放熱基板
【課題】面内方向と厚さ方向の両方で高い熱伝導率をもつ放熱基板を得る。
【解決手段】第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２とが積層された構造が用いられる。第１の黒鉛層１１において六角形環が広がる方向を水平方向とし、第２の黒鉛層１２において六角形環が広がる方向を鉛直方向とする。この積層構造における第１の黒鉛層１１側から、熱伝導率の高い金属をイオン注入する。これにより、第１の黒鉛層１１は、第１の金属拡散層２１となる。積層構造の全面に、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜２５を形成する。
【解決手段】第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２とが積層された構造が用いられる。第１の黒鉛層１１において六角形環が広がる方向を水平方向とし、第２の黒鉛層１２において六角形環が広がる方向を鉛直方向とする。この積層構造における第１の黒鉛層１１側から、熱伝導率の高い金属をイオン注入する。これにより、第１の黒鉛層１１は、第１の金属拡散層２１となる。積層構造の全面に、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜２５を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ等を搭載してその放熱を行う放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流の動作を行うパワー半導体素子として、シリコンで構成されたダイオードやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられている。これらの素子が形成された半導体チップが用いられた半導体モジュールにおいては、半導体チップからの放熱が効率的に行われるような構成とされる。
【０００３】
こうした半導体モジュールの断面構造を図８に模式的に示す。この半導体モジュールにおいては、絶縁性の基板９１の表面（図中上側の面）に、銅等で構成された回路パターン９２が形成されている。回路パターン９２は、基板９１上の配線の一部をなすため、そのパターンは適宜設定される。回路パターン９２のうちの一部の上に、はんだ層９３を介して半導体チップ９４が搭載される。半導体チップ９４と回路パターン９２とは、半導体チップ９４の下側のはんだ層９３や、ボンディングワイヤ９５により接続され、電気回路が構成される。この半導体モジュールの入出力は、回路パターン９２の一部とはんだ層９３を介して接続されたリード９６によって取り出される。基板９１の裏面（図中下側の面）全面には、放熱基板９７が、プリプレグ等の接着層９８を介して接合されている。なお、表面において、回路パターン９２間、半導体チップ９４間等には、これらの間の絶縁性の確保のために絶縁層９９が形成されている。絶縁層９９を構成する材料は任意であるが、最も簡易に得られる材料として、フォトレジスト等を用いることができる。
【０００４】
これらの構造は樹脂等で構成されたモールド層１００中に封止され、その側面からリード９６が突出し、これによってこの半導体モジュールは、外部機器等と接続される。
【０００５】
また、図８における放熱基板９７の裏面がモールド層１００の裏面に露出している。実際にこの半導体モジュールが使用される際には、この面が金属板等と接触する。これにより、半導体チップ９４が発した熱は、回路パターン９２、基板９１、放熱基板９７等を介して放熱される。
【０００６】
基板９１は例えば窒化アルミニウム等で構成されたセラミック基板であり、回路パターン９２は例えば銅等の導電性及び熱伝導率が高い金属で構成される。半導体チップ９４には、例えばダイオードやＩＧＢＴ等、大電流で動作するパワー半導体素子が形成されている。
【０００７】
この構造においては、放熱基板９７が接着層９８を介して基板９１の裏面に接合される。ここで、接着層９８の熱伝導率は一般には低いが、接着層９８は薄く形成される。一方、放熱基板９７は厚くされ、この半導体モジュールにおける半導体チップ９４からの熱は、回路パターン９２、基板９１を介し、主に放熱基板９７によって放熱される。このため、放熱基板９７の熱伝導率が高いことが要求され、これを構成する材料としては、一般に銅や銅合金等が用いられている。また、例えば、更に高い熱伝導率をもつ材料としてグラファイト（黒鉛）が知られている。しかしながら、黒鉛の熱伝導率には異方性があることが知られている。一般に、黒鉛においては、その熱伝導率が高いのは結晶の六角形環が広がる方向であり、この方向は一般には面内方向である。この方向における熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、この値は、銅等の熱伝導率（高々３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べて、極めて高い。一方、これと垂直な方向（一般には厚さ方向）における熱伝導率は１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、銅等よりも低い。
【０００８】
一般に、半導体モジュールにおいて良好な放熱特性を得るためには、放熱基板に対して、面内方向と厚さ方向の両方において高い熱伝導率が要求される。このため、グラファイト層を単純に放熱基板として用いただけでは良好な放熱特性を得ることは困難である。
【０００９】
このため、特許文献１には、黒鉛層を加工して得られた炭素繊維複合材料層と金属板とが用いられた構造が記載されている。ここで、炭素繊維複合材料層とは、黒鉛維を加工して構成された繊維であり、通常の黒鉛層とは逆に、その厚さ方向で熱伝導率が高く、面内方向で熱伝導率が低い設定とされている。ここでは、半導体チップが搭載された金属板とこの炭素繊維複合材料層とが金属層を介して接合される。この場合、面内方向における熱伝導は金属層によって確保され、厚さ方向の熱伝導は炭素繊維複合材料層によって確保される。すなわち、実質的にどちらの方向における熱伝導率も高くすることができる。
【００１０】
また、特許文献２には、黒鉛ではなく、カーボンナノチューブを用いた熱拡散シートが記載されている。カーボンナノチューブにおいては、その長軸方向の熱伝導率が高く、短軸方向の熱伝導率が低い。この熱拡散シートでは、カーボンナノチューブを面内で配向させたシートが金属粒子を介して積層・接合されている。カーボンナノチューブのシート面内における配向の方向は、面内の特定の方向に配向させることもできる。この場合、面内における配向の方向が異なる複数のシートを積層することができる。また、カーボンナノチューブのシート面内における配向の方向を面内でランダムとすることもできる。どちらの場合でも、面内での熱伝導率を高めることができる。また、厚さ方向の熱伝導は金属粒子によってなされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−５４００号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の技術における炭素繊維複合材料を製造するに際しては、多数の黒鉛繊維を固めて固定する必要がある。こうした場合の固定には通常は樹脂材料等が用いられるが、一般にはこうした樹脂材料の熱伝導率は極めて低い。このため、この炭素繊維複合材料における厚さ方向の熱伝導率は高くなるものの、その面内方向の熱伝導率は極めて低くなる。また、この炭素繊維複合材料は厚い金属層で接合されるため、実際には厚さ方向の熱伝導は厚い金属層で律される。すなわち、実際にはどちらの方向においても高い熱伝導率を得ることは困難である。
【００１３】
一方、特許文献２に記載の技術においては、シートの面内方向における熱伝導率は高くなる。しかしながら、厚さ方向の熱伝導は小さな金属粒子を介してなされるため、厚さ方向における熱伝導率を高くすることは困難である。
【００１４】
このように、黒鉛のように特定の方向にのみ高い熱伝導率をもつ材料を用いて放熱基板を得るためには、熱伝導率が低い層を接合させた形態とする必要があった。こうした熱伝導率が低い層によって逆に特定の方向における熱伝導率は低下した。あるいは、この熱伝導率が低い層は剥離の原因ともなり、放熱基板の信頼性が低下した。
【００１５】
このため、面内方向と厚さ方向の両方で高い熱伝導率をもつ放熱基板を得ることは実際には困難であった。
【００１６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の放熱基板は、黒鉛層が積層されて構成された放熱基板であって、主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、前記主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、が積層され、前記第１の黒鉛層の中に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）のいずれかからなる金属元素が添加されていることを特徴とする。
本発明の放熱基板において、前記第１の黒鉛層における配向方向は一様であり、前記第１の黒鉛層全体に前記金属元素が添加されたことを特徴とする。
本発明の放熱基板は、前記第２の黒鉛層における前記第１の黒鉛層との界面に近い領域に前記金属元素が添加されたことを特徴とする。
本発明の放熱基板は、前記第１の黒鉛層と前記第２の黒鉛層の積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層側の表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以上のように構成されているので、面内方向と厚さ方向の両方で高い熱伝導率をもつ放熱基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板の製造工程及び断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板が用いられる半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板の変形例が用いられる半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板の更なる変形例の構成を示す断面斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る放熱基板の製造工程及び断面構造を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る放熱基板の変形例の製造工程の途中における断面構造を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る放熱基板の製造工程及び断面構造を示す図である。
【図８】放熱基板が用いられる半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態となる放熱基板について説明する。この放熱基板は主に黒鉛層で構成される。ただし、この黒鉛層の中に、不純物が導入されたり結晶構造が制御された領域が局所的に形成される。この領域は、黒鉛と異なる材料を付着、接合させたものとは異なり、熱伝導率の高い不純物材料を黒鉛層内に添加する、あるいは黒鉛層の結晶構造を局所的に変化させることにより形成される。このため、この不純物が導入されたり結晶構造が制御された領域と、通常の黒鉛で構成された他の領域との間の接合の信頼性は高い。また、熱伝導率を低下させる材料は使用されないために、どの方向においても高い熱伝導率を得ることができる。
【００２１】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る放熱基板においては、熱伝導率の高い金属不純物の濃度が高い領域（層）が黒鉛層中に形成される。図１は、この放熱基板１０の製造工程及び断面構造を示す図である。
【００２２】
まず、図１（ａ）に示されるように、ここでは母材として、第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２とが積層された構造が用いられる。第１の黒鉛層１１、第２の黒鉛層１２は、共にグラファイトで構成される。周知のように、グラファイトは、六角形環（六方晶系における六角形の結晶が亀の甲上に２次元的に広がった構成）が積層された形態の結晶構造をもつ。グラファイトにおいては、この六角形環が広がる方向における熱伝導率が高く、その積層方向における熱伝導率が低くなっている。すなわち、こうした結晶構造に起因して熱伝導率の異方性が生じている。図１（ａ）に模式的に示されるように、ここでは、第１の黒鉛層１１において六角形環が広がる方向を水平方向（面内方向：主面方向）と一致させ、第２の黒鉛層１２において六角形環が広がる方向を鉛直方向（厚さ方向：主面方向と垂直な方向）と一致させる。この構成により、第１の黒鉛層１１においては水平方向で高い熱伝導率が得られ、第２の黒鉛層１２においては鉛直方向で高い熱伝導率が得られる。第１の黒鉛層１１の厚さは、要求される放熱特性や熱伝導率の異方性によって適宜設定することができるが、例えば５０μｍ〜１ｍｍ程度の範囲である。第２の黒鉛層１２は、最終的に厚さ方向に放熱を行わせ、かつこの放熱基板１０の支持基板となるため、第１の黒鉛層１１よりも厚くすることが好ましい。
【００２３】
第１の黒鉛層１１、第２の黒鉛層１２、共に六角形環が広がる方向において５００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い熱伝導率をもつ。この値は、銅、アルミニウム等の熱伝導率（３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）よりも高い。ただし、上記の方向とそれぞれ垂直な方向における熱伝導率は、銅、アルミニウム等よりも低い。
【００２４】
第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２は、板状の状態で別途製造される。これは、黒鉛板を製造する周知の製造方法により行われる。これらを積層して熱処理を行い、炭素同士の直接接合により、第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２とが貼り合わされた図１（ａ）の構成の積層構造が得られる。
【００２５】
次に、図１（ｂ）に示されるように、この積層構造における第１の黒鉛層１１側から、熱伝導率の高い金属（例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）等）をイオン注入する。また、このイオン注入によってグラファイトの結晶構造が壊されるため、結晶構造を回復するためにイオン注入後には熱処理を行う。この熱処理によって注入された金属元素は拡散する。イオン注入における金属イオンのエネルギーは、熱処理後の金属元素の拡散が第１の黒鉛層１１と第１の黒鉛層１２の間の界面を越える程度とすることが好ましい。また、拡散後の金属元素の濃度は１×１０１４〜５×１０２３ｃｍ−３程度とすることが好ましい。イオン注入におけるエネルギーとドーズ量は、これらの特性に応じて設定され、第１の黒鉛層１１の厚さと金属の種類に応じて適宜設定される。
【００２６】
これにより、図１（ｃ）に示されるように、第１の黒鉛層１１は、第１の金属拡散層２１となる。また、第２の黒鉛層１２のうち第１の黒鉛層１１との界面に近い領域には第２の金属拡散層２２が形成される。第１の黒鉛層１１（第１の金属拡散層２１）における結晶の配向方向は一様であることは変わらないが、第１の黒鉛層１１全体に前記金属元素が添加されることにより第１の金属拡散層２１が形成される。第２の黒鉛層１２における第１の黒鉛層１１との界面に近い領域に前記金属元素が添加されることによって第２の金属拡散層２２が形成される。図１（ｃ）においては、イオン注入前に第１の黒鉛層１１であった範囲Ａ、第２の黒鉛層１２であった範囲Ｂがそれぞれ示されている。前記の通り、第１の黒鉛層１１においては、水平方向の熱伝導率が高く、鉛直方向の熱伝導率が小さかった。しかしながら、第１の黒鉛層１１が変化した第１の金属拡散層２１においては、多量に添加された金属によって鉛直方向の熱伝導率が高くなる。一方、水平方向の熱伝導率は金属が添加される前の第１の黒鉛層１１と比べると劣るものの、グラファイトの結晶構造自体は保たれるため、添加される金属元素単体（例えばＣｕ）の熱伝導率よりは高くなる。
【００２７】
また、第２の金属拡散層２２においては、第１の金属拡散層２１とは逆に、水平方向の熱伝導率が高くなり、鉛直方向の熱伝導率はやや低くなる。ただし、第２の金属拡散層２２は第１の金属拡散層２１よりも薄いため、放熱基板全体におけるその寄与は小さい。なお、金属が拡散していない第２の黒鉛層１２の下側の領域はイオン注入前と変化がない。
【００２８】
このため、図１（ｃ）に示された積層構造においては、金属の添加によって、水平方向、厚さ方向において共に高い熱伝導率が得られる。
【００２９】
次に、図１（ｄ）に示されるように、図１（ｃ）の積層構造の全面に、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜２５を形成する。ＤＬＣ膜２５を構成するダイヤモンドライクカーボンは、炭化水素等からなる非晶質の硬質膜である。ＤＬＣ膜２５は、周知のＤＬＣコーティング法により成膜される。例えば、メタン（ＣＨ４）、Ｃ６Ｈ６（ベンゼン）、Ｈ２等を反応ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法を用いることができる。この場合、ＤＬＣ膜２５は３５℃〜２００℃程度の低温で成膜が可能である。これによって、図１（ｄ）に示される放熱基板１０が得られる。
【００３０】
ＤＬＣ膜２５は、３０Ｗ／ｍ／Ｋ程度の熱伝導率をもち、この値はグラファイトの六角形環が広がる方向における値と比べると低いものの、一般に接着層として使用されるプリプレグ等（１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べると高い熱伝導率をもつ。また、非晶質であるために等方的な熱伝導性をもつ。また、その電気抵抗率は１０７〜１０１３Ω・ｃｍ程度と高く、絶縁体（絶縁層）として使用することができる。また、炭素結合により、ＤＬＣ膜２５と黒鉛層（第１の黒鉛層１１あるいは第１の金属拡散層２１、第２の黒鉛層１２）との間の密着性は高い。
【００３１】
この放熱基板１０を使用した半導体モジュールについて以下に説明する。図２は、この半導体モジュールの構成を示す断面図である。この半導体モジュールにおいては、基板上に半導体チップが搭載され、前記基板が前記放熱基板と接合されている。この半導体モジュールにおいては、図８に示した半導体モジュールにおける放熱基板９７の代わりに上記の放熱基板１０が用いられている。ただし、この構成においては、図８の例とは異なり、熱伝導率の低い接着層９８は使用されない。その代わりに、基板９１の裏面には、放熱基板１０と同様のＤＬＣ膜２６が形成されている。
【００３２】
基板９１側と放熱基板１０とを接合する工程について説明する。ＤＬＣ膜２５とＤＬＣ膜２６の直接接合によって基板９１と放熱基板１０とは接合される。このためには、まず、ＤＬＣ膜２５及びＤＬＣ膜２６の表面に対して、大気中もしくは減圧雰囲気中でプラズマ処理を施す、すなわち、高電圧によって気体をプラズマ化させた雰囲気中にこれらの表面が曝される。これにより、ＤＬＣ表面の炭素結合が活性化される。炭素結合が活性化された状態でＤＬＣ膜２５とＤＬＣ膜２６を圧着すれば、これらが直接接合される。この接合は低温（室温）で行うことが可能である。
【００３３】
上記の放熱基板１０においては、その構成要素中において、熱伝導率の低い材料が使用されていない。更に、この放熱基板１０を実際に半導体モジュールにおいて使用する際にも、熱伝導率の低い接着層をする必要がない。このため、この放熱基板１０を用いて、放熱効率の優れた半導体モジュールを得ることができる。
【００３４】
なお、ここで接合されるのは、放熱基板１０の上面におけるＤＬＣ膜２５とＤＬＣ膜２６である。すなわち、基板９１における放熱基板１０と接合される側の面にはＤＬＣ膜２６が形成され、放熱基板１０の第１の黒鉛層１１側の表面に形成されたＤＬＣ膜２５と、基板９１に形成されたＤＬＣ膜２６とが接合されている。このため、ＤＬＣ膜２５を、上記の積層構造の全面ではなく、積層構造における第１の黒鉛層１１の表面のみに形成してもよい。すなわち、この放熱基板１０と基板９１との接合の観点からいえば、ＤＬＣ膜２５は、最低限第１の黒鉛層１１の表面に形成されていればよい。一方、他の接合方法が用いられる場合には、ＤＬＣ膜２５が形成されていない図１（ｃ）の状態で放熱基板として用いることも可能である。
【００３５】
また、前記の通り、ＤＬＣ膜の電気抵抗率は高く、絶縁体として使用することもできる。このため、図２における絶縁層９９の代わりにＤＬＣ膜を使用することも可能である。この場合、基板９１における放熱基板１０がある側と反対側（半導体チップ９４がある側）における放熱効果も高めることができることは明らかである。
【００３６】
図１の例では、金属イオンが第１の黒鉛層１１側の全面にわたり注入されていたが、金属イオンが局所的に注入されていてもよい。これは、例えばフォトレジスト等をマスクとしてイオン注入を行うことによって容易に実現できる。この場合、例えば放熱基板１０において半導体チップが存在する領域の直下においてのみ鉛直方向の熱伝導率を高め、これ以外の領域では鉛直方向の熱伝導率を高くせずに水平方向の熱伝導率を高く維持する構成とすることもできる。
【００３７】
図３は、この構成の放熱基板１０が半導体モジュールに用いられた際の形態を示す断面図である。この半導体モジュールにおいては、基板９１と放熱基板１０とが接合された状態において、基板９１において半導体チップ９４が搭載された領域と接合された放熱基板１０の領域に前記金属元素が添加されている。この例では、基板９１の中央部にのみ半導体チップ９４が搭載されている。この領域の直下においてのみ第１の金属拡散層２１等が形成されており、その左右の領域には第１の金属拡散層２１等は形成されず、第１の黒鉛層１１がそのまま残っている。この構成により、半導体チップ２４が発した熱はより速く第２の黒鉛層１２に伝達する。一方、第２の黒鉛層１２の上側では、残存する第１の黒鉛層１１によって、半導体チップ２４が発した熱は左右方向にも速く伝達する。これにより、この半導体モジュールは、更に高い放熱効率をもつ。
【００３８】
また、第１の黒鉛層１１における面内方向、厚さ方向の熱伝導率をイオン注入条件の調整以外の方法で更に精密に制御することも可能である。例えばイオン注入層（第１の金属拡散層２１等）を面内で短い周期で周期的に形成し、この周期を調整することで、第１の黒鉛層１１の熱伝導率を実質的に制御することもできる。図４（ａ）〜（ｄ）は、この構成の例を示す断面斜視図である。図４（ａ）においては円形ドット状、（ｂ）においては矩形ドット状、（ｃ）においてはメッシュ状、（ｄ）においてはストライプ状に第１の金属拡散層２１等を形成している。このようなイオン注入層の周期やドット径、線幅等を調整することによって、特に第１の黒鉛層１１における膜厚方向、厚さ方向の熱伝導率をより精密に制御することが可能である。また、イオン注入層の周期よりも充分広い面積をもった放熱基板において、これらの周期的構造を局所的に設けることができることは明らかである。この場合、図３における場合と同様に半導体モジュールを形成することができる。なお、上記の周期構造は必ずしも厳密に周期的である必要はないことは明らかである。
【００３９】
なお、金属元素の拡散深さは、イオン注入の条件やその後の熱処理の条件によって調整することが可能であり、放熱基板１０に要求される特性に応じ、適宜設定することが可能である。例えば、この深さを浅くし、第２の金属拡散層２２を形成しない、あるいは第１の金属拡散層２１を第１の黒鉛層１１中において浅く形成することも可能である。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る放熱基板１１０は、第１の実施の形態に係る放熱基板１０と同様にイオン注入によって製造されるが、注入されるイオン種が異なり、イオン注入によって形成される層も異なる。図５は、この放熱基板１１０の製造工程及び断面構造を示す図である。この放熱基板１１０は、黒鉛層が積層されて構成された放熱基板であって、主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層１１と、主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層１２と、が積層され、第１の黒鉛層１１の中に、主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された再結晶化層が局所的に形成されている。再結晶化層は、第１の黒鉛層１１に対して炭素（Ｃ）をイオン注入することによって形成された非晶質層を熱処理することによって形成される。
【００４１】
ここでは、図４の構造と同様に、全面ではなく局所的にイオン注入が行われる。このため、図５（ａ）に示されるように、第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２の積層構造の上に、注入されるパターンに対応したフォトレジスト層２００を形成する。フォトレジスト層２００は図４（ｄ）と同様のストライプ状に形成されているものとし、図５（ａ）はこのストライプが延伸する方向に垂直な断面を示している。
【００４２】
次に、図５（ｂ）に示されるように、第１の実施の形態と同様にイオン注入を行う。ただし、第１の実施の形態において注入された元素は不純物となる金属であったのに対し、ここでは第１の黒鉛層１１等の構成元素である炭素（Ｃ）が注入される。イオン注入された領域は非晶質化するが、この非晶質化される深さは第１の黒鉛層１１と第１の黒鉛層１２の界面よりも浅くする。すなわち、フォトレジスト層２００が形成されていない領域の第１の黒鉛層１１のみが非晶質化されるように、Ｃのイオン注入のエネルギー、ドーズ量は設定される。
【００４３】
これにより、図５（ｃ）に示されるように、Ｃがイオン注入された領域において、非晶質層１１１が形成される。非晶質層１１１では、第１の黒鉛層１１において存在した結晶性が損なわれている。非晶質層１１１の図６（ｃ）における幅ａはフォトレジスト層２００のパターンによって規定されるが、この幅が第１の黒鉛層１１の厚さよりも充分小さくなるように設定する。
【００４４】
次に、フォトレジスト層２００を除去した後に、不活性ガス中で２０００〜３０００℃程度の熱処理を行う。これにより、非晶質層１１１は再結晶化する。この際、この非晶質層１１１の幅は狭いため、この非晶質層１１１が再結晶する際に、その結晶環は、図５（ｃ）における垂直方向（第１の黒鉛層１１における厚さ方向）に広がりやすくなる。この方向は、第２の黒鉛層１２における結晶環が広がる方向と同一である。これにより、図５（ｄ）に示されるように、再結晶化層１１２が形成される。全体的に見て、この再結晶化層１１２における結晶環が広がる方向は図５（ｄ）における垂直方向であり、この再結晶化層１１２は水平方向よりも垂直方向において高い熱伝導率をもつ。
【００４５】
次に、図５（ｅ）に示されるように、この構造の全面にＤＬＣ膜１１３を形成することにより、放熱基板１１０を得る。この工程は図１（ｄ）と同様である。
【００４６】
すなわち、この放熱基板１１０においても、面内方向において高い熱伝導率をもつ第１の黒鉛層１１の中に、厚さ方向において高い熱伝導率をもつ再結晶化層１１２が形成される。これにより、この放熱基板１１０においては、水平方向、厚さ方向において共に高い熱伝導率が得られる。
【００４７】
第１の実施の形態に係る放熱基板１０の上面付近における厚さ方向の熱伝導は主に第１の金属拡散層２１によるのに対して、第２の実施の形態に係る放熱基板１１０の上面付近における厚さ方向の熱伝導は主に再結晶化層１１２による。第１の金属拡散層２１における厚さ方向の熱伝導は主に注入された金属に起因するのに対して、再結晶化層１１２は第２の黒鉛層１２と同様の結晶構造をもつため、厚さ方向において極めて高い熱伝導率をもち、第１の金属拡散層２１よりも厚さ方向における熱伝導率は高くなる。また、この放熱基板１１０には熱伝導率を低下させる材料は使用されておらず、この放熱基板１１０を用いて図２、３と同様に半導体モジュールを製造できることも明らかである。図３における基板９１と放熱基板１１０とが接合された状態において、基板９１において半導体チップ９４が搭載された領域と接合された放熱基板１１０の領域に再結晶化層１１２を形成することもできる。
【００４８】
なお、図５の製造方法において、非晶質化層１１１が再結晶化する際に上下方向に結晶環が広がる構成とするためには、非晶質化層１１１の幅を狭くすることが好ましい。また、本来第１の黒鉛層１１においては厚さ方向の熱伝導よりも面内方向の熱伝導が優先されるべき層である。このため、図５（ｃ）における非晶質層１１１の幅ａは、非晶質層１１１が形成されない領域の幅ｂよりも小さく設定することが好ましい。
【００４９】
また、図５の製造方法では、非晶質層１１１（再結晶化層１１２）の深さを第１の黒鉛層１１と同一であるとしたが、この深さは、上記の結晶配向をもった再結晶化層１１２が得られる限りにおいて、任意である。例えば、図６に再結晶化後の形態を示すように、再結晶化層１１１を第１の黒鉛層１１よりも浅く形成することも可能である。このような再結晶化層１１１の深さは、Ｃのイオン注入のエネルギー等により制御することができる。
【００５０】
（第３の実施の形態）
第１、第２の実施の形態に係る放熱基板においては、放熱基板の上面側で厚さ方向における熱伝導率を高めた層をイオン注入によって形成した。第３の実施の形態に係る放熱基板においては、イオン注入を用いずに同様の特性の層を形成する。図７は、この放熱基板１５０の製造工程及び断面構造を示す図である。この放熱基板１５０においては、前記第１の黒鉛層は、複数の黒鉛薄膜層が積層して構成され、前記黒鉛薄膜層の間には、前記金属元素を含む金属粒子が分散されている。
【００５１】
この製造方法においては、第１の黒鉛層が、薄い黒鉛薄膜層に分割されている。まず、図７（ａ）に示されるように、第２の黒鉛層１２の上に黒鉛薄膜層１５１を積層する。この段階では黒鉛薄膜層１５１は積層されただけであり、特に第２の黒鉛層１２との間で強固に接合されてはいない。黒鉛薄膜層１５１は、前記の第１の黒鉛層１１と同じ結晶配向をもった層であるが、第１の黒鉛層１１よりも薄く、黒鉛薄膜層１５１が複数層積層されて前記の第１の黒鉛層１１と同等の厚さとなるように設定される。
【００５２】
次に、図７（ｂ）に示されるように、黒鉛薄膜層１５１の上に金属粒子１５２を分散させる。金属粒子１５２は第１の実施の形態においてイオン注入された金属と同様の金属で構成される。黒鉛薄膜層１５１の上に金属粒子１５２が分散した状態を実現するためには、例えば金属粒子１５２を溶媒中に分散した液を作成し、この液を黒鉛薄膜層１５１に塗布すればよい。この場合、図７（ｂ）においては記載されていないが、溶媒からなる層も黒鉛薄膜層１５１の上に形成される。溶媒としては、高温で蒸発させることによって黒鉛薄膜層１５１の上には残存しなくなる液体が好ましく用いられる。
【００５３】
同様に、図７（ｃ）に示されるように、黒鉛薄膜層１５１と金属粒子１５２を複数層分だけ積層する。黒鉛薄膜層１５１の総膜厚が所望の値（第１の黒鉛層１１の厚さに対応）になるまで、図７（ｂ）と同様の工程が繰り返される。
【００５４】
その後、図７（ｄ）に示されるように、図７（ｃ）の積層構造を加熱して上下方向（積層方向）に加圧する。この工程により、図１（ａ）の場合と同様に、炭素間の直接接合によって各黒鉛薄膜層１５１同士は接合される。この際、黒鉛薄膜層１５１が薄ければ、金属粒子１５２を間に挟んだ形態のままで接合を行うことが可能である。また、この際に、金属粒子１５２は圧縮されて塑性変形をする。
【００５５】
その結果、図７（ｅ）に示されるように、第２の黒鉛層１２の上に黒鉛薄膜層１５１が複数積層され、黒鉛薄膜層１５１間に金属粒子１５２が分散した構成が得られる。次に、図７（ｆ）に示されるように、第１、第２の実施の形態と同様にＤＬＣ膜１５３を全面に形成して、放熱基板１５０が得られる。
【００５６】
この放熱基板１５０における第２の黒鉛層１２については、放熱基板１０、１１０の場合と同様であり、上下方向（厚さ方向）において高い放熱効率をもつ。複数の黒鉛薄膜層１５１が積層され、その間に金属粒子１５２が分散した構成は、第１の実施の形態に係る第１の金属拡散層２１と同様の特性をもつ。すなわち、黒鉛薄膜層１５１中の結晶配向によって面内方向における高い熱伝導率が得られ、金属粒子１５２によって厚さ方向における高い熱伝導率が得られる。この放熱基板１５０を、図２と同様に半導体モジュールに使用できることは明らかである。また、黒鉛薄膜層１５１上に金属粒子１５２を分散させる工程を例えば印刷によって行う場合には、予め定められた領域においてのみ金属粒子を分散させることができる。この場合には、図３に示された形態の半導体モジュールを得ることも容易である。
【００５７】
特許文献２に記載の技術においても、カーボンナノチューブからなるシートが金属粒子を介して接合されていた。しかしながら、特許文献２に記載の技術においては、このシート間の接合自身がこの金属粒子によるため、厚さ方向の熱伝導は小さな金属粒子によって主になされ、高い熱伝導率を得ることは困難である。これに対して、この放熱基板１５０においては、黒鉛薄膜層１５１を充分薄くすることにより、黒鉛薄膜層１５１間同士の接合を、炭素原子間の結合によって行うことが可能である。このため、黒鉛薄膜層１５１が積層された構造中に金属粒子１５２が分散した構造は、実質的には第１の実施の形態に係る放熱基板１０における第１の金属拡散層２１と同等となる。
【００５８】
一方、第１、第２の実施の形態に係る放熱基板１０、１１０を製造するに際しては、イオン注入が用いられた。イオン注入装置は、一般には非常に高価であり大規模な装置である。これに対して、この放熱基板１５０を得るためには、イオン注入は用いられず、代わりに塗布（印刷）や一軸加圧等の作業が行われる。これらの作業に用いられる装置は、一般にイオン注入装置よりも安価で小規模の装置である。このため、この放熱基板１５０は、第１、第２の実施の形態に係る放熱基板１０、１１０と同等の特性をもち、かつ放熱基板１０、１１０よりも安価に製造することが可能である。
【００５９】
なお、上記の例では、水平方向に六角形環が広がるように第１の黒鉛層が配向され、鉛直方向に六角形環が広がるように第２の黒鉛層が配向されているものとしたが、上記の効果を奏する限りにおいて、これらの配向方向がそれぞれ厳密にこれらの方向となっている必要はない。
【００６０】
また、上記においては、絶縁性の基板上に回路パターンが形成され、この上に半導体チップが搭載された構成において、基板の裏側に放熱板を接合させた形態の半導体モジュールについて記載した。しかしながら、上記の放熱基板を用いた構成は、任意の基板上に半導体チップを搭載し、この基板の裏面側に放熱基板を接合させた構成を具備する半導体モジュールであれば有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００６１】
１０、９７、１１０、１５０ 放熱基板
１１ 第１の黒鉛層
１２ 第２の黒鉛層
２１ 第１の金属拡散層
２２ 第２の金属拡散層
２５、２６、１１３、１５３ ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜
９１ 基板
９２ 回路パターン
９３ はんだ層
９４ 半導体チップ
９５ ボンディングワイヤ
９６ リード
９８ 接着層
９９ 絶縁層
１００ モールド層
１１１ 非晶質層
１１２ 再結晶化層
１５１ 黒鉛薄膜層
１５２ 金属粒子
２００ フォトレジスト層
３００ 金属ブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ等を搭載してその放熱を行う放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流の動作を行うパワー半導体素子として、シリコンで構成されたダイオードやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられている。これらの素子が形成された半導体チップが用いられた半導体モジュールにおいては、半導体チップからの放熱が効率的に行われるような構成とされる。
【０００３】
こうした半導体モジュールの断面構造を図８に模式的に示す。この半導体モジュールにおいては、絶縁性の基板９１の表面（図中上側の面）に、銅等で構成された回路パターン９２が形成されている。回路パターン９２は、基板９１上の配線の一部をなすため、そのパターンは適宜設定される。回路パターン９２のうちの一部の上に、はんだ層９３を介して半導体チップ９４が搭載される。半導体チップ９４と回路パターン９２とは、半導体チップ９４の下側のはんだ層９３や、ボンディングワイヤ９５により接続され、電気回路が構成される。この半導体モジュールの入出力は、回路パターン９２の一部とはんだ層９３を介して接続されたリード９６によって取り出される。基板９１の裏面（図中下側の面）全面には、放熱基板９７が、プリプレグ等の接着層９８を介して接合されている。なお、表面において、回路パターン９２間、半導体チップ９４間等には、これらの間の絶縁性の確保のために絶縁層９９が形成されている。絶縁層９９を構成する材料は任意であるが、最も簡易に得られる材料として、フォトレジスト等を用いることができる。
【０００４】
これらの構造は樹脂等で構成されたモールド層１００中に封止され、その側面からリード９６が突出し、これによってこの半導体モジュールは、外部機器等と接続される。
【０００５】
また、図８における放熱基板９７の裏面がモールド層１００の裏面に露出している。実際にこの半導体モジュールが使用される際には、この面が金属板等と接触する。これにより、半導体チップ９４が発した熱は、回路パターン９２、基板９１、放熱基板９７等を介して放熱される。
【０００６】
基板９１は例えば窒化アルミニウム等で構成されたセラミック基板であり、回路パターン９２は例えば銅等の導電性及び熱伝導率が高い金属で構成される。半導体チップ９４には、例えばダイオードやＩＧＢＴ等、大電流で動作するパワー半導体素子が形成されている。
【０００７】
この構造においては、放熱基板９７が接着層９８を介して基板９１の裏面に接合される。ここで、接着層９８の熱伝導率は一般には低いが、接着層９８は薄く形成される。一方、放熱基板９７は厚くされ、この半導体モジュールにおける半導体チップ９４からの熱は、回路パターン９２、基板９１を介し、主に放熱基板９７によって放熱される。このため、放熱基板９７の熱伝導率が高いことが要求され、これを構成する材料としては、一般に銅や銅合金等が用いられている。また、例えば、更に高い熱伝導率をもつ材料としてグラファイト（黒鉛）が知られている。しかしながら、黒鉛の熱伝導率には異方性があることが知られている。一般に、黒鉛においては、その熱伝導率が高いのは結晶の六角形環が広がる方向であり、この方向は一般には面内方向である。この方向における熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、この値は、銅等の熱伝導率（高々３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べて、極めて高い。一方、これと垂直な方向（一般には厚さ方向）における熱伝導率は１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、銅等よりも低い。
【０００８】
一般に、半導体モジュールにおいて良好な放熱特性を得るためには、放熱基板に対して、面内方向と厚さ方向の両方において高い熱伝導率が要求される。このため、グラファイト層を単純に放熱基板として用いただけでは良好な放熱特性を得ることは困難である。
【０００９】
このため、特許文献１には、黒鉛層を加工して得られた炭素繊維複合材料層と金属板とが用いられた構造が記載されている。ここで、炭素繊維複合材料層とは、黒鉛維を加工して構成された繊維であり、通常の黒鉛層とは逆に、その厚さ方向で熱伝導率が高く、面内方向で熱伝導率が低い設定とされている。ここでは、半導体チップが搭載された金属板とこの炭素繊維複合材料層とが金属層を介して接合される。この場合、面内方向における熱伝導は金属層によって確保され、厚さ方向の熱伝導は炭素繊維複合材料層によって確保される。すなわち、実質的にどちらの方向における熱伝導率も高くすることができる。
【００１０】
また、特許文献２には、黒鉛ではなく、カーボンナノチューブを用いた熱拡散シートが記載されている。カーボンナノチューブにおいては、その長軸方向の熱伝導率が高く、短軸方向の熱伝導率が低い。この熱拡散シートでは、カーボンナノチューブを面内で配向させたシートが金属粒子を介して積層・接合されている。カーボンナノチューブのシート面内における配向の方向は、面内の特定の方向に配向させることもできる。この場合、面内における配向の方向が異なる複数のシートを積層することができる。また、カーボンナノチューブのシート面内における配向の方向を面内でランダムとすることもできる。どちらの場合でも、面内での熱伝導率を高めることができる。また、厚さ方向の熱伝導は金属粒子によってなされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−５４００号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の技術における炭素繊維複合材料を製造するに際しては、多数の黒鉛繊維を固めて固定する必要がある。こうした場合の固定には通常は樹脂材料等が用いられるが、一般にはこうした樹脂材料の熱伝導率は極めて低い。このため、この炭素繊維複合材料における厚さ方向の熱伝導率は高くなるものの、その面内方向の熱伝導率は極めて低くなる。また、この炭素繊維複合材料は厚い金属層で接合されるため、実際には厚さ方向の熱伝導は厚い金属層で律される。すなわち、実際にはどちらの方向においても高い熱伝導率を得ることは困難である。
【００１３】
一方、特許文献２に記載の技術においては、シートの面内方向における熱伝導率は高くなる。しかしながら、厚さ方向の熱伝導は小さな金属粒子を介してなされるため、厚さ方向における熱伝導率を高くすることは困難である。
【００１４】
このように、黒鉛のように特定の方向にのみ高い熱伝導率をもつ材料を用いて放熱基板を得るためには、熱伝導率が低い層を接合させた形態とする必要があった。こうした熱伝導率が低い層によって逆に特定の方向における熱伝導率は低下した。あるいは、この熱伝導率が低い層は剥離の原因ともなり、放熱基板の信頼性が低下した。
【００１５】
このため、面内方向と厚さ方向の両方で高い熱伝導率をもつ放熱基板を得ることは実際には困難であった。
【００１６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の放熱基板は、黒鉛層が積層されて構成された放熱基板であって、主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、前記主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、が積層され、前記第１の黒鉛層の中に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）のいずれかからなる金属元素が添加されていることを特徴とする。
本発明の放熱基板において、前記第１の黒鉛層における配向方向は一様であり、前記第１の黒鉛層全体に前記金属元素が添加されたことを特徴とする。
本発明の放熱基板は、前記第２の黒鉛層における前記第１の黒鉛層との界面に近い領域に前記金属元素が添加されたことを特徴とする。
本発明の放熱基板は、前記第１の黒鉛層と前記第２の黒鉛層の積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層側の表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以上のように構成されているので、面内方向と厚さ方向の両方で高い熱伝導率をもつ放熱基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板の製造工程及び断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板が用いられる半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板の変形例が用いられる半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る放熱基板の更なる変形例の構成を示す断面斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る放熱基板の製造工程及び断面構造を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る放熱基板の変形例の製造工程の途中における断面構造を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る放熱基板の製造工程及び断面構造を示す図である。
【図８】放熱基板が用いられる半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態となる放熱基板について説明する。この放熱基板は主に黒鉛層で構成される。ただし、この黒鉛層の中に、不純物が導入されたり結晶構造が制御された領域が局所的に形成される。この領域は、黒鉛と異なる材料を付着、接合させたものとは異なり、熱伝導率の高い不純物材料を黒鉛層内に添加する、あるいは黒鉛層の結晶構造を局所的に変化させることにより形成される。このため、この不純物が導入されたり結晶構造が制御された領域と、通常の黒鉛で構成された他の領域との間の接合の信頼性は高い。また、熱伝導率を低下させる材料は使用されないために、どの方向においても高い熱伝導率を得ることができる。
【００２１】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る放熱基板においては、熱伝導率の高い金属不純物の濃度が高い領域（層）が黒鉛層中に形成される。図１は、この放熱基板１０の製造工程及び断面構造を示す図である。
【００２２】
まず、図１（ａ）に示されるように、ここでは母材として、第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２とが積層された構造が用いられる。第１の黒鉛層１１、第２の黒鉛層１２は、共にグラファイトで構成される。周知のように、グラファイトは、六角形環（六方晶系における六角形の結晶が亀の甲上に２次元的に広がった構成）が積層された形態の結晶構造をもつ。グラファイトにおいては、この六角形環が広がる方向における熱伝導率が高く、その積層方向における熱伝導率が低くなっている。すなわち、こうした結晶構造に起因して熱伝導率の異方性が生じている。図１（ａ）に模式的に示されるように、ここでは、第１の黒鉛層１１において六角形環が広がる方向を水平方向（面内方向：主面方向）と一致させ、第２の黒鉛層１２において六角形環が広がる方向を鉛直方向（厚さ方向：主面方向と垂直な方向）と一致させる。この構成により、第１の黒鉛層１１においては水平方向で高い熱伝導率が得られ、第２の黒鉛層１２においては鉛直方向で高い熱伝導率が得られる。第１の黒鉛層１１の厚さは、要求される放熱特性や熱伝導率の異方性によって適宜設定することができるが、例えば５０μｍ〜１ｍｍ程度の範囲である。第２の黒鉛層１２は、最終的に厚さ方向に放熱を行わせ、かつこの放熱基板１０の支持基板となるため、第１の黒鉛層１１よりも厚くすることが好ましい。
【００２３】
第１の黒鉛層１１、第２の黒鉛層１２、共に六角形環が広がる方向において５００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い熱伝導率をもつ。この値は、銅、アルミニウム等の熱伝導率（３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）よりも高い。ただし、上記の方向とそれぞれ垂直な方向における熱伝導率は、銅、アルミニウム等よりも低い。
【００２４】
第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２は、板状の状態で別途製造される。これは、黒鉛板を製造する周知の製造方法により行われる。これらを積層して熱処理を行い、炭素同士の直接接合により、第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２とが貼り合わされた図１（ａ）の構成の積層構造が得られる。
【００２５】
次に、図１（ｂ）に示されるように、この積層構造における第１の黒鉛層１１側から、熱伝導率の高い金属（例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）等）をイオン注入する。また、このイオン注入によってグラファイトの結晶構造が壊されるため、結晶構造を回復するためにイオン注入後には熱処理を行う。この熱処理によって注入された金属元素は拡散する。イオン注入における金属イオンのエネルギーは、熱処理後の金属元素の拡散が第１の黒鉛層１１と第１の黒鉛層１２の間の界面を越える程度とすることが好ましい。また、拡散後の金属元素の濃度は１×１０１４〜５×１０２３ｃｍ−３程度とすることが好ましい。イオン注入におけるエネルギーとドーズ量は、これらの特性に応じて設定され、第１の黒鉛層１１の厚さと金属の種類に応じて適宜設定される。
【００２６】
これにより、図１（ｃ）に示されるように、第１の黒鉛層１１は、第１の金属拡散層２１となる。また、第２の黒鉛層１２のうち第１の黒鉛層１１との界面に近い領域には第２の金属拡散層２２が形成される。第１の黒鉛層１１（第１の金属拡散層２１）における結晶の配向方向は一様であることは変わらないが、第１の黒鉛層１１全体に前記金属元素が添加されることにより第１の金属拡散層２１が形成される。第２の黒鉛層１２における第１の黒鉛層１１との界面に近い領域に前記金属元素が添加されることによって第２の金属拡散層２２が形成される。図１（ｃ）においては、イオン注入前に第１の黒鉛層１１であった範囲Ａ、第２の黒鉛層１２であった範囲Ｂがそれぞれ示されている。前記の通り、第１の黒鉛層１１においては、水平方向の熱伝導率が高く、鉛直方向の熱伝導率が小さかった。しかしながら、第１の黒鉛層１１が変化した第１の金属拡散層２１においては、多量に添加された金属によって鉛直方向の熱伝導率が高くなる。一方、水平方向の熱伝導率は金属が添加される前の第１の黒鉛層１１と比べると劣るものの、グラファイトの結晶構造自体は保たれるため、添加される金属元素単体（例えばＣｕ）の熱伝導率よりは高くなる。
【００２７】
また、第２の金属拡散層２２においては、第１の金属拡散層２１とは逆に、水平方向の熱伝導率が高くなり、鉛直方向の熱伝導率はやや低くなる。ただし、第２の金属拡散層２２は第１の金属拡散層２１よりも薄いため、放熱基板全体におけるその寄与は小さい。なお、金属が拡散していない第２の黒鉛層１２の下側の領域はイオン注入前と変化がない。
【００２８】
このため、図１（ｃ）に示された積層構造においては、金属の添加によって、水平方向、厚さ方向において共に高い熱伝導率が得られる。
【００２９】
次に、図１（ｄ）に示されるように、図１（ｃ）の積層構造の全面に、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜２５を形成する。ＤＬＣ膜２５を構成するダイヤモンドライクカーボンは、炭化水素等からなる非晶質の硬質膜である。ＤＬＣ膜２５は、周知のＤＬＣコーティング法により成膜される。例えば、メタン（ＣＨ４）、Ｃ６Ｈ６（ベンゼン）、Ｈ２等を反応ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法を用いることができる。この場合、ＤＬＣ膜２５は３５℃〜２００℃程度の低温で成膜が可能である。これによって、図１（ｄ）に示される放熱基板１０が得られる。
【００３０】
ＤＬＣ膜２５は、３０Ｗ／ｍ／Ｋ程度の熱伝導率をもち、この値はグラファイトの六角形環が広がる方向における値と比べると低いものの、一般に接着層として使用されるプリプレグ等（１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べると高い熱伝導率をもつ。また、非晶質であるために等方的な熱伝導性をもつ。また、その電気抵抗率は１０７〜１０１３Ω・ｃｍ程度と高く、絶縁体（絶縁層）として使用することができる。また、炭素結合により、ＤＬＣ膜２５と黒鉛層（第１の黒鉛層１１あるいは第１の金属拡散層２１、第２の黒鉛層１２）との間の密着性は高い。
【００３１】
この放熱基板１０を使用した半導体モジュールについて以下に説明する。図２は、この半導体モジュールの構成を示す断面図である。この半導体モジュールにおいては、基板上に半導体チップが搭載され、前記基板が前記放熱基板と接合されている。この半導体モジュールにおいては、図８に示した半導体モジュールにおける放熱基板９７の代わりに上記の放熱基板１０が用いられている。ただし、この構成においては、図８の例とは異なり、熱伝導率の低い接着層９８は使用されない。その代わりに、基板９１の裏面には、放熱基板１０と同様のＤＬＣ膜２６が形成されている。
【００３２】
基板９１側と放熱基板１０とを接合する工程について説明する。ＤＬＣ膜２５とＤＬＣ膜２６の直接接合によって基板９１と放熱基板１０とは接合される。このためには、まず、ＤＬＣ膜２５及びＤＬＣ膜２６の表面に対して、大気中もしくは減圧雰囲気中でプラズマ処理を施す、すなわち、高電圧によって気体をプラズマ化させた雰囲気中にこれらの表面が曝される。これにより、ＤＬＣ表面の炭素結合が活性化される。炭素結合が活性化された状態でＤＬＣ膜２５とＤＬＣ膜２６を圧着すれば、これらが直接接合される。この接合は低温（室温）で行うことが可能である。
【００３３】
上記の放熱基板１０においては、その構成要素中において、熱伝導率の低い材料が使用されていない。更に、この放熱基板１０を実際に半導体モジュールにおいて使用する際にも、熱伝導率の低い接着層をする必要がない。このため、この放熱基板１０を用いて、放熱効率の優れた半導体モジュールを得ることができる。
【００３４】
なお、ここで接合されるのは、放熱基板１０の上面におけるＤＬＣ膜２５とＤＬＣ膜２６である。すなわち、基板９１における放熱基板１０と接合される側の面にはＤＬＣ膜２６が形成され、放熱基板１０の第１の黒鉛層１１側の表面に形成されたＤＬＣ膜２５と、基板９１に形成されたＤＬＣ膜２６とが接合されている。このため、ＤＬＣ膜２５を、上記の積層構造の全面ではなく、積層構造における第１の黒鉛層１１の表面のみに形成してもよい。すなわち、この放熱基板１０と基板９１との接合の観点からいえば、ＤＬＣ膜２５は、最低限第１の黒鉛層１１の表面に形成されていればよい。一方、他の接合方法が用いられる場合には、ＤＬＣ膜２５が形成されていない図１（ｃ）の状態で放熱基板として用いることも可能である。
【００３５】
また、前記の通り、ＤＬＣ膜の電気抵抗率は高く、絶縁体として使用することもできる。このため、図２における絶縁層９９の代わりにＤＬＣ膜を使用することも可能である。この場合、基板９１における放熱基板１０がある側と反対側（半導体チップ９４がある側）における放熱効果も高めることができることは明らかである。
【００３６】
図１の例では、金属イオンが第１の黒鉛層１１側の全面にわたり注入されていたが、金属イオンが局所的に注入されていてもよい。これは、例えばフォトレジスト等をマスクとしてイオン注入を行うことによって容易に実現できる。この場合、例えば放熱基板１０において半導体チップが存在する領域の直下においてのみ鉛直方向の熱伝導率を高め、これ以外の領域では鉛直方向の熱伝導率を高くせずに水平方向の熱伝導率を高く維持する構成とすることもできる。
【００３７】
図３は、この構成の放熱基板１０が半導体モジュールに用いられた際の形態を示す断面図である。この半導体モジュールにおいては、基板９１と放熱基板１０とが接合された状態において、基板９１において半導体チップ９４が搭載された領域と接合された放熱基板１０の領域に前記金属元素が添加されている。この例では、基板９１の中央部にのみ半導体チップ９４が搭載されている。この領域の直下においてのみ第１の金属拡散層２１等が形成されており、その左右の領域には第１の金属拡散層２１等は形成されず、第１の黒鉛層１１がそのまま残っている。この構成により、半導体チップ２４が発した熱はより速く第２の黒鉛層１２に伝達する。一方、第２の黒鉛層１２の上側では、残存する第１の黒鉛層１１によって、半導体チップ２４が発した熱は左右方向にも速く伝達する。これにより、この半導体モジュールは、更に高い放熱効率をもつ。
【００３８】
また、第１の黒鉛層１１における面内方向、厚さ方向の熱伝導率をイオン注入条件の調整以外の方法で更に精密に制御することも可能である。例えばイオン注入層（第１の金属拡散層２１等）を面内で短い周期で周期的に形成し、この周期を調整することで、第１の黒鉛層１１の熱伝導率を実質的に制御することもできる。図４（ａ）〜（ｄ）は、この構成の例を示す断面斜視図である。図４（ａ）においては円形ドット状、（ｂ）においては矩形ドット状、（ｃ）においてはメッシュ状、（ｄ）においてはストライプ状に第１の金属拡散層２１等を形成している。このようなイオン注入層の周期やドット径、線幅等を調整することによって、特に第１の黒鉛層１１における膜厚方向、厚さ方向の熱伝導率をより精密に制御することが可能である。また、イオン注入層の周期よりも充分広い面積をもった放熱基板において、これらの周期的構造を局所的に設けることができることは明らかである。この場合、図３における場合と同様に半導体モジュールを形成することができる。なお、上記の周期構造は必ずしも厳密に周期的である必要はないことは明らかである。
【００３９】
なお、金属元素の拡散深さは、イオン注入の条件やその後の熱処理の条件によって調整することが可能であり、放熱基板１０に要求される特性に応じ、適宜設定することが可能である。例えば、この深さを浅くし、第２の金属拡散層２２を形成しない、あるいは第１の金属拡散層２１を第１の黒鉛層１１中において浅く形成することも可能である。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る放熱基板１１０は、第１の実施の形態に係る放熱基板１０と同様にイオン注入によって製造されるが、注入されるイオン種が異なり、イオン注入によって形成される層も異なる。図５は、この放熱基板１１０の製造工程及び断面構造を示す図である。この放熱基板１１０は、黒鉛層が積層されて構成された放熱基板であって、主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層１１と、主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層１２と、が積層され、第１の黒鉛層１１の中に、主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された再結晶化層が局所的に形成されている。再結晶化層は、第１の黒鉛層１１に対して炭素（Ｃ）をイオン注入することによって形成された非晶質層を熱処理することによって形成される。
【００４１】
ここでは、図４の構造と同様に、全面ではなく局所的にイオン注入が行われる。このため、図５（ａ）に示されるように、第１の黒鉛層１１と第２の黒鉛層１２の積層構造の上に、注入されるパターンに対応したフォトレジスト層２００を形成する。フォトレジスト層２００は図４（ｄ）と同様のストライプ状に形成されているものとし、図５（ａ）はこのストライプが延伸する方向に垂直な断面を示している。
【００４２】
次に、図５（ｂ）に示されるように、第１の実施の形態と同様にイオン注入を行う。ただし、第１の実施の形態において注入された元素は不純物となる金属であったのに対し、ここでは第１の黒鉛層１１等の構成元素である炭素（Ｃ）が注入される。イオン注入された領域は非晶質化するが、この非晶質化される深さは第１の黒鉛層１１と第１の黒鉛層１２の界面よりも浅くする。すなわち、フォトレジスト層２００が形成されていない領域の第１の黒鉛層１１のみが非晶質化されるように、Ｃのイオン注入のエネルギー、ドーズ量は設定される。
【００４３】
これにより、図５（ｃ）に示されるように、Ｃがイオン注入された領域において、非晶質層１１１が形成される。非晶質層１１１では、第１の黒鉛層１１において存在した結晶性が損なわれている。非晶質層１１１の図６（ｃ）における幅ａはフォトレジスト層２００のパターンによって規定されるが、この幅が第１の黒鉛層１１の厚さよりも充分小さくなるように設定する。
【００４４】
次に、フォトレジスト層２００を除去した後に、不活性ガス中で２０００〜３０００℃程度の熱処理を行う。これにより、非晶質層１１１は再結晶化する。この際、この非晶質層１１１の幅は狭いため、この非晶質層１１１が再結晶する際に、その結晶環は、図５（ｃ）における垂直方向（第１の黒鉛層１１における厚さ方向）に広がりやすくなる。この方向は、第２の黒鉛層１２における結晶環が広がる方向と同一である。これにより、図５（ｄ）に示されるように、再結晶化層１１２が形成される。全体的に見て、この再結晶化層１１２における結晶環が広がる方向は図５（ｄ）における垂直方向であり、この再結晶化層１１２は水平方向よりも垂直方向において高い熱伝導率をもつ。
【００４５】
次に、図５（ｅ）に示されるように、この構造の全面にＤＬＣ膜１１３を形成することにより、放熱基板１１０を得る。この工程は図１（ｄ）と同様である。
【００４６】
すなわち、この放熱基板１１０においても、面内方向において高い熱伝導率をもつ第１の黒鉛層１１の中に、厚さ方向において高い熱伝導率をもつ再結晶化層１１２が形成される。これにより、この放熱基板１１０においては、水平方向、厚さ方向において共に高い熱伝導率が得られる。
【００４７】
第１の実施の形態に係る放熱基板１０の上面付近における厚さ方向の熱伝導は主に第１の金属拡散層２１によるのに対して、第２の実施の形態に係る放熱基板１１０の上面付近における厚さ方向の熱伝導は主に再結晶化層１１２による。第１の金属拡散層２１における厚さ方向の熱伝導は主に注入された金属に起因するのに対して、再結晶化層１１２は第２の黒鉛層１２と同様の結晶構造をもつため、厚さ方向において極めて高い熱伝導率をもち、第１の金属拡散層２１よりも厚さ方向における熱伝導率は高くなる。また、この放熱基板１１０には熱伝導率を低下させる材料は使用されておらず、この放熱基板１１０を用いて図２、３と同様に半導体モジュールを製造できることも明らかである。図３における基板９１と放熱基板１１０とが接合された状態において、基板９１において半導体チップ９４が搭載された領域と接合された放熱基板１１０の領域に再結晶化層１１２を形成することもできる。
【００４８】
なお、図５の製造方法において、非晶質化層１１１が再結晶化する際に上下方向に結晶環が広がる構成とするためには、非晶質化層１１１の幅を狭くすることが好ましい。また、本来第１の黒鉛層１１においては厚さ方向の熱伝導よりも面内方向の熱伝導が優先されるべき層である。このため、図５（ｃ）における非晶質層１１１の幅ａは、非晶質層１１１が形成されない領域の幅ｂよりも小さく設定することが好ましい。
【００４９】
また、図５の製造方法では、非晶質層１１１（再結晶化層１１２）の深さを第１の黒鉛層１１と同一であるとしたが、この深さは、上記の結晶配向をもった再結晶化層１１２が得られる限りにおいて、任意である。例えば、図６に再結晶化後の形態を示すように、再結晶化層１１１を第１の黒鉛層１１よりも浅く形成することも可能である。このような再結晶化層１１１の深さは、Ｃのイオン注入のエネルギー等により制御することができる。
【００５０】
（第３の実施の形態）
第１、第２の実施の形態に係る放熱基板においては、放熱基板の上面側で厚さ方向における熱伝導率を高めた層をイオン注入によって形成した。第３の実施の形態に係る放熱基板においては、イオン注入を用いずに同様の特性の層を形成する。図７は、この放熱基板１５０の製造工程及び断面構造を示す図である。この放熱基板１５０においては、前記第１の黒鉛層は、複数の黒鉛薄膜層が積層して構成され、前記黒鉛薄膜層の間には、前記金属元素を含む金属粒子が分散されている。
【００５１】
この製造方法においては、第１の黒鉛層が、薄い黒鉛薄膜層に分割されている。まず、図７（ａ）に示されるように、第２の黒鉛層１２の上に黒鉛薄膜層１５１を積層する。この段階では黒鉛薄膜層１５１は積層されただけであり、特に第２の黒鉛層１２との間で強固に接合されてはいない。黒鉛薄膜層１５１は、前記の第１の黒鉛層１１と同じ結晶配向をもった層であるが、第１の黒鉛層１１よりも薄く、黒鉛薄膜層１５１が複数層積層されて前記の第１の黒鉛層１１と同等の厚さとなるように設定される。
【００５２】
次に、図７（ｂ）に示されるように、黒鉛薄膜層１５１の上に金属粒子１５２を分散させる。金属粒子１５２は第１の実施の形態においてイオン注入された金属と同様の金属で構成される。黒鉛薄膜層１５１の上に金属粒子１５２が分散した状態を実現するためには、例えば金属粒子１５２を溶媒中に分散した液を作成し、この液を黒鉛薄膜層１５１に塗布すればよい。この場合、図７（ｂ）においては記載されていないが、溶媒からなる層も黒鉛薄膜層１５１の上に形成される。溶媒としては、高温で蒸発させることによって黒鉛薄膜層１５１の上には残存しなくなる液体が好ましく用いられる。
【００５３】
同様に、図７（ｃ）に示されるように、黒鉛薄膜層１５１と金属粒子１５２を複数層分だけ積層する。黒鉛薄膜層１５１の総膜厚が所望の値（第１の黒鉛層１１の厚さに対応）になるまで、図７（ｂ）と同様の工程が繰り返される。
【００５４】
その後、図７（ｄ）に示されるように、図７（ｃ）の積層構造を加熱して上下方向（積層方向）に加圧する。この工程により、図１（ａ）の場合と同様に、炭素間の直接接合によって各黒鉛薄膜層１５１同士は接合される。この際、黒鉛薄膜層１５１が薄ければ、金属粒子１５２を間に挟んだ形態のままで接合を行うことが可能である。また、この際に、金属粒子１５２は圧縮されて塑性変形をする。
【００５５】
その結果、図７（ｅ）に示されるように、第２の黒鉛層１２の上に黒鉛薄膜層１５１が複数積層され、黒鉛薄膜層１５１間に金属粒子１５２が分散した構成が得られる。次に、図７（ｆ）に示されるように、第１、第２の実施の形態と同様にＤＬＣ膜１５３を全面に形成して、放熱基板１５０が得られる。
【００５６】
この放熱基板１５０における第２の黒鉛層１２については、放熱基板１０、１１０の場合と同様であり、上下方向（厚さ方向）において高い放熱効率をもつ。複数の黒鉛薄膜層１５１が積層され、その間に金属粒子１５２が分散した構成は、第１の実施の形態に係る第１の金属拡散層２１と同様の特性をもつ。すなわち、黒鉛薄膜層１５１中の結晶配向によって面内方向における高い熱伝導率が得られ、金属粒子１５２によって厚さ方向における高い熱伝導率が得られる。この放熱基板１５０を、図２と同様に半導体モジュールに使用できることは明らかである。また、黒鉛薄膜層１５１上に金属粒子１５２を分散させる工程を例えば印刷によって行う場合には、予め定められた領域においてのみ金属粒子を分散させることができる。この場合には、図３に示された形態の半導体モジュールを得ることも容易である。
【００５７】
特許文献２に記載の技術においても、カーボンナノチューブからなるシートが金属粒子を介して接合されていた。しかしながら、特許文献２に記載の技術においては、このシート間の接合自身がこの金属粒子によるため、厚さ方向の熱伝導は小さな金属粒子によって主になされ、高い熱伝導率を得ることは困難である。これに対して、この放熱基板１５０においては、黒鉛薄膜層１５１を充分薄くすることにより、黒鉛薄膜層１５１間同士の接合を、炭素原子間の結合によって行うことが可能である。このため、黒鉛薄膜層１５１が積層された構造中に金属粒子１５２が分散した構造は、実質的には第１の実施の形態に係る放熱基板１０における第１の金属拡散層２１と同等となる。
【００５８】
一方、第１、第２の実施の形態に係る放熱基板１０、１１０を製造するに際しては、イオン注入が用いられた。イオン注入装置は、一般には非常に高価であり大規模な装置である。これに対して、この放熱基板１５０を得るためには、イオン注入は用いられず、代わりに塗布（印刷）や一軸加圧等の作業が行われる。これらの作業に用いられる装置は、一般にイオン注入装置よりも安価で小規模の装置である。このため、この放熱基板１５０は、第１、第２の実施の形態に係る放熱基板１０、１１０と同等の特性をもち、かつ放熱基板１０、１１０よりも安価に製造することが可能である。
【００５９】
なお、上記の例では、水平方向に六角形環が広がるように第１の黒鉛層が配向され、鉛直方向に六角形環が広がるように第２の黒鉛層が配向されているものとしたが、上記の効果を奏する限りにおいて、これらの配向方向がそれぞれ厳密にこれらの方向となっている必要はない。
【００６０】
また、上記においては、絶縁性の基板上に回路パターンが形成され、この上に半導体チップが搭載された構成において、基板の裏側に放熱板を接合させた形態の半導体モジュールについて記載した。しかしながら、上記の放熱基板を用いた構成は、任意の基板上に半導体チップを搭載し、この基板の裏面側に放熱基板を接合させた構成を具備する半導体モジュールであれば有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００６１】
１０、９７、１１０、１５０ 放熱基板
１１ 第１の黒鉛層
１２ 第２の黒鉛層
２１ 第１の金属拡散層
２２ 第２の金属拡散層
２５、２６、１１３、１５３ ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜
９１ 基板
９２ 回路パターン
９３ はんだ層
９４ 半導体チップ
９５ ボンディングワイヤ
９６ リード
９８ 接着層
９９ 絶縁層
１００ モールド層
１１１ 非晶質層
１１２ 再結晶化層
１５１ 黒鉛薄膜層
１５２ 金属粒子
２００ フォトレジスト層
３００ 金属ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛層が積層されて構成された放熱基板であって、
主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、
前記主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、が積層され、
前記第１の黒鉛層の中に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）のいずれかからなる金属元素が添加されていることを特徴とする放熱基板。
【請求項２】
前記第１の黒鉛層における配向方向は一様であり、前記第１の黒鉛層全体に前記金属元素が添加されたことを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
【請求項３】
前記第２の黒鉛層における前記第１の黒鉛層との界面に近い領域に前記金属元素が添加されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱基板。
【請求項４】
前記第１の黒鉛層と前記第２の黒鉛層の積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層側の表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の放熱基板。
【請求項１】
黒鉛層が積層されて構成された放熱基板であって、
主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、
前記主面方向と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、が積層され、
前記第１の黒鉛層の中に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）のいずれかからなる金属元素が添加されていることを特徴とする放熱基板。
【請求項２】
前記第１の黒鉛層における配向方向は一様であり、前記第１の黒鉛層全体に前記金属元素が添加されたことを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
【請求項３】
前記第２の黒鉛層における前記第１の黒鉛層との界面に近い領域に前記金属元素が添加されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱基板。
【請求項４】
前記第１の黒鉛層と前記第２の黒鉛層の積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層側の表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の放熱基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−４７３３（Ｐ２０１３−４７３３Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４２４６（Ｐ２０１１−１３４２４６）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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