CN101341592A - 半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体模块(10)，该半导体模块(10)包括：具有安装半导体元件(12)的正表面和与该安装半导体元件(12)的正表面相反的背表面的陶瓷基板、接合于基板正表面的正面金属板(15)、接合于背表面的背面金属板(16)、和接合于该背面金属板(16)的散热器(13)。背面金属板(16)具有面对散热器(13)的接合表面(16b)。接合表面(16b)包括接合区和非接合区。该非接合区包括沿背面金属板(16)的厚度方向延伸的凹陷。背面金属板(16)的接合区的面积占背面金属板(16)的接合表面(16b)的总面积的65％～85％。由此，可实现优异的散热性能同时防止发生由于热应力而引起的变形或破裂。

Description

半导体模块
技术领域
本发明涉及一种半导体模块，该半导体模块具有陶瓷基板、正面金属板和背面金属板、以及接合于背面金属板的散热装置，其中正面金属板和背面金属板分别接合于基板的两个表面(正表面和背表面)上。
背景技术
通常已知某些半导体模块具有：陶瓷基板或绝缘基板诸如由氮化铝制成的；由诸如纯铝的材料制成并分别接合于基板的两个表面(正表面和背表面)的正面金属板和背面金属板；接合于所述正面金属板的半导体元件；和接合于背面金属板并作为散热装置用于散逸由半导体元件产生的热量的散热装置。在这样的半导体模块中，需要长期维持散热装置的散热性能。然而，在常规结构中，由于陶瓷基板、金属板和散热装置之间的线性热膨胀系数的差异引起的热应力导致在接合部分可能发生破裂或变形，这取决于使用的条件，并且由此散热性能可能劣化。
为解决该问题，在专利文献1中提出了半导体模块。关于专利文献1的半导体模块，在背面金属板中产生作为具有预定深度的台阶、沟槽或凹陷的热应力减小部分以减小热应力。提供该热应力减小部分使得背面金属板与正面金属板的体积比设定为0.6或更小。
在具有上述结构的半导体模块中，由半导体元件发出的热依次从与半导体元件接合的正面金属板通过陶瓷基板传递到背面金属板，以使得通过散热装置散逸热。因此，为了改善散热性能，优选背面金属板和散热装置接合的面积尽可能大。然而，如上所述，在背面金属板和散热装置之间产生热应力。虽然如在专利文献1中所述的优选在背面金属板上形成热应力减小部分以减小该热应力，但是这使得接合面积由于热应力减小部分的面积而变小。即，虽然即使背面金属板和散热装置接合的接合面积变小也优选在半导体模块中形成热应力减小部分，但是当接合面积太小时散热效率由于传热部分面积的减小而降低。因此，必须维持热应力减小和散热性能提高之间的良好平衡。
专利文献1：日本未审专利公开2003-17627。
发明内容
本发明的目的是提供防止由于热应力而产生的变形和破裂并显示出优异散热性能的半导体模块。
根据本发明的半导体模块包括：具有在其上安装半导体元件的正表面和在该正表面相反侧的背表面的陶瓷基板、接合于所述正表面的正面金属板、接合于所述背表面的背面金属板和接合于该背面金属板的散热装置。该陶瓷基板包含氮化铝。该正面金属板和该背面金属板包含铝。背面金属板具有面对散热装置的接合表面。所述接合表面包括接合区和非接合区，其中该接合区的面积占该接合表面的总面积的65％～85％。
附图说明
图1是说明半导体模块的平面图；
图2是沿图1中的线2-2的横截面图；
图3(a)是说明根据一个实施方案的背面金属板的平面图；
图3(b)是沿图3(a)中线3b-3b的横截面图；
图4是说明热阻和和接合率之间的关系的图；
图5(a)～5(c)是说明根据另一个实施方案的背面金属板的平面图；
图6(a)和6(b)是说明根据又另一个实施方案的背面金属板的平面图；
图7(a)和7(b)是说明根据又另一个实施方案的背面金属板的平面图；
图8是说明根据又另一个实施方案的背面金属板的平面图；和
图9(a)和9(b)是说明其中最深部分是圆角形的凹陷和沟槽的横截面图。
具体实施方式
将参考图1～图5描述根据本发明的一个实施方案。
如在图1和图2中所举例说明的，半导体模块10包括电路基板11、接合于电路基板11的半导体元件12、和为散热装置的散热器13。电路基板11包括陶瓷基板(绝缘基板)14、正面金属板15和背面金属板16，该正面金属板15和背面金属板16分别接合于基板14的相反表面(正表面和背表面)。在图2中，陶瓷基板14的上侧或正表面侧是安装半导体元件的表面，作为导线层的正面金属板15接合于正表面。此外，半导体元件12通过接合层H接合于正面金属板15。在本实施方案中，接合层H为钎焊层。半导体元件12由IGBTs(绝缘栅极双极晶体管)和二极管制成，多个半导体元件12(在本实施方案中为4个)接合于电路基板11(正面金属板15)。在图2中，背面金属板16接合于陶瓷基板14的下侧或背表面侧。散热器13接合于背面金属板16。背面金属板16作为接合(金属接合)陶瓷基板14和散热器13的接合层。背面金属板16直接铜焊于散热器13。
以下详述本实施方案中的电路基板11。
陶瓷基板14由氮化铝制成，并在如图1中所示的平面图中为正方板形。陶瓷基板14是尺寸为30mm×30mm的正方形。陶瓷基板14的厚度(板厚度)为0.635mm。
正面金属板15由纯铝制成(例如1000系列铝，其为用于工业用途的纯铝)。正面金属板15通常为如图1所示的平面图中的两个L形金属板的组合的正方形。正面金属板15置于陶瓷基板14上的面积为27mm×27mm。每个正面金属板15的厚度(板厚)为0.6mm。
背面金属板16由纯铝制成(例如1000系列铝，其为用于工业用途的纯铝)。背面金属板16在如图3(a)中所示的平面图中为正方板形，并且背面金属板16置于陶瓷基板14上的区域是尺寸为27mm×27mm的正方形。如图2中所示的，背面金属板16置于陶瓷基板14的和其上放置有正面金属板15的表面相反的表面上，并且背面金属板16在陶瓷基板14的厚度方向上层合。背面金属板16的厚度(板厚度)为1.1mm。图3(a)是说明从接合表面16b观察的背面金属板16的平面图，其中散热器13用双点划线表示。
将参考图3对本实施方案的背面金属板16的结构进行更详细的描述。如在图3(a)中所示的，在背面金属板16中形成作为平面图中的圆形孔的多个凹陷18(本实施方案中为36个凹陷)。如在图3(b)中所示的，每个凹陷18都是具有底部并在背面金属板16的厚度方向上延伸的孔。通过在背面金属板16的与陶瓷基板14接合的接合表面16a相反的表面上(即，在接合到散热器13的接合表面16b上)实施蚀刻工艺，形成每个凹陷18。此处，通过蚀刻工艺在正面金属板15上形成导线图案，并且凹陷18和导线图案一起形成。在正面金属板15和背面金属板16上实施预定的蚀刻工艺之后，电路基板11接合到散热器13。
每个凹陷18在背面金属板16的接合表面16b中具有直径为2mm的圆形开口。即，接合表面16b上的凹陷18中的开口面积是π×(2×0.5)2＝3.14mm2(小数点后第三位四舍五入)。此外，形成每个凹陷18以在背面金属板16的厚度方向上具有0.5mm的深度。结果，因为凹陷18形成为具有0.5mm(1.1mm～0.5mm)的深度，所以在各个凹陷18之下的背面金属板16的厚度为0.6mm。此外，各个凹陷18的直径不大于半导体元件12的散热表面(接合于正面金属板15的表面)和凹陷18之间距离的2倍(在本实施方案中，为0.6mm+0.635mm+0.6mm＝1.835mm)。即，考虑半导体元件12(发热体)和凹陷18之间的导热状态，设定每个凹陷18的直径值。
在具有凹陷18的背面金属板16的接合表面16b上，由凹陷18形成的空部分(凹陷18的开口)变为非接合区域(其中金属板未接合到散热器13的区域)，而除凹陷18之外的平坦部分变为接合区域(其中金属板接合于散热器13的区域)。接合表面16b的总面积为27mm×27mm＝729mm2，而接合面积(散热器和金属板接合的面积)为616.0mm2。通过从总面积729mm2中减去凹陷18的总开口面积值(36×3.14(mm2)＝113.0mm2(小数点后第二位四舍五入))，计算接合面积(616.0mm2)。接合面积与接合表面16b的总面积的比率(接合率)为84.5％(小数点后第二位四舍五入)。
如在图3(a)中所示，凹陷18沿背面金属板16的周边部分排列。此外，以如下方式布置凹陷18使得当背面金属板16分为多个相等的平面区域时，接合面积在所有的区域中都相同。图3(a)说明其中背面金属板16用采用虚线连接对边中心的中心线分为四个区，并且用符号a、b、c和d表示所述区域。“接合面积在金属板分成的所有区域中是相同的”并不意图表示区域是对称的，而是表示在各个区域中计算接合面积的情况下计算值是相等的，并与凹陷18的尺寸和布置无关。此处，金属板可分成的区域的数目不限于四个而是可以是两个或三个。其中划分金属板的方向不限于纵向方向和水平方向，而是可以沿着斜线方向。在图3(a)中，接合面积在所有的区域a～d中都是相同的，并且形成凹陷18以布置为与连接作为边界的背面金属板16的对边中心的中心线线对称。
以此方式形成的半导体模块10可以应用于车辆，诸如其中电动机用作驱动源的一部分的混合动力车，因此根据驱动车辆的条件控制供给到电动机的电力。此外，由半导体元件12发出的热通过电路基板11传递至散热器13并散逸到流过散热器13的冷却流体中。
当由半导体元件12发出的热传递至散热器13时，电路基板11和散热器13中的温度变高，这导致其热膨胀。同时，当半导体元件12停止发出热时，在电路基板11和散热器13中的温度降低至室温，这导致其热收缩。因此，在热膨胀和热收缩时，由于各个元件(散热器13、陶瓷基板14、正面金属板15和背面金属板16)的线性热膨胀系数的差异，产生热应力。然而，在本实施方案中的半导体模块10中，通过背面金属板16中的凹陷18形成的非接合区，分散并减小接合区中的热应力。即，由凹陷18形成的非接合区用作热应力减小部分以减小接合区中的热应力。结果，可防止发生破裂和变形，从而可长期维持散热性能。
图4说明当在背面金属板16中形成凹陷18(非接合区)时，热阻(℃/W)和接合率(％)之间的关系。由试验结果得到该关系。
如图4所示，热阻和接合率之间的关系如下：当接合率降低时，热阻增加，这使得导热性能劣化；当接合率增加时，热阻减小，这使得导热性能得到改善。在半导体模块10中，散热性能的改善和热应力的减小都是必要的。为优先考虑散热性能，最好使得接合率接近100％，如图4中所示。然而，在该情况下，无法减小热应力。为优先考虑热应力的减小，最好降低接合率(即，增加非接合面积)。然而，在该情况下，热阻值增加，这使得散热性能劣化，如图4中所示。
因此，基于上述关系通过改变接合率进行试验，得到如下结论：从提高散热性能和减小热应力的观点来看，用于得到最好结果的接合率的范围是65％～85％，如图4所示。接合率的下限值设定为65％，其为其中没有发现热阻值的大幅波动的下限值。在接合率小于65％的范围中，热阻值大幅波动并可对散热性能具有不利影响。接合率的上限值设定为85％，其为其中热应力减小并且可防止由重复热膨胀和热收缩导致的破裂和变形的上限值。例如，为将接合率调整为65％，可在27mm×27mm的背面金属板16的接合表面16b中形成36个每个直径均为3mm的凹陷18。
如上所述，当接合率范围的下限值为65％时，可获得最好的结果。然而，考虑到形成陶瓷基板14的氮化铝的热导率(170W/m·k)和形成背面金属板16的纯铝的热导率(220W/m·k)，由于进一步降低热阻的作用，所以接合率更优选为75％～85％。具体地，由半导体元件12发出的热通过正面金属板15传递至陶瓷基板14，但是由于与纯铝的热导率相比氮化铝的热导率较低，所以热难以从陶瓷基板14传递至背面金属板16。此外，在背面金属板16中的凹陷18(非接合区)的形成使得热传导变难。因此，在背面金属板16和陶瓷基板14中的热导率接近于相同的情况下，从背面金属板16至散热器13的热传导不再降低。为使得热导率接近于相同，更优选将散热器13和背面金属板16之间的接合率的下限值设定为75％。
图5(a)～5(c)说明根据另一个实施方案的背面金属板16中的凹陷18。即，只要散热器13和背面金属板16之间的接合率在65％～85％(优选75％～85％)的范围内，可改变凹陷18的尺寸(开口面积)和布置。图5(a)～5(c)说明凹陷18的尺寸和数目与图3中实施方案相同但凹陷18的布置改变的实施例。
图5(a)说明其中36个凹陷18以6行×6列的矩阵布置在背面金属板16的接合表面16b中的一个实例。在此情况下，凹陷18均匀布置在整个接合表面16b中。图5(b)说明其中36个凹陷18以同心圆方式布置的一个实例，其中背面金属板16的中心是背面金属板16的接合表面16b中的同心圆的中心。图5(c)说明其中36个凹陷18交替或交错布置在背面金属板16的接合表面16b中的一个实例。这些凹陷18如此布置使得当背面金属板16分为多个相等的平面区域时，在所有相等的平面区域中的接合面积相同，如图3的实施方案中的凹陷18。
因此，本实施方案具有以下效果。
在背面金属板16中提供由凹陷18形成的非接合区。因此，即使在由于陶瓷基板14、背面金属板16和散热器13之间的线性热膨胀系数的差异而产生热应力的情况下，也可通过这样的非接合区减小热应力，由此降低了热应力。因此，可防止破裂和变形的发生，并且可维持散热性能。
凹陷18可直接提供在背面金属板16中，除了作为接合层的背面金属板16之外，在陶瓷基板14和散热器13之间不必插入包括凹陷18的另外的金属板或另外的缓冲材料。因此，可防止半导体模块10的部件数目的增加。因此，可防止半导体模块10的制造成本的增加。
在背面金属板16中形成凹陷18使得背面金属板16的接合面积为接合表面16b的总面积的65％～85％。因此，可很好地平衡热应力的减小和散热性能，使得热应力适当地减小并且可以实现优异的散热性能。
此外，凹陷18形成为使得背面金属板16的接合面积为接合表面16b的总面积的75％～85％(在上述实施方案中为84.5％)。即，考虑为陶瓷基板14材料的氮化铝的热导率和为背面金属板16材料的纯铝的热导率来设定接合面积的范围。因此，可进一步降低热阻，并且可改善散热性能。
每个凹陷18的直径设定为不大于半导体元件12和凹陷18之间的距离的2倍。即，考虑由半导体元件12发出的热的传导条件设定每个凹陷18的直径。因此，可改善散热性能。
凹陷18为圆孔。因此，在通过蚀刻工艺在背面金属板16中形成凹陷18的情况下，易于设计蚀刻图案，这可防止半导体模块10的制造成本增加。
凹陷18提供为使得在背面金属板16分成相等的平面区域时，所有相等的平面区域中的接合面积是相同的。因此，凹陷18可在整个背面金属板16上均匀地形成，使得热应力适当地减小。另外，在图3中的实施方案中，将凹陷18布置为集中在背面金属板16的周边部分中，并因此可适当地减小热应力。
可如下改变上述实施方案。
如图6(a)和6(b)所示，可由包括多个沟槽的沟槽部分19形成非接合区。图6(a)中的沟槽部分19包括在背面金属板16中纵向和横向线性延伸的格栅状沟槽(具有底部)。图6(b)中的沟槽部分19包括在背面金属板16中斜线地线性延伸的格栅状沟槽。优选沟槽部分19的宽度不大于半导体元件12的散热表面和沟槽部分19之间的距离的2倍，如在图3和图5中的实施方案中所示。通过蚀刻工艺形成沟槽部分19。沟槽部分19形成为使得当背面金属板16分成多个平面区域时，在所有平面区域中的接合面积相同，如图3和图5中的实施方案。
如图7(a)和7(b)所示，非接合区可由包括多个沟槽的沟槽部分20形成。图7(a)中的沟槽部分20包括在背面金属板16中以波形横向延伸的沟槽(具有底部)。图7(b)中的沟槽部分20包括在背面金属板16中以波形纵向延伸的沟槽。优选形成沟槽部分20的各个沟槽的宽度不大于半导体元件12的散热表面和沟槽部分20之间的距离的2倍，如在图3和图5中的实施方案。通过蚀刻工艺形成沟槽部分20。沟槽部分20形成为使得当背面金属板16分成多个平面区域时，在所有平面区域中的接合面积相同，如图3和图5中的实施方案。
如在图8中所示，可由包括多个沟槽的沟槽部分21形成非接合区。图8中的沟槽部分21包括同心圆的两个环形沟槽(每个都具有底部)。优选形成沟槽部分21的各个沟槽的宽度不大于半导体元件12的散热表面和沟槽部分21之间的距离的2倍，如图3和图5中的实施方案。通过蚀刻工艺形成沟槽部分21。另外，沟槽部分21形成为使得当背面金属板16分成多个平面区域时，在所有平面区域中的接合面积相同，如图3和图5中的实施方案。
在图3和图5至图8中，可改变凹陷18和沟槽部分19～21的尺寸(直径或宽度)。此外，可改变凹陷18和沟槽部分19～21的数目。改变时，背面金属板16的接合率应该在65％～85％(优选75％～85％)的范围内。
图3和图5中所示的凹陷18可以是穿透背面金属板16的通孔。另外，图6至图8中所示的沟槽部分19～21可以是穿透背面金属板16的没有底部的沟槽。应理解，在沟槽部分19～21是没有底部的沟槽的情况下，在背面金属板16的周边中形成连接部分，以避免背面金属板16的分离。此外，在凹陷18是通孔或沟槽部分19～21是没有底部的沟槽的情况下，如图9(a)中所示，在接合表面16b侧的最深部分22可以是在背面金属板16的接合表面16a侧具有开口的圆角形。该部分在背面金属板16的接合表面16a侧变为开口。和其中孔或沟槽的开口边缘为角形的情况相比，该结构使得背面金属板16难以从陶瓷基板14和背面金属板16之间的接合处分离。因此，可以改善散热性能。
在凹陷18和沟槽部分19～21不穿透所述金属板的情况下，如图9(b)所示，凹陷18和沟槽部分19～21的最深部分22可以是圆角形。在这种情况下，和其中凹陷18和沟槽部分19～21的最深部分22的边缘为角形的情况相比，可防止破裂的产生。
图3和图5中所示的凹陷18可以变化为任意形状，除了圆形之外包括三角形、六角形、菱形或星形。
凹陷18和沟槽部分19～21的直径和宽度可以不均一。例如，在图3中，可以混合直径为2mm的凹陷18和直径为3mm的凹陷18。
图3和6～8中所示的凹陷18和沟槽部分19～21的布置可以改变。例如，在图3中，凹陷18可以置于半导体元件12的周围而不是直接在半导体元件12之下。在这种情况下，直接在半导体元件12之下的背面金属板16的部分成为散热器13的接合表面，并且因此可以有效地散逸来自半导体元件12的热。
形成电路基板11的陶瓷基板14、正面金属板15和背面金属板16的厚度可以改变。例如，陶瓷基板14的厚度可以在0.1mm～1.1mm的范围内变化。在陶瓷基板14的厚度设定为等于或大于正面金属板15或背面金属板16的厚度时，金属板难以由于热循环而分离。在上述实施方案中，厚度为1.1mm的背面金属板16用于厚度为0.635mm的陶瓷基板14。通过在背面金属板16中形成深度为0.5mm的凹陷18，凹陷18之下的厚度变为0.6mm(1.1mm-0.5mm)，其小于陶瓷基板14的厚度。此外，正面金属板15和背面金属板16的厚度可以在0.1mm～1.1mm的范围内变化。因为通过正面金属板15的电流可以增加，所以优选正面金属板15的厚度是较大的。尤其是，板15的厚度优选设定为0.6mm～1.1mm。此外，考虑到由于热导致的影响诸如变形，优选用于夹着陶瓷基板14放置的正面金属板15和背面金属板16具有相同的厚度。因此，在正面金属板15的厚度设定为0.6mm～1.1mm的情况下，优选背面金属板16具有相同的厚度范围：0.6mm～1.1mm。虽然上述实施方案中，正面金属板15的厚度和背面金属板16的厚度不同，但是正面金属板15的厚度和背面金属板16的厚度也可以相同。
背面金属板16可具有双层结构。具体地，背面金属板16可以由接合到陶瓷基板14的金属板和插入该金属板与散热器13之间的具有凹陷18的金属板(例如冲孔金属)形成。
可以由铝合金代替纯铝形成正面金属板15和背面金属板16。例如，可使用含以下组分的Al-Mg-Si基合金：0.2质量％～0.8质量％的Si、0.3质量％～1质量％的Mg、0.5质量％以下的Fe、0.5质量％以下的Cu、至少一种0.1质量％以下的Ti与0.1质量％以下的B，其它的质量％为铝和不可避免的杂质。只要可确保必要的热传递性能，可使用3000系列的铝合金等。
正面金属板和背面金属板不必直接接合到陶瓷基板。

Claims (9)

1.一种半导体模块，包括：
具有在其上安装半导体元件的正表面和在所述正表面相反侧的背表面的陶瓷基板；
接合于所述正表面的正面金属板；
接合于所述背表面的背面金属板；和
接合于所述背面金属板的散热装置，其特征在于：
所述陶瓷基板包含氮化铝，所述正面金属板和背面金属板包含铝，和
所述背面金属板具有面对所述散热装置的接合表面，其中所述接合表面包括接合区和非接合区，其中所述接合区的面积占所述接合表面的总面积的65％～85％。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其中所述接合区的面积占所述接合表面的总面积的75％～85％。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其中所述非接合区包括在所述接合表面中形成的孔或沟槽。
4.根据权利要求3所述的半导体模块，其中当所述半导体元件接合于所述正面金属板时，所述孔的直径或所述沟槽的宽度设定为所述半导体元件和所述孔或所述沟槽之间的距离的2倍或更小。
5.根据权利要求3或4所述的半导体模块，其中所述接合表面中的所述孔或沟槽的最深部分为圆角形。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的半导体模块，其中通过在所述背面金属板上进行蚀刻工艺形成所述非接合区。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的半导体模块，其中所述非接合区形成为使得在所述背面金属板分成相等的平面区域的情况下，在所有所述相等的平面区域中的接合面积是相同的。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的半导体模块，其中所述正面金属板和所述背面金属板由纯铝制成。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的半导体模块，其中所述陶瓷基板的厚度为0.1mm～1.1mm，所述正面金属板的厚度为0.1mm～1.1mm，所述背面金属板的厚度为0.1mm～1.1mm。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105304578A (zh) * 2014-07-15 2016-02-03 富士电机株式会社 半导体装置以及半导体装置的制造方法
CN105612614A (zh) * 2014-03-20 2016-05-25 富士电机株式会社 半导体装置及半导体装置的制造方法
CN109801887A (zh) * 2019-03-19 2019-05-24 江苏唯益换热器有限公司 分形微通道换热器

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4867793B2 (ja) * 2007-05-25 2012-02-01 株式会社豊田自動織機 半導体装置
US8472193B2 (en) * 2008-07-04 2013-06-25 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Semiconductor device
JP5114323B2 (ja) * 2008-07-04 2013-01-09 株式会社豊田自動織機 半導体装置
EP2178117A1 (en) * 2008-10-17 2010-04-21 Abb Research Ltd. Power semiconductor module with double side cooling
US20120069524A1 (en) * 2009-05-27 2012-03-22 Schulz-Harder Juergen Cooled electric unit
JP5671351B2 (ja) * 2011-01-12 2015-02-18 昭和電工株式会社 電子素子搭載用基板の製造方法
JP5772088B2 (ja) * 2011-03-10 2015-09-02 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板
JP5349572B2 (ja) * 2011-04-18 2013-11-20 株式会社豊田自動織機 放熱装置及び放熱装置の製造方法
JP5856750B2 (ja) * 2011-04-19 2016-02-10 昭和電工株式会社 放熱装置
JP2013026279A (ja) * 2011-07-15 2013-02-04 Showa Denko Kk 絶縁積層材、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュール
US20150129189A1 (en) * 2012-02-09 2015-05-14 Nokia Solutions And Networks Oy Method and Apparatus for Reducing the Mechanical Stress when Mounting Assemblies with Thermal Pads
JP5548722B2 (ja) 2012-03-30 2014-07-16 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
JP6189015B2 (ja) * 2012-04-19 2017-08-30 昭和電工株式会社 放熱装置および放熱装置の製造方法
US20150123663A1 (en) * 2012-04-23 2015-05-07 Koninklijke Philips N.V. Integrated electronics module with cooling structure
TWI589382B (zh) 2012-09-21 2017-07-01 三菱綜合材料股份有限公司 鋁構件與銅構件之接合構造
KR102146589B1 (ko) * 2012-10-16 2020-08-20 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법
US8872328B2 (en) 2012-12-19 2014-10-28 General Electric Company Integrated power module package
WO2015163453A1 (ja) * 2014-04-25 2015-10-29 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板ユニット及びパワーモジュール
JP6278516B2 (ja) * 2014-05-28 2018-02-14 Ｎｇｋエレクトロデバイス株式会社 パワーモジュール用基板
JP6341822B2 (ja) * 2014-09-26 2018-06-13 三菱電機株式会社 半導体装置
US10522730B2 (en) * 2016-03-18 2019-12-31 Rohm Co., Ltd. LED lighting apparatus
CN109156080B (zh) * 2016-05-16 2021-10-08 株式会社村田制作所 陶瓷电子部件
WO2018146816A1 (ja) * 2017-02-13 2018-08-16 新電元工業株式会社 電子機器
EP4401128A3 (en) 2017-03-23 2024-10-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Ceramic metal circuit board and semiconductor device using same
US10276472B2 (en) * 2017-04-01 2019-04-30 Ixys, Llc Heat transfer plate having small cavities for taking up a thermal transfer material
JP2018182198A (ja) * 2017-04-19 2018-11-15 株式会社東芝 半導体装置
US11177192B2 (en) * 2018-09-27 2021-11-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor device including heat dissipation structure and fabricating method of the same
CN210959284U (zh) * 2019-12-06 2020-07-07 阳光电源股份有限公司 散热器及电气设备
US11862718B2 (en) * 2020-10-12 2024-01-02 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. III-nitride thermal management based on aluminum nitride substrates
DE102020214040A1 (de) 2020-11-09 2021-12-02 Vitesco Technologies Germany Gmbh Schaltungsträger für eine elektrische Schaltung, leistungselektrische Schaltung mit einem Schaltungsträger
TWI758095B (zh) * 2021-02-09 2022-03-11 潘宇翔 適用於一電子元件的散熱結構及散熱模組
DE102021201270A1 (de) 2021-02-10 2022-08-11 Vitesco Technologies GmbH Elektronische Baugruppe mit zumindest einem ersten elektronischen Bauteil und einem zweiten elektronischen Bauteil
JP7558860B2 (ja) 2021-03-23 2024-10-01 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 アルミニウム－セラミックス接合基板およびその製造方法
DE102021122633A1 (de) 2021-09-01 2023-03-02 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Substrat für eine leistungselektronische Schaltung und Herstellungsverfahren hierfür
KR20230126878A (ko) * 2022-02-24 2023-08-31 주식회사 아모그린텍 세라믹 기판 유닛 및 그 제조방법
WO2024132156A1 (en) * 2022-12-22 2024-06-27 Dynex Semiconductor Limited A design for enhancing the long term reliability of a large joining area in a power semiconductor module

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4318241C2 (de) * 1993-06-02 1995-06-29 Schulz Harder Juergen Metallbeschichtetes Substrat mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchung
JPH0786703A (ja) * 1993-09-10 1995-03-31 Toshiba Corp セラミックス回路基板
CN1107978A (zh) * 1994-03-04 1995-09-06 谭家岱 声波共振腔的调谐装置
JP3192911B2 (ja) * 1995-03-30 2001-07-30 株式会社東芝 セラミックス回路基板
JP4969738B2 (ja) * 2001-06-28 2012-07-04 株式会社東芝 セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュール
JP2004207587A (ja) * 2002-12-26 2004-07-22 Dowa Mining Co Ltd 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法
DE10337640A1 (de) * 2003-08-16 2005-03-17 Semikron Elektronik Gmbh Leistungshalbleitermodul mit verbessertem thermischen Kontakt

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105612614A (zh) * 2014-03-20 2016-05-25 富士电机株式会社 半导体装置及半导体装置的制造方法
CN105612614B (zh) * 2014-03-20 2018-12-28 富士电机株式会社 半导体装置及半导体装置的制造方法
US10276474B2 (en) 2014-03-20 2019-04-30 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
CN105304578A (zh) * 2014-07-15 2016-02-03 富士电机株式会社 半导体装置以及半导体装置的制造方法
CN105304578B (zh) * 2014-07-15 2019-11-22 富士电机株式会社 半导体装置以及半导体装置的制造方法
CN109801887A (zh) * 2019-03-19 2019-05-24 江苏唯益换热器有限公司 分形微通道换热器
CN109801887B (zh) * 2019-03-19 2023-10-31 江苏唯益换热器有限公司 分形微通道换热器

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KR100993499B1 (ko) 2010-11-10

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