(57)【要約】【課題】パワーデバイスを実装する実装基板は、放熱性を高めるための放熱板が大きく重いため、小型化、軽量化が難しかった。【解決手段】絶縁性基板１７には貫通孔１８が形成され金属が充填されている。その上にダイヤモンド膜１６が形成され、活性層の半導体材料がGaNで構成された面実装型パワーデバイス１１が実装されている。パワーデバイス１１からの熱は、熱伝導率が高いダイヤモンド膜１６で絶縁性基板１７の表面に拡がる。そして、貫通孔１８に充填された金属により、放熱板１６に伝導する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を実装する実装基板において、表面側と裏面側の少なくとも片方にダイヤモンド膜、またはダイヤモンド状カーボン膜、またはカーボン膜が形成されていることを特徴とする実装基板。
【請求項２】
電子部品を実装する実装基板において、前記実装基板の主たる構成成分よりも熱伝導率が高い物質が充填された貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の実装基板。
【請求項３】
電子部品を実装する実装基板において、前記実装基板の表面または裏面の一部に表面積を増やすための突起物が形成されていることと、前記突起物を覆うダイヤモンド膜、またはダイヤモンド状カーボン膜、またはカーボン膜が形成されていることを特徴とする実装基板。
【請求項４】
電子部品を実装する実装基板において、前記電子部品と前記実装基板に連続してダイヤモンド膜、またはダイヤモンド状カーボン膜、またはカーボン膜が形成されていることを特徴とする実装基板。
【請求項５】
前記電子部品が半導体チップで、前記半導体チップがフリップチップ実装されていることを特徴とする請求項４に記載の実装基板。
【請求項６】
前記実装基板において、裏面側に放熱板が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の実装基板。
【請求項７】
前記ダイヤモンド膜、またはダイヤモンド状カーボン膜、またはカーボン膜の膜厚が０．５ミクロン以上、５ミクロン以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の実装基板。
【請求項８】
動作時の接合温度が１５０℃を超える半導体デバイスが実装されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の実装基板。
【請求項９】
前記電子部品の少なくとも一つが、ナイトライド系半導体または、シリコンカーバイド半導体を電気的な活性層に用いる半導体デバイスであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の実装基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体チップ、または半導体パッケージを実装する実装基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、極めて硬く、耐磨耗性、化学的安定性に優れ、高い熱伝導率を有する。これらの特長を活かして、ダイヤモンド膜を半導体部品の保護膜に応用が期待されてきた。ダイヤモンドは高温高圧相であり、成膜技術が十分に確立していなかったが、近年、プラズマCVD法やレーザーアブレーションなどを用い、６００℃以下といった比較的低温で良好なダイヤモンド薄膜を形成することが可能になってきた。通常、ダイヤモンド状の薄膜は結晶部と非結晶部から成り立ち、その成分比によって種々の呼び方がある。一般的には、結晶部が少なく結晶性が低い場合は非晶質カーボン膜やグラファイト膜、結晶部が多く結晶性が高い場合はダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）膜、さらに結晶性が高い場合はダイヤモンド膜と呼ばれている。結晶性により熱伝導率は変わってくるが、非晶質カーボン膜で約５００W/m・K、DLC膜で１０００W/m・K、ダイヤモンド膜では約２０００W/m・Kである。これらの値は、銅の３９０W/m・K、アルミニウムの２３６W/m・Kと比べても高く、絶縁膜のSiO2の１．４W/m・K、プラスチックパッケージに使われるエポキシ樹脂の０．５W/m・K、プリント基板等に用いられる熱導電性樹脂の３W/m・K、実装基板やパッケージに使われるアルミナの約３０に比べて十分大きい。
【０００３】
一方、半導体デバイスの材料として、GaNに代表される窒化物系半導体や、炭化珪素（SiC）といったワイドバンドギャップ半導体の研究開発が活発に行われている。ワイドバンドギャップ半導体の特長として、絶縁破壊電圧がSiに比べて１桁大きいことが挙げられる。従来のSiでは高耐圧のパワートランジスタを得るには、電子が走行するドリフト層を長くすることが必要であった。それに対し、ワイドバンドギャップ半導体では短いドリフト層（Siの約1/10）で同等の耐圧が出る。半導体デバイスに電流を流す場合を考えるとドリフト層は抵抗層になるため、短い方が半導体デバイスのオン抵抗は小さくなる。数式上では、半導体の移動度と誘電率が同程度とするとオン抵抗は絶縁破壊電界の３乗に反比例する。実際、発明者らがＧａＮのパワーＦＥＴを試作したところ、耐圧３５０Ｖでオン抵抗が19ｍΩの値が得られた（非特許文献１を参照。）。この値は従来の大電力用パワーＭＯＳＦＥＴの1/2〜1/5である。つまり、GaNデバイスやSiCデバイスを用いることで、従来のＳｉパワーデバイスを複数個並列で使用していたものが１個で同等のオン抵抗が実現できる。また、個数は変えずにオン抵抗を下げることで消費電力（発熱）を抑制することが可能となる。
【０００４】
さらにワイドバンドギャップ半導体デバイスの特長として、Si半導体デバイスでは半導体内の接合温度の上限は150℃程度であるのに対し、より高温での動作が可能である。発明者らがGaNをチャネルに用いたＦＥＴの電流−電圧特性を室温と３００℃で比較した結果を図６に示す。３００℃では電流の減少が見られるが、トランジスタ動作を確認することができ、スイッチング動作を行うのに必要な電流、耐圧は得られている。
つまり、ＧａＮやＳｉＣデバイスは、耐熱性や放熱性の点から、従来のＳｉデバイスとは異なる基準から実装基板の開発を行うことにより、実装基板の小型、軽量化が可能になってくる。
【０００５】
それでは、まず、実装基板の第１の従来例として、Siで形成された大電力用パワートランジスタを実装基板に実装する場合について、図面を参照しながら説明する。図８はパワートランジスタをTO-220などの挿入型のパッケージ１０１に組み立て、実装基板（プリント基板）１０４に実装した従来例である。パッケージ１０１はシリコングリースとネジ１０３を用い、放熱板１０５に密着させている。放熱板１０５はアルミニウムや銅など熱伝導率の高い金属が用いられる。パワートランジスタからの熱は図中の矢印で示すように、パッケージ１０１から放熱板１０５に伝わり、放熱板１０５中を拡がる。
【０００６】
次に第２の実施例として、Siで形成された小電力用パワートランジスタを実装基板に実装する場合について、図面を参照しながら説明する。図７はパワートランジスタを面実装型パッケージ２０１に組み立て、実装基板（プリント基板）２０３に実装した従来例である。実装基板２０３の裏面には放熱板２０４が接着剤で接着されている。パワートランジスタからの熱は図中の矢印で示すように、パッケージ２０１から放熱板２０４に伝導する。このような、裏面に放熱板（ヒートシンク）を用いる実装基板は特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ. Electron Devices, vol.52, No.9, pp.1963-1968, 2005
【特許文献１】特開平８−１１１５６８号公報
【特許文献２】特開平５−６３１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、第１の実施例の実装基板の構造では、放熱板１０５の高さが高く、また重量も重くなるため、電子機器の小型・軽量化には不向きであった。また、TO-220パッケージのような挿入型パッケージに直接放熱板を取り付けるため、放熱性には都合が良いが、実装密度を高めるには限界があった。
【０００８】
一方、第２の実施例においては、面実装型のパッケージを用いているが、実装基板を介して放熱板に放熱する。前述したように、熱導電性樹脂を用いたとしても熱伝導率は金属に比べて低いため、第一の実施例に比べて熱抵抗が高くなり、扱えるパワーデバイスには限界があった。本発明は放熱性を良くすることにより、パワーデバイスチップを実装する実装基板やパワーデバイスパッケージを取り付ける実装基板を軽量、小型化させること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の実装基板では、その放熱性を改善するために、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜、またはカーボン膜を用いることを特徴とする。特に半導体デバイスとして窒化物半導体やSiCを用いたパワーデバイスを実装することにより、大幅な小型化が可能となる。
【００１０】
また、実装基板に貫通孔を設けて裏面に放熱しやすくすること、突起部を設けて表面積を増やすことで放熱しやくすることを特徴とする。
【００１１】
さらに、半導体デバイスとして、動作時の接合温度がSiデバイスの限界の１５０℃を超えることが可能な、窒化物系半導体デバイス、またはSiCデバイスを用いることを特徴とする。この結果、従来のSiデバイスを用いた実装基板よりも大幅に小型、軽量化が可能となる。
【００１２】
なお、特許文献２には、電気的、熱的特性を向上させるために、組立て、封止部品にダイヤモンド膜を形成した電子部品という発明が開示されている。しかしながら、具体的な電子部品名や実現の方法に関する記述がない。本発明は実装基板にダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜、またはカーボン膜を用いること、また具体的な実装基板の構造について初めて開示するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、放熱性を良くすることにより、小型化が可能になる実装基板を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のトランジスタの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
(第１の実施形態)
図１は本発明の第一の実施例を示すパッケージされた半導体デバイスを実装する実装基板の断面図である。絶縁性基板１４の上にダイヤモンド膜１３が厚さ３ミクロン形成され、電気的な活性層がＧａＮで形成された面実装型のパワートランジスタ１１が実装されている。リード線１２は、図示はされていないがダイヤモンド膜１３の上の配線パターンにクリームハンダを使ってハンダ付けされる。図中に放熱経路を矢印で示しているが、従来の基板裏面に接着された放熱板からの放熱に加え、基板表面にも熱が広がりやすくなるため、実装基板の上下方向の広い面積から放熱される。
【００１６】
なお、ダイヤモンド膜１３の厚さは厚ければ厚いほど良いが、厚すぎると膜の割れが発生するため、０．５ミクロンから５ミクロン程度が好ましい。
【００１７】
(第２の実施形態)
図２は本発明の第二の実施例を示すパッケージされた半導体デバイスを実装する実装基板の断面図である。第一の実施例の構成に加え、基板に貫通孔１８が形成され、ダイヤモンドが充填されている。ダイヤモンド膜１６に広がった熱は効率的に、放熱板１５に拡散することにより、熱抵抗が下がる。
【００１８】
なお、貫通孔１８に充填する物質としては、ダイヤモンドでなくても実装基板１７を構成する材料よりも十分、熱伝導率が高い物質であれば良い。例えば、金や銅などである。
【００１９】
(第３の実施形態)
図３は本発明の第三の実施例を示すパッケージされた半導体デバイスを実装する実装基板の断面図である。絶縁基板２０は表面積を増やすために突起部２２が形成されている。この突起部２２を含む表面にダイヤモンド膜１９が形成されている。この構成により空気中への放熱性が良くなり、熱抵抗が下がる。
【００２０】
(第４の実施形態)
図４は本発明の第四の実施例を示す半導体チップを実装する実装基板の断面図である。電気的な活性層がＧａＮで形成された半導体チップ３１が、表面にダイヤモンド薄膜３４が形成された絶縁性基板３５に実装されている。ダイヤモンド膜３４の上にはリード線３３が形成され、半導体チップ３１と金ワイヤ３２により接続される。半導体チップ３１からの熱は、ダイヤモンド薄膜３４により絶縁性基板３５の表面に伝導し、主として基板側へ放熱される。
【００２１】
(第５の実施形態)
図５は本発明の第５の実施例を示す半導体チップを実装する実装基板の断面図である。電気的な活性層がＧａＮで形成された半導体チップ４１が、導電性基板４６に実装されている。導電性基板４６の上に絶縁体４５が接着されており、リード線４４が形成されている。半導体チップ４１はリード線４４と金ワイヤ４２により接続される。この表面に厚さ３ミクロンのダイヤモンド膜４３が形成されている。半導体チップ４１からの熱は、導電性基板４６の裏面方向に加えて、表面側のダイヤモンド薄膜４３により表面全体に拡がり、放熱される。
【００２２】
(第６の実施形態)
図６は本発明の第６の実施例を示す半導体チップを実装する実装基板の断面図である。電気的な活性層がＧａＮで形成された半導体チップ５１が、チップ表面を絶縁性基板５５の表面に向けて、金バンプ５２によりフリップチップ実装されている。この状態でダイヤモンド薄膜５４が約３ミクロン形成されている。半導体チップで発生した熱は、チップ５１の裏面からダイヤモンド薄膜５４に拡がり、空中または絶縁性基板５５に放熱される。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
以上に説明したように、本発明の実装基板は軽量、小型化が実現されるために、あらゆる種類の電子機器に応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る実装基板を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る実装基板を示す断面図
【図３】本発明の第３の実施形態に係る実装基板を示す断面図
【図４】本発明の第４の実施形態に係る実装基板を示す断面図
【図５】本発明の第５の実施形態に係る実装基板を示す断面図
【図６】本発明の第６の実施形態に係る実装基板を示す断面図
【図７】GaN-FETの室温と３００℃のI-V特性
【図８】挿入型パッケージに組み立てられたパワーデバイスを実装した従来の実装基板を示す断面図
【図９】面実装型パッケージに組み立てられたパワーデバイスしたを実装した従来の実装基板を示す断面図
【符号の説明】
【００２５】
１１  面実装型パワーデバイス
１２  リード線
１３、１６、１９  ダイヤモンド膜
１４、１７、２０  絶縁性基板
１５  放熱板
１８  貫通孔
２２  突起部
３１、４１、５１  パワーデバイスチップ
３２、４２  Ａｕワイヤ
３３、４４  リード線
３４、４３、５４  ダイヤモンド膜
３５  絶縁性基板
４５  絶縁体
４６  導電性基板
５２  Ａｕバンプ
５３  樹脂
１０１  挿入型パワーデバイス
１０２  リード線
１０３  ネジ
１０４  絶縁性基板
１０５  放熱板
２０１  面実装型パワーデバイス
２０２  リード線
２０３  絶縁性基板
２０４  放熱板
【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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【図８】
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【図９】
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