とし、そこから遠ざかるにつれて放
熱効果を弱めることができる。たとえば電気絶縁
層中に放熱用フイラーを挿入して放熱機能をもた
せる場合には、フイラーの量を変えることにより
放熱効果に差をつけることができる。

放熱手段は、給電用導体層に設けるよりは電気
絶縁層に設けた方がよい。なぜならば給電用導体
層は熱伝導性のよい銅或は銅合金等の金属で作ら
れることになるので、それ自体熱放散性を有して
いる。むしろ熱放散性が問題となるのは、電気絶
縁層の方である。したがつて、電気絶縁層に放熱
手段を設けるようにした方がよい。

電気絶縁層の材料として有機樹脂を用い、この
樹脂を給電用導体層間の接着剤として利用すると
共に、有機樹脂層中にフイラーを挿入すること
は、きわめて好ましい。このように構成すること
により、フイラーを放熱手段として利用すること
ができ、しかもこのフイラーの存在により有機樹
脂層の耐クラツク性を高めることができる。更に
バインダーとして作用する樹脂を用いるようにす
れば電気絶縁層と給電用導体層とを一体化するた
めに別途、接着剤や半田を用いなくてもすむ。

電気絶縁層の材料としては、有機材料、無機材
料或はこれらを混合したものを用することができ
る。電気絶縁層の材料は、誘導率の高いものがよ
く特に４以上のものが好ましい。

有機材料としては、エポキシ樹脂、付加型ポリ
イミド、ポリフツ化ビニリデン或はフエノールホ
ルムアルデヒドなどを用いることが好ましい。な
お、ポリフツ化ビニリデンの誘電率は７〜８、フ
エノールホルムアルデヒドの誘電率はおよそ６で
ある。

無機材料としては、高熱伝導性炭化珪素
（SiC）セラミツクス、高純度SiCセラミツクス、
SiC単結晶、アルミナ（Al₂O₃）或はベリリア
（BeO）などを用いることができる。しかし、セ
ラミツクスを用いて数百μｍ厚さの板を作ること
は難しいので、有機樹脂を用いる方がよい。

給電用導体層の材料としては、銅或は銅合金を
用いることが好ましい。銅合金としては、銅−銀
合金、銅−チタン合金などを用いることが好まし
い。

前述のフイラーの材料としては、銅、銀又はそ
れらの合金などよりなる金属フイラー、アルミナ
或はSiCなどのセラミツクスフイラーを用いるこ
とが好ましい。

電源基板内の放熱手段すなわち内部放熱手段と
して、給電用導体層或は電気絶縁層に外気に連通
する微小な孔を形成することは好ましい。孔を設
けることによつて放熱面積が増加し、熱放散性を
高めることができる。この孔の冷却媒体たとえば
水、フイオン等の液体或は空気等の気体を流すこ
とによつて強制的に冷却することによつて熱放散
性を更に高めることができる。

150mm角の大きさの純銅製の給電用導体層７層
とエポキシ樹脂製の電気絶縁層８層を交互に積層
し、電気絶縁層の中に放熱手段としてアルミナフ
イラーを挿入して500Aを供給して行なつた実験
では、電源基板の発熱温度は配線基板側の表面で
約60℃、その反対側の表面で約55℃であつた。す
なわち、放熱フインを設けただけのものにくらべ
熱放散製を約10倍高めることができた。

〔発明の実施例〕

本発明の集積回路装置の実施例について、以
下、図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す斜視図であ
る。配線基板２上にLSIチツプ等の集積回路チツ
プ１が多数搭載されており、その上を封止キヤツ
プ３で覆つている。配線基板２の集積回路チツプ
１を搭載した側に対して反対側には入出力端子ピ
ン４が設けてあり、この入出力端子ピン４と集積
回路チツプ１とは電気的に接続されている。

電源基板５は、電気絶縁層６と給電用導体層７
とを交互に積層して一体化したものにより構成さ
れている。第１図では電気絶縁層６を８層有し、
給電用導体層７を７層有する例を示している。電
源基板５には、配線基板２の入出力端子ピン４を
挿入するためのスルーホール８が形成されてい
る。

かかる集積回路装置においては、電源基板５の
給電用導体層７から配線基板２の入出力端子ピン
４を通して集積回路チツプ１への給電が行われ
る。

電源基板５は内部放熱構造を有している。好適
な放熱構造について、第２図〜第１０図を用いて
説明する。

第２図は、電気絶縁層６中に放熱手段として粉
末又は短い繊維状のフイラー１０を入れた例を示
している。この具体例としては、エポキシ樹脂な
どの有機樹脂とアルミナなどのセラミツクス粉末
とを混合して板に成型した場合が該当する。粉末
を用いる場合にその粒径は電気絶縁層の厚さ以下
とする。繊維の直径も当然電気絶縁層の厚さ以下
である。繊維の長さは任意でよい。電気絶縁層６
の厚さは100〜300μｍ程度でよく、給電用導体層
７の厚さは200〜400μｍ程度でよい。第９図は電
気絶縁層６に粉末状のフイラー１０を混入してな
る電源基板の一部分の断面図を示しいおり、第１
０図は粉末だけでなく短繊維のフイラー１０を混
入した例を示している。

第３図は、給電用導体層に微小な孔１１を形成
して放熱機能をもたせた例を示している。孔１１
はフオトエツチング技術等を利用して形成するこ
とができる。孔１１の大きさは、半径80〜120μ
ｍもあれば十分である。孔の形は特別に規制しな
い。円形でも又は半円形でもよい。直径100μｍ
前後或はそれ以下の孔を形成して放熱機能をもた
せる場合、孔と孔との間隔は１〜２mmとすること
が好ましい。第２図に示したフイラーを有する電
気絶縁層６と第３図に示した孔を有する給電用導
体層７とを交互に積層して電源基板とすること
は、きわめて好ましい。

第４図は、第３図に示した半円形の孔１１をフ
オトエツチングにより形成する方法の一例を示し
ている。銅板等によりなる導体板１２の一方の表
面に蒸着等によつて接合用合金膜１３を形成す
る。導体板１２が銅または銅合金よりなるときに
は、接合用合金膜１３の材料としては、銅−銀合
金或は銅−チタン合金を使用することが好まし
い。接合用合金膜１３の厚さは２〜3μｍ程度で
よい。

接合用合金膜１３を形成し終つたならば、次に
フオトエツチングにより溝１４を形成する。溝１
４を形成後、接合用合金膜１３の上に導体板１２
と同じか又は導電性の良好な他の導体板１５を重
ねる。この導体板１５の材料は、接合用合金膜１
３を介して導体板１２と接合できるものから選ば
れる。具体的には導体板１２と同じ材料を用いれ
ばよい。その後、真空炉中で加熱して導体板１２
を接合用合金膜１３を介して導体板１５と接合し
て一体化する。これにより溝１４の開孔部が閉鎖
され、半円形の孔１１が形成される。なお、接合
用合金膜１３は真空中での加熱により導体１２，
１５中に拡散し導体板１２と導体板１５の界面に
は最終的に殆ど存在しなくなる。

このあとで導体板１２及び導体板１５の表面に
エポキシ樹脂などの有機樹脂をコーテイングする
ことにより電気絶縁層６を形成することができ
る。

導体板１２及び導体板１５の表面に有機樹脂を
コーテイングする方法としては、たとえばエポキ
シ樹脂をアセトンに塗かして、導体板に塗布し、
その後80〜100℃で10〜20分間加熱して溶媒のア
セトンを除くことにより行うことができる。この
ようにして給電用導体層と電気絶縁層とを一体化
したならば、これを複数個積層し、加圧下で数時
間加熱する。これにより所望の積層構造を有する
電源基板を作製することができる。

第５図は、厚さ方向に貫通孔１６を有する電源
基板の正面断面図であり、第６図は同じく貫通孔
１６を有する電源基板の平面図である。この場合
電気絶縁層６及び給電用導体層７の少なくとも一
方にも放熱手段を設けることが必要である。貫通
孔１６内に電源基板の下部側すなわち配線基板が
隣接しない側から送風機により空気等の気体を送
風するか或は水等の液体を流し込むことにより、
更に電源基板の発熱を抑えることができる。この
ようにすれば貫通孔１６を設けない場合にくらべ
て電源基板の温度上昇を２〜３割抑えることが可
能である。

給電用導体層７の数は、集積規模に応じて任意
に調整することが可能である。給電用導体層の厚
さ或は電気絶縁層の厚さも任意に調整することが
できる。第３図に示した孔１１或は第５図、第６
図に示した貫通孔１６へ冷却媒体を流す手段を任
意でよく、特に限定されない。

電気絶縁層の放熱手段として用いるフイラーは
粉末或は繊維を用いることが好ましく、粉末を用
いる場合にその粒径は電気絶縁層の厚さ以下とす
る。

エポキシ樹脂100重量部に対し、BF₃モノエチ
ルアミン４重量部を混入し、更に粒径約30μｍの
アルミナ粉末を混合物全重量の30重量％を占める
ように混合した。この混合物にアセトンを加えて
有機樹脂を溶かし、銅製の給電用導体板に塗布し
た。その後約80℃で10〜20分間加熱して乾燥を行
ない溶媒のアセトンを除去した。給電用導体板の
厚さは約300μｍであり、電気絶縁板の厚さは約
200μｍである。このようにして作製した板を７
枚積層し、約５Kgｆ／cm²の加圧下で120℃の温度
に４時間加熱し、ひき続いて160℃の温度で10時
間加熱して樹脂を硬化させた。電気絶縁層と給電
用導体層との密着性は非常に良好であつた。電気
絶縁層にクラツクが生じることもなかつた。

第７図は、電源基板の一部分の正面断面図であ
り、有機樹脂よりなる電気絶縁層の内部に熱伝導
性のすぐれたたとえば銅等の金銅細線１７を挿入
して熱抵抗を低下させた例を示している。熱伝導
性金属細線１７は、給電用導体層と数箇所で点接
触しており、電気絶縁層に蓄積される熱を給電用
導体板を通して効率よく除去できるようにしてい
る。なお、電気絶縁層中の金属細線１７は、隣接
する給電用導体層の一方とのみ接触させるべきで
ある。対向する給電用導体層に金属細線を接触さ
せると短絡してしまうので避けるべきである。

第８図は、熱伝導性のすぐれた金属長繊維１８
を波形に成形して電気絶縁層中に埋め込んだ例を
示している。この構造でも第７図の場合と同様の
熱放散効果を得ることができる。金属長繊維を波
形に成型するに際しては、複数本の繊維を束ねて
成型することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば電源基板
の熱放散性を著しく高めることができ、集積回路
装置の高密度実装化を実現することができる。特
に有機樹脂と熱伝導性フイラーにより電気絶縁層
を構成することにより、コンパクトな集積回路装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の集積回路装置の一実施例を示
す斜視図、第２図および第３図は本発明による電
源基板の一例を示す正面断面図、第４図は本発明
の一実施例による給電用導体層の製造工程図、第
５図は本発明の他の実施例による電源基板の正面
断面図であり第６図は同じく平面図である。第７
図〜第１０図は本発明の他の実施例による電源基
板の正面断面図である。 １……集積回路チツプ、２……配線基板、４…
…入出力端子ピン、５……電源基板、６……電気
絶縁層、７……給電用導体層、１０……熱伝導性
フイラー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 集積回路チツプを搭載した配線基板と、該配
   線基板に接し前記チツプ内部へ電力を供給する手
   段を備えた電源基板とを有する集積回路装置にお
   いて、前記電源基板が給電用導体層と電気絶縁層
   とを交互に積層して一体化した積層構造を有し、
   且つ前記給電用導体層と前記電気絶縁層の少なく
   とも一方が放熱手段を有することを特徴とする集
   積回路装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記給電用
   導体層と前記電気絶縁層の少なくとも一方の1/2
   以上の層に放熱手段を有することを特徴とする集
   積回路装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記電源基
   板は前記配線基板に接する層が最も放熱効果が大
   きく、そこから遠ざかるにつれて放熱効果が小さ
   くなるように熱放散性を変えてあることを特徴と
   する集積回路装置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記電気絶
   縁層に放熱用の外気を連通する微小孔を有するこ
   とを特徴とする集積回路装置。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記電気絶
   縁層の全層に放熱手段を有することを特徴とする
   集積回路装置。 ６ 特許請求の範囲第１項において、前記給電用
   導体層が銅または銅合金により構成されているこ
   とを特徴とする集積回路装置。 ７ 特許請求の範囲第１項において、前記給電用
   導体層が放熱用の外気と連通する微小孔を有する
   ことを特徴とする集積回路装置。 ８ 特許請求の範囲第１項において、前記電気絶
   縁層が有機樹脂よりなることを特徴とする集積回
   路装置。 ９ 特許請求の範囲第８項において、前記電気絶
   縁層が有機樹脂バインダーよりなることを特徴と
   する集積回路装置。 １０ 集積回路チツプを塔載した配線基板と、該
   配線基板に接し前記チツプ内部へ電力を供給する
   手段を備えた電源基板とを有する集積回路装置に
   おいて、前記電源基板が給電用導体層と電気絶縁
   層とを交互に積層して一体化した積層構造を有
   し、且つ前記電気絶縁層が有機樹脂と該樹脂より
   熱伝導性の高いフイラーとの混合物からなること
   を特徴とする集積回路装置。 １１ 特許請求の範囲第１０項において、前記有
   機樹脂の誘電率が４以上よりなることを特徴とす
   る集積回路装置。 １２ 特許請求の範囲第１０項において、前記樹
   脂がエポキシ樹脂からなることを特徴とする集積
   回路装置。 １３ 特許請求の範囲第１０項において、前記フ
   イラーが電気絶縁層の厚さよりも小さい粒径を有
   する粒末からなることを特徴とする集積回路装
   置。 １４ 特許請求の範囲第１０項において、前記フ
   イラーが繊維よりなることを特徴とする集積回路
   装置。 １５ 特許請求の範囲第１０項において、前記フ
   イラーがセラミツクスよりなることを特徴とする
   集積回路装置。 １６ 特許請求の範囲第１５項において、前記セ
   ラミツクスがアルミナよりなることを特徴とする
   集積回路装置。 １７ 特許請求の範囲第１０項において、前記電
   気絶縁層の全層が有機樹脂とフイラーとの混合物
   からなることを特徴とする集積回路装置。