CN111386601A - 绝缘基板和散热装置 - Google Patents

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Abstract

绝缘基板(6)具备布线层(1)和绝缘层(4)，布线层(1)具有搭载发热性元件(21)的搭载面(1a)，绝缘层(4)在布线层(1)的下侧对于布线层(1)以层叠状配置。搭载面(1a)由布线层(1)的上表面构成。布线层(1)的上部具有铝‑碳粒子复合材料层(2)。布线层(1)中的比复合材料层(2)靠下侧的部分具有纯度为99％以上的纯铝层(3)。

Description

绝缘基板和散热装置
技术领域
本发明涉及搭载电子元件等发热性元件的绝缘基板和散热装置。
再者，本发明的绝缘基板和散热装置的上下方向没有限定，本说明书和权利要求书中，为了容易理解绝缘基板和散热装置的结构，将搭载发热性元件的绝缘基板的搭载面侧定义为绝缘基板和散热装置的上侧，并将其相反侧定义为绝缘基板和散热装置的下侧。
另外，本说明书和权利要求书中，将纯度99％以上的铝称为“纯铝”。因此，除了特别明确表示的情况以外，术语“纯铝”包括高纯度铝(纯度4N)和超高纯度铝(纯度5N以上)。再者，纯度4N是指纯度为99.99％，纯度为5N以上是指纯度为99.999％以上。
背景技术
例如，对于功率器件所用的绝缘基板一般要求对于冷热循环试验(例如功率循环试验)中的热应力有高可靠性。
该绝缘基板包括具有搭载面的布线层，在该搭载面上例如安装有作为发热性元件的半导体芯片。一般在布线层中的与搭载面相反的面接合绝缘层(陶瓷层)。
对于该布线层要求高导热性(高导热率)。因此，以往的布线层一般由纯铝形成。
日本专利第5150905号(专利文献1)公开了一种铝-碳粒子复合材料作为具有高导热性的材料。因此，为了得到具有高导热性的布线层，日本特开2017-7172号公报(专利文献2)公开了使用该复合材料作为布线层的材料。
现有技术文献
专利文献1：日本专利第5150905号
专利文献2：日本特开2017-7172号公报
发明内容
近年来，开发了使用碳化硅(SiC)等的能够在高温下工作的半导体芯片。当这样的半导体芯片被搭载在布线层的搭载面上的情况下，对于绝缘基板要求高导热性以及比对于以往的绝缘基板所要求的热应力的可靠性更高的可靠性。
本发明是鉴于上述技术背景而完成的，其目的是提供一种具有高导热性和对于热应力的高可靠性的绝缘基板和散热装置。
本发明的其他目的和优点根据以下优选实施方式变得显而易见。
本发明提供以下手段。
[1]一种绝缘基板，具备布线层和绝缘层，所述布线层具有由上表面形成的发热性元件用搭载面，所述绝缘层在所述布线层的下侧对于所述布线层以层叠状配置，
所述布线层的上部具有铝-碳粒子复合材料层，
所述布线层中的比所述复合材料层靠下侧的部分具有纯度为99％以上的纯铝层。
[2]根据前项[1]的绝缘基板，所述纯铝层的铝纯度为99.99％以上。
[3]根据前项[1]或[2]所述的绝缘基板，所述复合材料层的厚度为100μm以上。
[4]一种散热装置，具备前项[1]～[3]中任一项所述的绝缘基板和散热构件。
本发明发挥以下效果。
前项[1]中，布线层的上部具有铝-碳粒子复合材料层，因此布线层的导热性高。因此，绝缘基板具有高的导热性。
另外，通过布线层的上部具有上述复合材料层，由此布线层的上部的线膨胀系数接近于发热性元件和/或焊料层的线膨胀系数。由此，能够提高焊料层的耐久性和可靠性，并且能够缓和对发热性元件的应力。此外，通过布线层的比复合材料层靠下侧的部分具有纯度为99％以上的纯铝层，由此冷热循环负荷时在布线层与绝缘层之间产生的热应力被纯铝层缓和。因此，绝缘基板对于热应力具有高的可靠性。
此外，通过布线层的上部具有上述复合材料层，由此能够抑制由布线层的纯铝层与绝缘层之间的热应力引起的搭载面上的褶皱产生。
前项[2]中，纯铝层中的铝纯度为99.99％以上，由此能够对绝缘基板进一步提高对热应力的可靠性。
前项[3]中，通过复合材料层为100μm以上，由此能够切实地抑制搭载面上的褶皱产生。
前项[4]中，能够提供一种发挥前项[1]～[3]中的任一项的效果的散热装置。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的散热器的截面图。
图2是将多个预成型箔和纯铝层进行层叠的中途的状态的截面图。
图3是将多个预成型箔和纯铝层的层叠体进行烧结的中途的状态的截面图。
图4是通过钎焊将布线层、绝缘层和第1缓冲层进行接合一体化的中途的状态的截面图。
图5是布线层、绝缘层和第1缓冲层接合一体化而形成的、本发明第1实施方式的绝缘基板的截面图。
图6是本发明第1实施方式的散热装置的截面图。
具体实施方式
接着，参照附图对本发明的一些实施方式说明如下。
图1～5是说明本发明第1实施方式的图。
如图1所示，本第1实施方式的散热装置10A被用于功率器件(例如IGBT、MOSFET)等的散热，从上向下依次以层叠状具备布线层1、绝缘层4、第1缓冲层5、第2缓冲层7A和散热构件(包括冷却构件)8。并且，通过它们利用预定的接合单元以层叠状接合一体化来形成散热装置10A。本发明第1实施方式的绝缘基板6由布线层1、绝缘层4和第1缓冲层5构成。
布线层1具有由其上表面形成的搭载面1a。在该搭载面1a上，作为发热性元件，例如半导体芯片(用两点划线表示)21经由钎料层(用两点划线表示)22接合。
绝缘层4具有电绝缘性，通常由氮化铝板(AlN)等的陶瓷板构成。
第1缓冲层5和第2缓冲层7A将在绝缘基板6和散热装置10A产生的热应力等应力加以缓和。第1缓冲层5由金属板构成、例如由纯铝板构成。第2缓冲层7A由金属板构成，详细而言，由具有多个贯穿孔7Aa的铝冲压金属板构成。
散热构件8是液体冷却式的，具备壳体8a和配置在壳体8a内的波纹状内散热片8b。在壳体8a的内部，形成有由内散热片8b隔开的多个流路8c，多个流路8c用于流通作为冷却流体的冷却液(未图示)。
散热构件8是金属制的，详细而言是铝制的。更详细而言，散热构件8的壳体8a由在其外表面和内表面中的至少内表面设有钎料层(未图示)的铝钎焊片构成，散热构件8的内散热片8b由铝板构成、或者由在两面中的至少单面设有钎料层(未图示)的铝钎焊片构成。内散热片8b的波顶部和波底部是在壳体8a的内表面钎焊而接合的。
该散热装置10A中，在半导体芯片21产生的热依次向布线层1、绝缘层4、第1缓冲层5、第2缓冲层7A和散热构件8传导并向在流路8c中流动的冷却液散发。结果，半导体芯片21的温度降低。
对于布线层1的结构详细说明如下。
布线层1的上部具有铝-碳粒子复合材料层2。布线层1中的比复合材料层2靠下侧的部分具有纯度为99％(单位：质量％)以上的纯铝层(用点阴影表示)3。
详细而言，布线层1由复合材料层2和纯铝层3构成。即，布线层1的上部由复合材料层2构成，搭载面1a由复合材料层2的上表面形成。布线层1中的比复合材料层2靠下侧的整个部分由纯铝层3构成。
复合材料层2与纯铝层3利用预定的接合手段接合，详细而言，两层2、3被烧结接合，即两层2、3彼此通过烧结来接合(固定)。图1中的符号“X”表示复合材料层2与纯铝层3的接合面(详细而言为烧结接合面)(由两点划线表示)。
另外，布线层1的纯铝层3与配置在布线层1下侧的绝缘层4以层叠状钎焊接合。
这样，由于布线层1的上部由复合材料层2构成，因此能够提高布线层1的导热性(导热率)，且能够使布线层1的线膨胀系数接近于半导体芯片21和/或焊料层22的线膨胀系数，由此，能够提高焊料层22的耐久性和可靠性，并且能够缓和对半导体芯片21的应力。
通过布线层1中的比复合材料层2靠下侧的部分由纯铝层3构成，由此在对散热装置10A(绝缘基板6)施加了冷热循环负荷的情况下(例如冷热循环试验时)在布线层1与绝缘层4之间产生的热应力能够用纯铝层3缓和。
布线层1的厚度没有限定，但希望布线层1的厚度下限为200μm，希望布线层1的厚度上限为3mm，特别优选布线层1的厚度上限为2mm。
在布线层1中，复合材料层2的厚度与纯铝层3的厚度的比率没有限定，但希望为1:10～10：1，特别优选为1：5～5：1。
复合材料层2的厚度没有限定，但希望尽可能厚。其原因是能够切实地提高布线层1的导热性，且能够切实地使布线层1的线膨胀系数接近于半导体芯片21和/或焊料层22的线膨胀系数，而且，能够抑制纯铝层3与绝缘层4之间的热应力而引起的搭载面1a的褶皱产生。因此，期望复合材料层2的厚度为100μm以上。特别优选复合材料层2的厚度为200μm以上。该情况下，能够切实地抑制搭载面1a的褶皱产生。复合材料层2的厚度上限没有限制，通常为1mm。
纯铝层3的厚度没有限定。但是，如果纯铝层3过厚，则纯铝层3变为热阻力，另一方面，如果纯铝层3过薄，则上述缓和热应力的效果降低。从该观点来看，期望纯铝层3的厚度为100μm～1.5mm的范围。通过纯铝层3的厚度为100μm以上，能够切实地发挥上述缓和热应力的效果。如果纯铝层3的厚度为1.5mm以下，则能够切实地抑制由纯铝层3引起的布线层1的导热性降低，能够切实地将布线层1维持为高导热性。特别期望的纯铝层3的厚度上限为1mm。
如上所述，纯铝层3的铝纯度为99％以上。作为那样的铝，适合使用A1100、A1050、A1N30等。对于绝缘基板6和散热装置10A，为了进一步提高对于热应力的可靠性，期望铝纯度为99.9％以上，特别优选为99.99％以上。作为那样的铝，使用高纯度铝、超高纯度铝等。铝的纯度上限没有限定，为例如99.999％。
如上所述，复合材料层2的复合材料是铝-碳粒子复合材料，详细而言，包含铝基质11和分散在铝基质11中的许多碳粒子12。铝基体11的铝材质没有限定，例如，可以为A1100、A1050、A1N30等纯度为99％的纯铝系铝合金。对于绝缘基板6和散热装置10A，为了提高对于热应力的可靠性，期望铝基质11的铝纯度为99.9％以上，特别优选为99.99％以上。
碳粒子12的种类没有限定。特别地，作为碳粒子12，期望使用选自碳纤维、碳纳米管、天然石墨粒子和石墨烯中的一种或两种以上。其原因是这样的碳粒子具有高导热性且容易与铝复合化。
作为碳纤维，可优选使用沥青系碳纤维、PAN系碳纤维等。
作为碳纳米管，适合使用单层碳纳米管、多层碳纳米管、气相生长碳纤维(包括VGCF(注册商标))等。
作为天然石墨粒子，适合使用鳞片状石墨粒子(特别是高导热性鳞片状石墨粒子)等。
作为石墨烯，优选使用单层石墨烯、多层石墨烯等。
碳粒子12的大小没有限定，通常，碳粒子12的最长轴方向的平均长度在1μm～1mm的范围内。
复合材料层2的线膨胀系数小于纯铝层3的线膨胀系数，具体而言，希望为18ppm/K以下，特别优选为15ppm/K以下。此外，希望复合材料层2的线膨胀系数为2ppm/K以上。该情况下，能够切实地抑制由复合材料层2的线膨胀系数比焊料层22的线膨胀系数小太多而导致的复合材料层2与焊料层22之间的热应力的产生。
复合材料层2的制造方法没有限定。作为其制造方法，可举出如日本特开2015-25158号公报等记载的那样，通过将在铝箔上附着有许多碳粒子的预成型箔层叠多层而成的状态的层叠体(预成型体)，在重整箔的层叠方向上一边加压一边加热烧结成板状，来制造复合材料层的方法(为了便于说明，将该制法称为“预成型箔层叠烧结方法”)、以及通过将铝粉末与作为碳粒子的碳粉末的混合物在一个方向上一边加压一边加热烧结成板状，来制造复合材料层的方法(为了便于说明，将该方法称为“粉末烧结法”)。
本实施方式中，复合材料层2采用前者的方法(预成型箔层叠烧结法)制造，而且，复合材料层2和纯铝层3与复合层材料层2的制造同时地烧结接合。对该方法说明如下。
如图2所示，准备在铝箔13上附着有许多碳粒子12的多个预成型箔14。本实施方式中，碳粒子12通过粘结剂树脂(未图示)附着在铝箔13的下表面。铝箔13的厚度通常在5～100μm的范围。然后，将多个预成型箔14层叠而形成层叠体主体17a，并且在层叠体主体17a的下侧对层叠体主体17a层叠由纯度为99％以上的纯铝板构成的纯铝层3，由此形成由层叠体主体17a和纯铝层3构成的层叠体17。
接着，将层叠体17一边在沿预成型箔14的层叠方向(即层叠体17的厚度方向)加压，一边在预定的烧结气氛中加热烧结，由此制造复合材料层2，同时将复合材料层2与纯铝层3进行烧结接合。
希望烧结气氛为非氧化气氛。非氧化气氛包括惰性气体气氛(例如氮气气氛、氩气气氛)、真空气氛等。
希望通过真空热压烧结法、放电等离子烧结等来进行这样的层叠体17的烧结。以下说明采用真空热压烧结法烧结层叠体17时的具体例。
如图3所示，准备具备接收模具31、按压冲头32、筒状外周模具33、加热器(未图示)等的真空热压烧结装置30。然后，将层叠体17配置在外周模具3内，并且从其下侧用接收模具31容纳层叠体17。
接着，一边在利用按压冲头32沿预成型箔14的层叠方向对层叠体17加压(其加压方向P)，一边在真空气氛中通过加热器加热层叠体17，由此将层叠体17的层叠体主体17a烧结，得到复合材料层2，同时将复合材料层2与纯铝层3进行烧结接合。由此，得到上述布线层1。
如上所述，布线层1的复合材料层2中，层叠体17被加压加热，由此铝箔13的材料成为铝基质11，并且渗透到碳粒子12、12间，从而碳粒子12、12间的空隙消失。结果，复合材料层2中，处于碳粒子12分散在铝基质11中的状态。
在以层叠体17的温度从大致室温上升到烧结温度的方式加热层叠体17的中途，层叠体17中所含的粘合剂树脂升华、分解等而消失，从层叠体中17中被除去。
采用真空热压烧结法进行烧结的情况下的优选烧结条件如下。
烧结温度为450～640℃，烧结时间(即烧结温度的保持时间)为10～300分钟，对层叠材料的加压力为1～40MPa，真空度为10-4～10Pa。
接着，以下说明散热装置10A的制造方法。
如图4所示，将布线层1、绝缘层4和第1缓冲层5进行层叠。此时，在布线层1与绝缘层4之间、以及绝缘层4与第1缓冲层5之间分别存在钎料箔18。接着，通过钎焊将这些层1、4和5以层叠状进行接合一体化。由此，得到图5所示绝缘基板6。
接着，将绝缘基板6、第2缓冲层7A和散热构件8进行层叠。然后，通过钎焊将它们以层叠状接合一体化。由此，得到图1所示散热装置10A。
图6是说明本发明第2实施方式的散热器10B的图。再者，在该图中，发挥与上述第1实施方式的散热装置10A的要素相同作用的要素，附带与上述第1实施方式的散热装置10A的要素所附带的附图标记相同的附图标记。
本第2实施方式的散热装置10B中，第2缓冲层7B不是由铝冲压金属板制成的，而是由在两面分别设有钎料层(未图示)的两面铝钎焊片制成的。然后，第2缓冲层7B在钎焊片的一个钎焊材料层与第1缓冲层5接合，并且第2缓冲层7B在钎焊片的另一钎焊材料层与散热构件8接合。其他结构与上述第1实施方式的散热装置10A相同。
以上对于本发明的一些实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围可以进行各种变更。
例如，上述实施方式中，散热构件8是液体冷却式的，但本发明中，散热构件8还可以是空气冷却式的(例如热沉)。
另外，上述实施方式中，布线层1中的复合材料层2与纯铝层3被烧结接合，但本发明中两层2、3还可以被钎焊接合。
本申请主张2017年11月28日提出申请的日本专利申请2017-227442的优先权，其公开内容原样地构成本申请的一部分。
应该认识到，在此使用的术语和表达方式是用于说明而使用的，不是为限制性地解释而使用的，不排除在此示出和叙述的特征事项的任何均等物，也允许本发明的权利要求的保护范围内的各种变形。
本发明能够以多种不同的形态来具体化，本公开应当被看作提供本发明原理的实施例，这些实施例不意图将本发明限定于在此记载和/图示的优选实施方式，在这一认识的基础上，本发明记载了多个图示实施方式。
在此记载了一些本发明的图示实施方式，但本发明没有限定于在此记载的各种优选实施方式，包括能够由所谓的本领域技术人员基于本公开认识到的、具有均等要素、修正、删除、组合(例如跨越各种实施方式的特征的组合)、改良和/或变更的所有实施方式。权利要求的限定事项应该基于该权利要求所使用的术语宽泛地解释，不应该限定于本说明书或本申请的实务中记载的实施例，那样的实施例应被解释为非排他性的。例如，在本公开中，术语“优选地”是非排他性的，是指“优选地但不限定于此”。
实施例
接着，以下示出本发明的具体实施例和比较例。不过，本发明不限定于下述实施例。
<实施例1>
本实施例1中，准备了图6所示散热装置10B。
散热装置10B的布线层1的俯视形状为长28mm×宽28mm的方形，布线层1的厚度为600μm。
布线层1的包含搭载面1a的上部由厚度为400μm的铝-碳粒子复合材料层2构成。复合材料层2的铝基质11的铝材料是纯度为99.99％的纯铝。布线层1中的比复合材料层2靠下侧的整个部分由厚度为200μm且纯度为99.99％的纯铝层构成。
绝缘层4由氮化铝(AlN)板构成，其俯视形状为长30mm×宽30mm的方形，其厚度为640μm。
第1缓冲层5由纯度为99.99％的纯铝板构成，俯视形状为长28mm×宽28mm的方形，其厚度为600μm。
第2缓冲层7B由双面铝钎焊板构成，其俯视形状为长29mm×宽29mm的方形，其厚度为600μm。
散热构件8是铝制的，其厚度为10mm。
对于散热装置10B，在-40℃～200℃的试验温度范围进行500次循环的冷热循环试验。并且，观察了布线层1的搭载面1a的状态，没有在搭载面1a出现褶皱。
<实施例2>
本实施例2中准备的散热装置10B中，布线层1中的包含搭载面1a的上部由厚度为200μm的铝-碳粒子复合材料层2构成，布线层1中的比复合材料层2靠下侧的整个部分由厚度为400μm且纯度为99.99％的纯铝层3构成。其他结构与实施例1的散热装置10B相同。
对于散热装置10B，在与实施例1相同的试验条件下进行了冷热循环试验。并且，观察了布线层1的搭载面1a的状态时，基本上没有在搭载面1a上出现褶皱。
<实施例3>
本实施例3中准备的散热装置10B中，布线层1中的包含搭载面1a的上部由厚度为100μm的铝-碳粒子复合材料层2构成，布线层1中的比复合材料层2靠下侧的整个部分由厚度为500μm且纯度为99.99％的纯铝层3构成。其他结构与实施例1的散热装置10B相同。
对于散热装置10B，在与实施例1相同的试验条件下进行了冷热循环试验。并且，观察布线层1的搭载面1a的状态，在搭载面1a出现了少许褶皱。
<比较例>
本比较例中准备的散热装置中，整个布线层由厚度为600μm且纯度为99.99％的纯铝层构成。其他结构与实施例1的散热装置10B相同。
对于散热装置，在与实施例1相同的试验条件下进行了冷热循环试验。并且，观察了布线层的搭载面的状态，在搭载面出现了少量褶皱。
产业上的可利用性
本发明能够用于搭载电子元件(例如半导体芯片)等的发热性元件的绝缘基板和散热装置中。
附图标记说明
1：布线层
1a：搭载面
2：铝-碳粒子复合材料层
3：纯铝层
4：绝缘层
5：第1缓冲层
6：绝缘基板
7A、7B：第2缓冲层
8：散热构件
10A、10B：散热装置
21：半导体芯片(发热性元件)

Claims (4)

1.一种绝缘基板，具备布线层和绝缘层，
所述布线层具有由上表面形成的发热性元件用搭载面，所述绝缘层在所述布线层的下侧对于所述布线层以层叠状配置，
所述布线层的上部具有铝-碳粒子复合材料层，
所述布线层中的比所述复合材料层靠下侧的部分具有纯度为99％以上的纯铝层。
2.根据权利要求1所述的绝缘基板，所述纯铝层的铝纯度为99.99％以上。
3.根据权利要求1或2所述的绝缘基板，所述复合材料层的厚度为100μm以上。
4.一种散热装置，具备权利要求1～3中任一项所述的绝缘基板和散热构件。
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