JP2007073904A - Circuit board - Google Patents
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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。 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.
また、放熱性に優れ、かつスルーホール形成が可能である印刷配線用基板(プリント配線板)として、熱硬化性樹脂硬化物からなる絶縁層の両面に回路形成用の導体を有する印刷配線用基板において、該絶縁層に熱媒体を通す冷却装置を埋設したものが提案されている(特許文献1参照)。特許文献1の印刷配線用基板は、図10(a)に示すように、絶縁層51に冷却装置52が埋設されており、絶縁層51の両面に回路形成用の導体(配線層)53が設けられている。冷却装置52は、例えば、図10(b)に示すように、管を折曲げて形成されている。そして、スルーホールが冷却装置52における熱冷媒の流路54の間に存在する絶縁樹脂の部分に形成されるようになっている。絶縁層51を構成する熱硬化性樹脂硬化物は、種々の充填材を配合することにより熱伝導率を向上させたり熱膨張係数を冷却装置52に整合させたりすることができる。
特許文献1の技術では、印刷配線用基板が熱媒体を通す冷却装置52を備えているため、ヒートシンクを別に設ける構成に比較して小型化が可能である。また、ヒートシンクを備えない印刷配線用基板に比較して優れた放熱性が得られる。ところが、特許文献1の構成では、冷却装置52は、導体53からの熱が、流路54を構成する管の外面まで絶縁層51を介して伝達され、その後、管を伝達して熱媒体に伝達された熱を、流路54を流れる熱媒体により絶縁層51と対応する部分から除去する構成である。そのため、導体53と管との位置関係によって導体53の放熱(冷却)効果が異なり、管に近い部分に比較して管に遠い部分や管に対向していない部分の放熱(冷却)効果が低くなる。また、導体53と管との間に存在する絶縁層51の最も薄い部分の厚さを、例えば、数十μm程度にした場合、成形の際に、絶縁層51の導体53と対向する面を平坦に形成するのが難しい。
In the technique of
本発明は前記の従来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、従来技術より放熱性に優れ、配線層を平坦に形成するのが容易で半田接続部の信頼性が向上す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 or the like that generates a large amount of heat, such as a power element, and is superior in heat dissipation than the prior art, An object of the present invention is to provide a circuit board in which a wiring layer can be easily formed flat and the reliability of a solder connection portion is improved.
前記の目的を達成するため請求項1に記載の発明は、冷却媒体流路を備えた金属製の冷却部が樹脂で埋設された基板を備え、該基板上に、シリコン半導体チップを搭載可能な配線層が絶縁層を介して設けられている回路基板である。前記冷却部は少なくとも前記配線層と対応する箇所に平坦部が形成され、前記樹脂には熱膨張係数が前記冷却部の熱膨張係数より小さな樹脂が使用されている。
In order to achieve the above object, the invention according to
この発明では、配線層は、冷却部を構成する平坦部上に絶縁層を介して設けられているため、配線層を平坦に形成すること、即ち配線層と平坦部との距離を一定にすることが容易になり、該距離を一定又はほぼ一定にすることにより、配線層と冷却部との距離が場所によって異なる場合に比較して、配線層から冷却部への熱の伝達が良好になる。また、金属製の冷却部の熱膨張が冷却部を埋設している樹脂によって抑制され、冷熱サイクルの寿命が長くなるとともに、配線層上に半田を介して半導体装置(シリコン半導体チップ)が搭載された際の半田接続部の信頼性が向上する。 In this invention, since the wiring layer is provided on the flat part constituting the cooling part via the insulating layer, the wiring layer is formed flat, that is, the distance between the wiring layer and the flat part is made constant. By making the distance constant or substantially constant, heat transfer from the wiring layer to the cooling unit becomes better than when the distance between the wiring layer and the cooling unit varies depending on the location. . In addition, the thermal expansion of the metal cooling unit is suppressed by the resin in which the cooling unit is embedded, and the life of the cooling cycle is prolonged, and a semiconductor device (silicon semiconductor chip) is mounted on the wiring layer via solder. This improves the reliability of the solder connection part.
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、前記冷却部が埋設された樹脂と前記絶縁層は同じ絶縁性樹脂で構成されている。従って、この発明では、絶縁層の製造に必要な樹脂が一種類でよく、冷却部が埋設された絶縁性樹脂と異なる樹脂で絶縁層が形成されている場合に比較して、材料の準備や保管が容易になる。
The invention according to claim 2 is the invention according to
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、共通の前記平坦部上において複数箇所に設けられている。
複数の配線層上に半導体装置が搭載されて使用される際、全ての半導体装置が同時に作動するとは限らない。複数の配線層が共通の平坦部上に設けられている場合には、発熱している半導体装置が搭載された配線層の熱が他の配線層に対応する箇所まで平坦部を伝達し、冷却部で冷却作用を受けるため、放熱性(冷却効果)が向上する。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the wiring layer is provided at a plurality of locations on the common flat portion.
When a semiconductor device is mounted on a plurality of wiring layers and used, not all semiconductor devices operate at the same time. When a plurality of wiring layers are provided on a common flat part, the heat of the wiring layer on which the semiconductor device generating heat is mounted is transmitted to the part corresponding to the other wiring layer and cooled. Since the cooling action is received at the part, the heat dissipation (cooling effect) is improved.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記冷却媒体流路は、前記複数箇所に設けられた配線層の配列方向に沿って延びるように設けられている。冷却媒体流路が複数あり、複数の配線層が異なる通路と対応するように配置された場合は、配線層上に搭載された一部の半導体装置が発熱している状態においては、一部の冷却媒体流路を流れる冷却媒体は冷却に殆ど寄与せずに流れる。しかし、この発明では、冷却媒体流路を流れる冷却媒体は全て冷却に寄与した状態で流れる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the cooling medium flow path is provided so as to extend along an arrangement direction of the wiring layers provided at the plurality of locations. When there are a plurality of cooling medium flow paths and a plurality of wiring layers are arranged so as to correspond to different paths, some semiconductor devices mounted on the wiring layers are partially heated, The cooling medium flowing through the cooling medium flow path flows with little contribution to cooling. However, in the present invention, all the cooling medium flowing through the cooling medium flow path flows in a state that contributes to cooling.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記冷却部はアルミニウム系金属製である。ここで、「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。アルミニウム系金属は、熱伝導率は金、銀、銅に劣るが、鉄やマグネシウムに比較して高く、加工性に優れ、軽量でしかも低コストである。従って、この発明では、軽量の回路基板を容易かつ安価に製造できる。
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of
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、前記配線層は、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る。ここで、「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。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、配線層を銅やアルミニウムで形成した場合より小さくなり、冷熱サイクルの寿命がより長くなるとともに、半田接続部の信頼性がより向上する。
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of
請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項6のいずれか一項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 7 is the invention according to any one of
本発明によれば、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、従来技術より放熱性に優れ、配線層を平坦に形成するのが容易で半田接続部の信頼性が向上する回路基板を提供することができる。 According to the present invention, it is suitable for mounting a semiconductor device or the like that generates a large amount of heat like a power element, has better heat dissipation than the prior art, and it is easy to form a wiring layer flatly and the reliability of the solder connection part The circuit board which improves can be provided.
(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)〜(c)に示すように、回路基板10は、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。基板11は、樹脂(この実施形態では絶縁性樹脂)で形成されるとともに冷却媒体通路14を備えている。冷却媒体通路14は、断面矩形状に形成されるとともに、入口部14a及び出口部14bを備え、入口部14aから分岐して2本の流路14cに分岐した後、再び1本に集合して出口部14bに連続するように形成されている。入口部14a及び出口部14bにはパイプ15a,15bが鋳込まれている。パイプ15a,15b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。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1A to 1C, the
各流路14cには、冷却媒体通路14の一部を構成するように金属製の冷却部16が埋設されている。この実施形態では、冷却部16はアルミニウム系金属製である。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。冷却部16は、断面積が流路14cの断面積より小さく、流路14cと平行に延びる複数の冷却媒体流路16aを備え、配線層12と対応する箇所に平坦部16bが形成されている。また、配線層12と対応する箇所と反対側にも平坦部16cが形成されている。
A
基板11を構成する絶縁性樹脂には、熱膨張係数が冷却部16の熱膨張係数より小さな樹脂が使用されている。絶縁性樹脂は、樹脂にセラミックスの粒子又は繊維等のフィラーが混合(充填)されることにより、熱膨張係数が冷却部16(この実施形態ではアルミニウム系金属)より小さく調整されている。フィラーの材質としては、例えば、ガラス、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素等が挙げられる。
As the insulating resin constituting the
配線層12は、各冷却部16の平坦部16b上において複数箇所に設けられている。即ち、冷却媒体流路16aは、複数箇所に設けられた配線層12の配列方向に沿って延びるように設けられている。配線層12は、一般に回路基板で使用される金属製(この実施形態では銅製)で、配線層12の絶縁層13と反対側の面上には、半田17を介してシリコン半導体チップとしての半導体装置(半導体チップ)18が実装(搭載)されている。半導体装置18は、図示しないアルミニウムワイヤで配線層12と接続されている。
The
絶縁層13は、熱伝導率を高めるために絶縁性で樹脂より熱伝導率の大きなセラミックスフィラーが充填されている。また、配線層12上に半田17を介して半導体装置18を実装する際、絶縁層13が半田17の溶融時の熱で溶融しないように、熱可塑性樹脂を使用する場合は融点が100℃以上のもの(例えば、ポリアミドやポリエステル)が使用される。この実施形態では、冷却部16が埋設された樹脂と絶縁層13は同じ絶縁性樹脂で構成されている。
The insulating
基板11は、厚さが10mm程度に形成される。絶縁層13は、厚さが薄いと耐圧性が悪くなり、厚いと熱伝導(熱伝達)が悪くなるため、厚さが10〜300μm、好ましくは20〜100μmに形成される。配線層12は熱伝導率が半田の熱伝導率より十分大きい銅製のため、その厚さは配線層12を流れる最大電流の大きさに合わせて適正な厚さに設定される。
The
なお、各図は回路基板10等の構成を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くしているために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。他の実施形態においても同様である。
Each drawing schematically shows the configuration of the
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。冷却部16は、例えば、押出し成形により形成される。形成された冷却部16の外表面にアルマイト処理を施す。外表面にアルマイト処理が施された冷却部16を金型内の所定位置に配置して射出成形又はトランスファー成形により、図3に示すように、平坦部16bが露出する状態で冷却部16が樹脂に鋳込まれた状態の成型品19が形成される。樹脂として熱可塑性樹脂を使用する場合は射出成形が行われ、樹脂として熱硬化性樹脂を使用する場合はトランスファー成形が行われる。冷却部16の外表面にアルマイト処理が施されているため、樹脂は冷却部16外表面に対してアンカー効果で強固に接着される。
Next, a method for manufacturing the
次に成型品19の平坦部16bが露出している部分に絶縁層13を形成するため、図3に示すように、平坦部16bと対向するようにシート20を配置して加熱プレスでシート20を貼付する。シート20が熱可塑性樹脂製の場合は、単に加熱プレスで平坦部16bに貼付する。シート20が熱硬化性樹脂製の場合は、シート20として半硬化状態のものを使用して加熱プレスで平坦部16bに貼付する。これにより、冷却媒体流路16aを備えた金属製の冷却部16が絶縁性樹脂で埋設された基板11の形成が完了する。
Next, in order to form the insulating
次に絶縁層13としてのシート20上の所定位置に、配線層12が形成される。配線層12の形成には、MID(Molded Interconnect Device)の製造に使用される方法、例えば、銅板(銅箔)を加熱プレスする方法(ホットスタンピング)や、銅板(銅箔)を打ち抜きプレスにより貼り付ける方法(IVONDING法)、メッキで配線層を形成する方法等が採用される。この実施形態では配線層12の形状に形成された銅板を加熱プレスにより接着する。その際、少なくとも銅板のシート20と対向する側の面に黒化処理を施したものを使用する。銅板に黒化処理が施されているため、配線層12はシート20(絶縁層13)に対してアンカー効果で強固に接着される。これにより、半導体装置18が搭載される前の回路基板10の製造が完了する。
Next, the
次に配線層12の上に半田17を介して半導体装置18や図示しない受動部品(チップ抵抗やチップコンデンサ等)が実装されて、半導体装置18が搭載された回路基板10が完成する。
Next, 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。回路基板10は、図示しない冷却媒体循環路にパイプ15a,15bにおいて連通されて使用される。冷却媒体循環路にはポンプ及びラジエータが設けられ、ラジエータは、モータにより回転されるファンを備え、ラジエータ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18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17、配線層12及び絶縁層13を介して冷却部16に伝達される。冷却部16に伝達された熱は、冷却媒体流路16aを流れる冷却媒体に伝達されるとともに持ち去られる。即ち、基板11は、冷却媒体流路16a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18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18等で発生した熱が基板11を介して効率良く除去される。
When the
配線層12は、冷却部16を構成する平坦部16b上に絶縁層13を介して設けられており、配線層12と平坦部16bとの距離がほぼ一定のため、平坦部16bを設けずに配線層12と冷却部16との距離が場所によって異なる場合に比較して、配線層12から冷却部16への熱の伝達が良好になる。また、金属製の冷却部16の熱膨張が冷却部16を埋設している絶縁性樹脂によって抑制され、冷熱サイクルの寿命が長くなるとともに、配線層12上に半田17を介して半導体装置18等が搭載された際の半田接続部の信頼性が向上する。
The
基板11上に複数の配線層12が設けられ、各配線層12上に半導体装置18が搭載されて使用される際、全ての半導体装置18が同時に作動するとは限らない。半導体装置18が発熱する際、発熱は中心部で最も大きく、その熱は半田17及び配線層12に伝達され、配線層12から絶縁層13を介して冷却部16に伝達される。絶縁層13の熱伝導率は配線層12や冷却部16の熱伝導率に比較して一桁小さい。複数の配線層12が共通の平坦部16b上に設けられているため、発熱している半導体装置18が搭載された配線層12の熱が他の配線層12に対応する箇所まで平坦部16bを伝達し、冷却部で冷却作用を受けるため、放熱性(冷却効果)が向上する。
When a plurality of wiring layers 12 are provided on 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、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18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18の温度が異常に高くなるのが防止され、半導体装置18の大電流化が可能になる。
Since the thermal conductivity of the insulating
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18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流路16aを流れる冷却媒体により、半導体装置18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15a,15bを介して冷却媒体通路14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
この実施形態では以下の効果を有する。
(1)回路基板10は、冷却媒体流路16aを備えた金属製の冷却部16が樹脂で埋設された基板11を備え、基板11上に、シリコン半導体チップを搭載可能な配線層12が絶縁層13を介して設けられている。冷却部16は配線層12と対応する箇所に平坦部16bが形成され、前記樹脂には熱膨張係数が冷却部16の熱膨張係数より小さな樹脂が使用されている。従って、配線層12と平坦部16bとの距離を一定にすることが容易になり、該距離を一定又はほぼ一定にすることにより、配線層12と冷却部16との距離が場所によって異なる場合に比較して、配線層12から冷却部16への熱の伝達が良好になる。また、金属製の冷却部16の熱膨張が冷却部16を埋設している樹脂によって抑制され、冷熱サイクルの寿命が長くなるとともに、配線層12上に半田17を介して半導体装置(シリコン半導体チップ)18が搭載された際の半田接続部の信頼性が向上する。
This embodiment has the following effects.
(1) The
(2)冷却部16が埋設された樹脂と絶縁層13は同じ絶縁性樹脂で構成されている。従って、絶縁層13の製造に必要な樹脂が一種類でよく、冷却部16が埋設された絶縁性樹脂と異なる樹脂で絶縁層13が形成されている場合に比較して、材料の準備や保管が容易になる。
(2) The resin in which the
(3)配線層12は、共通の平坦部16b上において複数箇所に設けられている。従って、平坦部16bが配線層12毎に独立して設けられた場合に比較して、冷却部16で効率良く冷却作用を受けるため、放熱性(冷却効果)が向上する。
(3) The
(4)冷却媒体流路16aは、複数箇所に設けられた配線層12の配列方向に沿って延びるように設けられているため、冷却媒体流路16aを流れる冷却媒体は全て冷却に寄与した状態で流れる。冷却媒体流路16aが複数あり、複数の配線層12が異なる通路と対応するように配置された場合は、配線層12上に搭載された半導体装置18の一部が発熱している状態においては、一部の冷却媒体流路16aを流れる冷却媒体は冷却に殆ど寄与せずに流れる。しかし、この実施形態ではそのようなことがない。
(4) Since the cooling
(5)冷却部16はアルミニウム系金属製であるため、軽量の回路基板を容易かつ安価に製造できる。
(6)配線層12は銅製で、熱伝導率が半田の熱伝導率(30W/(mK)程度)の10倍以上であるため、配線層12上に実装された半導体装置18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。
(5) Since the cooling
(6) Since the
(7)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。
(8)冷却媒体通路14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て、例えば、エンジンルーム等に設けられる場合、半導体装置18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14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。
(7) Since water is used as the cooling medium, the heat of the
(8) The cooling
(9)冷却部16は長手方向に延びる周面だけでなく、長手方向と直交する端面の一部においても絶縁製樹脂と接触する状態で埋められている。従って、冷却部16の熱膨張が、前記端面が絶縁製樹脂に接触していない構成に比較してより効果的に抑制される。
(9) The
(10)基板11を製造する際、冷却部16を金型内にセットして射出成形又はトランスファー成形により、絶縁層13となる部分を除いた部分を構成する成型品19を製造した後、シート20を貼付することにより絶縁層13となる部分を形成するようにした。従って、絶縁層13の部分が数十μmと薄い場合にも、所望の厚さの絶縁層13を確実にかつ容易に形成することができる。
(10) When the
(11)配線層12は、銅製のため、エッチングにより回路パターンに形成でき、回路パターンへの加工が容易である。例えば、樹脂製のシート20に代えて、片面に銅層が積層された樹脂シートを絶縁層13に貼付した後、エッチングで所定の形状の配線層12を形成することも可能である。
(11) Since the
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態を図4(a),(b)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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. 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(a)に示すように、回路基板10は、基板11上に、配線層25が絶縁層13を介して設けられている。配線層25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る。「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。この実施形態では、金属複合材として、AlSiC系複合材が使用されている。
As shown in FIG. 4A, the
図4(b)に示すように、AlSiC系複合材26は、AlSiC部26aを挟んで両面にアルミニウム層26b,26cが配置された構成である。AlSiC部26a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26a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。AlSiC系複合材26は、所望の厚さのAlSiC部26aを挟むようにアルミニウム層26b,26c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26aにアルミニウム板を積層接着させることにより形成される。
As shown in FIG. 4B, the AlSiC-based
配線層25の熱膨張係数は、全体の厚さあるいはAlSiC部26a及びアルミニウム層26b,26c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、AlSiC部26aの厚さt1と、アルミニウム層26b,26cの厚さt2との比t1/t2をt1/t2=3/0.4とし、配線層25全体の厚さを2.5mmにすると、熱膨張係数が10.5×10−6/℃、熱伝導率が240W/(mK)になる。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
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)〜(5),(7)〜(10)と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
The
(12)配線層25は、熱伝導率が半田の熱伝導率(30W/(mK)程度)の数倍以上であるため、配線層25上に実装された半導体装置18等から発生した熱が配線層25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。
(12) Since the thermal conductivity of the
(13)配線層25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る。従って、半導体装置18と配線層25との熱膨張係数の差が、配線層25を銅やアルミニウムで形成した場合より小さくなり、冷熱サイクルの寿命がより長くなるとともに、半田接続部の信頼性がより向上する。
(13) The
(14)金属複合材は、AlSiC部26aを挟んで両面にアルミニウム層26b,26cが配置された構成である。従って、例えば、AlSiC部26aとアルミニウム層26b,26cとの厚さの比を変更することにより、配線層25の熱膨張係数及び熱伝導率を配線層25上に搭載される半導体装置18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。
(14) The metal composite material has a configuration in which aluminum layers 26b and 26c are arranged on both sides of the AlSiC portion 26a. Therefore, for example, by changing the thickness ratio between the AlSiC portion 26a and the aluminum layers 26b and 26c, the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the
(第3の実施形態)
次に第3の実施形態を図5(a),(b)及び図6に従って説明する。この実施形態は、配線層が金属複合材製である点は第2の実施形態と同じであるが、金属複合材の構成を変更した点が第2の実施形態と異なり、その他の構成は第1及び第2の実施形態と同じである。第1及び第2の実施形態と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。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. 5 (a), (b) and FIG. This embodiment is the same as the second embodiment in that the wiring layer is made of a metal composite material, but is different from the second embodiment in that the configuration of the metal composite material is changed. The same as in the first and second embodiments. The same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5(a)に示すように、回路基板10は、基板11上に、配線層28が絶縁層13を介して設けられている。配線層28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る。配線層28を構成する金属複合材29は、図5(b)に示すように、銅とインバーの複合部29aを挟んで両面に銅層29bが配置された構成になっている。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。
As shown in FIG. 5A, the
図6に示すように、金属複合材29は、インバーで形成されたエキスパンドメタル30を銅板31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31の間にエキスパンドメタル30を配置した状態で圧延ロールにより、加熱、圧延して銅板31とエキスパンドメタル30とを一体化することで、エキスパンドメタル30と、エキスパンドメタル30を囲繞するマトリックス金属の銅とで構成される金属複合材29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29が形成される。圧延・接合後の金属複合材29の厚さをt11、エキスパンドメタル30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30の厚さ、銅板31の厚さ及び圧延率が設定される。金属複合材29は、配線層12の形状に合わせて形成しても、配線層12より大きな板を形成した後、所定の形状に切断してもよい。
As shown in FIG. 6, the
また、金属複合材29は、複合部29aが1層の構成に限らず、複合部29aが複数層、例えば、複合部29aが2層の構成であってもよい。複合部29aが2層の構成の金属複合材29は、3枚の銅板31と2枚のエキスパンドメタル30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。配線層28の熱膨張係数は、全体の厚さあるいは複合部29a及び銅層29b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、複合部29aが1層の3層品の場合、配線層28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28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)になった。
In addition, the
前記のように構成された回路基板10は、第1及び第2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)〜(5),(7)〜(10)及び第2の実施形態における効果(12),(13)と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
The
(15)配線層28は、複合部29aを挟んで両面に銅層29bが配置された構成である。従って、配線層28の熱膨張係数及び熱伝導率を配線層28上に搭載される半導体装置18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。
(15) The
(16)配線層28は、金属の複合材のため、エッチングにより回路パターンを形成でき、第2の実施形態より回路パターンの加工が容易である。
(第4の実施形態)
次に第4の実施形態を図7に従って説明する。この実施形態は、冷却部16が1個設けられ、全ての配線層12が共通の平坦部16bと対応する箇所に設けられている点と、配線層12と対応しない箇所にも冷却媒体流路16aが形成されている点とが前記第1の実施形態と異なり、その他の構成は第1の実施形態と同じである。第1の実施形態と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。
(16) Since the
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, one
図7は図1(b)に対応する模式断面図である。基板11には2列に配列された配線層12の両列に跨る幅の1個の流路14cが設けられ、流路14cに1個の冷却部16が冷却媒体通路14の一部を構成するように埋設されている。冷却部16には、流路14cと平行(図7の紙面と直交方向)に延びる複数の冷却媒体流路16aが一定間隔で形成され、平坦部16bは2列の配線層12と対応する箇所に跨るように形成されている。冷却媒体流路16aを挟んで平坦部16bと反対側に平坦部16bと同じ大きさの平坦部16cが形成されている。平坦部16b上に所定の間隔をおいて複数の配線層12が2列に、その配列方向が冷却媒体流路16aの延びる方向に沿って配列されている。即ち、この実施形態においては、全ての配線層12が共通の平坦部16bと対応する箇所に設けられている。各配線層12上には半田17を介して半導体装置18や図示しない受動部品等が実装(搭載)されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 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。回路基板10に搭載された半導体装置18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17、配線層12及び絶縁層13を介して冷却部16に伝達される。冷却部16に伝達された熱は、冷却媒体流路16aを流れる冷却媒体に伝達されるとともに持ち去られる。平坦部16bが全ての配線層12の配置領域に跨るように設けられているため、発熱した部品と対応する配線層12から絶縁層13を介して伝達された熱は、平坦部16bにおいて当該配線層12と対応する部分以外の部分へと伝達される。そして、平坦部16bを伝達した熱が、冷却媒体流路16aを流れる冷却媒体に伝達されるとともに持ち去られる。
The
従って、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)〜(11)と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
(17)全ての配線層12が共通の平坦部16bと対応する箇所に設けられているため、半導体装置18から発生した熱は、半田17、配線層12及び絶縁層13を介して平坦部16bに伝達されると、平坦部16bにおいて発熱部の配線層12と対応する部分以外の部分へも伝達される。従って、冷却部16に伝達された熱が第1の実施形態に比較して、冷却媒体流路16aを流れる冷却媒体により効率良く除去される。
Accordingly, the
(17) Since all the wiring layers 12 are provided at locations corresponding to the common
(18)配線層12と対応しない箇所にも冷却媒体流路16aが形成されているため、発熱部の配線層12と対応する部分以外の平坦部16bに伝達された熱がより効率良く除去される。
(18) Since the cooling
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。
○ 絶縁層13が熱硬化性樹脂製の場合、半硬化状態のシート20を貼付する代わりに、フィラーが混合された未硬化の熱硬化性樹脂を例えばスキージで所定の厚さに塗布した後、熱硬化させてもよい。この場合も薄い絶縁層13を所定の厚さに容易に形成することができる。
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
○ When the insulating
○ 絶縁層13は、必ずしも基板11の他の部分を構成する絶縁性樹脂と同じ樹脂で形成する必要はない。しかし、絶縁層13の熱抵抗を小さくするため、熱伝導率が樹脂単独の場合より高くなるようにフィラーが混合されているのが好ましい。
The insulating
○ 絶縁層13を除く基板11の他の部分を構成する樹脂は絶縁性樹脂で形成する必要はない。この場合、基板11の樹脂に混合されるフィラーを金属製にしてもよい。
○ 冷却部16は、押出し成形に限らず、例えば、ダイカスト法や図9(b)に示すように、曲げ加工を施した板材33の両側に天板34をろう付けして形成してもよい。図9(b)に示す構成の場合、天板34が平坦部16b,16cになり、板材33と天板34とで囲まれた空間が冷却媒体流路16aになる。絶縁層13と対向する平坦部16bと反対側に配置される平坦部16cとなる天板34は、金属製に限らず樹脂製であってもよい。
The resin constituting the other part of the
The cooling
○ 図8(a)に示すように、矩形状の板材35と、断面矩形状で一対の幅狭の板材36とを交互に積層配置した状態で、加熱加圧プレスにより接合させることにより冷却部16を形成する。そして、図8(b)に示すように、板材35及び幅狭の板材36の交互に接合された部分を平坦部16b,16cとして使用するようにしてもよい。
○ As shown in FIG. 8 (a), a
○ 基板11に設けられる冷却媒体通路14の構成は、基板11の長手方向の一端側に入口部14aが、他端側に出口部14bがそれぞれ長手方向に沿って設けられる構成に限らない。例えば、図9(a)に示すように、入口部14a及び出口部14bが基板11の長手方向と直交する方向に延びるように形成され、パイプ15a,15bが基板11の同じ側の端面から突出する構成であってもよい。
The configuration of the cooling
○ 冷却部16は、少なくとも配線層12と対応する箇所に平坦部16bが形成されていればよく、平坦部16cはなくてもよい。
○ 冷却部16を射出成形あるいはトランスファー成形で絶縁性樹脂に鋳込む際、絶縁層13を同時に形成してもよい。その場合、冷却部16だけでなく配線層12も金型内の所定位置に配置して成型を行えば、配線層12を後から絶縁層13上に接合する工程を省略することができる。また、配線層12が金属単体あるいは複数の金属からなる金属複合材の場合、配線層12の形状ではなく、平坦部16bと対応する形状の金属板が絶縁層13に固着される状態で射出成形あるいはトランスファー成形を行い、その後、エッチングで配線層12の形状に加工してもよい。
O The cooling
When the cooling
○ 冷却部16は、複数の冷却媒体流路16aが平行に延びる構成に限らず、一つの冷却媒体流路16aあるいは配線層12の配列箇所に対応してそれぞれ一つの冷却媒体流路16aが設けられた構成としたり、冷却媒体流路16a内にフィンが突出した構成としたりしてもよい。
The cooling
○ 冷却部16は、押出し成形、ダイカスト法あるいは板材の加工・接合等の方法に限らず、例えば、パイプで冷却媒体流路16aを形成するとともに、少なくとも配線層12と対応する箇所に平坦部を有する板材を接合して製造してもよい。パイプは屈曲した1本のパイプに限らず、1本のパイプが途中で複数本に分岐された後、再び1本に集合される構成のものとしてもよい。
The cooling
○ 冷却部16は、入口部14a、出口部14b及び流路14cも一体に形成された構成であってもよい。
○ 冷却媒体流路16aを構成する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、冷却媒体循環路を設ける必要がなく、全体の構成が簡単になる。
The cooling
A heat pipe may be used as the pipe constituting the cooling
○ 冷却媒体流路16aは、配線層12の配列方向に沿って延びる構成に限らず、配線層12の配列方向と交差する方向に延びる構成であってもよい。
○ 冷却媒体通路14の入口及び出口部14a,14bの数を複数にしてもよい。
The cooling
A plurality of inlets and
○ 第2及び第3の実施形態においても、第4の実施形態における冷却媒体流路16aを備えた冷却部16としてもよい。
○ 第1及び第4の実施形態において、配線層12をアルミニウムで形成してもよい。しかし、電気抵抗の点で銅の方が好ましい。
In the second and third embodiments, the cooling
In the first and fourth embodiments, the
○ 一つの配線層12,25,28上に複数の半導体装置18あるいは他の電子部品を搭載する構成としてもよい。従って、配線層12は複数に限らず、一つでもよい。
○ 配線層12,25,28は、2列に限らず1列あるいは3列以上等、配線層12,25,28の数あるいは基板11の形状に適した列数に変更してもよい。
A plurality of
The wiring layers 12, 25, 28 are not limited to two rows, and may be changed to the number of wiring layers 12, 25, 28 or the number of columns suitable for the shape of the
○ 絶縁層13は必要な絶縁性が確保されれば、熱膨張係数を小さくするとともに熱伝導率を高くするために混合するフィラーとして、絶縁性のセラミックスに限らず、導電性のセラミックス製や金属製のフィラーを使用してもよい。
○ As long as necessary insulation is ensured, the insulating
○ 絶縁層13を配線層12と対応する部分にのみ設けてもよい。その場合、平坦部16bは配線層12と対応する部分以外は露出する状態となる。
○ 冷却媒体通路14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。
The insulating
The cooling medium flowing through the cooling
○ 金属複合材で配線層12を構成する場合、金属複合材は、熱膨張係数がシリコン半導体チップより大きく、銅より小さければよい。例えば、第2の実施形態において、炭化ケイ素とアルミニウム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)等を使用し、アルミニウム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3の実施形態において、エキスパンドメタル30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。
In the case where the
○ 配線層12に窒化アルミニウム(AlN)層を挟んで両側にアルミニウム層が配置された構造のDBA基板(Al/AlN/Al)、窒化アルミニウム層を挟んで両側に銅層が配置された構造のDBC基板(Cu/AlN/Cu)又は、窒化ケイ素(SiN)基板、アルミナ(Al2O3)基板、炭化ケイ素(SiC)基板を使用してもよい。DBA基板と冷却部は射出成型時に一体接合してもよい。このとき絶縁性樹脂はDBA基板と冷却部とを接着する。 ○ DBA substrate (Al / AlN / Al) having a structure in which an aluminum nitride (AlN) layer is sandwiched between wiring layers 12 and a copper layer is disposed on both sides of the aluminum nitride layer. A DBC substrate (Cu / AlN / Cu), a silicon nitride (SiN) substrate, an alumina (Al 2 O 3 ) substrate, or a silicon carbide (SiC) substrate may be used. The DBA substrate and the cooling unit may be integrally joined at the time of injection molding. At this time, the insulating resin bonds the DBA substrate and the cooling unit.
○ 配線層12にAl、Cuを使用し、絶縁層13にAlN、SiN、アルミナを使用し、絶縁層13と配線層12をロウ付け、拡散接合などにより予め接合しておき、低膨張樹脂の射出成型時に冷却部16と接合してもよい。このとき絶縁性樹脂は配線層12と冷却部16とを接着する。
○ Al and Cu are used for the
○ Al製水冷ヒートシンクにAl2O3(アルミナ)又はAlNを溶射して膜を形成し、さらにAl、Cuを溶射又はロウ付けした冷却部16を低膨張樹脂の射出成型にて一体成型してもよい。
○ A film is formed by spraying Al 2 O 3 (alumina) or AlN on a water-cooled heat sink made of Al. Further, the cooling
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又は請求項7に記載の発明において、前記金属複合材は、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。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1) In invention of Claim 6 or Claim 7, the said metal composite material 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.
(2)請求項6又は請求項7に記載の発明において、前記金属複合材は、AlSiC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。
(3)請求項1〜請求項7及び前記技術的思想(1),(2)のいずれか一項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。
(2) In the invention according to claim 6 or claim 7, the metal composite material has a configuration in which an aluminum layer is disposed on both sides of an AlSiC portion.
(3) In the invention according to any one of
(4)請求項1〜請求項7及び前記技術的思想(1),(2)のいずれか一項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。
(4) In the invention according to any one of
10…回路基板、11…基板、12,25,28…配線層、13…絶縁層、16…冷却部、16a…冷却媒体流路、16b…平坦部、18…シリコン半導体チップとしての半導体装置、26…金属複合材としてのAlSiC系複合材、29…金属複合材。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記冷却部は少なくとも前記配線層と対応する箇所に平坦部が形成され、前記樹脂には熱膨張係数が前記冷却部の熱膨張係数より小さな樹脂が使用されている回路基板。 A circuit board is provided with a substrate in which a metal cooling section having a cooling medium flow path is embedded with a resin, and on which a wiring layer on which a silicon semiconductor chip can be mounted is provided via an insulating layer. And
A circuit board in which the cooling part has a flat part formed at least at a location corresponding to the wiring layer, and the resin uses a resin whose thermal expansion coefficient is smaller than the thermal expansion coefficient of the cooling part.
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