JP2002043457A - 放熱用絶縁基板及び半導体装置 - Google Patents
放熱用絶縁基板及び半導体装置Info
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Abstract
することができ、絶縁基材又は半田材に生じる熱ストレ
スを抑制することができる、安価な放熱用絶縁基板を提
供する。 【解決手段】 絶縁基板6においては、アルミナ又は窒
化アルミニウムからなる絶縁基材2のおもて面に、銅箔
からなる回路側導体層3がロウ付けされ、絶縁基材2の
裏面に、銅箔からなる裏面導体層4がロウ付けされてい
る。ここで、回路側導体層3の厚みt1と裏面導体層4
厚みt2とは等しく、かつ両導体層3、4の厚みt1、t
2と絶縁基材2の厚みTとの比率t1/T、t2/Tが0.
3以上かつ0.5以下の範囲内に設定され、これによ
り、絶縁基板6下の半田材でのボイドの残留が低減さ
れ、絶縁基材6又は半田材に生じる熱ストレスが抑制さ
れ、かつその製造コストが低減されるようになってい
る。
Description
半導体素子を搭載し、他方の広がり面にヒートシンクと
して機能する金属板が半田接合されるようになっている
放熱用絶縁基板と、該放熱用絶縁基板を用いた半導体装
置とに関するものである。
板上に半導体素子が搭載されているが、かかる半導体素
子の発熱が大きい場合は、該熱の外部への放出を促進す
る必要がある。具体的には、例えば、絶縁基板の一方の
広がり面に半導体素子を搭載する一方、他方の広がり面
にヒートシンクとして機能する金属板を半田接合するな
どして、放熱が促進されるようになっている。
ようになっている半導体装置で用いられる従来の絶縁基
板の一例を示している。図5に示すように、この従来の
絶縁基板106においては、平板状の絶縁基材102の
一方の広がり面(以下、「おもて面」という。)に回路
側導体層103が固着され、他方の広がり面(以下、
「裏面」という。)に裏面導体層104が固着されてい
る。なお、例えば特開平9−51049号公報にも開示
されているように、絶縁基材102はセラミック材料等
で形成され、両導体層103、104は銅等で形成され
る。そして、かかる絶縁基板106においては、従来
は、製造技術上の事情等により、回路側導体層103の
厚みt1が裏面導体層104の厚みt2より大きく設定さ
れている。
5を用いて絶縁基板106を、ヒートシンクとして機能
する金属板101に半田接合する際に、絶縁基材102
ないしは絶縁基板106には、おもて面側に凸状となる
湾曲ないしは反りが生じる。これは、半田接合時の温度
上昇により、厚みの大きい回路側導体層103には、厚
みの小さい裏面導体層104よりも強い熱ストレス(熱
応力)が生じるからである。このように、絶縁基材10
2ないしは絶縁基板106に、おもて面側に凸状となる
湾曲ないしは反りが生じると、半田接合時に半田材10
5内に生じたボイド107(気泡)が絶縁基板下で半田
材105内に閉じ込められ、外部に排出されなくなり、
冷却後も半田材105内に残留する。
が残留すると、半田材105の熱抵抗が増加し、該絶縁
基板106を用いた半導体装置の熱放散性が低下すると
いった問題が生じる。また、絶縁基板106と金属板1
01との接合強度が低下するといった問題も生じる。
報には、図7に示すように、裏面導体層104の厚みt
2を回路側導体層103の厚みt1よりも大きくして半田
接合時に絶縁基材102ないしは絶縁基板106が裏面
側に凸状となるようにし、あるいは、裏面導体層104
を熱膨張係数の大きい材料(熱膨張係数α2)で形成す
る一方、回路側導体層103を熱膨張係数の小さい材料
(熱膨張係数α1(<α2))で形成して、熱膨張差によ
り半田接合時に絶縁基材102ないしは絶縁基板106
が裏面側に凸状となるようにした半導体モジュールが開
示されている。
10−154774号公報に開示された半導体モジュー
ルでは、半田接合時にボイド(気泡)の外部への排出が
促進され、半田材内でのボイドの残留は低減ないしは防
止されるものの、絶縁基材102ないしは絶縁基板10
6、あるいはその下側の半田材に強い熱ストレスが生
じ、絶縁基材102にクラックが発生するおそれがある
といった問題がある。また、回路側導体層103と裏面
導体層104とを、熱膨張係数が異なる異種材料で形成
する場合は、両導体層103、104と絶縁基材102
との貼り合わせ工程が複雑化するので、絶縁基板106
ないしはこれを用いた半導体モジュールのコストアップ
を招くといった問題がある。
も、図8に示すように、裏面導体層104の厚みt2を
回路側導体層103の厚みt1よりも大きくし、半田材
105を用いて金属板101に半田接合する際に裏面側
に凸状となるようにした絶縁基板106(放熱板接合用
基板)が開示されている。しかしながら、この従来の絶
縁基板106でも、前記の特開平10−154774号
公報に開示された半導体モジュールの場合と同様に、半
田材105内でのボイド107の残留の低減ないしは防
止には効果的であるものの、絶縁基板106あるいはそ
の下側の半田材105に強い熱ストレスが生じ、絶縁基
材102にクラックが発生するおそれがある。
になされたものであって、絶縁基板下の半田材でのボイ
ドの残留を低減ないしは防止することができるととも
に、絶縁基材ないしは半田材に生じる熱ストレスを可及
的に抑制することができる、従来よりも安価な放熱用絶
縁基板ないしは半導体装置を提供することを解決すべき
課題とする。
になされた本発明の第1の態様にかかる放熱用絶縁基板
は、(i)板状の絶縁基材と、(ii)絶縁基材の一方の
広がり面(おもて面)に固着された、半導体素子との接
合用の第1の導体層と、(iii)絶縁基材の他方の広が
り面(裏面)に固着された、ヒートシンクとして機能す
る金属板との接合用の第2の導体層とを備えている放熱
用絶縁基板において、(iv)第1の導体層の厚みt1と
絶縁基材の厚みTとの比率t1/Tと、第2の導体層の
厚みt2と絶縁基材の厚みTとの比率t2/Tとが、それ
ぞれ、0.3以上かつ0.5以下の範囲内に設定されてい
る(0.3≦t1/T≦0.5、0.3≦t2/T≦0.5)
ことを特徴とするものである。なお、比率t1/T及び
比率t2/Tのうちの一方のみを0.3以上かつ0.5以
下の範囲内に設定するようにしてもよい。
板は、第1の態様にかかる放熱用絶縁基板において、第
1の導体層の厚みt1と第2の導体層の厚みt2とがほぼ
同一である(t1=t2ないしはt1≒t2)ことを特徴と
するものである。なお、第1の導体層はパターン化され
て断続形状を呈し、第2の導体層は連続形状を呈してい
るのが好ましい。
板は、第2の態様にかかる放熱用絶縁基板において、絶
縁基材の厚みTが0.635mmであり、第1及び第2
の導体層の厚みt1及びt2が、それぞれ、0.2mm、
0.25mm又は0.3mmであることを特徴とするもの
である。なお、厚みt1及びt2については、これらが
0.25mmである場合は、±0.03mm程度のばらつ
きは許容しうる。
板は、本発明の第3の態様にかかる放熱用絶縁基板にお
いて、絶縁基材が、アルミナ又は窒化アルミニウムを主
成分とするセラミック材料(セラミック基板)で形成さ
れていることを特徴とするものである。
は、(i)本発明の第1〜第4の態様のいずれか1つに
かかる放熱用絶縁基板と、(ii)放熱用絶縁基板の第1
の導体層に接合された半導体素子と、(iii)放熱用絶
縁基板の第2の導体層に半田材を用いて半田接合され
た、ヒートシンクとして機能する金属板とを備えている
ことを特徴とするものである。
的に説明する。図1に示すように、本発明にかかる半導
体装置用の絶縁基板6(放熱用絶縁基板)においては、
平板状の絶縁基材2のおもて面(一方の広がり面)に、
半導体素子(図示せず)との接合用の回路側導体層3
(第1の導体層)が固着されている。他方、絶縁基材2
の裏面(他方の広がり面)には、該半導体装置のヒート
シンクとして機能する金属板1(図2参照)との半田接
合用の裏面導体層4(第2の導体層)が固着されてい
る。なお、本発明にかかる半導体装置は、実質的に、こ
の絶縁基板6と、回路側導体層3に接合された半導体素
子(図示せず)と、裏面導体層4に半田材5を用いて半
田接合された金属板1とで構成されている。
は、好ましく、アルミナ又は窒化アルミニウムを主成分
とするセラミック材料(セラミック基板)で形成されて
いる。なお、絶縁基材2は、このようなセラミック材料
以外の絶縁材料で形成されることができるのはもちろん
である。また、回路側導体層3及び裏面導体層4は、そ
れぞれ、銅箔(Cu箔)で形成され、ロー付け材(図示
せず)を用いて絶縁基材2のおもて面及び裏面にロー付
け接合(固着)されている。ここで、両導体層3、4の
表面には、それぞれ、絶縁基材2、半導体素子(図示せ
ず)又は半田材5(図2参照)との接合性を高めるため
に、ニッケルめっき(Niめっき)が施されている。ま
た、回路側導体層3は、パターンを形成しているため、
断続形状を呈している。
3の厚みt1と裏面導体層4の厚みt2とは同一とされて
いる(t1=t2)。かつ、両導体層3、4の厚みt1、
t2の、絶縁基材2の厚みTに対する比率t1/T、t2
/Tは、それぞれ、0.3〜0.5の範囲内に設定されて
いる。なお、絶縁基材2及び両導体層3、4の厚みT、
t1、t2をこのように設定する理由は、後で詳しく説明
する。具体的には、絶縁基材2及び両導体層3、4の厚
みは、例えば次のような値に設定される。 絶縁基材厚み T :0.635mm 回路側導体層厚みt1:0.25mm(又は、0.20mm、
0.30mm) 裏面導体層厚み t2:0.25mm(又は、0.20mm、
0.30mm)
縁基板)を、例えば銅等で形成されヒートシンクとして
機能する金属板1に、半田材5を用いて半田接合する際
の状況を模式的に示す図である。図2に示すように、半
田接合時には、絶縁基材2ないしは絶縁基板6は、その
温度上昇により、裏面側に凸状となるように、すなわち
金属板側に向かって膨出する形状に湾曲する(反る)。
このため、半田材5が加熱・溶融されているときに、半
田材5中にフラックスやガス等のボイド成分が発生して
も、このボイド成分はその浮力により、絶縁基板6の周
辺部(図2中では、左右の端部)に移動させられ、自然
に半田材外に放出される。したがって、絶縁基板6下の
半田材5(半田層)でのボイドの残留が大幅に低減さ
れ、あるいは防止される。
しは絶縁基板6が裏面側に凸状となるのは、およそ次の
ような理由による。すなわち、前記のとおり、半導体素
子との結合用の回路側導体層3は、パターンを形成して
いるため、断続形状を呈している。これに対して、金属
板1との接合用の裏面導体層4は、パターンを形成して
いないので、連続形状を呈している。また、回路側導体
層3の厚みt1と裏面導体層4の厚みt2は同一である。
したがって、連続形状を呈している裏面導体層4の方
が、断続形状を呈している回路側導体層3よりも体積が
大きい。
上昇すると、体積が大きい裏面導体層4は、回路側導体
層3に比べて、広がり面方向(図2においては、左右方
向)の熱膨張ないしは熱ストレス(熱応力)が大きくな
る。その結果、絶縁基材2の裏面側にはこれを広がり面
方向に伸長させる力が作用し、おもて面側にはこれを広
がり面方向に収縮させる力が作用し、これにより絶縁基
材2ひいては絶縁基板6に、裏面側が凸状となる湾曲な
いしは反りが生じることになる。
3の厚みt1と裏面導体層4の厚みt2とを同一に設定す
る理由を説明する。図3は、回路側導体層3の厚みt1
と裏面導体層4の厚みt2の比率t1/t2が、半田接合
時において絶縁基材2内に生じる熱ストレス(熱応力)
又は半田材5(半田層)内に生じる熱ストレス(熱応
力)に与える影響度を、応力解析により求めた結果を示
すグラフである。
面側(金属板側)に生じる熱ストレス(以下、「裏面側
熱ストレス」という。)は、比率t1/t2の増加に伴っ
て単調に減少する。他方、絶縁基材2のおもて面側(回
路側)に生じる熱ストレス(以下、「おもて面側熱スト
レス」という。)は、比率t1/t2の増加に伴って単調
に増加する。そして、絶縁基材2の裏面側熱ストレスと
おもて面側ストレスとは、比率t1/t2がほぼ1(すな
わち、t1≒t2)のところで等しくなっている。したが
って、比率t1/t2をほぼ1に設定すれば、絶縁基材2
内に生じる熱ストレスをバランスよく低減させ、ないし
は均一化させることができ、絶縁基材1の耐クラック性
を高めて、該絶縁基材2内にクラックが発生するのを有
効に防止することができる。
率t1/t2の増加に伴って単調に増加するが、比率t1
/t2がほぼ1のときには比較的小さい。したがって、
比率t 1/t2をほぼ1に設定した場合、絶縁基材2内に
生じる熱ストレスをバランスよく低減させることがで
き、かつ半田材5内に生じる熱ストレスも比較的に小さ
くすることができる。このような応力解析結果に基づ
き、この実施の形態にかかる絶縁基板6ないしは半導体
装置では、回路側導体層3の厚みt1と裏面導体層4の
厚みt2とを同一にしている。
体層4の厚みt2とを等しくした場合、材料準備プロセ
ス、あるいは材料管理回路パターン形式プロセスにおけ
る生産性が向上するので、絶縁基板6ひいてはこれを用
いた半導体装置を安価に生産するできるといったメリッ
トもある。
4の厚みt1、t2の、絶縁基材2の厚みTに対する比率
t1/T、t2/Tを、0.3〜0.5の範囲内に設定する
理由を説明する。図4は、回路側導体層3の厚みt1の
絶縁基材2に対する比率t1/Tが、半田接合時におい
て絶縁基材2内に生じる熱ストレス(熱応力)に与える
影響度を実験により求めた結果を示すグラフである。
じる熱ストレスは、比率t1/Tの増加に伴って単調に
増加する。したがって、単に絶縁基材2内に生じる熱ス
トレスを低減することだけが目的であれば、比率t1/
Tは小さければ小さいほど好ましいといえる。しかしな
がら、比率t1/Tがあまり小さいと、回路導体の電流
容量が不足するといった不具合が生じる。かくして、パ
ッケージサイズを考慮すれば、回路導体の電流容量を確
保するといった観点から、比率t1/Tは、0.3以上で
あるのが望ましい。
/Tが0.5以上になると、絶縁基材2内に生じる熱ス
トレスが急激に増加する。このような事実に鑑みれば、
回路導体の電流容量の確保と絶縁基材2内での熱ストレ
スの低減とを両立させるために、比率t1/Tを0.3〜
0.5の範囲内に設定する(0.3≦t1/T≦0.5)の
が望ましいといえる。なお、裏面導体層4についても、
回路側導体層3の場合と同様の理由により、比率t2/
Tを0.3〜0.5の範囲内に設定するのが望ましい。
基板6ないしはこれを用いた半導体装置では、両導体層
3、4の厚みt1、t2が同一とされ、かつ比率t1/
T、t2/T(あるいは、いずれか一方のみ)が0.3〜
0.5の範囲内に設定されているので、絶縁基板6下の
半田材5でのボイドの残留を低減ないしは防止すること
ができるとともに、絶縁基材2ないしは半田材5に生じ
る熱ストレスを可及的に抑制することができ、かつその
製造コストを低減することができる。
基板によれば、第1の導体層の厚みt 1と絶縁基材の厚
みTとの比率t1/Tと、第2の導体層の厚みt2と絶縁
基材の厚みTとの比率t2/Tとが、0.3以上0.5以
下の範囲内に設定されるので、回路導体の電流容量が確
保されるとともに、絶縁基材内に発生する熱ストレスが
低減される。このため、放熱用絶縁基板の性能を維持し
つつ、その耐クラック性ひいては信頼性を高めることが
できる。
板によれば、基本的には、第1の態様にかかる放熱用絶
縁基板の場合と同様の効果が得られる。さらに、第1の
導体層の厚みt1と第2の導体層の厚みt2とがほぼ同一
であるので、該放熱用絶縁基板と金属板とを半田接合す
る際に、該放熱用絶縁基板に、回路側(おもて面側)に
凸状となる湾曲ないしは反りが発生しない。このため、
半田材内にボイドが残留するのを低減ないしは防止する
ことができる。また、材料準備プロセス、あるいは材料
管理回路パターン形式プロセスにおける生産性が向上す
るので、該放熱用絶縁基板を安価に生産することができ
る。
板によれば、基本的には、第2の態様にかかる放熱用絶
縁基板の場合と同様の効果が得られる。さらに、絶縁基
材の厚みTが0.635mmであり、両導体層の厚み
t1、t2が、0.2mm、0.25mm又は0.3mmで
あるので、該放熱用絶縁基板の熱ストレス低減効果及び
ボイド低減効果が一層顕著となる。
板によれば、基本的には、第3の態様にかかる放熱用絶
縁基板の場合と同様の効果が得られる。さらに、絶縁基
材が、アルミナ又は窒化アルミニウムを主成分とするセ
ラミック材料で形成されているので、該放熱用絶縁基板
の耐熱性ないしは耐クラック性が高められる。
よれば、本発明の第1〜第4の態様のいずれか1つにか
かる放熱用絶縁基板が用いられているので、回路導体の
電流容量が確保されるとともに、絶縁基材内に発生する
熱ストレスが低減され、該半導体装置の性能を維持しつ
つ、その耐クラック性を高めることができる。あるい
は、半田材内にボイドが残留するのを低減ないしは防止
することができ、また生産性の向上により該半導体装置
を安価に生産することができる。
用絶縁基板)の側面断面図である。
際における、絶縁基板及び金属板の側面断面図である。
回路側導体層の厚みt1と裏面導体層の厚みt2との比率
t1/t2に対する依存性を示すグラフである。
層の厚みt1と絶縁基材の厚みTとの比率t1/Tに対す
る依存性を示すグラフである。
t2より大きい、従来の絶縁基板の側面断面図である。
合する際における、絶縁基板及び金属板の側面断面図で
ある。
t2より小さい、従来の絶縁基板の側面断面図である。
t2より小さい、もう1つの従来の絶縁基板及びこれに
半田接合される金属板の側面断面図である。
4 裏面導体層、 5半田材、 6 絶縁基板、 10
1 金属板、 102 絶縁基材、 103回路側導体
層、 104 裏面導体層、 105 半田材、 10
6 絶縁基板、 107 ボイド。
Claims (5)
- 【請求項1】 板状の絶縁基材と、 前記絶縁基材の一方の広がり面に固着された、半導体素
子との接合用の第1の導体層と、 前記絶縁基材の他方の広がり面に固着された、ヒートシ
ンクとして機能する金属板との接合用の第2の導体層と
を備えている放熱用絶縁基板であって、 前記第1の導体層の厚みt1と前記絶縁基材の厚みTと
の比率t1/Tと、前記第2の導体層の厚みt2と前記絶
縁基材の厚みTとの比率t2/Tとが、それぞれ、0.3
以上かつ0.5以下の範囲内に設定されていることを特
徴とする放熱用絶縁基板。 - 【請求項2】 前記第1の導体層の厚みt1と前記第2
の導体層の厚みt2とがほぼ同一であることを特徴とす
る請求項1に記載の放熱用絶縁基板。 - 【請求項3】 前記絶縁基材の厚みTが0.635mm
であり、前記第1及び第2の導体層の厚みt1及びt
2が、それぞれ、0.2mm、0.25mm又は0.3mm
であることを特徴とする請求項2に記載の放熱用絶縁基
板。 - 【請求項4】 前記絶縁基材が、アルミナ又は窒化アル
ミニウムを主成分とするセラミック材料で形成されてい
ることを特徴とする請求項3に記載の放熱用絶縁基板。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1つに記載の放
熱用絶縁基板と、前記放熱用絶縁基板の第1の導体層に
接合された半導体素子と、前記放熱用絶縁基板の第2の
導体層に半田材を用いて半田接合された、ヒートシンク
として機能する金属板とを備えていることを特徴とする
半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000225292A JP2002043457A (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 放熱用絶縁基板及び半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000225292A JP2002043457A (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 放熱用絶縁基板及び半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2002043457A true JP2002043457A (ja) | 2002-02-08 |
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ID=18719088
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2000225292A Pending JP2002043457A (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 放熱用絶縁基板及び半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2002043457A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006245437A (ja) * | 2005-03-04 | 2006-09-14 | Hitachi Metals Ltd | セラミックス回路基板およびパワーモジュール並びにパワーモジュールの製造方法 |
JP2010050415A (ja) * | 2008-08-25 | 2010-03-04 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
JP2015050347A (ja) * | 2013-09-02 | 2015-03-16 | トヨタ自動車株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
-
2000
- 2000-07-26 JP JP2000225292A patent/JP2002043457A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006245437A (ja) * | 2005-03-04 | 2006-09-14 | Hitachi Metals Ltd | セラミックス回路基板およびパワーモジュール並びにパワーモジュールの製造方法 |
JP2010050415A (ja) * | 2008-08-25 | 2010-03-04 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
JP2015050347A (ja) * | 2013-09-02 | 2015-03-16 | トヨタ自動車株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
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