JP2006278558A - Insulated heat transmission structure and substrate for use of power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関し、特に、半導体チップなどの電子部品、電子部品が実装される回路基板、絶縁伝熱構造体及びこれを備えるパワーモジュール用基板に関するものである。 The present invention relates to an insulated heat transfer structure and a manufacturing method thereof, and more particularly to an electronic component such as a semiconductor chip, a circuit board on which the electronic component is mounted, an insulated heat transfer structure, and a power module substrate including the same. .
従来、図15に示すように、DBA(Al/AlN/Al)、DBC(Cu/AlN/Cu)などからなる絶縁基板101の一方の面にハンダ層102を介して半導体チップなどの電子部品103を実装し、絶縁基板101の他方の面にハンダ層102を介してAlSiC、Cu/Mo/Cuなどからなる放熱板104を接合し、放熱板104に熱伝導グリース層105を介してAl、Cuからなるヒートシンク106を接合したパワーモジュール用基板100が知られている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 15, an
このような構成のパワーモジュール用基板100にあっては、半導体チップなどの電子部品103から発生する熱を放熱板104を介してヒートシンク106に伝達させて放散させることにより、半導体チップなどの電子部品103に作用する熱負荷を軽減させることができるものである。
In the power module substrate 100 having such a configuration, the heat generated from the
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板100aにあっては、放熱板104とヒートシンク106との間に熱伝導グリース層105を介装させて熱伝導性を高めているが、熱伝導グリース層105では熱抵抗を充分に低減させることができず、半導体チップなどの電子部品103の熱を効率良く伝導させて放散させることができない。
By the way, in the
一方、上記のような問題に対処するため、図16及び図17に示すように、絶縁基板101と放熱板104との間、及び放熱板104とヒートシンク106との間をロウ付け層107を介して接合することにより、熱抵抗を低減させるように構成したパワーモジュール用基板100b、100cが知られている。
On the other hand, in order to cope with the above problems, as shown in FIGS. 16 and 17, a
しかし、絶縁基板101の熱膨張率(7×10−6/K)、放熱板104の熱膨張率(10〜15×10−6/K)、及びヒートシンク106の熱膨張率(Al:23×10−6/K、Cu:15〜16×10−6/K)がそれぞれ異なることから、ロウ付け作業後の冷却過程、実使用時の温度サイクルなどによる熱変形によって、絶縁基板101と放熱板104との間及び、放熱体とヒートシンクとの間に剥離、亀裂などが生じてしまう。
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたもので、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱することができると共に、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても長期にわたって安定した性能を発揮することができる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and can efficiently conduct heat from the heat generating body side to the heat dissipating body side to dissipate heat, and can be subjected to thermal deformation by an action such as a temperature cycle. It is an object of the present invention to provide an insulated heat transfer structure and a power module substrate that can exhibit stable performance over a long period of time.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
請求項1に係る発明は、純Al又はAl合金からなる板状の伝熱部材の表面の少なくとも一部に絶縁層を備えた絶縁伝熱構造体であって、前記絶縁層は、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、1又は2以上の組成からなるセラミックスが伝熱部材に直接成膜されたセラミックス層を備えていることを特徴とする。
The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems.
The invention according to
この発明によれば、絶縁層が純Al(純度99.99%以上の4N−Al)又はAl合金からなる伝熱部材の表面に、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、1種類のセラミックス又は2種類以上のセラミックスが混合された組成のセラミックスが直接成膜されたセラミックス層を備えているので、絶縁層から伝熱部材に熱が移動する際に熱的界面がなく、熱伝導が効率的に行なわれる。また、伝熱部材を構成する純Al又はAl合金と、Al2O3、Si3N4、AlNの1種類又は2種類以上のセラミックスからなるセラミックス層はともに熱伝導率が高く、高い冷却能の絶縁伝熱構造体が得られる。また、純Al又はAl合金の表面に、セラミックスが直接成膜された構成とされているので、接合強度が高く、またセラミックス層を10μmから100μmと薄く形成可能であり、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、剥がれやクラックの発生が抑制され、安定した品質と性能を長期にわたって発揮することができる。 According to this invention, the insulating layer has a surface of a heat transfer member made of pure Al (4N-Al having a purity of 99.99% or more) or an Al alloy, and Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN Since it has a ceramic layer on which a ceramic of a type or a mixture of two or more types of ceramics is directly formed, there is no thermal interface when heat is transferred from the insulating layer to the heat transfer member. Conduction is performed efficiently. Moreover, the pure Al or Al alloy constituting the heat transfer member and the ceramic layer made of one or more kinds of ceramics of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 and AlN both have high thermal conductivity and high cooling ability. Insulating heat transfer structure is obtained. Moreover, since the ceramic is directly formed on the surface of pure Al or Al alloy, the bonding strength is high, and the ceramic layer can be formed as thin as 10 μm to 100 μm. Even when subjected to thermal deformation, peeling and cracking are suppressed, and stable quality and performance can be exhibited over a long period of time.
請求項2に係る発明は、請求項1記載の絶縁伝熱構造体であって、請求項1記載の絶縁伝熱構造体であって、前記セラミックス層は、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、少なくとも2以上の組成のセラミックスからなることを特徴とする。
この発明によれば、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、2種類以上を混合して構成された組成の複合セラミックスのセラミックス層として形成することで、熱膨張率を2.8×10−6/K〜7.7×10−6/K、熱伝導率を24W/m・K〜200W/m・Kの間で熱膨張率、熱伝導率を所望の値にして、セラミックス層内の温度分布や、その温度分布における熱膨張差による歪を抑制し、セラミックス層、ひいては絶縁層の剥がれ、クラックを抑制することができる。
The invention according to
According to this invention, the coefficient of thermal expansion is 2.8 by forming as a ceramic layer of a composite ceramic having a composition composed of a mixture of two or more of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN. Ceramics with x10 −6 / K to 7.7 × 10 −6 / K, thermal conductivity between 24 W / m · K to 200 W / m · K, and desired thermal expansion coefficient and thermal conductivity Strain due to temperature distribution in the layer and thermal expansion difference in the temperature distribution can be suppressed, and the ceramic layer and thus the insulating layer can be prevented from peeling and cracking.
請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2記載の絶縁伝熱構造体であって、前記絶縁層は、前記直接成膜されたセラミックス層の表面側に、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、1又は2以上の組成からなるセラミックスであって、前記セラミックス層とは組成の異なるセラミックス層が1以上積層されていることを特徴とする。
この発明によれば、絶縁層は、Al2O3、Si3N4、AlNのうち1又は2以上から構成されたセラミックス層が伝熱部材に直接成膜されるとともに、その表面側にAl2O3、Si3N4、AlNのうち1又は2以上から構成され、該セラミックス層とは組成が異なるセラミックス層が積層して形成されているので、各セラミックス層に所望の値の熱伝導率や熱膨張率を持たせ、絶縁層内を移動する熱流や熱膨張を調整することにより、各セラミックス層内、及び各セラミックス層間の温度分布や歪を制御して、これらセラミックス層、ひいては絶縁層の剥がれ、クラックを抑制することができる。
ことができる。
The invention according to claim 3 is the insulated heat transfer structure according to
According to this invention, the insulating layer is formed by directly forming a ceramic layer composed of one or more of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN on the heat transfer member, and Al on the surface side. A ceramic layer composed of one or more of 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN and having a composition different from that of the ceramic layer is formed by laminating, so that each ceramic layer has a desired value of heat conduction. The temperature distribution and strain in each ceramic layer and between each ceramic layer are controlled by adjusting the heat flow and thermal expansion that move in the insulating layer by adjusting the heat flow rate and the thermal expansion coefficient, and these ceramic layers and thus the insulation. Layer peeling and cracking can be suppressed.
be able to.
請求項4に係る発明は、請求項3記載の絶縁伝熱構造体であって、前記積層されたセラミックス層の熱膨張率は、前記伝熱部材から絶縁層の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されていることを特徴とする。
この発明によれば、積層されたセラミックス層の熱膨張率は、伝熱部材から絶縁層の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されているので、絶縁層の表面側に発熱体が配置されて、絶縁層の表面側が高温に、伝熱部材側が表面側よりも低い温度となった場合、各セラミックス層の熱膨張率×温度で決定付けられる、各セラミックス層間に生じる熱膨張の差を小さくすることができ、絶縁層の表面側と伝熱部材側の歪を抑制して、セラミックス層、ひいては絶縁層の剥がれやクラックを抑制することができる。
The invention according to
According to the present invention, the thermal expansion coefficient of the laminated ceramic layers is configured to gradually decrease from the heat transfer member toward the surface side of the insulating layer, so that the heating element is provided on the surface side of the insulating layer. When the surface side of the insulating layer is at a high temperature and the heat transfer member side is at a lower temperature than the surface side, the difference in thermal expansion that occurs between the ceramic layers is determined by the thermal expansion coefficient of each ceramic layer x temperature. The strain on the surface side of the insulating layer and the heat transfer member side can be suppressed, and peeling and cracking of the ceramic layer, and consequently the insulating layer, can be suppressed.
請求項5に係る発明は、請求項1記載から請求項4のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記伝熱部材は、伝熱部材本体に放熱用フィン又は冷媒流路が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、伝熱部材本体に放熱用フィンが形成され、又は伝熱部材本体内部に冷媒流路が形成されている。かかる構成にすることにより、セラミックス層から入った熱が、接合面等の熱伝導率が異なる熱的界面を通過することなく放熱用フィン又冷媒流路に到達し、冷媒によって熱が奪われることで効率的に冷却することができる。
The invention according to
According to this invention, the fin for heat dissipation is formed in the heat transfer member main body, or the refrigerant flow path is formed inside the heat transfer member main body. With this configuration, heat entering from the ceramic layer reaches the heat radiation fins or the refrigerant flow path without passing through the thermal interface with different thermal conductivity such as the joint surface, and the heat is taken away by the refrigerant. Can be cooled efficiently.
請求項6に係る発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記伝熱部材は、放熱用フィン又冷媒流路を有するヒートシンクに接続されていることを特徴とする。
この発明によれば、伝熱部材が、放熱用フィン又は冷媒流路を有するヒートシンクに接続されているので、セラミックス層から入った熱がヒートシンクから奪われ、効率的に冷却することができる。
また、ヒートシンクが伝熱部材とは別体であるため、製造するのが容易である。
The invention according to claim 6 is the insulated heat transfer structure according to any one of
According to the present invention, since the heat transfer member is connected to the heat sink having the heat radiation fins or the refrigerant flow path, the heat entered from the ceramic layer is taken away from the heat sink and can be efficiently cooled.
Further, since the heat sink is separate from the heat transfer member, it is easy to manufacture.
請求項7に係る発明は、請求項1から請求項6のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記セラミックス層の上面には高熱伝導体層が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、セラミックス層の上面(伝熱部材と反対側に位置する表面側の面、以下同じ)には高熱伝導体層が形成されているため、熱伝導率が高く、また、発熱体をハンダ等により容易に接合することができる。
The invention according to claim 7 is the insulated heat transfer structure according to any one of
According to this invention, since the high thermal conductor layer is formed on the upper surface of the ceramic layer (the surface on the side opposite to the heat transfer member, hereinafter the same), the thermal conductivity is high, and the heat generation The bodies can be easily joined with solder or the like.
請求項8に係る発明は、請求項7に記載の絶縁伝熱構造体であって、高熱伝導体層はAl、Cu、Ag又はAuからなることを特徴とする。
この発明によれば、Al、Cu、AgまたはAuの熱伝導率が高いことから、発熱体の熱が良好に伝達されることになる。また、Alは、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる熱硬化が少ないことから、信頼性が向上する。
The invention according to claim 8 is the insulated heat transfer structure according to claim 7, wherein the high thermal conductor layer is made of Al, Cu, Ag, or Au.
According to the present invention, since the thermal conductivity of Al, Cu, Ag, or Au is high, the heat of the heating element is transferred well. In addition, Al has a small deformation stress with respect to the strain amount and is less hardened by a thermal cycle, so that reliability is improved.
請求項9に係る発明は、請求項7又は請求項8に記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層には半導体チップを搭載するための回路が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、回路上に半導体チップを搭載して、この半導体チップで発生した熱を、半導体チップが搭載された一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層に伝導することができる。
The invention according to claim 9 is the insulated heat transfer structure according to claim 7 or claim 8, wherein a circuit for mounting a semiconductor chip is formed in the high thermal conductor layer. And
According to this invention, a semiconductor chip is mounted on a circuit, and heat generated in the semiconductor chip can be conducted from one high thermal conductor layer on which the semiconductor chip is mounted to the other high thermal conductor layer. .
請求項10に係る発明は、請求項7から請求項9のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層が分割して形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、高熱伝導体層の1つに半導体チップを搭載して、他の高熱伝導体層と、この半導体チップの電極をワイヤなどで接続し、電子回路として使用することができる。
The invention according to
According to the present invention, a semiconductor chip is mounted on one of the high thermal conductor layers, and the other high thermal conductor layer and the electrode of the semiconductor chip are connected by the wire or the like, and can be used as an electronic circuit.
請求項11に係る発明は、請求項10に記載の絶縁伝熱構造体であって、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの1つの厚みが、他の前記高熱伝導体層のうちの少なくとも1つの厚みと異なることを特徴とする。
この発明によれば、分割形成された高熱伝導体層の厚みを適宜変更することで、過渡熱を抑制することができる。
The invention according to claim 11 is the insulated heat transfer structure according to
According to this invention, transient heat can be suppressed by appropriately changing the thickness of the separately formed high thermal conductor layer.
請求項12に係る発明は、請求項7から請求項11のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層の表面が、ニッケルメッキ層によって被覆されていることを特徴とする。
この発明によれば、ニッケルメッキ層によってハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
The invention according to claim 12 is the insulated heat transfer structure according to any one of claims 7 to 11, wherein a surface of the high thermal conductor layer is covered with a nickel plating layer. And
According to the present invention, since the nickel plating layer provides good bondability with solder, high heat dissipation can be maintained. Therefore, the product life is improved.
請求項13に係る発明は、請求項7から請求項12のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層の少なくとも一部に、端子構造が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、端子構造を介して他の電子回路などと接続される。
The invention according to claim 13 is the insulated heat transfer structure according to any one of claims 7 to 12, wherein a terminal structure is formed on at least a part of the high thermal conductor layer. Features.
According to this invention, it connects with another electronic circuit etc. via a terminal structure.
請求項14に係る発明は、パワーモジュール用基板であって、請求項7から請求項13のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体の前記高熱伝導体層の上面に半導体チップが設けられたことを特徴とする。
この発明によれば、上述と同様に、高熱伝導体層と絶縁伝熱層との間に剥離や亀裂が生じない。また、半導体チップの生じる熱が伝導されたときに、より効率よく放熱することができる。
The invention according to claim 14 is a power module substrate, wherein a semiconductor chip is provided on the upper surface of the high thermal conductor layer of the insulated heat transfer structure according to any one of claims 7 to 13. It is characterized by.
According to this invention, as described above, no peeling or cracking occurs between the high thermal conductor layer and the insulating heat transfer layer. Further, when heat generated by the semiconductor chip is conducted, heat can be radiated more efficiently.
この発明にかかる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板によれば、伝熱部材とセラミックス層を備えた絶縁層が直接接合され界面がないので熱伝導が効率的に行なわれるとともに、セラミックス層と伝熱部材とが充分な強度で接合されているので、絶縁層の剥がれやクラックの発生が抑制され、高い信頼性と性能を得ることができる。
また、絶縁層内における熱歪の影響を小さくして、セラミックス層の剥がれやクラックの発生を抑制することができる。
また、部品点数を削減することができるので、製造工程の簡素化、製造コストの削減を実現することができる。
According to the insulated heat transfer structure and the power module substrate according to the present invention, since the heat transfer member and the insulating layer including the ceramic layer are directly joined and there is no interface, heat conduction is efficiently performed, and the ceramic layer and Since the heat transfer member is joined with a sufficient strength, peeling of the insulating layer and generation of cracks are suppressed, and high reliability and performance can be obtained.
In addition, the influence of thermal strain in the insulating layer can be reduced, and the occurrence of peeling or cracking of the ceramic layer can be suppressed.
Moreover, since the number of parts can be reduced, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明にかかる絶縁伝熱構造体の第1の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態による絶縁伝熱構造体1は、図1に示すように、例えば、1000系(JIS 1050)等のAl合金からなる板状の伝熱部材4の表面の少なくとも一部に絶縁層2を備えている。
絶縁層2は、図2に示すように、第1のセラミックス層(セラミックス層)6と、第2のセラミックス層(セラミックス層)7と、第3のセラミックス層(セラミックス層)8とを備えており、第1のセラミックス層6は、例えばAl2O3からなるセラミックス粒子を原料として、伝熱部材4の表面に常温衝撃固化現象によって直接成膜されている。
Hereinafter, a first embodiment of an insulated heat transfer structure according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the insulating
As shown in FIG. 2, the insulating
また、第1のセラミックス層6は、伝熱部材4の表面のAl合金結晶粒子とAl2O3粒子を粒子間結合させて直接成膜されたAl2O3の結合層の表面側にさらにAl2O3が粒子間結合により、例えば30μmの厚さに形成されている。
第2のセラミックス層7は、例えば、Al2O3とSi3N4とを混合して構成された組成であり、第1のセラミックス層6の表面側に、例えば厚さ30μmに形成されている。
第3のセラミックス層8は、第2のセラミックス層7の表面側にAl2O3とAlNとを混合して構成された組成のセラミックス粒子を原料として、第2のセラミックス層7の表面側に、例えば厚さ40μmに形成されている。
このように、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、1又は2以上の組成からなるセラミックスを原料とした第1のセラミックス層6とは組成の異なるセラミックス層7、8が、2層ほど、粒子間結合により連続的に積層され、例えば厚さ100μmの絶縁層2として構成されている。
The first ceramic layer 6 is further formed on the surface side of the Al 2 O 3 bonding layer formed directly by bonding Al alloy crystal particles and Al 2 O 3 particles on the surface of the
The second ceramic layer 7 has a composition formed by mixing, for example, Al 2 O 3 and Si 3 N 4, and is formed on the surface side of the first ceramic layer 6 with a thickness of, for example, 30 μm. Yes.
The third ceramic layer 8 is formed on the surface side of the second ceramic layer 7 by using ceramic particles having a composition formed by mixing Al 2 O 3 and AlN on the surface side of the second ceramic layer 7. For example, it is formed to a thickness of 40 μm.
Thus, ceramic layers 7 and 8 having a composition different from that of the first ceramic layer 6 made of ceramics having a composition of one or more of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN are 2 The layers are continuously laminated by interparticle bonding, and are configured as an insulating
絶縁層2の厚さは、10μmから100μmとされることが好適であり、絶縁層2の厚さが10μm以上とされるので、絶縁性と、外力に対する絶縁層2の機械的強度が充分に確保され、絶縁層2の厚さが100μm以下とされるので、絶縁層2における良好な熱伝導と、絶縁層2の表裏間の温度差が小さくなりクラックの発生が抑制される。
The thickness of the insulating
次に、上述した構成の絶縁伝熱構造体1の製造方法について、図3にもとづいて説明する。図3(a)は、絶縁層2を形成するために用いるエアロゾルデポジション(以下、ADという)装置の構成を示したものであり、図3(b)は、伝熱部材4へのセラミックスからなる絶縁層2の形成状態を示す図である。
AD装置70の構成は、高圧ガス供給源71と、エアロゾル発生器72と、成膜チャンバー73と、高圧ガス供給源71とエアロゾル発生器72とを連通可能に接続する配管74と、エアロゾル発生器72と成膜チャンバー73とを連通可能に接続する搬送チューブ75とを備えており、成膜チャンバー73内は真空ポンプ76によって約50Paから約1kPaに減圧可能とされている。成膜チャンバー73内には、被成膜物と成膜用マスクとを載置するとともにノズル78に対して、相対的に移動可能とするためのXYZθステージが設けられている。
Next, a method for manufacturing the insulated
The configuration of the
次にAD装置70の動作について説明する。
まず、高圧ガス供給源71からエアロゾル発生器72にガスを供給し、エアロゾル発生器72内で微粒子とガスを攪拌、混合してエアロゾル化する。
エアロゾル発生器72と真空ポンプ76によって減圧された成膜チャンバー73との間には圧力差が発生し、この圧力差によって生じるガス流れによってエアロゾル化された微粒子は搬送チューブ75内で加速されつつノズル78に移送され、セラミックスの微粒子は成膜チャンバー73内にてノズル78から被成膜物に噴射される。
噴射されたセラミックス微粒子81は、被成膜物である伝熱部材4に高速で衝突し、新生面形成による活性効果により粒子間結合する。
Next, the operation of the
First, gas is supplied from the high-pressure
A pressure difference is generated between the
The ejected ceramic
被成膜物である伝熱部材4にノズル78から噴射されたセラミックス粒子81を成膜する部分の概略は、図3(b)に示すように、成膜予定部を開口させたマスク79を用いて伝熱部材4を覆い、ノズル78に対してマスク79と伝熱部材4とをXYZθステージにより所定位置に移動させるとともに、マスク79の開口部を通じて伝熱部材4の表面にセラミックスの粒子81を高速にて衝突させてセラミックス層6、7,8を形成させる。
As shown in FIG. 3B, the outline of the portion where the
上記実施の形態の絶縁層2の場合、例えばAl2O3からなる第1のセラミックス層6を形成した後、Al2O3粒子とSi3N4粒子を混合して構成された組成のセラミックス粒子を原料として、Al2O3からなるセラミックス層の表面側に噴射してAl2O3とSi3N4からなる第2のセラミックス層7を形成し、さらにその表面側に、例えばAl2O3粒子とAlN粒子を混合して構成された組成のセラミックス粒子を原料として噴射して第3の第2のセラミックス層8を形成する。
When the insulating
このようにして、Al2O3、からなるセラミックス層と、Al2O3とSi3N4の組成からなるセラミックス層7と、Al2O3とAlNの組成からなるセラミックス層8とが、順次、連続的に積層された絶縁層2が形成される。
また、各セラミックス層6、7、8の形成は、AD装置70のエアロゾル発生器72内のセラミックス原料を交換することによって行なわれる。
In this way, a ceramic layer composed of Al 2 O 3,, the ceramic layer 7 having the composition of Al 2 O 3 and Si 3 N 4, and a ceramic layer 8 having the composition of Al 2 O 3 and AlN, Insulating
The ceramic layers 6, 7, and 8 are formed by exchanging ceramic raw materials in the
成膜における製造条件の概略は以下のとおりである。
被成膜物の温度 常温
成膜チャンバーの真空度 約100〜200Pa
原料粒子径 0.08〜2μm
原料粒子の噴射速度 約300〜1000m/秒
このようにして、伝熱部材4の表面に直接成膜されたセラミックス層6、及びセラミックス層7、セラミックス層8は相対密度95%以上、密着強度約20MPa以上と優れた特性を有している。
また、成膜レートが、約5〜50μm/分と高く、また、成膜可能な厚みが約0.5μm〜約1mmと幅広いため、幅広い仕様の製品に対応可能であり、また、製造コストを削減することができる。
The outline of the manufacturing conditions in film formation is as follows.
Deposition object temperature Normal temperature Deposition chamber vacuum degree 100-200 Pa
Raw material particle size 0.08-2 μm
The injection speed of the raw material particles is about 300 to 1000 m / sec. Thus, the ceramic layer 6 directly formed on the surface of the
In addition, the film formation rate is as high as about 5 to 50 μm / min, and the film-forming thickness is as wide as about 0.5 μm to about 1 mm. Can be reduced.
このように構成された絶縁伝熱構造体1によれば、伝熱部材4を構成するAl合金と、前記絶縁層を構成するAl2O3、Si3N4、AlNを原料として構成される組成のセラミックスは熱伝導率が高いので、冷却能の高い絶縁伝熱構造体1が得られる。
また、セラミックス層6、7、8からなる絶縁層2がAl合金からなる伝熱部材4の表面に、Al2O3から構成されるセラミックス層6が直接成膜されているので、絶縁層2から伝熱部材4に移動する熱に熱的界面がなく、熱伝導が効率的に行なわれる。
According to the insulating
Moreover, since the ceramic layer 6 made of Al 2 O 3 is directly formed on the surface of the
また、Al合金の表面に、第1のセラミックス層6が直接成膜されて絶縁層2が構成されているので接合強度が高く、また、約0.5μm〜約1mmと薄く形成されるので、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても第1のセラミックス層6の表裏間の温度差が小さく、第1のセラミックス層6の剥がれやクラックの発生が抑制され、安定した品質と性能を長期にわたって発揮することができる。
In addition, since the first ceramic layer 6 is directly formed on the surface of the Al alloy and the insulating
また、第1のセラミックス6と第2のセラミックス7、第2のセラミックス7と第3のセラミックス8の間が、直接接合されているので相互間の接合強度が高く、これら相互のセラミックス層相互間の剥がれ、クラックの発生が抑制される。
また、セラミックス層相互間に熱的界面が存在しないので、これらセラミックス層相互間の熱伝導率が高く、良好な熱伝導の絶縁層が得られる。
また、上記のような構成とすることで、絶縁基板や放熱板等の構成部品が不要となり、部品点数の削減、製造工程や部品取扱の簡素化、製造コストの削減を実現することができる。
Further, since the first ceramic 6 and the second ceramic 7 and the second ceramic 7 and the third ceramic 8 are directly bonded, the bonding strength between them is high. Peeling and cracking are suppressed.
Further, since there is no thermal interface between the ceramic layers, the thermal conductivity between these ceramic layers is high, and an insulating layer having good thermal conductivity can be obtained.
Further, by adopting the above-described configuration, components such as an insulating substrate and a heat radiating plate are unnecessary, and it is possible to reduce the number of components, simplify the manufacturing process and handling of components, and reduce manufacturing costs.
次に、第2の実施形態について図4を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第1の実施形態と同様であり、上述の第1の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図4において図1と同一構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
第2の実施形態におけるパワーモジュール用基板5は、伝熱部材4の表面に絶縁層2が形成され、絶縁層2の上面側に純Al(純度99.99%以上の4N−Al)からなる高熱伝導体層が形成され、高熱伝導体層が分割され回路層3a、3bとして配置されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板5によれば、上述した第1の実施形態と同様に、高熱伝導体層3a、3bから伝熱部材4への熱伝導が効率よく行われるとともに、電気的回路を形成することができる。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.
The embodiment described here has the same basic configuration as the first embodiment described above, and is obtained by adding another element to the first embodiment described above. Therefore, in FIG. 4, the same components as those in FIG.
In the
According to the
次に、第3の実施形態について図5を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図5において図4と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第3の実施形態におけるパワーモジュール用基板10は、高熱伝導体層3a、3bの表面がニッケルメッキ層(以下、Niメッキ層と省略する)16で被覆されている。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described second embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described second embodiment. Therefore, in FIG. 5, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板10においても、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層3a、3bの表面をNiメッキ層16で被覆することによって、ハンダを用いて他の部材と接合するときに、ハンダとの良好な接合が得られるので、高い放熱性と信頼性を確保することができる。したがって、製品寿命が向上する。
The
次に、第4の実施形態について図6を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図6において図4と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第4の実施形態におけるパワーモジュール用基板15は、絶縁層2の上面側に互いに厚さの異なるCu製の高熱伝導体層3a、3bがヒートブロックとして配置されている。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described second embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described second embodiment. Therefore, in FIG. 6, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板15によれば、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、分割形成された高熱伝導体層3a、3bの厚みを適宜変更することで、過渡熱を効率よく抑制することができる。
According to the
次に、第5の実施形態について図7を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第4の実施形態と同様であり、上述の第4の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図7において図6と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第5の実施形態におけるパワーモジュール用基板20は、上述した第4の実施形態のパワーモジュール用基板15の高熱伝導体層3a、3bの表面がNiメッキ層16で被覆されている。
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG.
The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described fourth embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described fourth embodiment. Therefore, in FIG. 7, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板20は、上述した第4の実施形態の作用、効果に加え、高熱伝導体層3a、3bの表面をNiメッキ層16で被覆することによって、ハンダとの良好な接合性が得られるので、上述した第3の実施形態と同様に、高い放熱性と信頼性を確保することができる。したがって、製品寿命が向上する。
The
次に、第6の実施形態について図8を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図8において図4と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第6の実施形態におけるパワーモジュール用基板25は、Al合金の伝熱部材4の表面に絶縁層2が形成され、絶縁層2の上側に高熱伝導体層3としてCu製の回路層が配置されている。そして、高熱伝導体層3である回路層の表面にハンダ層31を介して半導体チップ32が実装されている。
Next, a sixth embodiment will be described with reference to FIG.
The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described second embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described second embodiment. Therefore, in FIG. 8, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板25によれば、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ32がハンダ層31を介して高熱伝導体層3に良好に接続されるので、半導体チップ32で生じた熱を高熱伝導体層3を介して伝熱部材4に効率よく放熱することができる。
According to the
次に、第7の実施形態について図9を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第6の実施形態と同様であり、上述の第6の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図9において図8と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第7の実施形態におけるパワーモジュール用基板30は、Al合金からなる伝熱部材4の一つ面に放熱用フィン4aが形成されている。
Next, a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described sixth embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described sixth embodiment. Therefore, in FIG. 9, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板30によれば、上述した第6の実施形態と同様の作用、効果を有し、伝熱部材4と放熱用フィン4aの間に熱的界面がないので伝熱が妨げられることなく、伝熱部材4に伝わってきた熱が放熱用フィン4aから効率よく放熱される。
According to the
次に、第8の実施形態について図10を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第3の実施形態と同様であり、上述の第3の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図10においては図5と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第8の実施形態におけるパワーモジュール用基板35は、Alなどからなる伝熱部材4の一方の面に絶縁層2が形成され、絶縁層2の上面側に高熱伝導体層3a、3bの表面をNiメッキ層16で被覆したCu製の回路層が配置されている。また、パワーモジュール用基板35は、Al合金からなる伝熱部材4の一つ面に放熱用フィン4aが形成されている。
Next, an eighth embodiment will be described with reference to FIG. The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the above-described third embodiment, and another element is added to the above-described third embodiment. Therefore, in FIG. 10, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板35によれば、上述した第3の実施形態と同様の作用、効果を有し、伝熱部材4と放熱用フィン4aの間に熱的界面がないので伝熱が妨げられることなく、伝熱部材4に伝わってきた熱が放熱用フィン4aから効率よく放熱される。
According to the
次に、第9の実施形態について図11を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第3の実施形態と同様であり、上述の第3の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図11においては、図5と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第9の実施形態におけるパワーモジュール用基板40は、Alなどからなる伝熱部材4の一方の面に絶縁層2が形成され、絶縁層2の上面側に高熱伝導体層が形成され、高熱伝導体層の表面をNiメッキ層16で被覆したCu製の回路層3a及びCu製の端子部材3bが配置されている。
Next, a ninth embodiment will be described with reference to FIG. The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the above-described third embodiment, and another element is added to the above-described third embodiment. Therefore, in FIG. 11, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板40においても、上述した第3の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層3bを端子構造とすることで、この端子構造を介して他の電子回路などと接続が容易にできる。
The
次に、第10の実施形態について図12を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第6の実施形態と同様であり、上述の第6の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図12において図8と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第10の実施形態におけるパワーモジュール用基板45は、Alなどからなる伝熱部材4の一方の面に絶縁層2が形成され、絶縁層2の上面側に表面をNiメッキ層16で被覆した高熱伝導体層としてのCu製のヒートブロック3a、3bが配置されている。
高熱伝導体層3aの表面には、ハンダ層31を介して半導体チップ32が実装されている。
Next, a tenth embodiment will be described with reference to FIG.
The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described sixth embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described sixth embodiment. Therefore, in FIG. 12, the same components as those in FIG.
In the
A
このように構成されたパワーモジュール用基板45においても、上述した第6の実施形態と同様の作用、効果を有し、半導体チップ32で生じた熱を後述する第11の実施の形態のようにすることで高熱伝導体層3bを介して伝熱部材4に効率よく伝熱させることができる。
The
次に、第11の実施形態について図13を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第10の実施形態と同様であり、上述の第10の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図13においては、図12と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第11の実施形態におけるパワーモジュール用基板50は、伝熱部材4の下面に熱伝導グリース層(図示略)を介在させた状態でネジ56を用いてヒートシンク57が取り付けられている。
また、高熱伝導体層3aの表面には、ハンダ層31を介して半導体チップ32が実装されており、半導体チップ32の表面と高熱伝導体層3bの表面とをAlワイヤ51で接続されている。
Next, an eleventh embodiment will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the tenth embodiment described above, and another element is added to the above-described tenth embodiment. Therefore, in FIG. 13, the same components as those in FIG.
In the
A
このように構成されたパワーモジュール用基板50においても、上述した第10の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ32で生じた熱がヒートシンク57で放熱させる。
また、半導体チップ32と高熱伝導体層3bとがAlワイヤ51によって接続されているので、半導体チップ32で生じた熱が高熱伝導体層3bを介して伝熱部材4に効率よく伝熱される。また、伝熱部材4とヒートシンク57が個別に製作されるので、製作が容易である。
The
Moreover, since the
次に、第12の実施形態について図14を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第10の実施形態と同様であり、上述の第10の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図14において図12と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第12の実施形態におけるパワーモジュール用基板55は、伝熱部材4の本体に冷媒を通じるための冷媒流路4b形成されており、高熱伝導体層3aの表面には、ハンダ層31を介して半導体チップ32が実装されており、半導体チップ32の表面と高熱伝導体層3bの表面とをAlワイヤ51で接続されている。
Next, a twelfth embodiment will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the tenth embodiment described above, and another element is added to the above-described tenth embodiment. Therefore, in FIG. 14, the same components as those in FIG.
The power module substrate 55 in the twelfth embodiment is formed with a
このように構成されたパワーモジュール用基板55においても、上述した第11の実施形態と同様の作用、効果を有し、伝熱部材4の本体に冷媒を通じるための冷媒流路4bが形成されており、伝熱部材4と冷媒流路4bを通る冷媒との間の熱伝導に関する熱的界面がないため熱伝導が妨げられることなく、効率よく冷却される。
The power module substrate 55 configured in this way also has the same operation and effect as the above-described eleventh embodiment, and the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施の形態においては、伝熱部材4としてAl合金を用いた場合について説明したが、Al合金に代えて純Alを用いてもよい。
また、絶縁層2を構成するセラミックスとして、第1のセラミックス層6としてAl2O3を、第2のセラミックス層7として、Al2O3とSi3N4とを混合したセラミックスを、第3のセラミックス層8として、Al2O3とAlNとを混合したセラミックスを用いて、合計で積層数3の場合について説明したが、セラミックス層6、7、8を構成するセラミックスの組成及び積層数については、適宜必要に応じて選択することができる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above embodiment, the case where an Al alloy is used as the
Further, as the ceramic constituting the insulating
また、上記実施の形態においては、絶縁層2の厚さを100μmとし、絶縁層2を構成する第1のセラミックス層6、第2のセラミックス層7、第3のセラミックス層8の厚さをそれぞれ30μm、30μm、40μmとしたが、絶縁層2の厚さ、絶縁層2を構成する各セラミックス層の厚さについては任意の厚さに設定可能である。
また、第1のセラミックス層6、第2のセラミックス層7、第3のセラミックス層8の順に、絶縁層2の熱膨張率が順次小さくなる構成について説明したが、熱膨張率に関する各セラミックス層の配置を順次小さくする構成としなくてもよい。
また、第1のセラミックス層6、第2のセラミックス層7第3のセラミックス層8の配置順序を、熱伝導率や、熱膨張率と熱伝導率の双方により制御してもよい。
Moreover, in the said embodiment, the thickness of the insulating
In addition, the configuration in which the thermal expansion coefficient of the insulating
Further, the arrangement order of the first ceramic layer 6, the second ceramic layer 7, and the third ceramic layer 8 may be controlled by the thermal conductivity, both the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity.
また、セラミックス層6を直接成膜により形成する方法,第1のセラミックス層6と第2のセラミックス層7、第2のセラミックス層7と第3のセラミックス層8とを直接接合する方法として、AD法を用いる場合について説明したが、プラズマ溶射やレーザ溶射を用いて直接成膜又は直接接合させてもよく、また、積層するセラミックス層ごとに、AD法、プラズマ溶射、レーザ溶射を任意に変更して、複数の成膜方法を適用することによってセラミックス層6、7、8を形成させてもよい。 In addition, as a method of directly forming the ceramic layer 6 by film formation, a method of directly bonding the first ceramic layer 6 and the second ceramic layer 7, and the second ceramic layer 7 and the third ceramic layer 8, AD Although the case where the method is used has been described, the film may be directly formed or directly bonded using plasma spraying or laser spraying, and the AD method, plasma spraying, or laser spraying may be arbitrarily changed for each ceramic layer to be laminated. The ceramic layers 6, 7, 8 may be formed by applying a plurality of film forming methods.
また、上記実施の形態における伝熱部材4に形成される放熱用フィン、冷媒流路の有無、高伝熱体層3、端子部材3b、ニッケルメッキ層16、ハンダ層31、半導体チップ32、ヒートシンク57、取付けネジ56等に関する組合せについては、自在に選択可能である。
Further, the heat radiation fin formed on the
また、高熱伝導体層3として用いられる材料は、Cu、純Alのほか、熱伝導率が50W/mK以上、好ましくは150W/mK以上であればよく、ビッカース硬さがHv50〜100の純金属(Cu、Ag、Auなど)や、それらの合金などを用いることができる。また、これらに限定することなく、同様の特性を有する純金属、合金などを用いてもよい。
In addition to Cu and pure Al, the material used for the high thermal conductor layer 3 may have a thermal conductivity of 50 W / mK or higher, preferably 150 W / mK or higher, and a pure metal having a Vickers hardness of
この発明にかかるパワーモジュール用基板によれば、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱し、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができ、産業上の利用可能性が認められる。 According to the power module substrate of the present invention, the heat on the heat generating body side is efficiently conducted to the heat radiating body side to dissipate heat, and stable performance is exhibited over a long period of time even if it is subjected to thermal deformation due to an action such as a temperature cycle. And industrial applicability is recognized.
1 絶縁伝熱構造体
2 絶縁層
3、3a、3b 高熱伝導体層
4 伝熱部材
4a 放熱用フィン
4b 冷媒流路
5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55 パワーモジュール用基板
6、7、8 セラミックス層
16 Niメッキ層(ニッケルメッキ層)
32 半導体チップ
57 ヒートシンク
DESCRIPTION OF
32 Semiconductor chip 57 Heat sink
Claims (14)
前記絶縁層は、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、1又は2以上の組成からなるセラミックスが伝熱部材に直接成膜されたセラミックス層を備えていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 An insulating heat transfer structure including an insulating layer on at least a part of the surface of a plate-like heat transfer member made of pure Al or an Al alloy,
The insulating layer includes a ceramic layer in which ceramics having a composition of one or more of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN are directly formed on a heat transfer member. Heat transfer structure.
前記セラミックス層は、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、少なくとも2以上の組成のセラミックスからなることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 An insulated heat transfer structure according to claim 1,
The ceramic layer is made of ceramics having a composition of at least two of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN.
前記絶縁層は、前記直接成膜されたセラミックス層の表面側に、Al2O3、Si3N4、AlNのうち、1又は2以上の組成からなるセラミックスであって、前記セラミックス層とは組成の異なるセラミックス層が1以上積層されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 An insulated heat transfer structure according to claim 1 or claim 2,
The insulating layer is a ceramic having a composition of one or more of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN on the surface side of the directly formed ceramic layer. An insulating heat transfer structure, wherein one or more ceramic layers having different compositions are laminated.
前記積層されたセラミックス層の熱膨張率は、前記伝熱部材から絶縁層の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 An insulated heat transfer structure according to claim 3,
The insulating heat transfer structure is configured such that the thermal expansion coefficient of the laminated ceramic layers is gradually decreased from the heat transfer member toward the surface side of the insulating layer.
前記伝熱部材は、伝熱部材本体に放熱用フィン又は冷媒流路が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 An insulated heat transfer structure according to any one of claims 1 to 4,
The heat transfer member is an insulated heat transfer structure in which a heat dissipation fin or a refrigerant flow path is formed in a heat transfer member body.
前記高熱伝導体層の少なくとも一部に、端子構造が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 An insulated heat transfer structure according to any one of claims 7 to 12,
An insulating heat transfer structure, wherein a terminal structure is formed on at least a part of the high thermal conductor layer.
A power module substrate, wherein a semiconductor chip is provided on an upper surface of the high thermal conductor layer of the insulated heat transfer structure according to any one of claims 7 to 13.
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