(57)【要約】【課題】多層基板の一面上に発熱素子を設けてなる電子装置において、多層基板を構成する個々の層に比べて厚いヒートシンクを多層基板に内蔵させることなく、発熱素子の放熱を適切に行う。【解決手段】複数の層１〜６が積層されてなる多層基板１０と、多層基板１０の一面１１上に設けられた発熱素子２０とを備える電子装置において、多層基板１０の内部にて隣り合う層１〜６の間には、熱伝導性を有し且つ個々の層１〜６よりも薄いグラファイトシートなどよりなる熱拡散層１５が設けられており、多層基板１０の内部には、層１〜６の積層方向に延びるように設けられ発熱素子２０と熱拡散層１５とを熱的に接続する放熱ビア１４が設けられている。【選択図】図１
2010080572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層（１〜６）が積層されてなる多層基板（１０）と、
前記多層基板（１０）の一面（１１）上に設けられた発熱素子（２０）と、を備える電子装置において、
前記多層基板（１０）の内部にて隣り合う前記層（１〜６）の間には、熱伝導性を有し且つ個々の前記層（１〜６）よりも薄い熱拡散層（１５）が設けられており、
前記多層基板（１０）の内部には、前記層（１〜６）の積層方向に延びるように設けられ前記発熱素子（２０）と前記熱拡散層（１５）とを熱的に接続する放熱ビア（１４）が設けられていることを特徴とする電子装置。
【請求項２】
前記放熱ビア（１４）は、前記熱拡散層（１５）から前記多層基板（１０）の前記一面（１１）とは反対側の他面（１２）にて外部に露出していることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【請求項３】
前記熱拡散層（１５）は、その平面方向の熱伝導率が金属よりも高いものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電子装置。
【請求項４】
前記熱拡散層（１５）はグラファイトシートまたはカーボンファイバーまたはカーボンナノチューブにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層基板の一面上に発熱素子を設けてなる電子装置に関し、特に発熱素子の放熱性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の電子装置としては、樹脂、セラミックなどよりなる複数の層が積層されてなる多層基板と、この多層基板の一面上に設けられた発熱素子と、を備え、さらに、多層基板の内部にヒートシンクを設け、ヒートシンクと発熱素子とを放熱ビアによって熱的に接続して、発熱素子の放熱を図るようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２７０７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のヒートシンクを内蔵する多層基板では、多層基板の個々の層の厚さに比べて、ヒートシンクの厚さが大きく、基板内部において電気的な配線やビアを配置するためのスペースが、ヒートシンクによって制約を受けてしまう。また、ヒートシンクによって多層基板の厚さが大きくなることも避けがたい。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、多層基板の一面上に発熱素子を設けてなる電子装置において、多層基板を構成する個々の層に比べて厚いヒートシンクを多層基板に内蔵させることなく、発熱素子の放熱を適切に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、多層基板（１０）の一面（１１）上に発熱素子（２０）を設けてなる電子装置において、多層基板（１０）の内部にて隣り合う層（１〜６）の間には、熱伝導性を有し且つ個々の層（１〜６）よりも薄い熱拡散層（１５）が設けられており、多層基板（１０）の内部には、層（１〜６）の積層方向に延びるように設けられ発熱素子（２０）と熱拡散層（１５）とを熱的に接続する放熱ビア（１４）が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
それによれば、多層基板（１０）の内部において、隣り合う層の間に、熱伝導性を有し且つ個々の層（１〜６）よりも薄い熱拡散層（１５）を設け、この熱拡散層（１５）と発熱素子（２０）とを放熱ビア（１４）によって熱的に接続しているから、従来のように厚いヒートシンクを多層基板（１０）に内蔵させることなく、発熱素子（２０）の放熱を適切に行うことができる。
【０００７】
ここで、請求項２に記載の発明のように、放熱ビア（１４）を、熱拡散層（１５）から多層基板（１０）の一面（１１）とは反対側の他面（１２）にて外部に露出しているものとすれば、熱拡散層（１５）からの熱を、放熱ビア（１４）を介して外部に効率的に逃がすことができるので、放熱性が向上する。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明のように、熱拡散層（１５）は、その平面方向の熱伝導率が金属よりも高いものであることが好ましく、発熱素子（２０）の熱を多層基板（１０）の平面方向に広く逃がすことが可能となる。
【０００９】
この場合、請求項４に記載の発明のように、熱拡散層（１５）としては、グラファイトシートまたはカーボンファイバーまたはカーボンナノチューブにより構成されているものにできる。
【００１０】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子装置１００の概略断面構成を示す図である。本実施形態の半導体装置１００は、大きくは、多層基板１０と、多層基板１０の一面１１上に設けられた発熱素子２０と、を備えて構成されている。
【００１３】
多層基板１０は、ポリイミドや液晶ポリマーなどの樹脂や、アルミナなどのセラミックなどよりなる複数の層１〜６が積層されてなる配線基板である。この多層基板１０は、一般的な樹脂やセラミックの多層配線基板と同様に、層１〜６を積層したものを熱プレスすることにより製造される。個々の層１〜６の厚さは、一般のものと同様、たとえば数十〜数百μｍ程度である。
【００１４】
発熱素子２０は、作動時に自身が発熱する電気的な素子であり、たとえば一般的な半導体プロセスよりなるシリコン半導体などよりなるＩＣチップやトランジスタ素子などのチップである。
【００１５】
ここで、多層基板１０の内部には、一般的な多層配線基板と同様に、発熱素子２０から信号を取り出すための電気配線１３が形成されている。この電気配線１３は一般のものと同様、各層１〜６の層間に位置し所望のパターンに形成された層間配線と、個々の層１〜６を貫通して設けられ各層間配線を電気的に接続するビアとにより構成されている。
【００１６】
上記層間配線は、パターニングされたＣｕなどの金属箔や印刷された導体ペーストなどよりなり、上記ビアは、層１〜６を貫通する貫通穴に充填されて硬化された金属ペーストやメッキなどよりなる。
【００１７】
そして、電気配線１３は、多層基板１０の一面１１に引き回され、はんだボール３０を介して発熱素子２０と電気的に接続されている。また、電気配線１３は、多層基板１０の一面１１とは反対側の他面１２に引き回され、当該他面１２にて外部の部材と電気的に接続されるようになっている。
【００１８】
次に、電子装置１００における放熱構成について述べる。まず、多層基板１０の内部には、各層１〜６の積層方向に延びるように放熱ビア１４が設けられている。この放熱ビア１４は、多層基板１０の一面１１から他面１２に各層１〜６を貫通するもので、一般的なものと同様に、当該各層１〜６を貫通する穴に充填された導体ペーストやメッキなどよりなる。
【００１９】
そして、多層基板１０の一面１１では、はんだボール３０を介して発熱素子２０と放熱ビア１４とが熱的に接続されている。また、放熱ビア１４は、多層基板１０の他面１２にて外部に露出し、外部の部材と熱的に接続されるようになっている。それにより、発熱素子２０に発生する熱は、放熱ビア１４を介して多層基板１０の他面１２側から外部へと逃がされるようになっている。
【００２０】
さらに、本実施形態の放熱構成として、熱伝導性を有する熱拡散層１５が多層基板１０の内部に設けられている。この熱拡散層１５は、隣り合う層１〜６の間すなわち層間に設けられ、その厚さは個々の層１〜６よりも薄いものである。具体的には、熱拡散層１５は、上記電気配線１３としての層間配線と同様の製法により形成され、その厚さも当該層間配線と同程度、たとえば、数十μｍ程度の厚さである。
【００２１】
この熱拡散層１５は当然ながら層１〜６よりも熱伝導率に優れたものであるが、銅やアルミなどの熱伝導性に優れた金属または当該金属と同等以上の材料よりなる。熱拡散層１５を当該金属により構成する場合には、ペーストや箔、メッキなどにより形成する。
【００２２】
また、熱拡散層１５を構成する当該金属と同等以上の材料とは、具体的にはグラファイトシート、カーボンファイバー、カーボンナノチューブなどである。これらの材料の場合、これら材料をシート状に成形し、そのシートを、電気配線１３や放熱ビア１４が形成された層１〜６とともに積層すればよい。
【００２３】
そして、これらの材料よりなる熱拡散層１５は、その平面方向（つまり熱拡散層１５の層面に平行な方向）の熱伝導率が金属よりも高いものとなる。たとえば、金属よりなる層の平面方向への熱伝導率が、せいぜい４００Ｗ／ｍＫ以下であるのに対し、グラファイトシートよりなる熱拡散層１５の場合、その平面方向の熱伝導率は、１０００Ｗ／ｍＫ以上にもなる。
【００２４】
そして、ここでは、熱拡散層１５は、複数の層１〜６の積層方向の真ん中あたりの層間に設けられており、多層基板１０の厚さ方向に延びる、すなわち一面１１から他面１２に延びる放熱ビア１４の途中に、熱拡散層１５が介在され放熱ビア１４に熱的に接続された形となっている。
【００２５】
放熱ビア１４と熱拡散層１５との熱的接続は、熱圧着などにより容易に実現される。それによって、本実施形態では、多層基板１０の一面１１上に位置する発熱素子２０に発生する熱が、放熱ビア１４→熱拡散層１５→放熱ビア１４を介して多層基板１０の他面１２側から外部へと逃がされるという、放熱経路が構成されている。
【００２６】
さらに言うならば、図１において、発熱素子２０の熱は、多層基板１０の一面１１寄りの放熱ビア１４を介して発熱素子２０の直下に向かって伝わり、熱拡散層１５にて基板平面方向に拡がっていき、さらに多層基板１０の他面１２寄りの放熱ビア１４から外部に逃がされるようになっている。
【００２７】
なお、図１に示される例では、６層の層１〜６における一面１１側から３番目の層３と４番目の層４との層間に、熱拡散層１５が１層、設けられているが、熱拡散層１５は、それ以外の層間に設けられていてもかまわない。その場合にも、放熱ビア１４を介して各熱拡散層１５について放熱経路が構成されることは同様である。
【００２８】
また、本実施形態では、熱拡散層１５は多層基板１０の内部にて発熱素子２０の直下、つまり発熱素子２０を多層基板１０に投影した領域に設けられている。そして、熱拡散層１５の平面サイズが、発熱素子２０の平面サイズよりも大きいものとされている。たとえば発熱素子２０が矩形板状のチップである場合、熱拡散層１５は、それよりも一回り大きな矩形の層とされる。
【００２９】
そのため、本実施形態では、図１に示されるように、熱拡散層１５よりも発熱素子２０側つまり多層基板１０の一面１１側に位置する放熱ビア１４に比べて、熱拡散層１５よりも多層基板１０の他面１２側に位置する放熱ビア１４の方が、本数が多く、配置領域も広くなっている。そのため、平面方向に高い熱伝導率を有するという熱拡散層１５の特性を活かして、効率的な放熱が可能となる。
【００３０】
次に、本電子装置１００の製造方法について述べる。まず、各層１〜６において、電気配線１３、放熱ビア１４を形成しておく。また、熱拡散層１５がペーストよりなる場合には、熱拡散層１５が位置する層に熱拡散層１５を印刷などにより予め配置しておき、熱拡散層１５がシートや箔などによりなる場合には、熱拡散層１５が位置する層に予め貼り付けておく。
【００３１】
そして、これら層１〜６を位置あわせして積層し、これを所定の熱と圧力をもって一括してプレスする。それにより、各層１〜６同士が熱圧着などにより接合され、多層基板１０ができあがる。
【００３２】
その後は、一般の方法により多層基板１０の一面１１に、はんだボール３０を介して発熱素子２０を接続する。こうして、本実施形態の電子装置１００ができあがる。この電子装置１００は、たとえば、はんだなどを介して、図示しない外部の部材に接続されて使用される。
【００３３】
ところで、本実施形態によれば、多層基板１０の内部にて、隣り合う層３、４の間に、熱伝導性を有し且つ個々の層１〜６よりも薄い熱拡散層１５を設け、この熱拡散層１５と発熱素子２０とを放熱ビア１４によって熱的に接続しているから、従来のように厚いヒートシンクを多層基板１０に内蔵させることなく、発熱素子２０の放熱を適切に行うことができる。その結果、多層基板１０における電気配線１３の設置スペースの制約が低減される。
【００３４】
また、放熱ビア１４は多層基板１０の他面１２に露出していなくてもよいが、本実施形態では、放熱ビア１４を、熱拡散層１５から多層基板１０の他面１２にて外部に露出しているので、発熱素子１０から熱拡散層１５に伝わる熱を、放熱ビア１４を介して外部に効率的に逃がすことができる。
【００３５】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る電子装置の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、多層基板１０の一面１１側における発熱素子２０と熱拡散層１５との熱的接続構成が相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。なお、図２では、電気配線１３を省略してあるが、本実施形態においても上記第１実施形態と同様の電気配線１３が設けられている。
【００３６】
上記第１実施形態では、発熱素子２０と熱拡散層１５とは、複数個のはんだボール３０、複数個の放熱ビア１４を介して熱的に接続されていたが、図２に示されるように、本実施形態では、これらはんだボール３０および放熱ビア１４に代えて、１つの大きな金属部材４０を介して、発熱素子２０と熱拡散層１５とを熱的に接続している。
【００３７】
この場合、多層基板１０の一面１１から熱拡散層１５に到達する開口部を、プレスや切削、エッチングなどの穴あけ加工により形成し、その開口部に、はんだなどの金属ペーストや銅やアルミなどのブロックを充填することにより、当該充填物を金属部材４０として構成すればよい。
【００３８】
そして、本実施形態によれば、発熱素子２０に発生する熱は、金属部材４０→熱拡散層１５→放熱ビア１４を介して多層基板１０の他面１２側から外部へと逃がされるという、放熱経路が構成される。それにより、本実施形態においても、従来のように厚いヒートシンクを多層基板１０に内蔵させることなく、発熱素子２０の放熱を適切に行うことができる。
【００３９】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る電子装置の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、多層基板１０をインターポーザとしたところが相違するものである。なお、図３では、電気配線１３を省略してあるが、本実施形態においても上記第１実施形態と同様の電気配線１３が設けられている。
【００４０】
図３に示されるように、本実施形態の電子装置は、インターポーザとしての多層基板１０を介して、発熱素子２０を回路基板５０に搭載してなる構成を有する。このインターポーザは、たとえば発熱素子２０のランドピッチと回路基板５０のランドピッチとが対応しない場合に、両部材のランドピッチを合わせるべく再配線する部材であり、多層基板として構成されている。
【００４１】
本実施形態では、インターポーザとしての多層基板１０は、上記第１実施形態の多層基板と同様の構成であり、当該多層基板１０の他面１２に露出する電気配線１３、放熱ビア１４がそれぞれ、はんだボール３０を介して、回路基板５０に電気的、熱的に接続されている。
【００４２】
それにより、本実施形態では、発熱素子２０に発生する熱は、放熱ビア１４→熱拡散層１５→放熱ビア１４を介して多層基板１０の他面１２側から外気および回路基板５０へ逃がされるという、放熱経路が構成される。
【００４３】
そして、本実施形態においても、従来のように厚いヒートシンクを多層基板１０に内蔵させることなく、発熱素子２０の放熱を適切に行うことができる。また、本実施形態の多層基板１０について、上記第２実施形態と同様の構成を採用してもよい。  
【００４４】
（第４実施形態）
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第４実施形態に係る電子装置の第１の例、第２の例、第３の例を示す概略断面図である。なお、図４（ａ）〜（ｃ）においても、電気配線１３を省略してあるが、本実施形態では上記同様の電気配線１３が設けられている。
【００４５】
本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、多層基板１０を一部変形し、金属層７を含む多層基板１０としたものである。具体的には、多層基板１０における発熱素子２０が搭載されている一面１１側から熱拡散層１５までの部分の構成は、上記第１実施形態と同様であるが、多層基板１０における熱拡散層１５から他面１２までの部分を金属層７に置き換えたものである。
【００４６】
つまり、多層基板１０としては、配線基板として各配線部分の電気的な独立が確保されるならば、多層基板１０を構成する層として、樹脂やセラミック以外にも金属を用いてもかまわない。
【００４７】
そして、本実施形態では、多層基板１０の他面１２を、銅やアルミなどの金属よりなる金属層７により構成し、この金属層７に対して熱拡散層１５を熱的に接続させている。ここで、金属層７と熱拡散層１５との熱的接続は、図４（ａ）では、放熱ビア１４を介して行われているが、図４（ｂ）、（ｃ）のように、金属層７に突起を設けるなどにより直接接触により行ってもよい。
【００４８】
この金属層７は、他の層と一括して熱プレスすることにより一体化される。本実施形態によれば、熱拡散層１５から金属層７を介した外部への放熱が可能となり、放熱性の向上が期待される。また、本実施形態は、上記した各実施形態における多層基板１０に適用が可能である。  
【００４９】
（第５実施形態）
図５は、本発明の第５実施形態に係る電子装置の概略断面構成を示す図である。なお、本実施形態は参考例であるが、上記各実施形態に示した熱拡散層１５と従来のヒートシンク６０とを兼用した放熱経路を構成したものである。
【００５０】
図５に示されるように、本実施形態では、多層基板１０の内部に従来と同様、銅やアルミなどよりなるヒートシンク６０を設け、このヒートシンク６０における発熱素子２０側の面に熱拡散層１５を貼り付けた構成としている。
【００５１】
この場合、熱拡散層１５に伝わった熱はヒートシンク６０に放熱されるが、さらに多層基板１０の内部においてヒートシンク６０と多層基板の他面１２との間に放熱ビア１４を設け、ヒートシンク６０の熱を外部に逃がすようにしてもよい。  
【００５２】
（他の実施形態）
なお、多層基板１０の一面１１上に搭載された発熱素子２０と、電気配線１２および放熱ビア１４との上記電気的、熱的接続は、上記はんだボール３０に限定されるものではなく、たとえば、はんだボール３０に代えて金や銅などよりなるバンプやボンディングワイヤなどによって行うようにしてもよい。
【００５３】
また、上記各実施形態における発熱素子２０から熱拡散層１５を通して外部へ熱を逃がす放熱経路は、太い放熱ビア１４や面積の大きな熱拡散層１５を含むものであるから、放熱経路としてだけでなく、たとえば大電流配線など、発熱素子２０と外部とを電気的に接続する配線として兼用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第４実施形態に係る電子装置の第１の例、第２の例、第３の例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１〜６  層
１０    多層基板
１１    多層基板の一面
１２    多層基板の他面
１４    放熱ビア
１５    熱拡散層
２０    発熱素子
【図１】
2010080572.tif 000003
【図２】
2010080572.tif 000004
【図３】
2010080572.tif 000005
【図４】
2010080572.tif 000006
【図５】
2010080572.tif 000007