JP2005116767A - Heat dissipation member, circuit board, and semiconductor component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子などの発熱性電子部品を搭載する放熱部材並びに回路基板及びそれらに半導体素子を組み付けた半導体部品に関する。 The present invention relates to a heat radiating member on which a heat generating electronic component such as a semiconductor element is mounted, a circuit board, and a semiconductor component in which a semiconductor element is assembled.
電気自動車、ハイブリッド車、家庭用機器のインバーター制御に用いられるIGBT等に組み込まれるパワーモジュールやスイッチング電源モジュール等のいわゆる発熱性電子部品は、文字通り通電により発熱する。この熱は半導体素子等の正常な動作を妨げたり、回路基板に亀裂を生じさせる等のトラブル要因になるため、通常、これら発熱性電子部品には銅板やアルミニウム板等の放熱部材が一体に設けられている。そして多くの場合、さらなる熱対策として前記放熱部材の下面にヒートシンクが取り付けられる。 So-called exothermic electronic components such as power modules and switching power supply modules incorporated in IGBTs used for inverter control of electric vehicles, hybrid vehicles, and household devices literally generate heat when energized. Since this heat causes troubles such as hindering normal operation of semiconductor elements and causing cracks in the circuit board, usually these heat-generating electronic components are integrally provided with heat dissipation members such as copper plates and aluminum plates. It has been. In many cases, a heat sink is attached to the lower surface of the heat radiating member as a further heat countermeasure.
金属等からなる放熱板の両面にセラミックス部材を接合して複層構造にすると、反りのない高性能の放熱部材が得られる。
本発明は斯かる複層構造の放熱部材をさらに改良するべくなされたもので、具体的には、製造時の歩留が高くしかも耐熱サイクル性に優れた放熱部材の提供を目的とする。
When a ceramic member is joined to both surfaces of a heat radiating plate made of metal or the like to form a multilayer structure, a high-performance heat radiating member without warping can be obtained.
The present invention has been made to further improve such a heat radiating member having a multilayer structure. Specifically, an object of the present invention is to provide a heat radiating member having a high yield at the time of manufacture and excellent heat cycle resistance.
請求項1に記載したように、金属等からなる放熱板の両面にセラミックス部材を接合してなる放熱部材であって、前記セラミックス部材の他の部材に接する接合面の面粗度Raを2.0μm以下にした放熱部材を提供する。
また、請求項2に記載したように前記セラミックス部材は、破壊靭性が5MPam0.5以上、3点曲げ強度が500MPa以上、熱伝導率が50W/mK以上である請求項1記載の放熱部材を提供する。
また、請求項3に記載したように前記セラミックス部材は、窒化珪素を主成分とし、該窒化珪素にIIa族元素の成分を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の放熱部材を提供する。
また、請求項4に記載したように前記セラミックス部材の窒化珪素は80〜99重量%、また、セラミックス部材のIIa族元素の成分は酸化物換算で0.3〜8重量%である請求項3記載の放熱部材を提供する。
また、請求項5に記載したように、請求項1乃至4の何れか一つに記載の放熱部材の前記二枚のセラミックス部材のうちの何れか一方の外面に回路金属層を一体に接合してなる回路基板を提供する。
また、請求項6に記載したように、請求項1乃至4の何れか一つに記載の放熱部材又は請求項5に記載の回路基板に半導体素子を設けてなる半導体部品を提供する。
As described in
Further, as described in claim 2, the ceramic member has a fracture toughness of 5 MPam 0.5 or more, a three-point bending strength of 500 MPa or more, and a thermal conductivity of 50 W / mK or more. provide.
Further, as described in
Further, as described in claim 4, the silicon nitride of the ceramic member is 80 to 99% by weight, and the component of group IIa element of the ceramic member is 0.3 to 8% by weight in terms of oxide. A heat dissipation member as described is provided.
In addition, as described in
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor component in which a semiconductor element is provided on the heat dissipating member according to any one of the first to fourth aspects or the circuit board according to the fifth aspect.
請求項1記載の発明では、放熱板の両面にセラミックス部材を接合してなる放熱部材に対し、前記セラミックス部材の例えば放熱板に接する接合面の JIS B 0601 に準拠する面粗度Raを2.0μm以下にすることで、製造時の歩留と耐熱サイクル性の飛躍的な向上が同時に達成できる。
In the invention of
また、放熱部材においてセラミックス部材の破壊靭性、3点曲げ強度、熱伝導率の三要素は極めて重要であり、これらを請求項2に記載した値に規定することで、製造時の歩留が高く、耐熱サイクル性に優れ、十分な放熱特性を持った放熱部材が得られる。ちなみに破壊靭性が5MPam0.5以上であると、衝撃によるクラック等への脆さによる製造時の歩留の低下を抑制し且つクラックに対する耐性不足による耐熱サイクル性の低下を抑制する。また、曲げ強度が500MPa以上であると、取り扱いが容易で製造時に壊れづらく歩留の低下を抑制し且つ熱応力に対する耐性不足による耐熱サイクル性の低下を抑制する。また、熱伝導率が50W/mK以上であると放熱特性が十分で温度の上昇を抑制する。なお、本発明において、破壊靭性の測定はJIS R 1607、3点曲げ強度の測定はJIS R 1601、熱伝導率の測定はJIS R 1611によって行うことができる。 In addition, in the heat dissipation member, the three elements of fracture toughness, three-point bending strength, and thermal conductivity of the ceramic member are extremely important. By defining these values to the values described in claim 2, the yield during manufacture is high. A heat dissipating member having excellent heat cycle characteristics and sufficient heat dissipating characteristics can be obtained. Incidentally, when the fracture toughness is 5 MPam 0.5 or more, the decrease in production yield due to brittleness to cracks due to impact is suppressed, and the decrease in heat cycleability due to insufficient resistance to cracks is suppressed. In addition, when the bending strength is 500 MPa or more, handling is easy, and it is difficult to break during manufacturing, thereby suppressing a decrease in yield and suppressing a decrease in heat cycleability due to insufficient resistance to thermal stress. Further, if the thermal conductivity is 50 W / mK or more, the heat dissipation characteristics are sufficient and the temperature rise is suppressed. In the present invention, fracture toughness can be measured by JIS R 1607, three-point bending strength can be measured by JIS R 1601, and thermal conductivity can be measured by JIS R 1611.
請求項3記載の発明で素材として選択した窒化珪素は、絶縁板として使用できるセラミックスの中で強度、靭性などの機械的特性が優れていてセラミックス部材に最適であり、さらにその窒化珪素に加えたIIa族元素の成分が、セラミックス部材の熱伝導率の高レベル維持、焼結性の向上、生産性の向上という作用を発揮し、それらの相乗効果で放熱部材の製造時の歩留と耐熱サイクル性の向上に大きく貢献する。そして前記窒化珪素とIIa族元素の成分の酸化物換算量は請求項4に記載した範囲の割合で配合するのが最もよい。
Silicon nitride selected as a material in the invention of
また、前記構成の放熱部材に回路金属層を一体に接合してなる請求項5記載の回路基板や、前記構成の放熱部材又は回路基板に半導体素子を設けてなる請求項6記載の半導体部品も上記の利益が享受できる。
The circuit board according to
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図1は放熱部材の分解斜視図、図2は半導体部品の分解斜視図、図3は使用状態を示す正面図、図4は曲げ試験を示す概略の正面図である。
放熱部材1は、図1の分解斜視図に示したように放熱板1aの上下両面にセラミックス部材1b,1cを接合してなる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 is an exploded perspective view of the heat radiating member, FIG. 2 is an exploded perspective view of the semiconductor component, FIG. 3 is a front view showing a use state, and FIG. 4 is a schematic front view showing a bending test.
As shown in the exploded perspective view of FIG. 1, the
前記放熱板1aは放熱性を備えていればどのようなものでもよいが、好ましくはAl又はAlにCu、Si、Mgなどの中から一種又は二種以上の金属を加えたAl合金、或いはCu又はCuにFe、Ag、Zr、Mo、Wなどの中から一種又は二種以上を加えたCu合金、Al−SiC等のような金属とセラミックスの複合材がよい。これらの材料は放熱性に優れしかも低コストだからである。
The
また、セラミックス部材1b,1cは、例えば窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等で形成されるが、好ましくは窒化珪素がよい。そしてさらに好ましくは窒化珪素にIIa族元素の成分を加えて焼成したものがよく、なかでも80〜99重量%の窒化珪素成分に、酸化物換算で0.3〜8重量%のIIa族元素の成分を添加したものが最もよい。ちなみに窒化珪素量が80重量%以上では熱伝導率の低下を抑制し且つ粒界層部分に対する窒化珪素粒子部分の割合が十分に確保され接合強度の低下が抑制される。また、IIa族元素の成分の量が酸化物換算で0.3重量%以上では焼結性の低下が抑制され、逆に8重量%以下であると粒界層部分が過剰にならず接合強度の低下が抑制される。
前記IIa族元素の成分は、Mg、Ca、Sr、Baよりなり、IIa族元素の単体又はIIa族元素の酸化物、窒化物、炭窒化物などのIIa族元素を含む化合物の中から1種を単独成分又は2種以上を使用する。これらのIIa族元素の成分を含有させることにより、セラミックス部材1b,1cの熱伝導率の高レベル維持、焼結性の向上、生産性の向上に大きく貢献する。
The
The component of the group IIa element is composed of Mg, Ca, Sr, and Ba, and is one kind of a compound containing a group IIa element such as a single group IIa element or an oxide, nitride, or carbonitride of the group IIa element. Are used alone or in combination of two or more. Inclusion of these IIa group elements greatly contributes to maintaining a high level of thermal conductivity, improving sinterability, and improving productivity of the
しかしてセラミックス部材1b,1cは、 JIS R 1607 に準拠する破壊靭性が5MPam0.5以上、 JIS R 1601 に準拠する3点曲げ強度(図4の支点間距離x=30mm)が500MPa以上、 JIS R 1611 に準拠する熱伝導率が50W/mK以上、となるように材質・寸法が決められる。例えば、80〜99重量%の窒化珪素成分に、酸化物換算で0.3〜8重量%のIIa族元素の成分を添加し、その他の成分としてIIIa族元素の成分(例えば酸化イッテルビウム(Yb2O3))を加えてセラミックス材料を製造し、そのセラミックス材料で板厚0.2mm〜0.5mmに加工したセラミックス部材1b,1cは上記性質を充足する。なお、上記性質を充足しているかはセラミックス部材1b,1cと同じ材料のJIS規定の試料片を用いて確認する。
Therefore, the
前記放熱板1aとセラミックス部材1b,1cは、例えばろう付け法、ダイレクト・ボンデッド・カッパー法等により接合するが、本発明のセラミックス部材1b,1cは、放熱板1aとの接合面が JIS B 0601 に準拠する面粗度Ra=2.0μm以下に仕上げられている。
The
図2は前記放熱部材1の一方(例えば図2において上側)のセラミックス部材1bの外面に回路金属層3aを接合して回路基板3としたものである。回路金属層3aの材料は、好ましくはAl又はAlにCu、Si、Mgなどの中から一種又は二種以上の金属を加えたAl合金、或いはCu又はCuにFe、Ag、Zr、Mo、Wなどの中から一種又は二種以上を加えたCu合金等がよい。前記回路金属層3aはセラミックス部材1bに対し、例えばろう付け法、ダイレクト・ボンデッド・カッパー法等により接合するが、本発明のセラミックス部材1bは、回路金属層3aとの接合面である図2における上面も JIS B 0601 に準拠する面粗度Ra=2.0μm以下に仕上げられている。
この回路金属層3aの上に半導体素子4a,4aを半田付け等で設置することによりパワーモジュールやスイッチング電源モジュール等の半導体部品4が出来る。
FIG. 2 shows a
By installing the
以上のようにして形成した半導体部品4は、図3に示したようにヒートシンク5等の取付部に対し、放熱部材1の四コーナーに固定用治具7を設けその固定用治具7に形成した透孔7aにネジ6を通して固定する。
The semiconductor component 4 formed as described above is formed on the
縦×横×厚みが70mm×40mm×3mmであるCu製の放熱板1aに、表1の割合のセラミックス材料からなるセラミックス部材1b,1cをろう付けして実施例1〜13の放熱部材1を製造し、セラミックス部材接合後の歩留と、耐熱サイクル性について試験した。なお、本実施例においてはIIa族元素の成分としてMgOを用い、IIIa族元素の成分としてYb2O3を用いた。耐熱サイクル性の試験は、室温→−40℃→室温→125℃→室温の熱サイクルを繰り返し、接合面に入るクラック或いは接合部の剥離状況を観察した。
また、比較のため、前記実施例1〜13と同じ放熱板1aに、表1の割合のセラミックス材料からなるセラミックス部材1b,1cをろう付けして比較例1〜9の放熱部材1を製造し、実施例1〜13と同様にセラミックス部材接合後の歩留と、耐熱サイクル性について試験した。その結果を表1に示す。
For comparison, the
表1の実施例1〜4と比較例1,2の放熱部材1は、セラミックス部材1b,1cのセラミックス特性中、接合面の面粗度のみ異ならせたものである。この実施例1〜4と比較例1,2の接合後歩留と耐熱サイクル性に関するデータによれば、セラミックス部材1b,1cの面粗度が放熱部材1の歩留と耐熱サイクル性に明らかに影響を与えていることが確認でき、特にセラミックス部材1b,1cの面粗度Raが2.0μm以下の場合に接合後歩留と耐熱サイクル性の両面で満足できる成果が得られている、ということが確認できた。
その他にも比較例3〜6と実施例1〜13の比較によりセラミックス部材1b,1cの破壊靭性、曲げ強度、熱伝導率が放熱部材1の歩留と耐熱サイクル性を高めるために重要であって、本発明の規定範囲内で満足できる成果が得られていること、また、比較例7〜9と実施例1〜13の比較によりセラミックス部材1b,1cを構成する窒化珪素とIIa族元素の成分の配合比率が放熱部材1の歩留と耐熱サイクル性を高めるために重要であって、本発明の規定範囲内で満足できる成果が得られていることが確認できた。
The
In addition, by comparing Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 13, the fracture toughness, bending strength, and thermal conductivity of the
なお、本発明はもちろん本実施例にとらわれない。例えば本実施例においては固定用治具7を用いて半導体部品4をヒートシンク5に設置したが、放熱部材1の例えば四コーナーに透孔を形成し、その透孔にネジを通して固定してもよい。
また、本実施例においては、IIa族元素の成分およびIIIa族元素の成分として酸化物を用いたが、単体もしくは他の化合物でもよい。
さらに、セラミックス部材1b,1cには、特性を阻害しない範囲であれば、着色あるいは特性改善のためにIVa,Va,VIa族元素の成分を1種以上含有させてもよい。
Of course, the present invention is not limited to this embodiment. For example, in this embodiment, the semiconductor component 4 is installed on the
In this embodiment, oxides are used as the IIa group element component and the IIIa group element component, but they may be simple substances or other compounds.
Furthermore, the
1 …放熱部材
1a…放熱板(セラミックス部材に接合する他の部材)
1b…セラミックス部材
1c…セラミックス部材
3 …回路基板
3a…回路金属層(セラミックス基板に接合する他の部材)
4 …半導体部品
4a…半導体素子
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
4 ...
Claims (6)
前記セラミックス部材の他の部材に接する接合面の面粗度Raを2.0μm以下にしたことを特徴とする放熱部材。 A heat radiating member formed by joining ceramic members on both sides of a heat radiating plate made of metal or the like,
A heat radiating member characterized in that a surface roughness Ra of a bonding surface in contact with another member of the ceramic member is 2.0 μm or less.
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JP2003348903A JP2005116767A (en) | 2003-10-07 | 2003-10-07 | Heat dissipation member, circuit board, and semiconductor component |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016181715A (en) * | 2010-11-22 | 2016-10-13 | 株式会社東芝 | Ceramic heat sink material for pressure contact structure, and semiconductor module using the same |
-
2003
- 2003-10-07 JP JP2003348903A patent/JP2005116767A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016181715A (en) * | 2010-11-22 | 2016-10-13 | 株式会社東芝 | Ceramic heat sink material for pressure contact structure, and semiconductor module using the same |
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