(57)【要約】  【課題】  放熱板の強度を維持しつつ放熱性を向上させる。  【解決手段】  放熱板１は、主部２および副部３を有し、主部２は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が上面に平行な方向となるように配列されて成り、副部３は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が厚さ方向となるように配列されて成る。副部３で横方向に熱を伝えてから主部２で厚さ方向に熱を伝えることによって、放熱性を向上できる。【選択図】  図１
2014022450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主部および前記主部の上面に設けられた副部を有し、前記副部の上面に発熱を生じる部品が搭載される放熱板であって、
前記主部は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が上面に平行な方向となるように配列されて成り、
前記副部は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が厚さ方向となるように配列されて成る、放熱板。
【請求項２】
前記副部の上面のうち、発熱を生じる部品が搭載される領域に絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放熱板。
【請求項３】
前記主部の下面に設けられた、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が厚さ方向となるように配列されて成る第２副部をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の放熱板。
【請求項４】
請求項１に記載の放熱板と、前記副部の上面に設けられた、発熱を生じる部品が搭載される領域を囲む枠体とを有するパッケージ。
【請求項５】
請求項４に記載のパッケージと、前記領域に搭載された半導体素子とを有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体素子のような部品から発せられた熱を放熱するための部品として、放熱板が知られている。放熱板としては、例えば、特許文献１に記載の熱伝プレートが挙げられる。特許文献１に記載の熱伝プレートは、厚さ方向に配列された炭素繊維と、炭素繊維の上下に設けられた金属部材とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１２９７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の放熱板において、搭載される部品の発熱量が増加した際に、部品の直下に位置する炭素繊維の厚さ方向による放熱だけでは放熱が不十分になる可能性があった。そこで、平面方向の熱伝導率を向上させるために、金属部材を平面方向に配列された炭素繊維に置き換えることが考えられるが、この場合には、熱伝プレートの強度を維持することが困難になる可能性があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度を維持しつつ放熱性を向上させた放熱板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の放熱板は、主部および前記主部の上面に設けられた副部を有し、前記副部の上面に発熱を生じる部品が搭載される放熱板であって、前記主部は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が上面に平行な方向となるように配列されて成り、前記副部は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が厚さ方向となるように配列されて成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様の放熱板によれば、副部が厚さ方向に積層されたグラフェンシートから成ることによって、上面に伝わった熱を水平方向に広げることができる。そして、水平方向に広がった熱を主部において厚さ方向に伝えることから、主部のうち発熱を生じる部品の直下以外に位置する領域も放熱に働かせることができる。その結果、放熱板の放熱性を向上できる。また、主部および副部が複数のグラフェンシートから成ることによって、放熱板の強度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の放熱板を示す断面図である。
【図２】図１に示した放熱板の分解斜視図である。
【図３】図１に示した放熱板を用いた半導体装置を示す断面図である。
【図４】一変形例の放熱板を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係る放熱板１およびこれを用いたパッケージ１０ならびに
半導体装置１００について、図面を参照して説明する。
【００１０】
＜放熱板１の構成＞
放熱板１は、放熱板１の上面に搭載される部品から生じる熱を放熱するための板状の部材である。放熱板１は、平面視したときの形状が四角形状である。図１に示すように、放熱板１は、主部２と副部３とを有している。
【００１１】
主部２は、熱を上下方向に伝えるための部材である。主部２は、放熱板１の下側を構成している。主部２は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が放熱板１の上面に平行な方向になるように配列されている。ここでいうグラフェンシートとは、複数の炭素原子が六角形状に平面上で結合した格子構造を取った部材を意味している。グラフェンシートの主面とは、炭素原子が六角形の格子構造を取っている面と同一の面を意味している。つまり、グラフェンシートの配列方向が上面に平行とは、図２に示すように、グラフェンシートの六角形の格子構造が主部２の上面から下面に向って配列されていることを意味している。さらに、グラフェンシートの主面同士が互いに接しているとは、グラフェンシートが複数積層されているということを意味している。具体的には、平面方向に隣り合うグラフェンシート間はファンデルワールス力によって結合されている。このように、主部２を構成する各々のグラフェンシートにおける炭素原子の格子構造が、主部２の上面から下面に向かって配列されていることによって、主部２の厚さ方向の放熱性を向上できる。
【００１２】
主部２の上面にはさらにめっき層が形成されている。めっき層は、グラフェンシートに無電解めっきまたは電解めっきを施すことによって設けることができる。めっき層としては、例えば、ニッケルめっきが用いられる。主部２の上面にめっき層が形成されていることによって、主部２を副部３と接合しやすくすることができる。
【００１３】
副部３は、熱を横方向に伝えるための部材である。副部３は、放熱板１の上側を構成している。副部３は、主部２の上面に設けられている。副部３は、複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が厚さ方向になるように配列されている。つまり、副部３を構成するグラフェンシートにおける炭素原子の格子構造が、横方向に配列されていることによって、副部３の横方向の放熱性を向上できる。
【００１４】
副部３の下面および上面には、主部２の場合と同様にめっき層が形成されている。副部３の下面にめっき層が形成されていることによって、副部３を主部２に接合しやすくすることができる。主部２と副部３とは半田等を含むろう材によって接合されている。副部３の上面にめっき層が形成されていることによって、副部３の上面に別の部材を接合しやすくすることができる。
【００１５】
放熱板１の作製には、例えば、以下の方法を用いることができる。まず、グラフェンシートの積層体を準備する。グラフェンシートの積層体としては、例えば、MINTEQ International Inc 製のPYROID HTを用いることができる。次にグラフェンシートの積層体をダイヤモンドカッター等を用いて、主部２および副部３の形状に切断する。さらに、主部２の上面ならびに副部３の上面および下面に電界めっきを用いてニッケルめっき層を形成する。最後に主部２および副部３をはんだを含むロウ材等の接合材により接合することによって、放熱板１を作製することができる。
【００１６】
放熱板１は、副部３が厚さ方向に積層されたグラフェンシートから成ることによって、上面に伝わった熱を水平方向に広げることができる。そして、水平方向に広がった熱を主部２において厚さ方向に伝えることから、主部２のうち発熱を生じる部品の直下以外に位置する領域も放熱に働かせることができる。その結果、放熱板１の放熱性を向上できる。
【００１７】
また、特許文献１に記載されているような、複数の炭素繊維が厚さ方向に配列されて成る放熱板においては、各炭素繊維中を主として熱が伝導することから上下方向以外への熱伝導が小さい場合があった。これに対して、本実施形態の放熱板１の主部２は、炭素原子の結合が面上に行なわれていることから、上下方向だけではなくグラフェンシートの主面に平行な横方向への熱伝導を高めることができる。これにより、放熱板１の放熱性をさらに向上できる。
【００１８】
また、複数の炭素繊維を束ねて焼結した場合と比較して、主部２および副部３にグラフェンシートを用いたことによって、放熱板１の強度が向上できる。これは、前述したとおり、グラフェンシートの炭素原子の結合が面上で行われていることによって、主部２および副部３の密度を向上できるためである。
【００１９】
＜パッケージ１０の構成＞
図３に示すように、パッケージ１０は、上述の放熱板１と絶縁層４と枠体５と蓋体６とを有している。
【００２０】
絶縁層４は、副部３の上面の全面、もしくは、部分的に設けられている。絶縁層４は、放熱板１に例えば半導体素子７を搭載した場合に半導体素子７と放熱板１との間を絶縁するために設けられている。絶縁層４は例えばアルミナ等のセラミック材料から成る。絶縁層４のうち下面の全体と上面における枠体５に接合される領域とには、メタライズ層が形成されている。メタライズ層は例えばタングステンおよびモリブデンを含む金属材料から成る。絶縁層４にメタライズ層が形成されていることによって、絶縁層４と副部３または枠体５とを接合しやすくできる。絶縁層４と副部３とはろう材等の接合材によって接合されている。なお、メタライズ層の表面にさらにめっき層が設けられていてもよい。
【００２１】
枠体５は、副部３の上面に絶縁層４を介して設けられている。枠体５は、例えば、発熱を生じる部品が搭載される領域を囲むように設けられている。枠体５は、例えば、絶縁層４および蓋体６と共にパッケージ１０を気密に封止するために設けられている。枠体５は、例えば、鉄、ニッケルおよびコバルトを含む金属材料から成る。枠体５は、絶縁層４のメタライズ層にろう材等の接合材によって接合されている。
【００２２】
蓋体６は、枠体５の上面に設けられている。蓋体６は、枠体５の開口を塞いでいる。蓋体６は、枠体５および絶縁層４とともにパッケージ１０を気密に封止するために設けられている。蓋体６は、例えば、鉄、ニッケルおよびコバルトを含む金属材料から成る。蓋体６は、枠体５にろう材等の接合材によって接合されている。また、枠体５と蓋体６とを部分的に溶融することによって接合してもよい。
【００２３】
本実施形態のパッケージ１０は、放熱性に優れた放熱板１を有していることから、パッケージ１０の内部から外部への放熱性が向上している。
【００２４】
＜半導体装置１００の構成＞
半導体装置１００は、パッケージ１０と半導体素子７とを有している。半導体素子７は、副部３の上面に絶縁層４を介して設けられている。半導体素子７としては、例えば、パワーデバイス用の集積回路等を用いることができる。
【００２５】
半導体装置１００は、放熱性が向上したパッケージ１０を有していることから、半導体素子７で生じた熱を効率よく外部に放熱できる。その結果、半導体装置１００は、半導体素子７の発熱の影響が抑制されている。
【００２６】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更または改良等が可能である。例えば、本実施形態においては、主部２の下面が外部に露出しているが、これに限られない。具体的には、図４に示すように、主部２の下面にさらに第２副部８が設けられていてもよい。第２副部８は、副部３と同様に複数のグラフェンシートが、主面同士を互いに接して配列方向が厚さ方向になるように配列されている。つまり、第２副部８を構成するグラフェンシートにおける炭素原子の格子構造が、横方向に配列されていることによって、第２副部８の横方向の放熱性を向上できる。したがって、放熱板１を外部基板の上面に実装したときに外部基板の上面の熱の分布の偏りを抑制できる。
【００２７】
また、本実施形態においては、副部３の上面に絶縁層４が設けられているが、これに限られない。具体的には、副部３の上面に金属層が設けられていてもよい。金属層としては、例えば、銅およびタングステンを含む金属材料から成る。絶縁層４の代わりに金属層を用いることによって、枠体５の接合を容易に行なうことができる。
【００２８】
また、例えば、主部２または主部２の下部に設けられた副部３の下に放熱器や冷却液循環流路を内蔵する金属部材を接合してもよい。
【００２９】
また、副部３のうち枠体５の直下に位置する領域に枠状の金属層が設けられるとともに、副部３のうち発熱する部品が搭載される領域に絶縁層４が設けられていてもよい。これにより、枠体５の接合を容易にするとともに、発熱する部品と放熱板１との間を電気的に絶縁できる。
【００３０】
また、本実施形態においては、枠体５が金属材料から成るが、これに限られない。具体的には、枠体５がアルミナ等のセラミック材料から成っていてもよい。
【００３１】
また、本実施形態においては、枠体５と副部３との間に絶縁層４が設けられているが、これに限られない。具体的には、副部３の上面に枠体５が直接接合されていてもよい。接合には、例えば、ろう材を用いることができる。
【００３２】
また、平面視したときの主部２の形状が長辺と短辺とを有する長方形状である場合には、グラフェンシートの配列方向を短辺と並行にすると良い。これにより、グラフェンシートの主面が、主部２の厚さ方向および長辺方向と平行に位置することになる。これにより、主部２における横方向の熱伝導をさらに高めることができる。これにより、放熱板１の放熱性をさらに向上できる。
【符号の説明】
【００３３】
１：放熱板
２：主部
３：副部
４：絶縁層
５：枠体
６：蓋体
７：半導体素子
８：第２副部
１０：パッケージ
１００：半導体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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