(57)【要約】【課題】本発明は、発熱素子からの熱を熱伝導層を介して効率よく放熱することができる半導体装置の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、パワートランジスタ等の発熱素子７が搭載され、回路配線６が形成される基板１を備えた半導体装置であって、基板１の少なくとも一部にダイヤモンドライクカーボン製の熱伝導層２が形成され、基板１の少なくとも一面側に熱伝導層２に直接あるいは熱伝達部材８を介して発熱素子７が設けられ、発熱素子７が設けられた基板１の素子取付側と反対側に熱伝導層２に接続するとともに基板外面の一部に開口する放熱孔１ａが形成されたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワートランジスタ等の発熱素子が搭載され、回路配線が形成される基板を備えた半導体装置であって、前記基板の内部にダイヤモンドライクカーボンからなる熱伝導層が形成され、前記基板の少なくとも一面側に前記熱伝導層に直接あるいは熱伝達部材を介して前記発熱素子が設けられるとともに、前記発熱素子が設けられた前記基板の前記素子取付面側と反対面側に、前記基板外面の一部に開口し、前記熱伝導層に達する放熱孔が形成されたことを特徴とする放熱構造を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記基板が、基板本体と、該基板本体の一面側に形成された熱伝導層と、該熱伝導層上に形成されたアース回路と、該アース回路を覆って前記熱伝導層上に形成された誘電体層と、該誘電体層上に形成された回路配線とを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造を備えた半導体装置。
【請求項３】
前記発熱素子が前記熱伝導層上に熱伝導部材を介して直接搭載されてなることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造を備えた半導体装置。
【請求項４】
前記放熱孔の内面に前記熱伝導層に接続するダイヤモンドライクカーボン製の補助熱伝導層が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造を備えた半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワートランジスタ等の放熱素子が搭載される回路基板の放熱を効率良くできるようにした半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話機等の通信機器の分野では、薄膜プロセスによる高周波モジュールが年々小型化されるに伴い、パワー系ＩＣチップなどの発熱素子からの熱を効率よく速やかに外部に廃棄できる放熱構造が望まれている。
この種の発熱素子用の放熱構造として従来、パワーＩＣチップそのものの背面側にヒートシンク用メタル部材を取り付けた構造、あるいは、基板に放熱用のサーマルビアを形成し、このサーマルビア上のバンプにワイヤボンディングでパワーＩＣチップの裏面を接続した構造などが知られている。
【０００３】
ところで、上述のような放熱構造の他に、ダイヤモンド膜の高熱伝導性を利用した放熱構造が知られている。（特許文献１参照）
この特許文献１には、ダイヤモンド膜を被覆したシリコン基板にエネルギービームを走査し、走査部の一部をグラファイト膜に相変化させた後、このグラファイト膜上に金属膜の配線パターンを形成し、金属膜の配線パターン上にダイヤモンド膜の成膜が可能な導電性物質を選択的に成長させた後、基板上にダイヤモンド膜を被覆し、エネルギービームを走査してグラファイト膜よりなる配線パターンを形成し、その後に基板上のビア形成位置を選択的にエネルギービームで走査して穴開けし、穴のグラファイト膜上に金属膜を形成して金属配線パターンとビアを形成し、高密度配線が発生させる熱をダイヤモンド膜で伝達して高密度配線部分に熱が蓄積されないようにした構造が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１７５３５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に記載したパワーＩＣチップそのものの背面側にヒートシンク用メタル部材を取り付ける構造では、薄膜プロセスとの整合性、あるいは、チップと基板との取付構造との整合性、メタル部材取付構造との整合性は全く考慮されておらず、ヒートシンク用メタル部材を必要箇所に別途取り付けるという不効率な手段を採用しなくてはならない上に、放熱効率の面でも不十分になり易いという問題がある。また、小型化した高実装タイプの基板においては、発熱部品の１つ１つにメタル部材を個々に取り付けること自体困難な問題がある。
次に、この種の基板に設けられるサーマルビアとパワー系ＩＣをボンディングワイヤで接続する構造においても放熱効率の面では不十分な問題がある。
また、前記特許文献１に記載された技術では、基板全体に速やかに熱を伝えるので局所的な温度上昇は防げるものの、外部への放熱性という点では不充分なものであった。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたもので、パワー系ＩＣ等の発熱素子からの熱を熱伝導層を介して効率良く伝達して放熱することができる放熱構造を備えた半導体装置の提供を目的とする。
また本発明は、アース回路と誘電体層と回路配線を備えた基板に発熱素子が実装される構造において発熱素子からの熱を熱伝導層を介して効率よく伝達して放熱することができる放熱構造を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の照明装置は前述の目的を達成するために、パワートランジスタ等の発熱素子が搭載され、導電回路が形成される基板を備えた半導体装置であって、前記基板の内部にダイヤモンドライクカーボンからなる熱伝導層が形成され、前記基板の少なくとも一面側に前記熱伝導層に直接あるいは熱伝達部材を介して前記発熱素子が設けられるとともに、前記発熱素子が設けられた前記基板の前記素子取付面側と反対面側に前記基板外面の一部に開口し、前記熱伝導層に達する放熱孔が形成されたことを特徴とする。
ダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層はＳｉ基板あるいは通常の金属材料に比べて熱伝導率の面において格段に優れているので、発熱素子からの熱を熱伝導層により効率良く伝達できる。熱伝導層が伝えた発熱素子からの熱は、発熱素子から離れた部分にまで速やかに伝達されるので、発熱素子まわりに熱が蓄積されることがない。
【０００８】
また、基板において発熱素子を設けた面の側と反対面側に放熱孔が開口されているので、発熱素子からの熱を熱伝導層が放熱孔側まで効率良く伝達し、放熱孔を介して効率良く基板の外部に放出できる。このような基板反対面側に開口する多数の放熱孔の存在により放熱効率が向上する。
【０００９】
本発明は、前記基板が、基板本体と、該基板本体の一面側に形成された熱伝導層と、該熱伝導層上に形成されたアース回路と、該アース回路を覆って前記熱伝導層上に形成された誘電体層と、該誘電体層上に形成された回路配線とを具備してなることを特徴とする。
本発明をアース回路と回路配線を備えた基板に適用することができる。この場合、誘電体層を挟むアース回路と回路配線によりマイクロストリップラインを構成することができ、マイクロストリップラインを高密度実装した場合に発熱を生じても発生する熱を高熱伝導性の熱導電層で速やかにかつ効率よく放熱孔側に導いて基板外部側に排熱できる。
【００１０】
本発明は、前記発熱素子が前記熱伝導層上に熱伝導部材を介して直接搭載されてなることを特徴とする。
発熱素子から発生された熱が熱伝導部材を介して直接熱伝導層側に伝達されて発熱素子から離れた部分に伝達されるので、発熱素子の熱を速やかに効率良く伝達して発熱素子近傍に熱を滞留させることがない。よって発熱素子の排熱効率を更に向上させ得る。
本発明は、前記放熱孔の内面に前記熱伝導層に接続するダイヤモンドライクカーボン製の放熱層が形成されてなることを特徴とする。
放熱孔の内面に形成した放熱層は、熱伝導層に対して放熱器の作用を奏し、基板周囲の空気に対する熱伝導層の接触面積を増加させるので、熱伝導層のみを設ける場合よりも放熱効率が向上する。即ち、放熱孔の内面側まで高熱伝導率のダイヤモンドライクカーボンを設けることで、空気に接触する熱の放出部分の面積を増大させて放熱効率の更なる向上に寄与する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
図１は本発明に係る半導体装置の第１実施形態としてのチップ実装基板の断面図であり、図２は同基板の要部断面図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などを適宜異ならせて表示してある。また、本発明が以下の各実施形態に限定されるものではないのは勿論である。
【００１２】
図１に示すように本発明に係る半導体装置としてのチップ実装基板Ａは、Ｓｉなどからなる基板１と、この基板１の上面のほぼ全面に被覆形成されたダイヤモンドライクカーボンからなる熱伝導層２と、この熱伝導層２の上の必要部分に形成されたアース回路３と、該アース回路３を覆った誘電体層５と、該誘電体層５の上に必要な形状に形成された回路配線６と、該回路配線６に接続された形で設置されたパワーＩＣ等の半導体素子としての半導体チップ（発熱素子）７とを具備して構成されている。
このようなチップ実装基板Ａは、例えば、ＦＡＷ（加入者系無線アクセスシステム）等に用いられる小型・高性能な送受ＲＦモジュール用として、あるいは、小型高性能なＨｉｇｈ−Ｑフィルタ、アンテナ、薄膜素子搭載モジュール等のデータ転送カードモデム用として、または、追突防止レーダ、車車間通信システム等のＩＴＳ（インテリジェントトランスポートシステム）用として、更には、超高速無線ＬＡＮ、無線ホームリンク等のＭＭＣ（マルチメディア異動アクセス）用として、あるいはその他の種々の用途に供される種々の形態の高周波モジュール用などの半導体素子や各種発熱素子が実装された基板である。ここで用いられる発熱素子とは、発熱量が多いパワー系ＩＣなどの素子、あるいは、パワー系トランジスタ、ＩＣ、及びＭＭＩＣなどの素子である。なお、例えば、動作電流がトランジスタでは５ｍＡ以上、ＩＣでは２ｍＡ以上の素子が対象となる。
【００１３】
前記基板１はＳｉ基板等からなり、その内部には基板１の上面（一面）と下面（他面）に開口する放熱孔１ａが複数形成されている。これらの放熱孔１ａは、この実施形態では図１に示すように上面側の開口が小さく下面側の開口が大きな上窄まり状（先窄まり状）に形成され、放熱孔１ａの上端の開口は熱伝導層２に到達され、熱伝導層２によって閉じられている。前記基板１の厚さは、例えば、０．１５〜１．５ｍｍ程度の範囲で適宜の厚さにすることが好ましく、より好ましくは０．２〜１ｍｍ程度の厚さものが用いられる。この基板１を薄くし過ぎると薄膜プロセスに基板１流すことができなくなり、後述するボンディング等の部分の接合強度を十分に稼げなくなる一方、厚くし過ぎると放熱孔１ａを薄膜プロセスにおいて形成することが難しくなり、製品サイズが大型化する傾向となる。
また、この基板１に放熱孔１ａを形成するにはＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）加工等の精密加工技術によれば良い。ただし、ＭＥＭＳ加工を施す場合においても基板１があまりに厚すぎると加工精度が低下するので、先の範囲の厚さが好ましい。
【００１４】
また、放熱孔１ａの大きさとそれらの放熱孔１ａが形成される間隔は、基板１の機械的強度低下を招かないように例えば放熱孔直径１０〜１００μｍ、間隔が４０μｍ程度、また、放熱孔ピッチ１０μｍ〜２００μｍ程度、間隔が１００μｍ程度とすることができる。また、放熱孔１ａの熱伝導層２側の開口部の直径は例えば２０μｍ程度であり、放熱孔１ａの基板裏面側の開口部の直径は例えば１００μｍとすることができる。
【００１５】
これらの放熱孔１ａの形成位置は、基板１の全面に均一に形成しても良いし、特に放熱の激しい発熱素子７の設置部分まわりに対応させて前記の範囲で集中させて形成しても良い。ただし、後述するバンプ接続部の直下の位置には基板１を残しておく必要があるので、バンプ接続を行う場合に放熱孔１ａの形成位置には制約がある。
また、放熱孔１ａの形状については、後述するドライエッチングでＳｉ基板に穴あけ加工を施せば、放熱孔１ａはテーパをもった先窄まり状の孔となる。その他、例えば、水酸化カルシウム（ＫＯＨ）あるいはテトラメチルアンモニウムハイドライド（ＴＭＡＨ）の１０〜３０％水溶液に浸漬すると、約１μｍ／分のエッチングレートで加工することができ、その際の放熱孔の断面形状は先窄まり状となる。
【００１６】
前記熱伝導層２はダイヤモンドライクカーボンからなる。このダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンドが炭素原子のｓｐ３結合による結晶体であるのに対し、炭素原子のｓｐ３結合によるアモルファス構造体を主体としてなり、イオンビームデポジッション、イオンプレーティング、スパッタリング、電子ビーム蒸着法などのＰＶＤ法、炭化水素ガスによるプラズマＣＶＤ法などの種々の成膜法で製造可能な膜である。このダイヤモンドライクカーボンは、製造時のバイアスや雰囲気ガス等の条件により炭素原子のｓｐ３結合によるアモルファス相の他に、水素やグラファイト的なｓｐ２結合を多く含むものとなり、その製造状態により熱伝導率が変動するが、熱伝導率が概ね１０００〜１００（Ｗ／ｍｋ）程度、例えば１０００程度の優れたものである。
これらに対して、Ｃｕの熱伝導率は３９３（Ｗ／ｍｋ）、Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は１７（Ｗ／ｍｋ）、であるので、ＣｕやＡｌ２Ｏ３に比べて熱伝導率の差異は明らかである。なお、ダイヤモンドライクカーボンの比抵抗は５．０×１０７Ωｃｍ程度、Ｃｕの比抵抗は１．７×１０−８程度、Ａｌ２Ｏ３の比抵抗は１×１０１２程度であるので、ダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層２での電気絶縁性は充分である。
【００１７】
ただしこのダイヤモンドライクカーボンは、膜の状態でその引張り応力が極めて高いので、成膜可能な厚さとして通常は５μｍ程度が限界である。また、あまり薄すぎると放熱性としての熱伝導性が低下するので、０．３μｍ〜５μｍの範囲の厚さが好ましく、０．３μｍ〜２μｍの範囲がより好ましい厚さとなる。即ち、５μｍを超える厚さでは成膜後にクラックや膜剥がれを生じやすく、信頼性に乏しくなり易く、逆に０．３μｍよりも薄い膜厚では熱伝導性が不十分となり易く、発熱素子７の効率的な排熱という目的での熱伝導性の面では特性不足となり易い。
【００１８】
この熱伝導層２の上には、必要な平面形状になるようにＣｕなどの良導電性の金属材料からなるアース回路３が形成され、更にこのアース回路３を覆うように誘電体層５が被覆されている。この誘電体層５はベンゾシクロブテン等の樹脂膜からなり、ＤＬＣ膜の補強のために設けられている。この誘電体層５は電気的絶縁性を有するとともに、高周波特性に有利なように低誘電率、低誘電損失であることが必要である。
誘電体層５の上には必要な形状になるように、例えば複数のライン状になるようにＣｕなどの良導電性金属材料からなる回路配線６が形成されている。
【００１９】
そして、回路配線６の上に封止材７Ａで薄い板状にパッケージングされ、底部側にボールボンディング接続部７ａ、７ｂを有した半導体素子（発熱素子）７が実装されている。前記ボールボンディング部７ａは回路配線６に接続されて電気的に回路配線６と半導体素子７とを接続するための接続部であり、ボールボンディング接続部７ｂは誘電体層５に形成された透孔を貫通してアース回路３に接続された形で設けられているサーマルビア（熱伝達部）８に接続するための接続部である。
従って半導体素子７は回路配線６に複数のボールボンディング部７ａを介して接続され、アース回路３に複数のボールボンディング接続部７ｂを介して接続されている。また、ボールボンディング接続された部分とその周囲部分には封止樹脂材９が注入固化されていて半導体素子７と基板１との間の空間が埋められて封止されている。なお、この形態の半導体素子７は例えばチップ幅として２ｍｍ程度、チップ厚さとして例えば２００μｍ程度のものである。従ってこの程度の大きさの半導体素子７に対して金属製のフィンなどを備えた従来のヒートシンク用メタル部材を別途装着することは困難となるので、本発明構造が好ましい。
【００２０】
前記基板１に形成された放熱孔１ａの上端部分とそのまわりの部分の拡大断面を図２に示すが、熱伝導層２は放熱孔１ａの上端部の内側の空気に触れた状態とされ、放熱孔１ａの上端部の上側に熱伝導層２と誘電体層５とを介してサーマルビア（熱伝達部）８が位置されている。
【００２１】
以上の如く構成された半導体装置Ａにあっては、発熱素子としての半導体素子７が発熱すると、その熱がボールボンディング接続部７ｂ、サーマルビアの熱伝達部８、誘電体層５を介して、あるいは一部封止樹脂材９を介してダイヤモンドライクカーボン製の熱伝導層２に伝わり、熱伝導層２を伝わって半導体素子７から離れた部分に伝達され、基板１の放熱孔１ａ側であるいは基板１上で外部に露出されている熱伝導層２の部分から基板１の外部側に放出される。その際、熱伝導層２に対して熱を伝達するサーマルビアの熱伝達部８の近くに複数の放熱孔１ａが形成されているので、これらの放熱孔１ａ内部の空気と熱交換を行うことで熱を伝えるサーマルビアの熱伝達部８の直近で効率良く熱を放出できる。また、図１に示すように基板１の右端部側に示すように基板上に露出されている部分においては直接外気に放熱できる。従って半導体装置Ａにおいて熱交換効率の良好な排熱構造が提供される。
【００２２】
また、熱伝導層２は特に熱伝導率の優れたダイヤモンドライクカーボンから形成されているので、サーマルビアの熱伝達部８の周囲側に熱が速やかに伝達され、熱伝達部８から離れた位置に存在する放熱孔１ａからも積極的に排熱することができるとともに、図１に示すアース回路３と誘電体層５で覆われていない熱伝導層２の上面が露出された領域においても効率良く排熱することができる。従って放熱孔１ａは特に発熱素子７の近傍に配置する必要性は低く、基板１の任意の位置に設けることができ、その場合であっても良好な放熱効果を得ることができるが、放熱孔１ａを発熱素子７の近傍に配置した方が熱交換効率の面からより有利であることは勿論である。
なお、放熱性を重視すれば発熱素子７の下側の基板１に多くの放熱孔１ａを設けることが好ましいが、発熱素子７を回路配線６に接続する場合のチップボンドの耐性（機械強度）の関係でバンプ接続部７ａの下側はある程度の基板強度が必要なため、バンプ接続部７ａ部分とサーマルビア８の固定部分に必要以上に多くの放熱孔１ａを設けるのは好ましくない。
【００２３】
以上のことから、図１に示す構造の半導体装置Ａであるならば、ダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層２を有効に利用して発熱素子７が発生させた熱を排出することができる。また、発熱素子７が発生させた熱は封止樹脂９が設けられた部分に特に溜まり易い傾向を有するがこの部分にサーマルビアの熱伝達部８を設けているので、この熱伝達部８を介して熱伝導部８に速やかに熱を伝達することができ、封止樹脂９とその周囲部分に熱を溜めてしまう恐れが少ない。
次に、熱伝導層２はアース回路３の下にも形成されているので、アース回路３自体が発生させる熱も効率良く伝達し、放熱孔１ａから基板外部に排出することができる。更に、各放熱孔１ａは熱伝導層２側に向いて先窄まり状となり、基板１の裏面側に末広がり形状とされているので、熱伝導層２側の開口部の大きさをできるだけ小さくして薄い熱伝導層２並びに基板１の強度低下を防止しつつ、放熱孔１ａの内部空間側の空気を媒介とする熱交換の面では空気と積極的に広い空間容積で熱対流して積極的に熱交換できるようにするために熱伝導層２側に先窄まり状、基板裏面側に末広がり状とされていることが望ましい。
【００２４】
ところで、第１実施形態の実装基板Ａにおいては１個の発熱素子７を搭載した例について述べたが、通常の実装基板には複数の発熱素子が混在して複数搭載される。従って搭載されている発熱素子の数に合わせて放熱孔１ａの位置や設置数を適宜増減して対応しても良いのは勿論である。また、図１に示す実装基板Ａでは発熱素子７の近くの基板裏面側とその他の部分に放熱孔１ａを設けたが、放熱孔１ａは基板１の裏面側の均一な位置に適宜配列形成しても良い。
【００２５】
図３は本発明に係る第２の実施形態の半導体装置に適用される放熱孔の要部断面構造を示すもので、この第２の実施形態の半導体装置においては、基板１の放熱孔１ａの内面のほぼ全面を覆うようにダイヤモンドライクカーボンからなる放熱層２１が形成されてなる。その他の構成については先の第１実施形態の構造と同等であるので、同等の部分の構成の説明は省略する。
この形態の構造では、放熱孔１ａの内面に熱伝導層２０に接続して一体化される熱伝導層２０と同じ材料からなる放熱用の放熱層２１が形成された状態とされている。このため、熱伝導層２０は放熱層２１でもってより広い面積で放熱孔１ａ内部の空気と熱交換できると同時に、放熱孔１ａの外部の空気とも効率良く熱交換できるので、図１と図２に示す実施形態の構造よりも更に熱交換効率を向上させることができ、効率の良い排熱ができる。
【００２６】
なお、この形態で用いた放熱層２１は基板１の放熱孔１ａの内面だけに形成されるものではなく、後述する形態の如く放熱孔１ａの内面に加えて基板１の裏面側に形成されていても良い。このように基板１の裏面側にまで放熱層２１を形成しておくならば、基板裏面側で放熱層２１を介して放熱冷却できるので、熱交換効率が更に向上する。
【００２７】
図４は本発明に係る第３の実施形態の半導体装置としての実装基板Ｂを示すもので、この実施形態の実装基板Ｂは、Ｓｉなどからなる基板１０と、この基板１０の上面に被覆されたダイヤモンドライクカーボンからなる熱伝導層１２と、この熱伝導層１２の一部分の上に熱伝導性接着層（熱伝達部材）１３を介して直に固定されたパワーＩＣ等の発熱素子（半導体チップ、半導体素子）１５と、熱伝導層１２の他の一部分上に形成されたアース導体１６、１６と、これらのアース導体１６を覆った誘電体層１７と、該誘電体層１７上に形成された回路配線１８と、前記回路配線１８と発熱素子１５のボール接続部１９とを接続したボンディングワイヤ２５を具備して構成されている。また、前記基板１０には先の実施形態において基板１に形成されていた放熱孔１ａと同等の放熱孔１０ａが複数形成されている。この実施形態では発熱素子１５が基板側に直接固定されたダイボンディング構成とされたものである。
【００２８】
この図４に示す第３の実施形態の実装基板Ｂにおいてもダイヤモンドライクカーボンからなる熱伝導層１２を発熱素子１５の下に直に設けているので、この熱伝導層１５の高熱伝導性を利用して発熱素子１５の熱を放熱孔１０ａ側に導き、放熱孔１０ａを利用して空気層と熱交換し、放熱ができる。また、熱伝導層１２の上面においてアース導体１６や誘電体層１７に覆われずに露出されている部分においても周囲の空気層と熱交換して放熱することができる。
その際に熱伝導層１２の熱伝導性が金属材料や樹脂に比べて特に優れているので、発熱部分と放熱部分が多少離れていても十分な排熱ができる点については先の実施形態の場合と同等の効果を得ることができる。
また、この実施形態においてはアース回路１６の下に直に熱伝導層１２が形成されているので、アース回路１６が発生させる熱を熱伝導層１２を介して放熱孔１０ａ側、あるいは、熱伝導層１２の周縁部側の熱伝導層１２が露出した領域に効率良く伝達させて排熱できる。従ってこの実施形態においても先の実施形態の構造と同様に効率的な排熱ができ、発熱素子１５の熱をその周りに蓄積させないとともに、アース回路１６の発生させる熱についても熱伝導層１２で直に熱伝達して排熱することができる。
【００２９】
次に、先に説明した第１の実施形態あるいは第３の実施形態の如く誘電体層を挟んで回路配線とアース回路を形成する場合、この種の回路配線がＧＨｚの高周波帯域で使用されるものであり、誘電体層を挟んでその一側にアース回路をその他側に回路配線を設けたマイクロストリップラインとして適用される場合、ギャップ幅（μｍ）とストリップライン幅（回路配線幅）との関係は以下のように求められる。
【００３０】
インピーダンスをＺ０、マイクロストリップライン幅をＷ、ギャップ幅をｈ、マイクロストリップライン厚をｔ、実効透磁率をεｅｆｆ、比誘電率をεとすると、以下の関係式が成立する。
εｅｆｆ＝｛（ε＋１）／２｝＋｛（ε−１）／２｝・Ｆ（Ｗ／ｈ）  −｛（ε−１）／４．６｝・｛（ｔ／ｈ）／（Ｗ／ｈ）１／２｝
の関係式が成立し、ここで、
Ｆ（Ｗ／ｈ）＝｛１＋１２（ｈ／Ｗ）｝−１／２  （Ｗ／ｈ≧１）
の関係式が成立する。以上の場合に、
Ｚ０＝｛１２０π／（εｅｆｆ）１／２  ｝×［（Ｗｅ／ｈ）＋１．３９３＋０．６６７ｌｎ（（Ｗｅ／ｈ）＋１．４４４）］−１
の関係が成立する。ただし、
Ｗｅ＝Ｗ＋（１．２５ｔ／π）・｛１＋ｌｎ（２ｈ／ｔ）｝とする。
更に、（Ｗ／ｈ）≧（１／２π）とする。
以上のマイクロストリップラインを導き出す関係式から計算すると、ギャップ幅とマイクロストリップラインの関係が得られる。
【００３１】
以上説明のごとく、誘電体層を挟んで回路配線とアース回路を形成する場合であって、この種の回路配線がＧＨｚの高周波帯域で使用されるものである場合、前述の回路配線のギャップ幅が小さくなるにつれてマイクロストリップライン幅も急激に細くなるので、配線密度の向上を図ることができるが、その場合に当然の如く発熱も増加するので、本願発明のごときダイヤモンドライクカーボンを用いた熱伝導層を用いることでマイクロストリップラインとしての回路配線からの発熱の問題を解消することができ、回路設計が容易となる。
【００３２】
図５は本発明に係る第４の実施形態の半導体装置としての実装基板Ｄを示すもので、この形態の実装基板Ｄは、先の第１実施形態の実装基板Ａに対し、基板１の裏面全部と放熱孔１ａの内面側全部にダイヤモンドライクカーボンの補助熱伝導層２７を形成した点に特徴を有する。その他の構成については先の第１実施形態の構造と同等である。
この形態においては熱伝導率の優れたダイヤモンドライクカーボンの補助熱伝導層２７を放熱孔１ａの内面側と基板１の裏面側に広い面積で設けているので、発熱素子７から発生された熱を熱伝導層２が速やかに補助熱伝導層２７側に伝達し、放熱孔１ａの内面側の補助熱伝導層２７と基板裏面側の補助熱伝導層２７が広い面積で周囲の空気と熱交換できるので、放熱面積を大幅に向上させることができ、極めて高い放熱効果を得ることができる。
その他の効果については先の第１の実施形態の構造と同等である。
【００３３】
図６は本発明にかかる第５の実施形態の半導体装置としての実装基板Ｅを示すもので、この形態の実装基板Ｅは先の第３の実施形態の実装基板Ｂに対し、基板１０の裏面全部と放熱孔１０ａの内面側全部にダイヤモンドライクカーボンの補助熱伝導層２８を形成した点に特徴を有する。その構成については先の第４実施形態の構造と同等である。
この形態においては熱伝導率の優れたダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層２８を放熱孔１０ａの内面側と基板１０の裏面側に広い面積で設けているので、発熱素子１５から発生された熱を熱伝導層１２が速やかに熱伝導層２８側に伝達し、放熱孔１０ａ内部の補助熱伝導層２８と基板裏面側の補助熱伝導層２８が広い面積で周囲の空気と熱交換できるので、放熱面積を大幅に向上させることができ、極めて高い放熱効果を得ることができる。
その他の効果については先の第３の実施形態の構造と同等である。
【００３４】
図７はＳｉの基板１の裏面側に形成した放熱孔１ａの配置例を示す。この例の如く放熱孔１ａを所定の間隔をあけて配置することで基板全体の放熱を均一に行うように設計することができる。図７の符号３０で示す線が発熱素子７の外形を示すが、発熱素子７の外形に対して発熱量の多い中心部側に多少密になるように放熱孔１ａを配置するのが好ましい。
【００３５】
【実施例】
厚さ２００μｍのＳｉ基板を用意し、この基板上面にプラズマＣＶＤ法で厚さ１μｍのダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層を成膜した。成膜条件は以下のように設定した。
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【００３６】
この熱伝導層上にグランド回路とするためのＣｕ膜をスパッタにより成膜し、フォトリソグラフィ法とウエットエッチング法（オキソン：過硫酸塩水溶液利用）の常法によりＣｕのアース回路を形成した。これらの上に、誘電体層として、ダウケミカル製のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を厚さ２０μｍになるようにスピンコートにより塗布し、真空アニール炉で２５０℃で１時間加熱処理した。
スピンコート法により塗布したベンゾシクロブテン膜の加工はその上にレジストパターンを形成し、ＳＦ６ガスによりドライエッチングする方法を採用し、残った部分を誘電体層とした。
【００３７】
ドライエッチング後のベンゾシクロブテン膜の上にＣｕのメッキで回路配線を形成した。即ち、厚さ１０００ÅのＣｕシード層をスパッタにより成膜後、レジストパターンを形成し、硫酸銅溶液で銅メッキを施すことでベンゾシクロブテン膜の誘電体層上にＣｕの回路配線を形成した。
Ｓｉ基板の表面をレジストで覆って保護し、Ｓｉ基板の裏面にフォトリソグラフィ法でレジストパターンを形成する。更にフッ素系ガスを用いたドライエッチングによりＳｉ基板裏面側から先の熱伝導層に達する放熱孔を０．５ｍｍピッチで複数形成した。
次いでＳｉ基板の両面側に残留しているレジストを除去することでＳｉ基板上にダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層が形成され、更にその上にアース回路が形成され、更にアース回路上に誘電体層と回路配線が形成された基板が得られた。
続いてこの基板の熱伝導層上であって、アース回路が形成されていない部分にパワートランジスタをダイボンディングして固定し、パワートランジスタのボールボンディング部分と先の回路配線部分をワイヤボンディング接続することで図４に構造を示す実装基板と同じ構造の実装基板を得ることができた。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、基板の内部にダイヤモンドライクカーボンからなる熱伝導層を形成し、これに直接あるいは熱伝達部材を介して発熱素子を設け、基板において発熱素子取付面側と反対面側に熱伝導層に接続し基板外面に開口する放熱孔を形成したので、Ｓｉ製などの基板や金属材料からなる回路配線よりも遥かに熱伝導率の高いダイヤモンドライクカーボンの熱伝導層により、効率良くかつ速やかに熱を伝達して排熱できる。
また、基板において発熱素子を設けた面側と反対面側に放熱孔が開口されているので、発熱素子からの熱を熱伝導層が放熱孔まで効率よく伝達し、放熱孔を介して効率良く外部に放出できる。このような基板反対側の放熱孔の存在により放熱効率が向上する。
【００３９】
本発明をアース回路と回路配線を誘電体層を挟んで備えた基板に適用することができる。この場合、誘電体層を挟むアース回路と回路配線によりマイクロストリップラインを構成することができ、マイクロストリップラインを高密度実装した場合に発熱を生じても発生する熱を高熱伝導性の熱導電層で速やかにかつ効率よく放熱孔側に導いて排熱できる。
この構造の場合に熱伝達部材を介して熱導電層に発熱素子の熱を伝えるようにすることで更に発熱素子の排熱が効率よく行えるようになる。
【００４０】
本発明において、放熱孔の内面に熱伝導層に接続するダイヤモンドライクカーボン製の放熱層を形成したので、熱伝導層に対して放熱器の作用を奏し、基板周囲の空気に対する熱伝導層の接触面積を増加させるので、熱伝導層のみを設ける場合よりも更に放熱効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る構造の熱伝導層を採用した実装基板の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】同第１実施形態の実装基板の部分断面図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態の実装基板の熱伝導層の要部を示す部分断面図である。
【図４】本発明に係る第３実施形態の実装基板の熱伝導層の要部を示す部分断面図である。
【図５】本発明に係る構造の熱伝導層を採用した実装基板の第４実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る構造の熱伝導層を採用した実装基板の第５実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る実装基板に適用される放熱孔の配置状態の一例を示す底面図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ、Ｄ…実装基板、１、１０…基板、１ａ、１０ａ…放熱孔、２、１２、２０…熱伝導層、３、１６…アース回路、５、１７…誘電体層、６、１８…回路配線、７、１５…発熱素子（半導体素子）、８…熱伝達部材（サーマルビア）、９…封止樹脂、１３…熱伝達部材（熱伝導性接着剤）、２７、２８…補助熱伝導層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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