KR100275247B1 - 기판, 반도체장치, 소자실장장치 및 기판의 제조방법 - Google Patents

기판, 반도체장치, 소자실장장치 및 기판의 제조방법 Download PDF

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KR100275247B1
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가츠코 하라노
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오카야마 노리오
스미토모 덴키고교 가부시키가이샤
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Abstract

적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료층과 이 고열전도율 재료층 안에 또는 위에 냉각매체용 유로를 갖춘 기판은 높은 방열특성을 갖는다.

Description

기판, 반도체장치, 소자실장장치 및 기판의 제조방법
제1도는 본 발명에 따른 그루브(groove)가 형성된 고열전도율 재료층을 도시한 평면도,
제2도는 본 발명에 따른 기판을 도시한 정면도,
제3도는 본 발명에 따른 그루브가 형성된 고열전도율 재료층을 도시한 평면도,
제4도는 본 발명으로부터 제외된 비교예1의 그루브가 형성된 AlN층으로 이루어진 방열기판을 도시한 평면도,
제5도는 본 발명으로부터 제외된 비교예1의 그루브가 형성된 AlN층을 도시한 전면도,
제6도는 본 발명으로부터 제외된 비교예2의 종래의 방열기판을 도시한 전면도,
제7도는 본 발명에 따른 고열전도율 재료층에 형성된 그루브의 단면도,
제8도는 다이아몬드와 비다이아몬드 탄소의 라만 스펙트로스코피에 의한 분광파형도,
제9도는 고열전도율 재료가 유로 주변을 둘러싼 본 발명에 따른 기판을 도시한 평면도,
제10도는 제9도에 도시된 기판을 도시하는 정면도,
제11도는 고열전도율 재료가 유로 주변을 둘러싼 본 발명에 따른 기판의 부가적인 실시예를 나타낸 평면도,
제12도는 본 발명에 따른 기판에 형성된 유로의 단면도,
제13도는 본 발명에 따른 반도체장치의 투시도,
제14도는 제13도에 도시한 반도체장치의 일부분을 나타낸 단면도,
제15도는 고열전도율 재료가 유로 주면을 둘러싼 본 발명에 따른 기판의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
[산업상의 이용분야]
본 발명은 기판에 관한 것으로, 특히 방열기판과, 기판으로 이루어진 반도체장치 및 소자실장장치 및, 기판의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 기판은 반도체소자, 예컨대 초고속 MPU와 대출력 반도체레이저 등과 같은 큰 발열밀도를 갖는 소자를 실장하고 냉각하기에 적당하다. 소자는 정밀한 온도제어가 요구되고, 고밀도로 실장된다.
[종래기술 및 문제점]
해저케이블 등에 사용되는 반도체레이저는, 장거리전송을 실현하기 위해 대출력화가 진행되고 있고, 그에 따라 소자의 발열량도 급증하고 있다. 정보처리시스템 등의 소형화와 처리속도의 고속화에 따라, 이들 기기에 내장되는반도체소자의 단위면적당 처리능력의 향상이 급진전되고 있다. 이것은 반도체소자의 단위면적당 발생하는 발열량의 증대를 초래하고, 실장하는 기판을 설계함에 있어 그 방열성을 유지하는 것에 대한 중요성이 주목되고 있다. 상기 소자는, 예컨대 발생된 파장의 시프트 때문에, 소자온도의 변화와 동작온도의 정확한 제어를 필요로 한다.
현재 패기지에 주로 이용되고 있는 알루미나 등의 재료에서는 상기와 같은고성능소자를 실장할 때 그 방열성이 문제로 된다. 즉, 현재의 패기지에서는그 고유의 열저항이 크고, 소자 자체의 발열을 충분히 방산시킬 수 없어서 소자온도가 상승하고, 그 결과 소자가 오동작 혹은 폭주를 일으기는 등의 문제가생긴다. 상기 문제를 해결하기 위해서는 고열전도율의 재료를 이용하는 것이효과적이다. 현존하는 물질중에서 최고의 열전도율을 갖는 다이아몬드는 반도체레이저 다이오드 등에 사용된다.
방열기판에 의해 전송되는 열은 최종적으로는 외계의 공기나 냉각수에 전달함으로써 배출되어야 한다. 실장된 반도체소자에 의해 발생되는 열이 크면,고열전도율 재료를 반드시 사용해야 하고, 고열전도율 재료로부터 전달되는 대량의 열을 효율적으로 기판으로부터 방열하는 것이 중요하게 된다. 이를 위해, 기판의 후면에 핀이나 또는 냉각관을 취부해서 방열면적과 방열효울을 향상시킬 수 있게 된다. 냉각관이 기판에 부착되면, 부착된 부분에 여분의 열저항이 부가되는 것을 방지할 수 있다. 괸은 냉각관보다 냉각효율이 저하하기 때문에, 고냉각특성을 제공할 수 있는 고방열특성을 갖는 기판의 개발이 요청되어 왔다.
반도체장치, 특히 LSI의 처리속도의 향상과 이동정보처리장치의 실장기술의 개발이 상당히 발전되어 왔다. LSI의 처리속도의 향상 때문에, 칩간의 배선에 의해 야기되는 신호지연이 무시될 수 없다. 게다가, 이동정보처리장치에필요한 것은 LSI의 실장밀도의 빠른 증가를 제공하는 것이다.
상술한 요구조건을 만족시기는 실장기판은 2개의 상반된 요구를 충족해야만 하며, 그 하나는 각 반도체장치의 실질적인 실장밀도를 증가시기는 것이고,다른 하나는 효울적으로 방열을 제거하는 것이다. MCM(Multi Chip Module)기판 등의 고밀도실장기술이 슈퍼컴퓨터의 CPU에 주로 사용하기 위해 개발되어왔다
MCM기판에 있어서, AlN플레이트는 최고의 방열특성을 갖기 위해 필요한 기판에 사용된다, 그러나, AlN은 약 2W/cm·K만의 열전도율을 갖는다. 고실장밀도로 고발열밀도를 갖는 소자를 실장하기 위해 AlN을 사용하는 것은 어렵다.
일본국 특허 공개공보 제92-273466/1992호는, 다이아몬드로 이루어진 3차원 집적회로기판의 측면부에 구멍를 설치하여 냉매가 흐르는 구조가 제안되어있다. 그러나, 이 구조는 유로를 갖춘 부분이 기판의 중앙부분(최고의 온도상승이 예상되는 부분)과 떨어져 있기 때문에 효율이 나쁘다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명자들은 이상과 같은 문제점을 감안하여 보다 냉각효율이 큰 방열기판을 얻을 수 있는 많은 연구를 거듭하여 고열전도율 재료층의 뒷면에 직접 냉매를 통과시키기 위한 유로(flow path)를 형성함으로써 종래의 기판보다도 대단히 방열효율이 향상된 기판을 얻는 것에 성공했다.
본 발명은 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료층이 기본재료 위에 배치되고, 기본재료와 고열전도율 재료층간 경계부의 고열전도율 재료층측에 냉각용 매체(또는, 냉각제)를 통과시기기 위한 유로를 구비한 기판을 제공한다.
본 발명은 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료층이 기본재료 위에 배치되고, 기본재료와 고열전도율 재료층간 경계부의 고열전도율 재료층축에 냉각용 매체를 통과시기기 위한 유로를 구비한 소자실장장치가 제공된다. 적어도 1W/cm2의 최대 발열밀도를 갖는 적어도 하나의 발열소자가 고열전도율 재료층상에 실장된다. 소자실장장치는 기본재료와 고열전도율 재료층으로 형성된 기판과, 이 기판상에 실장된 소자로 이루어진다.
게다가, 본 발명은 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트에 개재되는 냉각매체를 통과하기 위한 적어도 하나의 유로를 구비한 기판(예컨대, 방열기판)을 제공한다.
또한, 본 발명은 냉각매체를 통과시기기 위한 적어도 하나의 유로가 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 기판에 개재되고 적어도 1W/cm2의 최대 발열밀도를 갖는 적어도 하나의 발열소자가 기판상에 실장된 소자실장장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 적어도 2개의 기판을 갖추며, 적어도 하나의 유로가 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 각 기판에 개재되고, 적어도 하나의 소자가 각 기판상에 실장되며, 소자들간의 접속용 금속배선이 기판내 또는 위에 위치되는 반도체장치를 제공한다.
본 발명은,
a) 주표면상에 냉각매채를 통과시기기 위한 유로를 형성하기 위해 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 하나의 주표면상에 레이저광 처리를 행하는 공정과,
b) 상기 처리된 표면을 기본재료에 부착하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은,
a) 주표면상에 냉각매체를 통과시기기 위한 유로를 형성하기 위해 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 하나의 주표면상에 레이저광 처리를 행하는 공정과,
b) 상기 처리된 표면을 적어도 1OW/cm.K의 열전도율을 갖는 고열전도율재료로 이루어진 또 다른 플레이트에 부착하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 냉각매체를 통과시기기 위한 유로를 형성하기 위해, 적어도1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 측면상에 레이저광 처리를 행하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은,
a) 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 하나의 주표면상에 부분적으로 마스크를 제공하는 공정과,
b) 냉각매체를 통과시기기 위한 유로를 형성하기 위해, 마스크가 없는 부분을 선택적으로 에칭하는 공정,
c) 마스크를 제거하는 공정 및,
d) 기본재료에 에칭된 표면을 부착하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은,
a) 플레이트재료상에 그루브를 형성하는 공정과,
b) 플레이트재료상에 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드를 성장하는 공정,
c) 그루브가 형성된 다이아몬드막을 제공하기 위해 플레이트재료를 제거하는 공정 및,
d) 기본재료에 다이아몬드막의 그루브가 형성된 표면을 부착하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은,
a) 기본재료상에 마스크를 제공하는 공정과,
b) 기본재료상에 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드를 성장하는 공정 및,
c) 냉각매체를 통과시기기 위한 유로를 제공하기 위해 마스크를 제거하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은,
a) 플레이트재료상에 마스크를 제공하는 공정과,
b) 플레이트재료상에 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드를 성장하는 공정,
c) 그루브가 형성된 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 플레이트재료와 마스그를 제거하는 공정 및,
d) 기본재료에 다이아몬드막의 그루브가 형성된 표면을 부착하는 공정을 구비한 기판의 제조방법을 제공한다.
(실시예)
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
고열전도율 재료층은 기본재료상에 적층되고, 냉각매체를 통과시기기 위한 그루브(즉, 유로 또는 채널)는 기본재료와 고열전도율 재료층 사이의 공유영역에서 고열전도율 재료층에 형성된다. 고열전도율 재료층상에 배치된 반도체와같은 발열소자로부터 방출된 열은 작은 온도기울기로 고열전도율 재료층속으로전달되고, 고열전도율 재료 이면상에 형성된 그루브를 통해 통과하는 냉각매체에 의해 제거된다.
소자 온도가 현저하게 감소될 수 있기 때문에, 고열전도율 재료층은 보다더 높은 열전도율을 갖는 것이 바람직하다. 열전도율이 가능한한 큰 것이 바람직하고, 적어도 1OW/cm·K가 적당하다. 고열전도율 재료의 구체적인 예는천연 다이아몬드와, 고압, 고온 방법에 의한 인조 다이아몬드 및, 화학적 기상성장(CVD)된 다이아몬드가 있다. 이들은 고열전도율 재료층에 적당하다.다이아몬드가 화학적 기상성장법으로 준비될 때, 비교적 큰 영역을 갖는 고열전도율 재료층이 저렴한 가격으로 얻어질 수 있다. 일반적으로, 열전도율은 온도에 의존한다. 실온 이상의 범위에서 온도가 증가하기 때문에, 다이아몬드의 열전도율은 감소한다. 보통의 소자(예컨대, 반도체장치와 같은 전자소자)를 실장하는 기판의 경우에, 실장된 소자의 온도는 거의 100℃와 200℃ 사이이고, 고열전도율 재료층은 이 온도의 범위에서 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는다. 바람직하게는, 고열전도율 재료층의 두께는 적어도 30μm이고, 보다바람직하게는 적어도 70μm이다. 고열전도율 재료층의 두께의 상한은 보통10mm이고, 예컨대 5mm이다. 고열전도율 재료층은 반도전성 또는 도전성이어도되고, 바람직하게는 절연성이다. 고열전도율 재료의 저항은 바람직하게는 적어도 1×1O8Ω·cm이고, 보다 바람직하게는 적어도 1×1O9Ω·cm이다.
통상, 유로는 직사각형의 단면형상을 갖는다. 고열전도율 재료에 존재하는 그루브의 깊이는 열교환효율의 증가로 인해 깊은 것이 바람직하지만, 너무 깊은 그루브의 깊이는 약한 기계적 강도를 갖게 한다. 그루브의 깊이(c)는 바람직하게는 적어도 20μm이고, 보다 바람직하게는 적어도 50μm이다. 그루브의깊이(c)는, 바람직하게는 90% 이하이고, 보다 바람직하게는 80% 이하이며, 예건대 고열전도율 재료층 두께의 70% 이하이다. 그루브의 큰 폭(a)은 보다 큰열교환효울을 제공하지만, 매우 큰 폭은 기본재료를 접촉하는 부분의 강도를유지하기 위한 그루브의 감소된 수에 기인하여 보다 작은 열교환효율을 제공한다. 그루브간의 간격(b)은 폭과 같은 방법으로 존재하고, 매우 큰 또는 작은간격은 나쁜 결과를 초래한다. 그루브의 폭(a)과 그루브간의 간격(b)은 바람직하게는 20μm로부터 10mm까지이고, 보다 바람직하게는 40μm로부터 2mm까지이며,가장 바람직하게는 50μm로부터 2mm까지이다. 간격(b)에 대한 폭(a)의 비율(a/b)은, 바람직하게는 0.02, 보다 바람직하게는 0.04의 하한을 갖고, 바람직하게는 50, 보다 바람직하게는 25의 상한을 갖는다. 깊이(c)에 대한 폭(a)의비율(a/c)은, 바람직하게는 0.05, 보다 바람직하게는 0.1의 하한을 갖고, 바람직하게는 100, 보다 바람직하게는 50의 상한을 갖는다(제7도 참조).
최적의 폭과, 간격 및, 깊이는 방열기판상에 실장된 소자에 의존한다. 그루브의 단면형상은 직사각형이 될 필요는 없고, 반원, 반타원 또는 복잡한 형상이어도 된다. 하나의 기판에서, a, b, c의 값은 일정하지 않아도 되고, 상기 범위에서 가면될 수 있다. 그루브에 의해 점유된 고열전도율 재료층 표면의 비율은 보통 2 내지 90%이고, 바람직하게는 고열전도율 재료층의 표면영역의 10 내지 80%이다. 그루브의 측벽과 고열전도율 재료층 표면에 대한 법선사이의 각(태이퍼각)은 30°이하가 바람직하다.
냉각매체를 통과시기기 위한 그루브는 기판상에 실장된 반도체소자 등의 발열소자의 위치에 따라 적당하게 형성되어질 수 있다. 반도체소자 등의 실장된 발열소자에 의해 생기는 가장 높은 온도를 갖는 부분 또는 가장 낮은 온도인 것이 요구되는 부분이 가장 효율적으로 냉각되도록 그루브가 형성되는 것이 바람직하다. 가장 많이 냉각되도록 요구된 부분에 가장 많은 량의 냉각매체가 통과하도록 그루브가 배치된다. 그루브의 표면영역을 증가시기도록 그루브의 단면형상을 복잡하게 함으로써 냉각효율이 증가될 수 있다. 냉각매체가 가장 낮은 온도를 가지고 있기 때문에, 냉각매체를 위한 입구 근처의 부분은 높은 냉각효울을 갖는다. 따라서, 발열소자의 발열분포가 균일할 경우, 중앙부가 가장 높은 온도를 갖기 때문에, 입구가 중앙부에 형성되고, 냉각 그루브가 나선형 또는 방사형으로 배치되는 것이 유리하다.
그루브는 레이저공정(예컨대, 엑시머레이저의 사용) 또는 에칭공정에 의해 고열전도율 재료층을 처리함으로써 형성될 수 있다.
1nm 내지 1μm의 두께를 갖는 비다이아몬드 탄소성분(예컨대, 흑연 또는 비결정질 카본)의 층이 그루브의 표면상에 존재한다. 비다이아몬드층은 비산화분위기(예컨대, 불활성가스 분위기)에서 30분 내지 10시간(예컨대, 1시간)동안 1000-1500℃로 고열전도율 재료층을 가열함으로써 형성될 수 있다(이 경우, 비다이아몬드층은 그루브 이외에 고열전도율 재료층의 표면상에도 형성되고, 비다이아몬드층은 폴리싱공정에 의해 제거될 수 있다). 비다이아몬드층의 존재의 유무는 라만 스팩트로스코피에 의해 측정될 수 있다.
그루브의 표면에 있어서, 냉각매체에 대한 흡수력(wettability)이 양호한것이 바람직하다. 접촉각도는 통상 65°이하이고, 바람직하게는 60°이하이다. 다이아몬드의 표면이 수소원자를 갖기 때문에, 표면은 이 상태에서 물 등의 냉각매체와 혼합되지 않는다. 수소원자에 대신하여 산소원자를 포함하는 친수성기(예컨대, OH기)를 더함으로써, 다이아몬드표면층의 친수성을 증가시킬 수 있다.
그루브 표면의 흡수력을 증가시기기 위해, 그루브는 산화분위기(예컨대, 대기 환경)에서 10분 내지 10시간동안 500-800℃로 어닐되거나, 또는 산소의 플라즈마 또는 산소함유가스에 의해 처리된다. 산소 플라즈마가 그루브의 형성을 위해 사용될 경우, 친수성이 조금 증가되지만, 상기 공정은 부가적으로 처리된다.
그루브 표면의 냉각매체에 대한 흡수력을 개선하기 위한 공정은, 질소나 보론, 또는 불활성가스 등을 함유하는 가스중에서 플라즈마처리를 들 수 있다.
그루브가 형성된 후, 고열전도율 재료층이 기본재료에 부착된다. 부착은 금속 또는 부착제 등으로 처리된다. 금속 또는 부착층의 두께는 보통 0.01부터 1Oμm까지이다. 또는, 부착은 금속 등의 재료를 사용하지 않고, 고열전도율재료층을 직접 기본재료에 부착시킬 수 있다.
기본재료는 B, Be, Al, Cu, Si, Ag, Ti, Fe, Ni, Mo, W와 그 합금 및 화합물(예컨대, 탄화물 또는 질화물)로 된다.
기본재료는, 예컨대 절연성이다. 기본재료는 플레이트이다. 기본재료의두께는 보통 0.lmm ∼ 10mm이고, 바람직하게는 0.5mm ∼ 5mm이다.
소자가 기판상에 실장될 경우, 소자는 고열전도율 재료층상에 배치되는 것이 바람직하다.
냉각매체로는 물, 공기, 불활성가스(예컨대, 질소와 아르곤), 불화탄소,액화질소, 액화산소, 액화헬륨 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 소자는 반도체소자, 예컨대 반도체레이저, MPU(마이크로프로세서 유니트)와 IC이다. 본 발명에 따른 기판이 사용될 경우, 소자는 소자의 온도 증가가 방지되도록 효율적으로 냉각된다. 소자가 증가된 온도를 가지면, 반도체레이저의 파장은 더 긴 파장으로 시프트된다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 소자가 증가된 은도를 갖지 않기 때문에, 파장은 더 긴 파장으로 결코 시프트되지 않는다.
이 후, 기본재료와 고열전도율 재료층 사이의 공유영역에서 냉각매체의 흐름을 위한 그루브를 갖춘 기판을 제조하는 방법을 설명한다.
우선, 냉각매체의 흐름을 위한 그루브를 갖춘 고열전도율 재료층에 기본재료를 부착하기 위한 방법을 설명한다. 고열전도율 재료층을 형성하는 재료는필요한 크기로 제공된다. 냉각매체의 흐름을 위한 그루브는 레이저광을 이용하는 처리방법 또는 선택적인 에칭에 의해 제조될 수 있다.
레이저처리는 표면상에 그루브를 형성하기 위한 재료 표면상에 레이저광을 집광시켜 재료를 제거하는 단계를 구비한다. 이 공정에 따라, 임의의 배치를갖는 그루브가 얻어질 수 있다. 층분한 에너지 밀도를 갖는 레이저광은 고열전도율 재료의 표면상에 집광되고, 집광된 위치는 표면상에 그루브를 형성하기위해 재료를 제거하는 동안 이동된다. 레이저광의 구체적인 예로는 YAG레이저와 엑시머레이저를 들 수 있다. 임의의 깊이와 위치를 갖는 그루브가 처리 정밀함의 관점에서 재현성 좋게 형성될 수 있기 때문에, 엑시머례이저가 바람직하다.
레이저광의 파장은 370nm 이하, 예컨대 190 내지 360nm가 바람직하다. 조사된 광의 에너지밀도는 보통 10 ∼ 1011W/cm2이다. 바람직하게는 10-1J/cm2과 106J/cm2사이에 한 펄스당 에너지밀도를 갖는 펄스레이저광이 적절하다. 레이저 발생기로부터 발생된 레이저광의 발산각도는 10-2mrad에서 5×10-1mrad까지가 바람직하고, 레이저광의 대역폭은 10-4mm에서 1nm까지가 바람직하다. 레이저광의 빔단면의 에너지 분포의 균일성은 10% 이하인 것이 바람직하다. 원통형 거울 또는 원통형 렌즈에 의해 펄스 레이저광을 집광함으로써 양호한 처리결과가 얻어질 수 있다.
엑시머레이저에 의해 표면상에 그와 같은 그루브를 형성함에 있어서, 적절한 분위기에서의 처리는 다이아몬드 표면을 수정할 수 있고, 냉각매체에 의해 표면의 흡수력을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 아미노기 함유화합물(예컨대, 암모니아 또는 하이드라진)을 함유하는 분위기에서의 상기 처리는 친수성을 증가시기기 위해 형성된 그루브의 표면상에 아미노기를 제공할 수 있다.
에칭공정에 의한 그루브의 형성은 다음과 같이 처리될 수 있다. 고열전도율 재료층상에 적당한 마스크가 형성된 후, 마스그가 에칭되지 않고 단지 고열전도율 재료만이 에칭되는 조건하에서 처리된다. 그때, 마스크는 표면상에 그루브를 갖춘 고열전도율 재료층을 제공하기 위해 제거된다. A1과 SiO2와 같은 마스크 재료가 다이아몬드상에 형성되고 나서, 다이아몬드가 다이아몬드상에 그루브를 형성하기 위해 산소를 함유하는 가스 또는 산소에 의해 선택적으로 에칭되는 것은 공지되어 있다(일본 응용물리학회 53차 모임의 프리프린트 2권의 411페이지 참조). 질소 또는 수소가 산소를 함유하는 가스 또는 산소 대신에 사용되어도 된다.
필요한 그루브를 갖춘 고열전도율 재료층은 매우 큰 방열효울을 갖는 기판을 제공하기 위해 공급된 기본재료에 부착된다. 기본재료는 고열전도율 개료층에 형성된 그루브로 냉각매체를 유입(유출)시기기 위한 입구와 출구를 임시로 갖는다.
기본재료에 고열전도율 재료층의 부착은 금속화처리 또는 부착제에 의해 처리될 수 있다. 2개의 부착된 표면은 종래의 절차에 의해 금속화되고, 금속은 용해된다. 금속화처리에 사용된 금속으로는 Ti, Pt, Au, Sn, Pb, In, Ag 등을 들 수 있다. 부착제(예컨대, Ag/에폭시, Ag/폴리이미드와 Au/에폭시) 또는 Ag를 바탕으로 한 왁스와 그 외의 부착방법이 사용된다. 부착층의 두께는
보통 O.O1 ∼ 1Oμm이다.
고열전도율 재료층이 화학적 기상성장 공정에 의해 준비된 다이아몬드인 경우, 마스크를 사용하는 선택성장법이 레이저광 또는 에칭공정 대신에 그루브를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 일본국 특허 공개공보 제89-104761호와 제89-123423호에 공개되어 있다. 마스크 재료는 필요한 그루브에 대응하고 패턴으로 기본재료(예컨대, Si, SiC, Cu, Mo, cBN 등)의 표면상에 배치되다이아몬드는 화학적 기상성장법에 의해 성장된다. 이 때, 다이아몬드를 50μm 이상 성장시킴으로써, 다이아몬드가 수평과 수직방향으로 성장하고, 기본재료의 전체 표면을 덮는다. 기본재료가 제거된 후, 예컨대 용해된 후, 곁과로 생기는 다이아몬드는 기본재료에 면하는 표면상에 그루브를 갖춘다. Ti, Si, Mo 등으로 이루어진 마스크는 종래의 절차에 의해 준비된다. 이 방법의 이점은, 다이아몬드가 성장한 후에 층격이 다이아몬드에 가해지지 않기 때문에, 처리중에 실패가 없다는 것이다.
상기 방법에서, 마스크의 형성 대신에, 플레이트재료 그 자체가 그루브에 대응하는 요철(凹凸)을 형성하기 위해 처리되고 나서, 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 플레이트재료상에 성장된다. 필요한 두께를 갖는 다이아몬드가 성장된 후, 플레이트재료에 면하는 표면상에 그루브를 갖춘 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 제거된다. 플레이트재료의 구체적인 예는 Si, SiC,Mo 등이 있다
화학적 기상성장된 다이아몬드가 고열전도율 재료층으로 사용된 경우, 상기 방법이 수정되어 부착의 단계가 생략될 수 있다. 즉, 마스크가 기본재료상에 배치되고, 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 기본재료상에 성장된후 마스크만이 용해됨으로써, 기본재료와 다이아몬드 사이의 공유영역에서 다이아몬드에 냉각매체의 흐름을 위한 그루브를 갖춘 기판을 제공할 수 있다.이 방법에 따르면, 부착제가 없기 때문에 방열효율이 더 증가될 수 있다. 적절한 기본재료로는 Si, SiC, Cu와 Mo 등을 들 수 있다.
상기 방법중 하나는, 고열전도율과 기본재료 사이의 공유영역에서 고열전도율 재료층에 그루브를 갖춘 기판을 준비하는데 효과적이다. 에칭을 사용하는 방법은 양호한 그루브를 정확하게 형성할 수 있다. 레이저공정을 사용하는 방법은 그루브를 빠르게 형성할 수 있다. 선택적인 성장을 사용하는 방법(마스크를 사용하는 방법)은 비교적 큰 그루브를 쉽게 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 기판의 다른 실시예에 있어서, 유로의 상하좌우는 고열전도율 재료로 둘러싸여 있다. 기판상에 배치된 반도체소자와 같은 발열소자로부터 방출된 열은 작은 온도기울기에서 고열전도율 재료로 전달되고, 유로를통해 통과하는 냉각매체에 의해 제거된다.
고열전도율 재료는, 소자온도가 현저하게 감소되기 때문에, 보다 높은 열전도율을 갖는 것이 바람직하다. 고열전도율 재료의 열전도율은 가능한한 큰것이 바람직하고, 적어도 1OW/cm·K가 적당하다. 고열전도율 재료로는 천연다이아몬드와, 고압과 고온 방법에 의한 다이아몬드 및, 화학적 기상성장법에의한 다이아몬드 등을 들 수 있다. 이들은 고열전도율 재료로 적당하다. 다이아몬드가 화학적 기상성장에 의해 준비될 경우, 비교적 큰 영역을 갖는 고열전도율 재료가 저렴한 가격으로 얻어질 수 있다. 일반적으로, 열전도율은온도에 의존한다. 온도가 실온 이상의 범위에서 증가하면, 다이아몬드의 열전도율은 감소한다. 통상의 소자를 실장하는 기판의 경우(예컨대, 반도체소자와같은 전자소자)에, 실장된 소자의 온도는 10C℃ ∼ 200℃ 이하이고, 고열전도율재료는 이 온도범위에서 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 것이 바람직하다. 기판의 두게는 바람직하게는 적어도 30μm이고, 보다 바람직하게는 적어도70μm이다. 기판의 두께 상한은 통상 101皿, 예컨대 5I皿이다. 고열전도율 재료는 반도전성 또는 도전성이어도 되고, 바람직하게는 절연성이다. 고열전도율 재료의 저항은 바람직하게는 적어도 1×108Ω·cm이고, 보다 바람직하게는 적어도 1×109Ω·cm이다.
유로는 통상 직사각형의 힁단면형상을 갖는다. 고열전도율 재료에 존재하는 유로의 높이는 열교환효율의 증가로 인해 큰 것이 바람직하지만, 유로의 지나치게 큰 높이는 기판의 기계적인 강도를 좋지않게 저하시킬 수 있다. 유로의 높이(c)는 바람직하게는 적어도 20μm이고, 보다 바람직하게는 적어도 50μm이다. 유로의 높이(c)는 바람직하게는 기판 두께의 90% 이하이고, 보다 바람직하게는 80% 이하이며, 예컨대 기판 두께의 70% 이하이다. 유로의 큰 폭(a)은 보다 큰 열교환효율을 제공하지만, 매우 큰 폭은 기판의 강도를 유지하기위한 유로의 감소된 수로 인해 보다 작은 열교환효율을 제공하는 단점이 있다. 유로 사이의 간격(b)은 폭과 같은 동일한 방법으로 존재하고, 매우 크거나 또는 작은 간격은 나쁜 결과를 초래한다. 유로 사이의 폭(a)과 간격(b)은 바람직하게는 20μm로부터 10mm까지이고, 보다 바람직하게는 40μm로부터 2mm까지이며, 가장 바람직하게는 50μm로부터 2mm까지 이다. 간격(b)에 대한 폭(a)의 비울(a/b)은, 바람직하게는 0.02, 보다 바람직하게는 0.04의 하한을 갖고, 바람직하게는 50, 보다 바람직하게는 25의 상한을 갖는다. 높이(c)에 대한 폭(a)의 비율(a/c)은, 바람직하게는 0.05, 보다 바람직하게는 0.1의 하한을 갖고, 바람직하게는 100, 보다 바람직하게는 50의 상한을 갖는다.
최적의 폭과, 간격 및, 높이는 기판상에 실장된 소자에 의존한다. 필요한 유로의 횡단면형상은 반드시 직사각형으로 될 필요는 없고, 반원, 반타원 또는 복잡한 형상이어도 된다. 하나의 기판에 있어서, a, b, c의 값은 일정하지 않아도 되고, 상기 범위에서 가변될 수 있다. 유로에 의해 점유된 기판 표면의비(법선방향으로부터 기판표면까지 보았을 때의 기판표면영역에 대한 유로에의해 점유된 표면영역의 비)는 기판의 표면영역의 보통 2 내지 90%, 바람직하게는 10 내지 80%이다. 유로의 측면과 기판 표면에 대한 법선 사이의 각도(태이퍼각)는 30O 이하가 바람직하다.
냉각매체를 통과시기기 위한 유로는, 바람직하게는 기판상에 실장된 반도체소자와 같은 소자의 위치에 따라 적당하게 형성될 수 있다. 반도체소자 등의 발열소자로 인한 가장 높은 온도를 갖는 부분이나 가장 낮은 온도인 것이 요구되는 부분이 가장 효율적으로 냉각듸도록 유로가 형성되는 것이 바람직하다. 가장 많이 냉각되도록 요구된 부분에 가장 많은 량의 냉각매체가 통과하도록 유로가 배치된다. 유로의 표면영역을 증가시기도록 유로의 횡단면 형상을 복잡하게 함으로써 냉각효율이 증가될 수 있다. 냉각매체가 가장 낮은 온도를 갖기 때문에, 냉각매체를 위한 입구 근처의 부분은 높은 냉각효율을 갖는다. 따라서, 발열소자의 발열분포가 균일할 경우, 중앙부가 가장 높은 온도를 갖기때문에, 중앙부에 입구가 형성되고, 냉각 유로가 나선형 또는 방사형으로 배치되는 것이 유리하다.
1nm 내지 1μm의 두께를 갖는 비다이아몬드 탄소성분(예컨대, 흑연 또는 비결정질 카본)의 층이 유로의 표면상에 존재한다. 비다이아몬드층은 비산화분위기(예컨대, 불활성가스 분위기)에서 30분 내지 10시간(예건대,1시간)동안 1000-1500℃로 고열전도율 재료층을 가열함으로써 형성될 수 있다.(이 경우, 비다이아몬드층은 유로 이외에 고열전도율의 표면상에도 형성되고, 비다이아몬드층은 폴리싱공정에 의해 제거될 수 있다). 비다이아몬드층의 존재의 유무는라만 스펙트로스코피에 의해 측정될 수 있다.
그루브의 표면에 있어서, 냉각매체에 대핸 흡수력이 양호한 것이 바람직하다. 접촉각도는 통상 65℃이하, 바람직하게는 60。이하이다. 다이아몬드의 표면이 수소원자를 갖기 때문에, 표면은 이 상태에서 물 등의 냉각매체와 혼합되지 않는다. 수소원자에 대신하여 산소원자를 포함하는 친수성기(예컨대, OH기)를 더함으로써, 다이아몬드표면층의 친수성을 증가시킬 수 있다.
유로 표면의 흡수력을 증가시기기 위해, 유로는 산화분위기(예컨대, 대기환경)에서 10분 내지 10시간동안 500-800℃로 어닐되거나, 또는 산소의 플라즈마 또는 산소함유가스에 의해 처리된다. 산소플라즈마가 유로의 형성을 위해 사용될 경우, 친수성이 조금 증가되지만, 상기 공정은 부가적으로 처리된다.
유로 표면의 냉각매체에 대한 흡수력을 개선하기 위한 공정은 질소나, 보론, 또는 불활성 가스 등을 함유하는 가스중에서 플라즈마 처리를 들 수 있다.
냉각매체로는 물, 공기, 불활성가스(예컨대, 질소와 아르곤), 불화탄소, 액화질소, 액화산소, 액화헬륨 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 소자는 반도체소자, 예컨대 반도체레이저, MPU(마이그로프로세서 유니트)와 IC이다. 본 발명에 따른 기판이 사용될 경우, 소자는 소자의 온도 증가가 방지되도록 효율적으로 냉각된다. 소자가 증가된 온도를 가지면, 반도체레이저의 파장은 더 긴 파장으로 시프트된다. 그러나, 본 발명에 있어서는 소자가 증가된 온도를 갖지 않기 때문에, 파장은 더 긴 파장으로 결코 시프트되지 않는다.
이 후, 고열전도율 재료층으로 둘러싸인 유로를 갖춘 기판을 제조하는 방법을 설명한다.
기판은 레이저공정 등으로 유로를 헝성하기 위해 기판에 직접 구멍을 냄으로써 제조될 수 있다. 이 기판은 하나의 막에 그루브를 형성하고, 또 다른 막에 상기 막을 부착함으로써 제조될 수 있다.
상기한 방법에 있어서, 필요한 형상을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트가 제공되고, 고열전도율 재료 플레이트에서 냉각매체 통과용 유로를 형성하기 위해 구멍내기용 플레이트의 측면에 레이저광이 집광된다.
제1 고열전도율 재료막을 제2 고열전도율 재료막에 부착하는 방법을 다음에 설명한다. 제1 고열전도율 재료막은 유로를 형성하는 그루브를 갖고, 제2고열전도율 재료막은 그루브를 갖지 않는다. 고열전도율 재료는 필요한 그기로 공급된다. 제1 고열전도율 재료막의 한 표면상에, 최종 기판에 끼워 넣는 유로가 선택적인 에칭에 의해 또는 례이저광을 사용하는 처리방법에 의해 형성된다.
레이저처리는 표면상에 그루브를 형성하기 위해 재료표면상에 레이저광을 집광시켜 재료를 제거하는 단계를 구비한다. 이 공정에 따라, 임의의 배치를 갖는 유로가 얻어질 수 있다. 충분한 에너지 밀도를 갖는 레이저광은 고열전도율 재료막의 표면상에 집광되고, 집광된 위치는 표면상에 그루브를 형성하기위해 재료를 제거하는 동안 이동된다. 레이저광의 구체적인 예는 YAG레이저와 엑시머레이저를 들 수 있다. 임의의 높이와 위치를 갖는 그루브가 정밀한 공정에 의해 재차 형성될 수 있기 때문에, 엑시머레이저가 바람직하다.
레이저광의 파장은 360nm 이하, 예컨대 190 내지 360nm가 바람직하다. 조사된 광의 에너지밀도는 보통 10∼1011W/cm2다. 바람직하게는 10-1J/cm2과 106J/cm2사이에 한 펄스당 에너지밀도를 갖는 펄스 레이저광이 적절하다. 레이저 발생기로부터 발생된 레이저광의 발산각도는 10-2mrad에서 5×10-lmrad까지가 바람직하고, 레이저광의 대역폭은 10-4nm에서 1nm까지가 바람직하다. 레이저광의 빔횡단면의 에너지 분포의 균일성은 10% 이하인 것이 바람직하다. 원통형 거울 또는 원통형 렌즈에 의해 펄스 레이저광을 집광시킴으로써 양호한처리결과가 얻어질 수 있다.
엑시머레이저에 의해 표면상에 그와 같은 그루브를 형성함에 있어서, 적절한 분위기에서의 처리는 다이아몬드 표면을 수정할 수 있고, 냉각매체에 의해 표면의 흡수력을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 아미노기 함유화합물(예컨대, 암모니아 또는 하이드라진)을 함유하는 분위기에서의 상기 처리는 친수성을 증가시기기 위해 형성된 그루브의 표면상에 아미노기를 제공할 수 있다.
에칭공정에 의한 그루브의 형성은 다음과 같이 처리될 수 있다. 고열전도율 재료층상에 적당한 마스크가 형성된 후, 마스크가 에칭되지 않고 단지 고열전도율 재료만이 에칭되는 조건하에서 처리된다. 다음에, 마스크는 표면상에그루브를 갖춘 제1 고열전도율 재료막을 제공하기 위해 제거된다. Al과 SiO2등의 마스크재료가 다이아몬드상에 형성되고 나서, 다이아몬드가 다이아몬드상에 그루브를 형성하기 위해 산소함유가스 또는 산소에 의해 선택적으로 에칭되는 것은 공지되어 있다(일본 응용물리학회의 53차 모임의 프리프린트 2권 411페이지). 질소 또는 수소가 산소함유가스 또는 산소 대신에 사용될 수 있다. 필요한 그루브를 갖춘 제1 고열전도율 재료막은 매우 큰 방열효율을 갖는기판을 제공하기 위해 분리되어 제공된 제2 고열전도율 재료막에 부착된다.제2 고열전도율 재료막은 고열전도율 재료층에 형성된 유로로 냉각매체를 유입(유출)시기기 위한 입구와 출구를 임시로 갖는다.
상기와 같이 그루브를 갖춘 제1 고열전도율 재료막만을 제공하기 위한 방법에 대해 기술했지만, 그루브는 제2 고열전도율 재료막상에도 헝성될 수 있고, 그루브를 갖춘 제1 고열전도율 재료막의 표면이 그루브를 갖춘 제2 고열전도율 재료막의 표면에 부착될 수 있다. 이러한 방법이 복잡하기 때문에, 제1고열전도율 재료막상에만 그루브를 형성하는 것이 바람직하다.
2개의 부착된 표면은 종래의 절차에 의해 금속화되고, 금속은 용해된다. 금속화 처리에 사용된 금속으로는 Ti, Pt, Au, Sn, Pb,In, Ag 등을 들 수 있다. 부착제(예컨대 , Ag/에 폭시 , Ag/폴리이미드와 Au/에폭시 ) 또는 Ag를 바탕으로 한 왁스와 그 외의 부착방법이 사용된다. 부착층의 두께는 보통 0.01∼1Oμm 이다.
고열전도율 재료막이 화학적 기상성장법에 의해 준비된 다이아몬드인 경우, 마스크를 사용하는 선택성장법이 레이저광 또는 에칭공정 대신에 유로를형성하기 위해 사용될 수 있다. 이는 일본국 특허 공개공보 제89-104761호와제89-123423호에 공개되어 있다. 마스크 재료는 필요한 유로에 대응하는 패턴으로 기본재료(예컨대., Si, SiC, Cu, Mo, cBN 등)의 표면상에 배치되고, 다이아몬드는 화학적 기상성장법에 의해 적층된다. 이 때, 다이아몬드를 50μm 이상 성장시킴으로써 수평과 수직방향으로 성장하고, 기본재료의 전체 표면을 덮는다. 기본재료가 제거된 후, 예컨대 용해된 후, 결과로 생기는 다이아몬드는 기본재료에 면하는 표면상에 유로를 갖춘다. Ti, Si, Mo 등으로 이루어진 마스크는 종래의 절차에 의해 준비된다. 이 방법의 이점은, 다이아몬드가 성장한 후 충격이 다이아몬드에 가해지지 않기 때문에, 처리중에 실패가 없다는 것이다.
상기 방법에 있어서, 마스크의 형성 대신에, 플례이트재료 자체가 유로에 대응하는 요철(凹凸)을 형성하기 위해 처리되고 나서, 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 플레이트재료상에 성장된다. 필요한 두께를 갖는 다이아몬드가 성장된 후, 플레이트재료는 플레이트재료에 면하는 표면상에 유로를 갖춘다이아몬드자립막을 제공하기 위해 제거된다. 플레이트재료의 구체적인 예는Si, SiC, Mo 등을 들 수 있다.
화학적 기상성장된 다이아몬드가 고열전도율 재료막으로 사용될 때, 상기 방법은 부착의 단계가 생략된 것으로 수정된다. 즉, 마스크가 다이아몬드막상에 배치되고, 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드막상에 성장된 후, 마스크만이 용해됨으로써, 유로를 갖춘 기판을 제공할 수 있다. 이 방법에 따르면, 부착제가 없기 때문에 방열효율이 더 증가될 수 있다.
상기 방법중 하나는, 고열전도율 재료에 그루브를 갖춘 기판을 준비하는데 효과적이다. 에칭을 사용하는 방법은 양호한 유로를 정확하게 형성할 수 있다. 레이저공정을 사용하는 방법은 빠르게 유로를 형성할 수 있다. 선택적인 성장을 사용하는 방법(마스크를 사용하는 방법)은 비교적 큰 유로를 쉽게 형성할 수 있다.
구멍은 레이저광을 사용하는 구멍내기공정에 의해 결과로 생기는 기판에 형성된다. 구멍은, 예컨대 선택적인 성장과 에칭에 의해 기판의 제조동안 준비된다. 전기배선는 구멍내에, 기판상에 형성된다. 전기배선를 갖춘 다수의기판은 반도체장치를 제공하기 위해 적층된다. 구멍내의 배선은 기판사이에전기적인 접속을 수행한다. 반도체장치의 기판의 수는 적어도 2개이다. 기판의 수는 200 이하, 예컨대 50개 이하이다. 냉각매체는 각 기판의 유로를 통해반도체장치의 일부분, 예컨대 기판의 측면으로부터 통과해도 된다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 그루브가 형성된 고열전도율 재료층의 평면도를 도시한다. 고열전도율 재료(11)에는, 그루브가 헝성되어 있지 않은 표면이 빗살(櫛)형상으로 되도록 그루브(12)가 설치되어 있다.
제2도는 본 발명에 따른 방열기판의 정면도를 나타낸다. 방열기판(16)은 고열전도율 재료층(11)과, 기본재료(13) 및, 부착층(15)으로 이루어진다. 기본재료(13)는 그루브(12)에 접속하는 2개의 냉각매체용 게이트(14)를 갖춘다. 기판(13)에서 게이트(14)의 크기와 수는 제한되지 않는다. 예컨대, 그루브의 양단에 대응하는 기판의 각 부분은 냉각매체용 게이트를 갖춘다.
제3도는 본 발명에 따른 고열전도율 재료층의 평면도를 도시한다. 고열전도율 재료층(21)은 나선형 그루브(22)를 갖춘다.
제4도는 본 발명에서 제외된 비교예1의 그루브가 형성된 AlN층의 평면도를나타낸다. 제1도에 나타낸 바와 같은 형상을 갖는 그루브(32)가 AlN층(31)에헝성된다.
제5도는 본 발명에서 제외된 비교예1의 그루브가 형성된 AlN층으로 이루어진 방열기판의 정면도이다. 방열기판(36)은 AlN층(31)과, 기본재료(33) 및,부착층(35)을 갖추고 있다. 기본재료(33)는 그루브(32)에 접속하는 2개의 냉각매체용 게이트(34)를 갖춘다.
제6도는 본 발명에서 제외된 비교예2의 종래 기술의 방열기판의 정면도이다. 기판(46)은 그루브가 형성되어 있지 않은 다이아몬드층(41)과, 기본재료(43) 및, 부착층(45)으로 이루어진다.
제7도는 본 발명에 따른 고열전도율 재료에 형성된 그루브의 단면도이다. 그루브(12)는 폭(a)과 깊이(c)를 가지면서, 간격(b)으로 형성된다.
제8도는 다이아몬드와 비다이아몬드 탄소의 라만 스펙트로스코피이다. 곡선(a)은 다이아몬드의 스팩트럼이고,1333cm-1에서 큰 피크를 갖는다. 곡선(b)은 비다이아몬드 탄소를 많이 함유하는 재료의 스팩트럼이고, 두개의 완만한 피크를 갖는다.
제9도는 본 발명에 따른 고열전도율 재료에 의해 둘러싸인 유로를 갖춘 기판의 평면도를 나타낸다. 기판(111)은 유로(112)를 갖춘다. 유로(112)는 기판에 매립된다.
제10도는 제9도에 도시된 기판의 정면도를 나타낸다. 기판(111)은 유로(112)를 갖춘 제1 고열전도율 재료막(113)과, 제2 고열전도율 재료막(114) 및, 부착층(115)을 구비하고 있다. 유로(112)는 냉각매체용 게이트(116)에 접속한다. 게이트(116)는 다른 위치, 예컨대 제1 고열전도율 재료막(113) 또는 제2고열전도율 재료막(114)의 주표면상에 배치된다. 게이트의 그기와 수는 제한되지 않는다.
제11도는 고열전도율 재료가 유로의 주위를 둘러싸는 본 발명에 따른 기판의 부가적인 실시예의 평면도를 나타낸다. 기판(121)은 방사형의 유로(122)를 갖춘다. 부가적인 유로(123)는 유로(122)를 둘러싸도록 유로(122)를 접속하고 있다. 유로(122)는 냉각매체용 입구(124)에 접속하고, 유로(123)는 냉각매체용 출구(125)에 접속한다.
제12도는 본 발명에 따른 기판에 형성된 유로의 단면도이다. 유로(112)는 폭(a)과 높이(c)를 가지면서, 간격(b)으로 형성된다.
제13도는 본 발명의 반도체장치(3차원 IC기판)의 투시도를 도시한다. 반도체장치(210)는 4개의 기판(201)을 갖춘다. 각 기판(201)은 다이아몬드로 이루어지고, 제9도에 도시된 기판과 같다. 각 기판(201)은 냉각매체를 위한 2개의 게이트(206)와 9개의 IC(209)를 갖춘다.
제14도는 제13도에 도시한 반도체장치의 일부분을 도시한 단면도이다. 2개의 기판(201)은 제14도에서 볼 수 있다. IC(전자소자;209)와 금속배선(208)은 기판(201)상에 배치된다. 하나의 기판상에 배치된 금속배선(208: 예컨대Au로 이루어진)은 관통구멍(204)과 솔더 범프(205)를 통해 또 다른 기판상에 배치된 금속배선(208)에 접속된다. 기판(201)은 냉각매체의 흐름을 위한 유로(202)를 갖춘다.
제15도는 고열전도율 재료가 유로의 주위를 둘러싸는 본 발명에 따른 기판의 또 다른 실시예의 평면도를 나타낸다. 나선형의 유로(222)는 고열전도율재료(221)에 매립된다.
본 발명은 다음과 같은 예로 설명되지만, 이에 한정되는 것은 아니다,
[예 1]
CVD, 레이저에 의한 그루브 형성, 부착:
스크래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×(두게)2mm)상에, 다이아몬드가 초고주파 플라즈마 증속CVD법에 의해 성장되었다. 성장조건은 900℃의 기본재료 온도와, 80Torr의 압력 및, 메탄1%-수소계를 포함한다. 400시간 동안 성장후, 성장표면이 폴리싱되고, Si기본재료가 10mm×10mm×(두께)0.5mm의 크기를 갖는 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 열전도율은 17.2W/cm·K로 측정되었다.
결과로 생기는 다이아몬드자립막의 한 표면상에, KrF 엑시머레이저가 제1도에 도시된 그루브를 헝성하기 위해 선집광 및 점집광되었다. 그루브는 약 150μm의 깊이와, 약 500μm의 폭 및, 약 400μm의 간격을 갖는다. Ti, Pt, Au가 다이아몬드막과 CuW 합금막에 기상성장된 후, 다이아몬드막이 CuW합금막상에 부착되었다. Ti/Pt/Au/Pt/Ti층의 두께는 O.1μm였다. CuW합금막은 다이아몬드의 그루브를 통해 통과하는 냉각매체용 게이트(직경:400μm)를 임시로 갖춘다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 다이아몬드/CuW기판의 그루브에 공급되었다. 다이몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항이 0.014℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 그루브가 형성된 다이아몬드층상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 형성되었다. 금속(Au)배선은 다이아몬드 표면상에 종래의 패터닝에 의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)는 레이저소자 실장장치의 그루브에 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 변화(특히, 발생된 파장의 면화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[예 2]
고압합성, 레이저에 의한 그루브 형성, 부착:
고온과 고압방법에 의해 제조된 Ib형 다이아몬드(8mm×8mm×(두께)0.6mm, 열전도율:18.3W/cm·K)를 사용해서, 그루브가 형성된 다이아몬드/CuW 기판이ArF 엑시머레이저에 의해 약 400μm의 간격과, 약 350μm의 폭 및, 약 200μm의 깊이를 갖는 다이아몬드에 형성된 그루브를 제외한, 예1에서와 같은 방법으로제조되었다. 냉각매체용 게이트인 2개의 구멍(약 350μm의 직경를 갖는 원형)이 KrF 엑시머레이저를 분명하게 집광시킴으로써 기판에 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 그루브가 형성된 다이아몬드/CuW기판에 공급되었다.
이 경우,다이아몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항이 0.021℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(1mm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 그루브가 형성된 다이아몬드층상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 준비하 패터닝에 의기 위해 형성되었다. 금속(Au)배선이 다이아몬드 표면상에 종래의 패터닝에 의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 그루브에 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 면화(특히, 발생된 파장의 변화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[비교예1]
AlN,그르부 형성
AIN기본재료(10mm×10mm×(두께)0·5mm, 열전도율:1.9W/cm·K)의 한 표면상 KrF 엑시머레이저가 그루브를 헝성하기 위해 예1과 같은 방법으로 선형으로 그루브는 약 150μm의 깊이와, 약 500μm의 폭 및, 약 400μm의 간격을 갖는다. 그루브가 형성된 AlN막이 CuW합금막에 부착되었다. CuW합금막은 AIN(제15도 참조)의 그루브를 통해 통과하는 냉각매체용 게이트를 임시로 갖추고 있다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 AlN/CuW기판의 그루브에 공급되었다. AlN표면과 냉각수 사이의 열저항은 0.098℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(1mm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 그루브가 형성된 AlN층상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 형성되었다. 금속(Au)배선은 다이아몬드 표면상에 종래의 패터닝에 의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 그루브에 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 보다 더 긴 파장에 대한 발생된 파장의 단계적 시프트가 관찰되었다.
[비교예2]
CVD, 그루브를 형성하지 않음:
10mm×1Omm×0·5mm(열전도율:17.2W/cm·K)의크기를갖는화학적 기상성장 다이아몬드자립막이 예1에서와 같은 방법으로 준비되었다. 그루브를 형성하지 않고, 다이아몬드막이 CuW합금막에 부착되었다(제6도 참조). 25℃의 온도를 갖는 공기가 기판의 후면에 부는 동안, 열저항은 3.4℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(1mm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 다이아몬드층상에 실장되었다. 25℃의 온도를 갖는 공기가 기판의 후면상에 불어오는 동안, 레이저 소자는 발진되었다. 보다 더 긴 파장에 대한 발생된 파장의 단계적 시프트가 관찰되었다,
[비교예3]
CVD, 매우 좁은 그루브:
10mm×10mm×0,5mm(열전도율:17.2W/cm·K)의 크기를 갖는 화학적 기상성장 다이아몬드자립막이 예1과 같은 방법으로 준비되었다. 다이아몬드막상에, KrF엑시머레이저가 그루브를 형성하기 위해 선형적으로 집광되었다. 그루브는 약 150μm의 깊이와, 약 10μm의 폭 및, 약 990μm의 간격을 갖는다. 그루브가 형성된 다이아몬드막이 CuW합금막에 부착되었다. CuW합금막은 다이아몬드의 그루브를 통해 통과하는 냉각매체용 게이트를 임시로 갖춘다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 다이아몬드/CuW 기판의 그루브에 공급되었다. 다이몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항은 0.34℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 그루브가 형성된 다이아몬드층상에 실장되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 그루브에 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 보다 더 긴 파장에 대한 발생된 파장의 단계적 시프트가 관찰되었다.
예1과 예2 및 비교예1 내지 비교예3의 결과를 표1에 나타내었다.
이 하 여 백
[표 1]
[예 3]
공기에서의 어닐링:
제1도에 도시된 그루브가 형성된 다이아몬드막이 예1과 같은 방법으로 준비되었다. 다이아몬드막이 30분 동안 600℃로 공기중에서 어닐링된 후, 예1과 같은 방법으로 CuW기본재료에 부착되었다. 냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 그루브가 형성된 다이아몬드/CuW 기판의 그루브에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각매체 사이의 열저항은 0.012℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 다이아몬드층상에 실장되었다. 기판에 물이 공급되는 동안 레이저소자가 발진되었고, 면화(특히, 발생된 파장의 면화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[예 4]
진공에서의 어닐링:
제1도에 도시된 그루브가 형성된 다이아몬드막이 예1과 같은 방법으로 준비되었다. 다이아몬드막은 30분 동안 1200℃로 진공하에서 어닐되었다. 다이아몬드막의 라만 스펙트로스코피를 측정한 바, 제8도(b)에 도시된 바와 같이, 비다이아몬드 탄소를 나타내는 피크가 관찰되었다.
다이아몬드막이 예1과 같은 방법으로 CuW 기본재료에 부착되었다. 냉각수(온도:25℃)가, 결과로 생기는 그루브가 형성된 다이아몬드/CuW 기판의 그루브에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각매체 사이의 열저항은 0.011℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 다이아몬드층상에 실장되었다. 기판에 냉각수(온도 :25℃)가 공급되는 동안, 레이저소자가 발진되었다. 변화(특히; 발생된 파장의 변화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[예 5]
예1과 같은 방법으로 준비된 기판의 다이아몬드층상에, MPU칩(Si칩에 형성된 매우 큰 수의 회로)이 적당한 배선의 준비로 TAB기술에 의해 실장되었다.
냉각수(온도:25℃)가 기판에 형성된 유로에 흐르는 동안, 반도체장치가 오동작 없이 오랜 시간동안 동작했다.
[예 6]
제1도에 나타낸 그루브가 형성된 다이아몬드막이 예1과 같은 방법으로 준비되었다. 막은 30분 동안 800℃ 및 100Torr로 산소 분위기에서 초고주파로 처리되었다. 표본의 라만 스펙트로스코피를 측정한 바, 제8도(a)에 나타낸 바와 같은 예리한 피크가 관찰되었다.
그 다음에, 그루브가 형성된 다이아몬드막이 예1과 같은 방빕으로 CuW기본재료에 부착되었다. 냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 그루브가 형성된 다이아몬드/CuW기판의 그루브에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각매체 사이의 열저항은 0.038℃/W로 측정되었다.
[예 7]
CVD, 례이저에 의한 유로 형성, 부착:
2개의 스크래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×두께 2mm)가 공급되었다. 다이아몬드가 초고주파 플라즈마 증속CVD법에 의해 기본재료상에 성장되었다. 성장조건은 900℃의 기본재료 온도와,80Torr의 압력 및, 메탄1%-수소계를 포함한다. 하나의 기본재료에서 300시간 동안 성장하고, 다른 기본재료의 경우에서 200시간 동안 성장한 후, 성장표면은 폴리싱되고, Si 기본재료는 2개의 다이아몬드 자립막, 즉 10mm×10mm×(두께)0.3mm의 크기를 갖는 하나의막과, 10mm×10皿/(두께)0.15mm의 크기를 갖는 다른 막을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 열전도율은 17.2W/cm·K (제1 다이아몬드자립막으로 인용된 0·3mm의 두께를 갖는 하나의 막에 대해)와 16.9W/cm·K(제2 다이아몬드자립막으로 인용된 0.15mm의 두께를 갖는 다른 막에 대해)로 측정되었다.
제1 다이아몬드자립막(0.3mm의 두께를 갖는)의 한 표면상에, KrF 엑시머레이저가 제9도에 나타낸 그루브를 형성하기 위해 선집광 및 점집광되었다. 그루브는 약 150μm의 깊이와, 약 500μm의 폭 및, 약 400μm의 간격을 갖는다. Ti, Pt, Au가 다이아몬드막 양쪽에 기상성장된 후, 제1 다이아몬드자립막은 기판을 제공하기 위해 Au를 용해함으로써 제2 다이아몬드자립막에 부착되었다(제9도와 제10도 참조). Ti/Pt/Au/Pt/Ti층의 두께는 0.1μm였다. 기판의 측면은다이아몬드기판의 그루브를 통해 통과하는 냉각매체용 게이트를 갖춘다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×·0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)는 제1다이아몬드자립막상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 형성되었다. 금속(Au)배선이 다이아몬드 표면상에 종래의 패터닝에 의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 그루브에 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 면화(특히, 발생된 파장의 변화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
상기한 바와 같이 5개의 기판이 준비되었다. 5개 내지 10개의 LSI칩이 각기판상에 실장되었다. 배선을 준비하기 위한 각 기판의 구멍내기공정이 엑시머레이저에 의해 처리되었다. 결과로 생기는 구멍은 0.1 내지 0.5mm의 직경을갖는다. Au의 전기배선은 기판위와 안에서 이루어진다.
결과로 생기는 5개의 기판은 반도체장치를 제공하기 위해 적층된다. 반도체장치는 AlN으로 이루어진 종래의 MCM기판에 포함된 전체 열보다 30배 큰 전체 열을 갖는 소자를 가질 수 있었다.
냉각수(온도:25℃)가 각 기판의 유로에 공급되었고, 반도체장치는 오동작 없이 동작할 수 있었다.
[예 8]
제1 다이아몬드자립막과 제2 다이아몬드자립막이 예7과 같은 방법으로 준비되었다. 제1 다이아몬드자립막에 형성된 그루브는 제11도에 도시된 바와 같이 방사형이었다. 제1 다이아몬드자립막은 진공오븐에 배치되어 30분동안 1200℃로 어닐되었다. 제1 다이아몬드자립막의 라만 스펙트로스코괴는 제8도(b)에 도시된 바와 같이 비다이아몬드 구성에 대응하는 피크를 나타냈다. 그다음, 제2 다이아몬드자립막은 다이아몬드기판을 제공하기 위해 예7과 같은 방법으로 제1 다이아몬드자립막에 부착되었다.
상기한 바와 같이 5개의 기판이 제조되었다. 5개 내지 10개의 LSI칩이 각기판상에 실장되었다. 배선의 제조를 위해 각 기판의 구멍내기공정이 엑시머레이저에 의해 처리되었다. 결과로 생기는 구멍은 0.1 내지 0.5mm의 직경을 갖는다. Au의 전기배선은 기판의 위와 안에서 이루어진다. 결과로 생기는 5개의 기판이 반도체장치를 제공하기 위해 적층되었다. 반도체장치는 AlN으로이루어진 종래의 MCM기판에 포함된 전체 열보다 30배 큰 전체 열을 갖는 소자를 가질 수 있었다.
냉각수(온도:25℃)가 각 기판의 유로에 공급되었다. 반도체장치는 오동작없이 동작될 수 있었다.
[예 9]
HPHT합성, 레이저에 의한 유로 형성, 부착:
고온 및 고압방법으로 준비된 Ib형 다이아몬드[제1 다이아몬드자립막(81mm× 8mm×(두께)0.4mm, 열전도율 18.3W/cm·K)과 제2 다이아몬드자립막(8mm×8mm×(두께)0.2mm, 열전도율 18.3W/cm·K)]를 사용해서, 유로를 갖춘 다이아몬드 기판이 예7과 같은 방법으로 작성되었다. 제1 다이아몬드자립막의 한 표면상에 ArF 엑시머레이저가 제15도에 나타낸 그루브를 형성하기 위해 집광되었고, 그루브는 약 200μm의 깊이와, 약 350μm의 폭 및, 약 400μm의 간격을 갖는다. 유로를 통해 통과하는 냉각매체용 게이트에 대응하는 2개의 구멍(약 350μm의 직경를 갖는 원형)이 KrF 엑시머레이저를 점집광함으로써 준비되었다.
냉각수(온도:25∵)가 결과로 생기는 다이아몬드 기판의 유로에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.013℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(1mm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 제1 다이아몬드자립막상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 형성되었다.
금속(Au)배선이 다이아몬드 표면상에 종래의 패터닝에 의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 유로에 공급되었다. 레이저 소자가 발진되었고, 변화(특히, 발생된 파장의 변화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[비교예4]
AlN, 유로가 존재 :
제1 AlN자립막(10mm×10mm×(두께)0.5mm, 열전도율:1.8-1.9W/cm·K) 한 표면상에, KrF 엑시머레이저가 그루브를 형성하기 위해 예7과 같은 방법으로 집광되었다. 그루브는 약 150μm의 깊이와, 약 500μm의 폭 및,400μm의 간격을갖는다. 제1 AlN자립막이 유로를 갖춘 AlN기판을 제공하기 위해 제2 AlN자립막(1Omm×1Omm× (두께)0·3mm, 열전도율 1.8-1.9W/cm·K)에 부착되었다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 AlN기판의 유로에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.088℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 제1 AlN자립막상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 준비하기 위해 형성되었다. 금속(Au)배선이 AlN표면상에 종래의 패터닝에 의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 유로에 공급되었다. 레이저 소자가 발진되었고, 보다 더 긴 파장에 대한 발생된 파장의 단계적 시프트가 관찰되었다,
[비교예 5]
1Omm×10mm×0.5mm(열전도율:17.2W/cm·K)의 크기를 갖는 화학적 기상성장된 다이아몬드자립막이 예7과 같은 방법으로 준비되었다. 25℃의 온도를 갖는 공기가 기판의 후면에 부는 동안, 열저항은 2.8℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 레소자 실장장치를 준비하기 위해 다이아몬드막상에 실장되었다. 25℃의 온도를 갖는 공기가 기판의 후면에 부는 동안, 레이저소자가 발진되었다. 보다더 긴 파장에 대한 발생된 파장의 단계적 시프트가 관찰되었다.
[비교예 6]
CVD, 매우 좁은 유로:
제1다이아몬드자립막(크기:10mm×10mm×0.3mm, 열전도율:17.2W/cm·K)과 제2 다이아몬드자립막(크기:10mm×10mm×0.15mm, 열 전도율:17.2W/cm·K) 이 예7과 같은 방법으로 화학적 기상성장법에 의해 작성되었다. 제1 다이아몬드막상에, KrF 엑시머레이저가 제9도에 도시된 바와 같이 그루브를 형성하기 위해 예7과 같은 방법으로 집광되었다. 그루브는 약 150μm의 깊이와, 약 10μm의 폭 및, 약 990μm의 간격을 갖는다. 그루브가 형성된 제1 다이아몬드자립막이 다이아몬드 기판을 형성하기 위해 제2 다이아몬드자립막에 부착되었다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 다이아몬드/CuW기판의 유로에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.32℃/W로 측정되었다.
적외선발광 반도체레이저소자(lmm×1mm×0.5mm)(출력밀도:5.3W/cm2)가 제1다이아몬드자립막상에 실장되고, 필요한 배선이 레이저소자 실장장치를 작성하기 위해 형성되었다. 금속(Au)배선이 다이아몬드 표면상에 종래의 패터닝에의해 형성되었다.
냉각수(온도:25℃)가 레이저소자 실장장치의 그루브에 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 보다 더 긴 파장에 대한 발생된 파장의 단계적 시프트가 관찰되었다.
[예 10]
공기에서의 어닐링:
그루브가 형성된 제1 다이아몬드자립막과 제2 다이아몬드자립막이 예7과 같은 방법으로 준비되었다. 제1 다이아몬드자립막은 대기오븐에 배치되어 30분 동안 600℃로 공기에서 어닐되었다. 그 다음, 제1 다이아몬드자립막이 다이아몬드기판을 제공하기 위해 예7과 같은 방법으로 제2 다이아몬드자립막에 부착되었다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 채널화 다이아몬드 기판의 유로에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.01℃/W로 측정되었다.
레이저소자 실장장치가 예7과 같은 방법으로 작성되었다. 냉각수(은도:25℃)가 기판의 유로에 공급되었다. 레이저소자는 발진되었고, 면화(특히,발생된 파장의 면화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[예 11]
진공에서의 어닐링:
그루브가 형성된 제1 다이아몬드자립막과 제2 다이아몬드자립막이 예7과같은 방법으로 준비되었다. 제1 다이아몬드자립막은 진공오븐에 배치되어 30분 동안 1200℃로 진공하에서 어닐되었다. 제1 다이아몬드자립막의 라만 스펙트로스코괴를 측정한 바, 제8도(b)에 도시된 바와 같이, 비다이아몬드 재료를나타내는 피크가 관찰되었다. 그 다음, 제1 다이아몬드자립막이 다이아몬드기판을 작성하기 위해 예7과 같은 방법으로 제2 다이아몬드자립막에 부착되었다.
냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 기판의 유로에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.01℃/W로 측정되었다.
레이저소자 실장장치가 예7과 같은 방법으로 작성되었다. 냉각수(온도:25℃)가 기판의 유로에서 공급되었다. 레이저소자가 발진되었고, 변화(특히, 발생된 파장의 번화)는 오랜 시간동안 관찰되지 않았다.
[예 12]
예7과 같은 방법으로 준비된 기판상에, MPU칩(Si칩에 형성된 매우 큰 수의회로)이 적당한 배선의 준비로 TAB기술에 의해 실장되었다.
냉각수(온도:25℃)가 기판에 작성된 유로에 흐르는 동안, 반도체장치가 동작되었다. 장치가 오동작없이 오랫동안 동작했다.
[예 13]
CVD, 선택적 성장, 부착:
스크래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×(두께)2mm)상에, Ti의 마스크가 제3도에 도시된 바와 같이 형성되었다. 다이아몬드는 기본재료상에 열필라멘트 조력CAD법에 의해 성장되었다. 성장조건은 880℃의 기본재료 온도와 2100℃의 필라멘트 온도, 80Torr의 압력 및, 메탄2%-수소계를 포함한다. 650시간 동안 성장 후, 기본재료의 모든 주된 표면을 덮은 Si상에 성장된 다이아몬드는 Ti마스크를 포함하고, 다이아몬드의 두께는 950μm였다. 성장표면은 폴리싱되고, 마스크와 Si 기본재료는 10nlm×10mm×(두게)0.85mm의 크기를 갖는그루브가 형성된 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 산으로 용해된다. 그루브는 80μm의 깊이와, 약 300μm의 폭 및, 약 700μm의 간격을 갖는다. 열전도율은 14.8W/cm·K로 측정되었다.
결과로 생기는 그루브가 형성된 다이아몬드가 CuW합금막에 부착되었다. CuW합금막은 다이아몬드의 그루브를 통해 통과하는 냉각매체용 게이트를 임시로 갖춘다.
냉각수(온도:25∵)가 결과로 생기는 다이아몬드/CuW기판의 그루브에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.018℃/W로 측정되었다.
[예 14]
CVD, 선택적인 성장, 부착:
예13과 마찬가지로, Ti의 마스크가 스크래치된 다결정 SiC기본재료 (10mm×1Omm×(두께)4mm)상에 형성된 후, 다이아몬드가 기본재료상에 열필라멘트 CVD방법에 의해 성장되었다. 다결정 SiC기본재료는 마스크의 양단(그루브에 대응하는)에 냉각매체를 유입시기기 위한 게이트를 임시로 갖춘다.
다음에, Ti마스크만이 그루브가 형성된 다이아몬드/SiC기판을 제공하기 위해 산으로 용해되어 제거되었다. 냉각수(온도:25℃)가 결과로 생기는 다이아몬드/SiC기판의 그루브에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항은 0.025℃/W로 측정되었다.
[예 15]
상기 표면으로부터 그루브 형성:
스크래치된 다결정 Si기본재료(4mm×4mm×1mm)상에, 다이아몬드가 열필라멘트 CVD방법에 의해 성장되었다. 성장조건은 850℃의 기본재료 온도와 2100℃의 필라멘트온도, 텅스텐의 필라멘트, 100Torr의 압력 및, 메탄2%-수소계를 포함한다. 다이아몬드의 성장 후, 성장표면은 폴리싱되었고, Si기본재료는 4mm×4mm×(두께) 0.45mm의 크기를 갖는 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 열전도율은 15.9W/cm.K로 측정되었다.
KrF 엑시머레이저는 관통구멍을 형성하기 위해 결과로 생기는 다이아몬드의 측면상에 점집광된다. 구멍은 약 250μm의 높이와, 약 300μm의 폭 및, 약 300μn1의 간격을 갖는다.
유로는 냉각매체를 유입시기기 위한 입구와 출구를 갖추고 있다. 냉각수(온도:25℃)가 유로로 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드 표면 사이의 열저항은 0.012℃/W로 측정되었다.
[예 16]
에칭:
2개의 스크래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×(두께)2mm)가 준비되었다. 다이아몬드가 초고주파 플라즈마 증속CVD방법에 의해 기본재료상에 성장되었다. 성장조건은 900℃의 기본재료 온도와, 80Torr의 압력 및, 메탄1%-수소계를 포함한다. 하나의 기본재료의 경우에 300시간 동안 성장하고, 다른 기본재료의 경우에 200시간 동안 성장한 후, 성장표면은 폴리싱되고, 2개의 다이아몬드자립막 즉,10mm×10mm×(두게)0.3mm의 크기를 갖는 하나의 막(제1 다이아몬드자립막)과 10mm×10mm×(두께) 0.15mm의 크기를 갖는 다른 막을 제공하기위해 산으로 용해되었다.
약 100μm의 폭과 약 50μm의 간격을 갖는 A1 마스크패턴이 제1 다이아몬드자립막의 하나의 표면상에 형성되었다. 제1 다이아몬드자립막의 표면은 아르곤과 산소의 가스 혼합물의 사용에 의해 플라즈마 에칭되었다. 플라즈마 에칭은 200W의 RF출력전원과, 0.05Torr의 전체 압력 및,20%의 산소성분을 포함하는 조건에서 3시간 동안 처리되었다. 플라즈마 에칭 후, A1마스크는 약 100μm의 간격과 약 50μm의 폭 및, 약 50μm의 깊이를 갖는 그루브가 형성된 제1 자립막을 제공하기 위해 산으로 용해되어 제거되었다.
Ti, Pt, Au가 양쪽 다이아몬드막상에 기상성장된 후, 제1 다이아몬드자립막은 기판을 제공하기 위한 Au층을 녹임으로써 제2 다이아몬드자립막에 부착된다. Ti/Pt/Au/Pt/Ti층의 두께는 1μm였다.
냉각수(온도:25℃)가 기판의 유로에 공급되었다. 냉각수와 다이아몬드표면 사이의 열저항은 0.021℃/W로 측정되었다.
[예 17]
2개의 스크래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×(두께)2mm)가 제공되었다. 다이아몬드는 초고주파 플라즈마 증속CVD방법에 의해 기본재료상에 성장되었다. Si기본재료의 하나는 약 60μm의 깊이와, 약 100μm의 폭 및, 약 200μm의 간격을 갖는 그루브를 임시로 갖춘다. 성장조건은 900℃의 기본재료 온도와, 80Torr의 압력 및, 메탄1%-수소계를 포함한다. 성장 후, 성장표면은 폴리싱되고, Si기본재료는 2개의 다이아몬드자립막, 즉 10mm×10mm×(두께)0.3mm의 크기를 갖는 하나의 막(제1 다이아몬드자립막)과 10mm×10mm×(두게)0.151皿의 크기를 갖는 다른 막(제2 다이아몬드자립막)을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 제1 다이아몬드자립막이 그루브가 형성된 Si기본재료상에 형성되었기 때문에, 약 60μn1의 깊이와, 약200μm의 폭 및, 약 100μm의 간격을 갖는 그루브가제1 다이아몬드자립막상에 형성된다. 열전도율은 15.9W/cm·K(제1 다이아몬드자립막)과 18.2W/cm·K(제2 다이아몬드자립막)로 측정되었다.
2개의 다이아몬드자립막은 기판을 제공하기 위해 부착되었다. 냉각수(온도:5℃)가 기판의 유로에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항은 0.017℃/W로 측정되었다.
[예 18]
2개의 스크래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×(두께)2mm)가 준비되었다. 다이아몬드가 열필라멘트 조력된 플라즈마CVD방법에 의해 기본재료상에 성장되었다. 2개의 Si기본재료의 각각은 약 20μm의 두께와, 약 100μm의 폭및, 약 20μm의 간격을 갖는 몰리브덴막을 임시로 갖춘다. 성장조건은 850℃의 기본재료 온도와, 2100℃의 필라멘트 온도, 텅스텐의 필라멘트, 100Torr의 압력 및, 메탄2%-수소계를 포함한다. 성장 후, 성장표면은 폴리싱되고, 몰리브 덴막과 Si기본재료는 2개의 다이아몬드자립막 즉,10mm×10mm×(두께)0.3mm의 크기를 갖는 하나의 막(제1 다이아몬드자립막)과 10mm×101皿×(두께)0.15mm의 크기를 갖는 다른 막(제2 다이아몬드자립막)을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 약 40μm의 깊이와, 200μm의 폭 및, 약 100μm의 간격을 갖는 그루브는 제1및 제2 다이아몬드자립막에 형성되었다. 열전도율은 15.2W/cm·K(제1 다이아몬드자립막)와 16.9W/cm·K(제2 다이아몬드자립막)로 측정되었다.
2개의 다이아몬드자립막은 이 2개의 막의 고루브가 기판을 제공하기 위해 정합되도록 Ti/Pt/Au/Pt/Ti층을 사용하여 부착된다. 냉각수(온도:25℃)가 기판의 유로에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항은 0,018℃/W로 측정되었다.
[예 19]
1개의 스그래치된 다결정 Si기본재료(10mm×10mm×(두께)2mm)가 준비되었다. 다이아몬드는 열필라멘트 조력된 CVD방법에 의해 기본재료상에 성장된다. 성장조건은 850℃의 기본재료 온도와, 2100℃의 필라멘트 온도, 텅스텐의 필라멘트,100Torr의 압력 및, 메탄2%-수소계를 포함한다. 성장 후, 성장표면은 폴리싱되고, Si기본재료는 10mm×10mm×(두께)0.15mm의 크기를 갖는 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 약 5μm의 두게와,100μm의 폭 및, 약 200μm의 간격을 갖는 몰리브덴막이 자립막상에 기상성장된 후, 다이아몬드막이 상기와 같은 방법으로 형성되었다. 성장표면은 폴리싱되고, 몰리브덴막은 450μm의 두께를 갖는 기판을 제공하기 위해 산으로 용해되었다. 기판의 유로는 약 60μm의 높이와, 약 200μm의 폭 및, 약 100μm의 간격을 갖는다.
냉각수(온도:25℃)가 기판의 유로에 공급되었다. 다이아몬드 표면과 냉각수 사이의 열저항은 0.02℃/W로 측정되었다.
[발명의 효과]
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 방열기판은, 높은 방열특성을 갖는다. 따라서, 기판이 단위 면적당 매우 큰 발열량을 갖는 소자일 경우, 예컨대 종래의 기판을 성공적으로 처리할 수 없는 고에너지밀도를 갖는 레이저칩일 경우, 현저한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 소자가 오랫동안 안정하게 동작할 수 있도록 높은 방열특성을 갖는 소자실장장치를 제공한다.
또한, 매우 큰 실장밀도와 뛰어난 방열특성을 갖는 반도체장치를 제공한다. 또, 고성능의 소형 및 저비용의 정보처리장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 기판을 제조하는 방법에 의하면, 높은 방열특성을 갖는 기판을 쉽게 제공할 수 있다.

Claims (56)

  1. 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖춤과 더불어 기본재료상에 위치한 고열전도율 재료층을 구비하여 구성되고, 냉각매체를 통과시기기 위한 유로가 상기 기본재료와 고열전도율 재료층간 경계부의 고열전도율 재료층 측에만 제공되는 것을 특징으로 하는 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고열전도율 재료층이 다이아몬드인 것을 특징 으로 하는 기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 준비 되는 것을 특징으로 하는 기판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시키기 위한 유로의 깊이가 적어도 50μm이고, 상긴 고열전도율 재료층 두께의 90% 이하인 것을 특징으로 하는 기판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 폭이 20μm∼10mm인 것을 특징으로 하는 기판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로간의 간격이 20μm∼ 10mm인 것을 특징으로 하는 기판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유로간의 간견(b)대 유로의 폭(a)의 비율이 0.02≤(a/b)≤50 인 것을 특징으로 하는 기판.
  8. 제1항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로가 기판의 중앙부로부터 기판의 주번부로 방사형 및 나선형으로 배치된 것을 특징으로 하는 기판.
  9. 제1항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시키기 위한 유로의 표면이 냉각매
    체에 대한 흡수력을 증가시기도록 처리되는 것을 특징으로 하는 기판.
  10. 적어도 10W/cm·K의 열전도율을 갖춤과 더불어 기본재료상에 위치한 고열전도율 재료층을 구비하여 구성되고 냉각매체를 통과시기기 위한 유로가 상기 기본재료와 고열전도율 재료층간 경계부의 고열전도율 재료층측에만 제공되는 것을 특징으로 하는 방열기판.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고열전도율 재료층이 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  12. 제11항에 있어서, 상기 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 준비되는 것을 특징으로 하는 방열기판.
  13. 제10항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 깊이가 적어도 50μm이고, 상기 고열전도율 재료층 두께의 90% 이하인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  14. 제10항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 폭이 20μm ∼ 10mm인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  15. 제10항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로간의 간격이 20μm ∼ 10mm인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  16. 제10항에 있어서, 상기 유로간의 간견(b)대 유로의 폭(a)의 비율이 0.02≤(a/b)≤50인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  17. 제10항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로가 기판의 중앙부로부터 기판의 주변부로 방사형 및 나선형으로 배치된 것을 특징으로 하는 방열기판.
  18. 제10항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 표면이 냉각매체에 대한 흡수력을 증가시기도록 처리된 것을 특징으로 하는 방열기판.
  19. 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료층이 기본재료상에 배치되고, 상기 기본재료와 고열전도율 재료층간 경계부의 고열전도율 재료층측에만 냉각매체를 통과시키기 위한 유로를 구비하며, 적어도 1W/cm2의 최대 발열밀도를 갖는 하나의 발열소자가 상기 고열전도율 재료층상에 실장되는 것을 특징으로 하는 소자실장장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 발열소자가 반도체소자인 것을 특징으로 하는 소자실장장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 반도체소자가 반도체레이저인 것을 특징으로 하는 소자실장장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 반도체소자가 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 소자실장장치.
  23. 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트에 개재되는 냉각매체를 통과시기기 위한 적어도 하나의 유로를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 기판.
  24. 제23항에 있어서, 상기 고열전도율 재료층이 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 기판.
  25. 제24항에 있어서, 상기 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 준비되는 것을 특징으로 하는 기판.
  26. 제23항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 깊이가 적어도 50μm이고, 상기 고열전도율 재료층 두께의 90% 이하인 것을 특징으로 하는 기판.
  27. 제23항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 폭이 20μm ∼ 10mm인 것을 특징으로 하는 기판.
  28. 제23항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로간의 간견이 20μm ∼ 10mm인 것을 특징으로 하는 기판.
  29. 제23항에 있어서, 상기 유로간의 간격(b)대 유로의 폭(a)의 비율이 0.02≤(a/b)≤50인 것을 특징으로 하는 기판.
  30. 제23항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로가 기판의 중앙부로부터 기판의 주면부로 방사형 및 나선형으로 배치된 것을 특징으로 하는 기판.
  31. 제23항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 표면이 냉각매체에 대한 흡수력을 증가시기도록 처리된 것을 특징으로 하는 기판.
  32. 적어도 10W/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트에 개재되는 냉각매체를 통과시기기 위한 적어도 하나의 유로를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 방열기판.
  33. 제32항에 있어서, 상기 고열전도율 재료층이 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  34. 제33항에 있어서, 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 준비되는 것을 특징으로 하는 방열기판.
  35. 제32항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 깊이가 적어도 50μm이고, 상기 고열전도율 재료층 두께의 90% 이하인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  36. 제32항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 폭이 20μm∼10mm인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  37. 제32항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로간의 간격이 20μm ∼ 10mm인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  38. 제32항에 있어서, 상기 유로간의 간격(b)대 유로의 폭(a)의 비율이 0.02≤(a/b)≤50인 것을 특징으로 하는 방열기판.
  39. 제32항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로가기판의 중앙부로부터 기판의 주면부로 방사형 및 나선형으로 배치된 것을 특징으로 하는 방열기판.
  40. 제32항에 있어서, 상기 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 표면이 냉각매체에 대한 흡수력을 증가시기도록 처리된 것을 특징으로 하는 방열기판.
  41. 냉각매체를 통과시기기 위한 적어도 하나의 유로가 적어도 10W/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 기판에 개재되고, 적어도 1W/cm2의 최대 발열밀도를 갖는 적어도 하나의 발열소자가 기판상에 실장되는 것을 특징으로 하는 소자실장장치.
  42. 적어도 2개의 적층된 기판을 구비한 반도체장치에 있어서, 적어도 하나의 유로가 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 각 기판에 개재되고, 적어도 하나의 소자가 각 기판에 실장되며, 소자 사이를 접속하기 위한 금속배선이 기판내에 또는 기판상에 배치되는것을 특징으로 하는 반도체장치.
  43. (a) 주표면상에 냉각매체를 통과시기기 위한 유로를 형성하기 위해 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 하나의 주표면상에 레이저광 처리를 실시하는 단계와,
    (b) 기본재료에 상기 처리된 기판을 부착하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 레이저광이 엑시머레이저광인 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  45. 제43항에 있어서, 상기 고열전도율 재료가 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 다이아몬드가 화학적 기상성장법에 의해 준비되는 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  47. 제43항에 있어서, 상기 냉각매체에 의해 흡수력을 증가시기도록 냉각매체를 통과시기기 위한 유로의 표면을 처리하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  48. (a) 표면상에 냉각매체를 통과시기기 위한 유로를 형성하기 위해 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 하나의 주표면상에 레이저광 처리를 실시하는 단계와,
    (b) 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 또 다른 플레이트에 상기 처리된 표면을 부착하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  49. 냉각매체를 통과시기기 위한 위한 유로를 형성하기 위해, 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트 측표면에 레이저광 처리를 실시하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  50. (a) 적어도 10W/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트의 하나의 주표면상에 부분적으로 마스크를 제공하는 단계와,
    (b) 냉각매체를 통과시키기 위한 유로를 형성하기 위해, 마스크가 없는 부분을 선택적으로 에칭하는 단계,
    (c) 마스크를 제거하는 단계 및,
    (d) 기본재료에 에칭된 표면을 부착하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법
  51. 제50항에 있어서, 상기 기본재료가 적어도 1OW/cm·K의 열전도율을 갖는 고열전도율 재료로 이루어진 플레이트인 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  52. 제50항에 있어서, 산소를 함유한 불활성 가스 또는 산소플라즈마에 의해 처리된 마스크가 없는 부분을 선택적으로 에칭하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  53. a) 플레이트재료상에 그루브를 형성하는 단계와,
    b) 상기 플레이트재료상에 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드를 성장하는 단계,
    c) 그루부가 형성된 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 상기 플레이트 재료를 제거하는 단계 및,
    d) 상기 기본재료에 다이아몬드막의 그루브가 형성된 표면을 부착하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  54. 제53항에 있어서, 상기 기본재료가 다이아몬드자립막인 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  55. (a) 기본재료상에 마스크를 제공하는 단계와,
    (b) 상기 기본재료상에 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드를 성장하는 단계 및,
    (c) 냉각매체를 통과시키기 위한 유로를 제공하기 위해 상기 마스크를 제거하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
  56. (a) 플레이트재료상에 마스크를 제공하는 단계와,
    (b) 플레이ㅌ재료상에 화학적 기상성장법에 의해 다이아몬드를 성장하는 단계,
    (c) 그루브가 형성된 다이아몬드자립막을 제공하기 위해 상기 플레이트 재료와 마스크를 제거하는 단계 및,
    (d) 상기 기본재료에 다이아몬드막의 그루브가 형성된 표면을 부착하는 단계를 이루어진 것을 특징으로 하는 기판의 제조방법.
KR1019950045215A 1994-11-30 1995-11-30 기판, 반도체장치, 소자실장장치 및 기판의 제조방법 KR100275247B1 (ko)

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JP94-296363 1994-11-30
JP29636394A JPH08152955A (ja) 1994-11-30 1994-11-30 ３次元座標位置検出装置及び３次元座標位置表示装置
JP94-296351 1994-11-30
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KR20130106770A (ko) * 2010-07-26 2013-09-30 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 반도체 디바이스의 제조 방법

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