(57)【要約】      （修正有）【課題】放熱特性に優れた熱伝導路を有する放熱部材及びそれを用いた電子機器を提供する。【解決手段】放熱部材において、柱状ヒートシンク３は、凝固金属体でなり、凝固金属体は、基板１に設けられた孔３０を鋳型として孔３０の内部で凝固され、孔３０を充たし、孔３０の側壁面に密着している。しかも、孔３０の内部で凝固され、孔３０の側壁面に密着した凝固金属体は、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つようになるから、熱伝導性及び放熱特性に優れた柱状ヒートシンク３となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、柱状ヒートシンクとを有する放熱部材であって、
前記柱状ヒートシンクは、凝固金属体でなり、
前記凝固金属体は、前記基板に設けられた孔を鋳型として前記孔内で凝固され、前記孔を充たし、前記孔の側壁面に密着している、
放熱部材。
【請求項２】
請求項１に記載された放熱部材であって、前記凝固金属体は、前記基板に設けられた孔内に流し込まれた溶融金属を、加圧しながら冷却させて凝固させたものでなる、放熱部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された放熱部材であって、前記凝固金属体は、金属成分とともに、カーボンナノチューブを含む、放熱部材。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載された放熱部材であって、前記基板は、無機基板でなる、放熱部材。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れかに記載された放熱部材であって、前記基板は有機基板を含む、放熱部材。
【請求項６】
請求項５に記載された放熱部材であって、前記有機基板は、少なくとも一面に金属又は合金層を有している、放熱部材。
【請求項７】
請求項６に記載された放熱部材であって、前記基板は、複数枚の前記有機基板を積層したものでなり、積層面に前記金属又は合金層が位置する、放熱部材。
【請求項８】
請求項１乃至３の何れかに記載された放熱部材であって、前記基板は、導電性基板でなる、放熱部材。
【請求項９】
放熱部材と、発熱を伴う電子部品とを含む電子機器であって、
前記放熱部材は、請求項１乃至８の何れかに記載されたものであり、
前記電子部品は、前記放熱部材に取り付けられている、
電子機器。
【請求項１０】
請求項９に記載された電子機器であって、前記電子部品は、能動部品、受動部品またはそれらを組み合わせた複合部品である、電子機器。
【請求項１１】
請求項９に記載された電子機器であって、パーソナル・コンピュータ、携帯電話機、デジタル家電、発光ダイオードを用いた発光装置、画像処理装置、イメージ・センサまたは車載電子機器の何れかである、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱部材及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種電子機器では、例えば、半導体チップ間を貫通電極で接続するいわゆるＴＳＶ（Through Silicon Via）技術に見られるように、高密度化、高性能化及び高速化等を図りつつ、小型化、薄型化、軽量化を達成するための技術開発が進められている。
【０００３】
ところが、積層化による高密度化、高性能化、高速化、小型化、薄型化及び軽量化が進展するにつれて、動作によって発生する熱量が増大する一方、その放熱構造の構築が難しくなり、いかにして放熱するかが、大きな問題となる。放熱が不十分であると、発生した熱が蓄積され、異常発熱に至り、電子部品の接合強度が失われ、電気的接続の信頼性が損なわれたり、あるいは、電子部品の電気的特性が変動し、最悪の場合には、熱暴走、熱破壊等を招きかねないからである。
【０００４】
また、自動車産業では、エンジンとモータを組み合わせて走行するハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle、以下ＨＶ車と称する）、及び、電気をエネルギー源とし、モータを動力源として走行する電気自動車（Electric Vehicle、以下ＥＶ車と称する）の出現により、モータ駆動用インバータ等、大電流電子機器が車載されるようになり、その放熱対策が要求されるようになっている。また、自動車ランプとしてＬＥＤが自使用されるようになり、ランプ制御用大規模集積回路装置（ＬＳI）等においても、有効な放熱手段が求められている。
【０００５】
このような放熱手段として、従来より種々の技術が知られている。例えば、特許文献１は、Ａｇ粉末を含む導電性ペーストを充填して伝熱ビア導体を形成する技術を開示している。また、特許文献２は、熱伝導率の優れた金属（銅、はんだ、金）製であるか、発光素子サブマウント構造体の上面から孔を空け、孔の側面に金メッキを施して、はんだを充填することで、サーマルビアを形成する技術を開示している。特許文献３は、銀ペースト、銅ペースト等の金属粉含有樹脂や、金属棒と金属粉含有樹脂の複合体等を用いた導熱体を開示している。更に、特許文献４は、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属を用いたサーマルビアを開示している。しかし、何れの従来技術の場合も、放熱特性の向上や、製造コスト低減等、改善すべき問題を抱えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２９４２５３号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８９５７号公報
【特許文献３】特開平１０−０９８１２７号公報
【特許文献４】特開２００７−２９４８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、放熱特性に優れた熱伝導路を有する放熱部材及びそれを用いた電子機器を提供することである。
【０００８】
本発明のもう一つの課題は、放熱特性に優れた熱伝導路を短時間で、効率よく形成することができる放熱部材及びそれを用いた電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本発明に係る放熱部材は、基板と、柱状ヒートシンクとを有する。前記柱状ヒートシンクは、凝固金属体でなり、前記凝固金属体は、前記基板に設けられた孔を鋳型として前記孔内で凝固され、前記孔を充たし、前記孔の側壁面に密着している。
【００１０】
上述したように、本発明に係る放熱部材において、柱状ヒートシンクは、凝固金属体でなり、凝固金属体は、基板に設けられた孔を鋳型として孔内で凝固され、孔を充たし、孔の側壁面に密着しているから、孔の側壁面に対する密着力が高く、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持ち、熱伝導性及び放熱特性に優れた放熱部材が得られる。
【００１１】
しかも、凝固金属体でなる柱状ヒートシンクは、孔を鋳型として孔内で凝固されたものであるから、めっき法等、他の方法によって形成した場合と比較して、孔の側壁面に対する密着力が高く、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ柱状ヒートシンクを、短時間で、効率よく形成することができる。
【００１２】
柱状ヒートシンクの形成される基板は、絶縁性無機基板、絶縁性有機基板又は導電性基板の何れでもよい。無機基板としては、好ましくは、熱伝導性の良好なセラミック基板が用いられる。導電性基板としては、金属板の他、半導体材料として用いられる材料、代表的にはＳｉ基板が用いられる。
【００１３】
有機基板としては、耐熱性有機材料で構成されたものが適している。特に、３００℃以上の耐熱性を有するものが適している。有機基板は、少なくとも一面に金属又は合金層（以下金属層という）を有しているものが好ましい。このような有機基板を用いることの利点は、既に、回路基板して実用化され、市販されているものを利用できること、基板材料費が安価になること及び柱状ヒートシンクのための穿孔工程が短時間で済むこと等である。
【００１４】
しかも、少なくとも一面に金属層を有する有機基板であれば、溶融金属充填法によって、柱状ヒートシンクを形成する場合、金属層のある側から溶融金属を供給することにより、有機基板の表面が、溶融金属に直接接触するのを回避し、その熱的ダメージを軽減することができる。
【００１５】
更に、金属膜は、柱状ヒートシンクに対して直交する面に設けられることになるから、柱状ヒートシンクによる厚み方向への放熱経路と、この放熱経路に直交する金属膜による放熱拡散面が生じる。即ち、三次元的な放熱経路が形成されるから、放熱特性が向上する。
【００１６】
好ましくは、基板は、少なくとも一面に金属層を有する複数枚の有機基板を、積層面に金属層が位置するようにして積層した構造とする。この構造によれば、積層された有機基板の中間部に放熱路となる金属層が介在することになるから、柱状ヒートシンクによる放熱とともに、柱状ヒートシンクから伝達される熱を、基板の中間部で面方向に拡散する三次元的な放熱構造となる。このため、基板の内部に熱が籠るのを回避し、基板及び基板に搭載される電子部品の温度上昇を抑制することができる。
【００１７】
好ましくは、柱状ヒートシンクは、複数であって、それぞれは、基板の面内に分布させる。これにより、電子部品に発生した熱を、基板の放熱面に広く拡散させ、放熱性を向上させることができる。柱状ヒートシンクを構成する材料の熱抵抗、及び、柱状ヒートシンクの占有率を適切に選ぶことにより、電子部品の動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンクによって、一層効率よく、基板の外部に放熱しえる。
【００１８】
本発明に係る放熱部材は、専ら、放熱のために用いることもできるし、基板の厚み方向に貫通する貫通電極を有する構造とし、回路基板として用いてもよい。
【００１９】
本発明に係る放熱部材は、電子機器への適用において、発熱を伴う電子部品を取り付けて、その熱を外部に放出するために用いられる。電子機器には、電子工学の技術を応用した電気製品のほとんど全てが含まれる。具体例としては、パーソナル・コンピュータ、携帯電話機、デジタル家電、発光ダイオードを用いた発光装置、画像処理装置、イメージ・センサまたは車載電子機器等が含まれる。
【００２０】
本発明に係る放熱部材は、熱伝導性及び放熱特性に優れた柱状ヒートシンクを有するから、電子機器への適用において、電子部品に発生した熱を、熱伝導性及び放熱特性に優れた柱状ヒートシンクを通して、効率よく、確実に放熱し、電子部品の異常発熱、熱暴走、誤動作を回避することができる。
【００２１】
本発明において、電子部品は、能動素子、受動部品またはそれらを組み合わせた複合素子を含み、チップとしての形態をとる。能動素子には、半導体素子を用いた全ての素子が含まれる。代表例として、各種メモリ、各種論理ＩＣまたはアナログ回路素子等を例示することができる。
【００２２】
更には、ＴＳＶ技術を適用して、上述した各種素子自体を３次元積層構造としたもの、又は、インターポーザと各種素子と組み合わせて３次元積層構造としたものも含まれる。
【発明の効果】
【００２３】
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）放熱特性に優れた熱伝導路を有する放熱部材及びそれを用いた電子機器を提供することができる。
（ｂ）放熱特性に優れた熱伝導路を短時間で、効率よく形成することができる放熱部材及びそれを用いた電子機器を提供することができる。
【００２４】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る放熱部材の一部を示す平面図である。
【図２】図１の２−２線断面図である。
【図３】図１及び図２に示した放熱部材を用いた電子機器の部分断面図である。
【図４】図１及び図２に示した放熱部材の製造工程を示す図である。
【図５】本発明に係る放熱部材の他の形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す断面図である。
【図７】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す断面図である。
【図８】図６又は図７に示した放熱部材の断面ＳＥＭ像である。
【図９】図７に示した放熱部材の製造方法を示す図である。
【図１０】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す断面図である。
【図１１】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す平面図である。
【図１４】図１３に示した放熱部材の断面図である。
【図１５】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す断面図である。
【図１６】本発明に係る放熱部材の他の形態における一部を示す平面図である。
【図１７】車載電子機器の回路図である。
【図１８】図１７に示した車載電子機器の放熱構造を示す部分断面図である。
【図１９】パーソナル・コンピュータや携帯電話機等の電子機器に採用し得る放熱構造を示す部分断面図である。
【図２０】パーソナル・コンピュータや携帯電話機等の電子機器に採用し得る放熱構造を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１及び図２を参照すると、本発明に係る放熱部材は、基板１と、柱状ヒートシンク３とを有する。基板１は、絶縁性無機基板、絶縁性有機基板又は導電性基板の何れでもよい。無機基板としては、好ましくは、熱伝導性の良好なセラミック基板が用いられる。導電性基板としては、金属板の他、半導体材料として用いられる材料、代表的にはＳｉ基板が用いられる。
【００２７】
柱状ヒートシンク３は、基板１に設けられた孔３０内に充填された凝固金属体でなる。柱状ヒートシンク３を構成する凝固金属体は、基板１に設けられた孔３０を鋳型として、孔３０の内部で凝固されたもので、孔３０を充たし、孔３０の側壁面に密着している。
【００２８】
上述したように、本発明に係る放熱部材において、柱状ヒートシンク３は、凝固金属体でなり、凝固金属体は、基板１に設けられた孔３０を鋳型として孔３０の内部で凝固され、孔３０を充たし、孔３０の側壁面に密着しているから、熱伝導性及び放熱特性に優れた放熱部材が得られる。しかも、基板１に設けられた孔３０を鋳型として孔３０の内部で凝固され、孔３０を充たし、孔３０の側壁面に密着した凝固金属体は、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つようになるから、熱伝導性及び放熱特性に優れた柱状ヒートシンク３となる。
【００２９】
このような凝固金属体は、具体的には、基板に設けられた孔３０内に溶融金属を流し込み、孔３０内に流し込まれた溶融金属に、機械的な力、例えばプレス板を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させる方法によって形成することができる。
【００３０】
しかも、柱状ヒートシンク３を構成する凝固金属体は、基板１に設けられた孔３０を鋳型として孔３０の内部で凝固された（溶融金属充填法）ものであるから、めっき法等、他の方法によって形成した場合と比較して、孔３０の側壁面に対する凝固金属体の密着力が高く、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ柱状ヒートシンク３を、短時間で、効率よく形成することができる。
【００３１】
また、柱状ヒートシンクを形成する技術として、特許文献２、３に記載するように、孔の側面にメッキを施した上で、サーマルビアを形成するとすれば、連続しためっき膜を形成ためには、ビアの内壁面を、凹凸の極めて小さい平滑な面にしなければならず、孔形成工程に長時間を費やさなければならなくなる。しかも、ビアホールのアスペクト比が高くなれば、めっきのための下地膜を連続する均質な膜として形成することが、極めて困難になる。
【００３２】
これに対して、基板１に設けられた孔３０を鋳型として、柱状ヒートシンク３を構成する凝固金属体を形成する本発明では、孔３０の内壁面（側壁面）が凹凸面となっていても、溶融金属がその凹凸面を倣うように充填されてゆく。したがって、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持ち、孔３０の側壁面に密着した構造の柱状ヒートシンク３が得られる。しかも、孔３０の内壁面の凹凸が一種のアンカー効果を生じるので、柱状ヒートシンク３が孔３０から浮き上がったり、あるは浮動したりすることなく、孔３０の内部に確実に固定される。これは、裏返せば、従来技術との対比において、孔３０の形成に当たって、その内壁面の平面度に気を使わずに済み、却って、孔３０をある程度ラフに形成した方がよい結果を生むということでもある。
【００３３】
柱状ヒートシンク３の構成材料の具体例としては、限定するものではないが、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｎ等を例示することができる。これらの金属成分とともに、金属型カーボンナノチューブを用いてもよい。もっとも、柱状ヒートシンク３は、熱抵抗ができるだけ小さいこと好ましいから、材料及び組成比等は、そのような視点から選定する必要がある。図示実施例では、柱状ヒートシンク３は、中身の詰まった中実柱状体であって、断面円形状であるが、角形状であってもよい。
【００３４】
柱状ヒートシンク３は、その両端が基板１の厚み方向に貫通し、互いに微小間隔を隔てて、マトリクス状に多数配置されている。柱状ヒートシンク３は、その一端（下端）が基板１の裏面（他面）に設けられた放熱層３１によって共通に接続され、他端（上端）が、基板１の表面に導出されている。
【００３５】
柱状ヒートシンク３の放熱特性は、基本的には、その組成材料の持つ熱伝導率（又は熱抵抗）と、基板１の平面積に対して、柱状ヒートシンク３の全体が占める占有率とによって定まる。例えば、柱状ヒートシンク３として、熱抵抗の低い材料を用いた場合には、占有率を低下させ、熱抵抗の高い材料を用いた場合には、占有率を上げる。即ち、柱状ヒートシンク３の占有率は、その組成材料の熱伝導率を考慮して定めることになる。逆に、占有率に制限がある場合には、求められる放熱特性を考慮して、適合する熱伝導率の材料を選択することになる。
【００３６】
本発明に係る放熱部材は、電子機器への適用において、発熱を伴う電子部品を取り付け、その熱を外部に放出するために用いられる。図３には、そのような電子機器の一例が示されている。図１及び図２に示した放熱部材１０の一面に、発熱を伴う電子部品７が、熱伝導性結合剤層６を介して搭載されており、放熱部材１０の他面に設けられた層状或いは膜状の放熱層３１に、放熱ブロック５が接合されている。電子部品７は、例えば、半導体チップ等の能動素子、又は、コンデンサ、インダクタ等の受動部品もしくはそれらの複合素子である。電子部品７は、半導体素子と受動部品とを併せ持つものであってもよいし、メモリ素子、論理回路素子またはアナログ回路素子であってもよい。これらの素子の単層であってもよいし、積層されたものであってもよい。
【００３７】
ここで、本発明に係る放熱部材１０は、基板１に設けられた孔３０の側壁面に密着し、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持ち、熱伝導性及び放熱特性に優れた柱状ヒートシンク３を有するから、電子機器への適用において、電子部品７に発生した熱を、熱伝導性及び放熱特性に優れた柱状ヒートシンク３を通して、効率よく、確実に放熱し、電子部品７の異常発熱、熱暴走、誤動作を回避することができる。
【００３８】
柱状ヒートシンク３は、複数であって、それぞれは、基板１の面内に分布させる。これにより、電子部品７に発生した熱を、基板１の放熱面に広く拡散させ、放熱性を向上させることができる。柱状ヒートシンク３を構成する材料の熱抵抗、及び、柱状ヒートシンク３の占有率を適切に選ぶことにより、電子部品７の動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンク３によって、一層効率よく、基板１の外部に放熱しえる。
【００３９】
既に述べたように、本発明に係る放熱部材において、柱状ヒートシンク３は、基板１に設けられた孔３０内に溶融金属を流し込み、孔３０内に流し込まれた溶融金属に、機械的な力、例えばプレス板を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させることによって、得ることができる。これにより、スパッタ及びめっき法の併用によって形成する場合と比較して、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ柱状ヒートシンク３を、短時間で、効率よく形成することができる。
【００４０】
図４には、上述した溶融金属充填法が図示されている。まず、図４（Ａ）に図示するように、予め、厚み方向に貫通する微細な孔３０を多数設けた基板１を、支持台Ｓ１の上に搭載する。孔３０の下側は、支持台Ｓ１によって閉塞されている。
【００４１】
次に、図４（Ｂ）に示すように、基板１に設けられた孔３０を鋳型として、その内部に溶融金属３を流し込んだ後、図４（Ｃ）に図示するように、孔３０内に流し込まれた溶融金属３に、機械的な力Ｆ１、例えばプレス板Ｐ１を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させる。これによって、図４（Ｄ）に示すように、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持ち、孔３０の側壁面に密着した柱状ヒートシンク３が形成される。
【００４２】
基板１に設けられた孔３０内に溶融金属を流し込む工程は、減圧された真空チャンバ内で実行することが好ましい。この減圧と、その後の印加圧力によって、差圧充填を行うことができるからである。
【００４３】
次に、図５〜図７を参照し、本発明に係る放熱部材の他の実施の形態を説明する。図において、図１〜図４に現れた構成部分と対応する部分については、同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。まず、図５の実施の形態では、柱状ヒートシンク３の先端を、耐熱性絶縁有機基板又は無機基板１の内部に留め、その上方に、厚みΔＨ１の絶縁層を残してある。即ち、柱状ヒートシンク３は、貫通させる必要はない。厚みΔＨ１の寸法は任意である。
【００４４】
次に、図６を参照すると、基板１を有機絶縁基板によって構成した放熱部材が図示されている。有機基板１としては、耐熱性材料で構成されたものが適している。特に、３００℃以上の耐熱性を有するものが適している。有機基板１は、少なくとも一面に、Ｃｕ箔等でなる金属層３１、３２を有している。図示の有機基板１は、その両面にＣｕ箔でなる金属層３１、３２を有する両面銅張基板である。このような両面銅張基板は、例えば、高耐熱ガラスエポキシ銅張基板、高耐熱低熱膨張ガラス布基材エポキシ樹脂銅張基板、高熱伝導性ガラスコンポジット基板、高耐熱性 紙フェノール銅張基板、紙基材フェノール樹脂銅張基板等の名称で、各基板メーカから、さまざまなタイプのものが供給され、市販されている。
【００４５】
有機基板１を用いることの利点は、既に、回路基板して実用化され、市販されているものを利用できること、基板材料費が安価になること及び柱状ヒートシンク３のための穿孔工程が短時間で済むこと等である。
【００４６】
しかも、少なくとも一面に金属層３１、３２を有するので、溶融金属充填法によって、柱状ヒートシンク３を形成する場合、金属層３１又は３２のある側から溶融金属を供給することにより、有機基板１の表面が、溶融金属に直接接触するのを回避し、その熱的ダメージを回避することができる。
【００４７】
また、金属層３１、３２は、柱状ヒートシンク３に対して直交する面に設けられることになるから、柱状ヒートシンク３による厚み方向への放熱経路と、この放熱経路に直交する金属層３１、３２による放熱拡散面が生じる。即ち、三次元的な放熱経路が形成されるから、放熱特性が向上する。
【００４８】
更に、図７を参照すると、少なくとも一面に金属層３１、３２を有する複数枚の有機基板１、１を、積層面に金属層３１、３２が位置するようにして積層した構造を持つ放熱部材が図示されている。積層される有機基板１の枚数は任意である。隣接する有機基板１は、耐熱性・熱伝導性に優れた接合材によって接合されていることが好ましい。
【００４９】
この構造によれば、積層された有機基板１、１の中間部に放熱路となる金属層３１、３２が介在することになるから、柱状ヒートシンク３による放熱とともに、柱状ヒートシンク３から伝達される熱を、基板１の中間部で面方向に拡散する三次元的な放熱構造となる。このため、基板１の内部に熱が籠るのを回避し、基板１に搭載される電子部品の温度上昇を抑制することができる。柱状ヒートシンク３は、金属層３１、３２に連なり、直接的な熱結合関係にあることが好ましい。
【００５０】
図６又は図７に図示された放熱部材のＳＥＭ像を示す図８を参照すると、有機基板１に設けられた孔３０内に、柱状ヒートシンク３が、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を保って充填され、孔３０の側壁面が凹凸を有するにも関わらず、柱状ヒートシンク３が孔３０の側壁面に密着している。
【００５１】
孔３０は、レーザ、ケミカル・エッチング又はプラズマエッチング等によって穿孔されるものであり、その内壁面に穿孔工程に付随する凹凸が生じるのであるが、図６及び図７に示すように、柱状ヒートシンク３は、孔３０の内壁面が凹凸面となっているにも関わらず、その凹凸面を倣うように充填されて、孔３０の内壁面に密着し、巣、空隙、空洞のない緻密な構造となっている。しかも、孔３０の内壁面の凹凸が一種のアンカー効果を生じるので、柱状ヒートシンク３が孔３０から浮き上がったり、あるは浮動したりすることなく、孔３０内に確実に固定される。これは、裏返せば、スパッタ及びめっきの併用によって形成する一般的技術と比較して、孔３０の形成に当たって、その内壁面の平面度に気を使わずに済み、却って、孔３０をある程度ラフに形成した方がよい結果を生むということでもある。
【００５２】
図６や図７に示した放熱部材は、図９に示した工程によって製造することができる。まず、図９（Ａ）に図示するように、両面に金属層３１、３２を持つ複数枚（図示では２枚）の有機基板１を積層し接合した後、図９（Ｂ）に図示するように、レーザ、ケミカル・エッチング又はプラズマエッチング等、周知の穿孔方法によって孔３０を穿孔する。次に、図９（Ｃ）に示すように、基板１に設けられた孔３０内に溶融金属を流し込む。この後、孔３０内に流し込まれた溶融金属に、機械的な力、例えばプレス板を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させる。これによって、図７に示すように、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ柱状ヒートシンク３が形成される。
【００５３】
複数枚の有機基板１を貫通する柱状ヒートシンク３を有する放熱部材を得る方法としては、予め、柱状ヒートシンク３を形成した有機基板１を積層し、バンプ等を介して接合する方法もある。しかし、この方法を採用した場合には、隣接する有機基板１の相互間で、柱状ヒートシンク３を位置合わせする必要があり、その位置合わせが困難であるのみならず、柱状ヒートシンクの形成位置、位置合わせ位置に僅かな寸法の狂いが生じただけで、隣接する基板１の相互間で、柱状ヒートシンクに位置ずれを生じてしまう。
【００５４】
これに対して、図９に示した製造方法、及び、構造によれば、隣接する有機基板１、１の相互間に、連続する柱状ヒートシンク３が、一気通貫的に形成されるので、上述した位置合わせの困難性も、位置ずれの問題も生じない。
【００５５】
有機基板１を用いた放熱部材は、図６、図７に示した形態の他にも、様々な形態を採ることができる。その一例を、図１０〜図１２に示してある。図において、図６〜図７に現れた構成部分と対応する部分については、同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。まず、図１０は、互いに積層された２枚の有機基板１において、柱状ヒートシンク３の配置ピッチを異ならせた形態を示している。
【００５６】
次に、図１１は、互いに積層された２枚の有機基板１の一方にのみ、柱状ヒートシンク３を設け、他方は、柱状ヒートシンクを持たない耐熱性絶縁基板とした例を示している。
【００５７】
図１２は、両面に金属層３１、３２を有するとともに、柱状ヒートシンク３を有する複数枚の有機基板１を積層し、更に、その上に、柱状ヒートシンク３を持たない有機基板１を積層した放熱部材を示している。
【００５８】
本発明に係る放熱部材は、専ら、放熱手段として用いてもよいし、マザーボード又はサブマウント・ボード等の回路基板として用いることもできる。図１３及び図１４は、回路基板として用いられる放熱部材の一例を示している。図１３及び図１４を参照すると、両面に金属層３１、３２を有する任意複数枚（図では２枚）の有機基板１を積層し、かつ、接合した有機基板１に、電子部品を搭載する領域Ａ１、Ａ２を画定するとともに、その領域Ａ１、Ａ２内に露出する貫通電極９１を、２枚の有機基板１、１を貫通するように設けてある。貫通電極９１の少なくとも一端には、バンプ９２が設けられている。領域Ａ１、Ａ２及び貫通電極９１は、搭載すべき電子部品の種類に応じて設計される。
【００５９】
貫通電極９１は、好ましくは、溶融金属充填法によって形成された凝固金属体でなる。凝固金属体を用いることの利点は、既に述べたとおりであり、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ貫通電極９１を、短時間で、効率よく形成することができる。
【００６０】
貫通電極９１を、溶融金属充填法を用いて形成する場合に用いられる金属材料の主なものとしては、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＣｕを例示することができる。特に、Ｂｉを含有させると、Ｂｉの持つ凝固時の体積膨張特性により、孔３０の内部で、空洞や空隙を生じることのない緻密な貫通電極９１を形成することができる。もっとも、Ｂｉ等を含有させると、電気抵抗が増大する傾向にあるので、要求される電気抵抗値を満たす限度で、Ｂｉを使用することが好ましい。溶融金属としては、上述した金属材料を用いて、粒径１μｍ以下の多結晶体の集合体でなる粒子（ナノ粒子）の粉体を溶融したものを用いることができる。
【００６１】
図１５及び図１６には、本発明に係る放熱部材の更に別の形態が示されている。まず、図１５を参照すると、基板１は、導電性基板によって構成されており、柱状ヒートシンク３は、孔３０の内壁面及び導電性基板の一面（下面）に形成された有機又は無機の絶縁膜３５によって、導電性基板１から電気絶縁されている。導電性基板１は、金属板であってもよいし、Ｓｉ基板であってもよい。
【００６２】
次に、図１６を参照すると、柱状ヒートシンク３の他に、貫通電極９１が配置されている。貫通電極９１は、絶縁膜３５によって導電性基板１から電気絶縁されている。
【００６３】
本発明に係る放熱部材は、発熱を伴う電子部品７を含む電子機器に広く適用できる。本発明の適用される電子機器には、電子工学技術を応用した電気製品のほとんど全てが含まれる。具体例としては、車載電子機器、パーソナル・コンピュータ、携帯電話機、デジタル家電、発光ダイオードを用いた発光装置、画像処理装置又はイメージ・センサ等が含まれる。
【００６４】
車載電子機器としては、ＨＶ車、又は、ＥＶ車に搭載されるモータ駆動用インバータ、ＬＥＤランプ制御用大規模集積回路装置（ＬＳI）等を例示することができる。
【００６５】
図１７は、モータ駆動用インバータを含むモータ駆動装置の回路図である。図１７を参照すると、モータ駆動装置は、直流電源装置７１０と、インバータ７３０と、制御装置７５０とを備え、三相交流回転電機でなるモータ（またはジェネレータ）７７０を駆動する構成となっている。直流電源装置７１０は、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの２次電池、キャパシタ、コンデンサあるいは燃料電池などで構成される。
【００６６】
インバータ７３０は、Ｕ相アーム７３Ｕと、Ｖ相アーム７３Ｖと、Ｗ相アーム７３Ｗとからなる。Ｕ相アーム７３Ｕは、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２からなり、Ｖ相アーム７３Ｖは、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４からなり、Ｗ相アーム７３Ｗは、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６からなる。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。
【００６７】
各相アームの中間点は、モータ７７０の各相コイルＵ、Ｖ、Ｗの相端に接続されている。すなわち、モータ７７０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の中間点に、Ｖ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の中間点に、Ｗ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の中間点にそれぞれ接続されている。
【００６８】
インバータ７３０は、直流電源装置７１０から供給される直流電圧を、制御装置７５０からの信号Ｓ１に基づいて、交流電圧に変換し、この交流電圧によってモータ７７０を駆動する。これにより、モータ７７０は、トルク指令値に従ったトルクを発生するように駆動される。
【００６９】
図１８は、図１７に示したモータ駆動装置のインバータを構成するスイッチング素子の実装状態を示す図である。インバータ７３０は、本発明に係る放熱部材１０の一面上に実装されている。インバータ７３０のＵ相アーム７３Ｕは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、Ｐ電極層６３と、中間電極層６２と、Ｎ電極層６１とを含む。Ｖ相アーム７３Ｖ、Ｗ相アーム７３Ｗも同様の構成であるので、以下、Ｕ相アーム７３Ｕを中心に説明する。
【００７０】
Ｕ相アーム７３Ｕは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、Ｐ電極層６３と、中間電極層６２と、Ｎ電極層６１とを含み、本発明に係る放熱部材５０の一面上に搭載されている。
【００７１】
Ｐ電極層６３、中間電極層６２およびＮ電極層６１は、共に、放熱部材１０上にパターンとして形成される。Ｐ電極層６３は、一方端が電源ラインＬＮ１を構成するバスバーに結合される。Ｎ電極層６１は、一方端がアースラインＬＮ２を構成するバスバーに結合される。中間電極層６２は、図１７のＵ相アーム７３Ｕの中間点に相当する。図示はされていないが、バスバーも、放熱部材１０の一面上に配置される。
【００７２】
スイッチング素子Ｑ１は、コレクタが中間電極層６２に導通するように中間電極層６２に固着される。スイッチング素子Ｑ１のエミッタは、ワイヤＷＬ１によりＰ電極層６３に接続される。
【００７３】
スイッチング素子Ｑ２は、コレクタがＮ電極層６１に導通するようにＮ電極層６１に固着される。スイッチング素子Ｑ２のエミッタは、ワイヤＷＬ１により中間電極層６２に接続される。
【００７４】
放熱部材１０は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｐ電極層６３、中間電極層６２、及び、Ｎ電極層６１を搭載する一面側（上面側）に、絶縁層を有するタイプのもの（例えば、図５、図１１、図１２参照）が用いられ、下面側の金属層３１が、シリコングリス６２を介して放熱ブロック５０上に配置される。
【００７５】
放熱ブロック５０は、複数の溝５０１を有する。インバータ７３０の冷却系として水冷系を採用した場合、外部に配されたラジエータ（図示せず）から供給された冷却水は、放熱ブロック５０の複数の溝５０１を紙面に垂直な方向に流れることによって、放熱部材１０を介してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を冷却する。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６でも、同様の冷却作用が行われる。
【００７６】
ＨＶ自動車やＥＶ自動車では、インバータ７３０を用い、直流電源装置７１０から供給された直流電圧を交流電圧に変換してモータ７７０を駆動するので、インバータ７３０を構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６やバスバーに、大きな電流が流れる。したがって、このような発熱部分をいかにして冷却するかが大きな問題である。
【００７７】
本発明に係る放熱部材１０は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｐ電極層６３、中間電極層６２、及び、Ｎ電極層６１等に対する電気絶縁とともに、柱状ヒートシンク３による放熱経路によって、インバータ７３０を構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６やバスバーの熱を効率よく放熱ブロック５０に伝達し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６やバスバー等の冷却に資することができる。
【００７８】
次に、本発明に係る放熱部材を、パーソナル・コンピュータ、携帯電話機又はデジタル家電等の適用した例を、図１９及び図２０を参照して説明する。まず、図１９を参照すると、本発明に係る放熱部材１０の一面上に、電子部品７が搭載されている。放熱部材１０は、例えば図７に示す構造のものであって、マザーボードとして用いられている。
【００７９】
電子部品７は、例えば、ＬＳＩ等の論理素子７Ａと、ＤＲＡＭ等のメモリ素子７Ｂとを、インターポーザ７Ｃを介して積層し、接合した構造となっている。このような電子デバイスは、情報処理システムの基本要素として用いられる。より具体的には、例えば、モバイル、携帯電話機、デジタル家電、サーバ等における画像処理システムの構成要素として用いることができる。その他にも、イメージ・センサ・モジュールとしての適用例も考えられる。
【００８０】
論理素子７Ａは、チップ状であって、その内部にＬＳＩなどの半導体論理回路を有している。インターポーザ７Ｃは、デカップリング・コンデンサや、貫通電極を有しており、貫通電極の一端を、論理素子７Ａに接続し、貫通電極の他端をメモリ素子７Ｂに接続してある。これによって、ＴＳＶ技術を利用した３次元配置の電子部品が得られている。インターポーザ７Ｃは、Ｓｉ基板、樹脂基板又はセラミック基板に、貫通電極を形成することによって得られる。もっとも、電子部品７を構成する素子の積層数、種類、その電極配置等は、適用される電子部品７によって、さまざまに変化するもので、図１９は、３次元積層構造の一例を概念的に示すものに過ぎない。
【００８１】
この構造によれば、積層された有機基板１、１の中間部に放熱路となる金属層３１、３２が介在することになるから、柱状ヒートシンク３による放熱とともに、柱状ヒートシンク３から伝達される熱を、基板１の中間部で面方向に拡散する三次元的な放熱構造となる。このため、基板１の内部に熱が籠るのを回避し、基板１に搭載される電子部品７の温度上昇を抑制することができる。
【００８２】
図示はされていないが、論理素子７Ａ、メモリ素子７Ｂ及びインターポーザ７Ｃにも、同様の柱状ヒートシンクを内蔵させることができ、その柱状ヒートシンクを、一連に連続させて、マザーボード１の柱状ヒートシンク３に熱結合させることにより、更に放熱効果を上げることができる。
【００８３】
次に、図２０を参照すると、マザーボード１０Ａの一面上に、電子部品７を内蔵するサブマウント・ボード１０Ｂを搭載した例が図示されている。マザーボード１０Ａは、図１９に示したもので、両面に金属層３１Ａ、３２Ａを有する２枚の有機基板１Ａ、１Ａを、積層面に金属層３１Ａ、３２Ａが位置するようにして積層した構造になる。
【００８４】
サブマウント・ボード１０Ｂは、例えば、図１６に示した放熱部材から変形されたもので、柱状ヒートシンク３Ｂの他に、貫通電極９１Ｂが配置されている。サブマウント・ボード１０Ｂは、その一面側に凹部７０を有しており、凹部７０の周囲の肉厚部に、絶縁層３５Ｂによって電気絶縁された柱状ヒートシンク３Ｂが備えられている。柱状ヒートシンク３Ｂは、一端が金属層３１Ｂに連続している。貫通電極９１Ｂは、凹部７０の底部に備えられ、絶縁層３５Ｂによって電気絶縁されている。
【００８５】
電子部品７は、凹部７０の内部に収納されており、論理素子７Ａの下面に備えられた電極（バンプ）が貫通電極９１Ｂの一端に接合されている。
【００８６】
図１９及び図２０の場合、マザーボード１０Ａ及びサブマウント・ボード１０Ｂに柱状ヒートシンク３Ａ、３Ｂが設けられているから、電子部品７の動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンク３Ａ、３Ｂによって、サブマウント・ボード１０Ｂから、マザーボード１０Ａに伝達し、その外部に放熱し得る。したがって、蓄熱による異常発熱を回避し、発熱による電子部品７の電気的特性の変動を回避することができる。
【００８７】
サブマウント・ボード１０Ｂは、一面に凹部７０を有しており、その内部に電子部品７が収納されている。柱状ヒートシンク３Ｂのそれぞれは、凹部７０を取り囲むように配置され、基板１の厚み方向に貫通し、互いに微小間隔を隔てて多数配置されている。したがって、凹部７０の内部に収納された電子部品７を、その全周から、柱状ヒートシンク３Ｂによって立体的に取り囲む放熱路が形成されることになるから、電子部品７に発生した熱を、３次元的に集熱し、効率よく放熱することができる。
【００８８】
柱状ヒートシンク３Ａ、３Ｂは、所定の占有率をもって分布している。したがって、柱状ヒートシンク３Ａ、３Ｂを構成する材料の熱抵抗を考慮したうえで、柱状ヒートシンク３の占有率を適切に選ぶことにより、電子部品７の動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンク３Ａ、３Ｂによって、マザーボード１０Ａの外部に効率よく放熱し、異常発熱を回避することができる。
【００８９】
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。
【符号の説明】
【００９０】
１              基板
９１            貫通電極
３              柱状ヒートシンク
７              電子部品
【図１】
2012227312.tif 000003
【図２】
2012227312.tif 000004
【図３】
2012227312.tif 000005
【図４】
2012227312.tif 000006
【図５】
2012227312.tif 000007
【図６】
2012227312.tif 000008
【図７】
2012227312.tif 000009
【図９】
2012227312.tif 000010
【図１０】
2012227312.tif 000011
【図１１】
2012227312.tif 000012
【図１２】
2012227312.tif 000013
【図１３】
2012227312.tif 000014
【図１４】
2012227312.tif 000015
【図１５】
2012227312.tif 000016
【図１６】
2012227312.tif 000017
【図１７】
2012227312.tif 000018
【図１８】
2012227312.tif 000019
【図１９】
2012227312.tif 000020
【図２０】
2012227312.tif 000021
【図８】
2012227312.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月7日(2011.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、柱状ヒートシンクとを有する放熱部材であって、
前記柱状ヒートシンクは、前記基板に設けられた孔内に流し込まれた溶融金属を、加圧しながら冷却させて凝固させた凝固金属体でなり、
前記凝固金属体は、金属成分とともに、カーボンナノチューブを含み、前記基板に設けられた孔を鋳型として前記孔内で凝固され、前記孔を充たし、前記孔の側壁面に密着しており、
更に、前記基板は、Ｓｉ基板でなり、
前記柱状ヒートシンクは複数であって、それぞれは、前記基板の厚み方向に、互いに間隔を隔てて形成され、前記基板との間に設けられた絶縁膜によって前記基板から電気絶縁され、前記基板の一面に導出された一端が、前記基板の前記一面に電気絶縁して形成された金属層に、共通に接続されている、
放熱部材。
【請求項２】
基板と、柱状ヒートシンクとを有する放熱部材であって、
前記柱状ヒートシンクは、前記基板に設けられた孔内に流し込まれた溶融金属を、加圧しながら冷却させて凝固させた凝固金属体でなり、
前記凝固金属体は、金属成分とともに、カーボンナノチューブを含み、前記基板に設けられた孔を鋳型として前記孔内で凝固され、前記孔を充たし、前記孔の側壁面に密着しており、
更に、前記基板は、少なくとも厚み方向の一面に金属又は合金層を有する複数枚の有機基板を積層したものでなり、前記有機基板の互いに重なり合う積層面に金属又は合金層が位置しており、
前記柱状ヒートシンクは複数であって、それぞれは、前記基板の厚み方向に互いに間隔を隔てて形成され、前記積層面の前記金属又は合金層に共通に接続されるとともに、前記基板の一面に導出された一端が、前記有機基板の前記一面に形成された金属又は合金層に、共通に接続されている、
放熱部材。
【請求項３】
放熱部材と、発熱を伴う電子部品とを含む電子機器であって、
前記放熱部材は、請求項１又は２に記載されたものであり、
前記電子部品は、前記放熱部材に取り付けられている、
電子機器。
【請求項４】
請求項３に記載された電子機器であって、前記電子部品は、能動部品、受動部品またはそれらを組み合わせた複合部品である、電子機器。
【請求項５】
請求項３に記載された電子機器であって、パーソナル・コンピュータ、携帯電話機、デジタル家電、発光ダイオードを用いた発光装置、画像処理装置、イメージ・センサまたは車載電子機器の何れかである、電子機器。
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月4日(2011.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、柱状ヒートシンクとを有する放熱部材であって、
前記柱状ヒートシンクは、前記基板に設けられた孔内に流し込まれた溶融金属を、加圧しながら冷却させて凝固させた凝固金属体でなり、
前記凝固金属体は、金属成分とともに、カーボンナノチューブを含み、前記基板に設けられた孔を鋳型として前記孔内で凝固され、前記孔を充たし、前記孔の側壁面に密着しており、
更に、前記基板は、Ｓｉ基板でなり、
前記柱状ヒートシンクは複数であって、それぞれは、前記基板の面方向に、互いに間隔を隔てて形成され、前記基板との間に設けられた絶縁膜によって前記基板から電気絶縁され、前記基板の一面に導出された一端が、前記基板の前記一面に電気絶縁して形成された金属層に、共通に接続されている、
放熱部材。
【請求項２】
基板と、柱状ヒートシンクとを有する放熱部材であって、
前記柱状ヒートシンクは、前記基板に設けられた孔内に流し込まれた溶融金属を、加圧しながら冷却させて凝固させた凝固金属体でなり、
前記凝固金属体は、金属成分とともに、カーボンナノチューブを含み、前記基板に設けられた孔を鋳型として前記孔内で凝固され、前記孔を充たし、前記孔の側壁面に密着しており、
更に、前記基板は、少なくとも厚み方向の一面に金属又は合金層を有する複数枚の有機基板を積層したものでなり、前記有機基板の互いに重なり合う積層面に金属又は合金層が位置しており、
前記柱状ヒートシンクは複数であって、それぞれは、前記基板の面方向に互いに間隔を隔てて形成され、前記積層面の前記金属又は合金層に共通に接続されるとともに、前記基板の一面に導出された一端が、前記有機基板の前記一面に形成された金属又は合金層に、共通に接続されている、
放熱部材。
【請求項３】
放熱部材と、発熱を伴う電子部品とを含む電子機器であって、
前記放熱部材は、請求項１又は２に記載されたものであり、
前記電子部品は、前記放熱部材に取り付けられている、
電子機器。
【請求項４】
請求項３に記載された電子機器であって、前記電子部品は、能動部品、受動部品またはそれらを組み合わせた複合部品である、電子機器。
【請求項５】
請求項３に記載された電子機器であって、パーソナル・コンピュータ、携帯電話機、デジタル家電、発光ダイオードを用いた発光装置、画像処理装置、イメージ・センサまたは車載電子機器の何れかである、電子機器。