(57)【要約】【課題】気密性に優れたグラファイト複合体を提供する。【解決手段】異方性グラファイト（１）および無機材質層（２’）を備えるグラファイト複合体（３）において、当該無機材質層に１以上の固着部（４）を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性グラファイトおよび第１の無機材質層を備えるグラファイト複合体であって、
Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、
前記異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行であり、
前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、
前記第１の無機材質層が１以上の固着部を有する、グラファイト複合体。
【請求項２】
異方性グラファイト、第１の無機材質層および第２の無機材質層を備えるグラファイト複合体であって、
Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、
前記異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される表面と平行であり、
前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、
前記第２の無機材質層は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行に設けられ、かつ前記異方性グラファイトとＸ軸および／またはＹ軸方向に接合しており、
前記第２の無機材質層が１以上の固着部を有する、グラファイト複合体。
【請求項３】
前記固着部が凹構造または凸構造である、請求項１または２に記載のグラファイト複合体。
【請求項４】
前記固着部は凹構造であり、
当該凹構造において、前記異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径が、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満である、請求項３に記載のグラファイト複合体。
【請求項５】
前記固着部は凹構造の貫通孔であり、
当該凹構造において、前記異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が、前記異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径よりも大きい、請求項３または４に記載のグラファイト複合体。
【請求項６】
前記固着部は、前記異方性グラファイトの外縁部から前記第１の無機材質層の中心部に向かって、３ｍｍ以内に設けられている、請求項１に記載のグラファイト複合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のグラファイト複合体、半導体チップおよび封止材料を備える、半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はグラファイト複合体および半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
異方性グラファイトは、グラファイトの結晶配向面に対して平行な方向への熱伝導率は高いが、垂直な方向への熱伝導率が低いという性質を有する。異方性グラファイトとしては、例えばグラファイトの積層体が知られている。
【０００３】
異方性グラファイトは、その優れた熱伝導性のため、半導体パッケージにおいて、上部に配置している半導体素子から発生する熱が集中しないように、熱を半導体素子から冷却器に効果的に移動させて、放熱する材料として利用される。
【０００４】
例えば、特許文献１には、グラファイト、またはグラファイトと金属との複合材料である熱伝導性板材が、板厚方向に複数積層された積層体として形成された熱拡散体と、発熱体と、絶縁板と、冷却器とを備え、さらに、熱拡散体と発熱体との界面に金属板が配置されている、発熱体の冷却装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２５８７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
異方性グラファイトを半導体パッケージの放熱板として用いる場合、層状構造物である異方性グラファイトの層間または異方性グラファイトと封止材料との接合面から、酸素および水分が侵入し、半導体パッケージに欠陥が発生する可能性があるとの技術的課題につき、本願発明者らは独自に見出した。例えば、特許文献１のように、熱拡散体と発熱体との界面に平滑な金属層を形成した場合、封止材料との接合性が保てず、気密性を十分に確保することができないことが、本願発明者らの検討の結果、明らかとなった。
【０００７】
本発明の一態様は、気密性に優れた半導体パッケージを製造するためのグラファイト複合体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】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、異方性グラファイトおよび無機材質層を備えるグラファイト複合体において、当該無機材質層に１以上の固着部を形成することにより、そのグラファイト複合体を備える半導体パッケージは気密性が優れることを見出し、本発明を完成させた。本発明は、以下を包含する。
〔１〕異方性グラファイトおよび第１の無機材質層を備えるグラファイト複合体であって、Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、前記異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行であり、前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、前記第１の無機材質層が１以上の固着部を有する、グラファイト複合体。
〔２〕異方性グラファイト、第１の無機材質層および第２の無機材質層を備えるグラファイト複合体であって、Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、前記異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される表面と平行であり、前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、前記第２の無機材質層は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行に設けられ、かつ前記異方性グラファイトとＸ軸および／またはＹ軸方向に接合しており、前記第２の無機材質層が１以上の固着部を有する、グラファイト複合体。
〔３〕前記固着部が凹構造または凸構造である、〔１〕または〔２〕に記載のグラファイト複合体。
〔４〕前記固着部は凹構造であり、当該凹構造において、前記異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径が、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満である、〔３〕に記載のグラファイト複合体。
〔５〕前記固着部は凹構造の貫通孔であり、当該凹構造において、前記異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が、前記異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径よりも大きい、〔３〕または〔４〕に記載のグラファイト複合体。
〔６〕前記固着部は、前記異方性グラファイトの外縁部から前記第１の無機材質層の中心部に向かって、３ｍｍ以内に設けられている、請求項１に記載のグラファイト複合体。
〔７〕〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載のグラファイト複合体、半導体チップおよび封止材料を備える、半導体パッケージ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、気密性に優れた半導体パッケージを製造するためのグラファイト複合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体を模式的に示す分解図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体を第１の無機材質層の上面側から見た模式図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態について以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、以下に説明する各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態や実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された学術文献及び特許文献の全てが、本明細書中において参考文献として援用される。また、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上Ｂ以下」を意図する。
【００１２】
〔グラファイト複合体〕
本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体は、異方性グラファイトおよび第１の無機材質層を備えるグラファイト複合体であって、Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、前記異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行であり、前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、前記第１の無機材質層が１以上の固着部を有する。なお、本明細書でいう「Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸」は、図１に示すものを意図する。
【００１３】
また、本発明の他の実施形態に係るグラファイト複合体は、異方性グラファイト、第１の無機材質層および第２の無機材質層を備えるグラファイト複合体であって、Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、前記異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される表面と平行であり、前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、前記第２の無機材質層は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行に設けられ、かつ前記異方性グラファイトとＸ軸および／またはＹ軸方向に接合しており、前記第２の無機材質層が１以上の固着部を有する。
【００１４】
＜異方性グラファイト＞
本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体は、異方性グラファイトを備え、当該異方性グラファイトの結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行である。異方性グラファイトは、結晶配向面に優れた熱伝導性を有しているため、異方性グラファイトの結晶配向面が、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行であることにより、異方性グラファイトの厚み方向（Ｚ軸方向）に熱を拡散させることができる。
【００１５】
異方性グラファイトの立体形状は、当該異方性グラファイトの結晶配向面が、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行である限りにおいて、特に限定されない。異方性グラファイトの側面の形状としては、正方形、長方形、台形、階段状等が挙げられる。優れた熱伝導率を示すという観点からは、異方性グラファイトの立体形状は、直方体が好ましい。
【００１６】
異方性グラファイトのＸ軸方向に向かって伸びる複数の辺のうち最も長い辺の長さは、５ｍｍ以上３００ｍｍ未満であることが好ましい。
【００１７】
異方性グラファイトのＹ軸方向に向かって伸びる複数の辺のうち最も長い辺の長さは、５ｍｍ以上３００ｍｍ未満であることが好ましい。
【００１８】
異方性グラファイトのＺ軸方向に向かって伸びる複数の辺のうち最も長い辺の長さは、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ未満であることが好ましい。
【００１９】
＜異方性グラファイトの製造方法＞
異方性グラファイトは、炭素原子の六員環が共有結合で繋がったグラフェン構造が面方向に高熱伝導性を有するグラファイトブロックを所定の形状に切断することで製造可能である。
【００２０】
グラファイトブロックの製造方法としては、炭素原子の六員環が共有結合で繋がったグラフェン構造の結晶配向面に高熱伝導性を有するものであれば特に制限はされず、高分子分解グラファイトブロック、熱分解グラファイトブロック、押出成形グラファイトブロック、モールド成形グラファイトブロックなどを用いることが可能である。中でも、グラファイトブロックは、六員環が共有結合で繋がったグラフェン構造の結晶配向面に１５００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率を有し、異方性グラファイトの熱伝達性が優れる観点から、高分子分解グラファイトブロック、または、熱分解グラファイトブロックを使用することが好ましい。
【００２１】
グラファイトブロックの第一の製造方法では、メタンなどの炭素質ガスを炉内に導入し、ヒーターで２０００℃程度まで加熱し、微細な炭素核を形成する。形成された炭素核は、基板上に堆積して層状に堆積し、熱分解グラファイトブロックを得ることができる。また、得られた熱分解グラファイトブロックを２８００℃以上まで熱処理することで、配向性を向上させることもできる。
【００２２】
グラファイトブロックの第二の製造方法では、ポリイミド樹脂などの高分子フィルムを多層に積層した後、プレス加圧しながら熱処理する。具体的には、まず、出発物質である高分子フィルムを多層に積層したものを、減圧下または不活性ガス中で、１０００℃程度の温度まで予備加熱処理して炭素化し、炭素化ブロックとする。その後、この炭素化ブロックを不活性ガス雰囲気下、プレス加圧しながら、２８００℃以上の温度まで熱処理することによりグラファイト化させることで、良好なグラファイト結晶構造を形成することができ、熱伝導性に優れたグラファイトブロックを得ることができる。ポリイミドフィルムを1枚ずつ焼成し、炭素化フィルムを作製し、得られた炭素化フィルムを多層に積層した後、２８００℃以上の温度まで熱処理することによっても、優れたグラファイトブロックを得ることができる。
【００２３】
グラファイトブロックを切断する方法としては、ダイヤモンドカッター、ワイヤーソー、マシニングなど公知の技術を適宜選択することが可能であるが、略直方体形状に容易に加工できる観点で、ワイヤーソーが好ましい。
【００２４】
また、切断されたグラファイトブロックの表面を研磨または粗面化してもよく、やすり研磨、バフ研磨、ブラスト処理など公知の技術を適宜用いることも可能である。
【００２５】
＜無機材質層＞
本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体は、第１の無機材質層を備え、当該第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、前記第１の無機材質層が１以上の固着部を有する。異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しているとは、例えば、異方性グラファイトの上面に接合している態様が挙げられる。
【００２６】
また、本発明の他の実施形態に係るグラファイト複合体は、第１の無機材質層および第２の無機材質層を備え、前記第１の無機材質層は、前記異方性グラファイトとＺ軸方向に接合しており、前記第２の無機材質層は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行に設けられ、かつ前記異方性グラファイトとＸ軸および／またはＹ軸方向に接合しており、前記第２の無機材質層が１以上の固着部を有する。異方性グラファイトとＸ軸および／またはＹ軸方向に接合しているとは、異方性グラファイトの側面のうち少なくとも一面に接合していることを意図する。
【００２７】
無機材質層を備えるグラファイト複合体は、異方性グラファイトのみからなるグラファイト複合体よりも強度および放熱性に優れる。また、異方性グラファイトよりも無機材質層の方が、半導体チップなどの放熱体と接合しやすい。
【００２８】
無機材質層としては、金属層およびセラミックス層が挙げられる。異方性グラファイトの結晶配向面に垂直な方向（Ｙ軸方向）へは、熱が相対的に伝わりにくい。そのため、熱伝導率が比較的高く、等方性の材料と接合することで、異方性グラファイトのＹ軸方向の熱伝導性を補うことができ、より高い放熱効果を発現することができる。
【００２９】
金属層を形成する金属の種類としては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン、およびこれらを含む合金など公知の材料を適宜用いることができる。
【００３０】
セラミックス層を形成するセラミックスの種類としては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミなど公知の材料を適宜用いることができる。
【００３１】
熱伝導性をより高める観点からは、無機材質層としては、金属層が好ましく、金属層を形成する金属としては、銅が好ましい。
【００３２】
第１の無機材質層の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以上３００μｍ以下がより好ましい。
【００３３】
第２の無機材質層の厚さは、５０μｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１００μｍ以上３００μｍ以下がより好ましい。
【００３４】
無機材質層の厚さが上記構成であれば、異方性グラファイトの熱が相対的に伝わりにくい方向の熱伝導性を補うことができ、さらに、異方性グラファイトの高い熱伝導率を阻害することがない。
【００３５】
本発明の一実施形態では、前記無機材質層により、前記異方性グラファイトのすべての側面が覆われていることが好ましい。グラファイト複合体がこの構成を備えることにより、当該グラファイト複合体を備える半導体パッケージにおいて、ガス透過性をより低減することができ、半導体パッケージの気密性を向上することができる。
【００３６】
前記無機材質層により、前記異方性グラファイトの全面が覆われている構成としては、例えば、枠方式および有底枠方式が挙げられる。枠方式および有底枠方式については、〔グラファイト複合体の製造方法〕において詳述する。枠方式または有底枠方式を採用することにより、無機材質層の界面をより減らす構成とすることができる。これにより、半導体パッケージのガス透過性をより軽減することができ、半導体パッケージの気密性を向上することができる。すなわち、異方性グラファイトの各面に無機材質層を別々に形成するよりも、すべての側面が一体となっている中空枠または、すべての側面および底面が一体となっている有底枠の方が気密性に優れる。
【００３７】
＜固着部＞
本発明の一実施形態において、無機材質層は１以上の固着部を有する。当該固着部は、後述するように、半導体パッケージを構成する封止材料と接合することにより、当該封止材料とグラファイト複合体との密着性を向上させるためのものである。本構成により、本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体を備える半導体パッケージの気密性が向上する。
【００３８】
前記固着部は、凹構造または凸構造であることが好ましい。例えば、固着部が凹構造である場合、半導体パッケージを構成する封止材料が当該固着部の凹部の内部に入り込むことで封止材料とグラファイト複合体との密着性が向上する。また、固着部が凸構造である場合、当該凸構造の周りに封止材料が絡みつく構成となり、封止材料とグラファイト複合体との密着性が向上する。
【００３９】
以下、図面を用いて、本願発明の一実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００４０】
第１の無機材質層に形成されている前記固着部が、凹構造である場合のグラファイト複合体の一例を図１〜３を用いて説明する。図１は、グラファイト複合体３を構成する異方性グラファイト１と第１の無機材質層２’とを模式的に示す分解図である。図２は、本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体３の斜視図であり、図３は、本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体３の断面図である。
【００４１】
図１〜３に示すように、グラファイト複合体３は、上面を構成する第１の無機材質層２’、側面および底面を構成する第２の無機材質層２”、異方性グラファイト１を備える。図１に示すように、Ｘ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸において、異方性グラファイト１の結晶配向面は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行である。第１の無機材質層２’は、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面と平行に設けられ、異方性グラファイト１とＺ軸方向に接合している。
【００４２】
図２，３に示すように、異方性グラファイト１は、第１の無機材質層２’および第２の無機材質層２”により周囲を覆われている。図１でいうＸ軸、Ｘ軸と直交するＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とによって規定される平面に垂直なＺ軸を用いて説明すると、第２の無機材質層２”は、Ｘ軸とＺ軸とによって規定される平面と平行に設けられ、かつ異方性グラファイト１とＸ軸および／またはＹ軸方向に接合している。第１の無機材質層２’には、固着部４が形成されており、当該固着部４は、凹構造の貫通孔である。
【００４３】
凹構造は、図１〜３に示すような貫通孔に限定されず、図４に示すように、非貫通の穴であってもよい。
【００４４】
固着部４が凹構造である場合、当該凹構造において、異方性グラファイト１と接する側の裏面側の開口部４Ａの直径が、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満であることが好ましく、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることがより好ましい。異方性グラファイト１と接する側の裏面側の開口部４Ａの直径が当該構成であることにより、凹構造の内部に封止材料が入り込むことで封止材料との密着性が向上し、半導体パッケージの気密性が向上する。
【００４５】
また、前記固着部が、凹構造の貫通孔である場合、当該凹構造において、異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が、前記異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径よりも大きいことが好ましい。図５に、固着部４において、異方性グラファイト１と接する側の開口部４Ｂの直径が、異方性グラファイト１と接する側の裏面側の開口部４Ａの直径よりも大きい、グラファイト複合体３の断面図を示す。図５に示すように、第１の無機材質層２’は、異方性グラファイト１と接する側の開口部４Ｂの直径が、前記異方性グラファイト１と接する側の裏面側の開口部４Ａの直径よりも大きい固着部４を備えている。当該構成により、凹構造の貫通孔内部に入り込んだ封止材料が脱け難くなるため、封止材料とグラファイト複合体との密着性が一層向上し、半導体パッケージの気密性が向上する。
【００４６】
第１の無機材質層において固着部の形成箇所は、封止材料と接する場所である限りにおいて、特に限定されない。例えば、図１〜５に示すように、図中、Ｚ軸方向である、第１の無機材質層２’の上面に設けられることが好ましい。
【００４７】
また、第１の無機材質層２’に形成される固着部４は、図２，３に示すように、異方性グラファイト１の外縁部１Ａから第１の無機材質層２’の中心部２’Ａに向かって、一定距離の間に設けられていることが好ましい。前記一定距離は、特に限定されないが、好ましくは異方性グラファイト１の外縁部１Ａから第１の無機材質層２’の中心部２’Ａに向かって、３ｍｍ以内であることが好ましい。
【００４８】
また、図６および図７に示すように、固着部４は、第１の無機材質層２’の外縁部に接して設けられていてもよい。本構成により、簡便に固着部４を形成することができる。固着部４が、第１の無機材質層２’の外縁部に接して設けられている場合、第１の無機材質層２’に形成される固着部４は、異方性グラファイト１の外縁部１Ａから第１の無機材質層２’の中心部２’Ａに向かって３ｍｍ以内である場合に包含される。なお、図６は、本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体３の断面図であり、図７は、当該グラファイト複合体３を第１の無機材質層２’の上面側から見た模式図である。
【００４９】
〔グラファイト複合体の製造方法〕
本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体は、異方性グラファイトに無機材質層を形成することで製造することができる。
【００５０】
無機材質層の形成方法としては、例えば、めっき、スパッタあるいは無機材質層の板を異方性グラファイトに接合する方法が挙げられる。
【００５１】
接合材としては、金属層、樹脂層等が挙げられる。金属層の種類としては、特に限定されないが、めっき、金属系ろう材を含む金属層を用いることが好ましい。めっきを用いる場合には、金属層と無機材質層とが一体となる場合もある。
【００５２】
金属層として金属系ろう材を用いる場合、金属系ろう材は、異方性グラファイトとの拡散接合が可能である。また、金属系ろう材自体の熱伝導率が比較的高いため、得られるグラファイト複合体が高い熱伝導性を維持することができる。
【００５３】
金属系ろう材の種類については、特に制限されないが、同様の観点で銀、銅および／またはチタンを含むことが好ましい。
【００５４】
金属系ろう材を用いた場合の接合方法として、公知の材料並びに公知の技術を用いることが出来る。例えば、接合剤として活性銀ろうを用いた場合、１×１０−３Ｐａの真空環境、および７００〜１０００℃の温度範囲で１０分から１時間加熱し、これを常温まで冷却することにより接合することが可能である。また、接合状態を良好にするために、加熱時に加重をかけても良い。
【００５５】
金属系ろう材を用いて、無機材質層を異方性グラファイトの全面に接合する場合、無機材質層として中空枠または有底枠を用いた方式が好ましい。異方性グラファイトの各面にそれぞれ無機材質層を接合する場合に比べ、無機材質層同士の界面が減るため、効率的に熱を拡散することができる。
【００５６】
無機材質層として中空枠を用いた方式（本明細書中、「枠方式」とも記載される）では、中空枠（第２の無機材質層）、異方性グラファイト、ふたするように配する第１の無機材質層、および接合材である金属系ろう材または半田を配置し、加熱接合することで作製することができる。このとき金属系ろう材は、予め無機材質層に予備接着されているとより効率的に接合することができる。
【００５７】
有底枠の作製方法は特に制限されないが、金属板またはセラミックプレートから削り出す方法、箱曲げ加工、絞り加工など適宜選択することができる。このようにして作製された有底枠は、有底枠（第２の無機材質層）、異方性グラファイト、ふたするように配する第１の無機材質層、および接合材である金属系ろう材または半田を配置し、加熱接合することで作製することができる。このとき金属系ろう材は、予め無機材質層および有底枠に予備接着されているとより効率的に接合することができる。また、有底枠の底面またはふた（第１の無機材質層）に固着部を設けた後、異方性グラファイトと接合することで、効率的に本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体を得ることができる。
【００５８】
接合剤からなる接合層の厚さは、特に制限されないが、接合材としての良好な界面接着性を有する観点と、熱抵抗の増加を抑制する観点から、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、８μｍ以上１７μｍ以下であることがより好ましい。
【００５９】
〔半導体パッケージ〕
本発明の一実施形態に係る半導体パッケージは、本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体、半導体チップおよび封止材料を備えている。本発明の一実施形態に係る半導体パッケージは、本発明の一実施形態に係るグラファイト複合体を備えているため、気密性に優れる。
【００６０】
本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの構成を図８に基づいて説明する。図８は、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージ９の断面図である。
【００６１】
図８に示すように、半導体パッケージ９は、グラファイト複合体３、半導体チップ５、封止材料６、ボンディングワイヤ７、リードフレーム８を備えている。グラファイト複合体３は、異方性グラファイト１、第１の無機材質層２’、第２の無機材質層２”から構成される。半導体チップ５は、リードフレーム８とボンディングワイヤ７により接続されており、封止材料６により覆われる構成である。封止材料６としては、樹脂およびセラミックが挙げられる。封止材料６の形成方法としては、例えば、セラミックケースをろう材でろう付けする方法、樹脂ケースを接着材で接合する方法、樹脂をトランスファーモールドで形成する方法が挙げられる。
【００６２】
半導体チップ５は、第１の無機材質層２’とＺ軸方向に接合している。換言すれば、半導体チップ５は第１の無機材質層２’の上面に載置されている。半導体チップ５は、例えば、半田付けにより第１の無機材質層２’と接合している。グラファイト複合体３は、Ｚ軸方向に優れた熱伝導性を有しているため、半導体チップ５により放散される熱を効率的に拡散させることができる。
【００６３】
グラファイト複合体３は、第１の無機材質層２’を介して封止材料６と接合している。図８に示すように、封止材料６は、第１の無機材質層２’の固着部４（凹構造の貫通孔）の内部に入り込んでいる。これにより、第１の無機材質層２’の固着部４と封止材料６との密着性が向上し、半導体パッケージ９の気密性が向上する。
【００６４】
第１の無機材質層に形成されている前記固着部が、凸構造である場合を図９に示す。図９は、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージ９の断面図であり、第１の無機材質層２’の側面側に固着部４が形成されており、当該固着部４は、凸構造である。本構成によれば、凸構造の固着部４の周りに封止材料６が回り込む構成となり、封止材料６とグラファイト複合体３との密着性が向上する。
【００６５】
第１の無機材質層２’の側面側に凸構造である固着部４が形成されているとは、異方性グラファイト１の周縁部（第２の無機材質層２”が形成されている場合は、第２の無機材質層２”の周縁部）により囲まれる面積よりも、第１の無機材質層２’および固着部４により囲まれる面積が大きい態様を例示できる。すなわち、第１の無機材質層２’の側面に形成される固着部４の場合、凸構造には、第１の無機材質層２’の側面の一部が部分的に突き出ている構造（すなわち、突起構造）だけでなく、第１の無機材質層２’が異方性グラファイト１の周縁部（第２の無機材質層２”が形成されている場合は、第２の無機材質層２”の周縁部）により囲まれる面積よりも、大きい構造も包含される。
【００６６】
第１の無機材質層２’の側面に凸構造である固着部４が形成されている場合、第１の無機材質層２’の側面のうち、少なくともいずれか一面に形成されていればよいが、すべての側面において形成されていることがより好ましい。当該構成により、封止材料６とグラファイト複合体３との密着性が向上し、半導体パッケージ９の気密性が向上する。
【００６７】
凸構造である固着部４は、図９に示すように第１の無機材質層２’の側面（すなわち、Ｘ軸方向および／またはＹ軸方向）に形成されていてもよく、第１の無機材質層２’の上面（すなわち、Ｚ軸方向）に形成されていてもよい。第１の無機材質層２’の上面に固着部４が形成される場合、凸構造とは、第１の無機材質層２’の上面の一部が部分的に突き出ている構造（すなわち、突起構造）を例示できる。
【００６８】
固着部４は、第２の無機材質層２”に形成されていてもよい。当該態様につき、図１０および図１１に示す。図１０および図１１はいずれも、第２の無機材質層２”が、固着部４を備える本発明の一実施形態に係る半導体パッケージ９の断面図である。図１０では固着部４は凸構造であり、図１１では固着部４は凹構造である例を示す。
【００６９】
第２の無機材質層２”における固着部４の形成箇所は、封止材料６と接する場所である限りにおいて、特に限定されない。第２の無機材質層２”が固着部４を有する場合、第１の無機材質層２’は固着部４を有していても、有していなくてもよい。
【００７０】
また、本発明の一実施形態は、以下のように表現される発明も包含し得る。
（Ａ）異方性グラファイトと（Ｂ）無機材質層を備える異方性グラファイト複合体であり、Ｘ軸、Ｘ軸と直交したＹ軸、Ｘ軸とＹ軸を含む平面に垂直なＺ軸において、（Ａ）を形成するグラファイト層の結晶配向面がＸ軸とＺ軸を含む平面に対して平行に位置し、（Ａ）のＸ軸方向の複数の辺のうち最も長い辺の長さ（Ｌａ）が、５ｍｍ以上３００ｍｍ未満であり、（Ａ）のＹ軸方向の複数の辺のうち最も長い辺の長さ（Ｌｂ）が、５ｍｍ以上３００ｍｍ未満であり、（Ａ）のＺ軸方向の複数の辺のうち最も長い辺の長さ（Ｌｃ）が、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ未満であり、（Ｂ）が（Ａ）の上面に接合しており、（Ｂ）が１以上の孔を有し、孔の開口部の直径が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満であるグラファイト複合体。
前記孔は、前記無機材質層の異方性グラファイト側の径が表面側の径よりも大きいことが好ましい。
前記無機材質層で異方性グラファイトの全面が覆われていることが好ましい。
前記無機材質層が有底枠もしくは中空枠とふたを備えることが好ましい。
異方性グラファイトの表面に形成された前記無機材質層の少なくともいずれかが異方性グラファイト複合体の直行する面よりも外側に延長されていることが好ましい。
上述したいずれかの異方性グラファイト複合体と半導体チップおよび封止材料からなる半導体パッケージ。
【００７１】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００７２】
〔気密性評価試験〕
１２５℃に加熱したフロリナートに液面した５ｃｍ以上の深さにおいて、グラファイト複合体を５秒間浸漬させた。このとき、浸漬させたグラファイト複合体から気泡が発生するかどうかを観察した。
【００７３】
各実施例および比較例において、１０個のグラファイト複合体サンプルについて上記観察を行い、気泡が発生しないサンプルの数を数えた。気泡が発生しないサンプルが１０個すべての場合を「Ａ」、１０個中８〜９個の場合を「Ｂ」、１０個中６〜７個の場合を「Ｃ」、１０個中３〜５個の場合を「Ｄ」、１０個中２個以下を「Ｅ」と評価した。
【００７４】
〔半導体パッケージの製造方法〕
＜製造例＞
サイズ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ２５μｍのカネカ製ポリイミドフィルムを１５００枚積層した後、４０ｋｇ／ｃｍ２の加圧力でプレス加圧しながら、不活性ガス雰囲気下、２９００℃まで熱処理することにより異方性グラファイトブロック（サイズ９０ｍｍ×９０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を作製した。
【００７５】
作製した異方性グラファイトブロック（９０ｍｍ×９０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を、グラファイトの結晶配向面がＸ−Ｚ平面と平行になるように配置し、ワイヤーソーで切断し、Ｘ軸に平行な辺の長さが１９．６ｍｍ、Ｙ軸に平行な辺の長さが９．６ｍｍ、Ｚ軸に平行な辺の長さが０．６ｍｍである異方性グラファイトＡ１を得た。
【００７６】
＜実施例１＞
２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．２ｍｍの無酸素銅に、開口部の直径０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を４８個形成し、異方性グラファイトの上面に形成させる第１の無機材質層を作製した。また、第２の無機材質層として、２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．２ｍｍの無酸素銅１枚、外寸２０ｍｍ×１０ｍｍ、内寸１９．６ｍｍ×９．６ｍｍ、高さ０．６ｍｍ、の無酸素銅製中空枠１つを用意した。
【００７７】
異方性グラファイト１を無酸素銅性中空枠に入れた後、異方性グラファイト１の上面に第１の無機材質層２’を重ね、底面に第２の無機材質層２”を重ねた。このとき、異方性グラファイトと第１の無機材質層および第２の無機材質層の間に金属層としてチタン系活性銀ろうを重ねた。Ｘ軸方向とＹ軸方向から１００ｋｇ／ｍ２の加重を加えた状態で、１×１０−３Ｐａの真空環境下、８００℃で３０分加熱することにより、異方性グラファイトに第１の無機材質層２’および第２の無機材質層２”を接合し、グラファイト複合体３を得た。
【００７８】
３ｍｍ×３ｍｍの発熱源（半導体チップ５）をグラファイト複合体３の上面中央部に積載し、半田付けにより、第１の無機材質層２’と接合させた。エポキシからなり、リードフレーム８が形成されている樹脂ケースとグラファイト複合体３とをエポキシ接着剤で接合することにより、グラファイト複合体３に封止材料６を形成した。リードフレーム８と発熱源とをボンディングワイヤ７で繋いだ。これにより、実施例１の半導体パッケージを製造した。実施例１の半導体パッケージの断面図は図８に対応する。実施例１の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中８個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｂ」であった。
【００７９】
＜実施例２＞
開口部の直径０．５ｍｍ、深さ０．１ｍｍの非貫通の穴を４８個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の半導体パッケージを製造した。なお、非貫通の穴の開口部は、異方性グラファイトと接する側の裏面側に形成されている。実施例２の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中６個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｃ」であった。
【００８０】
＜実施例３＞
開口部の直径０．０５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を５１６個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例３の半導体パッケージを製造した。実施例３の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中３個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｄ」であった。
【００８１】
＜実施例４＞
開口部の直径０．１ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を２５６個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例４の半導体パッケージを製造した。実施例４の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中６個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｃ」であった。
【００８２】
＜実施例５＞
開口部の直径１．０ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を２２個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例５の半導体パッケージを製造した。実施例５の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中９個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｂ」であった。
【００８３】
＜実施例６＞
開口部の直径２．０ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を８個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例６の半導体パッケージを製造した。実施例６の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中７個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｃ」であった。
【００８４】
＜実施例７＞
開口部の直径３．０ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を１１個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例７の半導体パッケージを製造した。実施例７の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中４個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｄ」であった。
【００８５】
＜実施例８＞
第１の無機材質層のみを形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例８の半導体パッケージを製造した。実施例８の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中６個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｃ」であった。
【００８６】
＜実施例９＞
異方性グラファイトの底面にのみ、２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．２ｍｍの無酸素銅である第２の無機材質層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例９の半導体パッケージを製造した。実施例９の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中７個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｃ」であった。
【００８７】
＜実施例１０＞
異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が０．６ｍｍ、異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径が０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を４８個形成した第１の無機材質層を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実施例１０の半導体パッケージを製造した。実施例１０の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中１０個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ａ」であった。
【００８８】
＜実施例１１＞
固着部を有さない第１の無機材質層を異方性グラファイトの上面に接合し、異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が０．６ｍｍ、異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径が０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの貫通孔を４８個形成した第２の無機材質層を異方性グラファイトのすべての側面に接合した以外は実施例１と同様にして、実施例１１の半導体パッケージを製造した。実施例１１の半導体パッケージの断面図は、図１１に対応する。実施例１１の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中１０個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ａ」であった。
【００８９】
＜実施例１２＞
第１の無機材質層として、無酸素銅の代わりに、窒化アルミを用いたこと以外は実施例１０と同様にして、実施例１２の半導体パッケージを製造した。実施例１２の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中１０個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ａ」であった。
【００９０】
＜比較例１＞
第１の無機材質層および第２の無機材質層のいずれにも固着部を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の半導体パッケージを製造した。比較例１の半導体パッケージについて気密性評価試験を行ったところ、１０個中２個のサンプルでは気泡が発生せず、評価は「Ｅ」であった。
【００９１】
実施例１〜１２および比較例１の半導体パッケージについて、それぞれの構成および気密性評価試験の結果を表１に示す。なお、表１では、便宜上、「異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径」を「開口部直径」、「異方性グラファイトと接する側の開口部の直径」を「（Ａ）側直径」と記載している。
【００９２】
【表１】
2020057649.tif 000003
【００９３】
実施例１と実施例２との比較により、固着部が凹構造である場合、非貫通の穴が形成されているよりも、貫通孔が形成されている方が、半導体パッケージの気密性が優れることがわかる。
【００９４】
実施例１，実施例３〜７を比較すると、異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径が、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満である場合において、特に半導体パッケージの気密性が優れ、異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径が、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である場合において、さらに半導体パッケージの気密性が優れることがわかる。
【００９５】
実施例１，実施例８および実施例９の比較により、無機材質層は、異方性グラファイトのより多い面数を覆っている方が、半導体パッケージの気密性が優れることがわかる。
【００９６】
実施例１と実施例１０の比較により、異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が、異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径と等しい場合よりも、異方性グラファイトと接する側の開口部の直径が、異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部の直径よりも大きい方が、半導体パッケージの気密性が優れることがわかる。
【００９７】
実施例１０と実施例１２との比較により、無機材質層の材料は銅だけでなく、窒化アルミを用いても、半導体パッケージの気密性が優れることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明で得られるグラファイト複合体は、例えば、良好な密着性を有するため電子機器の放熱部材として好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１      異方性グラファイト
１Ａ    外縁部
２’    第１の無機材質層
２’Ａ  中心部
２”    第２の無機材質層
３      グラファイト複合体
４      固着部
４Ａ    異方性グラファイトと接する側の裏面側の開口部
４Ｂ    異方性グラファイトと接する側の開口部
５      半導体チップ
６      封止材料
９      半導体パッケージ
【図１】
2020057649.tif 000004
【図２】
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【図３】
2020057649.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020057649.tif 000009
【図７】
2020057649.tif 000010
【図８】
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【図９】
2020057649.tif 000012
【図１０】
2020057649.tif 000013
【図１１】
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