特許 7560276 積層体および積層体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-24

(45)【発行日】2024-10-02

(54)【発明の名称】積層体および積層体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240925BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240925BHJP

   B32B 7/025 20190101ALI20240925BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 Z

H05K7/20 F

H05K7/20 R

H05K7/20 B

B32B7/025

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020105463

(22)【出願日】2020-06-18

(65)【公開番号】P2021197534

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2023-02-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000004640

【氏名又は名称】日本発條株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 知典

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 慎二

(72)【発明者】

【氏名】水野 克美

【審査官】佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２７０７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２０００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０６３４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０２８１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０７７３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１２３２６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｂ３２Ｂ ７／０２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、液体を保持する密閉された空間が形成され、前記電子部品への通電が可能なベイパーチャンバーであり、
当該ベイパーチャンバーは、ウィック構造を形成する、
ことを特徴とする積層体。

【請求項2】

前記ベイパーチャンバーの内部には、柱状のカラムが複数設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の積層体。

【請求項3】

前記ベース部は、ヒートシンクである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の積層体。

【請求項4】

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、
を含み、
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るベイパーチャンバーであり、
当該ベイパーチャンバーは、ウィック構造を形成する、
ことを特徴とする積層体の製造方法。

【請求項5】

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、
ことを特徴とする請求項４に記載の積層体の製造方法。

【請求項6】

前記第２積層ステップは、前記第１積層ステップと同時に行われ、
前記絶縁層と前記熱伝導部材とが同時に形成される、
ことを特徴とする請求項４に記載の積層体の製造方法。

【請求項7】

前記第１および第２積層ステップは、オートクレーブを用いて行われる、
ことを特徴とする請求項６に記載の積層体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層体および積層体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－０５７４０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【発明の効果】

【0013】

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。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】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2】図２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（その１）である。

【図3】図３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（その２）である。

【図4】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（その３）である。

【図5】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。

【図6】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】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8】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9】図９は、変形例１に係る積層体の製造方法を示す図（その１）である。

【図10】図１０は、変形例１に係る積層体の製造方法を示す図（その２）である。

【図11】図１１は、変形例２に係る積層体の構成を示す図である。

【図12】図１２は、従来の積層体の構成の一例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

（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。

【0017】

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。

【0018】

絶縁層１２は、絶縁性を有する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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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）

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

（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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

（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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】