(57)【要約】  【課題】  放熱用基板の金属酸化物層におけるクラックの発生を防止し、電子部品収納用パッケージおよび電子装置の電気的信頼性を向上させる。  【解決手段】  本発明の放熱用基板４は、炭素を主成分とする基板８と、基板８の上面に設けられた、熱膨張率が基板８の熱膨張率よりも大きい金属層９と、金属層９の上面が酸化されて形成された、上面に金属層９から電気的に絶縁された電子部品実装領域を有する金属酸化物層１０とを備えている。このような構成によって、放熱用基板４の金属酸化物層１０におけるクラックの発生を防止することができ、ひいてはこの放熱用基板４を用いた電子部品収納用パッケージおよび電子装置の電気的信頼性を向上させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を主成分とする基板と、
該基板の上面に設けられた、熱膨張率が該基板の熱膨張率よりも大きい金属層と、
該金属層の上面が酸化されて形成された、上面に前記金属層から電気的に絶縁された電子部品実装領域を有する金属酸化物層とを備えた放熱用基板。
【請求項２】
請求項１に記載の放熱用基板において、
前記基板は、炭素から成る、内部に複数の空隙が形成された多孔質体と、金属から成る、前記多孔質体の前記空隙に充填された金属充填部とを有しており、
前記金属層は、前記基板上に配された、該基板内の前記金属充填部と同じ材料から成り、かつ前記金属充填部に接合している密着層を有している放熱用基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の放熱用基板において、
前記基板は、複数のブロック部に分割されており、これらブロック部同士の間隙には、これらブロック部同士を接合する金属接合部が設けられている放熱用基板。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の放熱用基板と、
該放熱用基板の上面に前記電子部品実装領域を囲むように設けられた枠体とを備える電子部品収納用パッケージ。
【請求項５】
請求項４に記載の電子部品収納用パッケージと、
該電子部品収納用パッケージの前記電子部品実装領域に実装された電子部品とを備える電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱用基板、電子部品収納用パッケージおよび電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子が発する熱を放散させるための部品として、放熱用基板が知られている。放熱用基板としては、例えば、特許文献１に記載のアルミニウムプリント配線用基板が挙げられる。このアルミニウムプリント配線用基板は、アルミニウム板と、アルミニウム板の表面を酸化して形成された酸化被膜とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１９１００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のアルミニウムプリント配線用基板においては、アルミニウムの熱膨張率は、酸化被膜の熱膨張率よりも大きい。したがって、例えば電子部品の動作時の発熱によって、アルミニウム板が酸化被膜よりも大きく熱膨張することから、酸化被膜に引張応力が加わって酸化被膜にクラックが生じやすい。その結果、例えば酸化被膜上に電子部品が実装される場合に、クラックの発生によってアルミニウムプリント配線用基板のアルミニウム板と電子部品との間の絶縁性が確保されず、アルミニウムプリント配線用基板を用いた電子装置の電気的信頼性が低下する虞がある。
【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、酸化被膜のクラックの発生を防止することができる放熱用基板を提供し、ひいては電気的信頼性を向上させた電子部品収納用パッケージおよび電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態にかかる放熱用基板は、炭素を主成分とする基板と、該基板の上面に設けられた、熱膨張率が該基板の熱膨張率よりも大きい金属層と、該金属層の上面が酸化されて形成された、上面に前記金属層から電気的に絶縁された電子部品実装領域を有する金属酸化物層とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基板の熱膨張率が金属層の熱膨張率よりも小さいことから、金属層の熱膨張を抑制することができる。さらに、この基板は炭素を主成分としているので、電子部品が発する熱の放散性を向上させ、金属層に熱がこもることを抑制することができ、金属層の熱膨張をさらに抑制することができる。したがって、金属層の熱膨張によって金属酸化物層に加わる引張応力を低減できることから、放熱用基板における金属酸化物層のクラックの発生を防止することができ、ひいては電子部品収納用パッケージおよび電子装置の電気的信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る放熱用基板、電子部品収納用パッケージおよび電子装置の断面図である。
【図２】図１に示した放熱用基板の断面を拡大した拡大図である。
【図３】図１に示した放熱用基板の基板および金属層の一部の断面を拡大した断面図である。
【図４】図１に示した放熱用基板の第１積層体および第２積層体の一部を拡大した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（放熱用基板、電子部品収納用パッケージおよび電子装置の構成）
以下、本発明の一実施形態に係る放熱用基板、電子部品収納用パッケージおよび電子装置について、図１を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１０】
図１は、放熱用基板、電子部品収納用パッケージおよび電子装置の断面図であり、電子装置の概要を示している。図２は、図１に示した放熱用基板の断面を拡大した拡大図であり、放熱用基板を上下方向に切断した断面を拡大して示している。図３は、図１に示した放熱用基板の基板の一部および金属層の一部の断面を拡大した断面図であり、基体（ブロック部）が有する多孔質体および金属充填部を示しており、基体（ブロック部）と金属層（密着層）との接合部を詳細に示している。図４は、図２に示した放熱用基板の第１積層体および第２積層体の一部を拡大した拡大図であり、図４（ａ）は第１積層体におけるグラフェンシートの格子構造の配列の様子を示しており、図４（ｂ）は第２積層体におけるグラフェンシートの格子構造の配列の様子を示している。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、第１積層体および第２積層体を模式的に示しており、図４（ａ）および（ｂ）では、金属充填部を除いた状態を示している。
【００１１】
電子装置１は、テレビ等の家電機器、携帯電話またはコンピュータ機器、パワーデバイス等の電子機器、光通信機器あるいは無線通信機器等の通信機器に用いられる。電子装置１は、図１に示したように、電子部品２と、内部に電子部品２を収納した電子部品収納用パッケージ３とを含んでいる。
【００１２】
電子部品２は、電気信号の処理を行なう。このような電子部品２としては、例えば半導体素子、光半導体素子、トランジスタ、ダイオードまたはサイリスタ等が挙げられる。
【００１３】
電子部品収納用パッケージ３は、電子部品２を収納して保護するものである。電子部品収納用パッケージ３は、図１に示したように、電子部品２が実装される放熱用基板４と、放熱用基板４の上面に設けられた枠体５と、枠体５を貫通して設けられた入出力端子６と、枠体５の上面に配され、枠体５内を封止する蓋体７とを含んでいる。電子装置１は、上記構成を有することによって、例えば電子装置１が外部の回路基板に実装されたときに、外部の回路基板から受信した電気信号を、電子部品収納用パッケージ３の入出力端子６を介して電子部品２に伝達し、また電子部品２で処理された電気信号を、再び入出力端子６を介して回路基板に伝達することができる。
【００１４】
放熱用基板４は、電子部品２を支持するとともに、電子部品２の熱を放散させるものである。放熱用基板４は、基板８と、基板８の上面に設けられた金属層９と、金属層９の上面が酸化されて形成されているとともに、金属層９から電気的に絶縁された電子部品実装領域を有する金属酸化物層１０とを有している。なお、電子部品実装領域とは、電子部品２が実装される領域を指す。
【００１５】
基板８は、電子部品２から発生した熱を放散させる。基板８は、平板状に形成されており、上面視して矩形状である。また、基板８は、炭素を主成分として含んでおり、金属層９および金属酸化物層１０よりも熱伝導率が大きい。このような基板８は、例えば、複数のグラフェンシートの積層体、複数の炭素繊維を束ねた繊維束または黒鉛粉末の成形体等の炭素から成る材料を含んで形成されている。なお、炭素を主成分とするとは、基板８中
において炭素を５０体積％以上含んでいることを指す。
【００１６】
基板８の熱膨張率は、例えば７ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下に設定されている。基板８のヤング率は、例えば３１ＧＰａ以上６５ＧＰａ以下に設定されている。基板８の熱伝導率は、例えば４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。基板８の厚みは、例えば４００μｍ以上１５００μｍ以下に設定されている。
【００１７】
なお、熱膨張率は、例えば、市販のＴＭＡ（熱機械分析）装置を用いて、ＪＩＳ  Ｋ７１９７−１９９１に準じた測定方法によって測定される。ヤング率は、例えば、ナノインデンターを用いて、ＩＳＯ５２７−１：１９９３に準じた測定方法によって測定される。熱伝導率は、例えばレーザフラッシュ法を用いて測定される。
【００１８】
金属層９は、金属酸化物層１０の基礎となる。金属層９は、例えば、アルミニウムおよび銅等の金属材料から成る。
【００１９】
金属層９の熱膨張率は、例えば１８ｐｐｍ／℃以上２３ｐｐｍ／℃以下に設定されている。金属層９のヤング率は、例えば６０ＧＰａ以上１１０ＧＰａ以下に設定されている。金属層９の熱伝導率は、例えば１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。金属層９の厚みは、例えば５０μｍ以上２５０μｍ以下に設定されている。
【００２０】
金属酸化物層１０は、電子部品２を支持するとともに、電子部品２と放熱用基板４とを電気的に絶縁するものである。金属酸化物層１０は、例えば、酸化アルミニウムから成る。
【００２１】
金属酸化物層１０の熱膨張率は、例えば２ｐｐｍ／℃以上５ｐｐｍ／℃以下に設定されている。金属酸化物層１０のヤング率は、例えば７０ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下に設定されている。金属酸化物層１０の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。金属酸化物層１０の厚みは、例えば３μｍ以上１０μｍ以下に設定されている。
【００２２】
ここで、基板８の熱膨張率は、金属層９の熱膨張率よりも小さい。このような構成を有することによって、金属層９の熱膨張は、熱膨張率が小さい基板８によって抑制されることから、金属層９の熱膨張量を低減することができる。したがって、金属層９の熱膨張量が小さくなることから、金属層９の熱膨張に起因して金属酸化物層１０に加わる引張応力を低減することができる。その結果、放熱用基板４の金属酸化物層１０のクラックの発生を防止することができ、ひいてはクラックを介した電子部品２と放熱用基板４との短絡を防止し、電子部品収納用パッケージ３および電子装置１の電気的信頼性を向上させることができる。
【００２３】
基板８は、炭素を主成分としている。このような構成を有することによって、基板８が金属材料を主成分とした場合と比較して、基板８の熱伝導率を向上させることができるため、例えば電子部品２から発生した熱が金属層９にこもることを抑制することができ、金属層９の熱膨張量を低減することができる。したがって、金属層９の熱膨張に起因して金属酸化物層１０に加わる引張応力を低減することができるため、金属酸化物層１０のクラックの発生を効果的に防止することができる。
【００２４】
基板８は、図３に示したように、炭素から成り、かつ内部に複数の空隙が形成された多孔質体１１と、金属から成り、かつ多孔質体１１の空隙に充填された金属充填部１２とを有していることが望ましい。このような構成を有することによって、基板８が炭素のみか
ら成る場合と比較して、基板８の靭性を向上させることができ、例えば金属層９の熱膨張に起因した基板８におけるクラックの発生を防止することができる。
【００２５】
なお、多孔質体１１は、例えば、複数のグラフェンシートの積層体、複数の炭素繊維を束ねた繊維束または黒鉛粉末の成形体等から成る。金属充填部１２は、例えば、アルミニウムまたは銅等の金属材料から成る。また、金属充填部１２は、基板８の熱放散性を向上させる観点から、熱伝導率が比較的大きい銅等の金属材料から成ることが望ましい。
【００２６】
金属層９は、図２に示したように、基板８の上面に配された密着層１３と、密着層１３上に配されているとともに、上面が酸化された下地層１４とを有していることが望ましい。そして、密着層１３は、基板８の金属充填部１２と同じ金属材料から形成されており、金属充填部１２と密着層１３とは接合していることが望ましい。このような構成を有することによって、基板８と金属層９との接合強度を向上させることができ、基板８および金属層９の熱膨張によって、基板８から金属層９が剥がれることを防止することができる。
【００２７】
なお、密着層１３は、例えば銅等の金属材料から成る。下地層１４は、例えばアルミニウム等の金属材料から成る。下地層１４は、下地層１４を酸化して形成される金属酸化物層１０を緻密に形成する観点から、特にアルミニウムから成ることが望ましい。
【００２８】
密着層１３の熱伝導率は、下地層１４の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。そして、密着層１３の厚みは、下地層１４の厚みよりも大きいことが望ましい。このような構成を有することによって、金属層９における熱伝導率を向上させることができ、金属層９に熱がこもることを抑制することができる。
【００２９】
なお、密着層１３の熱伝導率は、例えば３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。下地層１４の熱伝導率は、例えば１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。密着層１３の厚みは、例えば４０μｍ以上２００μｍ以下に設定されている。下地層１４の熱伝導率は、例えば１０μｍ以上５０μｍ以下に設定されている。
【００３０】
基板８は、図２に示したように、複数のブロック部１５に分割されており、これらブロック部１５同士の間隙には、これらブロック部１５同士を接合する金属接合部１６が設けられていることが望ましい。このような構成を有することによって、基板８の靭性を向上させることができ、例えば金属層９の熱膨張によって基板８に引張応力が加わったとしても、それに起因した、基板８のクラックの発生を防止することができる。また、仮に基板８にクラックが発生した場合でも、クラックの進行を金属接合部１６によって妨げることができるため、基板８におけるクラックの進行を抑制することができる。なお、ブロック部１５は、炭素を主成分とし、例えば、複数のグラフェンシートの積層体、複数の炭素繊維を束ねた繊維束または黒鉛粉末の成形体等から成る。金属接合部１６は、例えば銅、ニッケルまたははんだ等の金属材料から成る。
【００３１】
複数のブロック部１５は、多孔質体１１および金属充填部１２から成ることが望ましい。そして、金属接合部１６は、ブロック部１５の金属充填部１２と接合していることが望ましい。このような構成を有することによって、ブロック部１５と金属接合部１６との接合強度を向上させることができる。その結果、ブロック部１５と金属接合部１６とが離れて、両者の境界に空隙が形成され、基板８ひいては放熱用基板４の熱放散性の低下を抑制することができる。
【００３２】
複数のブロック部１５は、主面が基板８の主面に沿うように複数のグラフェンシート１７が積層された第１積層体１８と、主面が基板８の主面と直交するように複数のグラフェ
ンシート１７が積層された第２積層体１９とを有していることが望ましい。このような構成を有することによって、グラフェンシート１７はその主面に沿った平面方向において熱伝導率が大きいことから、電子部品２から発生する熱を放熱用基板４の平面方向および厚み方向に効果的に放散させることができる。なお、グラフェンシート１７は、図４（ａ）および（ｂ）に示したように、複数の炭素原子が六角形上に平面状で結合した格子構造を有しており、この格子構造が平面方向に配列されていることから、グラフェンシート１７の主面に沿った平面方向の熱伝導率は大きくなる。また、互いに積層された複数のグラフェンシート１７は、例えば複数のグラフェンシート１７同士の格子構造間におけるファンデルワールス力等によって結合している。
【００３３】
複数のブロック部１５の左右両端面は、図２に示したように、金属被覆部２０に覆われていることが望ましい。このような構成を有することによって、複数のブロック部１５を金属被覆部２０にて保護することができる。その結果、例えば電子装置１の外部の回路基板への実装時等に、治具等が放熱用基板４に当たって放熱用基板４が欠ける等の不具合の発生を防止することができる。なお、金属被覆部２０は、例えば、金属充填部１２および密着層１３と同じ金属材料から成る。
【００３４】
金属被覆部２０は、図２に示したように、第２積層体１９の左右両端面を覆っていることが望ましい。このような構成を有することによって、第２積層体１９を構成する複数のグラフェンシート１７のそれぞれが金属被覆部２０と接合することから、金属被覆部２０によって、複数のグラフェンシート１７同士の積層方向の結合を補強することができる。
【００３５】
金属酸化物層１０には、電子部品２が動作していない状態において、圧縮応力が加わっていることが望ましい。このような構成を有することによって、例えば電子部品２の動作に起因した発熱で金属層９が熱膨張した場合でも、金属層９の熱膨張によって金属酸化物層１０に加わる引張応力を、金属酸化物層１０に予め加えられた圧縮応力によって相殺することができる。その結果、金属酸化物層１０に加わる引張応力を小さくすることができるため、金属酸化物層１０におけるクラックの発生を防止することができる。
【００３６】
枠体５は、図１に示したように、放熱用基板４の電子部品実装領域を取り囲むように位置し、電子部品実装領域に実装された電子部品２を保護する。枠体５は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体または窒化珪素質焼結体等のセラミックスから成る。また、枠体５は、複数の焼結体から成るセラミック層の積層体で構成されている。
【００３７】
入出力端子６は、電子部品２と外部の回路基板との間で、電気信号の伝送を行なう。具体的には、入出力端子６は、図１に示したように、枠体５を貫通して設けられた平板状のセラミック構造体と、このセラミック構造体の上面に形成された配線とを含んでいる。なお、セラミック構造体は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体または窒化珪素質焼結体等のセラミックスから成る。配線は、例えば銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、タングステン、マンガンまたはクロム等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を含んだ合金から成る。
【００３８】
蓋体７は、枠体５の上面に配されており、枠体５とともに電子部品２を保護する。蓋体７は、例えば鉄、銅、銀、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンまたはタングステン等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を複数組み合わせた合金または積層体から成る。
【００３９】
本発明は上述の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、改良等が可能である。
【００４０】
例えば、上述した本発明の実施形態は、複数のブロック部１５が、複数のグラフェンシート１７を積層した第１積層体１８および第２積層体１９を有している構成を例に説明したが、例えば、長手方向が基板８の平面方向に沿った複数の炭素繊維を束ねた第１繊維束と、長手方向が基板８の厚み方向に沿った複数の炭素繊維を束ねた第２繊維束とを含んでいても構わない。この場合には、仮に、ブロック部１５にクラックが発生したとしても、ブロック部１５は複数の繊維を束ねたものであることから、クラックの伸長を最小限にとどめることができる。
【００４１】
（放熱用基板、電子部品収納用パッケージおよび電子装置の製造方法）
以下、図１に示す放熱用基板４、電子部品収納用パッケージ３および電子装置１の製造方法を説明する。なお、本発明についての製造方法は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００４２】
（１）基板８を作製する。ここでは、複数のグラフェンシート１７を積層して、複数のグラフェンシート積層体を形成する。なお、グラフェンシート積層体は、例えば、MINTEQ
International Inc 製のPYROID（登録商標）を用いることができる。次いで、ダイヤモ
ンドカッター等を用いて、グラフェンシート積層体を複数の第１積層体１８および第２積層体１９の形状に切断する。次いで、複数の第１積層体１８および第２積層体１９のそれぞれの表面に電気めっきを用いて、例えば銅またはニッケル等から成るめっき層を形成する。そして、複数の第１積層体１８同士および第１積層体１８と第２積層体１９とを、めっき層上に配したはんだを含むろう材等の接合材を用いて接合することによって、基板８を作製することができる。また、グラフェンシート積層体が内部に空隙を有する多孔質体１１である場合には、例えば含浸溶融法を用いて、多孔質体１１を溶融した銅等の金属材料中に沈めることによって、多孔質体１１の空隙に金属材料を充填して金属充填部１２を形成する。
【００４３】
（２）基板８の主面に、例えば電気めっきを用いて、銅から成る密着層１３を形成する。次いで、例えば溶融めっきを用いて、アルミニウムから成る下地層１４を形成する。そして、下地層１４を陽極として、例えば陽極酸化法によって、下地層１４の表面を酸化させて金属酸化物層１０を形成する。
【００４４】
以上の（１）および（２）の工程によって、放熱用基板４を作製することができる。なお、下地層１４を酸化させる前において、予め基板８、密着層１３および下地層１４に引張応力を加え、引張応力が加わった状態を維持しつつ下地層１４を酸化させることで、金属酸化物層１０の形成後にこの引張応力を解放した際に、基板８、密着層１３および下地層１４が元の形状に戻ろうと縮むため、金属酸化物層１０に圧縮応力を付加することができる。また、例えば、基板８、密着層１３および下地層１４を加熱して熱膨張させた状態で金属酸化物層１０を形成することによって、常温（電子部品２の使用温度範囲内）において金属酸化物層１０に圧縮応力を付加することもできる。
【００４５】
（３）枠体５を準備する。枠体５は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットを、例えば金属加工法を用いることによって、所定形状に成形して作製することができる。なお、枠体５には、入出力端子６を設けるための貫通部が形成されている。
【００４６】
（４）入出力端子６を準備する。まず、例えば、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素または酸化ベリリウム等のセラミック粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合した混合物を所定形状に加工する。次いで、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダ
ー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを準備する。次いで、所定形状に加工した混合物の表面に金属ペーストを所定のパターンに印刷する。そして、これを焼成することによって、セラミック構造体の表面に配線が形成された入出力端子６を作製することができる。
【００４７】
（５）放熱用基板４の上面に、例えばろう材またはガラス材等の接合材を用いて枠体５を接合する。また、同様の接合材を用いて枠体５の貫通部に入出力端子６を接合する。次いで、電子部品２を放熱用基板４上に実装し、ボンディングワイヤ等を介して入出力端子６と電気的に接続する。次いで、枠体５内を蓋体７にて封止することによって、電子部品収納用パッケージ３および電子装置１を作製することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１      電子装置
２      電子部品
３      電子部品収納用パッケージ
４      放熱用基板
５      枠体
６      入出力端子
７      蓋体
８      基板
９      金属層
１０    金属酸化物層
１１    多孔質体
１２    金属充填部
１３    密着層
１４    下地層
１５    ブロック部
１６    金属接合部
１７    グラフェンシート
１８    第１積層体
１９    第２積層体
２０    金属被覆部
【図１】
2014216443.tif 000003
【図２】
2014216443.tif 000004
【図３】
2014216443.tif 000005
【図４】
2014216443.tif 000006