JP3528375B2 - 基板およびこれを用いた放熱基板、半導体装置、素子搭載装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板およびこれを
用いた放熱基板、半導体装置、素子搭載装置に関する。
本発明の基板は、超高速ＭＰＵ、大出力半導体レーザー
などの半導体素子をはじめとする大きな発熱密度を有す
る素子を実装し、冷却するのに好適である。素子は、温
度の管理を厳密にする必要のあるものであってよく、高
密度に配置されていてよい。

【０００２】

【従来の技術】海底ケーブルなどに使用される半導体レ
ーザーは、長距離伝送を実現するため、大出力化が進ん
でおり、それに伴い素子自体の発熱量も急増している。
また、情報処理システム等の小型化、処理速度高速化に
伴い、これらの機器に内蔵される半導体素子の単位面積
当たりの処理能力の向上が急速に進展している。これら
のことは、半導体素子の発生する単位面積当たりの熱量
の増大を招き、実装する基板を設計する上でその放熱性
を確保することの重要性が注目されている。また、これ
らの素子は、動作温度を厳密に管理する必要があり、素
子温度の変化は、例えば、発振波長のずれなどを引き起
こす。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在パッケージに主と
して用いられているアルミナなどの材料では、上記のよ
うな高性能な素子を実装する際、その放熱特性が問題と
なる。すなわち、現状パッケージでは、その固有の熱抵
抗が大きく、素子自体の発熱を十分に放散させることが
できずに素子温度が上昇し、その結果素子が誤動作、あ
るいは暴走をおこすなどの問題が生じる。この問題を解
決するためには、前述の通り、より高熱伝導性の材料を
用いることが有効であり、現存する物質中もっとも熱伝
導率の大きいダイヤモンドも半導体レーザーダイオード
などでは使用されている。

【０００４】しかしながら、放熱基板が輸送する熱は最
終的には外界の空気や冷却水などに伝達して排出しなけ
ればならない。搭載する半導体素子などの発生する熱量
が大きくなれば、高熱伝導率材料を使用しなければなら
ないのはもちろん、高熱伝導性材料を伝導してきた大量
の熱をいかに効率的に基板から放熱するかが重要にな
る。その為、基板の裏面にフィンや冷却水配管を取り付
けて放熱面積、放熱効率の増大を図る工夫がなされてい
る。しかし、基板の裏側に冷却水配管を取り付けるとそ
の取り付け部分に余計な熱抵抗が入るのは防止できない
し、フィンではさらに冷却効率が落ちるため、さらに効
率的な冷却ができる高い放熱性を持った基板の開発が要
請されている。

【０００５】近年の半導体素子、特にＬＳＩの処理速度
の向上と、ラップトップパソコンなど、携帯情報処理機
器の実装技術の進展には、目を見張るものがある。ＬＳ
Ｉの処理速度の向上は、各チップ間を連絡する配線によ
る信号遅延を無視できないものにした。さらに、携帯情
報処理機器へのニーズは、上記ＬＳＩの実装密度の急激
な上昇をもたらした。

【０００６】これら要求を満たす実装基板には、各半導
体素子の実質的な実装密度を向上させ、かつ発生する熱
を効率よく除去するという、相反する要求を満たす必要
があった。そのため、ＭＣＭ（Ｍulti Ｃhip Ｍodule）
基板を初めとする高密度実装技術が開発され、主にスー
パーコンピューターのＣＰＵに使用され始めている。

【０００７】ＭＣＭ基板に関しては、現在、最も放熱特
性の要求される基板では、ＡｌＮ基板が使用されてい
る。しかし、ＡｌＮは、熱伝導率が２Ｗ／cm・Ｋ程度で
あり、今後さらに高密度実装、高発熱密度素子を搭載す
るためには、対応が難しくなってきている。

【０００８】特開平４−２７３４６６号公報には、ダイ
ヤモンドを用いた３次元集積回路基板において、基板の
側面部に穴を設け、冷媒を流す構造が提案されている。
しかしながら、この構造では基板の中央付近(実際には
最も温度が上昇すると予想される部分)が最も冷媒の通
過するところから離れており、効率が悪い。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、以
上のような問題点に鑑み、より冷却効率の大きな放熱基
板を得るべく鋭意研究を重ね、高熱伝導性物質に直接冷
媒を通すための流路を形成することにより従来の基板よ
りも格段に放熱効率の向上した基板を得ることに成功し
た。

【００１０】本発明は、熱伝導率が１０Ｗ／ｃｍ・Ｋ以
上の高熱伝導性物質層が基材の上に配置され、かつ基材
／高熱伝導性物質層の界面部の高熱伝導性物質層側に冷
却用媒体を通過させるための流路を備えることを特徴と
する基板（例えば、放熱基板）を提供する。また、本発
明は、熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱伝導性物質
層が基材の上に配置され、かつ基材／高熱伝導性物質層
の界面部の高熱伝導性物質層側に冷却用媒体を通過させ
るための流路を備え、かつ該高熱伝導性物質層の上部に
最大発熱密度１Ｗ／cm²以上の発熱素子を搭載すること
を特徴とする素子搭載装置を提供する。この素子搭載装
置は、基材および高熱伝導性物質層によって形成される
基板、ならびに基板の上に搭載された素子を有してな
る。

【００１１】加えて、本発明は、熱伝導率が１０Ｗ／cm
・Ｋ以上の高熱伝導性物質からなる板中に、冷却用媒体
を通過させるための１本以上の流路が埋め込まれている
ことを特徴とする基板（例えば、放熱基板）を提供す
る。さらに、本発明は、熱伝導率１０Ｗ／cm・Ｋ以上の
高熱伝導性物質から成る基板中に、冷却用媒体を通過さ
せるための１本以上の流路が埋め込まれており、かつ基
板上に最大発熱密度１Ｗ／cm²以上の少なくとも１つの
発熱素子を搭載することを特徴とする素子搭載装置を提
供する。さらに加えて、本発明は、熱伝導率１０Ｗ／cm
・Ｋ以上の高熱伝導性物質から成る基板中に、冷却用媒
体を通過させるための１本以上の流路が埋め込まれてい
る基板が、２枚以上積み重ねられており、かつ各々の基
板には１個以上の電子素子が搭載され、各電子素子間を
接続する金属配線が基板上、あるいは基板中に配置され
ていることを特徴とする半導体装置を提供する。

【００１２】以下に、本発明の具体的な内容について詳
細に開示する。本発明における基板の１つの形態におい
て、高熱伝導性物質層が基材の上に積層されており、高
熱伝導性物質層と基材との界面に、冷媒を流すための溝
が高熱伝導性層側に形成されている。すなわち、高熱伝
導性物質層の表面に配置された半導体装置などの発熱体
から生じる熱は、高熱伝導性物質層の中を温度勾配が小
さいまま伝えられ、物質層裏面に形成された溝を通過す
る冷媒によって効率よく除去される。

【００１３】高熱伝導性物質層としては、熱伝導性は高
い方が素子温度を押さえることができ好ましい。その熱
伝導率は、高ければ高い程良いが、１０Ｗ／cm・Ｋ以上
あることが適当である。この様な材質を持つ物質として
は、天然ダイヤモンド、高圧合成ダイヤモンド、および
気相合成ダイヤモンドが挙げられる。これらはいずれも
本発明における高熱伝導性物質層として適当であるが、
特に気相合成法により得られるダイヤモンドを利用する
と、比較的大面積の高熱伝導性物質層が安価に得ること
ができる。熱伝導率は、一般に温度依存性があり、上記
ダイヤモンドは、室温以上の温度領域では温度上昇と共
にその熱伝導率は低下する。通常の素子（例えば、半導
体素子のような電子素子）を搭載する基板の場合、搭載
される素子温度は精々１００℃から２００℃以下であ
り、この温度領域で熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上であ
ることが本発明における高熱伝導性物質層においても望
ましい。高熱伝導性物質層の厚さは、少なくとも３０μ
m以上、より好ましくは７０μm以上あることが好まし
い。高伝導性物質層の厚さの上限は、通常、１０mm、例
えば５mmである。高熱伝導性物質は、半導電性または導
電性であってもよいが、絶縁性であることが好ましい。
高熱伝導性物質の抵抗率は、１ｘ１０⁸Ω・cm以上、よ
り好ましくは１ｘ１０⁹Ω・cm以上であることが好まし
い。

【００１４】溝については、典型的には、その断面形状
は長方形である。高熱伝導性物質層に存在する溝につい
ては、その深さは深いほど熱交換率は上昇するが、あま
り深すぎるとその機械強度が弱くなるので好ましくな
い。具体的には、溝の深さ（ｃ）は２０μm以上、より
好ましくは５０μm以上である。溝の深さ（ｃ）は、高
熱伝導性物質層の膜厚の９０％以下、より好ましくは８
０％以下、例えば７０％以下が好ましい。また、溝の幅
（ａ）は広いほど熱交換率は上昇するが、そのかわり基
材に接する部分の強度を保つために溝の数が少なくなる
ために広すぎても逆に熱交換率は悪くなる。一方、溝の
間隔（ｂ）についても幅と同様なことがいえ、広すぎて
も狭すぎても良くない。溝の幅（ａ）および間隔（ｂ）
は、２０μm以上１０mm以下、より好ましくは４０μm以
上２mm以下、更により好ましくは５０μm以上２mm以下
であることが望ましい。幅（ａ）と間隔（ｂ）の長さの
比（ａ／ｂ）の範囲について、下限は、０.０２、より
好ましくは０.０４であり、一方、上限は、５０、より
好ましくは２５であることが望ましい。幅（ａ）と深さ
（ｃ）の長さの比（ａ／ｃ）の範囲について、下限は、
０.０５、より好ましくは０.１であり、一方、上限は１
００、より好ましくは５０であることが望ましい（図７
参照）。

【００１５】但し、最適な幅、間隔については、放熱基
板上に搭載される素子に依存する。なお、溝の形状とし
ては、断面が長方形である必要はなく、半円形、半楕円
形やさらに複雑な形状をとりうる。また、１つの基板中
で、上記のa, b, cの値が一定である必要はなく、上に
示した条件の中で変化させうる。溝によって占められる
高熱伝導性物質層の表面の割合は、高熱伝導性物質層の
表面の面積に対して、基板の場合に通常、２〜９０％、
好ましくは１０〜８０％である。溝の側面が高熱伝導性
物質層表面に対する鉛直線となす角度（テーパー角）
は、３０°以下であることが好ましい。

【００１６】この冷媒の通過するべき溝は、本基板上に
設置される半導体素子などの発熱体の配置に応じて適宜
形成することができる。搭載される半導体素子などの発
熱体により、最も発熱する部分、あるいは最も低温であ
ることが要求される部分が最も効率的に冷却されるよう
に溝を形成することが望ましい。具体的には、最も冷却
したい部分に冷媒が最も多く通過する様に溝を配置す
る。溝の断面形状を複雑にし、溝の表面積を大きくする
ことによっても冷却効率を上げることができる。また、
冷媒の導入口付近は最も冷媒の温度も低いので、冷却効
率が高くなる。従って、発熱体の発熱量分布がほぼ均等
である場合、中央部分が最も温度が高くなるので、中央
部に導入口を設け、そこから螺旋状、あるいは放射線状
に冷媒溝を配置すると効率的でよい。

【００１７】溝は、高熱伝導性物質層を形成した後に、
該物質層をレーザー加工（例えば、エキシマレーザーを
使用する）すること、エッチング法により加工すること
などによって形成することができる。溝の表面に、厚さ
１nm以上１μm以下の非ダイヤモンドの炭素成分（例え
ば、グラファイト、非結晶質カーボン）から成る層が存
在してよい。非ダイヤモンド層は、非酸化雰囲気（例え
ば、不活性ガス雰囲気）において、高熱伝導性物質層を
１０００〜１５００℃に３０分〜１０時間（例えば、１
時間）加熱することによって、形成することができる
（この場合には、溝以外の高熱伝導性物質層の表面にも
非ダイヤモンド層が形成されるが、これは、研磨などに
よって除去することができる。）。非ダイヤモンド層の
有無は、ラマン分光法によって測定することが可能であ
る。

【００１８】溝の表面において、冷媒に対する濡れ性が
良好であることが好ましい。接触角は、通常６５°以
下、より好ましくは６０°以下であることが好ましい。
ダイヤモンドの表面には、水素原子が存在するので、こ
のままの状態では、水などの冷媒をはじく。そこで、水
素原子に代えて、酸素原子を含む親水基（例えば、ＯＨ
基）をつけることによってダイヤモンド層表面の親水性
を上げることができる。溝の表面の濡れ性の向上するに
は、例えば、酸化雰囲気（例えば、大気雰囲気）におい
て、５００〜８００℃で１０分〜１０時間アニールする
か、またはあるいは酸素または酸素を含む気体のプラズ
マで処理すればよい。溝を形成する方法として酸素プラ
ズマを使用する場合には、幾分親水性が上がっていると
考えられるが、さらに上記の濡れ性向上の操作を行って
よい。さらに、溝の表面の冷媒に対する濡れ性を改善す
る処理としては、上記の他、窒素、ホウ素あるいは不活
性ガス等を含むガス中でのプラズマ処理を挙げることが
できる。

【００１９】溝を形成した後に、高熱伝導性層を基材に
貼り合わせる。貼り合わせは、金属または接着剤などで
行ってよい。金属層または接着剤層の厚さは、通常０.
０１〜１０μmである。あるいは張り合わせは、金属な
どの物質を使用せずに、高熱伝導性層を直接に基材に付
着させることによって行ってもよい。

【００２０】基材は、例えば、Ｂ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｃｕ、
Ｓｉ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、これらの合
金およびこれらの化合物（例えば、炭化物、窒化物）な
どの物質からできている。基材は、例えば、絶縁性であ
ってよい。基材は、板状であってよい。基材の厚さは、
通常０.１〜１０mm、好ましくは０.５〜５mmである。

【００２１】素子を基板上に実装する場合に、素子は高
熱伝導物質層の上に配置されることが好ましい。冷媒と
しては、例えば、水、空気、不活性ガス（例えば、窒
素、アルゴンなど）、フルオロカーボン、液体窒素、液
体酸素、液体ヘリウムなどを使用する。本発明の基板
は、半導体デバイス、例えば、レーザーチップ、ＭＰＵ
などにおいて有用である。本発明において使用する素子
は、半導体素子（例えば、半導体レーザー、ＭＰＵ（マ
イクロプロセッサユニット)、ＩＣ）であることが好ま
しい。本発明のような基板を使用した場合に、素子が効
率良く冷却され、素子の温度上昇が防止される。素子温
度が上昇すると、一般に半導体レーザーの発振波長が長
波長側にシフトするが、本発明においては、素子温度が
上昇しないので、半導体レーザーの発振波長が長波長側
にシフトすることはない。

【００２２】さて、以下にこの冷媒の通過する溝を基材
と高熱伝導性物質層との界面に有する基板の製造方法に
ついて説明する。まず、基材に、冷媒通過溝を持つ高熱
伝導性物質層を接着して得る方法について示す。高熱伝
導性物質層となる物質を、所望の大きさに用意する。こ
れに、冷媒が通過する溝を配置するには、レーザー光線
を利用した加工方法、選択的なエッチングなどが利用で
きる。レーザー加工は、物質表面にレーザー光線を集光
することによって物質の削除加工を行い、溝を表面に形
成する。この方法によれば、任意の配置の溝を得ること
ができる。高熱伝導性物質の表面に、十分なエネルギー
密度を持ったレーザー光線を集光し、物質を削除しなが
ら徐々に集光位置を移動させて溝を表面に形成する。レ
ーザー光線としては、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザ
ーなどが利用できるが、特にエキシマレーザーはその加
工精度の点から、任意の深さ、配置の溝を再現性よく形
成することができ好ましい。

【００２３】レーザー光の波長は、３６０nm以下、例え
ば、１９０〜３６０nmの範囲であることが好ましい。照
射する光のエネルギー密度は、１０〜１０¹¹Ｗ／cm²で
ある。パルス状レーザー光を用い、その１パルス当たり
のエネルギー密度が１０^-1Ｊ／cm²以上で、１０⁶Ｊ／cm
²以下の範囲とすることが好ましい。さらに、レーザー
発振器より発振される際のレーザー光の広がり角度が１
０^-2〜５ｘ１０^-1mradとし、レーザー光の発振スペクト
ルの半値幅を１０^-4〜１nmとすることが好ましい。レー
ザー光のビーム断面におけるエネルギー分布の均一性は
１０％以下であることが好ましい。パルスレーザー光を
円筒型レンズまたは円筒型ミラーにより集光することに
よって、良好な加工の結果を得る。このようなエキシマ
レーザーによる表面溝加工において、適当な雰囲気中で
加工を行うことによって、ダイヤモンド表面の改質を行
うことができ、冷媒との濡れ性をも改善することが可能
となる。例えば、含アミノ基化合物（例えばアンモニ
ア、ヒドラジンなど）雰囲気中において上記の加工を行
うことによって、形成された溝の表面にアミノ基が導入
され、親水性を向上させることが可能である。

【００２４】一方、エッチング法による表面溝加工は、
以下のように行うことができる。即ち、適当なマスクを
高熱伝導性物質層上に形成した後、マスクはエッチング
せず、高熱伝導性物質のみをエッチングする条件で処理
する。その後マスクを除去して、表面に溝を持った高熱
伝導性物質層が得られる。ダイヤモンド上にマスク材料
としてＡl、あるいはＳiＯ₂を形成し、酸素あるいは酸
素を含むガスによりダイヤモンドを選択的にエッチング
することができると知られており（第５３回応物学会予
稿集第二分冊第４１１頁参照）、この技術を利用してダ
イヤモンド上に溝加工ができる。また、酸素あるいは酸
素を含むガスの代わりに、窒素または水素を利用しても
よい。

【００２５】こうして所望の溝を形成した高熱伝導性物
質層を、別途用意した基材に貼り付けすることにより、
非常に大きな放熱効率を有する基板を得ることができ
る。基材には、別途上記層に設けた溝に通すべき冷却媒
体を導入する出入口を設けておく。

【００２６】高熱伝導性物質層と基材との張り付けは、
メタライズ処理によって、あるいは接着剤によって、行
うことができる。結合する２つの面を公知の方法でメタ
ライズ処理し、金属を溶融させることによって行ってよ
い。メタライズ処理で使用する金属の例は、Ｔｉ、Ｐ
ｔ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｇなどである。接着剤
（例えば、Ａｇ／エポキシ系、Ａｇ／ポリイミド系、Ａ
ｕ／エポキシ系）あるいはＡｇ系ロウ剤、および他の接
着方法を使用してよい。接着剤層の厚さは、通常０.０
１〜１０μmである。

【００２７】また、高熱伝導性物質層として、気相合成
法により合成されたダイヤモンドを利用する場合、溝を
形成するのにレーザー光線、エッチング法などによる加
工ではなく、マスクによる選択成長を使用することがで
きる。これは、例えば特開平１−１０４７６１号公報、
特開平１−１２３４２３号公報等に開示されている。基
材(例えば、Ｓi、ＳiＣ、Ｃｕ、Ｍｏ、ｃＢＮ等)の表面
に、マスク材を形成したい溝と対応する形状に配置して
おき、その上に気相合成法によりダイヤモンドを積層さ
せればよい。この時、５０μm以上ダイヤモンドを成長
させることにより、ダイヤモンドがマスクの上部にも横
方向成長し、結果として全面を覆うようになる。その
後、基材を溶解などの方法で除去すれば、取り出される
ダイヤモンドは基材面側に溝を有している。マスクは、
Ｔi、ＳiＯ₂、Ｍo等を公知の方法で形成すればよい。こ
の方法の利点は、ダイヤモンドを成長させた後に衝撃を
与える必要がないので、加工中の破損などが生じにくい
ことが挙げられる。

【００２８】上記の方法において、マスクを形成する代
わりに、板状材料そのものを加工し、溝と対応する形状
に凸凹を設けておき、その上に気相合成法によりダイヤ
モンドを成長させることもできる。所望の厚さに成長さ
せた後、板状材料を除去すると、板状材料面側には溝を
有するダイヤモンド自立膜を得ることができる。板状材
料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｍｏなどが挙げら
れる。

【００２９】さらに、高熱伝導性物質層として気相合成
ダイヤモンドを使う場合には、上記の方法を発展させ、
接着の工程を省略することもできる。即ち、基材の上
に、まずマスクをつけ、その上に気相合成ダイヤモンド
を成長させた後、マスクのみを溶解する事により、基材
とダイヤモンドの界面のダイヤモンド側に冷媒の通過す
る溝を有する基板を得ることができる。この方法によれ
ば、接着材を使用する必要がないため、基板全体の放熱
効率をさらに上げることができる。このような基材とし
ては、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ｍｏが好ましい。

【００３０】前記のいずれの方法も高熱伝導性物質層／
基材の界面の高熱伝導性層側に溝を有する基板の製造に
有効である。エッチングによる方法は、微細な溝を精度
良く形成することができる。レーザー加工による方法
は、その形成速度が速い。また、選択成長による方法
（マスクを使用する方法）は、比較的大きな溝を形成す
るのが容易である。

【００３１】本発明における基板の他の形態において、
流路の上下方向と横方向は、高熱伝導性物質によって包
囲されている。すなわち、基板の表面に配置された素子
（例えば、半導体素子）から生じる熱は、高熱伝導性物
質の中を温度勾配が小さいまま伝えられ、流路を通過す
る冷媒によって効率よく除去される。

【００３２】高熱伝導性物質としては、熱伝導性は高い
方が素子温度を押さえることができ好ましい。その熱伝
導率は、高ければ高い程良いが、１０Ｗ／cm・Ｋ以上あ
ることが適当である。この様な材質を持つ物質として
は、天然ダイヤモンド、高圧合成ダイヤモンド、および
気相合成ダイヤモンドが挙げられる。これらはいずれも
本発明における高熱伝導性物質として適当であるが、特
に気相合成法により得られるダイヤモンドを利用する
と、比較的大面積の高熱伝導性物質が安価に得ることが
できる。熱伝導率は、一般に温度依存性があり、上記ダ
イヤモンドは、室温以上の温度領域では温度上昇と共に
その熱伝導率は低下する。通常の電子素子を搭載する基
板の場合、搭載される素子温度は精々１００℃から２０
０℃以下であり、この温度領域で熱伝導率が１０Ｗ／cm
・Ｋ以上であることが本発明における高熱伝導性物質に
おいても望ましい。基板の厚さは、３０μm以上、より
好ましくは７０μm以上であることが好ましい。基板の
厚さの上限は、通常、１０mm、例えば５mmである。高熱
伝導性物質は、半導電性または導電性であってもよい
が、絶縁性であることが好ましい。高熱伝導性物質の抵
抗率は、１ｘ１０⁸Ω・cm以上、より好ましくは１ｘ１
０⁹Ω・cm以上であることが好ましい。

【００３３】流路については、典型的には、その断面形
状は長方形である。流路の高さは大きければ大きいほど
熱交換率は上昇するが、あまり大きすぎるとその機械強
度が弱くなるので好ましくない。具体的には、流路の高
さ（ｃ）は２０μm以上、より好ましくは５０μm以上で
ある。流路の高さ（ｃ）は、基板の厚さの９０％以下、
より好ましくは８０％以下、例えば７０％以下が好まし
い。また、流路の幅（ａ）は広いほど熱交換率は上昇す
るが、基板の強度を保つために流路の数が少なくなるた
めに広すぎても逆に熱交換率は悪くなる。一方、流路の
間隔（ｂ）についても幅と同様なことがいえ、広すぎて
も狭すぎても良くない。流路の幅および間隔は、２０μ
m以上１０mm以下、より好ましくは４０μm以上２mm以
下、更により好ましくは５０μm以上２mm以下であるこ
とが望ましい。幅（ａ）と間隔（ｂ）の比（ａ／ｂ）の
範囲について、下限は、０.０２、より好ましくは０.０
４であり、一方、上限は、５０、より好ましくは２５で
あることが望ましい。幅（ａ）と高さ（ｃ）の比（ａ／
ｃ）の範囲について、下限は、０.０５、より好ましく
は０.１であり、一方、上限は１００、より好ましくは
５０であることが望ましい。

【００３４】但し、最適な幅、間隔、高さについては、
基板上に搭載される素子に依存する。なお、流路の形状
としては、断面が長方形である必要はなく、半円形、半
楕円形やさらに複雑な形状をとりうる。また、１つの基
板中で、上記のa, b, cの値が一定である必要はなく、
上に示した条件の中で変化させうる。流路によって占め
られる基板の表面の割合（基板の平面に対して垂直方向
にみた場合に流路が基板表面に占める面積の割合）は、
２〜９０％、好ましくは１０〜８０％である。流路の側
面が基板の表面に対する鉛直線となす角度（テーパー
角）は、３０°以下であることが好ましい。

【００３５】流路は、基板上に設置される電子素子の配
置に応じて適宜形成することができる。搭載される電子
素子により、最も発熱する部分、あるいは最も低温であ
ることが要求される部分が最も効率的に冷却されるよう
に流路を形成することが望ましい。具体的には、最も冷
却したい部分に冷媒が最も多く通過する様に流路を配置
する。流路の断面形状を複雑にし、流路の表面積を大き
くすることによっても冷却効率を上げることができる。
また、冷媒の導入口付近は最も冷媒の温度も低いので、
冷却効率が高くなる。従って、電子素子の発熱量分布が
ほぼ均等である場合、中央部分が最も温度が高くなるの
で、中央部に導入口を設け、そこから螺旋状、あるいは
放射線状に冷媒流路を配置すると効率的でよい。

【００３６】流路の表面に、厚さ１nm以上１μm以下の
非ダイヤモンドの炭素成分（例えば、グラファイト、非
結晶質カーボン）から成る層が存在してよい。非ダイヤ
モンド層は、非酸化雰囲気（例えば、不活性ガス雰囲
気）において、高熱伝導性物質膜を１０００〜１５００
℃に３０分〜１０時間（例えば、１時間）加熱すること
によって、形成することができる（この場合には、流路
以外の基板の表面にも非ダイヤモンド層が形成される
が、これは、研磨などによって除去することができ
る。）。非ダイヤモンド層の有無は、ラマン分光法によ
って測定することが可能である。

【００３７】流路の表面において、冷媒に対する濡れ性
が良好であることが好ましい。接触角は、通常６５°以
下、より好ましくは６０°以下であることが好ましい。
ダイヤモンドの表面には、水素原子が存在するので、こ
のままの状態では、水などの冷媒をはじく。そこで、水
素原子に代えて、酸素原子を含む親水基（例えば、ＯＨ
基）をつけることによってダイヤモンド膜表面の親水性
を上げることができる。

【００３８】流路の表面の濡れ性の向上するには、例え
ば、酸化雰囲気（例えば、大気雰囲気）において、５０
０〜８００℃で１０分〜１０時間アニールするか、また
はあるいは酸素または酸素を含む気体のプラズマで処理
すればよい。流路を形成する方法として酸素プラズマを
使用する場合には、幾分親水性が上がっていると考えら
れるが、さらに上記の濡れ性向上の操作を行ってよい。

【００３９】さらに、流路の表面の冷媒に対する濡れ性
を改善する処理としては、上記の他、窒素、ホウ素ある
いは不活性ガス等を含むガス中でのプラズマ処理を挙げ
ることができる。

【００４０】冷媒としては、例えば、水、空気、不活性
ガス（例えば、窒素、アルゴンなど）、フルオロカーボ
ン、液体窒素、液体酸素、液体ヘリウムなどを使用す
る。本発明において使用する素子は、半導体素子、例え
ば、半導体レーザーチップ、ＭＰＵ(マイクロプロセッ
サユニット)、ＩＣであることが好ましい。本発明のよ
うな基板を使用した場合に、素子が効率よく冷却され、
素子の温度上昇が防止される。素子温度が上昇すると、
一般に半導体レーザーの発振波長が長波長側にシフトす
るが、本発明においては、素子温度が上昇しないので、
半導体レーザーの発振波長が長波長側にシフトすること
はない。

【００４１】さて、以下に、高熱伝導性物質によって包
囲されている流路を有する基板の製造方法について説明
する。基板は、例えば、レーザー加工などにより、基板
に直接に穴をあけて流路を形成することによって形成で
きる。また、基板は、１枚の膜に溝を形成した後、他の
膜を貼り合わせることによっても形成できる。

【００４２】前者の方法では、まず所望の形状の高熱伝
導性物質からなる板を用意し、この側面にレーザー光線
を集光することにより、穴加工を施し、高熱伝導性物質
板の内部に冷媒を通過させる流路を形成する。

【００４３】第１高熱伝導性物質膜と第２高熱伝導性物
質膜との貼り合わせによって得る方法を以下に示す。第
１高熱伝導性物質膜には、流路になる溝が形成されてお
り、第２高熱伝導性物質膜には溝が形成されていない。
高熱伝導性物質からなる膜を所望の大きさに用意する。
第１高熱伝導性物質膜の片面に、完成時に内部に埋め込
まれるべき流路をレーザー光線による加工方法、選択的
なエッチングによる加工方法等によって形成する。

【００４４】レーザー加工は、物質表面にレーザー光線
を集光することによって物質の削除加工を行い、溝を表
面に形成する。この方法によれば、任意の配置の流路を
得ることができる。高熱伝導性物質の表面に、十分なエ
ネルギー密度を持ったレーザー光線を集光し、物質を削
除しながら徐々に集光位置を移動させて溝を表面に形成
する。レーザー光線としては、ＹＡＧレーザー、エキシ
マレーザーなどが利用できるが、特にエキシマレーザー
はその加工精度の点から、任意の深さ、配置の流路を再
現性よく形成することができ好ましい。

【００４５】レーザー光の波長は、３６０nm以下、例え
ば、１９０〜３６０nmの範囲であることが好ましい。照
射する光のエネルギー密度は、１０〜１０¹¹Ｗ／cm²で
ある。パルス状レーザー光を用い、その１パルス当たり
のエネルギー密度が１０^-1Ｊ／cm²以上で、１０⁶Ｊ／cm
²以下の範囲とすることが好ましい。さらに、レーザー
発振器より発振される際のレーザー光の広がり角度が１
０^-2〜５ｘ１０^-1mradとし、レーザー光の発振スペクト
ルの半値幅を１０^-4〜１nmとすることが好ましい。レー
ザー光のビーム断面におけるエネルギー分布の均一性は
１０％以下であることが好ましい。パルスレーザー光を
円筒型レンズまたは円筒型ミラーにより集光することに
よって、良好な加工の結果を得る。このようなエキシマ
レーザーによる表面溝加工において、適当な雰囲気中で
加工を行うことによって、ダイヤモンド表面の改質を行
うことができ、冷媒との濡れ性をも改善することが可能
となる。例えば、含アミノ基化合物（例えばアンモニ
ア、ヒドラジンなど）雰囲気中において上記の加工を行
うことによって、形成された溝の表面にアミノ基が導入
され、親水性を向上させることが可能である。

【００４６】一方、エッチング法による流路形成は、以
下のように行うことができる。即ち、適当なマスクを高
熱伝導性物質膜上に形成した後、マスクはエッチングせ
ず、高熱伝導性物質のみをエッチングする条件で処理す
る。その後マスクを除去して、表面に溝を持った第１高
熱伝導性物質膜が得られる。ダイヤモンド上にマスク材
料としてＡl、あるいはＳiＯ₂を形成し、酸素あるいは
酸素を含むガスによりダイヤモンドを選択的にエッチン
グすることができると知られており（第５３回応物学会
予稿集第二分冊第４１１頁参照）、この技術を利用して
ダイヤモンド上に溝加工ができる。また、酸素あるいは
酸素を含むガスの代わりに、窒素または水素を利用して
もよい。

【００４７】こうして所望の溝を形成した第１高熱伝導
性物質膜を、別途用意した第２高熱伝導性物質膜に貼り
付けすることにより、非常に大きな放熱効率を有する基
板を得ることができる。第２高熱伝導性物質膜には、別
途、流路に通すべき冷却媒体を導入する出入口を設けて
おいてよい。

【００４８】第１高熱伝導性物質膜にのみ、溝を形成す
る方法を上記に示したが、第２高熱伝導性物質膜にも溝
を形成し、双方の溝を有する面同士を貼り合わせること
もできる。但し、この場合工程が複雑になるため、上記
第１高熱伝導性物質膜のみに溝を形成する方が好まし
い。

【００４９】第１高熱伝導性物質膜と第２高熱伝導性物
質膜との貼り付けは、メタライズ処理によって、あるい
は接着剤によって、行うことができる。結合する２つの
面を公知の方法でメタライズ処理し、金属を溶融させる
ことによって行ってよい。メタライズ処理で使用する金
属の例は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｇ
などである。接着剤（例えば、Ａｇ／エポキシ系、Ａｇ
／ポリイミド系、Ａｕ／エポキシ系）あるいはＡｇ系ロ
ウ剤、および他の接着方法を使用してよい。接着剤層の
厚さは、通常０.０１〜１０μmである。

【００５０】また、高熱伝導性物質膜として、気相合成
法により合成されたダイヤモンドを利用する場合、溝を
形成するのにレーザー光線、エッチング法などによる加
工ではなく、マスクによる選択成長を使用することがで
きる。これは、例えば特開平１−１０４７６１号公報、
特開平１−１２３４２３号公報等に開示されている。基
材(例えば、Ｓi、ＳiＣ、Ｃｕ、Ｍｏ、ｃＢＮ等)の表面
に、マスク材を形成したい溝と対応する形状に配置して
おき、その上に気相合成法によりダイヤモンドを積層さ
せればよい。この時、５０μm以上ダイヤモンドを成長
させることにより、ダイヤモンドがマスクの上部にも横
方向成長し、結果として全面を覆うようになる。その
後、基材を溶解などの方法で除去すれば、取り出される
ダイヤモンドは基材面側に溝を有している。マスクは、
Ｔi、ＳiＯ₂、Ｍo等を公知の方法で形成すればよい。こ
の方法の利点は、ダイヤモンドを成長させた後に衝撃を
与える必要がないので、加工中の破損などが生じにくい
ことが挙げられる。

【００５１】上記の方法において、マスクを形成する代
わりに、板状材料そのものを加工し、溝と対応する形状
に凸凹を設けておき、その上に気相合成法によりダイヤ
モンドを成長させることもできる。所望の厚さに成長さ
せた後、板状材料を除去すると、板状材料面側には溝を
有するダイヤモンド自立膜を得ることができる。板状材
料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｍｏなどが挙げら
れる。

【００５２】さらに、高熱伝導性物質膜として気相合成
ダイヤモンドを使う場合には、上記の方法を発展させ、
接着の工程を省略することもできる。即ち、ダイヤモン
ド膜の上に、まずマスクをつけ、その上に気相合成ダイ
ヤモンドを成長させた後、マスクのみを溶解する事によ
り、流路を有する基板を得ることができる。この方法に
よれば、接着材を使用する必要がないため、基板全体の
放熱効率をさらに上げることができる。

【００５３】前記のいずれの方法も流路を有する基板の
製造に有効である。エッチングによる方法は、微細な溝
を精度良く形成することができる。レーザー加工による
方法は、その形成速度が速い。また、選択成長による方
法（マスクを使用する方法）は、比較的大きな溝を形成
するのが容易である。

【００５４】こうして得た基板に、レーザー光線による
穴あけ加工によって穴を形成する。この穴は、上記基板
を作製する段階で、例えば選択成長や、エッチングなど
によっても得ることができる。この穴の中や基板上に適
宜電気的配線を形成する。電気的配線を有する基板を複
数枚積み重ねて、半導体装置を得る。基板間の電気接続
は、穴の中の電気配線によって行われる。半導体装置に
おける基板の数は、少なくとも２以上である。基板の数
は、２００以下、例えば、５０以下であってよい。そし
て、半導体装置の一部分、例えば、基板の側面から、各
基板の流路に冷媒を流す。

【００５５】以下、添付図面を参照して、本発明を説明
する。図１は、本発明における溝付高熱伝導性物質層の
概念を示す平面図である。高熱伝導性物質層１１には、
溝が形成されていない表面が櫛型状になるように、溝１
２が設けられている。図２は、本発明における放熱基板
の正面図である。放熱基板１６は、高熱伝導性物質層１
１、基材１３および接着剤層１５を有してなる。基材１
３には、溝１２と連絡する２つの冷媒出入口１４が設け
られている。基材１３における冷媒出入口１４の大きさ
および数は、特に限定されない。例えば、溝の両端に対
応する基材の部分のそれぞれに、冷媒出入口が存在して
よい。

【００５６】図３は、本発明における溝付高熱伝導性物
質層の概念を示す平面図である。高熱伝導性物質層２１
には、ら旋状に溝２２が形成されている。図４は、本発
明には含まれない比較例１の溝付ＡｌＮ層の概念を示す
平面図である。ＡｌＮ層３１には、図１と同様の形状の
溝３２が形成されている。図５は、本発明には含まれな
い比較例１における溝付ＡｌＮ層を使った放熱基板の正
面図である。放熱基板３６は、ＡｌＮ層３１、基材３３
および接着剤層３５を有してなる。基材３３には、溝３
２と連絡する２つの冷媒用出入口３４が設けられてい
る。

【００５７】図６は、本発明には含まれない比較例２に
おける従来型放熱基板の概念を示す側面図である。基板
４６は、溝の形成されていないダイヤモンド層４１、基
材４３および接着剤層４５を有してなる。図７は、本発
明における高熱伝導性物質層に形成される溝を示す断面
図である。溝１２は、幅ａおよび深さｃを有しており、
間隔ｂで形成されている。

【００５８】図８は、ダイヤモンドおよび非ダイヤモン
ド炭素のラマンスペクトルを示す。曲線ａは、ダイヤモ
ンドのスペクトルであり、１３３３ｃｍ^-1に強いピーク
を有する。曲線ｂは、非ダイヤモンド炭素を多く含む物
質のスペクトルであり、ブロードな２つのピークを有す
る。図９は、高熱伝導性物質が流路周囲を包囲している
本発明の基板を示す平面図である。基板１１１には流路
１１２が形成されており、流路１１２は基板内部に埋め
込まれている。

【００５９】図１０は、図９の基板の正面図である。基
板１１１は、流路１１２が形成されている第１高熱伝導
性物質膜１１３、第２高熱伝導性物質膜１１４および接
着剤層１１５を有してなる。流路１１２は、２つの冷媒
出入口１１６に接続している。冷媒出入口１１６は、こ
のような位置になくてもよく、第１高熱伝導性物質膜１
１３または第２高熱伝導性物質膜１１４の主表面に設け
られていてもよい。冷媒出入口の大きさおよび数は、特
に限定されない。

【００６０】図１１は、高熱伝導性物質が流路を包囲し
ている本発明の別の基板を示す平面図である。基板１２
１には、放射状に流路１２２が形成されている。放射状
流路１２２を包囲するように、流路１２２に接続する別
の流路１２３がある。流路１２２は冷媒入口１２４に接
続し、流路１２３は冷媒出口１２５に接続している。図
１２は、本発明における基板に形成される流路を示す断
面図である。流路１１２は、幅ａおよび高さｃを有して
おり、間隔ｂで形成されている。

【００６１】図１３は、本発明の半導体装置（３次元Ｉ
Ｃ基板）を示す斜視図である。半導体装置２１０は、４
つの基板２０１を有する。それぞれの基板２０１は、ダ
イヤモンドからできており、図９に示す基板と同様のも
のである。それぞれの基板２０１には、２つの冷媒出入
口２０６、および９個のＩＣ２０９がある。図１４は、
図１３の半導体装置の一部分の断面図である。図１４に
は、２つの基板２０１が見えている。基板２０１の上に
は、ＩＣ（電子素子）２０９および金属配線２０８があ
る。金属配線（例えば、Ａｕ）２０８は、ビアホール２
０４およびハンダバンプ２０５を介して、他の基板上に
ある金属配線２０８に接続されている。基板２０１は、
冷却媒体が通過する流路２０２を有する。図１５は、高
熱伝導性物質が流路を包囲している本発明における他の
基板を示す平面図である。高熱伝導性物質２２１には、
渦巻状に、流路２２２が埋め込まれている。

【００６２】

【実施例】以下、実施例により、具体的に本発明を開示
する。実施例１ ＣＶＤ、レーザー溝入れ、貼り付け：傷つけ処理をした
多結晶Ｓi基材(１０mmｘ１０mmｘ厚さ２mm)上に、マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンドを成長させ
た。成長条件は、メタン１％−水素系で、圧力８０Ｔor
r、基材温度は９００℃であった。４００hrの成長の
後、成長面を研磨し、Ｓi基板を酸により溶解したとこ
ろ、１０mmｘ１０mmｘ厚さ０.５mmのダイヤモンド自立
膜を得た。熱伝導率を測定したところ１７.２Ｗ／cm・
Ｋであった。

【００６３】上記のようにして得たダイヤモンド自立膜
の片面に、ＫrＦエキシマレーザーを線集光および点集
光し、図１の様な溝を形成した。溝の深さは約１５０μ
m、幅約５００μm、間隔は約４００μmであった。両者
にＴｉ、ＰｔおよびＡｕを蒸着した後、Ａｕを溶融する
ことにより、溝付ダイヤモンドをＣuＷ合金上に接着し
た。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ層の厚さは０.１μm
であった。ＣuＷ合金には、あらかじめダイヤモンドの
溝に導入する冷媒の出入口（直径：４００μm）を設け
てある(図２)。

【００６４】以上のようにして作製した溝入りダイヤ／
ＣuＷ基板の溝に、冷却用水(水温２５℃)を供給した。
ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定し
たところ、０.０１４℃／Ｗであった。溝入り基板のダ
イヤモンド層上に赤外線発光レーザー半導体素子（１mm
ｘ １mm ｘ ０.５mm）（出力密度５.３Ｗ／cm²）を搭
載し、所定の配線を行って、レーザー素子搭載装置を作
製した。ダイヤモンド表面には、金属（Ａｕ）による配
線を通常のパターニングにより形成した。レーザー素子
搭載装置の溝に、冷却用水(水温２５℃)を供給した。レ
ーザー素子を発振させたところ、長時間にわたり変化
（特に、発振波長の変化）はみられなかった。

【００６５】実施例２ 高圧合成、溝入れレーザー、貼り付け：高温高圧下で合
成したＩb型ダイヤモンド(８mm×８mm×厚さ０.６mm、
熱伝導率１８.３Ｗ／cm・Ｋ)を用いて、実施例１と同様
に溝入りダイヤ／ＣuＷ基板を作製した。但し、ダイヤ
モンドに形成する溝は、ＡrＦエキシマレーザーを使用
し、深さ約２００μm、幅約３５０μm、間隔約４００μ
mであった(図３)。基材には、冷媒の出入口として、２
箇所に穴（直径約３５０μmの円形）をＫｒＦエキシマ
レーザーを点集光して加工した。

【００６６】こうして作製した溝入りダイヤ／ＣuＷ基
板の溝に、実施例１と同様に冷却用水(水温２５℃)を供
給した。この時、ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間
の熱抵抗を測定したところ、０.０２１℃／Ｗであっ
た。基板のダイヤモンド層上に赤外線発光レーザー半導
体素子（１mm ｘ １mm ｘ０.５mm）（出力密度５.３Ｗ
／cm²）を搭載し、所定の配線を行って、レーザー素子
搭載装置を作製した。ダイヤモンド表面には、金属（Ａ
ｕ）による配線を通常のパターニングにより形成した。
レーザー素子搭載装置の溝に、冷却用水(水温２５℃)を
供給した。レーザー素子を発振させたところ、長時間に
わたり変化（特に、発振波長の変化）はみられなかっ
た。

【００６７】比較例１ ＡｌＮ、溝有り：ＡｌＮ基材(１０mmｘ１０mmｘ０.５m
m、熱伝導率１.９Ｗ／cm・Ｋ)の片面に、上記実施例１
と同様にＫrＦエキシマレーザーを使用して、光線を線
集光して溝を形成した(図４)。溝の深さは約１５０μ
m、幅は約５００μm、間隔は約４００μmであった。こ
の溝付ＡｌＮを、ＣuＷ合金上に接着した。ＣuＷ合金に
は、あらかじめＡｌＮの溝に導入する冷媒の出入口を設
けてある(図５)。以上のようにして作製した溝入りＡｌ
Ｎ／ＣuＷ基板の溝に、冷却用水(水温２５℃)を供給し
た。この時、ＡｌＮの表面から冷媒の水の間の熱抵抗を
測定したところ、０.０９８℃／Ｗであった。

【００６８】基板のＡｌＮ層上に赤外線発光レーザー半
導体素子（１mm ｘ １mm ｘ ０.５mm）（出力密度５.３
Ｗ／cm²）を搭載し、所定の配線を行って、レーザー素
子搭載装置を作製した。ＡｌＮ表面には、金属（Ａｕ）
による配線を通常のパターニングにより形成した。レー
ザー素子搭載装置の溝に、冷却用水(水温２５℃)を供給
した。レーザー素子を発振させたところ、発振波長が徐
々に長波長側にシフトしていくのが観測された。

【００６９】比較例２ ＣＶＤ、溝なし：実施例１と同様に、気相合成ダイヤ１
０mmｘ１０mmｘ０.５mmの自立膜(熱伝導率１７.２Ｗ／c
m・Ｋ)を作製した。これに、溝を形成することなく、Ｃ
uＷ合金に接着した（図６）。こうして作製したダイヤ
／ＣuＷ基板の熱抵抗を、ＣｕＷ基板裏面に２５℃の空
気を吹き付けながら測定したところ、３.４℃／Ｗであ
った。基板のダイヤモンド層上に赤外線発光レーザー半
導体素子（１mm ｘ １mm ｘ０.５mm）（出力密度５.３
Ｗ／cm²）を搭載し、レーザー素子搭載装置を作製し
た。レーザー素子搭載装置の裏側よりに２５℃の空気を
吹き付けながら、レーザー素子を発振させたところ、発
振波長が徐々に長波長側にシフトしていくのが観測され
た。

【００７０】比較例３ ＣＶＤ、溝細すぎ：実施例１と同様に、気相合成ダイヤ
１０mmｘ１０mmｘ０.５mmの自立膜(熱伝導率１７.２Ｗ
／cm・Ｋ)を作製した。これに、ＫrＦエキシマレーザー
を利用して、光線を線集光して溝を形成した。溝の深さ
は約１５０μm、幅は１０μm、間隔は９９０μmであっ
た。この溝付ダイヤモンドをＣuＷ合金上に接着した。
ＣuＷ合金には、あらかじめＣＶＤダイヤの溝に導入す
る冷媒の出入口を設けてあった。

【００７１】以上のようにして作製した溝入りダイヤ／
ＣuＷ基板の溝に、冷却用水(水温２５℃)を供給した。
この時、ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間の熱抵抗
を測定したところ、０.３４℃／Ｗであった。

【００７２】基板のダイヤモンド層上に赤外線発光レー
ザー半導体素子（１mm ｘ １mm ｘ０.５mm）（出力密度
５.３Ｗ／cm²）を搭載し、レーザー素子搭載装置を作製
した。レーザー素子搭載装置の溝に、冷却用水(水温２
５℃)を供給した。レーザー素子を発振させたところ、
発振波長が徐々に長波長側にシフトしていくのが観測さ
れた。

【００７３】実施例１および２ならびに比較例１〜３で
得られた結果を表１に示す。

【００７４】

【表１】 実施例１ ２ 比較例１ ２ ３ 高熱伝導 ＣＶＤ 高圧合成 ＡｌＮ ＣＶＤ ＣＶＤ 物質層 ダイヤ ダイヤ ダイヤ ダイヤ 熱伝導率 １７.２ １８.３ １.９ １７.２ １７.２ （Ｗ／cm・Ｋ） 厚さ(mm） ０.５ ０.６ ０.５ ０.５ ０.５ 溝の幅（ａ) ０.５ ０.３５ ０.５ なし ０.０１ (mm) 間隔（ｂ) ０.４ ０.４ ０.４ なし ０.９９ (mm） 深さ（ｃ） ０.１５ ０.２ ０.１５ なし ０.１５ (mm） a／b １.２５ ０.８８ １.２５ − ０.０１ 熱抵抗(℃/Ｗ）０.０１４ ０.０２１ ０.０９８ ３.４ ０.３４

【００７５】実施例３ 大気アニール 実施例１と同様にして、図１のような溝入りダイヤモン
ドを得た。これを６００℃で大気中３０分アニールした
後、実施例１と同様にＣｕＷ基材上に貼り付けた。こう
して作製した溝入りダイヤ／ＣｕＷ基板の溝に、冷媒の
水（水温２５℃）を導入した。ダイヤモンド表面から冷
媒の間の熱抵抗を調べたところ、０.０１２℃／Ｗであ
った。溝入り基板のダイヤモンド層上に赤外線発光レー
ザー半導体素子（１mm ｘ １mm ｘ ０.５mm）（出力密
度５.３Ｗ／cm²）を搭載し、所定の配線を行って、レー
ザー素子搭載装置を作製した。レーザー素子搭載装置の
溝に、冷却用水(水温２５℃)を供給した。レーザー素子
を発振させたところ、長時間にわたり変化（特に、発振
波長の変化）はみられなかった。

【００７６】実施例４ 真空アニール 実施例１と同様にして、図１のような溝入りダイヤモン
ドを得た。これを、１２００℃で真空中３０分アニール
した。この試料に対し、ラマンスペクトル測定を行った
ところ図８のｂに示すように非ダイヤモンド成分を示す
ピークがみられた。この後、実施例１と同様にＣｕＷ基
材上に貼り付けた。こうして作製した溝入りダイヤ／Ｃ
ｕＷ基板の溝に、冷媒の水（水温２５℃）を導入した。
ダイヤモンド表面から冷媒の間の熱抵抗を調べたとこ
ろ、０.０１１℃／Ｗであった。溝入り基板のダイヤモ
ンド層上に赤外線発光レーザー半導体素子（１mm ｘ １
mm ｘ ０.５mm）（出力密度５.３Ｗ／cm²）を搭載し、
所定の配線を行って、レーザー素子搭載装置を作製し
た。レーザー素子搭載装置の溝に、冷却用水(水温２５
℃)を供給した。レーザー素子を発振させたところ、長
時間にわたり変化（特に、発振波長の変化）はみられな
かった。

【００７７】実施例５ 実施例１と同様に作製した溝入り基板のダイヤモンド層
上に、ＭＰＵチップ（Ｓｉチップに膨大な数の回路が形
成されている）をＴＡＢ技術により電気的な配線を伴っ
て配置した。基板内に形成された流路に冷却水（水温２
５℃）を流しながら、半導体素子を稼働させたところ、
長時間にわたり誤動作なく稼働した。

【００７８】実施例６ 実施例１と同様にして、図１のような溝入りダイヤモン
ドを得た。これを、μ波プラズマにより、水素中１００
Ｔorr、温度８００℃で３０分処理した。この試料のラ
マンスペクトル測定を行った。すると、図８のａに示す
ようにダイヤモンドの鋭いピークがみられた。この後、
実施例１と同様にＣｕＷ基材上に貼り付けた。こうして
作製した溝入りダイヤ／ＣｕＷ基板の溝に、冷媒の水
（水温２５℃）を導入した。ダイヤモンド表面から冷媒
の間の熱抵抗を調べたところ、０.０３８℃／Ｗであっ
た。

【００７９】実施例７ ＣＶＤ、レーザー流路入れ、貼り付け：傷つけ処理をし
た多結晶Ｓi基材(１０mmｘ１０mmｘ厚さ２mm)を２枚用
意し、その上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイ
ヤモンドを成長させた。成長条件は、メタン１％−水素
系で、圧力８０Ｔorr、基材温度は９００℃であった。
１枚は２５０hr、もう１枚は２００hrの成長の後、成長
面を研磨し、Ｓｉ基材を酸により溶解したところ、１０
mm ｘ １０mm ｘ 厚さ０.３mmおよび１０mm ｘ１０mm
ｘ ０.１５mmの２枚のダイヤモンド自立膜を得た。熱伝
導率を測定したところ、それぞれ１７.２Ｗ／cm・Ｋ
（厚さ０.３mmのもの、第１ダイヤモンド自立膜）およ
び１６.９Ｗ／cm・Ｋ（厚さ０.１５mmのもの、第２ダイ
ヤモンド自立膜）であった。

【００８０】上記のようにして得た第１ダイヤモンド自
立膜（厚さ０.３mmのダイヤモンド自立膜）の片面に、
ＫrＦエキシマレーザーを線集光および点集光し、図９
の様な溝を形成した。溝の深さは約１５０μm、幅は約
５００μm、間隔は約４００μmであった。両者にＴｉ、
ＰｔおよびＡｕを蒸着により積層した後、Ａｕを溶融す
ることにより、第１ダイヤモンド自立膜を第２ダイヤモ
ンド自立膜に接着し、基板を作製した（図９および図１
０）。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ層の厚さは０.１
μmであった。基板は、基板の側面から冷媒を注入、排
出できるような出入口を有した。

【００８１】以上のようにして作製した基板の第１ダイ
ヤモンド自立膜上に赤外線レーザー半導体素子（１mm
ｘ １mm ｘ ０.５mm）（出力密度５.３Ｗ／cm²）を搭載
し、所定の配線を行って、レーザー素子搭載装置を作成
した。ダイヤモンド表面には、金属（Ａｕ）による配線
を通常のパターニングにより形成した。レーザー素子搭
載装置の流路に、冷却用水(水温２５℃)を供給した。レ
ーザー素子を発振させたところ、長時間にわたり変化
（特に、発振波長の変化）はみられなかった。

【００８２】上記のような基板を５枚作製し、各々にＬ
ＳＩチップを５〜１０個程度実装した。各基板には、エ
キシマレーザーにより電気配線を取るための穴開け加工
を施した。穴の直径は０.１〜０.５mmであり、基板内、
および表面にはＡｕにより電気配線を施した。上記の様
に作製した５枚の基板を積み重ね、半導体装置を得た。
この半導体装置は、従来のＡｌＮ基板を利用したＭＣＭ
基板で搭載できる素子の全発熱量に比べて３０倍に相当
する素子を実装できた。それぞれの基板の流路に冷媒と
して水（水温２５℃）を供給した。半導体装置は誤動作
を起こさず安定に動作した。

【００８３】実施例８ 実施例７と同様にして、第１ダイヤモンド自立膜および
第２ダイヤモンド自立膜を得た。但し、第１ダイヤモン
ド自立膜に形成される溝は、図１１の様に放射状をして
いる。第１ダイヤモンド自立膜を、真空炉にセットし、
１２００℃、３０分間真空中でアニールした。この自立
膜に対し、ラマンスペクトル測定を行ったところ、図８
のｂに示すように非ダイヤモンド成分を示すピークがみ
られた。この後、実施例７と同様に、第２ダイヤモンド
自立膜を貼り付け、ダイヤモンド基板を得た。

【００８４】上記のような基板を５枚作製し、各々にＬ
ＳＩチップを５〜１０個程度実装した。各基板には、エ
キシマレーザーにより電気配線を取るための穴開け加工
を施した。穴の直径は０.１〜０.５mmであり、基板内、
および表面にはＡｕにより電気配線を施した。

【００８５】上記の様に作製した５枚の基板を積み重
ね、半導体装置を得た。この半導体装置は、従来のＡｌ
Ｎ基板を利用したＭＣＭ基板で搭載できる素子の全発熱
量に比べて３０倍に相当する素子を実装できた。それぞ
れの基板の流路に冷媒として水（水温２５℃）を供給し
た。半導体装置は誤動作を起こさず安定に動作した。

【００８６】実施例９ 高圧合成、流路入れレーザー、貼り付け：高温高圧下で
合成したＩb型ダイヤモンド［第１ダイヤモンド自立膜
（８mm×８mm×厚さ０.４mm、熱伝導率１８.３Ｗ／cm・
Ｋ)および第２ダイヤモンド自立膜（８mm×８mm×厚さ
０.２mm、熱伝導率１８.３Ｗ／cm・Ｋ)］を用いて、実
施例７と同様に流路入りダイヤ基板を作製した。但し、
第１ダイヤモンド自立膜に形成する流路は、ＡrＦエキ
シマレーザーを使用し、深さ約２００μm、幅約３５０
μm、間隔約４００μmであり、図１５に示すようなもの
であった。第２ダイヤモンド自立膜には、流路に導入す
る冷媒の出入口として、２箇所に穴（直径約３５０μm
の円形）をＫrＦエキシマレーザーを点集光して加工し
た。

【００８７】こうして作製した基板の流路に、実施例７
と同様に冷却用水(水温２５℃)を供給した。この時、ダ
イヤモンドの表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定した
ところ、０.０１３℃／Ｗであった。基板の第１ダイヤ
モンド自立膜上に赤外線レーザー半導体素子（１mm ｘ
１mmｘ ０.５mm）（出力密度５.３Ｗ／cm²）を搭載し、
所定の配線を行って、レーザー素子搭載装置を作成し
た。ダイヤモンド表面には、金属（Ａｕ）による配線を
通常のパターニングにより形成した。レーザー素子搭載
装置の流路に、冷却用水(水温２５℃)を供給した。レー
ザー素子を発振させたところ、長時間にわたり変化（特
に、発振波長の変化）はみられなかった。

【００８８】比較例４ ＡｌＮ、流路あり：第１ＡｌＮ自立膜（１０mm ｘ １０
mm ｘ 厚さ０.５mm、熱伝導率１.８〜１.９Ｗ／cm・
Ｋ）の片面に実施例７と同様にＫrＦエキシマレーザー
を使用して、溝を形成した。溝の深さは約１５０μm、
幅は約５００μm、間隔は約４００μmであった。第１Ａ
ｌＮ自立膜を第２ＡｌＮ自立膜（１０mm ｘ １０mm ｘ
厚さ０.３mm、熱伝導率１.８〜１.９Ｗ／cm・Ｋ）と接
着し、流路を有する基板を得た。ＡｌＮ基板の流路に冷
却用水（水温２５℃）を供給した。この時、ＡｌＮの表
面から冷却用水の間の熱抵抗を測定したところ、０.０
８８℃／Ｗであった。

【００８９】基板のＡｌＮ層上に赤外線レーザー半導体
素子（１mm ｘ １mm ｘ ０.５mm）（出力密度５.３Ｗ／
cm²）を搭載し、所定の配線を行って、レーザー素子搭
載装置を作成した。ＡｌＮ層表面には、金属（Ａｕ）に
よる配線を通常のパターニングにより形成した。レーザ
ー素子搭載装置の流路に、冷却用水(水温２５℃)を供給
した。レーザー素子を発振させたところ、発振波長が徐
々に長波長側にシフトしていくのが観測された。

【００９０】比較例５ ＣＶＤ、流路なし：実施例７と同様に、気相合成ダイヤ
１０mmｘ１０mmｘ０.５mmの自立膜(熱伝導率１７.２Ｗ
／cm・Ｋ)を作製した。これの片面に、２５℃の空気を
吹き付けながら、表面と空気の間の熱抵抗を測定したと
ころ、２.８℃／Ｗであった。ダイヤモンド自立膜上に
赤外線レーザー半導体素子（１mm ｘ １mm ｘ ０.５m
m）（出力密度５.３Ｗ／cm²）を搭載し、所定の配線を
行って、レーザー素子搭載装置を作成した。ダイヤモン
ド自立膜表面には、金属（Ａｕ）による配線を通常のパ
ターニングにより形成した。 レーザー素子搭載装置の裏面に２５℃の空気を吹き付け
ながら、レーザー素子を発振させたところ、発振波長が
徐々に長波長側にシフトしていくのが観測された。

【００９１】比較例６ ＣＶＤ、流路細すぎ：実施例７と同様に、気相合成によ
って、第１ダイヤモンド自立膜(１０mmｘ１０mmｘ０.３
mm、熱伝導率１７.２Ｗ／cm・Ｋ)および第２ダイヤモン
ド自立膜（１０mm ｘ １０mm ｘ ０.１５mm、熱伝導率
１７.２Ｗ／cm・Ｋ）を作製した。第１ダイヤモンド自
立膜に、ＫrＦエキシマレーザーを利用して、図９に示
すように、光線を線集光して溝を形成した。溝の深さは
約１５０μm、幅は１０μm、間隔は９９０μmであっ
た。この溝付第１ダイヤモンド自立膜を、第２ダイヤモ
ンド自立膜に接着し、ダイヤモンド基板を作成した。ダ
イヤモンド基板の流路に、冷却用水(水温２５℃)を供給
した。この時、ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間の
熱抵抗を測定したところ、０.３２℃／Ｗであった。

【００９２】基板の第１ダイヤモンド自立膜上に赤外線
レーザー半導体素子（１mm ｘ １mmｘ ０.５mm）（出力
密度５.３Ｗ／cm²）を搭載し、所定の配線を行って、レ
ーザー素子搭載装置を作成した。ダイヤモンド表面に
は、金属（Ａｕ）による配線を通常のパターニングによ
り形成した。レーザー素子搭載装置の流路に、冷却用水
(水温２５℃)を供給した。レーザー素子を発振させたと
ころ、発振波長が徐々に長波長側にシフトしていくのが
観測された。

【００９３】実施例１０ 大気アニール：実施例７と同様にして、溝付第１ダイヤ
モンド自立膜および第２ダイヤモンド自立膜を得た。第
１ダイヤモンド自立膜を、大気炉にセットし、６００
℃、３０分間大気中でアニールした。この後、実施例７
と同様に、第２ダイヤモンド自立膜を貼り付け、ダイヤ
モンド基板を得た。上記基板に、冷却用水（水温２５
℃）を供給した。ダイヤモンド表面から冷媒の水の間の
熱抵抗を測定したところ、０.０１℃／Ｗであった。実
施例７と同様に、レーザー素子搭載装置を得た。基板の
流路に、冷媒の水（温度２５℃）を導入した。レーザー
素子を発振させたところ、長時間にわたり安定に動作
し、発振波長の変化などは見られなかった。

【００９４】実施例１１ 真空アニール：実施例７と同様にして、溝付第１ダイヤ
モンド自立膜および第２ダイヤモンド自立膜を得た。第
１ダイヤモンド自立膜を、真空炉にセットし、１２００
℃、３０分間真空中でアニールした。この自立膜に対
し、ラマンスペクトル測定を行ったところ図８のｂに示
すように非ダイヤモンド成分を示すピークがみられた。
この後、実施例７と同様に、第２ダイヤモンド自立膜を
貼り付け、ダイヤモンド基板を得た。

【００９５】上記基板に、冷却用水（水温２５℃）を供
給した。ダイヤモンド表面から冷媒の水の間の熱抵抗を
測定したところ、０.０１℃／Ｗであった。実施例７と
同様に、レーザー素子搭載装置を得た。基板の流路に、
冷媒の水（温度２５℃）を導入した。レーザー素子を発
振させたところ、長時間にわたり安定に動作し、発振波
長の変化などは見られなかった。

【００９６】実施例１２ 実施例７と同様に作製した基板上に、ＭＰＵチップ（Ｓ
ｉチップに膨大な数の回路が形成されている）がＴＡＢ
技術により電気的な配線を伴って配置した。基板内に形
成された流路に冷却水（水温２５℃）を流しながら、半
導体素子を稼働させたところ、長時間にわたり誤動作な
く稼働した。

【００９７】

【発明の効果】本発明による放熱基板は、高い放熱特性
を持っている。特に、これまでの基板では対応が困難で
あった高エネルギー密度のレーザーチップなど、単位面
積当たりの発熱量の非常に大きな素子を搭載する場合
に、大きな効果を発揮することができる。本発明におい
ては、高い放熱特性を持ち、素子を長時間にわたって安
定に動作させる素子搭載装置が得られる。本発明を利用
すれば、排熱性に優れ、ひいては実装密度を大幅に上げ
た半導体装置を得ることができる。これにより、高性能
な情報処理機器を小型にかつ安価に提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における溝付高熱伝導性物質層の概念
を示す平面図。

【図２】 本発明における基板の正面図。

【図３】 本発明における溝付高熱伝導性物質層の概念
を示す平面図。

【図４】 本発明には含まれない比較例１の溝付ＡｌＮ
層の概念を示す平面図。

【図５】 本発明には含まれない比較例１における溝付
ＡｌＮ層を使った放熱基板の正面図。

【図６】 本発明には含まれない比較例２における従来
型放熱基板の概念を示す側面図。

【図７】 本発明における高熱伝導性物質層に形成され
る溝を示す断面図。

【図８】 ダイヤモンドおよび非ダイヤモンド炭素のラ
マンスペクトル。

【図９】 高熱伝導性物質が流路周囲を包囲する本発明
の基板の平面図。

【図１０】 図９の基板の正面図。

【図１１】 高熱伝導性物質が流路周囲を包囲する本発
明の別の基板の平面図。

【図１２】 本発明の基板に形成される流路を示す断面
図。

【図１３】 本発明の半導体装置の斜視図。

【図１４】 図１３の半導体装置の一部分の断面図。

【図１５】 高熱伝導性物質が流路周囲を包囲する本発
明における他の基板を示す平面図。

【符号の説明】

１１、２１、４１…高熱伝導性物質層 ３１…ＡｌＮ層 １２、２２、３２…冷媒通過用の溝 １３、３３、４３…基材 １４、３４…冷媒出入口 １５、３５、４５…接着層 １６、３６、４６…基板 １１１，１２１，２０１，２２１…基板 １１２，１２２，１２３，２２２…冷媒通過用の流路 １１３…第１高熱伝導性膜 １１４…第２高熱伝導性膜 １１５…接着層 １１６，２０６…冷媒出入口 １２４…冷媒入口 １２５…冷媒出口 ２０９…ＩＣ ２１０…半導体装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平6−319978 (32)優先日 平成６年12月22日(1994．12．22) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平6−319982 (32)優先日 平成６年12月22日(1994．12．22) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 実開 平２−24588（ＪＰ，Ｕ) Ｒ． Ｒａｍｅｓｈａｍ，Ｆａｂｒｉ ｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｃｈａ ｎｎｅｌｓ ｉｎ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄ ｉａｍｏｎｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋｉｎｇ Ａ ｐｐｌｉｃ，Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈ ｅｍ．Ｓｏｃ．，1991年 ６月，第138 巻、第６号，ｐ．1706−1709 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/373 H01L 23/473

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱伝
   導性物質層が基材の上に配置され、かつ基材／高熱伝導
   性物質層の界面部の高熱伝導性物質層側のみに冷却用媒
   体を通過させるための流路を備えており、高熱伝導性物
   質がダイヤモンドであることを特徴とする基板。
2. 【請求項２】 ダイヤモンドが気相合成法により作製さ
   れたことを特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 【請求項３】 冷却用媒体を通過させるための流路の深
   さが、５０μm以上、高熱伝導性物質層の厚さの９０％
   以下であることを特徴とする請求項１に記載の基板。
4. 【請求項４】 冷却用媒体を通過させるための流路の幅
   が、２０μm以上１０mm以下であることを特徴とする請
   求項１に記載の基板。
5. 【請求項５】 冷却用媒体を通過させるための流路の間
   隔が、２０μm以上１０mm以下であることを特徴とする
   請求項１に記載の基板。
6. 【請求項６】 冷却用媒体を通過させるための流路の幅
   (a)と間隔(b)の比が、０.０２≦(a／b)≦５０であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の基板。
7. 【請求項７】 冷却用媒体を通過させるための流路が、
   基板の中央部から外周部へ螺旋状あるいは放射線状に配
   置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
8. 【請求項８】 冷却用媒体を通過させるための流路の表
   面が、冷却用媒体に対する濡れ性を向上させるように処
   理されていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
9. 【請求項９】 熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱伝
   導性物質層が基材の上に配置され、かつ基材／高熱伝導
   性物質層の界面部の高熱伝導性物質層側のみに冷却用媒
   体を通過させるための流路を備えており、高熱伝導性物
   質がダイヤモンドであることを特徴とする放熱基板。
10. 【請求項１０】 熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱
    伝導性物質層が基材の上に配置され、かつ基材／高熱伝
    導性物質層の界面部の高熱伝導性物質層側のみに冷却用
    媒体を通過させるための流路を備え、かつ該高熱伝導性
    物質層の上部に最大発熱密度１Ｗ／ｃｍ^２以上の発熱素
    子を搭載しており、高熱伝導性物質がダイヤモンドであ
    ることを特徴とする素子搭載装置。
11. 【請求項１１】 前記発熱素子が半導体素子であること
    を特徴とする請求項１０に記載の素子搭載装置。
12. 【請求項１２】 前記半導体素子が半導体レーザーであ
    ることを特徴とする請求項１１に記載の素子搭載装置。
13. 【請求項１３】 前記半導体素子がマイクロプロセッサ
    であることを特徴とする請求項１１に記載の素子搭載装
    置。
14. 【請求項１４】 熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱
    伝導性物質から成る板中に、冷却用媒体を通過させるた
    めの１本以上の流路が埋め込まれており、高熱伝導性物
    質がダイヤモンドであることを特徴とする基板。
15. 【請求項１５】 熱伝導率が１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱
    伝導性物質から成る板中に、冷却用媒体を通過させるた
    めの１本以上の流路が埋め込まれており、高熱伝導性物
    質がダイヤモンドであることを特徴とする放熱基板。
16. 【請求項１６】 熱伝導率１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱伝
    導性物質から成る基板中に、冷却用媒体を通過させるた
    めの１本以上の流路が埋め込まれており、かつ基板上に
    最大発熱密度１Ｗ／cm^２以上の少なくとも１つの発熱素
    子を搭載しており、高熱伝導性物質がダイヤモンドであ
    ることを特徴とする素子搭載装置。
17. 【請求項１７】 熱伝導率１０Ｗ／cm・Ｋ以上の高熱伝
    導性物質から成る基板中に、冷却用媒体を通過させるた
    めの１本以上の流路が埋め込まれている基板が、２枚以
    上積み重ねられており、かつ各々の基板には１個以上の
    素子が搭載され、各素子間を接続する金属配線が基板
    上、あるいは基板中に配置されており、高熱伝導性物質
    がダイヤモンドであることを特徴とする半導体装置。