JP2007067228A - Circuit board - Google Patents
Circuit board Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007067228A JP2007067228A JP2005252394A JP2005252394A JP2007067228A JP 2007067228 A JP2007067228 A JP 2007067228A JP 2005252394 A JP2005252394 A JP 2005252394A JP 2005252394 A JP2005252394 A JP 2005252394A JP 2007067228 A JP2007067228 A JP 2007067228A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wiring layer
- circuit board
- cooling medium
- thermal expansion
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は例えば半導体装置や電子部品が搭載される回路基板に関する。 The present invention relates to a circuit board on which, for example, a semiconductor device or an electronic component is mounted.
回路基板に搭載(実装)された半導体装置や電子部品等から発生する熱を放散させるため、一般にヒートシンクが用いられる。ヒートシンクを金属製とした場合は、金属と半導体装置等との熱膨張係数の差が大きく、冷熱サイクル寿命が短くなる。そこで、AlSiC系複合材料製のヒートシンク備えたヒートシンク付きセラミック回路基板が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1では、セラミック基板の両面にAl−Si系ろう材を介して第1及び第2アルミニウム板が積層接着され、AlSiC系複合材料により形成されたヒートシンクが第1アルミニウム板の表面に積層接着される。第2アルミニウム板はエッチングにより所定のパターンの回路となる。
A heat sink is generally used to dissipate heat generated from a semiconductor device or electronic component mounted (mounted) on a circuit board. When the heat sink is made of metal, the difference in thermal expansion coefficient between the metal and the semiconductor device or the like is large, and the thermal cycle life is shortened. Therefore, a ceramic circuit board with a heat sink provided with a heat sink made of an AlSiC-based composite material has been proposed (for example, see Patent Document 1). In
また、小型薄型化電子部品との接続信頼性に優れ、高密度実装が可能な多層プリント配線板が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。特許文献2の多層プリント配線板は、繊維、粒子などの副材料と合成樹脂との混合体よりなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に設けたパターンとにより構成したプリント基板を用い、該プリント基板を複数枚積層して構成される。そして、前記多層プリント配線板における少なくとも最外層のパターンは、前記絶縁基板よりも小さい熱膨張係数を有する金属よりなる。前記金属としては42アロイ、コバール、銅−インバー−銅合金、ステンレススチールが挙げられている。
ところが、特許文献1の構成では、基板(セラミック基板)の他にヒートシンクが必要なため、部品点数が増える。また、このようにヒートシンクを備えた回路基板においては、回路基板に実装される半導体装置や電子部品等から発生する熱量が少ない場合はヒートシンクからの放熱で十分である。しかし、前記熱量が多い場合は、ヒートシンクをより冷却機能の高い冷却部に接続して使用する必要がある。冷却機能の高い冷却部としては冷却媒体が強制的に流れる通路を有するケースやブロックがある。その場合、ヒートシンクは、ケース等にネジにより固定される。その際、ヒートシンクとケースとの対向する表面の凹凸を埋めるためグリース層が介在される。グリースの熱伝導率は0.8W/(mK)程度と低く、ヒートシンクと冷却部との間の熱抵抗が増加するため、半導体装置等の大電流化やモジュールの小型化の障害となっている。
However, the configuration of
また、特許文献2には基板の表面に絶縁基板よりも小さな熱膨張係数を有する金属製のパターンを設けることは開示されているが、目的は熱膨張係数の差を小さくすることにあり、放熱性に関しては配慮されていない。例えば、42アロイやコバールは熱伝導率が10W/(mK)程度のため放熱性が悪くなる。 Further, Patent Document 2 discloses that a metal pattern having a smaller thermal expansion coefficient than that of an insulating substrate is provided on the surface of the substrate, but the object is to reduce the difference in thermal expansion coefficient, and to dissipate heat. No consideration is given to sex. For example, 42 alloy and Kovar have a heat conductivity of about 10 W / (mK), and thus the heat dissipation becomes worse.
本発明は前記の従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、例えば、パワー素子のように発熱の大きな半導体装置等を搭載するのに好適で、放熱板やヒートスプレッダを設ける必要がなく、モジュールを組み立てる際の部品点数を少なくできる回路基板を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and its purpose is suitable for mounting a semiconductor device that generates a large amount of heat, such as a power element, for example, and it is necessary to provide a heat sink and a heat spreader. It is an object of the present invention to provide a circuit board that can reduce the number of components when assembling a module.
前記の目的を達成するため請求項1に記載の発明は、廃熱機能を有する基板上に、熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さい金属複合材製の配線層が絶縁層を介して設けられている。ここで、「廃熱機能を有する」とは、放熱だけでなく、冷却媒体等により強制的に熱が除去される機能を備えている」ことを意味する。また、「金属複合材」とは、一種類の金属単体ではなく、複数の金属あるいは金属とセラミックスとが複合されたものを意味する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a wiring layer made of a metal composite material having a thermal expansion coefficient larger than that of a silicon semiconductor chip and smaller than copper is provided on a substrate having a waste heat function via an insulating layer. Is provided. Here, “having a waste heat function” means not only heat dissipation but also a function of forcibly removing heat by a cooling medium or the like. The “metal composite material” means not a single metal element but a composite of a plurality of metals or metals and ceramics.
この発明では、配線層が設けられる基板自身が廃熱機能を備えているため、半田を介して配線層上に実装された半導体装置や電子部品等から発生する熱が、放熱板やヒートスプレッダを設けることなく効率良く除去され、基板上に搭載される半導体装置の大電流化やモジュールの小型化が容易になる。また、配線層は、全体としてその熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さいため、半導体装置と配線層との熱膨張係数の差が従来より小さくなり、冷熱サイクルの寿命が長くなるとともに、半田接続部の信頼性が向上する。 In the present invention, since the substrate itself provided with the wiring layer has a waste heat function, the heat generated from the semiconductor device or electronic component mounted on the wiring layer via the solder provides the heat sink or the heat spreader. Therefore, the semiconductor device mounted on the substrate can be increased in current and the module can be easily downsized. In addition, since the thermal expansion coefficient of the wiring layer as a whole is larger than that of the silicon semiconductor chip and smaller than that of copper, the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor device and the wiring layer is smaller than before, and the life of the cooling cycle is increased. The reliability of the solder connection portion is improved.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記配線層は、配線層上に実装された部品の熱膨張係数に対応して厚さが変化している。この発明では、配線層を構成する材料の熱膨張係数は、配線層の厚さが厚くなるほど小さくなるため、配線層の厚さを部分的に変化させることにより、熱膨張係数が部分的に異なる配線層が得られる。一方、配線層上に実装される半導体装置及び電子部品の熱膨張係数は、物によって異なる。従って、配線層の厚さを配線層上に実装された部品の熱膨張係数に対応して変化させた構成とすれば、冷熱サイクルにおいて半田接続部に無理な力が加わるのがより抑制される。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the wiring layer has a thickness that changes in accordance with a coefficient of thermal expansion of a component mounted on the wiring layer. In this invention, since the thermal expansion coefficient of the material constituting the wiring layer becomes smaller as the thickness of the wiring layer increases, the thermal expansion coefficient is partially different by partially changing the thickness of the wiring layer. A wiring layer is obtained. On the other hand, the thermal expansion coefficients of the semiconductor device and the electronic component mounted on the wiring layer differ depending on objects. Therefore, if the thickness of the wiring layer is changed in accordance with the thermal expansion coefficient of the component mounted on the wiring layer, it is possible to further suppress an excessive force from being applied to the solder connection portion in the thermal cycle. .
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記配線層は、熱伝導率が30W/(mK)以上である。
配線層の熱伝導率が半田の熱伝導率より低いと、配線層上に実装された半導体装置等から発生した熱が配線層の部分で基板側に伝達され難くなる。半田の熱伝導率が30W/(mK)程度であるため、この発明では、配線層の熱伝導率が半田の熱伝導率以上となり、配線層が熱伝達のネックになることが抑制される。
The invention according to claim 3 is the invention according to
If the thermal conductivity of the wiring layer is lower than the thermal conductivity of the solder, it is difficult for heat generated from a semiconductor device or the like mounted on the wiring layer to be transmitted to the substrate side in the wiring layer portion. Since the thermal conductivity of the solder is about 30 W / (mK), in the present invention, the thermal conductivity of the wiring layer becomes higher than the thermal conductivity of the solder, and the wiring layer is suppressed from becoming a heat transfer bottleneck.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、
前記配線層は、銅とインバーの複合部を挟んで両面に銅層が配置された構成である。ここで、インバー(Invar)とは、Ni(ニッケル)が36重量%で残りが実質的にFe(鉄)の合金である。また、銅とインバー(Invar)の複合部とは、銅層とインバー層が単に積層された構成ではなく、同一層中に銅の領域とインバーの領域とが存在し、インバーの領域は連続しており、銅の領域は多数の領域に分割されている構成のものを意味する。そのため、銅とインバーの複合部は、その熱膨張係数及び熱伝導率が銅の領域とインバーの領域との面積比によって変化する。この発明では、配線層の熱膨張係数及び熱伝導率を配線層上に搭載される半導体装置や電子部品等に対応した適切な値に設定するのが容易になる。
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of
The said wiring layer is the structure by which the copper layer was arrange | positioned on both surfaces on both sides of the composite part of copper and Invar. Here, Invar is an alloy of 36% by weight of Ni (nickel) and substantially the remainder of Fe (iron). The composite part of copper and Invar is not a structure in which a copper layer and an Invar layer are simply stacked, but a copper region and an Invar region exist in the same layer, and the Invar region is continuous. The copper region means a structure divided into a number of regions. Therefore, the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the composite part of copper and invar vary depending on the area ratio between the copper region and the invar region. In this invention, it becomes easy to set the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the wiring layer to appropriate values corresponding to the semiconductor device, electronic component, etc. mounted on the wiring layer.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、
前記配線層は、AlSiC系複合材料部を挟んで両面にアルミニウム層が配置された構成である。この発明では、配線層の熱膨張係数及び熱伝導率を配線層上に搭載される半導体装置や電子部品等に対応した適切な値に設定するのが容易になる。
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of
The wiring layer has a configuration in which an aluminum layer is disposed on both sides of an AlSiC composite material portion. In this invention, it becomes easy to set the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the wiring layer to appropriate values corresponding to the semiconductor device, electronic component, etc. mounted on the wiring layer.
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の発明において、
前記基板は、冷却媒体が流れる冷却媒体通路を備えている。この発明では、冷却媒体通路を流れる冷却媒体により基板から熱が除去され、配線層の熱が効率良く基板に伝達され、配線層上に実装された半導体装置や電子部品等の冷却効率が向上する。
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of
The substrate includes a cooling medium passage through which a cooling medium flows. In the present invention, heat is removed from the substrate by the cooling medium flowing through the cooling medium passage, the heat of the wiring layer is efficiently transferred to the substrate, and the cooling efficiency of the semiconductor device or electronic component mounted on the wiring layer is improved. .
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記冷却媒体通路は、車両に装備された冷却媒体循環路に連通可能に形成されている。この発明の回路基板は、例えば、車載用として使用される場合、車両に装備された冷却媒体循環路に接続されて使用され、前記冷却媒体循環路を流れる冷却媒体が基板の冷却媒体通路を流れる。従って、回路基板専用の冷却媒体循環用ポンプ等を必ずしも設ける必要がない。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, the cooling medium passage is formed so as to be able to communicate with a cooling medium circulation path installed in a vehicle. For example, when the circuit board of the present invention is used for in-vehicle use, the circuit board is connected to a cooling medium circulation path installed in a vehicle, and the cooling medium flowing through the cooling medium circulation path flows through the cooling medium passage of the board. . Therefore, it is not always necessary to provide a cooling medium circulation pump dedicated to the circuit board.
請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の発明において、
前記絶縁層は、接着機能を備えた樹脂で形成されている。この発明では、基板と配線層との接合が容易になる。
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of
The insulating layer is made of a resin having an adhesive function. In the present invention, the substrate and the wiring layer can be easily joined.
本発明によれば、例えば、パワー素子のように発熱の大きな半導体装置等を搭載するのに好適で、放熱板やヒートスプレッダを設ける必要がなく、モジュールを組み立てる際の部品点数を少なくすることができる。 According to the present invention, for example, it is suitable for mounting a semiconductor device or the like that generates a large amount of heat like a power element, and it is not necessary to provide a heat sink or a heat spreader, and the number of components when assembling a module can be reduced. .
(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図1〜図3に従って説明する。
図1(a)に示すように、回路基板10は、廃熱機能を有する基板11上に、配線層12が絶縁層13を介して設けられている。配線層12は、一般に回路基板で使用される金属製(例えば、銅又はアルミニウム製)の導体パターンより熱膨張係数が小さく形成されている。配線層12の絶縁層13と反対側の面上には、半田14を介して半導体装置(半導体チップ)15等の能動部品やチップ抵抗、チップコンデンサ等の受動部品(図示せず)が実装(搭載)されている。半導体装置15は、図示しないアルミニウムワイヤで回路パターンと接続されている。なお、半導体装置15は複数搭載されているが、図示の都合上、1個のみ図示している。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1A, the
基板11は、アルミニウム系金属で形成されるとともに、図2に示すように、冷却媒体が流れる冷却媒体通路16を備えている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。冷却媒体通路16は、入口部16a及び出口部16bを備え、入口部16a及び出口部16bとの間に複数の通路16cが設けられている。各通路16cは平行に延びる隔壁16dで区画されている。入口部16a及び出口部16bにはパイプ17a,17bが鋳込まれている。パイプ17a,17bは、車両に装備された冷却媒体循環路に連結可能に形成されている。基板11は厚さが10mm程度に形成されている。
The
配線層12は、一般に回路基板で使用される金属製の導体パターンより熱膨張係数が小さい金属複合材で形成されている。具体的には、AlSiC系複合材料部としてのAlSiC部12aを挟んで両面にアルミニウム層12b,12cが配置された構成である。AlSiC部12aは、例えば、炭化ケイ素(SiC)粉末に、無機バインダーを加えて混合し、その混合物を成形し、得られた成形物を焼成した焼結体に溶融状態のアルミニウム(Al)を成形型内で加圧状態で注入することにより形成される。AlSiC部12aは、使用するSiC粉末の粒径や充填率等によってSiCとAlとの体積比が異なり、その熱膨張係数や熱伝導率等の物性が異なる。配線層12は、所望の厚さのAlSiC部12aを挟むようにアルミニウム層12b,12cとなる所望の厚さのアルミニウム板を配置し、加圧状態でアルミニウムの溶融温度まで加熱してAlSiC部12aにアルミニウム板を積層接着させることにより、全体として熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さい金属複合材製の配線層12が形成される。
The
配線層12の熱膨張係数は、全体の厚さあるいはAlSiC部12a及びアルミニウム層12b,12cの厚さを変更することにより、広い範囲で変更することができる。例えば、図1(b)に示すように、AlSiC部12aの厚さt1を3.0mm、アルミニウム層12b,12cの厚さt2,t3をそれぞれ0.4mmとした配線層12を基準にして、厚さt1及び厚さt2,t3の比を変えずに全体の厚さを変更した場合、配線層12の厚さと熱膨張係数との関係は図3に示すようになる。配線層12の熱膨張係数は、厚さが100μm〜5000μmの範囲で、6.5×10−6〜25×10−6/℃まで自由に変更することが可能である。なお、図3において、縦軸の熱膨張係数の値を示す数字の後に付いているE−06とは、×10−6を意味し、E−05とは、×10−5を意味する。シリコン半導体チップの熱膨張係数の値は2.6×10−6/℃であり、銅の熱膨張係数の値は17.5×10−6/℃である。
The thermal expansion coefficient of the
この実施形態では、配線層12は、厚さが2.5mm、熱膨張係数が10.5×10−6/℃、熱伝導率が240W/(mK)にそれぞれ設定されたものが使用されている。即ち、配線層12は、熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さく形成されている。また、配線層12は、熱伝導率が30W/(mK)以上に形成されている。
In this embodiment, the
絶縁層13は、接着機能を備えた樹脂で形成されている。この実施の形態では、絶縁層13にエポキシ樹脂が使用され、熱伝導率を高めるためにアルミフィラーが充填されている。絶縁層13は、厚さが例えば120μmに形成され、熱膨張係数は58×10−6/℃で、熱伝導率は5W/(mK)程度である。
The insulating
次に前記のように構成された回路基板10の製造方法を説明する。基板11は、冷却媒体通路16の形状に対応した中子を使用して、アルミニウムの鋳造により形成される。配線層12は、回路パターンの形状に形成され、かつ所望の厚さに対応するAlSiC部12aとなるAlSiC板と、アルミニウム層12b,12cとなるアルミニウム板とが積層されて、加圧状態で加熱されて形成される。また、絶縁層13と対向するように配置されるアルミニウム層12bにはアルマイト処理が施される。
Next, a method for manufacturing the
前記のように形成された基板11上に、アルミニウムフィラーが分散された未硬化のエポキシ樹脂を塗布する。エポキシ樹脂が半硬化の状態で、配線層12を一方のアルミニウム層12bがエポキシ樹脂層と対向するように配置し、加熱プレスしてエポキシ樹脂層を熱硬化させる。絶縁層13と対向するアルミニウム層12bにアルマイト処理が施されているため、配線層12は絶縁層13に対してアンカー効果で強固に接着される。次に、配線層12の上に半田14を介して半導体装置15や図示しない受動部品が実装されて、回路基板10が完成する。
On the
次に前記のように構成された回路基板10の作用を説明する。図2は基板11と冷却媒体循環路18との関係を示す模式図である。なお、絶縁層13より上の部分は図示を省略している。回路基板10は、図2に示すように、冷却媒体循環路18にパイプ17a,17bにおいて連通されて使用される。冷却媒体循環路18にはポンプ19及びラジエータ20が設けられ、ラジエータ20は、モータ21により回転されるファン22を備え、ラジエータ20からの放熱が効率よく行われるようになっている。冷却媒体として、例えば、水が使用される。
Next, the operation of the
回路基板10に搭載された半導体装置15が駆動されて搭載部品から熱が発生すると、その熱は、半田14、配線層12及び絶縁層13を介して基板11に伝達される。基板11は、冷却媒体通路16を流れる冷却媒体によって強制冷却されるため、半導体装置15等から基板11に至る熱の伝達経路における温度勾配が大きくなり、半導体装置15等で発生した熱が効率良く基板11から除去される。
When the
絶縁層13の熱伝導率はグリースの熱伝導率に比較して一桁大きいため、従来技術のようにヒートシンクを冷却機能の高い冷却部にグリースを介して固定した構成に比較して、熱抵抗が小さくなる。従って、半導体装置15で大電流を流して発熱が大きくなっても、熱が効率良く除去されるため、半導体装置15の温度が異常に高くなるのが防止され、半導体装置15の大電流化が可能になる。
Since the thermal conductivity of the insulating
配線層12上に搭載される部品には、半導体装置15の他に、チップ抵抗やチップコンデンサ等がある。シリコン半導体チップの熱膨張係数の値は2.6×10−6/℃で、チップ抵抗の熱膨張係数は7×10−6/℃程度で、チップコンデンサの熱膨張係数は10×10−6/℃程度であるのに対して、配線層12の熱膨張係数は10.5×10−6/℃である。そのため、配線層が銅やアルミニウム等の金属で構成された場合に比較して、半導体装置15等の搭載部品と配線層12との熱膨張係数の差が、搭載部品と一般に回路基板で使用される金属製の導体パターンとの熱膨張係数の差より小さくなり、冷熱サイクルにおいて半田14の接続部に加わる応力が小さくなる。従って、冷熱サイクルの寿命が長くなるとともに、半田接続部の信頼性が向上する。
The components mounted on the
回路基板10が車載用として使用される場合、例えば、車載用のインバータ装置を構成し、エンジンルーム等に設けられる場合、半導体装置15等から発生する熱を効率良く除去する必要がある。この実施形態の回路基板10では、前記のように冷却媒体通路16を流れる冷却媒体により、半導体装置15等から発生する熱が効率良く除去される。また、車両に装備された場合、車両にはエンジン等の冷却に使用する冷却媒体循環路が設けられているため、パイプ17a,17bを介して冷却媒体通路16を車両の冷却媒体循環路に連通させれば、回路基板10専用の冷却媒体循環用ポンプ等を必ずしも設ける必要がない。
When the
この実施の形態では以下の効果を有する。
(1)廃熱機能を有する基板11上に、一般に回路基板で使用される金属製の導体パターンより熱膨張係数が小さい金属複合材製の配線層12が絶縁層13を介して設けられている。従って、半田14を介して配線層12上に実装された半導体装置15や電子部品等から発生する熱が、放熱板やヒートスプレッダを設けることなく効率良く除去され、基板11上に搭載される半導体装置15の大電流化やモジュールの小型化が容易になる。また、配線層12は、全体としてその熱膨張係数が一般に回路基板で使用される金属製の導体パターンより小さいため、半導体装置15と配線層12との熱膨張係数の差が、半導体装置15と前記金属製の導体パターンとの熱膨張係数の差より小さくなり、冷熱サイクルの寿命が長くなるとともに、半田接続部の信頼性が向上する。
This embodiment has the following effects.
(1) On a
(2)配線層12は、熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さく形成されている。従って、半導体装置15と配線層12との熱膨張係数の差が、半導体装置15と一般に回路基板で使用される金属製の導体パターンとの熱膨張係数の差より小さくなる配線層12を容易に製造できる。
(2) The
(3)配線層12は、熱伝導率が240W/(mK)で、半田の熱伝導率(30W/(mK)程度)より大きいため、配線層12上に実装された半導体装置15等から発生した熱が配線層12の部分で基板11側に伝達され難くなることが回避される。
(3) Since the
(4)配線層12は、AlSiC部12aを挟んで両面にアルミニウム層12b,12cが配置された構成である。従って、配線層12の熱膨張係数及び熱伝導率を配線層12上に搭載される半導体装置15や電子部品等に対応した適切な値に設定するのが容易になる。
(4) The
(5)基板11は、冷却媒体が流れる冷却媒体通路16を備えている。従って、冷却媒体通路16を流れる冷却媒体により基板11から熱が除去され、配線層12の熱が効率良く基板11に伝達され、配線層12上に実装された半導体装置15や電子部品の冷却効率が向上する。
(5) The
(6)冷却媒体として水が使用されているため、安価で効率よく基板11の熱を除去することができる。
(7)冷却媒体通路16は、車両に装備された冷却媒体循環路に連通可能に形成されている。回路基板10が、車載用として使用される場合、例えば、車載用のインバータ装置を構成し、エンジンルーム等に設けられる場合、半導体装置15等から発生する熱を効率良く除去する必要がある。その際、車両に装備された冷却媒体循環路を流れる冷却媒体が基板11の冷却媒体通路16を流れる状態で使用することができ、回路基板10専用の冷却媒体循環用ポンプ等を必ずしも設ける必要がない。
(6) Since water is used as the cooling medium, the heat of the
(7) The cooling
(8)絶縁層13は、接着機能を備えた樹脂で形成されている。従って、セラミックスを使用した場合に比較して、基板11と配線層12との接合が容易になる。
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態を図2、図4〜図7に従って説明する。この実施形態は、配線層の構成を変更した点が第1の実施形態と異なり、その他の構成は同じであるため、同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
(8) The insulating
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 4 to 7. This embodiment is different from the first embodiment in that the configuration of the wiring layer is changed, and other configurations are the same. Therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4に示すように、回路基板10は、基板11上に、配線層30が絶縁層13を介して設けられている。配線層30は、一般に回路基板で使用される金属製(例えば、銅又はアルミニウム製)の導体パターンより熱膨張係数が小さく形成されている。配線層30の絶縁層13と反対側の面上には、半田14を介して半導体装置(半導体チップ)15等の能動部品やチップ抵抗、チップコンデンサ等の受動部品(図示せず)が実装(搭載)されている。半導体装置15は、図示しないアルミニウムワイヤで回路パターンと接続されている。図2に示すように、基板11は、第1の実施形態と同様な冷却媒体通路16を備えており、入口部16a及び出口部16bにはパイプ17a,17bが鋳込まれている。パイプ17a,17bは、車両に装備された冷却媒体循環路に連結可能に形成されている。
As shown in FIG. 4, the
図5(a),(b)に示すように、配線層30は、銅とインバーの複合部31aを挟んで両面に銅層31bが配置された複合材31で構成されている。複合材31は、インバーで形成されたエキスパンドメタル32を銅板の間に挟んだ状態で圧延・接合することにより形成される。具体的には銅板の間にエキスパンドメタル32を配置した状態で圧延ロールにより、加熱、圧延して銅板とエキスパンドメタル32とを一体化することで複合材31が形成される。エキスパンドメタル32と銅板との複合化により、エキスパンドメタル32と、エキスパンドメタル32を囲繞するマトリックス金属33の銅とで構成される複合材31が形成される。これにより、全体として熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さい金属複合材製の配線層30が形成される。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the
図5(c)に示すように、圧延・接合後の複合材31の厚さをt11、エキスパンドメタル32の部分の厚さをt12としたとき、(t12)/(t11)が0.2〜0.8となるように、圧延・接合前のエキスパンドメタル32の厚さ、銅板の厚さ及び圧延率が設定される。
As shown in FIG.5 (c), when the thickness of the
また、複合材31は、複合部31aが1層の構成に限らず、複合部31aが複数層、例えば、図6に示すように、複合部31aが2層の構成であってもよい。複合部31aが2層の構成の複合材31は、3枚の銅板と2枚のエキスパンドメタル32とを交互に積層配置した状態で圧延・接合することにより形成される。
Further, the
配線層30の熱膨張係数は、全体の厚さあるいは複合部31a及び銅層31bの厚さを変更することにより、広い範囲で変更することができる。図7は、図4における、アルミニウム製ヒートシンク(基板11)の板厚を4mm、ヤング率77GPa、熱膨張係数を25×10−6/℃、絶縁樹脂(絶縁層13)の板厚を0.12mm、ヤング率530MPa、熱膨張係数を25×10−6/℃、配線層30のヤング率を110GPa、熱膨張係数を11.5×10−6/℃、8.5×10−6/℃、とし、配線層30の板厚を100〜5000μmまで変化させた際の、配線層30の上面(配線層30とはんだ14の接合界面)の熱膨張係数の値をグラフにしたものである。
The thermal expansion coefficient of the
図5(b)に示す3層品の場合、配線層30の熱膨張係数は、厚さが100μm〜5000μmの範囲で、8.0×10−6〜23.5×10−6/℃まで自由に変更することが可能であり、配線層30の厚さを2000μmとした場合、熱膨張係数は11.5×10−6/℃で、熱伝導率は168W/(mK)になる。また、図6に示す5層品の場合、配線層30の熱膨張係数は、厚さが100μm〜5000μmの範囲で、4.0×10−6〜23.0×10−6/℃まで自由に変更することが可能であり、配線層30の厚さを2000μmとした場合、熱膨張係数は8.5×10−6/℃で、熱伝導率は70W/(mK)になる。
In the case of the three-layer product shown in FIG. 5B, the thermal expansion coefficient of the
前記のように構成された回路基板10の製造方法は、配線層12に代えて配線層30が使用される点と、配線層30と絶縁層13との接着力を高めるため、第1の実施形態におけるアルミニウム層12bに対するアルマイト処理に対応して、銅層31bに対する黒化処理が行われる点とが第1の実施形態と異なる。これにより、配線層30は絶縁層13に対してアンカー効果により強固に接着される。また、配線層30は絶縁層13を介して基板11上に設けられた後、エッチングにより所定の回路パターン形状に形成される点も第1の実施形態と異なる。
The manufacturing method of the
前記のように構成された回路基板10は、第1の実施形態の回路基板10と同様にして使用される。この実施形態の回路基板10は、前記第1の実施形態における効果(1),(2),(5)〜(8)と同じ効果を有する他に次の効果を有する。
The
(9)配線層30は、熱伝導率が半田の熱伝導率(30W/(mK)程度)より大きいため、配線層30上に実装された半導体装置15等から発生した熱が配線層30の部分で基板11側に伝達され難くなることが回避され、配線層30が熱伝達のネックになることが防止される。
(9) Since the
(10)配線層30は、複合部31aを挟んで両面に銅層31bが配置された構成である。従って、配線層30の熱膨張係数及び熱伝導率を配線層30上に搭載される半導体装置15や電子部品等に対応した適切な値に設定するのが容易になる。
(10) The
(11)配線層30は、金属の複合材のため、エッチングにより回路パターンに形成でき、第1の実施形態より回路パターンへの加工が容易である。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
(11) Since the
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
○ 配線層12,30は、厚さが一定に限らず、配線層12,30上に実装された半導体装置15及び電子部品等の部品の熱膨張係数に対応して厚さが変化している構成としてもよい。配線層12,30を構成する材料の熱膨張係数は、配線層12,30の厚さが厚くなるほど小さくなるため、熱膨張係数が大きな部品に対応する部分は、熱膨張係数が小さな部品に対応する部分より薄くなるように、配線層12,30の厚さを部分的に変化させることにより、熱膨張係数が部分的に異なる配線層12,30が得られる。一方、配線層12,30上に実装される半導体装置15及び電子部品等の熱膨張係数は、物によって異なる。従って、配線層12,30の厚さを配線層12,30上に実装された部品の熱膨張係数に対応して変化させた構成とすれば、冷熱サイクルにおいて半田接続部に無理な力が加わるのがより抑制される。
The thickness of the wiring layers 12 and 30 is not limited to a constant thickness, and the thickness varies in accordance with the thermal expansion coefficient of the
○ 配線層12,30の厚さが部分的に異なる構成の場合、配線層12,30上に実装された各部品の熱膨張係数にそれぞれ対応させて変化させるのではなく、熱膨張係数が大きな部品が多い部分を、熱膨張係数が小さな部品が多い部分に比較して薄く形成した、厚さが2段階に変化する構成としてもよい。 ○ When the wiring layers 12 and 30 are partially different in thickness, the thermal expansion coefficient is large instead of changing the thermal expansion coefficient corresponding to each component mounted on the wiring layers 12 and 30. It is good also as a structure which formed the part which has many components thinly compared with the part with many components with a small thermal expansion coefficient, and thickness changes in two steps.
○ 配線層12,30の厚さを変更して熱膨張係数を変更する場合、AlSiC部12aの厚さとアルミニウム層12b,12cの厚さとの比、あるいは複合部31aの厚さと銅層31bの厚さとの比を一定にする構成に代えて、それらの厚さの比を変更して熱膨張係数を変更する構成としてもよい。
When changing the thermal expansion coefficient by changing the thickness of the wiring layers 12 and 30, the ratio between the thickness of the
○ AlSiC部12aは、SiCの焼成前の粉体を加圧した状態で、その粉体間の隙間にアルミニウムを流し込むことによって形成してもよい。
○ 絶縁層13は、樹脂に限らず、セラミックスで形成されてもよい。セラミックスとしては、例えば、AlN(窒化アルミニウム)やBN(窒化ホウ素)が挙げられる。この場合、熱伝導率が樹脂に比較して高いため、絶縁層13における熱抵抗が小さくなり、冷却効率が向上する。
The
The insulating
○ 基板11に設けられる冷却媒体通路16の構成は、中子を使用して複数の通路16cが平行に形成された構成に限らない。例えば、パイプを鋳込んで冷却媒体通路16を形成してもよい。パイプは屈曲した1本のパイプに限らず、複数本のパイプを鋳込んだり、1本のパイプが途中で複数本に分岐された後、更に再び1本に集合される構成のものを鋳込んだりしてもよい。この場合、中子を使用する製造方法より簡単に、冷却媒体通路16を備えた基板11を製造することができる。
The configuration of the cooling
○ 冷却媒体通路16に流す冷却媒体は水に限らず、他の液体やあるいは気体であってもよい。
○ パイプはその両端が基板11の同じ側の端面から外部に突出する構成に限らず、異なる端面から突出するように形成されてもよい。
The cooling medium flowing through the cooling
The pipe is not limited to a configuration in which both ends project outward from the end surface on the same side of the
○ パイプとしてヒートパイプを使用してもよい。ヒートパイプを使用した場合は、冷却媒体が自動的にパイプ内を循環して基板11の熱が効率良く外部に放出され、冷却媒体循環路18を設ける必要がなく、全体の構成が簡単になる。
○ A heat pipe may be used as the pipe. When the heat pipe is used, the cooling medium is automatically circulated in the pipe, and the heat of the
○ 配線層12は、熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さい金属複合材製であればよい。例えば、第1の実施形態において、炭化ケイ素とアルミニウム合金との組合せに限らず、炭化ケイ素の微粒子に代えて熱伝導率の良い他のセラミックス、例えば、窒化ホウ素(BN)、酸化マグネシウム(MgO)、二ケイ化モリブデン(MoSi2)を使用し、アルミニウム合金に代えて熱伝導率の高い他の金属例えば銅を使用してもよい。また、第2の実施形態において、エキスパンドメタル32の素材をインバーに代えて、スーパーインバーやステンレスインバー等の他のインバー型合金を使用したり、フェルニコ(Fe54重量%、Ni31重量%、Co15重量%の合金)を使用したりしてもよい。
The
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)請求項6に記載の発明において、前記冷却媒体通路はヒートパイプで構成されている。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1) In the invention according to claim 6, the cooling medium passage is constituted by a heat pipe.
10…回路基板、11…基板、12,30…配線層、12a…AlSiC系複合材料部としてのAlSiC部、12b,12c…アルミニウム層、13…絶縁層、16…冷却媒体通路、18…冷却媒体循環路、31a…複合部、31b…銅層。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005252394A JP2007067228A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Circuit board |
EP06119700A EP1761114A3 (en) | 2005-08-31 | 2006-08-29 | Circuit board |
US11/514,736 US20070045801A1 (en) | 2005-08-31 | 2006-08-31 | Circuit board |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005252394A JP2007067228A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Circuit board |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007067228A true JP2007067228A (en) | 2007-03-15 |
Family
ID=37929055
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005252394A Pending JP2007067228A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Circuit board |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007067228A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9123697B2 (en) | 2013-04-24 | 2015-09-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor cooling device |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09321192A (en) * | 1996-05-24 | 1997-12-12 | Nippon Light Metal Co Ltd | Heat sink made of aluminum and its manufacturing method |
JP2000058589A (en) * | 1998-08-10 | 2000-02-25 | Sony Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
JP2000151111A (en) * | 1998-08-31 | 2000-05-30 | Toppan Printing Co Ltd | Substrate for semiconductor device |
JP2000183250A (en) * | 1998-12-14 | 2000-06-30 | Kyocera Corp | Semiconductor device |
JP2001110959A (en) * | 1999-10-13 | 2001-04-20 | Hitachi Ltd | Semiconductor device and electronic device using the same |
JP2003086744A (en) * | 2000-08-09 | 2003-03-20 | Mitsubishi Materials Corp | Power module and power module with heat sink |
JP2003152144A (en) * | 2001-08-28 | 2003-05-23 | Toyota Industries Corp | Composite material and method for its manufacture |
JP2003229531A (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-15 | Sanyo Electric Co Ltd | Hybrid integrated circuit device and method for manufacturing same |
JP2004134424A (en) * | 2002-10-08 | 2004-04-30 | Dainippon Printing Co Ltd | Component built-in wiring board and its manufacturing method |
-
2005
- 2005-08-31 JP JP2005252394A patent/JP2007067228A/en active Pending
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09321192A (en) * | 1996-05-24 | 1997-12-12 | Nippon Light Metal Co Ltd | Heat sink made of aluminum and its manufacturing method |
JP2000058589A (en) * | 1998-08-10 | 2000-02-25 | Sony Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
JP2000151111A (en) * | 1998-08-31 | 2000-05-30 | Toppan Printing Co Ltd | Substrate for semiconductor device |
JP2000183250A (en) * | 1998-12-14 | 2000-06-30 | Kyocera Corp | Semiconductor device |
JP2001110959A (en) * | 1999-10-13 | 2001-04-20 | Hitachi Ltd | Semiconductor device and electronic device using the same |
JP2003086744A (en) * | 2000-08-09 | 2003-03-20 | Mitsubishi Materials Corp | Power module and power module with heat sink |
JP2003152144A (en) * | 2001-08-28 | 2003-05-23 | Toyota Industries Corp | Composite material and method for its manufacture |
JP2003229531A (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-15 | Sanyo Electric Co Ltd | Hybrid integrated circuit device and method for manufacturing same |
JP2004134424A (en) * | 2002-10-08 | 2004-04-30 | Dainippon Printing Co Ltd | Component built-in wiring board and its manufacturing method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9123697B2 (en) | 2013-04-24 | 2015-09-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor cooling device |
US9171776B2 (en) | 2013-04-24 | 2015-10-27 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor cooling device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5801996B2 (en) | Double-sided cooling power module with power coating | |
JP5488619B2 (en) | Power module substrate and power module | |
US20070045801A1 (en) | Circuit board | |
JP5515947B2 (en) | Cooling system | |
JP2007019203A (en) | Heat radiator | |
WO2007037306A1 (en) | Heat sink module and process for producing the same | |
JP2006294971A (en) | Substrate for power module and its production process | |
JP5520815B2 (en) | Insulating substrate and base for power module | |
JPWO2011065457A1 (en) | Laminate and method for producing the same | |
JP6958441B2 (en) | Manufacturing method of insulated circuit board with heat sink | |
JP2006269966A (en) | Wiring substrate and its manufacturing method | |
JP2017524248A (en) | COOLING DEVICE, COOLING DEVICE MANUFACTURING METHOD, AND POWER CIRCUIT | |
JP4148123B2 (en) | Radiator and power module | |
WO2015104954A1 (en) | Electronic circuit device | |
JP2007073904A (en) | Circuit board | |
JP2007067228A (en) | Circuit board | |
JP2004327711A (en) | Semiconductor module | |
JP2004022964A (en) | Al-SiC COMPOSITE BODY, HEAT SINK COMPONENT USING THE SAME, AND SEMICONDUCTOR MODULE DEVICE | |
JP4876612B2 (en) | Insulated heat transfer structure and power module substrate | |
JP2004064050A (en) | Module structure and circuit board suitable for it | |
CN111386601A (en) | Insulating substrate and heat dissipation device | |
WO2016079970A1 (en) | Cooling module | |
JP2012049437A (en) | Substrate for power module and method of manufacturing the same | |
JP2004200567A (en) | Radiator and its producing process, substrate for power module, power module | |
JP2010219215A (en) | Heat dissipation structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070927 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090915 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090929 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091125 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101116 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110315 |