CN114946022A - 散热器一体型绝缘电路基板 - Google Patents

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Abstract

该散热器一体型绝缘电路基板具备：散热器(20)，具备顶板部(21)和散热鳍片(22)；绝缘树脂层(12)，形成于该散热器(20)的顶板部(21)；及电路层(13)，配设于绝缘树脂层(12)的与散热器(20)相反的一侧的面且由金属片构成，当将散热器(20)的顶板部(21)的最大长度设为L、将散热器(20)的顶板部(21)的翘曲量设为Z、将散热器(20)的顶板部(21)的接合面侧呈凸状的变形设为正的翘曲量、将散热器(20)的曲率定义为C＝|(8×Z)/L2|时，绝缘树脂层(12)的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的散热器(20)的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为P/Cmax＞60。

Description

散热器一体型绝缘电路基板
技术领域
该发明涉及一种散热器一体型绝缘电路基板，其具备：散热器，具备散热鳍片；绝缘树脂层，形成于该散热器的顶板部；及电路层，形成于该绝缘树脂层的一面。
本申请基于2020年3月13日在日本申请的专利申请2020-044215号主张优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
功率模块、LED模块及热电模块为如下结构：在绝缘层的一面形成由导电材料组成的电路层的绝缘电路基板上，接合有功率半导体元件、LED元件及热电元件。另外，作为绝缘层，提出有使用陶瓷而成的层或使用绝缘树脂而成的层。
作为具备绝缘树脂层的绝缘电路基板，例如在专利文献1中，提出有将具备散热鳍片的散热器与电路层通过绝缘树脂片加以绝缘的散热鳍片一体型绝缘电路基板。
并且，在专利文献2中，公开有在热产生部件的至少一面通过导热性绝缘粘接膜来粘接散热基底基板而成的复合部件。在该专利文献2中，为了抑制因应力而在导热性绝缘粘接膜产生裂纹，规定剪切粘接力与热应力的关系及断裂伸长率与热应变的关系，其中，该应力由伴随温度变化的散热部件及热产生部件的膨胀或伸缩产生。
专利文献1：日本特开平11-204700号公报
专利文献2：日本特开2019-041111号公报
然而，在具备散热鳍片的散热器的顶板部形成有绝缘树脂层且在该绝缘树脂层上形成有电路层的散热器一体型绝缘电路基板中，有时因温度变化而产生翘曲。尤其，在具备散热鳍片的散热器中，形成有散热鳍片的部位与未形成有散热鳍片的部位的厚度不同，因此有容易产生翘曲的倾向。
在散热器一体型绝缘电路基板中产生翘曲的情况下，有可能会导致电路层的端部从绝缘树脂层剥离或者该剥离发展到绝缘树脂层的内部。
在此，在专利文献2中，对面内的应力和应变进行了评价，但对于正交于面的方向的应力未加以考虑。因此，未应对电路层的剥离或绝缘树脂层的内部剥离。
发明内容
该发明是鉴于上述情况而完成，目的在于提供一种即使在因温度变化而产生翘曲的情况下，也能够抑制电路层与绝缘树脂层的剥离或者绝缘树脂层的内部剥离的产生，并且可靠性优异的散热器一体型绝缘电路基板。
为了解决前述课题，本发明的散热器一体型绝缘电路基板的特征在于，具备：散热器，具备顶板部与散热鳍片；绝缘树脂层，形成于所述散热器的所述顶板部；及电路层，以电路图案状配设于所述绝缘树脂层的与所述散热器相反的一侧的面且由金属片构成，当将所述散热器的所述顶板部的最大长度设为L、将所述散热器的所述顶板部的翘曲量设为Z、将所述散热器的所述顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面侧呈凸状的变形设为正的翘曲量、将所述散热器的曲率定义为C＝|(8×Z)/L2|时，所述绝缘树脂层的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的所述散热器的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为P/Cmax＞60。
根据该构成的散热器一体型绝缘电路基板，所述绝缘树脂层的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的所述散热器的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为P/Cmax＞60，因此对由翘曲引起的应力可确保充分的剥离强度，即使在因温度变化而在散热器产生翘曲的情况下，也可抑制电路层与绝缘树脂层的剥离或者绝缘树脂层的内部剥离的产生。
在此，在本发明的散热器一体型绝缘电路基板中，所述电路层的厚度tC与所述散热器的所述顶板部的厚度tH之比tC/tH可以满足0.5≤tC/tH≤1.5。
此时，通过绝缘树脂层所配置的所述电路层的厚度tC与所述散热器的所述顶板部的厚度tH之比tC/tH并无太大不同，可将翘曲量控制得较低。
并且，在本发明的散热器一体型绝缘电路基板中，所述绝缘树脂层的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的所述散热器的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax可以为P/Cmax＞90。
此时，对由翘曲引起的应力可进一步确保充分的剥离强度，即使在因温度变化而在散热器产生翘曲的情况下，也可抑制电路层与绝缘树脂层的剥离或者绝缘树脂层的内部剥离的产生。
并且，在本发明的散热器一体型绝缘电路基板中，所述绝缘树脂层可含有无机材料的填料。
此时，由于可确保绝缘树脂层的导热性，因此散热特性优异，能够将来自搭载于电路层上的热源的热在散热器侧有效地加以散热。
根据本发明，可提供即使在因温度变化而产生翘曲的情况下，也能够抑制电路层与绝缘树脂层的剥离或绝缘树脂层的内部剥离的产生，并且可靠性优异的散热器一体型绝缘电路基板。
附图说明
图1是具备本发明的实施方式所涉及的散热器一体型绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的散热器一体型绝缘电路基板的翘曲量与曲率的关系的说明图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的散热器一体型绝缘电路基板的绝缘树脂层的剥离强度的测定方法的说明图。
图4是说明本发明的实施方式所涉及的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的一例的流程图。
图5是图4中所示的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的概略说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1中显示本发明的实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10及使用了该散热器一体型绝缘电路基板10的功率模块1。
图1中所示的功率模块1具备散热器一体型绝缘电路基板10、及通过焊料层2接合于该散热器一体型绝缘电路基板10的一面(图1中为上面)的半导体元件3。
半导体元件3由Si等半导体材料构成。用于接合散热器一体型绝缘电路基板10与半导体元件3的焊料层2例如为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊料材料(所谓无铅焊料材料)。
散热器一体型绝缘电路基板10具备散热器20、形成于该散热器20的顶板部21的一面(图1中为上面)的绝缘树脂层12及形成于绝缘树脂层12的一面(图1中为上面)的电路层13。另外，上述半导体元件3接合于电路层13的一面(图1中为上面)。
散热器20具备顶板部21及从该顶板部21的另一面(图1中为下面)突出的散热鳍片22。
该散热器20为如下结构：在顶板部21中将热向面方向扩散的同时，通过散热鳍片22向外部散热。因此，散热器20由导热性优异的金属构成，例如由铜或铜合金、铝或铝合金构成。在本实施方式中，由铝合金(A6063)构成。
在此，散热器20的顶板部21的厚度优选设定在0.5mm以上且6.0mm以下的范围内。
另外，散热器20可以为散热鳍片22呈针状鳍片的结构，也可以为散热鳍片22形成为梳形的结构。并且，优选将散热鳍片22在形成有散热鳍片22的部位中所占的体积比例设为10％以上且40％以下的范围内。
绝缘树脂层12为防止电路层13与散热器20之间电连接的层，由具有绝缘性的树脂构成。
在本实施方式中，为了确保绝缘树脂层12的强度的同时，确保导热性，优选使用含有无机材料的填料的树脂。在此，作为填料，例如能够使用氧化铝、氮化硼、氮化铝等。从确保绝缘树脂层12的导热性的观点出发，填料的含量优选为50质量％以上，更优选为70质量％以上。并且，填料的含量的上限没有特别限定，可以为95质量％以下。
并且，作为热固性树脂，能够使用环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅树脂等。在此，若为硅树脂，则能够含有70质量％以上的填料，若为环氧树脂，则能够含有80质量％以上的填料。并且，填料的含量的上限没有特别限定，可以为95质量％以下。
另外，为了充分确保绝缘树脂层12的绝缘性，优选将绝缘树脂层12的厚度的下限设为25μm以上，优选为50μm以上。另一方面，为了进一步确保散热器一体型绝缘电路基板10的散热性，优选将绝缘树脂层12的厚度的上限设为300μm以下，更优选为200μm以下。
如图5所示，通过在绝缘树脂层12的一面(图5中为上面)接合由导电性优异的金属构成的金属片33而形成有电路层13。作为金属片33，能够使用铜或铜合金、铝或铝合金等。在本实施方式中，作为构成电路层13的金属片33，可使用冲切无氧铜的轧制板而成的金属片。
在该电路层13中形成有电路图案，其一面(图1中为上面)为搭载半导体元件3的搭载面。
在此，在本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10中，电路层13(金属片33)的厚度tC与散热器20的顶板部21的厚度tH之比tC/tH优选满足0.5≤tC/tH≤1.5。
具体而言，优选电路层13(金属片33)的厚度tC设定在0.3mm以上且3.0mm以下的范围内，散热器20的顶板部21的厚度tH设定在0.5mm以上且6.0mm以下的范围内，并且满足上述比tC/tH。
而且，在本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10中，当将散热器20的顶板部21的最大长度(与散热器一体型绝缘电路基板10的层叠方向垂直的面的最大长度)设为L、将散热器20的顶板部21的翘曲量设为Z、将散热器20的顶板部21的接合面侧呈凸状的变形设为正的翘曲量、将散热器20的曲率定义为C＝|(8×Z)/L2|时，绝缘树脂层12的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的散热器20的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为P/Cmax＞60。并且，上限没有特别限定，但比P/Cmax可以为P/Cmax＜1000。
在此，如图2所示，由散热器20的顶板部21的最大长度L和散热器20的顶板部21的翘曲量Z，计算出散热器20的曲率C＝|(8×Z)/L2|。
另外，在本实施方式中，散热器20的顶板部21呈矩形平板状，对角线的长度为最大长度L。而且，翘曲量Z为沿对角线(最大长度)的剖面的高度方向的最大值与最小值之差。
并且，如图3所示，绝缘树脂层12的剥离强度是以规定于JIS K6854-1:1999的90°剥离试验为基准，通过将电路层13(金属片33)的端部向上方拉伸而测定的强度。
另外，在该剥离试验中，破裂部位可以为散热器20的顶板部21与绝缘树脂层12的接合界面、绝缘树脂层12与电路层13的接合界面及绝缘树脂层12的内部中的任一个。
在绝缘树脂层12的剥离强度P(N/cm)与加热至300℃时的散热器20的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为P/Cmax＞60的情况下，剥离强度高于由翘曲引起的高度方向的应力，从而抑制由翘曲引起的绝缘树脂层12的剥离等。
因此，通过根据翘曲量使构成绝缘树脂层12的树脂的材质合适化，或者根据构成绝缘树脂层12的树脂的材质设计电路层13及散热器20的材质和厚度，并且设为P/Cmax＞60，可抑制由翘曲引起的绝缘树脂层12的剥离等。
另外，为了进一步确实地抑制由翘曲引起的绝缘树脂层12的剥离等，优选使上述比P/Cmax大于90。
接着，参照图4及图5对本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
(树脂组合物配设工序S01)
如图5所示，在散热器20的顶板部21的一面(图5中为上面)，配设含有无机材料的填料、树脂及固化剂的树脂组合物32。在本实施方式中，关于树脂组合物32，使用片状物。
(金属片配置工序S02)
接着，在树脂组合物32的一面(图5中为上面)，以电路图案状配置成为电路层13的多个金属片33。
(加压及加热工序S03)
接着，通过加压装置，将散热器20、树脂组合物32及金属片33向层叠方向进行加压，并且进行加热，由此使树脂组合物32固化来形成绝缘树脂层12，并且接合散热器20的顶板部21与绝缘树脂层12、绝缘树脂层12与金属片33。
在该加压及加热工序S03中，优选加热温度在120℃以上且350℃以下的范围内，加热温度下的保持时间在10分钟以上且180分钟以下的范围内。并且，层叠方向的加压荷载优选在1MPa以上且30MPa以下的范围内。
在此，加热温度的下限更优选为150℃以上，进一步优选为170℃以上。另一方面，加热温度的上限更优选为320℃以下，进一步优选为300℃以下。
加热温度下的保持时间的下限更优选为30分钟以上，进一步优选为60分钟以上。另一方面，加热温度下的保持时间的上限更优选为120分钟以下，进一步优选为90分钟以下。
层叠方向的加压荷载的下限更优选为3MPa以上，进一步优选为5MPa以上。另一方面，层叠方向的加压荷载的上限更优选为15MPa以下，进一步优选为10MPa以下。
通过上述各工序，制造本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10。
根据如以上构成的本实施方式所涉及的散热器一体型绝缘电路基板10，绝缘树脂层12的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的散热器20的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为P/Cmax＞60，因此对由翘曲引起的应力可确保充分的剥离强度，即使在因温度变化而在散热器20产生翘曲的情况下，也可抑制电路层13与绝缘树脂层12的剥离或者绝缘树脂层12的内部剥离的产生。
并且，在本实施方式中，当电路层13的厚度tC与散热器20的顶板部21的厚度tH之比tC/tH满足0.5≤tC/tH≤1.5时，通过绝缘树脂层12所配置的电路层13的厚度tC与散热器20的顶板部21的厚度tH之比tC/tH并无很大不同，可以将翘曲量控制得较低。
而且，在本实施方式中，在绝缘树脂层12含有无机材料的填料的情况下，可确保绝缘树脂层12的导热性，并且散热特性优异，能够将来自搭载于电路层13上的半导体元件3的热在散热器20侧有效地加以散热。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内，能够适当进行变更。
在本实施方式中，对通过图4及图5中所示的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法制造散热器一体型绝缘电路基板的情况进行了说明，但并不限定于此。
并且，在本实施方式中，对散热器由无氧铜(OFC)构成且电路层由铝合金(A6053)构成的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由铜或铜合金、铝或铝合金等的其他金属构成。并且，也可以为层叠多个金属而成的结构。
并且，在本实施方式中，对在散热器一体型绝缘电路基板上搭载半导体元件构成功率模块的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，也可以在散热器一体型绝缘电路基板的电路层上搭载LED元件构成LED模块，也可以在散热器一体型绝缘电路基板的电路层上搭载热电元件构成热电模块。
实施例
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
在表1中所示的结构的散热器的顶板部(100mm×80mm、厚度记载于表1)上配置表1所示的树脂组合物的片材，在该树脂组合物的片材上，配置表1所示的形成电路层的金属片，将层叠而成的散热器、树脂组合物的片材及金属片向层叠方向进行加压并且进行加热而使树脂组合物固化来形成绝缘树脂层，并且接合散热器的顶板部与绝缘树脂层及绝缘树脂层与金属片，从而获得了散热器一体型绝缘电路基板。另外，在片材为聚酰亚胺的情况下，层叠方向的加压压力为5MPa，加热温度为300℃，加热温度下的保持时间为60分钟。在片材为环氧或硅的情况下，层叠方向的加压压力为10MPa，加热温度为200℃，加热温度下的保持时间为60分钟。
如以上所述，对于所获得的散热器一体型绝缘电路基板，分别评价了以下的项目。
(最大曲率Cmax)
使用云纹式三维形状测定器(AKROMETRIX,Inc.制THERMOIRE PS200)测定加热至300℃时的翘曲量Z。
而且，如在具体实施方式的栏中所记载的那样，由散热器的顶板部21的最大长度L和翘曲量Z，计算出从25℃加热至300℃时的散热器的最大曲率Cmax(1/m)。
(剥离强度P)
如在具体实施方式的栏中所记载的那样，以规定于JIS K6854-1:1999的90°剥离试验基准，通过将电路层(金属片)的端部向上方拉伸而测定剥离强度P。
(加热处理后的破裂)
对所获得的散热器一体型绝缘电路基板实施300℃×5分钟的加热处理，确认绝缘树脂层的破裂的有无。将产生破裂的情况设为“有”，未产生破裂的情况设为“无”。
将最大曲率Cmax、剥离强度P及加热处理后的破裂的评价结果示于表2。
[表1]
Figure BDA0003730494620000081
[表2]
Figure BDA0003730494620000091
根据表2，在绝缘树脂层的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的散热器的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax为60以下的比较例1-5中，在加热试验后确认到破裂。
对此，在绝缘树脂层的剥离强度P(N/cm)与从25℃加热至300℃时的散热器的最大曲率Cmax(1/m)之比P/Cmax超过60的本发明例1-18中，在加热试验后未确认到破裂。并且，即使在改变树脂的材质的情况下，也通过使最大曲率(翘曲量)合适化以使P/Cmax超过60，能够抑制加热试验后的破裂的产生。
从以上内容确认到，根据本发明例，可提供即使在因温度变化而产生翘曲的情况下，也能够抑制电路层与绝缘树脂层的剥离或者绝缘树脂层的内部剥离的产生，并且可靠性优异的散热器一体型绝缘电路基板。
产业上的可利用性
根据本发明的散热器一体型绝缘电路基板，能够抑制构成功率模块、LED模块及热电模块等的绝缘树脂层的内部剥离的产生，并提高可靠性。因此，具有产业上的可利用性。
符号说明
10 散热器一体型绝缘电路基板
12 绝缘树脂层
13 电路层
20 散热器
21 顶板部
22 散热鳍片。

Claims (4)

1.一种散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，具备：散热器，具备顶板部和散热鳍片；绝缘树脂层，形成于所述散热器的所述顶板部；及电路层，以电路图案状配设于所述绝缘树脂层的与所述散热器相反的一侧的面且由金属片构成，
当将所述散热器的所述顶板部的最大长度设为L、将所述散热器的所述顶板部的翘曲量设为Z、将所述散热器的所述顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面侧呈凸状的变形设为正的翘曲量、将所述散热器的曲率定义为C＝|(8×Z)/L2|时，
所述绝缘树脂层的剥离强度P与从25℃加热至300℃时的所述散热器的最大曲率Cmax之比P/Cmax为P/Cmax＞60，其中，所述最大曲率Cmax及所述剥离强度P的单位分别为1/m、N/cm。
2.根据权利要求1所述的散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，
所述电路层的厚度tC与所述散热器的所述顶板部的厚度tH之比tC/tH满足0.5≤tC/tH≤1.5。
3.根据权利要求1或2所述的散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，
所述绝缘树脂层的剥离强度P与从25℃加热至300℃时的所述散热器的最大曲率Cmax之比P/Cmax为P/Cmax＞90，其中，所述最大曲率Cmax及所述剥离强度P的单位分别为1/m、N/cm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，
所述绝缘树脂层含有无机材料的填料。
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