JPH09102562A - 高熱伝導性基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた熱伝導性を有すると共に、表面を容
易に鏡面研磨することができ、また良好な熱膨張の特性
を有し、製造コストを低減することができる高熱伝導性
基板及びその製造方法を提供する。 【解決手段】主成分が硬質炭素材料４からなり、ダイヤ
モンド粒５及び黒鉛粒６を分散させた炭素基板２の下面
（第２面）にダイヤモンド膜を気相合成させる。そし
て、炭素基板４の上面（第１面）には鏡面研磨を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高集積及び高速ＬＳＩ
等の電子部品を搭載するパッケージ基板に関し、特に放
熱効果が優れた高熱伝導性基板及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器のダウンサイジング化に
伴い、半導体装置の集積度は益々高められており、半導
体素子を実装したパッケージには高密度化及び高信頼性
が要求されている。

【０００３】例えば、アルミナ基板を使用したパッケー
ジ及び多層基板は、樹脂基板を使用した場合に比べて、
高密度化及び高信頼性の点において優れているため、従
来、最も多く使用されている。特に、アルミナ基板上に
導体配線及び誘電体層を形成し、ハイブリッド化するこ
とによって、回路が小型化されたハイブリッド集積回路
（ＨＩＣ）は、民生用の半導体パッケージとして広く使
用されている。

【０００４】また、超大型コンピュータに使用されてい
る超ＬＳＩ、多ピンＰＧＡ、マイクロ波高出力トランジ
スタ及び光機能素子等については、高集積化及び高出力
化の要求が高まっている。このため、半導体を実装する
基板の材料には、優れた表面平滑性、半導体ベアチップ
を構成するシリコン材料に近い熱膨張係数、高い熱伝導
性及び高精度の寸法精度等が要求されている。特に、高
集積回路を実装する基板の場合には、半導体の温度が上
昇すると、素子の寿命が短縮し特性が低下してしまうた
め、十分に放熱できるものであることが必要である。

【０００５】このような要求に対して、アルミナ基板よ
りも熱伝導率が高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を基板
に使用したパッケージ、又はアルミナの放熱フィンを設
けたパッケージ等が開発されている。このようなパッケ
ージの基本的な構造は、アルミナ及びＡｌＮ等のセラミ
ックス基板上にスクリーン印刷又は写真製版等により回
路導体と誘電体とを積層させた膜多層タイプと、アルミ
ナ等のグリーンシートに回路を印刷し積層させたグリー
ンシート積層タイプとがある。

【０００６】また、ＬＳＩの実装方法としては、多ピン
ＬＳＩに使用されるピングリッドアレイ（ＰＧＡ）パッ
ケージ、超高速集積回路に使用されるフラットパッケー
ジ及び低温デバイスに使用されるリードレスチップキャ
リア等がある。

【０００７】前述の窒化アルミニウムは、熱伝導性及び
加工性が優れており、高集積及び高速のＬＳＩ用パッケ
ージの基板材料として好適であるが、原料粉末のコスト
が高く、加えて製造工程が複雑であるため、ＬＳＩパッ
ケージの製造コストを低減することが困難である。な
お、還元窒化法によって製造された窒化アルミニウムの
原料粉末の価格は、従来使用されているアルミナ粉末の
価格の約１００倍である。

【０００８】また、一般に窒化アルミニウムの熱伝導率
は、結晶の格子振動に依存するため、酸素、鉄、ニッケ
ル又はシリコン等のコンタミネーション（汚染）に影響
を受ける。このため、高純度の原料粉末を使用したり、
製造中において雰囲気管理を厳密に行うことが必要であ
り、製造設備に多くの費用を要し、製造コストが増大し
てしまう。

【０００９】ところで、ダイヤモンドの熱伝導率は種々
の物質の中で最も大きく（２４００Ｗ／ｍＫ）、本来、
高熱伝導性基板には最適の材料であるといえる。しか
し、天然又は高温高圧合成によるダイヤモンドは、その
大きさがせいぜい数ミリ角と小さく、加えて高価であ
る。そこで、気相合成によって直径数インチの基板上に
ダイヤモンド膜を合成することは技術的に可能となった
ため、最近では気相合成法によりダイヤモンドの厚膜を
合成して、これを高熱伝導性基板として使用することが
試みられている。

【００１０】なお、ダイヤモンドの気相合成法として
は、マイクロ波化学気相蒸着（ＣＶＤ）法（特公昭５９
−２７７５４号、特公昭６１−３３２０号等）、高周波
プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直流プラ
ズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、燃焼法及び熱ＣＶ
Ｄ法等が知られている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、気相合
成で熱伝導性が優れた高品質のダイヤモンド膜を合成す
る場合には、ダイヤモンドの成長速度を１μｍ／時間以
下にする必要があり、０．５ｍｍ程度の厚さのダイヤモ
ンド板を合成するには５００時間もの長時間を要し、他
の材料に比べて製造コストが高くなってしまう。また、
ダイヤモンドは、その硬さが物質中最も硬いものである
ため、表面を鏡面研削する場合にも長時間を要し、ダイ
ヤモンド板の製造コストが高くなってしまう。

【００１２】また、ダイヤモンド板を鏡面研磨できる面
積も１ｃｍ角程度の大きさまでであるため、最低でも数
センチ角の面積が必要とされるＬＳＩ用の高熱伝導性基
板には、ダイヤモンドは適さない。

【００１３】加えて、ダイヤモンド等の材料は、熱膨張
率がＬＳＩ素子を構成するシリコンと大きく異なるた
め、ダイヤモンド基板にＬＳＩ素子を実装すると、温度
変化によってＬＳＩ素子が剥離したり、断線が生じたり
する。なお、ダイヤモンド、アルミナ、窒化アルミニウ
ム及びシリコンの熱膨張係数は、夫々１．２×１０^-6、
８×１０^-6、５×１０^-6及び３×１０^-6／℃である。

【００１４】これに対して、ガラス状炭素及び黒鉛／ガ
ラス状炭素複合材料に代表される硬質炭素材料は、熱膨
張係数がシリコンに近く、また研磨によって容易に鏡面
を得ることができる。具体的に、ガラス状炭素及び黒鉛
／ガラス状炭素複合材の熱膨張係数は、夫々３×１０^-6
及び３．２×１０^-6／℃である。しかし、硬質炭素材料
は、窒化アルミニウム等の高熱伝導性材料に比べると、
熱伝導性が劣っている。具体的に、ガラス状炭素、黒鉛
／ガラス状炭素複合材及び窒化アルミニウムの熱伝導率
は、夫々５、２２及び２２０Ｗ／ｍＫである。

【００１５】黒鉛結晶自体の同一面上の熱伝導率は、１
６００〜２０００Ｗ／ｍＫと極めて高いが、面に垂直な
方向の熱伝導性は低い。このため、結晶に配向性がない
ガラス状炭素では、材料の熱伝導率は１０〜２０Ｗ／ｍ
Ｋ程度に過ぎない。また、ガラス状炭素に黒鉛粉末を混
ぜて複合化した黒鉛／ガラス状炭素複合材料でも、材料
の熱伝導率は２０〜３０Ｗ／ｍＫ程度である。

【００１６】また、一般の黒鉛材料の中には、１００Ｗ
／ｍＫ程度の比較的高い熱伝導率を有するものもある
が、これらはいずれも柔らかく、また発塵するため、Ｌ
ＳＩ用パッケージ等の用途に使用することができない。

【００１７】従って、従来材料には、熱伝導性、表面の
鏡面性及び熱膨張性の特性並びに製造コストに関して全
てを満足するものがなく、特にＬＳＩ、マイクロ波集積
回路及びレーザ素子集積回路等の高集積化による発熱に
よる影響の回避が、半導体産業において大きな課題であ
った。

【００１８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、優れた熱伝導性を有すると共に、表面を容
易に鏡面研磨することができ、また良好な熱膨張の特性
を有し、製造コストを低減することができる高熱伝導性
基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高熱伝導性
基板は、主成分が硬質炭素からなり鏡面研磨された第１
面及びこの第１面の反対側の第２面を有する第１層と、
ダイヤモンドからなり前記第２面の一部又は全部に被着
された第２層とを有することを特徴とする。また、前記
第２層は気相合成により形成されていることが好まし
く、また前記第１層にはダイヤモンド粉末及び／又は黒
鉛粉末が分散されていることが好ましい。

【００２０】本発明に係る高熱伝導性基板の製造方法
は、ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末が混合された
熱硬化性樹脂粉末に加圧加熱成形を施して得られた成形
体を、不活性ガス雰囲気中で焼成することにより第１面
及び第２面を有する第１層を作製する工程と、その後少
なくとも前記第１層の第１面を鏡面研磨する工程と、前
記第１層の第２面にダイヤモンドからなる第２層を気相
合成する工程と、その後再度前記第１層の第１面を鏡面
研磨する工程とを有することを特徴とする。

【００２１】本発明に係る他の高熱伝導性基板の製造方
法は、熱硬化性樹脂粉末、又はダイヤモンド粉末及び／
又は黒鉛粉末が混合された熱硬化性樹脂粉末を、ダイヤ
モンド粉末が敷かれた型枠内に充填した後、加圧加熱成
形を施して得られた成形体を、不活性ガス雰囲気中で焼
成することにより第１面及び第２面を有する第１層を作
製する工程と、この第１層の第２面にダイヤモンドから
なる第２層を気相合成する工程と、前記第１層の第１面
を鏡面研磨する工程とを有することを特徴とする。

【００２２】本発明に係る他の高熱伝導性基板の製造方
法は、ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末が混合され
た熱硬化性樹脂に加圧加熱成形を施して得られた第１成
形体を、ダイヤモンド粉末が敷かれた型枠内に装填した
後、不活性ガス雰囲気中で加圧加熱成形してダイヤモン
ド粉末が埋め込まれた第２成形体を得、得られた第２成
形体を不活性ガス雰囲気中で焼成することにより第１面
及び第２面を有する第１層を作製する工程と、この第１
層の第２面にダイヤモンドからなる第２層を気相合成す
る工程と、前記第１層の第１面を鏡面研磨する工程とを
有することを特徴とする。

【００２３】本発明に係る他の高熱伝導性基板の製造方
法は、ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末が混合され
た熱硬化性樹脂粉末に加圧加熱成形を施して得られた成
形体を、不活性ガス雰囲気中で焼成した後、この成形体
の両面を鏡面研磨することにより第１面及び第２面を有
する第１層を作製する工程と、その後前記第１層の第２
面に自立性のダイヤモンドからなる第２層を接着して加
熱処理する工程とを有することを特徴とする。

【００２４】

【作用】本願発明者等は優れた熱伝導性を有すると共
に、表面を容易に鏡面研磨することができ、また良好な
熱膨張の特性を有し、製造コストを低減することができ
る高熱伝導性基板を開発すべく、種々の実験研究を行っ
た。その結果、主成分が硬質炭素からなり鏡面研磨され
た第１面及びこの第１面の反対側の第２面を有する第１
層において、その第２面に熱伝導率が黒鉛／ガラス状炭
素複合材料に比べて２４００Ｗ／ｍＫと極めて大きなダ
イヤモンドからなる第２層を被着させることにより、本
発明の目的を達成し得ることを見い出した。

【００２５】ところで、従来、通常の炭素材料を基板と
して使用し、この基板上にダイヤモンドを気相合成して
も、基板上にダイヤモンド粒子が分散して成長するだけ
であって、連続的なダイヤモンド膜は形成できないとさ
れてきた。加えて、ダイヤモンドの気相合成の過程にお
いて発生する水素プラズマによって、炭素材料がエッチ
ングされ、炭素材料の基板上での連続的なダイヤモンド
膜の形成は困難であるとされていた。

【００２６】しかし、本願発明者等は、通常の炭素材料
がポーラス状であるため、表面積が大きく、水素プラズ
マのエッチングを受けやすいことが、連続的なダイヤモ
ンド膜の形成を困難にしている原因であることを知見
し、密度が高く、表面の鏡面研磨によって表面積を縮小
できる硬質炭素の基板上であれば、連続したダイヤモン
ド膜を形成できることを見い出した。

【００２７】この硬質炭素の材料には、種々のものがあ
り、例えばガラス状炭素、ビトリアスカーボン、グラッ
シーカーボン、高密度アモルファスカーボン又はフルオ
ロカーボン等を使用することができる。これらの硬質炭
素材料は、フェノールホルムアルデヒド樹脂、フルフリ
ルアルコール、ポリアミド、ポリイミド、ビスマレイミ
ドトリアジン又はメラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を炭化
焼成することにより得ることができる。具体的には、熱
硬化性樹脂原料粉末を型枠内に充填し、加圧加熱するこ
とによって、重合反応と炭化反応とを進行させる。

【００２８】また、高密度アモルファスカーボンは、炭
化焼成後のガラス状炭素を２５００℃の温度、２０００
気圧の圧力で、熱間静水圧加圧処理することによって得
ることができる。

【００２９】硬質炭素材料のうち、特に代表的なガラス
状炭素は、高硬度であり、欠陥がなく耐熱性及び耐薬品
性が優れており、また表面研磨すると、シリコンウェハ
と同程度の極めて良好な鏡面を得ることができる。従っ
て、硬質炭素を主成分とする第１層において、その１面
に鏡面研磨を施すことによって、その面は電子部品を実
装するのに好適な面となる。

【００３０】このように、本発明の硬質炭素及びダイヤ
モンドの積層体からなる基板は、従来の基板に比して熱
膨張率が極めて高い。

【００３１】次に、第１層の第２面に被着される第２層
及びその被着方法について説明する。

【００３２】第２層の厚さ：５μｍ以上 硬質炭素からなる第１層における第２面の一部又は全部
に、ダイヤモンドからなる第２層を被着して構成される
高熱伝導性基板において、第２層の厚さは、この基板の
熱伝導性に大きな影響を与える。即ち、第２層の厚さが
５μｍより薄いと、前記高熱伝導性基板の熱伝導性を十
分に向上させることができない。従って、前記第１層の
第２面に被着させる第２層の厚さは５μｍ以上とする。

【００３３】このように、第２層の厚さは、少なくとも
５μｍ以上であればよいため、ダイヤモンドからなる第
２層の形成コストを抑制することができる。なお、第２
層の表面にはＬＳＩ等を実装しないため、基板の製造コ
スト上昇の原因となる研磨作業は不要となる。

【００３４】また、第２層にボロン（Ｂ）をドーピング
すると、ダイヤモンド結晶の欠陥密度を低減することが
でき、前記高熱伝導性基板の熱伝導率をより一層向上さ
せることができる。

【００３５】上述したように、通常の炭素材料では、そ
の表面にダイヤモンド膜を気相合成することはできない
が、硬質炭素からなる第１層の表面に、ダイヤモンド粉
末又はダイヤモンドペーストを使用して、その第２面に
機械研磨又は超音波処理によってキズ付け処理を施し、
その面に気相合成によって連続的なダイヤモンド膜を良
好な密着性で被着することができる。

【００３６】また、機械研磨又は超音波処理によるキズ
付け処理の代わりに、ダイヤモンド粉末を前記第１層の
第２面に予め塗布しておき、その面にダイヤモンド膜を
被着することもできる。

【００３７】更に、本願発明者等は予めダイヤモンド粉
末及び／又は黒鉛粉末を第１層の第２面に埋め込んで焼
成し、その面に前記ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉
末を核として気相合成させることによって連続的なダイ
ヤモンド膜の第２層を被着できることを見い出した。こ
の場合、前記第１層と前記第２層との密着性は前述した
方法によって被着をする場合に比べて優れている。ま
た、第２層が短時間で連続的な膜となり、第１層の表面
を覆うため、気相合成時の水素プラズマによって第１層
がエッチングされることを防止することができる。

【００３８】更にまた、第１層の第２面に直接ダイヤモ
ンド膜を気相合成するのではなく、予め気相合成によっ
て自立性のダイヤモンド膜を作製しておき、これをカー
ボンペースト又は有機接着剤等によって第１層に接着し
てもよい。

【００３９】なお、このようにしてダイヤモンド膜が形
成された高熱伝導性基板の使用時に発生する発熱によっ
て、前記基板の温度が上昇した場合には、ダイヤモンド
膜を空気又は冷媒で強制的に冷却することによって前記
基板の温度を容易に低下させることができる。これは、
気相合成によって形成されたダイヤモンド膜の表面はダ
イヤモンド結晶面がランダムに配向し、約１μｍの凹凸
があるため、表面積が大きく、強制冷却の効果が極めて
大きいからである。

【００４０】次に、第１層にダイヤモンド粉末を分散す
る場合について説明する。

【００４１】本願発明者等は、ダイヤモンド粉末を分散
させた第１層の第２面に第２層のダイヤモンド膜を気相
合成させると、前記第１層と前記第２層との密着性を、
より一層向上させることができることを見い出した。こ
れは、前記第１層の第２面に露出したダイヤモンド粉末
を核にして、ダイヤモンド膜を成長させて第２層を形成
することができるからである。

【００４２】第１層の第２面側の表層部におけるダイヤ
モンド粉末の分散量：５０体積％ また、第１層の第２面側の表層部において、ダイヤモン
ド粉末が５０体積％以上分散されていると、ダイヤモン
ドからなる第２層はこのダイヤモンド粉末を核として速
やかに連続膜となるため、気相合成時の水素プラズマに
よって前記第１層がエッチングされることを防止するこ
とができる。従って、第１層における第２面側の表層部
におけるダイヤモンド粉末は５０体積％以上であること
が好ましい。なお、このときのダイヤモンド粉末の平均
粒径は０．１〜１０μｍであることが好ましい。

【００４３】更に、本願発明者等はダイヤモンド粉末及
び黒鉛粉末の分散量と前記第１層の熱伝導率との関係に
ついて試験したところ、以下のような結果を得ることが
できた。図２は縦軸に熱伝導率をとり、横軸に熱硬化樹
脂におけるダイヤモンド又は黒鉛の混合比、即ち第１層
におけるダイヤモンド又は黒鉛の分散量の割合をとっ
て、第１層の熱伝導率とダイヤモンド等の混合比との関
係を示すグラフ図である。この図２に示すように、第１
層におけるダイヤモンド粉末等の分散量を調整すること
によって、第１層の熱伝導率を制御することができ、分
散量を増加させることにより、熱伝導率をより一層向上
させることができる。

【００４４】更にまた、このときダイヤモンド粉末等の
分散濃度を、第２層を被着させる第２面ほど高くする
と、第１層と第２層との熱膨張率の差による界面のスト
レスを低減することができる。

【００４５】本願発明者等は、ダイヤモンド粉末及び黒
鉛粉末の平均粒径と熱伝導率との関係についても試験し
たところ、以下のような結果を得ることができた。

【００４６】ダイヤモンド粉末の平均粒径：０．１乃至
５０μｍ 図３は、縦軸に熱伝導率をとり、横軸にダイヤモンド粉
末の平均粒径をとって、第１層におけるダイヤモンド粉
末の混合比が３０重量％である場合の第１層の熱伝導率
とダイヤモンド粉末の平均粒径との関係を示すグラフ図
である。この図３に示すように、第１層に分散されたダ
イヤモンド粉末の平均粒径が大きいほど、第１層の熱伝
導率を向上させることができる。平均粒径が０．１μｍ
未満では第１層の熱伝導率が小さく、また平均粒径が大
きいほど製造コストが高くなってしまうため、その上限
値は５０μｍとすることが好ましい。

【００４７】黒鉛粉末の平均粒径：０．５乃至５０μｍ 第１層に黒鉛粉末を分散する場合も、前述のダイヤモン
ド粉末を分散させる場合と同様に、平均粒径が大きいほ
ど第１層の熱伝導率を向上させることができ、その平均
粒径は０．５乃至５０μｍであることが好ましく、この
範囲内であれば、より一層分散性を向上させることがで
きる。

【００４８】なお、第１層にダイヤモンド粉末等を分散
させずに、第１層の第２面にダイヤモンド粉末を塗布す
ることにより、ダイヤモンド膜を成長させて第２層を形
成することもできる。具体的には、ダイヤモンド粉末を
有機溶媒、低粘性樹脂又は感光樹脂に分散させて、この
有機溶媒等を前記第１層の第２面に塗布する。そして、
ダイヤモンドを前記第１層の第２面に気相合成すると、
塗布されたダイヤモンド粉末を核としてダイヤモンドが
成長し、連続的なダイヤモンド膜である第２層を形成す
ることができる。また、このときのダイヤモンド粉末の
平均粒径は０．１乃至５μｍであることが好ましい。こ
れは、ダイヤモンド粉末が０．１μｍ未満では熱伝導率
を十分に向上させることができず、また５μｍを超える
と、ダイヤモンド粉末が前記第１層の第２面に付着しに
くくなり、更に気相合成したダイヤモンドと第１層の密
着性も失われてしまうからである。

【００４９】このように、第１層の第２面にダイヤモン
ド粉末等を塗布して、この面上にダイヤモンドからなる
第２層を気相合成する場合には、使用するダイヤモンド
粉末等の量が少なくてもよいため、基板の製造コストを
低減することができる。

【００５０】次に、本発明に係る高熱伝導性基板の製造
方法について、製造方法Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの４種の製造
方法を説明する。

【００５１】製造方法Ａでは、先ず、ダイヤモンド粉末
及び／又は黒鉛粉末が混合された熱硬化性樹脂粉末に加
圧加熱成形を施して成形体を得る。この成形体を不活性
ガス雰囲気中で焼成することによって、第１層を作製す
る。そして、少なくともこの第１層の第１面に鏡面研磨
を施しておく。次に、前記第１層の第２面にダイヤモン
ド膜を気相合成させる。そして、再度前記第１面に鏡面
研磨を施す。

【００５２】製造方法Ｂでは、先ず、熱硬化性樹脂粉
末、又はダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末が混合さ
れた熱硬化性樹脂粉末を、ダイヤモンド粉末が敷かれた
型枠内に充填する。その後、この充填粉末に加圧加熱成
形を施して得られた成形体を、不活性ガス雰囲気中で焼
成することによって、第１層を作製する。次に、この第
１層の第２面にダイヤモンドからなる第２層を気相合成
させる。そして、前記第１層の第１面に鏡面研磨を施
す。

【００５３】製造方法Ｃでは、先ず、ダイヤモンド粉末
及び／又は黒鉛粉末が混合された熱硬化性樹脂に加圧加
熱成形を施して得られた第１成形体を、ダイヤモンド粉
末が敷かれた型枠内に装填する。その後、不活性ガス雰
囲気中で加圧加熱成形してダイヤモンド粉末が埋め込ま
れた第２成形体を得る。この第２成形体を不活性ガス雰
囲気中で焼成することにより第１層を作製する。次に、
この第１層の第２面にダイヤモンドからなる第２層を気
相合成させる。そして、前記第１層の第１面に鏡面研磨
を施す。

【００５４】製造方法Ｄでは、先ず、ダイヤモンド粉末
及び／又は黒鉛粉末が混合された熱硬化性樹脂粉末に加
圧加熱成形を施して成形体を得る。この成形体を不活性
ガス雰囲気中で焼成した後、この成形体の両面に鏡面研
磨を施して第１層を作製する。次に、この第１層の第２
面に自立性のダイヤモンドからなる第２層を接着して加
熱処理を施す。

【００５５】以上のようにして、本発明に係る高熱伝導
性基板を製造することができるが、上述の製造方法Ａ〜
Ｄの方法によって第１層を作製した後、次のようにして
第２層を形成してもよい。即ち、第１面に鏡面研磨が施
された前記第１層の第２面に、ダイヤモンド粉末が分散
された有機溶媒、低粘性樹脂又は感光樹脂を塗布する。
次いで、前記ダイヤモンド粉末を核としてダイヤモンド
からなる第２層を気相合成させる。そして、前記第１層
の第１面に再度鏡面を施して、高熱伝導性基板を製造す
る。

【００５６】また、第２層を気相合成する場合におい
て、ダイヤモンド結晶の欠陥密度を低減させるために、
ボロン（Ｂ）をドーピングして気相合成することが好ま
しい。

【００５７】次に、本発明に係る高熱伝導性基板の製造
方法における熱処理の温度について説明する。

【００５８】加圧加熱成形処理、焼成処理及び加熱処理
の処理温度：６００乃至１５００℃ 本発明に係る高熱伝導性基板を製造する場合に、種々の
熱処理を行う。例えば、ダイヤモンド粉末等が分散され
た熱硬化性樹脂粉末に施す加圧加熱成形処理、この処理
によって得られた成形体に施す焼成処理、それに焼成処
理によって得られた第１層に第２層として自立性のダイ
ヤモンド膜を接着させる加熱処理である。

【００５９】これらの熱処理はいずれも６００乃至１５
００℃の温度で行うことが好ましい。これは、処理温度
が６００℃未満では炭化が進まず、また１５００℃を超
えるとダイヤモンドの炭素化が急速に進み過ぎてしまう
からである。なお、より好ましくは８００乃至１２００
℃である。

【００６０】なお、ダイヤモンド膜は水素雰囲気中で気
相合成されるため、気相合成後、熱処理等によって炭素
基板に吸収された水素の除去を要する場合もあり、その
場合も上記範囲の処理温度で熱処理することが好まし
い。

【００６１】以上の種々の製造方法によって、優れた熱
伝導性を有すると共に、表面を容易に鏡面研磨すること
ができ、良好な熱膨張の特性を有する高熱伝導性基板を
得ることができる。

【００６２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、具体的に説
明する。先ず、本発明の実施例の説明に先立ち、第２層
としてのダイヤモンド膜の有無の影響を比較するため
に、第１層としての炭素基板にダイヤモンド膜を被着さ
せないで作製した基板について説明する。

【００６３】第１比較例 先ず、本比較例では、フェノールフォルムアルデヒド樹
脂粉末６５重量％、平均粒径５μｍの黒鉛粉末２５重量
％を均一に混合し、この混合粉を水に分散させて、適量
の界面活性剤を添加した後、スプレー・ドライヤによっ
て平均粒径３０μｍの造粒粉を作製した。

【００６４】次に、この造粒粉を金型に装填し、温度：
１６０〜１８０℃、圧力：１００ｋｇｆ／ｃｍ²で、ホ
ットプレス成形して、縦横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの成
形体を作製した。

【００６５】そして、この成形体を高純度の黒鉛板に挟
み、窒素気流中において１１５０℃の温度で焼成して基
板を製造した。このときの焼成パターンは、２００℃の
温度で５時間保持した後、４５０℃まで５℃／時間、８
５０℃まで１０℃／時間、１１５０℃まで２０℃／時間
の速度で昇温し、最後に１１５０℃の温度で５時間保持
した。

【００６６】その後、基板の上面を粒径＃１０００のＳ
ｉＣ砥粒でラッピングした後、粒径＃８０００のアルミ
ナ砥粒で研磨した。研磨後の表面粗さは、平均粗度Ｒ
ａ：２０Å、最大粗度Ｒ_max：１５０Åであった。

【００６７】以上のようにして炭素基板を作製し、この
炭素基板の熱膨張係数及び熱伝導率を測定した結果、夫
々３．２×１０^-6／℃及び２０Ｗ／ｍＫであった。

【００６８】第２比較例 先ず、本比較例では、フェノールフォルムアルデヒド樹
脂粉末５５重量％、平均粒径５μｍの黒鉛粉末２５重量
％及びダイヤモンド粉末２０重量％を均一に混合して、
この混合粉を水に分散させ、この溶液に適量の界面活性
剤を添加した。その後、スプレードライヤーによって平
均粒径３０μｍの造粒粉を作製した。

【００６９】その後、上述の第１比較例と同様にして、
硬質炭素基板を作製した。このときの研磨後の表面粗さ
は、平均粗度Ｒａ：１０Å、最大粗度Ｒ_max：１２０Å
であった。

【００７０】この第２比較例の炭素基板の熱膨張係数及
び熱伝導率は、ダイヤモンドを分散したものであるの
で、夫々２．７×１０^-6／℃及び４２Ｗ／ｍＫと第１比
較例より熱伝導率が高かった。

【００７１】次に、主成分が硬質炭素からなる炭素基板
にダイヤモンド膜を被着させた本発明に係る高熱伝導性
基板の実施例について説明する。

【００７２】第１実施例 先ず、本実施例では、フェノールフォルムアルデヒド樹
脂粉末７５重量％、平均粒径５μｍの黒鉛粉末２５重量
％を均一に混合し、これを金型に装填して、温度：１４
０℃、圧力：１００ｋｇｆ／ｃｍ²で加熱成形した。次
いで、金型の内面にダイヤモンド粉末を均一に分散さ
せ、このダイヤモンド粉末上に前記加熱成形によって得
られた成形体を置いて、再度、温度：１６０℃、圧力：
１５０ｋｇｆ／ｃｍ²で加熱成形した。

【００７３】この再度の加熱成形によって得られた成形
体には、その片面の厚さ方向に約０．５ｍｍの厚さのダ
イヤモンド粉末分散層が形成された。なお、この成形体
を電子顕微鏡で観察した結果、成形体の表面においてダ
イヤモンドが占める面積は約６５％であった。

【００７４】そして、この成形体を高純度の黒鉛板に挟
み、窒素気流中において１１５０℃の温度で焼成した。
このときの焼成パターンは、上述の第１比較例における
焼成パターンと同様である。

【００７５】次に、成形体のダイヤモンド粉末が固定さ
れた面をバフ研磨し、清浄なダイヤモンド面を露出させ
て、この面にマイクロ波ＣＶＤ装置によってダイヤモン
ド膜を合成した。なお、原料ガスとしては、メタン：１
〜５％を水素希釈したもの（全流量：１００ｓｃｃｍ）
を使用し、基板温度：８００〜８５０℃、反応室のガス
圧：３０〜６０Ｔｏｒｒで一定に保持して、２０時間気
相合成した。その結果、厚さが２０μｍのダイヤモンド
膜が成長した。そして、最後に、炭素基板の上面に上述
の第１比較例と同様の方法で鏡面研磨を施した。

【００７６】以上のようにして作製した高熱伝導性基板
を図１に示す。この図１に示すように、高熱伝導性基板
１は、主成分が硬質炭素材料４からなり、これにダイヤ
モンド粒５及び黒鉛粒６が分散した炭素基板２の下面
（第２面）にダイヤモンド膜３を気相合成したものであ
る。特に、炭素基板２の下面（第２面）にはダイヤモン
ド粒を多く含む層が形成されているため、炭素基板２の
下面（第２面）にはダイヤモンド膜３を良好に被着させ
ることができた。また、高熱伝導性基板１の上面（第１
面）は鏡面研磨を施し、このときの研磨後の表面粗さ
は、平均粗度Ｒａ：１０Å、最大粗度Ｒ_max：１２０Å
であった。

【００７７】以上のようにして高熱伝導性基板１を作製
し、この基板の熱膨張係数及び熱伝導率を測定した結
果、夫々２．８×１０^-6／℃及び４８Ｗ／ｍＫであっ
た。

【００７８】以上の製造条件のうち気相合成における時
間等を変えてダイヤモンド膜の厚さが異なる各種の高熱
伝導性基板を作製した。そのときのダイヤモンド膜の厚
さと基板の熱伝導率との関係を図４のグラフ図で示す。
なお、このときの炭素基板の厚さはいずれも１．５ｍｍ
である。

【００７９】この図４に示すように、ダイヤモンド膜の
厚さが厚いほど熱伝導率が高くなることがわかる。

【００８０】第２実施例 本実施例では、上述の第１比較例と同様の方法によって
硬質炭素からなる炭素基板を作製した。この炭素基板の
下面に厚さが３０μｍのダイヤモンド膜を形成し、最後
に前記炭素基板の上面（第１面）に鏡面研磨を施して、
高熱伝導性基板を作製した。

【００８１】この高熱伝導性基板の熱伝導率を測定した
ところ、上述の第１実施例と略同様の値であった。

【００８２】なお、炭素基板上にダイヤモンド膜を形成
するための表面処理として、ダイヤモンド・ペースト
によるバフ研磨、ダイヤモンド粉末による超音波キズ
付け処理、平均粒径０．２μｍのダイヤモンド粉末を
分散させた感光樹脂の塗布、を行ったが、いずれの表面
処理を施した場合も熱伝導率には相違がなかった。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アモルファス材料に類似した微結晶構造を有する硬質炭
素からなる第１層の第２面に、ダイヤモンドからなる第
２層を被着させて基板を構成するので、基板の熱伝導性
を著しく向上させることができる。また、第１層の第１
面は容易に鏡面研磨することができるため、電子部品を
実装するのに好適の極めて優れた表面精度を得ることが
できる。加えて、硬質炭素材料は熱膨張係数がシリコン
ウェハの値に略等しいため、前記基板に実装される電子
部品において、両者が熱膨張する際であっても断線等が
発生することがなく、極めて微細な回路を形成すること
ができる。

【００８４】更に、本発明に係る高熱伝導性基板を使用
することにより、極めて放熱特性が優れ、小型化した高
密度の高集積回路のパッケージを安価に製造することが
できる。更にまた、硬質炭素材料の比重は１．５〜１．
８と小さいため、パッケージの軽量化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る高熱伝導性基板を示す模
式的断面図である。

【図２】縦軸に熱伝導率をとり、横軸に熱硬化樹脂にお
けるダイヤモンド又は黒鉛の混合比をとって、炭素基板
の熱伝導率とダイヤモンド等の混合比との関係を示すグ
ラフ図である。

【図３】縦軸に熱伝導率をとり、横軸にダイヤモンド粉
末の平均粒径をとって、炭素基板におけるダイヤモンド
粉末の混合比が３０重量％である場合の炭素基板の熱伝
導率とダイヤモンド粉末の平均粒径との関係を示すグラ
フ図である。

【図４】縦軸に熱伝導率をとり、横軸にダイヤモンド膜
の厚さをとって、炭素基板の厚さが１．５ｍｍである場
合の高熱伝導性基板の熱伝導率とダイヤモンド膜の厚さ
との関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；高熱伝導性基板 ２；炭素基板 ３；ダイヤモンド膜 ４；硬質炭素材料 ５；ダイヤモンド粒 ６；黒鉛粒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小橋 宏司 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 河合 明博 兵庫県神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株式会社神戸製鋼所神戸本社内

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主成分が硬質炭素からなり鏡面研磨され
   た第１面及びこの第１面の反対側の第２面を有する第１
   層と、ダイヤモンドからなり前記第２面の一部又は全部
   に被着された第２層とを有することを特徴とする高熱伝
   導性基板。
2. 【請求項２】 前記第２層は気相合成により形成されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導性基
   板。
3. 【請求項３】 前記第１層には、ダイヤモンド粉末及び
   ／又は黒鉛粉末が分散されていることを特徴とする請求
   項１又は２に記載の高熱伝導性基板。
4. 【請求項４】 前記ダイヤモンド粉末は、前記第１層の
   第１面側よりも第２面側で濃度が高くなることを特徴と
   する請求項３に記載の高熱伝導性基板。
5. 【請求項５】 前記ダイヤモンド粉末の平均粒径は０．
   １乃至５０μｍであり、前記黒鉛粉末の平均粒径は０．
   ５乃至５０μｍであることを特徴とする請求項３又は４
   に記載の高熱伝導性基板。
6. 【請求項６】 前記第２層は、前記ダイヤモンド粉末を
   核として気相成長したダイヤモンド膜であることを特徴
   とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の高熱伝導
   性基板。
7. 【請求項７】 前記第１層の第２面は、ダイヤモンド粉
   末又はダイヤモンドペーストを使用して機械研磨及び超
   音波処理によるキズ付け処理が施されていることを特徴
   とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高熱伝導
   性基板。
8. 【請求項８】 前記第２層は、前記第１層の第２面にダ
   イヤモンド粉末を塗布し、これを核として気相成長させ
   たものであることを特徴とする請求項１に記載の高熱伝
   導性基板。
9. 【請求項９】 前記ダイヤモンド粉末の平均粒径が０．
   １乃至５μｍであることを特徴とする請求項８に記載の
   高熱伝導性基板。
10. 【請求項１０】 前記第１層における第２面側の表層部
    には、前記ダイヤモンド粉末が５０体積％以上分散され
    ていることを特徴とする請求項９に記載の高熱伝導性基
    板。
11. 【請求項１１】 前記第２層の厚さは、少なくとも５μ
    ｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいず
    れか１項に記載の高熱伝導性基板。
12. 【請求項１２】 前記第２層は、別途気相合成によって
    形成された自立性のダイヤモンド膜であることを特徴と
    する請求項１に記載の高熱伝導性基板。
13. 【請求項１３】 前記第２層は、強制冷却が可能である
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記
    載の高熱伝導性基板。
14. 【請求項１４】 前記第２層には、ボロンがドーピング
    されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれ
    か１項に記載の高熱伝導性基板。
15. 【請求項１５】 ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末
    が混合された熱硬化性樹脂粉末に加圧加熱成形を施して
    得られた成形体を、不活性ガス雰囲気中で焼成すること
    により第１面及び第２面を有する第１層を作製する工程
    と、その後少なくとも前記第１層の第１面を鏡面研磨す
    る工程と、前記第１層の第２面にダイヤモンドからなる
    第２層を気相合成する工程と、その後再度前記第１層の
    第１面を鏡面研磨する工程とを有することを特徴とする
    高熱伝導性基板の製造方法。
16. 【請求項１６】 熱硬化性樹脂粉末、又はダイヤモンド
    粉末及び／又は黒鉛粉末が混合された熱硬化性樹脂粉末
    を、ダイヤモンド粉末が敷かれた型枠内に充填した後、
    加圧加熱成形を施して得られた成形体を、不活性ガス雰
    囲気中で焼成することにより第１面及び第２面を有する
    第１層を作製する工程と、この第１層の第２面にダイヤ
    モンドからなる第２層を気相合成する工程と、前記第１
    層の第１面を鏡面研磨する工程とを有することを特徴と
    する高熱伝導性基板の製造方法。
17. 【請求項１７】 ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末
    が混合された熱硬化性樹脂に加圧加熱成形を施して得ら
    れた第１成形体を、ダイヤモンド粉末が敷かれた型枠内
    に装填した後、不活性ガス雰囲気中で加圧加熱成形して
    ダイヤモンド粉末が埋め込まれた第２成形体を得、得ら
    れた第２成形体を不活性ガス雰囲気中で焼成することに
    より第１面及び第２面を有する第１層を作製する工程
    と、この第１層の第２面にダイヤモンドからなる第２層
    を気相合成する工程と、前記第１層の第１面を鏡面研磨
    する工程とを有することを特徴とする高熱伝導性基板の
    製造方法。
18. 【請求項１８】 ダイヤモンド粉末及び／又は黒鉛粉末
    が混合された熱硬化性樹脂粉末に加圧加熱成形を施して
    得られた成形体を、不活性ガス雰囲気中で焼成した後、
    この成形体の両面を鏡面研磨することにより第１面及び
    第２面を有する第１層を作製する工程と、その後前記第
    １層の第２面に自立性のダイヤモンドからなる第２層を
    接着して加熱処理する工程とを有することを特徴とする
    高熱伝導性基板の製造方法。
19. 【請求項１９】 前記加圧加熱成形処理、前記焼成処理
    及び前記加熱処理の処理温度はいずれも６００乃至１５
    ００℃であることを特徴とする請求項１５乃至１８のい
    ずれか１項に記載の高熱伝導性基板の製造方法。
20. 【請求項２０】 前記工程により得られた第１層の第１
    面を鏡面研磨する工程と、ダイヤモンド粉末が分散され
    た有機溶媒、低粘性樹脂又は感光樹脂を前記第１層の第
    ２面に塗布する工程と、前記ダイヤモンド粉末を核とし
    てダイヤモンドからなる第２層を成長させる工程と、前
    記第１層の第１面を再度鏡面研磨する工程とを有するこ
    とを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記
    載の高熱伝導性基板の製造方法。
21. 【請求項２１】 前記第２層には、ボロンがドーピング
    されていることを特徴とする請求項１５乃至２０のいず
    れか１項に記載の高熱伝導性基板の製造方法。