(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を当該基板周囲の熱を高い熱伝導率で拡散する技術を提供する。【解決手段】平面視矩形状をなすグラファイトシートの一辺が基板１０の半導体装置１搭載面の一部をなすように、その一辺と頂点を共有する他辺が基板の厚み方向となるように多数配置され、前記多数のグラファイトシート間には金属材料２２が充填されることで形成される放熱性基板１０である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視矩形状をなすグラファイトシートの一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、その一辺と頂点を共有する他辺が基板の厚み方向となるように多数配置され、
前記多数のグラファイトシート間には金属材料が充填されることで形成される放熱性基板。
【請求項２】
前記グラファイトシートが、
前記一辺の頂点の一つが発熱体搭載位置を含むその近傍に配置され、他の頂点が発熱体搭載面平面視放射状外方に位置するように配置される、請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項３】
前記金属材料が、
アルミニウム、及びアルミニウム合金のいずれかである請求項１または２に記載の放熱性基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置に代表される発熱体を搭載する基板、特に放熱性を有する基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種半導体装置は、高性能化により消費電力が加速度的に上昇しており、これに伴って発熱量が増えている。
【０００３】
以上のような半導体装置の放熱対策の一例として、熱伝導性・熱拡散性に優れた搭載用基板の採用が考えられる。上記基板の一例としては、メタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。
【０００４】
また、最近では金属よりも熱伝導率の高い基板材料として、炭素材料が注目されている。特に、グラファイトは、結晶構造の特徴から熱伝導率に異方性はあるものの、銅と比較して２から３倍の熱伝導率を有することが知られている。
【０００５】
この炭素材料を放熱基板に応用しようという取り組みとして、回路基板の半田面が接する樹脂シャーシの一面にグラファイトシートをインサート成形した構造（例えば、特許文献１参照）、炭素繊維を厚さ方向に配列させ、液状硬化材料を用いて一体化した炭素複合板（例えば、特許文献２参照）、あるいは、長鎖状のカーボンナノチューブをアルミ粉末と焼結させて一体化した複合材料が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１９１３４号公報
【特許文献２】特開平１１−０５４６７７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／０４００６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、半導体発光装置の一種である発光ダイオード装置(以下、ＬＥＤとも称する)においても、明るさ（性能）の向上に伴って消費電力が上昇している。
【０００８】
ＬＥＤにおける性能向上（それに伴う消費電力の上昇）による問題点として、発光時に投入した電力の大部分が熱となるため、その熱によって明るさ（性能）が低下してしまうという事象が挙げられる。以上の要因より、ＬＥＤの所望の性能を得るためには、ＬＥＤを適正な温度環境で使用することが求められている。
【０００９】
特に、照明用ＬＥＤ光源の場合には、一つのチップあたりの面積が非常に小さい上に高消費電力（チップあたり数［Ｗ］の高熱を発する）であり、このようなＬＥＤを複数密接して配置することが多々ある。このため、照明用ＬＥＤ光源の場合には、特に発熱密度（面積あたりの発熱量）が高く、この熱量を広い領域に拡散する対策が急務となっている。
【００１０】
つまり、照明用ＬＥＤ光源に代表されるような高発熱密度デバイスを効率よく冷却するためには、放熱板の面方向の熱伝導率を向上させ、熱拡散によって発熱密度を下げることが重要である。さらに、厚み方向の熱伝導率も同時に高められれば、よりいっそうの放熱効果が期待できる。
【００１１】
しかしながら、上記従来の技術には、以下のような問題があった。
特許文献１に開示された発明では、樹脂シャーシの一面にインサート成形されたグラファイトシートによって当該面方向の熱拡散は高められるものの、厚み方向の熱拡散はグラファイトシートとインサート成形される金属や熱伝導率の低い樹脂材料の熱伝導率に依存することになる。このため、特許文献の発明では、厚み方向への効率の良い放熱が得られないことが考えられる。
【００１２】
また、特許文献２および特許文献３に開示された発明では、配列された炭素繊維やカーボンナノチューブによって厚み方向の熱伝導率は高められるものの、これら熱伝導率の高い材料を母材で一体化させるという構造上、面方向の熱拡散についてはその母材（熱伝導率の低い樹脂やアルミニウム）の熱伝導率に依存することになる。したがって、特許文献２および特許文献３に開示された発明では、面方向の熱拡散については母材の熱伝導率に依存するため、面方向への効率の良い放熱は得られないことが考えられる。
【００１３】
以上のように、炭素材料あるいは炭素材料を含む複合材料は、その材料を構成する炭素材料の結晶構造に起因する熱伝導率の異方性を有していた。
【００１４】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を高い熱伝導率で拡散する技術を提供することをその解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、シート平面方向の熱伝導率がシート厚み方向の熱伝導率よりも高い平面視矩形状をなすグラファイトシートの一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、その一辺と頂点を共有する他辺が基板の厚み方向となるように（グラファイトシートのシート面が基板の厚み方向を向くように）多数配置され、多数のグラファイトシート間には金属材料が充填されることで形成される放熱性基板である。
【００１６】
以上のように構成することで、本発明は、基板の厚み方向においては、当該方向にグラファイトシートのシート面が配置されることにより、高い熱伝導率を有する。そして、多数のグラファイトシートの間に金属材料を充填することで、本発明は単一の板材として利用できる。
【００１７】
従って、本発明によれば、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を高い熱伝導率により効率よく拡散することができる。
【００１８】
また、本発明は、グラファイトシートが、一辺の頂点の一つが発熱体搭載位置を含むその近傍に配置され、他の頂点が発熱体搭載面平面視放射状外方に位置するように配置されるようにしてもよい。
【００１９】
本発明は、矩形状のグラファイトシートを、半導体装置の搭載位置を中心として、一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、この一辺と頂点を共有する他の辺が基板の厚み方向となるように（グラファイトシートのシート面が基板の厚み方向となるように）多数配置する。つまり、本発明では、半導体装置搭載位置を車輪のハブとしてグラファイトシートをスポークとしたように多数配置する。そして、本発明では、この多数のグラファイトシート間に金属材料を充填することにより、一つの複合材料としている。
【００２０】
以上のように構成することで、本発明は、半導体装置搭載面においては、当該搭載位置を中心に放射状にグラファイトシートの長辺が多数配置されることにより、高い熱伝導率を有する。また、本発明は、基板の厚み方向においては、当該方向にグラファイトシートのシート面が配置されることにより、高い熱伝導率を有する。そして、多数のグラファイトシートの間に金属材料を充填することで、本発明は単一の板材として利用できる。
従って、本発明によれば、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を当該基板の面方向及び厚み方向の何れにも拡散することができる。
【００２１】
また、本発明は、金属材料が、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかであってもよい。さらに、非金属材料ではあるが金属材料の好適な代替材料としてアルミナを用いてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明によれば、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を当該基板周囲の熱を高い熱伝導率で拡散する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる基板の上面斜視図である。
【図２】本実施の形態にかかる基板の上面透視斜視図である。
【図３】本実施の形態にかかる基板内部に含まれる、グラファイトシートの構成、及びこのグラファイトシートにより構成される熱拡散部の構成を示す上面斜視図である。
【図４】本実施の形態の基板の温度分布の上面図である。
【図５】基板の温度分布の基板中央部における断面図である。
【図６】比較例１における温度分布の上面図である。
【図７】比較例１における基板中央の断面図である。
【図８】第２の実施の形態の基板の構造を示す上面透視斜視図である。
【図９】第２の実施の形態の基板の搭載面中央にＬＥＤを搭載し、同条件で熱解析を行った結果を示す搭載面の上面図である。
【図１０】図９のｂ−ｂ断面図である。
【図１１】図９のｃ−ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
まず、本発明の概要について説明する。
本発明では、放熱性の高い（高い熱拡散率を有する）基板を構成するにあたり、高い熱拡散を有する材料の一つであるグラファイトシートに着目した。そして、本発明は、このグラファイトシートを半導体装置搭載面に対して直立（基板の厚み方向にグラファイトシートのシート面が向くように）させて使用する。つまり、本発明の第１の要旨としては、基板の厚み方向の熱伝導率を向上させることとした。
【００２５】
次に、本発明は、上述のように半導体装置搭載面に対して直立させたグラファイトシートを、半導体装置搭載位置を中心に円形放射状に配置する。つまり、本発明の第２の要旨としては、基板の厚み方向に加え面方向の熱拡散性を同時に向上させることとした。
【００２６】
さらに、本発明は、上述のように炭素材料（グラファイトシート）だけで半導体装置を搭載する基板としては機械的強度が不足するので、金属材料をグラファイトシートの隙間に流し込んで一体化させた。つまり、本発明の第３の要旨は、熱拡散性の向上とともに強度と成形性・取扱性を満足させることとした。
【００２７】
基板１０の外形について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる基板１０の（半導体装置搭載面を上面とする）上面斜視図である。また、図２は、本実施の形態にかかる基板１０の上面透視斜視図である。図１，２を参照すれば、基板１０は、半導体装置の一例である発光ダイオード１を搭載する搭載面１１と、その搭載面１１と辺を共有する４つの厚み方向の側面１２と、搭載面１１の裏面１３を有し、搭載面１１及び裏面１３が側面１２より大きな面積を有する概略立方体形状である。
【００２８】
発熱源である発光ダイオード１は、例えば照明用途の発光ダイオード（以下、LEDとも称する）が挙げられる。発光ダイオード１は、搭載面１１の上層に施されたNi/Auメッキ部分に対して、AuSn共晶はんだを用いて接合する。
【００２９】
次に、基板１０の構成について、図２を参照して説明する。
基板１０は、搭載面１１の半導体装置搭載位置を中心とした中心部２１として、多数の矩形状のグラファイトシートにより構成される熱拡散部２０を備える。また、基板１０は、この熱拡散部２０の周囲に充填することで上述の基板１０の概略立方体の外形形状を構成する金属材料２２を備える。
【００３０】
図３は、本実施の形態にかかる基板１０内部に含まれる、グラファイトシートの構成、及びこのグラファイトシートにより構成される熱拡散部２０の構成を示す上面斜視図である。
【００３１】
グラファイトシート１００は、長辺１０１ａ，１０１ｂと短辺１０２ａ，１０２ｂを有する（縦（短辺）５ｍｍ×横（長辺）２５ｍｍ）矩形状のシート材料である。
【００３２】
ここで、本発明におけるグラファイトシートについては、様々なものを適宜用いることができるが、熱拡散の向上の観点から、面方向の熱伝導率が５００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上のものを用いることが望ましい。なお、厚み方向の熱伝導率は、１０〜５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］が一般的な値である。
【００３３】
本実施の形態では、面方向の熱伝導率が１０００［Ｗ／ｍ・Ｋ］、厚み方向の熱伝導率が５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］、厚さ２００［μｍ］のグラファイトシート１００を用いた。
【００３４】
熱拡散部２０は、図３に示したように中心部２１からグラファイトシート１００の長辺１０１ａ（本発明の一辺に相当）が平面視円形放射状に並ぶように（発光ダイオード１の搭載位置を車輪のハブとして平面視でスポークを張るように）、長辺１０１ａと頂点を共有する短辺１０２ａ，１０２ｂ（本実施の形態の他辺に相当）が基板１０の厚み方向となるように多数配列させて構成される。
【００３５】
多数のグラファイトシート１００を半導体装置搭載面と垂直にシート面を配列して熱拡散部２０を構成することで、本実施の形態の基板１０は、グラファイトシート１００のシート面が有する高い熱伝導率により発光ダイオード１の搭載位置から厚み方向（短辺１０２ａ，１０２ｂ方向）に効率よく熱拡散することができる。
【００３６】
また、本実施の形態の基板１０は、発光ダイオード１の搭載位置から搭載面１１において放射状にグラファイトシート１００を配置して熱拡散部２０を構成したことにより、搭載面１１方向にも高い熱伝導率で熱拡散することができる。
【００３７】
なお、上述のように平面視放射状にグラファイトシート１００を配列した場合には、外周方向に向かうにつれて個々のグラファイトシート１００の間隔が広がる。そこで、本実施の形態の基板１０の熱拡散部２０では、グラファイトシート１００のサイズより小さく切断したグラファイトシートをグラファイトシート１００の間に挿入することで、グラファイトシートの密度（単位面積あたりのグラファイトシートの占める割合）を高めてもよい。
【００３８】
つまり、本実施の形態において、熱拡散部２０は、グラファイトシート１００の間にグラファイトシート２００を挿入し、グラファイトシート１００とグラファイトシート２００との間にグラファイトシート３００を挿入し、グラファイトシート１００とグラファイトシート３００との間にグラファイトシート４００を挿入し、グラファイトシート２００とグラファイトシート３００との間にグラファイトシート５００を挿入し、平面視グラファイトシートの長辺の頂点位置が４重円となるようにした。
【００３９】
なお、熱拡散部２０の作成にあたり、グラファイトシート１００の長辺１０１ａが接する中心部２１を含む接合部分は、例えばエポキシ系の接着剤（不図示）を用いて接合する。
【００４０】
そして、基板１０は、上述の通り構成された熱拡散部２０の周囲を、金属材料２２を充填することで上述の通り概略立方体の外形形状を定める。この金属材料２２としては、本実施の形態ではアルミニウムを用いる。
【００４１】
本発明において、金属材料２２の充填方法は、多数のグラファイトシート間を充填し熱拡散部２０の外形形状を定めることができればよいため、特に限定されない。本実施の形態では、本発明のような混合材料の焼結に最適とされる放電プラズマ焼結法を用いた。
【００４２】
本実施の形態において熱拡散部２０の周囲に充填するアルミニウムは、グラファイトシートの間に充填して焼結するため、アルミ粉末を用いる。このとき、アルミ粉末の平均粒径は、５０［μｍ］程度が望ましい。
【００４３】
また、アルミ粉末の形状は、球体・繊維状・不定形・樹木状など、特に限定されず種々形態のものも適宜利用することが出来る。
【００４４】
［基板の熱拡散性の検証］
以上のように作成した本実施の形態の基板１０の放熱性能について、従来の基板との熱拡散の様子を可視化して比較するため、熱伝導解析を行った。以下に、基板１０と比較例との検証結果を説明する。
【００４５】
なお、本実施の形態の基板１０との比較対象として、内部にグラファイトシートを包含しない純アルミ材料の板材（メタルコア基板を想定したもの）を比較例１として用い、純銅材料の板材を比較例２として用いた。
【００４６】
基板１０と比較例との共通の境界条件を以下説明する。
発熱源は、１［ｍｍ］角の照明用途の発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも称する）とし、投入電力を５［Ｗ］とした。ＬＥＤは、各基板表面に施されたＮｉ／Ａｕメッキ部分に、ＡｕＳｎ共晶はんだによって接合した。
【００４７】
各基板のＬＥＤ搭載面の裏面（下面）には、ＬＥＤの発熱を十分に冷却できるだけの能力を持つ、一辺１０［ｃｍ］程度の概略立方体形状のヒートシンクを接続した。
【００４８】
なお、発熱体あたりの基板下面の熱伝達率は、基板そのもの放熱性能を比較するために、実施例・比較例のすべてにおいて同一の値（基板下面に接続されたヒートシンクの冷却性能は同一）となるようにした。
【００４９】
そして、以上のような共通の境界条件における、発熱源の周囲空気温度に対する上昇値、及び、熱抵抗値の比較結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
2010251466.tif 000003
【００５１】
図４は、本実施の形態の基板１０の温度分布の上面図であり、図５は基板１０の温度分布の基板中央部における断面図である。
【００５２】
また、図６は、比較例１，２の温度分布の一例として示す、比較例１における温度分布の上面図であり、図７は比較例１における基板中央の断面図である。図４から７において、濃色の部分ほど温度が高い。なお、比較例２については、比較例１と比較して温度の数値が低温度方向にシフトし、熱拡散の様子は比較例１と概ね共通するため、図示を省略する。
【００５３】
図４，５と図６，７を比較すると、基板１０は、アルミ基板の比較例１に対して基板の厚み方向・面方向ともに熱伝導率が増加しているため熱拡散性能が高まり、発熱源及びその付近の温度が低下しているのがわかる。表１で示したように基板１０と比較例１の熱抵抗を比較すると１．２［℃／Ｗ］の低減効果があった。
【００５４】
また、表１より、基板１０の熱拡散性能は、銅基板の比較例２に対しても高いことが分かる。炭素・アルミ材料は銅材料に比べて軽いため、本発明を実施することによって製品の軽量化に十分な効果を発揮できるといえる。
【００５５】
なお、基板１０における主要な箇所における温度上昇値は、外部空気を基準として、基板１０の搭載面１１側中心部２１（ＬＥＤ直下）では、＋０．６［℃］、裏面１３側中心部２１では＋０．５［℃］、基板１０の搭載面１１側端部では＋０．５［℃］、基板１０の裏面１３側端部では＋０．４［℃］であった。
【００５６】
さらに、基板１０が半導体装置搭載面から平面視円形放射状にグラファイトシートの長辺１０１ａを配置したことによる効果を検証するため、第２の実施の形態の基板として、基板１０と同じ体積占有率（母材（金属材料２２）であるアルミに対するグラファイトシートによる熱拡散部２０の占める体積の割合）で、基板内に等間隔で平行に並べたものを作製した。
【００５７】
図８は、第２の実施の形態の基板３０の構造を示す上面透視斜視図である。基板３０の熱拡散部４０は、基板１０と同じく長辺１０１ａが搭載面の一部をなすように短辺１０２ａ，１０２ｂが厚み方向になるように、所定の間隔（本実施の形態では８［ｍｍ］間隔で計６０枚）のグラファイトシート１００を平行に並べた。
【００５８】
図９から１１は、基板１０と同様に基板３０の搭載面中央にＬＥＤを搭載し、同条件で熱解析を行った結果を示す図であり、図９が搭載面の上面図、図１０が図９のｂ−ｂ断面図、図１１が図９のｃ−ｃ断面図である。ここで、グラファイトシート１００の配向（シート面の向き）は、図９の矢印方向（ｂ−ｂ断面方向）である。
【００５９】
第２の実施の形態の基板３０の図１０と図１１を比べると、グラファイトシート１００の面方向（配向）であるｂ−ｂ断面方向と比べてｃ−ｃ断面方向の熱拡散性が低いといえる。
【００６０】
基板１０と基板３０とを比較した場合に上述のような結果となった理由としては、ｃ−ｃ断面方向では、母材であるアルミの熱伝導率（アルミはグラファイトの５分の１程度の熱伝導率）の影響が大きいためである。
【００６１】
第１の実施の形態の基板１０と第２の実施の形態の基板３０との熱抵抗の差が、表１より０．５［℃／Ｗ］であることから、第１の実施の形態の基板１０の比較例１と比較した熱抵抗低減効果１．２［℃／Ｗ］のうち、約半分はグラファイトシートを円形放射状に配置したことによる効果であると言える。
【符号の説明】
【００６２】
１    発光ダイオード
１０    基板
１１    搭載面
１２    側面
１３    裏面
２０    熱拡散部
２１    中心部
２２    金属材料
１００    グラファイトシート
１０１ａ，１０１ｂ    長辺
１０２ａ，１０２ｂ    短辺
【図１】
2010251466.tif 000004
【図２】
2010251466.tif 000005
【図３】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
2010251466.tif 000009
【図６】
2010251466.tif 000010
【図７】
2010251466.tif 000011
【図９】
2010251466.tif 000012
【図１０】
2010251466.tif 000013
【図１１】
2010251466.tif 000014